EP3990159A1 - Befeuchter, brennstoffzellenvorrichtung sowie kraftfahrzeug mit einer brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Befeuchter, brennstoffzellenvorrichtung sowie kraftfahrzeug mit einer brennstoffzellenvorrichtung

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Publication number
EP3990159A1
EP3990159A1 EP20774936.7A EP20774936A EP3990159A1 EP 3990159 A1 EP3990159 A1 EP 3990159A1 EP 20774936 A EP20774936 A EP 20774936A EP 3990159 A1 EP3990159 A1 EP 3990159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
humidifier
flow field
fuel cell
flow
field plates
Prior art date
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Pending
Application number
EP20774936.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hannes Scholz
Rune Staeck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Publication of EP3990159A1 publication Critical patent/EP3990159A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B01D63/084—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes
    • B01D63/085—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes specially adapted for two fluids in mass exchange flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Humidifier, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device Humidifier, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
  • the invention relates to a humidifier with at least one humidifier module which is formed by two flow field plates. Each of the two flow field plates has a flow field on both sides.
  • the humidifier module is also formed by at least one membrane that is permeable to water or water vapor and separates the two flow field plates from one another.
  • the invention also relates to a fuel cell device and a motor vehicle.
  • Humidifiers are generally used in order to be able to effect a transfer of the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with a different moisture content.
  • Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices, in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the humidity of which is suitable for use in the fuel cell stacks for the membrane electrode unit is not sufficient.
  • the dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past a membrane permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack.
  • the humidifier and the intercooler are large components that contribute to a large increase in the required construction space for a fuel cell device and the efficiency of the Restrict the fuel cell device because there are high thermal losses.
  • the object of the present invention is therefore to provide a humidifier with improved efficiency and an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.
  • each of the flow field plates is reshaped in such a way that a plurality of openings are formed in the material of the flow field plates, the plurality of openings enabling fluid exchange from the flow field on one side of the plate with the flow field on the other side of the plate enable.
  • This configuration of the flow field plates is advantageous because it promotes moisture transfer both on one side of the plate and on the other side of the plate.
  • the flow field plates for fresh gas and for exhaust gas as Identical parts are formed, which lowers manufacturing costs and simplifies assembly.
  • a punch can be used to shape the plate blanks.
  • each of the openings is formed in a bulge protruding over a base plate of the flow field plates, and for a tip of the bulge to be supported on the membrane adjacent to it.
  • the opening in the curvature is aligned in a flow direction of the fluid and has a cross section corresponding to an elliptical segment.
  • the opening preferably has a cross section corresponding to a partial circle segment.
  • the pressure distribution of the gases / fluids over the flow field plates is optimized when the bulges are spaced apart from one another in a direction perpendicular to a direction of flow of the fluid between 220 micrometers and 250 micrometers.
  • the flow field plates are preferably made of an electrically non-conductive material, which means that materials that are lighter than metals can be used, which not only saves space but also saves weight for the humidifier.
  • the material of the flow field plates is made of a group is selected, comprising polyetheretherketone, polyphenylene sulfone and polyamide, in particular PA66.
  • the humidifier according to the invention unfolds its full advantages when used in a fuel cell device according to the invention.
  • the advantages and advantageous configurations mentioned for the humidifier therefore apply equally to a fuel cell device equipped with such a humidifier.
  • the motor vehicle according to the invention with a fuel cell device according to the invention is characterized by a lighter structure and better utilization of the available installation space.
  • the advantages and advantageous configurations explained in connection with the humidifier according to the invention apply equally to the motor vehicle according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a humidifier
  • FIG. 3 shows a perspective detailed view of a flow field plate
  • FIG. 4 shows a sectional view in the direction of flow in a detail of the flow field plate according to FIG. 3, and FIG. 5 shows a schematic sectional view of a humidifier, which also includes
  • a fuel cell device 1 is shown schematically in FIG. 1, this comprising a humidifier 2 for regulating the humidity of a plurality of fuel cells 4 combined in a fuel cell stack 3.
