DE202020106248U1 - Humidity exchangers, in particular humidifiers for a fuel cell, and fuel cell systems - Google Patents
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Abstract
Feuchtetauscher (1) für Medienströme, insbesondere Befeuchter (1) für eine Brennstoffzelle (20),
- mit einer ersten Zuleitung (3) für ein erstes, zu entfeuchtendes Fluid (FL1),
- mit einer zweiten Zuleitung (4) für ein zweites, zu befeuchtendes Fluid (FL2),
- mit einer ersten Ableitung (5) für das bei Austritt aus dem Feuchtetauscher (1) angefeuchtete zweite Fluid (FL2),
- mit einer zweiten Ableitung (6) für das bei Austritt aus dem Feuchtetauscher (1) feuchtereduzierte erste Fluid (FL1), und
- mit einem Stapel (7) aus feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen (8) und zwischen den Membranen (8) angeordneten Verteilerplatten (9) zur Führung der Fluide (FL1, FL2) an die Membranen (8), wobei die Verteilerplatten (9) an ihrer Oberfläche (9A, 9B) Strömungskanäle (19) für die Fluide (FL1, FL2) aufweisen und über Sammelleitungen (15, 16, 17, 18) miteinander strömungsverbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatten (9) jeweils an gegenüberliegenden Endbereichen (9D, 9E) ihrer planaren Erstreckung Durchbrüche (12A, 12B, 12C, 12D) aufweisen und sich die Durchbrüche (12A, 12B, 12C, 12D) der gestapelten Verteilerplatten (9) zur Ausbildung der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Flächenebene der Verteilerplatten (9) erstreckenden Sammelleitungen (15, 16, 17, 18) überdecken.
Humidity exchanger (1) for media flows, in particular humidifier (1) for a fuel cell (20),
- With a first supply line (3) for a first fluid to be dehumidified (FL1),
- With a second supply line (4) for a second fluid to be moistened (FL2),
- With a first discharge line (5) for the second fluid (FL2) which is humidified when it exits the moisture exchanger (1),
- With a second discharge line (6) for the first fluid (FL1), which is moisture-reduced when it exits the moisture exchanger (1), and
- With a stack (7) of moisture-permeable membranes (8) and distribution plates (9) arranged between the membranes (8) for guiding the fluids (FL1, FL2) to the membranes (8), the distribution plates (9) on their surface (9A, 9B) have flow channels (19) for the fluids (FL1, FL2) and are flow-connected to one another via collecting lines (15, 16, 17, 18); characterized in that the distribution plates (9) each have openings (12A, 12B, 12C, 12D) at opposite end regions (9D, 9E) of their planar extent and the openings (12A, 12B, 12C, 12D) of the stacked distribution plates (9 ) to form the collecting lines (15, 16, 17, 18) which extend essentially perpendicular to a surface plane of the distributor plates (9).
Description
Die Erfindung betrifft einen Feuchtetauscher, insbesondere einen Befeuchter für eine Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 näher definierten Art sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Feuchtetauscher.The invention relates to a moisture exchanger, in particular a humidifier for a fuel cell, according to the type defined in more detail in the preamble of
Feuchtetauscher zur Feuchtigkeitsübertragung zwischen zwei Gasen mittels feuchtigkeitsdurchlässiger Membranen finden in unterschiedlichen Bereichen wie z. B. Brennstoffzellen-Systemen, in der Gebäudetechnik zur Rückgewinnung von Feuchte bei Raumklimatisierungen oder in der Medizintechnik Anwendung.Moisture exchangers for the transfer of moisture between two gases by means of moisture-permeable membranes are used in different areas such as B. fuel cell systems, in building technology for the recovery of moisture in room air conditioning or in medical technology application.
In einer Brennstoffzelle wird die Energie einer elektrochemischen Reaktion eines Brennstoffs mit einen Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt. Im mobilen Sektor, also beispielsweise bei Kraftfahrzeugen und Schiffen, kommen vorrangig sogenannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, kurz PEM-Brennstoffzellen, zum Einsatz. Namensgebend ist eine Polymermembran, meist auf Perfluorsulfonsäure-Funktionen (PFSA) basierend, welche die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kontrolliert ablaufen lässt. Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen weisen eine kontinuierliche Betriebstemperatur von ca. 60 °C bis 95 °C auf. Die Membran kann beidseitig mit einer katalytischen Elektrode beschichtet sein. Der Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft zugeführt und der Wasserstoff beispielsweise in einem Drucktank im Kraftfahrzeug mitgeführt.In a fuel cell, the energy of an electrochemical reaction of a fuel with an oxidizing agent is converted into electrical energy. In the mobile sector, for example in motor vehicles and ships, so-called polymer electrolyte fuel cells, or PEM fuel cells for short, are primarily used. It is named after a polymer membrane, mostly based on perfluorosulfonic acid functions (PFSA), which allows the chemical reaction of hydrogen and oxygen to form water to take place in a controlled manner. Low-temperature PEM fuel cells have a continuous operating temperature of approx. 60 ° C to 95 ° C. The membrane can be coated on both sides with a catalytic electrode. The oxygen is supplied from the ambient air and the hydrogen is carried along, for example, in a pressure tank in the motor vehicle.
