WO2018103976A1 - Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2018103976A1
WO2018103976A1 PCT/EP2017/078484 EP2017078484W WO2018103976A1 WO 2018103976 A1 WO2018103976 A1 WO 2018103976A1 EP 2017078484 W EP2017078484 W EP 2017078484W WO 2018103976 A1 WO2018103976 A1 WO 2018103976A1
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layer
membrane humidifier
diffusion
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Thomas HÖFLER
Marc Becker
Hubert WIMMER
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • 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

  • Membrane humidifier preferably for a
  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the technology disclosed herein relates to a membrane humidifier which is preferably used in a fuel cell system.
  • Membrane humidifiers are used in fuel cell systems in particular to moisten the relatively dry Kathodenzu Kunststoff with relatively humid cathode exhaust air. Within the membrane humidifier, the humidity of the cathode exhaust air is transmitted through a moisture-permeable membrane to the dry cathode inlet.
  • the membrane humidifiers for fuel cells come with
  • Proton exchange membrane (PEM) is used.
  • PEM Proton exchange membrane
  • an operating temperature of 80 to 95 ' ⁇ advantageous.
  • the high operating temperature allows, for example, a better heat dissipation via the coolant than at a lower operating temperature.
  • Membrane humidifier should be suitable in particular in a fuel cell system to moisten the cathode feed of the fuel cell with the cathode exhaust air from the fuel cell.
  • Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein.
  • the object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims.
  • the dependent claims are preferred
  • the technology disclosed herein relates inter alia to a fuel cell system having at least one fuel cell.
  • the fuel cell system is
  • a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat.
  • the fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator.
  • the anode is supplied with fuel.
  • Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode is supplied with oxidant. preferred
  • Oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • PEM proton exchange membrane
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include: National®, Flemion® and Aciplex®.
  • a fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components), such as a membrane humidifier, which can be used during operation of the at least one fuel cell.
  • BOP components peripheral system components
  • a membrane humidifier which can be used during operation of the at least one fuel cell.
  • a membrane humidifier which is preferably used for a fuel cell system.
  • the membrane humidifier for other systems, for example for
  • the membrane humidifier comprises a plurality of stacked stacked units.
  • a plurality of stacking units can be stacked along a stacking axis.
  • the stacking units are perpendicular to
  • Stacking axis For example, for use in one
  • Fuel cell system can be 50 or more stacking units to a
  • Membrane humidifier are assembled.
  • the individual stacking units are preferably all identical, wherein the first and last stacking unit can also be designed differently.
  • the single stacking unit is composed of a flow plate and a diffusion unit.
  • the flow plate several flow channels are arranged side by side.
  • the flow channels can be structured or interrupted in order to be able to make a targeted flow influencing.
  • the moist gas and the gas to be humidified are passed through these flow channels.
  • the flow channels are each open to the diffusion unit of the same stack unit or to the diffusion unit of the next stack unit, so that the moisture can pass through the adjacent diffusion unit into the flow channels of the nearest flow plate.
  • a perimeter of the individual diffusion unit is defined here by two opposite first edge sides and two opposite second edge sides. This circumference of the diffusion unit is preferably rectangular, particularly preferably square.
  • the single diffusion unit comprises a topsheet and a backsheet.
  • topsheet and a backsheet.
  • top layer top “and” bottom, bottom layer, bottom "used.
  • top and bottom can also be reversed or the membrane humidifier can be used so that the diffusion units and the
  • the single diffusion unit comprises at least one diffusion layer, preferably an upper diffusion layer and a lower diffusion layer.
  • the single diffusion unit comprises one
  • the membrane is located between the two
  • the membrane abuts the one diffusion layer. In particular, the membrane is in contact with the at least one diffusion layer.
  • Diffusion unit comprises the upper diffusion layer.
  • the underlayer of the diffusion unit comprises the lower diffusion layer.
  • the membrane can be assigned to either the topsheet or the backsheet.
  • this diffusion layer forms either the top layer or the bottom layer. Accordingly, then the membrane forms the other layer, so either the lower layer or the
  • the membrane is in particular designed so that between the two gas streams, with the exception of the moisture as possible no media exchange takes place.
  • the at least one diffusion layer is in particular
  • the two diffusion layers can be designed differently, in particular with regard to material and thickness.
  • the single diffusion unit has two opposite upper receiving elements.
  • the two upper receiving elements are located on the two first edge sides.
  • the diffusion unit has two opposing lower receiving elements.
  • the two lower ones Pickup elements are located on the two second edge sides.
  • the receiving elements as "upper
  • the flow plate of a stacking unit is inserted into the two or between the two lower receiving elements. In the two or between the two upper receiving elements, the next stacking unit is used.
  • the use of the receiving elements in the diffusion unit allows easy connection to the respective flow plate and to the nearest stacking unit.
  • the areas of the upper receiving elements is in particular a gluing of the individual elements of the
  • the lower receiving elements take up the flow plate.
  • the flow plate is firmly bonded in the lower receiving elements, in particular by gluing or welding.
  • Receiving elements preferably either by forming, in particular folding, the upper layer or lower layer or by joining a
  • Frame element in particular made of plastic, preferably
  • the single receiving element is preferably designed either as a groove or in an angular shape.
  • the groove is open in the direction perpendicular to the stacking axis and thus forms an open slot in a plane perpendicular to the stacking axis.
  • the angular configuration of the receiving element is
  • the support surface extends in particular perpendicular and the side surface parallel to the stacking axis.
  • the upper receiving elements form a receptacle for the next stacking unit arranged at the top and the lower ones
  • the two opposite upper receiving elements of a stacking unit can be designed differently: So it is also provided that, for example, on one of the two first edge sides of the upper
  • the upper receiving element is designed angularly. It is further provided that, for example, on one of the two second edge sides of the lower
  • the lower receiving element is designed angularly. So here you can
  • At least one of the two upper receiving elements is a groove.