  • Each of the fuel cells 4 comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • the membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE polytetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can also be formed as a sulfonated Flydrocarbon membrane.
  • a catalyst can also be mixed with the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being provided on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium to, ruthenium or the like are coated, which serve as an accelerator in the reaction of the respective fuel cell 4.
  • the anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) via an anode compartment.
  • fuel for example hydrogen
  • PEM fuel cell a polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons.
  • the reaction takes place at the anode: 2H2 - 4H + + 4e (oxidation / electron release). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.
  • the cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O2 + 4H + + 4e—> ⁇ 2H2O (reduction / electron uptake).
  • a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided by a compressor 5, which is due to the compression of the cathode gas Temperature increased significantly.
  • the conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow i.e. its setting with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 3, takes place in a charge air cooler (not shown in detail) downstream of the compressor 5 and in the humidifier 2, which increases the humidity saturation of the membranes of the fuel cells 4 of their efficiency, as this favors the transport of protons.
  • the fuel cell stack 3 is fluid-mechanically connected to an anode supply line, so that fuel contained in the schematically illustrated fuel store 6 is fed to the fuel cell stack 3 can be fed.
  • a valve or a suction jet pump can be suitable for realizing the desired partial pressure of fresh fuel within an anode circuit 7, which comes about through the anode recirculation line 8. With such an anode recirculation line 8, the fuel not consumed in the fuel cell stack 3 can be fed again to the anode spaces upstream of the fuel cell stack 3, so that the anode recirculation line 8 opens into the anode feed line.
  • a separator 9 is presently integrated into the anode recirculation line 8. This is fluid-mechanically connected to the cathode side of the fuel cell device 1, so that the liquid occurring on the anode side is introduced, for example, into the cathode exhaust pipe 10 present downstream of the fuel cell stack 3 in order to drain the liquid out of the fuel cell device 1, for example.
  • the liquid from the separator 9 on the anode side can also open into a cathode feed line 11 upstream of the humidifier 2, so that the liquid is introduced into the fresh cathode gas there before it enters the humidifier 2.
  • the humidifier 2 can be designed to be smaller overall, since the fresh fresh gas, which is dry due to the compression by means of the compressor 5, then no longer needs to be humidified so much to ensure the required moisture content of the membranes in the fuel cell stack 3 . On the fresh gas side, this leads to humidification, so that less water transfer through the membrane 14 is required and therefore the membrane area and, as a result, the size of the humidifier 2 can be reduced.
  • the humidifier 2 is constructed as a planar humidifier with several humidifier modules 13, each of which is formed with a membrane 14 permeable to water vapor and two flow field plates 23, 24 enclosing the membrane 14 between them.
  • Each of the flow field plates 23, 24 has a flow field 16, 17 on both sides.
  • the flow field plates 23, 24 are formed from an electrically non-conductive material which is selected from the group comprising polyetheretherketone, polyphenylene sulfone and polyamide, in particular PA66.
  • each of the openings 12 is formed in a bulge 18 protruding over a base plate 15 of the flow field plates 23, 24.
  • the tips 19 of the bulges 18 are then supported in the humidifier module 13 on the membrane 14 adjacent to it.
  • the bulges 18 themselves have an extension that increases in the flow direction of the fluid relative to the base plate 15, in particular linearly.
  • the bulges 18 are typically spaced apart from one another in a direction oriented perpendicularly with respect to a direction of flow of the fluid between 220 micrometers and 250 micrometers.
  • FIG. 4 shows the shape of the openings 12, which are delimited laterally and upwards by the curvature 18 and downwards by the base plate 15. It can be seen here that the opening 12 in the curvature 18 is oriented in the direction of flow of the fluid and has a cross section corresponding to an elliptical segment. There is even the special case of an elliptical segment which is formed as a segment of a circle.