Zur Erhöhung des dynamischen Wirkungsgrads wird in der Praxis ein Lufteingangsstrom der Brennstoffzelle insbesondere mit einem mit Wasserdampf angereicherten Luftausgangsstrom der Brennstoffzelle befeuchtet. Hierzu dient ein separater Befeuchter, um den Lufteingangsstrom und und/oder den zugeführten Wasserstoff zu befeuchten.To increase the dynamic efficiency, in practice an air inlet stream of the fuel cell is humidified, in particular with an air outlet stream of the fuel cell enriched with water vapor. A separate humidifier is used for this purpose in order to humidify the air inlet flow and / or the supplied hydrogen.
Solche Befeuchter sind in unterschiedlicher Ausgestaltung beispielsweise in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtetauscher, insbesondere einen Befeuchter für eine Brennstoffzelle, und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem der Wirkungsgrad bei gleichzeitig einfachem konstruktiven Aufbau verbessert ist.The invention is based on the object of creating a moisture exchanger, in particular a humidifier for a fuel cell, and a fuel cell system in which the efficiency is improved while at the same time having a simple structural design.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch einen Feuchtetauscher mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß Schutzanspruch 14 gelöst.According to the invention, these objects are achieved by a moisture exchanger with the features of
Es wird mithin ein Feuchtetauscher für Medienströme, insbesondere ein Befeuchter für eine Brennstoffzelle, vorgeschlagen, welcher aufweist:
- - Eine erste Zuleitung für ein erstes, zu entfeuchtendes Fluid,
- - eine zweite Zuleitung für ein zweites, zu befeuchtendes Fluid, welches bei Eintritt in den Feuchtetauscher einen geringeren Feuchtegehalt als das erste Fluid aufweist,
- - eine erste Ableitung für das bei Austritt aus dem Befeuchter angefeuchtete zweite Fluid,
- - eine zweite Ableitung für das bei Austritt aus dem Befeuchter feuchtereduzierte erste Fluid, und
- - einen Stapel aus feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen, insbesondere Perfluorsulfonsäure-Flachmembranen, und zwischen den Membranen angeordneten Verteilerplatten zur Führung der Fluide an die Membranen, wobei die Verteilerplatten an ihrer Oberfläche Strömungskanäle für die Fluide aufweisen und über Sammelleitungen miteinander strömungsverbunden sind.
- - A first supply line for a first fluid to be dehumidified,
- - A second feed line for a second fluid to be humidified which, when entering the moisture exchanger, has a lower moisture content than the first fluid,
- - a first derivation for the second fluid humidified when it exits the humidifier,
- a second discharge line for the first fluid, which is moisture-reduced when it exits the humidifier, and
- A stack of moisture-permeable membranes, in particular perfluorosulfonic acid flat membranes, and distributor plates arranged between the membranes for guiding the fluids to the membranes, the distributor plates having flow channels for the fluids on their surface and being flow-connected to one another via collecting lines.
Erfindungsgemäß weisen die Verteilerplatten innerhalb eines äußeren Randes jeweils an gegenüberliegenden Endbereichen ihrer planaren Erstreckung Durchbrüche auf, welche auch als Manifolds bezeichnet werden, wobei sich die Durchbrüche der gestapelten Verteilerplatten zur Ausbildung der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Flächenebene der Verteilerplatten erstreckenden Sammelleitung überdecken.According to the invention, the distributor plates have openings within an outer edge at opposite end regions of their planar extent, which are also referred to as manifolds, the openings of the stacked distributor plates overlapping to form the manifold extending essentially perpendicular to a surface plane of the distributor plates.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass der Feuchtetauscher mit Verteilerplatten bestückt ist, die in wechselseitiger Anordnung mit einer Membran die jeweiligen Fluidströme trennt, wobei mittels integrierter, das Strömungsfeld versorgender Manifolds eine einfache Konstruktion für einen effektiven Feuchteaustausch zwischen den in dem Feuchtetauscher aneinander vorbeiströmenden Fluiden mittels der jeweils zwischen den Verteilerplatten angeordneten Membranen bereitgestellt wird.The core idea of the invention is that the moisture exchanger is equipped with distributor plates which, in an alternating arrangement with a membrane, separate the respective fluid flows, whereby by means of integrated manifolds supplying the flow field, a simple construction for an effective moisture exchange between the fluids flowing past each other in the moisture exchanger is provided by means of the membranes arranged in each case between the distributor plates.
Eine Anpassung an die Durchsatzmenge des zu befeuchtenden Fluids, an die benötigten Betriebsdrücke sowie einen vorhandenen Einbauraum, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, kann durch die Auswahl der Form der Membranen und der zugehörigen Verteilerplatten sowie der Höhe des Stapels, die durch die Anzahl an vorhandenen Membranen und Verteilerplatten bestimmt ist, vorgenommen werden.An adaptation to the flow rate of the fluid to be humidified, to the required operating pressures and an existing installation space, for example in a motor vehicle, can be achieved by selecting the shape of the membranes and the associated distribution plates and the height of the stack, which is determined by the number of membranes and Distribution plates is intended to be made.
Die Durchbrüche, welche einen Fluidstrom durch den Stapel ermöglichen, um beispielsweise das feuchte und das anzufeuchtende Fluid von einer zur nächsten Membran durchtreten zu lassen, können in ihrer Form, Anzahl und Größe jeweils in Abhängigkeit der Menge an durchgesetztem Fluid und der Stapelgröße gewählt werden. Insbesondere können diese Durchbrüche auch unmittelbar mit Fluidleitungen im Inneren des Gehäuses mit den jeweiligen Zu- und Ableitungen für die verschiedenen Fluide am Gehäuse verbunden sein, um einen unmittelbaren Fluidstrom durch den Stapel zu erhalten.The openings, which enable a fluid flow through the stack, for example to allow the moist and the fluid to be moistened to pass from one membrane to the next, can each be in their shape, number and size in Depending on the amount of fluid passed through and the stack size can be selected. In particular, these openings can also be connected directly to fluid lines in the interior of the housing with the respective inlet and outlet lines for the various fluids on the housing in order to obtain a direct fluid flow through the stack.