  • the two upper receiving elements are formed as a groove and open to each other.
  • At least one of the upper grooves is formed by folded edges of the lower layer, preferably the lower diffusion layer.
  • the lower layer is preferably bent twice, in particular by about 90 °.
  • the membrane is folded over to form the upper groove.
  • the underlayer is formed by the lower diffusion layer and the membrane, the lower diffusion layer and / or the membrane is folded over.
  • this upper groove preferably surrounds the edge of the upper layer, in particular of the membrane and of the upper diffusion layer, of the same
  • At least one of the two lower receiving elements is a groove.
  • the two lower receiving elements are formed as a groove and open to each other.
  • At least one of the lower grooves is formed by folded-over edges of the upper layer, preferably the upper diffusion layer.
  • the top layer is preferably bent twice, in particular by about 90 °.
  • the membrane is folded over to form the bottom groove.
  • the topsheet is formed by the upper diffusion layer and the membrane, the upper diffusion layer and / or the membrane is crimped. Furthermore, it is always also possible, in addition to the upper layer and the lower layer in the same direction to fold, so that the groove is formed by the lower layer and the upper layer.
  • this lower groove preferably surrounds the edge of the at least one lower receiving element
  • the design of the angular receiving elements can be done by forming the edges of the upper layer or lower layer.
  • the diffusion layers are preferably made of thermoplastic fleece. This material is particularly suitable for the design of the grooves or the angular receiving elements by forming.
  • the thermoplastic fleece is heated to the design of the receiving elements to to allow easier forming.
  • the deformed edges of the at least one diffusion layer or the membrane are preferably structured, in particular by means of a circumferential bead to height differences resulting from the height of the flow plates, the material thickness of the flow plates and
  • Receiving elements angularly and thus forms a side surface and a, preferably by 90 °, angled support surface for the next, above arranged stacking unit. Furthermore, preferably at least one of the two lower receiving elements is angular and thus forms a side surface and a, preferably by 90 °, angled support surface for at least the flow plate of the same stacking unit.
  • the receiving element by forming the upper layer or lower layer, it is preferably provided that at least one of the receiving elements is formed by a frame member.
  • Frame element is joined to the topsheet and / or backsheet.
  • the frame member is molded.
  • the frame member is molded.
  • the frame element is in particular joined to at least one diffusion layer, but may additionally be joined to the membrane and / or the other diffusion layer.
  • the frame element comprises at least one U-shaped portion which the
  • Frame element and the reshaping of margins of the upper class or Sub-layer combine so that in a membrane humidifier
  • the attached frame element extends fully over all four sides of the individual diffusion unit, in particular the at least one diffusion layer and the membrane, and thereby the two upper receiving elements on the two first edge sides and the two lower receiving element on the two second edge sides forms.
  • Receiving elements is preferably provided that extend the two upper receiving elements and / or the two lower receiving elements over the entire length of the first edge side and the second edge side.
  • the diffusion unit is fully surrounded, namely at both first edge sides and at both second edge sides of the receiving elements. Only the corners remain open at least at a gap and may need to be sealed separately.
  • the flow plates preferably have a wave profile. This is
  • Wave profile forms several parallel flow channels which are alternately open at the top and bottom.
  • the flow plates are made by forming a metal sheet or hot working or extruding or roll calendering a thermoplastic.
  • the flow plate instead of a wave profile in web form, so that the flow channels are represented by the grooves formed between the webs.
  • the single flow plate preferably has two opposite edge regions. At the edge regions are preferably
  • Seal edges are used in both opposite lower receiving elements.
  • the sealing edges are formed by an applied elastomer or the same material as the flow plate. It is also possible to access the sealing edges dispense, so that the receiving elements directly record the edge of the flow plate.
  • the flow plates of adjacent stacking units are arranged offset by 90 °, so that a cross-flow principle between the two gas streams, in particular cathode feed and cathode exhaust air, can be used.
  • the membrane humidifier preferably comprises a housing for receiving stacked stacking units.
  • manifolds are arranged or formed as integral parts of the housing.
  • the manifolds serve to supply and discharge the two gas streams to the individual flow channels. These manifolds are in particular separate, not attached to the stacking units.
  • the technology disclosed herein further includes
  • Fuel cell system preferably in a vehicle, comprising at least one fuel cell and at least one already described
  • the membrane humidifier is used for humidifying a cathode feed of the fuel cell with a cathode exhaust air of the fuel cell.
  • the technology disclosed herein further includes a method of making a membrane humidifier.
  • this is the membrane humidifier already described.
  • the procedure includes at least the following steps:
  • the diffusion unit is assembled from the upper layer, the lower layer and the moisture-permeable membrane arranged between the two layers or in the layers.
  • the two upper layer Before and / or during and / or after assembly, the two upper layer
  • the finished stack unit is formed by inserting the flow plates in the two lower receiving elements of the diffusion unit. This insertion of the flow plate takes place in particular only after the formation of the lower receiving elements of the diffusion unit.
  • the individual receiving element is produced either by forming the diffusion layers or by joining a frame element.
  • the material forming the receiving element is preferably correspondingly thin and flexible, so that when assembling the
  • Membrane humidifier easily, preferably elastically, can be bent.
  • the finished stack of several stacking units is preferably inserted and sealed in a housing.
  • gaskets may be provided in the corners of the housing and / or in the region of the edges of the assembled stacking units in order to supply the inlet and outflow regions of the fuel cells (cathode supply air) and the fuel cell exhaust air (cathode exhaust air) to one another.