  • FIG. 5 refers to the possibility that the humidifier modules 13 are separated from one another by a separator plate 20, each of the flow field plates 23, 24 then resting and supported with one side of the plate on the membrane 14 and the other side of the plate on the separator plate 20 is.
  • the separator plate 20 is impermeable to liquid What water and water vapor.
  • a countercurrent flow for the humidifier modules 13 is shown, the fresh gas 28 in the present case flowing from left to right and the exhaust gas 29 flowing from right to left.
  • direct, cross or cross countercurrent flow can also be implemented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul (13), gebildet durch zwei Flussfeldplatten (16, 17) mit darin ausgebildeten Flussfeldern, die jeweils durch Flussfeldstege (22) getrennte Strömungskanäle aufweisen und durch mindestens eine Membran (14) getrennt sind, mit in den Flussfeldplatten ausgebildeten Headerkanälen (26) zur Speisung und Entleerung der Flussfelder (16, 17), wobei die Headerkanäle (26) sich über die gesamte Breite der Flussfelder erstrecken, und mindestens der Headerkanal (26) für das eine Gas (28) von Tunnel (27) für das andere Gas (29) durchquert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermo- dul, welches durch zwei Flussfeldplatten gebildet ist. Jede der beiden Fluss feldplatten weist beidseitig ein Flussfeld auf. Das Befeuchtermodul ist außer dem gebildet durch mindestens eine für Wasser oder Wasserdampf perme able, die beiden Flussfeldplatten voneinander trennende Membran. Die Er findung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraft- fahrzeug.
Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Me dien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvor richtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathoden räume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vor liegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Mem branelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter be reitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, in dem sie an einer für Wasserdam pf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellen stapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluft kühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bau raums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen.
Zu beachten ist weiterhin, dass für eine effiziente Befeuchtung eine mög lichst gleichmäßige Verteilung sowohl des trockenen Gases als auch des Gases mit der höheren Feuchtigkeit wünschenswert ist, da so auch eine gleichmäßige Befeuchtung gefördert wird.
In den Druckschriften US 2017 / 0211 826 A1 und WO 2018 / 005 130 A1 sind Befeuchter beschrieben, die in Brennstoffzellenvorrichtungen Verwen dung finden. Sie weisen entweder eine sehr komplexe Geometrie auf, die sich nicht auf einfache Weise hersteilen lässt, oder sie verhindern eine ge wünschte Strömung der Medien unter Inkaufnahme unerwünschter Druckver luste. Ein Mem branbefeuchter, der sich bisher gut bewährt hat, ist in der DE 102012014723 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Befeuchter mit ver besserter Effizienz sowie eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspru ches 1 , durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des An spruches 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass jede der Flussfeldplatten derart um geformt ist, dass eine Mehrzahl von Öffnungen im Material der Flussfeldplatten ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen einen Fluidaustausch von dem Flussfeld auf ihrer einen Plattenseite mit dem Fluss feld auf ihrer anderen Plattenseite ermöglichen. Diese Ausgestaltung der Flussfeldplatten ist von Vorteil, da sie eine Feuchteübertragung sowohl auf der einen Plattenseite als auch auf ihrer anderen Plattenseite begünstigen. Außerdem können die Flussfeldplatten für Frischgas und für Abgas als Gleichteilte gebildet werden, was Fertigungskosten senkt und die Montage vereinfacht. Zum Umformen der Plattenrohlinge kann eine Stanze Einsatz finden.
Zur Verbesserung der Gasverteilung über die Flussfeldplatte ist es sinnvoll, wenn diese eine Art „Geflecht“ (englisch „mesh“) bildet, das dreidimensional gestaltet ist. Durch das dreidimensionale Geflecht ist die Stoffdurchtrittsrate durch die Befeuchtermembran gegenüber bekannten Befeuchtern erhöht, wodurch der Befeuchter bei gleichbleibender Leistung kom pakter und damit bauraumarmer gestaltet werden kann. In diesem Zusammenhang ist es da her möglich, dass jede der Öffnungen in einer über eine Grundplatte der Flussfeldplatten hervorstehenden Wölbung ausgebildet ist, und dass eine Spitze der Wölbung an der zu ihr benachbarten Membran abgestützt ist.