Die Verteilerplatten können grundsätzlich jede geometrische Form haben und beispielsweise rechteckige, runde, ovale oder gewinkelte Oberfläche aufweisen.The distributor plates can in principle have any geometric shape and, for example, have a rectangular, round, oval or angled surface.
In einer vorteilhaften Ausführung sind die Verteilerplatten in ihrer Flächenebene im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein, wobei jeweils in einem Eckbereich ein Durchbruch angeordnet ist.In an advantageous embodiment, the distribution plates are designed to be essentially rectangular in their surface plane, with an opening being arranged in each corner area.
Ein solcher Durchbruch kann ebenfalls prinzipiell jede beliebige Geometrie aufweisen. Bei einer rechteckigen Verteilerplatte ist es im Hinblick auf die Strömungsführung vorteilhaft, wenn er eine wenigstens annähernd dreiecke Kontur aufweist, welche mit zwei Seiten der Außenkontur der Verteilerplatte folgt.Such a breakthrough can in principle also have any geometry. In the case of a rectangular distributor plate, with regard to the flow guidance, it is advantageous if it has an at least approximately triangular contour which, on two sides, follows the outer contour of the distributor plate.
Für einen besonders effizienten und kompakten Aufbau des Stapels aus Verteilerplatten und Membranen ist es vorteilhaft, wenn auf jeder Oberflächenseite der Verteilerplatten offene Strömungskanäle für jeweils eines der Fluide angeordnet sind.For a particularly efficient and compact structure of the stack of distributor plates and membranes, it is advantageous if open flow channels for one of the fluids are arranged on each surface side of the distributor plates.
Auf diese Weise kann der Feuchtetauscher im Gegenstrom betrieben werden. Beispielsweise fließt das feuchte Fluid in Längsrichtung durch eine säulenförmige Sammelleitung, und in Gegenrichtung fließt das trockene Fluid durch eine säulenförmige Sammelleitung in dem Stapel. Hiervon kann durch die Durchbrüche bzw. Manifolds beidseits auf die Verteilerplatte ein zu befeuchtendes bzw. ein zu entfeuchtendes Fluid geführt werden, so dass beidseits einer zwischen zwei Verteilerplatten angeordneten Membran die jeweiligen Fluide im Gegenstrom aneinander vorbeigezwungen werden und durch die Membranen des Stapels ein Austausch von Wassermolekülen stattfindet, so dass das trockene Fluid angefeuchtet wird.In this way, the moisture exchanger can be operated in countercurrent. For example, the moist fluid flows in the longitudinal direction through a columnar manifold, and in the opposite direction the dry fluid flows through a columnar manifold in the stack. From this, a fluid to be humidified or dehumidified can be fed through the openings or manifolds on both sides of the distributor plate, so that on both sides of a membrane arranged between two distributor plates the respective fluids are forced past one another in countercurrent and an exchange of Water molecules takes place so that the dry fluid is moistened.
Grundsätzlich kann bei entsprechender Anordnung der Strömungskanäle auch ein Betrieb im Kreuzstrom bzw. Querstrom oder im Gleichstrom vorgesehen sein, wenn dies für die geforderte Leistungsfähigkeit ausreichend ist. Bei erhöhten Leistungsanforderungen ist der Gegenstrombetrieb wegen seiner gesteigerten Feuchtigkeitsübertragungsrate vorzuziehen.In principle, with an appropriate arrangement of the flow channels, operation in cross flow or cross flow or in direct flow can also be provided if this is sufficient for the required performance. With increased performance requirements, countercurrent operation is preferable because of its increased moisture transfer rate.
Als Material für die Membranen wird Perfluorsulfonsäure vorgeschlagen. Daraus können Membranen insbesondere als Flachmembranen ausgebildet sein, die einen guten Austausch des Wasserdampfs vom feuchten zum trockenen Fluid ermöglichen. Der Fachmann kann jedoch je nach Anwendungsfall und Leistungsfähigkeitsanforderungen auch eine andere angepasste Membranart wählen.Perfluorosulfonic acid is proposed as the material for the membranes. From this, membranes can be designed in particular as flat membranes, which enable a good exchange of the water vapor from the moist to the dry fluid. However, the person skilled in the art can also choose a different type of membrane adapted to the application and performance requirements.
Bei einer vorteilhaften Ausführung mit einer optimalen Versorgung der aktiven Fläche der jeweiligen Membran wird das jeweilige Fluid an einer oberen oder unteren Oberflächenseite der Verteilerplatten jeweils zwischen diagonal gegenüberliegenden Durchbrüchen über eine die Fluide gleichmäßig verteilende Kanalgeometrie der Strömungskanäle geführt, wobei es bei wenigstens annähernd rechteckigen Verteilerplatten zweckmäßig ist, vier Durchbrüche jeweils in den Eckbereichen der Verteilerplatten vorzusehen.In an advantageous embodiment with an optimal supply of the active surface of the respective membrane, the respective fluid is guided on an upper or lower surface side of the distributor plates between diagonally opposite openings over a channel geometry of the flow channels that distributes the fluids evenly, whereby it is expedient for at least approximately rectangular distributor plates is to provide four openings each in the corner areas of the distributor plates.