  • Figures 1 to 6 show a schematic structure of the disclosed
  • FIGS. 7a-g show different embodiments of the receiving elements
  • FIG. 8 to 10 further views of the schematic structure of
  • Figures 1 1 to 16 a schematic structure of the disclosed membrane humidifier according to the first variant
  • FIGS 17 a-b different embodiments of the receiving elements.
  • the figures show the schematic structure of a membrane humidifier. 1
  • the membrane humidifier 1 is composed of a plurality of stacked stacking units 2.
  • the stacking units 2 are surrounded by a housing of the membrane humidifier 1, not shown.
  • the diffusion unit 4 comprises an upper layer 41, here formed by an upper diffusion layer, a lower layer 42, here formed by a lower diffusion layer, and a moisture-permeable membrane 43 between Upper layer and lower layer 41, 42.
  • FIG. 2 shows the composite diffusion unit 4.
  • two opposite first edge sides 44 and two opposite second edge sides 45 are defined. These four edge sides 44, 45 form the rectangular circumference of the diffusion unit 4.
  • the grooves formed as receiving elements 46, 47 are each opposite and are open to each other.
  • Receiving elements 46 formed by forming, in particular Umfalzen, the lower diffusion layer (lower layer 42).
  • the lower receiving elements 47 are formed by forming, in particular Umfalzen, the upper
  • FIG. 3 shows a flow plate 3 of the stacking unit 2.
  • the flow plate 3 has a wave profile 31 for forming a plurality of flow channels 34.
  • On two opposite edge regions 32 of the flow plate 3 are according to Figure 4 sealing edges 33rd
  • Figure 5 shows an exploded view of the stacking unit 2.
  • Figure 6 shows the composite stacking unit 2. It can be seen that the
  • FIGS. 7a-g show the section A: A marked in FIG.
  • FIGS. 7a-g show different possibilities for configuring the receiving elements 46, 47 as a groove, in each case by forming the upper layer 41 or lower layer 42.
  • Upper layer 41 here the upper diffusion layer formed.
  • the upper layer 41 is folded over twice by 90 °.
  • the resulting groove takes the membrane 43, the lower layer 42 and the edge region 32 of
  • Flow plate 3 here provided with a sealing edge 33, on.
  • the flow plate 3 is not shown for the sake of clarity. It can be seen here, the formation of the lower receiving element 47 as a groove.
  • the lower layer 42 is formed together with the upper layer 41, in particular folded over.
  • FIG. 7 c shows the possibility of structuring a receiving element, here the lower receiving element 47. This structuring takes place in the example shown by a bead 5. The structuring allows a compensation of height differences and tolerances.
  • Figure 7 d shows the recording of Flow plate 3 in the lower receiving element 47 without a sealing edge 33 on the flow plate.
  • the groove is formed so high that a structured portion of the flow plate 3, and not only the edge region 32 fits in the groove.
  • FIGS. 7 a to 7 e each show the configuration of the lower one
  • FIGS. 7 f and 7 g also show the configuration of the upper receiving element 46, in each case on a further stacking unit 2 arranged at the bottom.
  • FIG. 7 f shows a recess 6 formed by a shoulder on the upper side of the upper layer 41.
  • An upper end of a lower layer 42 of a lower stacking unit 2 lies in this recess 6, so that this upper end and the upper layer 41 of the upper stacking unit 2 form a flat surface.
  • FIGS. 7f and 7g also shows the recess 6 for receiving the upper end of a lower layer 42. As shown in FIGS. 7f and 7g, the recess 6 can be used independently of the shape of the groove.
  • Figure 8 illustrates in an exploded view that the finished
  • Stacking units 2 are set one above the other. As FIG. 9 shows, the upper receiving elements 46 receive the next overhead stacking unit 2.
  • FIG. 10 shows in detail three stacked stacking units 2.
  • FIGS 1 1 to 16 show a variant of the membrane humidifier 1, in which the receiving elements 46, 47 are not formed by crimping of the upper layer or lower layer 41, 42 but by a frame member 48.
  • FIG. 11 shows the diffusion unit 4 as an exploded view.
  • FIG. 12 shows the finished diffusion unit 4.
  • the frame member 48 extends fully along the two first edge sides 44 and the two second edge sides 45. On the upper side, the edge element 48 forms the two opposite upper grooves. At the bottom, the edge element 48 forms the two lower grooves.
  • the edge element 48 is joined to at least the upper layer and / or lower layer 41, 42, preferably injection-molded.
  • Figures 13 and 14 show that the flow plate 3 is inserted into the two lower grooves.
  • the two lower grooves are made very tight and can accommodate the flow plate 3 without sealing edges 33 tight.
  • FIGS. 15 and 16 show, analogously to FIGS. 8 and 9
  • FIGS. 17 a and 17 b show further possibilities for the embodiment of FIG.
  • the frame member 48 does not have to be fully configured, but may also be located only on individual edge sides 44, 45.
  • Figure 17 a shows the configuration of the upper and lower
  • Receiving member 46, 47 respectively in an angular shape with an inwardly facing side surface 491 and a support surface 492.
  • the side surface 491 is the support surface 492, preferably at 90 °, angled so that the angular shape is formed.
  • Receiving element 46 of the lower stacking unit 2 is the stacking unit 2 arranged above / on.
  • FIG. 17 a shows that the stacking unit 2 in the frame element 48 preferably has an upwardly open connecting groove 482 and a downwardly extending projection 481.
  • the extension 481 of one stacking unit 2 is inserted in the upwardly open connecting groove 482 of the other stacking unit 2.
  • Figure 17b shows the angular configuration of the upper
  • the frame member 48 of the stacking unit 2 arranged above.
  • Receiving element 47 formed by an inwardly open groove in the frame member 48.