Zur positiven Beeinflussung der Strömung des Frischgases und des Abgases und dem damit einhergehenden verbesserten Feuchteübertrag hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnung in der Wölbung in einer Strö mungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist und einen einem Ellipsensegment entsprechenden Querschnitt aufweist. Vorzugsweise weist die Öffnung einen einem Teilkreissegment entsprechenden Querschnitt auf. Durch diese Ge staltung der Flussfelder bzw. deren Geometrien wird die Strömung stets auf die benachbarte Membran gelenkt.
Die Druckverteilung der Gase/Fluide über die Flussfeldplatten hinweg ist op timiert, wenn die Wölbungen in einer senkrecht bezüglich einer Strömungs richtung des Fluids orientierten Richtung zwischen 220 Mikrometer und 250 Mikrometer voneinander beabstandet sind.
Die Flussfeldplatten sind dabei vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet, wodurch gegenüber Metallen leichtere Materia lien Einsatz finden können, wodurch sich neben Bauraum- auch Ge wichtseinsparungen für den Befeuchter ergeben. In diesem Zusammenhang ist daher die Möglichkeit eröffnet, dass das Material der Flussfeldplatten aus einer Gruppe ausgewählt ist, umfassend Polyetheretherketon, Polyphenylen- sulfon und Polyamid, insbesondere PA66.
Für eine Verbesserung der Stabilität des Befeuchters trägt bei, wenn ein ers tes Befeuchtermodul von einem zweiten Befeuchtermodul durch eine Sepa ratorplatte getrennt ist. Diese ist dann vorzugweise nicht durchlässig für Wasser. In diesem Fall besteht zudem die Möglichkeit, dass jede der Fluss feldplatten mit ihrer einen Plattenseite an der Membran und mit ihrer anderen Plattenseite an der Separatorplatte anliegen.
Der erfindungsgemäße Befeuchter entfaltet seine vollen Vorteile bei seinem Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung. Die für den Befeuchter genannten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten da her gleichermaßen für eine mit einem solchen Befeuchter ausgestattete Brennstoffzellenvorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich aufgrund des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Befeuchters durch einen leichteren Aufbau und eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Bauraums aus. Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Befeuchter erläuterten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten gleichermaßen für das erfindungs gemäße Kraftfahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrich tung mit einem darin genutzten Befeuchter,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Befeuchters, Fig. 3 eine perspektivische Detailansicht auf eine Flussfeldplatte,
Fig. 4 eine Schnittansicht in Strömungsrichtung in einem Detailaus schnitt der Flussfeldplatte nach Figur 3, und Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines Befeuchters, der mit
Separatorplatten ausgestattet ist.
In der Figur 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 2 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusam m engefasster Brennstoffzellen 4 umfasst.
Jede der Brennstoffzellen 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytet- rafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sul fonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfo- nierte Flydrocarbon-Membran gebildet sein. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige mischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladi- um, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbe schleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 4 dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasser stoff) zugeführt werden. In einer Polym erelektrolytmem branbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmo leküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt bei spielsweise die Reaktion: 2H2 — 4H+ + 4e (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Bei spiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e— >· 2H2O (Re duktion/Elektronenaufnahme).
Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 4 zusammen gefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Ver fügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 5 ein großer Katho- dengasm assenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark er höht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 ge wünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 5 nachgelagerten nicht näher gezeigten Ladeluftkühler sowie in dem Befeuch ter 2, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 4 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport be günstigt.
Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 3 mit einer Anodenzufuhrleitung fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher 6 enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt werden kann. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brenn stoff innerhalb eines Anodenkreislaufes 7 zu realisieren, der durch die Ano- denrezirkulationsleitung 8 zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirku- lationsleitung 8 kann der im Brennstoffzellenstapel 3 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 er neut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 8 wie der in die Anodenzufuhrleitung mündet.