Die Geometrie der Strömungskanäle an einer Oberflächenseite der Verteilerplatten kann derart gestaltet sein, dass an einen Durchbruch bzw. Manifold, an dem das an der jeweiligen Oberflächenseite zu führende Fluid aus der entsprechenden in dem Stapel ausgeformten Sammelleitung zugeführt wird, ein eintrittseitiger Verteilerbereich grenzt, in dem das Fluid wenigstens über eine überwiegende Breitenerstreckung der Verteilerplatte verteilt wird. Mit anderen Worten wird das aus der Sammelleitung und dem entsprechenden Durchbruch in das Strömungsfeld auf der jeweiligen Oberflächenseite der Verteilerplatte strömende Fluid über die Breite der Verteilerplatte und mithin auch der angrenzenden Membran gezielt verteilt.The geometry of the flow channels on one surface side of the distributor plates can be designed in such a way that an inlet-side distributor area adjoins an opening or manifold to which the fluid to be carried on the respective surface side is supplied from the corresponding collecting line formed in the stack the fluid is distributed at least over a predominant width of the distribution plate. In other words, the fluid flowing out of the collecting line and the corresponding opening into the flow field on the respective surface side of the distributor plate is distributed in a targeted manner over the width of the distributor plate and thus also the adjacent membrane.
Analog kann an einen Durchbruch, an dem dieses Fluid abgeführt wird, ein austrittseitiger Verteilerbereich grenzen, in dem das über die Breite der Verteilerplatte verteilte Fluid in Richtung dieses Durchbruchs gesammelt wird. Das Strömungsfeld kann entgegen diesem Endbereich der Verteilerplatte quasi als planarer Trichter gestaltet sein.Analogously, an opening at which this fluid is discharged can be bordered by an outlet-side distributor area in which the fluid distributed over the width of the distributor plate is collected in the direction of this opening. The flow field can be designed as a planar funnel against this end area of the distributor plate.
Zwischen den Verteilerbereichen wird das jeweilige Fluid vorzugsweise in einem mittleren Strömungskanalabschnitt über eine Längserstreckung der Verteilerplatte geführt.Between the distributor areas, the respective fluid is preferably guided in a central flow channel section over a longitudinal extension of the distributor plate.
Die eintrittsseitigen wie auch die austrittsseitigen Verteilerbereiche können wenigstens annähernd dreieckförmig oder trapezförmig ausgebildet sein und sich ausgehend von einem Rand zwischen den beispielsweise in Ecken platzierten Durchbrüchen zum mittleren Strömungskanalabschnitt hin verbreitern. Die in dem jeweiligen Verteilerbereich ausgebildeten Strömungskanäle können diagonal zu einer Längserstreckung der Verteilerplatte verlaufen und somit Fluid von einem Durchbruch in einer Ecke über die gesamte Breite der Verteilerplatte führen oder umgekehrt.The inlet-side as well as the outlet-side distributor areas can be designed to be at least approximately triangular or trapezoidal and, starting from an edge between the openings placed, for example, in corners, widen towards the middle flow channel section. The flow channels formed in the respective distributor area can run diagonally to a longitudinal extension of the distributor plate and thus lead fluid from an opening in a corner over the entire width of the distributor plate or vice versa.
Die Strömungskanäle im mittleren Strömungskanalabschnitt können z. B. je nach Anforderungen seitens der angrenzenden Membran gerade, mäandernd oder gewellt verlaufen.The flow channels in the middle flow channel section can, for. B. depending on the requirements of the adjacent membrane straight, meandering or wavy.
Die Verteilerplatten können aus einem Metall, z. B. aus Edelstahl, Aluminium, Titan, etc, aus Kunststoff oder aus einem Verbundwerkstoff mit Kunststoff, wie z. B. einem Metall-Kunststoff-Komposit, gefertigt sein.The distribution plates can be made of a metal, e.g. B. made of stainless steel, aluminum, titanium, etc., made of plastic or a composite material with plastic, such as. B. a metal-plastic composite.
Zur Ausbildung der Sammelleitungen, welche die Strömungsfelder mit Fluid versorgen oder das Fluid wieder abführen, können nicht nur die Verteilerplatten Durchbrüche aufweisen, sondern auch die Membranen Ausnehmungen aufweisen, die sich wenigstens mit einem Teil der Durchbrüche der Verteilerplatten überdecken und somit einen ungehinderten Fluidstrom flächenvertikal zu den Verteilerplatten und Membranen in den Sammelleitungen ermöglichen.To form the collecting lines, which supply the flow fields with fluid or discharge the fluid again, not only the distributor plates can have openings, but the membranes can also have recesses that overlap at least some of the openings in the distributor plates and thus allow an unimpeded flow of fluid vertically the manifold plates and membranes in the manifolds.
Zweckmäßigerweise ist bei einer bevorzugten Ausführung an den Verteilerplatten im Bereich der Durchbrüche eine Dichtungseinrichtung angeordnet. Hierzu kann z. B. eine Flachgummidichtung zwischen der Verteilerplatte und der Membran liegen, die derart geformt ist, dass sie eine Strömung des jeweiligen Fluids nur in die zugeordneten Strömungskanäle oder Sammelleitungen zulässt.In a preferred embodiment, a sealing device is expediently arranged on the distributor plates in the region of the openings. For this purpose, z. B. a flat rubber seal between the distributor plate and the membrane, which is shaped such that it allows a flow of the respective fluid only in the associated flow channels or collecting lines.