  • FIGS. 17 a and 17 b partially show the embodiment of FIG
  • Receiving elements 46, 47 in angled instead of as grooves. This embodiment can be carried out not only in connection with the frame elements 48 shown, but also by forming the upper layer 41 or lower layer 42 according to FIGS. 1 to 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem, mit mehreren aufeinandergesetzten Stapeleinheiten, wobei die einzelne Stapeleinheit eine Strömungsplatte und eine Diffusionseinheit umfasst, wobei ein Umfang der Diffusionseinheit durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten gebildet ist, und wobei die einzelne Diffusionseinheit umfasst: eine Oberschicht auf einer Oberseite der Diffusionseinheit, eine Unterschicht auf einer Unterseite der Diffusionseinheit, eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran, zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten, auf der Oberseite der Diffusionseinheit, und zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente an den beiden zweiten Randseiten, auf der Unterseite der Diffusionseinheit, wobei die Strömungsplatte der Stapeleinheit in die beiden unteren Aufnahmeelemente eingesetzt ist, und wobei in die beiden oberen Aufnahmeelemente die nächste Stapeleinheit eingesetzt ist.

Description

Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein
Brennstoffzellensystem
Beschreibung
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Membranbefeuchter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird.
Membranbefeuchter werden in Brennstoffzellensystemen insbesondere dazu verwendet, um die relativ trockene Kathodenzuluft mit der relativ feuchten Kathodenabluft zu befeuchten. Innerhalb des Membranbefeuchters wird die Feuchtigkeit der Kathodenabluft durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran hindurch auf die trockene Kathodenzuluft übertragen.
Insbesondere kommen die Membranbefeuchter für Brennstoffzellen mit
Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) zum Einsatz. Um solch eine Brennstoffzelle bei möglichst hoher Leistung betreiben zu können, ist insbesondere eine Betriebstemperatur von 80 bis 95 'Ό vorteilhaft. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht dabei beispielsweise eine bessere Wärmeabfuhr über das Kühlmittel als bei niedrigeren Betriebstemperatur. Da die
Protonenaustauschmembranen einerseits aufgrund der hohen Temperaturen und andererseits durch den für die hohe Leistung nötigen hohen Luftmassenstrom stärker austrocknen als bei niedrigen Temperaturen, ist die Befeuchtung der Kathodenzuluft vorteilhaft. Ohne Befeuchtung würde die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle sinken. Einen beispielhaften Membranbefeuchter zeigt US 2008/0001313 A1 .
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen Membranbefeuchter anzugeben, der bei einfachem und kostengünstigem Aufbau wartungsarm und betriebssicher verwendet werden kann. Der
Membranbefeuchter soll insbesondere in einem Brennstoffzellensystem dazu geeignet sein, die Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit der Kathodenabluft aus der Brennstoffzelle zu befeuchten. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte
Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist
beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine
Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte
Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), wie beispielsweise einen Membranbefeuchter, der beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst Die Aufgabe wird gelöst durch einen Membranbefeuchter, der vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem verwendet wird. Allerdings ist es auch möglich, den Membranbefeuchter für andere Systeme, beispielsweise zum
Feuchtigkeitsaustausch in der Belüftung eines Hauses einzusetzen.
Der Membranbefeuchter umfasst mehrere aufeinandergesetzte Stapeleinheiten. Dabei können eine Vielzahl an Stapeleinheiten entlang einer Stapelachse aufeinandergesetzt werden. Die Stapeleinheiten stehen senkrecht zur
Stapelachse. Beispielsweise für die Verwendung in einem
Brennstoffzellensystem können 50 oder mehr Stapeleinheiten zu einem
Membranbefeuchter zusammengesetzt werden. Die einzelnen Stapeleinheiten sind vorzugsweise alle baugleich, wobei die erste und letzte Stapeleinheit auch unterschiedlich ausgestaltet werden können.
Die einzelne Stapeleinheit setzt sich zusammen aus einer Strömungsplatte und einer Diffusionseinheit. In der Strömungsplatte sind mehrere Strömungskanäle nebeneinander angeordnet. Die Strömungskanäle können strukturiert oder unterbrochen sein, um eine gezielte Strömungsbeeinflussung vornehmen zu können. Bei der Verwendung des Membranbefeuchters werden durch diese Strömungskanäle das feuchte Gas und das zu befeuchtende Gas geleitet. Die Strömungskanäle sind jeweils zu der Diffusionseinheit derselben Stapeleinheit oder zu der Diffusionseinheit der nächsten Stapeleinheit offen, sodass die Feuchtigkeit durch die angrenzende Diffusionseinheit in die Strömungskanäle der nächstliegenden Strömungsplatte hindurchtreten kann.
Ein Umfang der einzelnen Diffusionseinheit ist hier per Definition gebildet durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten. Dieser Umfang der Diffusionseinheit ist vorzugsweise rechteckig, besonders vorzugsweise quadratisch.
Die einzelne Diffusionseinheit umfasst eine Oberschicht und eine Unterschicht. Lediglich für die einfache und anschauliche Beschreibung der hier offenbarten Technologie werden für die Diffusionseinheit die Begriffe„oben , Oberschicht, Oberseite" und„unten, Unterschicht, Unterseite" verwendet. Selbstverständlich können oben und unten auch vertauscht werden oder der Membranbefeuchter kann so eingesetzt werden, dass die Diffusionseinheiten und die
Strömungsplatten senkrecht stehen.