Um die Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung 8 ein Abscheider 9 eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 1 verbunden, so dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit beispielsweise in die stromab des Brennstoffzellenstapels 3 vorhandene Kathodenabgaslei tung 10 eingebracht wird, um die Flüssigkeit beispielsweise aus der Brenn stoffzellenvorrichtung 1 auszuleiten. Alternativ oder ergänzend kann die ano denseitig anfallende Flüssigkeit vom Abscheider 9 auch in eine Kathodenzu fuhrleitung 11 stromauf des Befeuchters 2 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in den Befeuch ter 2 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Befeuchter 2 insge samt kleiner ausgelegt werden kann, da das frische, durch das Verdichten mittels des Verdichters 5 trockene Frischgas dann nicht mehr so stark zu befeuchten ist, um im Brennstoffzellenstapel 3 die erforderliche Feuchte der Membranen zu gewährleisten. Auf der Frischgasseite führt dies zu einer Be feuchtung, so dass weniger Wasserübertragung durch die Membran 14 er forderlich ist und daher die Membranfläche und infolge dessen die Baugröße des Befeuchters 2 reduziert werden kann.
Der Befeuchter 2 ist in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als Planarbefeuchter mit mehreren Befeuchterm odulen 13 aufgebaut, von denen jedes mit einer für Wasserdampf permeablen Membran 14 und zwei die Membran 14 zwischen sich einschließenden Flussfeldplatten 23, 24 gebildet ist. Nicht näher gezeigt ist die mechanische Verstärkung in Form eines Rah mens für die Membranen 14, die den Befeuchterm odulen 13 und damit dem Befeuchter 2 insgesamt eine erhöhte Stabilität und Abdichtung gegenüber der Umgebung verleihen. Ebenfalls nicht näher gezeigt sind die Mittel zur Stapelung und Montage der Flussfeldplatten 23, 24, die diese sicher in ei nem Verbund mit der Membran 14 zum Befeuchtermodul 13 zusammenfas sen und die die Anbindung an weitere Befeuchtermodule 13 ermöglichen. Jede der Flussfeldplatten 23, 24 weist jeweils beidseitig ein Flussfeld 16, 17 auf. Die Flussfeldplatten 23, 24 sind vorliegend aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyetheretherketon, Polyphenylensulfon und Polyamid, insbesondere PA66.
Anhand der Detailansicht in Figur 3 einer der Flussfeldplatten 23, 24 ist zu erkennen, dass diese derart um geformt sind, dass eine Mehrzahl von Öff nungen 12 im Material der Flussfeldplatten 23, 24 ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen 12 einen Fluidaustausch von dem Flussfeld 16 auf ihrer einen Plattenseite mit dem Flussfeld 17 auf ihrer anderen Plattenseite ermöglichen und begünstigen. Es ist zu erkennen, dass jede der Öffnungen 12 in einer über eine Grundplatte 15 der Flussfeldplatten 23, 24 hervorste henden Wölbung 18 ausgebildet ist. Die Spitzen 19 der Wölbungen 18 sind dann im Befeuchtermodul 13 an der zu ihr benachbarten Membran 14 abge stützt. Die Wölbungen 18 selbst weisen eine in Strömungsrichtung des Fluids sich gegenüber der Grundplatte 15, insbesondere linear ansteigende Erstre ckung auf. Die Wölbungen 18 sind typischerweise in einer senkrecht bezüg lich einer Strömungsrichtung des Fluids orientierten Richtung zwischen 220 Mikrometer und 250 Mikrometer voneinander beabstandet.