Eine solche Dichtungseinrichtung kann nicht nur zwischen eine Verteilerplatte und eine angrenzende Membran eingelegt sein, sondern in einfacher Weise an die Verteilerplatte oder die Membran angespritzt sein.Such a sealing device can not only be inserted between a distributor plate and an adjacent membrane, but can also be molded onto the distributor plate or the membrane in a simple manner.
Bei einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Feuchtetauschers kann der Stapel aus Membranen und zwischen den Membranen angeordneten Verteilerplatten auf jeder Seite von einer Endplatte begrenzt sein, welche mit den Durchbrüchen der Verteilerplatten überlappende, die Sammelleitungen mitbildende Durchbrüche aufweist.In one embodiment of a moisture exchanger according to the invention, the stack of membranes and distribution plates arranged between the membranes can be delimited on each side by an end plate which has openings which overlap with the openings in the distribution plates and which also form the collecting lines.
Vorzugsweise sind die Endplatten und/oder die Verteilerplatten jeweils gasundurchlässig.The end plates and / or the distributor plates are preferably each gas-impermeable.
Der Stapel aus Membranen und Verteilerplatten ist vorzugsweise von einem Gehäuse umgeben. Dieses Gehäuse ist zweckmäßigerweise korrespondierend zur Form des Stapels ausgebildet und kann mithin beliebige Formen beziehungsweise Querschnitte aufweisen, beispielsweise rechteckig, rund oder oval.The stack of membranes and distributor plates is preferably surrounded by a housing. This housing is expediently designed to correspond to the shape of the stack and can therefore have any shape or cross-section, for example rectangular, round or oval.
Über zwei Zuleitungen werden ein trockenes Fluid, wie z. B. bei einer Anwendung im Zusammenwirken mit einer Brennstoffzelle Wasserstoff, reiner Sauerstoff oder Umgebungsluft, sowie ein feuchtes oder nasses Fluid in das Gehäuse eingeleitet, und über zwei Ableitungen werden das angefeuchtete Fluid sowie das feuchtereduzierte Fluid aus dem Gehäuse abgeleitet.A dry fluid, such as. B. in an application in conjunction with a fuel cell, hydrogen, pure oxygen or ambient air, as well as a moist or wet fluid introduced into the housing, and the humidified fluid and the moisture-reduced fluid are diverted from the housing via two discharge lines.
Zweckmäßigerweise weist der Feuchtetauscher insbesondere an den Zu- und Ableitungen Anschlüsse zur Verbindung mit Pumpen oder dergleichen auf, um beispielsweise das feuchte Fluid mit einem gewünschten Überdruck in das Gehäuse einzublasen, so dass es durch den Stapel fließt. Im Weiteren kann das angefeuchtete Fluid zum Beispiel mittels Unterdruck aus dem Gehäuse abgesaugt werden.The moisture exchanger expediently has connections for connection to pumps or the like, in particular at the inlet and outlet lines, in order, for example, to blow the moist fluid into the housing at a desired overpressure so that it flows through the stack. Furthermore, the moistened fluid can be sucked out of the housing by means of negative pressure, for example.
Der Stapel aus Membranen und Verteilerplatten kann durch eine Spanneinrichtung komprimiert beziehungsweise in gewünschtem Maß zusammengedrückt sein.The stack of membranes and distributor plates can be compressed or compressed to the desired extent by a tensioning device.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist eine solche Spanneinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet. Bei einer Anordnung der Spanneinrichtung mit zugehörigen Spannelementen im Inneren des Gehäuses wird eine definierte Spannung beziehungsweise Kompression auf den Stapel ausgeübt. Diese wird insbesondere nicht durch temperaturbedingte Ausdehnungen des Gehäuses im Betrieb verändert. Auch die Fertigungstoleranzen des Gehäuses beeinflussen die Spanneinrichtung nicht.In an advantageous embodiment, such a tensioning device is arranged inside the housing. When the clamping device is arranged with associated clamping elements in the interior of the housing, a defined tension or compression is exerted on the stack. In particular, this is not changed by temperature-related expansion of the housing during operation. The manufacturing tolerances of the housing do not affect the clamping device either.
Prinzipiell kann die im Inneren des Gehäuses angeordnete Spanneinrichtung zum Zusammendrücken des Stapels in an sich beliebiger Weise ausgebildet sein.In principle, the tensioning device arranged in the interior of the housing for compressing the stack can be designed in any manner.
Bei einer vorteilhaften Ausführung kann die Spanneinrichtung durch Vorsprünge, auskragende Schultern oder dergleichen im Inneren des Gehäuses ausgebildet sein, zwischen denen der Stapel aus Membranen und Verteilerplatten sozusagen eingeklemmt wird.In an advantageous embodiment, the tensioning device can be formed by projections, cantilevered shoulders or the like in the interior of the housing, between which the stack of membranes and distributor plates is, so to speak, clamped.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den Stapel mittels Spannbändern zusammenzudrücken.Furthermore, it can be advantageous to compress the stack using tensioning straps.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Spanneinrichtung durch Spannstangen und Endplatten gebildet sein. Wenn der Stapel aus beispielsweise rechteckigen Membranen und Verteilerplatten zwischen zwei Endplatten eingelegt ist, kann der Stapel dann mit Spannstangen, die zum Beispiel an den vier Ecken des Stapels angeordnet sind und die Endplatten jeweils durchgreifen, gespannt oder in gewünschtem Maß komprimiert werden.In a further advantageous embodiment, the tensioning device can be formed by tension rods and end plates. If the stack of, for example, rectangular membranes and distributor plates is inserted between two end plates, the stack can then be tensioned or compressed to the desired extent with tension rods, which are arranged, for example, at the four corners of the stack and reach through the end plates.