Ferner umfasst die einzelne Diffusionseinheit zumindest eine Diffusionsschicht, vorzugsweise eine obere Diffusionsschicht und eine untere Diffusionsschicht. Darüber hinaus umfasst die einzelne Diffusionseinheit eine
feuchtigkeitsdurchlässige Membran. Bei Verwendung von zwei
Diffusionsschichten befindet sich die Membran zwischen den beiden
Diffusionsschichten. Wird nur eine Diffusionsschicht verwendet, so liegt die Membran an der einen Diffusionsschicht an. Insbesondere steht die Membran mit der zumindest einen Diffusionsschicht in Berührung.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Oberschicht der
Diffusionseinheit die obere Diffusionsschicht umfasst. Die Unterschicht der Diffusionseinheit umfasst die untere Diffusionsschicht. Die Membran kann entweder der Oberschicht oder der Unterschicht zugeordnet werden.
Wenn nur eine Diffusionsschicht verwendet wird, so bildet diese Diffusionsschicht entweder die Oberschicht oder die Unterschicht. Entsprechend bildet dann die Membran die andere Schicht, also entweder die Unterschicht oder die
Oberschicht.
Die Membran ist insbesondere so ausgebildet, dass zwischen den beiden Gasströmen, mit Ausnahme der Feuchtigkeit möglichst kein Medienaustausch stattfindet. Die zumindest eine Diffusionsschicht ist insbesondere
mediendurchlässig und dient in erster Linie zur sicheren Aufnahme und
Positionierung der Membran. Die beiden Diffusionsschichten können dabei, insbesondere hinsichtlich Material und Stärke, unterschiedlich ausgestaltet sein.
Des Weiteren weist die einzelne Diffusionseinheit zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente auf. Die beiden oberen Aufnahmeelemente befinden sich an den beiden ersten Randseiten. Ferner weist die Diffusionseinheit zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente auf. Die beiden unteren Aufnahmeelemente befinden sich an den beiden zweiten Randseiten. Nur der Anschaulichkeit halber werden die Aufnahmeelemente als„obere
Aufnahmeelemente" und„untere Aufnahmeelemente" entsprechend der
Oberseite und der Unterseite der Diffusionseinheit bezeichnet. Entscheidend ist, dass sich die einen Aufnahmeelemente an den ersten Randseiten auf einer Seite und anderen Aufnahmeelemente an den zweiten Randseiten auf der anderen Seite befinden.
Die Strömungsplatte der einen Stapeleinheit ist in die beiden bzw. zwischen die beiden unteren Aufnahmeelemente eingesetzt. In die beiden bzw. zwischen die beiden oberen Aufnahmeelemente ist die nächste Stapeleinheit eingesetzt.
Die Verwendung der Aufnahmeelemente in der Diffusionseinheit ermöglicht eine einfache Verbindung zur jeweiligen Strömungsplatte sowie zur nächstliegenden Stapeleinheit. In den Bereichen der oberen Aufnahmeelemente wird dabei insbesondere auf ein Verkleben der einzelnen Elemente des
Membranbefeuchters verzichtet. Die unteren Aufnahmeelemente nehmen die Strömungsplatte auf. In einer vorteilhaften Ausführung, ist die Strömungsplatte in den unteren Aufnahmeelementen stoffschlüssig befestigt, insbesondere durch Kleben oder Schweißen.
Im Rahmen der vorliegenden Technologie, werden zwei Varianten zur
Ausgestaltung der Aufnahmeelemente beschrieben. So können die
Aufnahmeelemente vorzugsweise entweder durch Umformen, insbesondere Falzen, der Oberschicht bzw. Unterschicht oder durch Fügen eines
Rahmenelements, insbesondere aus Kunststoff, vorzugsweise
Dichtungsmaterial, gebildet werden. In beiden Varianten entsteht eine, in bestimmten Bereichen dichte Stapelung der einzelnen Elemente.
Das einzelne Aufnahmeelement wird vorzugsweise entweder als Nut oder in Winkelform ausgeführt. Die Nut ist dabei in Richtung senkrecht zur Stapelachse offen und bildet somit in einer zur Stapelachse senkrechten Ebene einen offenen Schlitz. Die winkelförmige Ausgestaltung des Aufnahmeelements ist
vorzugsweise durch eine Seitenfläche und eine dazu abgewinkelte Auflagefläche gebildet. Die Auflagefläche erstreckt sich insbesondere senkrecht und die Seitenfläche parallel zur Stapelachse.
Wie bereits beschrieben, bilden die oberen Aufnahmeelemente eine Aufnahme für die nächste, oben angeordnete Stapeleinheit und die unteren
Aufnahmeelemente eine Aufnahme für die Strömungsplatte derselben
Stapeleinheit. Die beiden gegenüberliegenden oberen Aufnahmeelemente einer Stapeleinheit können unterschiedlich ausgestaltet sein: So ist auch vorgesehen, dass beispielsweise an einer der beiden ersten Randseiten das obere
Aufnahmeelement als Nut und an der anderen ersten Randseite das obere Aufnahmeelement winkelförmig ausgestaltet ist. Ferner ist vorgesehen, dass beispielsweise an einer der beiden zweiten Randseiten das untere
Aufnahmeelement als Nut und an der anderen zweiten Randseite das untere Aufnahmeelement winkelförmig ausgestaltet ist. So können die hier
beschriebenen Ausgestaltungen des Aufnahmeelements auch innerhalb einer Stapeleinheit miteinander kombiniert werden.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente eine Nut ist. Vorzugsweise sind die beiden oberen Aufnahmeelemente als Nut ausgebildet und zueinander offen.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eine der oberen Nuten durch umgefalzte Ränder der Unterschicht, vorzugsweise der unteren Diffusionsschicht, gebildet ist. Zur Bildung der Nut wird die Unterschicht vorzugsweise zweimal, insbesondere um etwa 90°, umgebogen.