Die Detailansicht nach Figur 4 zeigt die Formgebung der Öffnungen 12, die durch die Wölbung 18 seitlich und nach oben und durch die Grundplatte 15 nach unten begrenzt sind. Hierbei ist zu erkennen, dass die Öffnung 12 in der Wölbung 18 in der Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist und einen einem Ellipsensegment entsprechenden Querschnitt aufweist. Vorlie gend ist sogar der spezielle Fall eines Ellipsensegments gegeben, welches als ein Kreissegment gebildet ist. Figur 5 verweist auf die Möglichkeit, dass die Befeuchtermodule 13 von einander durch eine Separatorplatte 20 getrennt werden, wobei dann jede der Flussfeldplatten 23, 24 mit ihrer einen Plattenseite an der Membran 14 und mit ihrer anderen Plattenseite an der Separatorplatte 20 anliegt und ab- gestützt ist. Die Separatorplatte 20 ist dabei undurchlässig für flüssiges Was ser und Wasserdam pf.
In den Ausführungsbeispielen ist ein Gegenstrom für die Befeuchtermodule 13 gezeigt, wobei das Frischgas 28 vorliegend von links nach rechts strömt und wobei das Abgas 29 von rechts nach links strömt. Es ist aber auch eine Gleich-, Kreuz- oder Kreuzgegenstromführung realisierbar.
In einem eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem derartigen Befeuchter 2 aufweisenden Kraftfahrzeug besteht weniger Bauraumbedarf für den Be feuchter 2, der kom pakter und entsprechend mit weniger Materialaufwand gefertigt werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 Brennstoffzellenvorrichtung
2 Befeuchter
3 Brennstoffzellenstapel
4 Brennstoffzelle
5 Verdichter
6 Brennstoffspeicher
7 Anodenkreislauf
8 Anodenrezirkulationsleitung
9 Abscheider
10 Kathodenabgasleitung
11 Kathodenzufuhrleitung
12 Öffnung
13 Befeuchtermodul
14 Membran
15 Grundplatte
16 erstes Flussfeld
17 zweites Flussfeld
18 Wölbung
19 Spitze (Wölbung)
20 Separatorplatte
23 Flussfeldplatte (Frischgas)
24 Flussfeldplatte (Abgas)
28 Frischgas
29 Abgas

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul (13), gebildet durch zwei Flussfeldplatten (23, 24), die jeweils beidseitig ein Fluss- feld (16, 17) aufweisen, und gebildet durch mindestens eine für Was ser oder Wasserdam pf permeable, die beiden Flussfeldplatten (23, 24) voneinander trennende Membran (14), dadurch gekennzeichnet, dass jede der Flussfeldplatten (23, 24) derart um geformt ist, dass eine Mehrzahl von Öffnungen (12) im Material der Flussfeldplatten (23, 24) ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen (12) einen Flu idaustausch von dem Flussfeld (16) auf ihrer einen Plattenseite mit dem Flussfeld (17) auf ihrer anderen Plattenseite ermöglichen.
2. Befeuchter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede der Öffnungen (12) in einer über eine Grundplatte (15) der Flussfeldplat ten (23, 24) hervorstehenden Wölbung (18) ausgebildet ist, und dass eine Spitze (19) der Wölbung (18) an der zu ihr benachbarten Memb ran (14) abgestützt ist.
3. Befeuchter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öff nung (12) in der Wölbung (18) in einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist und einen einem Ellipsensegment entsprechenden Querschnitt aufweist.
4. Befeuchter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungen (18) in einer senkrecht bezüglich einer Strömungsrich tung des Fluids orientierten Richtung zwischen 220 Mikrometer und 250 Mikrometer voneinander beabstandet sind.
5. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass die Flussfeldplatten (23, 24) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet sind.
6. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Flussfeldplatte (23, 24) aus einem Material gebildet sind, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyetheretherketon, Polyphenylensulfon und Polyamid (insbesondere PA66).
7. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass ein erstes Befeuchtermodul (13) von einem zweiten Be feuchtermodul (13) durch eine Separatorplatte (20) getrennt ist.
8. Befeuchter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Flussfeldplatten (23, 24) mit ihrer einen Seite an der Membran (14) und mit ihrer anderen Seite an der Separatorplatte (20) anliegen.
9. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Befeuchter (2) nach den An sprüchen 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.
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