Hierzu können die Spannstangen endseitig jeweils mit Gewinden ausgestattet sein. Mit diesen sowie durch Muttern und Spannfedern, die in Richtung auf die Endplatten aufgeschraubt werden, wird der Stapel zusammengedrückt. Dies erlaubt eine festgelegte mechanische Struktur, die sich auch im Betrieb des Feuchtetauschers praktisch nicht verändert, so dass permanent ein konstanter Anpressdruck gewährleistet ist.To this end, the tie rods can each be equipped with threads. With these, as well as with nuts and tension springs, which are screwed towards the end plates, the stack is compressed. This allows one Fixed mechanical structure that practically does not change during operation of the humidity exchanger, so that constant contact pressure is guaranteed at all times.
Das Gehäuse mit den Zu- und Ableitungen kann vorzugsweise aus Metall
und/oder Kunststoff bestehen. Bevorzugt ist das Gehäuse durch zwei Kunststoffhalbschalen gebildet, die beispielsweise als Kunststoff-Spritzgussteile jeweils mit den entsprechenden Stutzen für die Zu- und Ableitungen vorzugsweise einstückig ausgebildet sind.The housing with the supply and discharge lines can preferably be made of metal
and / or plastic. The housing is preferably formed by two plastic half-shells which, for example, are designed as plastic injection-molded parts, each with the corresponding connection pieces for the supply and discharge lines, preferably in one piece.
An der Verbindung der Halbschalen und/oder an den Zu- und Ableitungen, beziehungsweise den dafür am Gehäuse ausgebildeten Stutzen, können auch Dichtungen, beispielsweise aus Silikon oder aus einem Elastomer, vorgesehen sein. Dabei ist das Gehäuse ausreichend für die herrschenden Drücke der Fluide im Betrieb des Feuchtetauschers dimensioniert.Seals, for example made of silicone or an elastomer, can also be provided on the connection of the half-shells and / or on the supply and discharge lines, or the connecting pieces formed for this purpose on the housing. The housing is sufficiently dimensioned for the prevailing pressures of the fluids when the moisture exchanger is in operation.
Weiterhin ist der Feuchtetauscher vorzugsweise mit Druck- und/oder Temperatursensoren ausgestattet, um einen korrekten Betrieb des Feuchtetauschers überwachen zu können.Furthermore, the humidity exchanger is preferably equipped with pressure and / or temperature sensors in order to be able to monitor correct operation of the humidity exchanger.
Das Gehäuse kann auch derart ausgebildet sein, dass zwischen dem Gehäuse und dem darin angeordneten Stapel seitlich davon Strömungskanäle ausgebildet sind.The housing can also be designed in such a way that flow channels are formed laterally between the housing and the stack arranged therein.
Um einen gewünschten Feuchtegrad des angefeuchteten Mediums einstellen zu können, kann im Inneren des Gehäuses auch ein Bypass mit einem Ventil für ein Fluid, insbesondere das feuchte Fluid, vorgesehen sein.In order to be able to set a desired degree of humidity of the humidified medium, a bypass with a valve for a fluid, in particular the humid fluid, can also be provided in the interior of the housing.
Wenn das feuchte Medium beispielsweise einen zu hohen Feuchtegrad aufweist, kann an der entsprechenden Zuleitung im Gehäuse ein solches Ventil vorzugsweise selbsttätig über eine entsprechende Steuerung mit Sensoren geöffnet werden, um einen Teil dieses Mediums über den Bypass im Inneren des Gehäuses am eigentlichen Stapel vorbeizuleiten. Erst an der entsprechenden Ableitung auf der anderen Seite des Gehäuses vermischt sich dieser Teilstrom des feuchten Fluids wieder mit dem durch den Stapel geströmten Fluid, dessen Feuchtigkeitsgrad entsprechend reduziert ist. Somit ist die Gesamtmenge des Wassers, das auf das trockene Fluid übertragen wird, reduziert.If the moist medium has too high a degree of moisture, for example, such a valve can be opened automatically at the corresponding supply line in the housing via a corresponding control with sensors in order to divert part of this medium past the actual stack via the bypass inside the housing. Only at the corresponding discharge line on the other side of the housing does this partial flow of the moist fluid mix again with the fluid that has flowed through the stack, the degree of moisture of which is correspondingly reduced. Thus, the total amount of water that is transferred to the dry fluid is reduced.
Der Bypass kann dabei durch eine Rohrleitung gebildet sein und/oder durch einen Zwischenraum, der zwischen dem eigentlichen Stapel und dem Gehäuse vorliegt.The bypass can be formed by a pipeline and / or by an intermediate space that is present between the actual stack and the housing.