Wenn die Unterschicht lediglich durch die Membran gebildet ist, so wird die Membran zur Bildung der oberen Nut umgefalzt. Wenn die Unterschicht durch die untere Diffusionsschicht und die Membran gebildet ist, so wird die untere Diffusionsschicht und/oder die Membran umgefalzt. Des Weiteren ist es stets auch möglich, zusätzlich zur Unterschicht auch die Oberschicht in die gleiche Richtung zu Falzen, sodass die Nut durch die Oberschicht und die Unterschicht gebildet ist. Durch die Ausgestaltung des zumindest einen oberen Aufnahmeelements als obere Nut umgreift diese obere Nut vorzugsweise den Rand der Oberschicht, insbesondere der Membran und der oberen Diffusionsschicht, derselben
Stapeleinheit sowie die vollständige nächste Stapeleinheit, welche auf der Oberschicht angeordnet ist.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente eine Nut ist. Vorzugsweise sind die beiden unteren Aufnahmeelemente als Nut ausgebildet und zueinander offen.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eine der unteren Nuten durch umgefalzte Ränder der Oberschicht, vorzugsweise der oberen Diffusionsschicht, gebildet ist. Zur Bildung der Nut wird die Oberschicht vorzugsweise zweimal, insbesondere um etwa 90°, umgebogen.
Wenn die Oberschicht lediglich durch die Membran gebildet ist, so wird die Membran zur Bildung der unteren Nut umgefalzt. Wenn die Oberschicht durch die obere Diffusionsschicht und die Membran gebildet ist, so wird die obere Diffusionsschicht und/oder die Membran umgefalzt. Des Weiteren ist es stets auch möglich, zusätzlich zur Oberschicht auch die Unterschicht in die gleiche Richtung zu Falzen, sodass die Nut durch die Unterschicht und die Oberschicht gebildet ist.
Durch die Ausgestaltung des zumindest einen unteren Aufnahmeelements als untere Nut umgreift diese untere Nut vorzugsweise den Rand der
Strömungsplatte, insbesondere auch die Membran und die untere
Diffusionsschicht, derselben Stapeleinheit.
Auch die Ausgestaltung der winkelförmigen Aufnahmeelemente kann durch Umformen der Ränder der Oberschicht bzw. Unterschicht erfolgen.
Die Diffusionsschichten sind vorzugsweise aus thermoplastischem Vlies gefertigt. Dieses Material eignet sich insbesondere zur Ausgestaltung der Nuten oder der winkelförmigen Aufnahmeelemente durch Umformen. Insbesondere wird das thermoplastische Vlies zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente erwärmt, um eine leichtere Umformung zu ermöglichen. Es ist jedoch auch vorgesehen, eine Diffusionsschicht aus einem anderen porösen, insbesondere thermoplastischen, Material zu verwenden.
Die umgeformten Ränder der zumindest einen Diffusionsschicht bzw. der Membran sind vorzugsweise strukturiert ausgeführt, insbesondere mittels einer umlaufenden Sicke, um Höhenunterschiede resultierend aus der Höhe der Strömungsplatten, der Materialstärke der Strömungsplatten und
Diffusionsschichten sowie Toleranzen auszugleichen.
Den gleichen Zweck erfüllt eine bevorzugte Strukturierung der Dichtungsränder der Strömungsplatte, beispielsweise ebenfalls durch eine umlaufende Sicke.
Wie bereits beschrieben, ist zumindest eines der beiden oberen
Aufnahmeelemente winkelförmig und bildet so eine Seitenfläche und eine dazu, vorzugsweise um 90°, abgewinkelte Auflagefläche für die nächste, oberhalb angeordnete Stapeleinheit. Des Weiteren ist vorzugsweise zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente winkelförmig und bildet so eine Seitenfläche und eine dazu, vorzugsweise um 90 °, abgewinkelte Auflagefläche für zumindest die Strömungsplatte derselben Stapeleinheit.
Alternativ zu der Ausgestaltung des Aufnahmeelements durch Umformen der Oberschicht oder Unterschicht, ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eines der Aufnahmeelemente durch ein Rahmenelement gebildet ist. Das
Rahmenelement ist an die Oberschicht und/oder Unterschicht gefügt.
Vorzugsweise ist das Rahmenelement angespritzt. Alternativ kann das
Rahmenelement beispielsweise auch angeklebt sein. Das Rahmenelement ist insbesondere an zumindest eine Diffusionsschicht gefügt, kann jedoch zusätzlich auch an die Membran und/oder die andere Diffusionsschicht gefügt sein. Das Rahmenelement umfasst zumindest einen U-förmigen Anteil, der die
entsprechende Nut darstellt und/oder einen winkelförmigen Anteil.
Es ist auch vorgesehen, die beiden Varianten, nämlich das Fügen eines
Rahmenelements und das Umformen von Rändern der Oberschicht bzw. Unterschicht zu kombinieren, sodass in einem Membranbefeuchter
unterschiedlich gefertigte Aufnahmeelemente verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das angefügte Rahmenelement sich vollumfänglich über alle vier Seiten der einzelnen Diffusionseinheit, insbesondere der zumindest einen Diffusionsschicht und der Membran, erstreckt und dabei die beiden oberen Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten und die beiden unteren Aufnahmeelement an den beiden zweiten Randseiten bildet.
Unabhängig von den Varianten zur Fertigung und Ausgestaltung der
Aufnahmeelemente ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die beiden oberen Aufnahmeelemente und/oder die beiden unteren Aufnahmeelemente über die gesamte Länge der ersten Randseite bzw. der zweiten Randseite erstrecken. Dadurch ist die Diffusionseinheit vollumfänglich, nämlich an beiden ersten Randseiten und an beiden zweiten Randseiten von den Aufnahmeelementen umgeben. Lediglich die Ecken bleiben zumindest an einem Spalt offen und müssen gegebenenfalls separat abgedichtet werden.
Die Strömungsplatten weisen vorzugsweise ein Wellenprofil auf. Dieses
Wellenprofil bildet mehrere parallele Strömungskanäle die abwechselnd nach oben und unten offen sind. Vorzugsweise werden die Strömungsplatten durch Umformen eines Metallblechs oder Warmumformen oder Extrudieren oder Walzenkalandrieren eines Thermoplasts hergestellt.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, die Strömungsplatte anstatt mit Wellenprofil in Stegform auszubilden, sodass die Strömungskanäle durch die zwischen den Stegen ausgebildeten Nuten dargestellt werden.
Die einzelne Strömungsplatte weist vorzugsweise zwei gegenüberliegende Randbereiche auf. An den Randbereichen befinden sich vorzugsweise
Dichtungsränder. Diese Dichtungsränder werden in beide gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente eingesetzt. Insbesondere sind die Dichtungsränder durch ein aufgetragenes Elastomer oder aus dem gleichen Material wie die Strömungsplatte gebildet. Es ist auch möglich, auf die Dichtungsränder zu verzichten, sodass die Aufnahmeelemente direkt den Rand der Strömungsplatte aufnehmen.
Vorzugsweise werden die Strömungsplatten benachbarter Stapeleinheiten um 90° versetzt angeordnet, sodass ein Kreuzstromprinzip zwischen den beiden Gasströmen, insbesondere Kathodenzuluft und Kathodenabluft, verwendet werden kann.
Der Membranbefeuchter umfasst vorzugsweise ein Gehäuse zur Aufnahme der aufeinandergesetzten Stapeleinheiten. In dem Gehäuse sind Manifolds angeordnet oder als integrale Bestandteile des Gehäuses ausgebildet. Die Manifolds dienen zum Zuführen und Abführen der beiden Gasströme zu den einzelnen Strömungskanälen. Diese Manifolds sind insbesondere separate, nicht an die Stapeleinheiten gefügte Bauteile.
Die hier offenbarte Technologie umfasst des Weiteren ein
Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle und zumindest einen bereits beschriebenen
Membranbefeuchter. Der Membranbefeuchter wird dabei zum Befeuchten einer Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit einer Kathodenabluft der Brennstoffzelle verwendet. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Membranbefeuchters beschriebenen Unteransprüche und vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Brennstoffzellensystem.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Membranbefeuchters. Insbesondere handelt es sich dabei um den bereits beschriebenen Membranbefeuchter. Im Rahmen des Verfahrens sind zumindest folgende Schritte vorgesehen:
Zunächst erfolgt ein Zusammensetzen der Diffusionseinheit aus der Oberschicht, der Unterschicht und der zwischen den beiden Schichten oder in den Schichten angeordneten, feuchtigkeitsdurchlässigen Membran. Vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzen werden die beiden oberen
Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten und die beiden unteren Aufnahmeelemente und den beiden zweiten Randseiten ausgebildet. Die fertige Stapeleinheit entsteht durch Einsetzen der Strömungsplatten in die beiden unteren Aufnahmeelemente der Diffusionseinheit. Dieses Einsetzen der Strömungsplatte erfolgt insbesondere erst nach der Ausbildung der unteren Aufnahmeelemente der Diffusionseinheit.
Mehrere der Stapeleinheiten werden entsprechend aufeinandergesetzt, wobei jeweils in die beiden oberen Aufnahmeelemente der einen Stapeleinheit die nächste Stapeleinheit eingesetzt wird.
Wie bereits beschrieben, wird das einzelne Aufnahmeelement entweder durch Umformen der Diffusionsschichten oder durch Fügen eines Rahmenelements hergestellt. Das das Aufnahmeelement bildende Material ist dabei vorzugsweise entsprechend dünn und flexibel, sodass es beim Zusammensetzen des
Membranbefeuchters ohne weiteres, vorzugsweise elastisch, aufgebogen werden kann.
Der fertige Stapel aus mehreren Stapeleinheiten wird vorzugsweise in ein Gehäuse eingesetzt und abgedichtet.
Zur Integrationen in das Gehäuse können in den Ecken des Gehäuses und/oder im Bereich der Kanten der zusammengesetzten Stapeleinheiten Dichtungen vorgesehen sein, um die Ein- und Ausströmbereiche der Brennstoffzellenzuluft (Kathodenzuluft) bzw. der Brennstoffzellenabluft (Kathodenabluft) gegeneinander abzudichten.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 bis 6 einen schematischen Aufbau des offenbarten
Membranbefeuchters gemäß einer ersten Variante,
Figuren 7 a-g verschiedene Ausgestaltungen der Aufnahmeelemente,
Figuren 8 bis 10 weitere Ansichten zum schematischen Aufbau des
offenbarten Membranbefeuchters gemäß der ersten Variante, Figuren 1 1 bis 16 einen schematischen Aufbau des offenbarten
Membranbefeuchters gemäß einer zweiten Variante, und
Figuren 17 a-b verschiedene Ausgestaltungen der Aufnahmeelemente.
Die Figuren zeigen den schematischen Aufbau eines Membranbefeuchters 1 . Der Membranbefeuchter 1 ist zusammengesetzt aus mehreren gestapelten Stapeleinheiten 2. Die Stapeleinheiten 2 sind umgeben von einem nicht dargestellten Gehäuse des Membranbefeuchters 1 .
Die einzelne Stapeleinheit 2 umfasst eine Diffusionseinheit 4. Figur 1 zeigt eine Explosionsdarstellung der Diffusionseinheit 4. Die Diffusionseinheit 4 umfasst eine Oberschicht 41 , hier gebildet durch eine obere Diffusionsschicht, eine Unterschicht 42, hier gebildet durch eine untere Diffusionsschicht , und eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 43 zwischen Oberschicht und Unterschicht 41 , 42. Figur 2 zeigt die zusammengesetzte Diffusionseinheit 4.