Insbesondere wenn in einem Gesamtsystem aus einem Feuchtetauscher und einer Brennstoffzelle eine Fördereinrichtung für ein Medium, wie eine Pumpe oder Turbine, vorhanden ist, kann dem Feuchtetauscher ein Wasserabscheider zugeordnet sein. Mit diesem Wasserabscheider kann beispielsweise an der Ableitung des Feuchtetauschers, an der das angefeuchtete Medium aus dem Gehäuse abgeleitet wird, dem angefeuchteten Medium mit einem eventuell zu hohen Feuchtegrad Wasser entzogen werden. Ein solcher Wasserabscheider kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein.In particular, if a delivery device for a medium, such as a pump or turbine, is present in an overall system comprising a moisture exchanger and a fuel cell, a water separator can be assigned to the moisture exchanger. With this water separator, for example, water can be withdrawn from the humidified medium with a possibly too high degree of humidity at the outlet of the humidity exchanger, where the humidified medium is drained from the housing. Such a water separator can be designed in a manner known per se.
Weiterhin ist vorgeschlagen, dass dem Feuchtetauscher ein Wärmetauscher zugeordnet ist. Mit dem Wärmetauscher können heiße Fluide abgekühlt und/oder kalte Fluide aufgewärmt werden, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Prinzipiell können auch mehrere Wärmetauscher für die verschiedenen Fluide vorgesehen sein.It is also proposed that a heat exchanger be assigned to the moisture exchanger. With the heat exchanger, hot fluids can be cooled and / or cold fluids can be warmed up in order to ensure optimum operation. In principle, several heat exchangers can also be provided for the various fluids.
Der Feuchtetauscher gemäß der Erfindung kann grundsätzlich in verschiedenen technischen Gebieten Anwendung finden, so z. B. in den eingangs erwähnten Bereichen der Brennstoffzellensysteme, der Gebäudetechnik, der Medizintechnik oder der Lebensmitteltechnik.The moisture exchanger according to the invention can in principle be used in various technical areas, such. B. in the aforementioned areas of fuel cell systems, building technology, medical technology or food technology.
Besondere Vorteile entfaltet der Feuchtetauscher gemäß der Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, welches wenigstens eine Brennstoffzelle und wenigstens einen vorgeschlagenen Feuchtetauscher aufweist.The moisture exchanger according to the invention develops particular advantages in a fuel cell system, in particular a motor vehicle, which has at least one fuel cell and at least one proposed moisture exchanger.
In einem solchen Brennstoffzellensystem kann die erste Zuleitung des Feuchtetauschers für das erste, zu entfeuchtende Fluid mit einem Kathodenausgang der wenigstens einen Brennstoffzelle und die erste Ableitung für das bei Austritt aus dem Feuchtetauscher angefeuchtete zweite Fluid mit einem Kathodeneingang der wenigstens einen Brennstoffzelle verbunden sein.In such a fuel cell system, the first feed line of the moisture exchanger for the first fluid to be dehumidified can be connected to a cathode outlet of the at least one fuel cell and the first outlet line for the second fluid humidified upon exiting the moisture exchanger can be connected to a cathode inlet of the at least one fuel cell.
Vorzugsweise wird dem Feuchtetauscher, der hier als Befeuchter für die Brennstoffzelle dient, als feuchtes Fluid die wasserdampfgesättigte Abluft der eigentlichen Brennstoffzelle zugeführt. Diese Abluft ist durch den in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionsprozess zum einen erwärmt und zum anderen durch das bei dem Reaktionsprozess entstehende Wasser mit Feuchtigkeit beziehungsweise Wasserdampf angereichert.The water vapor-saturated exhaust air of the actual fuel cell is preferably fed to the moisture exchanger, which here serves as a humidifier for the fuel cell, as the moist fluid. This exhaust air is on the one hand heated by the reaction process taking place in the fuel cell and on the other hand is enriched with moisture or water vapor by the water produced during the reaction process.
Der Befeuchter kann zum Befeuchten unterschiedlicher Fluide wie Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle als Sauerstoffquelle zugeführt wird, oder reinem Sauerstoff, der beispielsweise einem Drucktank entnommen wird, ausgelegt sein.The humidifier can be designed to humidify different fluids such as ambient air, which is supplied to the fuel cell as an oxygen source, or pure oxygen, which is taken from a pressure tank, for example.
Die Konstruktion der Verteilerplatten mit integrierten Durchbrüchen bzw. Manifolds lässt eine direkte Anbindung des Feuchtetauschers an die Brennstoffzelle ohne externe Verrohrung zu.The construction of the distribution plates with integrated openings or manifolds allows a direct connection of the moisture exchanger to the fuel cell without external piping.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages and advantageous embodiments of the invention emerge from the claims for protection and the exemplary embodiments described in principle below with reference to the drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.It goes without saying that the features mentioned above and still to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations.
Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Feuchtetauschers und einer Brennstoffzelle; -
2 eine Darstellung des Feuchtetauschers in einer ersten Ausführungsform mit einem geöffneten Gehäuse; -
3 eine Darstellung des Feuchtetauschers gemäß2 mit geschlossenem Gehäuse; -
4 eine schematisierte Draufsicht auf eine erste Oberflächenseite einer Verteilerplatte des Feuchtetauschers gemäß1 bis 3 ; -
5 eine schematisierte Draufsicht auf eine zweite Oberflächenseite einer Verteilerplatte gemäß4 ; -
6 eine schematisierte Draufsicht auf eine erste Oberflächenseite einer Verteilerplatte, welche eine alternative Strömungsfeldgeometrie gegenüber der Verteilerplatte der4 und5 aufweist; -
7 eine schematisierte Draufsicht auf eine erste Oberflächenseite einer weiteren Verteilerplatte, welche eine alternative Strömungsfeldgeometrie gegenüber den Verteilerplatten der4 bis 6 aufweist; und -
8 einen bereichsweisen Querschnitt durch die Verteilerplatte der4 und5 entlang der Linie V-V in5 .
-
1 a schematic representation of a moisture exchanger and a fuel cell; -
2 a representation of the moisture exchanger in a first embodiment with an open housing; -
3 a representation of the moisture exchanger according to2 with closed housing; -
4th a schematic plan view of a first surface side of a distributor plate of the moisture exchanger according to FIG1 to3 ; -
5 a schematic plan view of a second surface side of a distributor plate according to FIG4th ; -
6th a schematic plan view of a first surface side of a distributor plate, which has an alternative flow field geometry compared to the distributor plate of FIG4th and5 having; -
7th a schematic plan view of a first surface side of a further distributor plate, which has an alternative flow field geometry compared to the distributor plates of4th to6th having; and -
8th a regional cross-section through the distributor plate of4th and5 along the line VV in5 .
In den rein schematischen und nicht maßstäblichen
In
Ein erstes Fluid
Der Feuchtetauscher
Das zweite Fluid
Das erste, zu entfeuchtende Fluid
Das zweite Fluid
Der Kathodeneingang
Der Stapel
Zur Führung der Fluide
Zur Ausbildung der Sammelleitungen
Die Flachmembranen
Die vier in die jeweilige Verteilerplatte
Die Strömungskanäle
Die
Die Fluide
Die
Das trockene Fluid
Analog ist das Strömungsfeld für das feuchte erste Fluid
Aus einer Sammelleitung
Die geometrische Anordnung der Strömungskanäle
Gegenüberliegend im Bereich des Durchbruchs, an dem das betreffende Fluid
Zwischen den Verteilerbereichen
Die Verteilerbereiche
Die Konstruktion der Verteilerplatten
Die aktiven Fläche mit den Strömungskanälen
Ebenso kann der Querschnitt der Einzelkanalgeometrie der Strömungskanäle
An den Verteilerplatten
Die Flachgummidichtung
Das Gehäuse
Die zwei Halbschalen
Um den Stapel
Werden die Spannmuttern
Um das Hindurchtreten der Fluide
Die Spanneinrichtung ist hier im Inneren des Gehäuses
Insbesondere bleibt eine geringfügige Verformung des Gehäuses
Es versteht sich, dass der Feuchtetauscher
Beispielsweise kann derart ein Mengendurchsatz der Fluide
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BefeuchterHumidifier
- 22
- Gehäusecasing
- 2A2A
- HalbschaleHalf shell
- 2B2 B
- HalbschaleHalf shell
- 33
- erste Zuleitungfirst lead
- 44th
- zweite Zuleitungsecond supply line
- 55
- erste Ableitungfirst derivative
- 66th
- zweite Ableitungsecond derivative
- 77th
- Stapelstack
- 88th
- Membranmembrane
- 8A8A
- AusnehmungRecess
- 99
- VerteilerplatteDistribution plate
- 9A9A
- Oberfläche VerteilerplatteDistribution plate surface
- 9B9B
- Oberfläche VerteilerplatteDistribution plate surface
- 9C9C
- äußerer Rand Verteilerplatteouter edge distribution plate
- 9D9D
- Endbereich VerteilerplatteDistribution plate end area
- 9E9E
- Endbereich VerteilerplatteDistribution plate end area
- 9F9F
- Eckbereich VerteilerplatteCorner area distributor plate
- 9G9G
- Eckbereich VerteilerplatteCorner area distributor plate
- 9H9H
- Eckbereich VerteilerplatteCorner area distributor plate
- 9J9Y
- Eckbereich VerteilerplatteCorner area distributor plate
- 1010
- SpannstangeTie rod
- 1111
- SpanneinrichtungClamping device
- 11A11A
- EndplatteEnd plate
- 11B11B
- EndplatteEnd plate
- 12A12A
- Durchbruchbreakthrough
- 12B12B
- Durchbruchbreakthrough
- 12C12C
- Durchbruchbreakthrough
- 12D12D
- Durchbruchbreakthrough
- 1313th
- Schraubescrew
- 1414th
- Spannmutter mit SpannfederTension nut with tension spring
- 1515th
- SammelleitungManifold
- 1616
- SammelleitungManifold
- 1717th
- SammelleitungManifold
- 1818th
- SammelleitungManifold
- 1919th
- StrömungskanäleFlow channels
- 19A19A
- eintrittseitiger Verteilerbereichinlet-side distribution area
- 19B19B
- mittlerer Strömungskanalabschnittmiddle flow channel section
- 19C19C
- austrittseitiger Verteilerbereichdistribution area on the outlet side
- 2020th
- BrennstoffzelleFuel cell
- 2121
- KathodenausgangCathode output
- 2222nd
- KathodeneingangCathode entrance
- 2323
- Dichteinrichtung, FlachgummidichtungSealing device, flat rubber seal
- F1F1
- StrömungsrichtungDirection of flow
- F2F2
- StrömungsrichtungDirection of flow
- F3F3
- StrömungsrichtungDirection of flow
- F4F4
- StrömungsrichtungDirection of flow
- FL1FL1
- erstes, zu entfeuchtendes Fluidfirst fluid to be dehumidified
- FL2FL2
- zweites, zu befeuchtendes Fluidsecond fluid to be moistened
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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