An der Diffusionseinheit 4 sind zwei gegenüberliegende erste Randseiten 44 und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten 45 definiert. Diese vier Randseiten 44, 45 bilden den rechteckigen Umfang der Diffusionseinheit 4.
An der Oberseite weist die Diffusionseinheit 4 an den beiden ersten Randseiten 44 zwei obere Aufnahmeelemente 46, hier ausgebildet als zwei oberen Nuten, auf. An der Unterseite weist die Diffusionseinheit 4 an den beiden zweiten Randseiten 45 zwei untere Aufnahmeelemente 47, hier ausgebildet als zwei unteren Nuten, auf. Die als Nuten ausgebildeten Aufnahmeelemente 46, 47 liegen jeweils gegenüber und sind zueinander offen.
In der ersten Variante gemäß Figuren 1 bis 10 sind die oberen
Aufnahmeelemente 46 gebildet durch Umformen, insbesondere Umfalzen, der unteren Diffusionsschicht (Unterschicht 42). Die unteren Aufnahmeelemente 47 sind gebildet durch Umformen, insbesondere Umfalzen, der oberen
Diffusionsschicht (Oberschicht 41 ).
Figur 3 zeigt eine Strömungsplatte 3 der Stapeleinheit 2. Die Strömungsplatte 3 weist ein Wellenprofil 31 zur Bildung einer Vielzahl an Strömungskanälen 34 auf. An zwei gegenüberliegenden Randbereichen 32 der Strömungsplatte 3 befinden sich gemäß Figur 4 Dichtungsränder 33.
Figur 5 zeigt eine Explosionsdarstellung der Stapeleinheit 2. Figur 6 zeigt die zusammengesetzte Stapeleinheit 2. Dabei ist zu sehen, dass die
Strömungsplatte 3 mit ihren Dichtungsrändern 33 in den unteren
Aufnahmeelementen 47 angeordnet ist. Figuren 7 a-g zeigt hierzu den in Figur 6 gekennzeichneten Schnitt A:A.
Die Figuren 7 a-g zeigen unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente 46, 47 als Nut, jeweils durch Umformen der Oberschicht 41 bzw. Unterschicht 42.
In Figur 7 a ist das untere Aufnahmeelement 47 durch Umformen der
Oberschicht 41 , hier der oberen Diffusionsschicht, gebildet. Hierzu ist die Oberschicht 41 zweimal um 90° umgefalzt. Die dadurch entstandene Nut nimmt die Membran 43, die Unterschicht 42 und den Randbereich 32 der
Strömungsplatte 3, hier versehen mit einem Dichtungsrand 33, auf.
In Figur 7 b ist die Strömungsplatte 3 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Zu sehen ist hier, die Bildung des unteren Aufnahmeelements 47 als Nut. Die Unterschicht 42 ist zusammen mit der Oberschicht 41 umgeformt, insbesondere umgefalzt.
In Figur 7 c ist ebenfalls die Strömungsplatte 3 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Figur 7 c zeigt die Möglichkeit, ein Aufnahmeelement, hier das untere Aufnahmeelement 47, zu strukturieren. Diese Strukturierung erfolgt im gezeigten Beispiel durch eine Sicke 5. Die Strukturierung ermöglicht einen Ausgleich von Höhenunterschieden und Toleranzen.
In Figur 7 d ist das untere Aufnahmeelement 47 durch Umformen der
Oberschicht 41 , hier der oberen Diffusionsschicht, gebildet. Anhand dieser Figur ist zu sehen, dass die Nut nicht zwingend rechteckig, sondern beispielsweise auch dreieckig ausgeführt werden kann. Ferner zeigt Figur 7 d die Aufnahme der Strömungsplatte 3 im unteren Aufnahmeelement 47 ohne einem Dichtungsrand 33 an der Strömungsplatte 3.
In Figur 7 e ist das untere Aufnahmeelement 47 genauso wie in Figur 7 a gebildet. Allerdings sitzt hier die Strömungsplatte 3 nicht mit einem
Dichtungsrahmen 33 sondern unmittelbar in der Nut. Die Nut ist so hoch ausgebildet, dass ein strukturierter Anteil der Strömungsplatte 3, und nicht nur der Randbereich 32 in der Nut Platz findet.
Die Figuren 7 a bis 7 e zeigen jeweils die Ausgestaltung des unteren
Aufnahmeelements 47. Allerdings kann auch das obere Aufnahmeelements 46 auf gleiche oder ähnliche Weise gestaltet sein. Beispielhaft zeigen die Figuren 7 f und 7 g auch die Ausgestaltung des oberen Aufnahmeelement 46, jeweils an einer weiteren, unten angeordneten Stapeleinheit 2.
Figur 7 f zeigt eine Aussparung 6, gebildet durch einen Absatz an der Oberseite der Oberschicht 41 . Ein oberes Ende einer Unterschicht 42 einer unten angeordneten Stapeleinheit 2 liegt in dieser Aussparung 6, sodass dieses obere Ende und die Oberschicht 41 der oberen Stapeleinheit 2 eine ebene Fläche bilden.
Figur 7 g zeigt ebenfalls die Aussparung 6 zur Aufnahme des oberen Endes einer Unterschicht 42. Wie die Figuren 7 f und 7 g zeigen, kann die Aussparung 6 unabhängig von der Form der Nut verwendet werden.
Figur 8 verdeutlicht in einer Explosionsdarstellung, dass die fertigen
Stapeleinheiten 2 übereinander gesetzt werden. Wie Figur 9 zeigt, nehmen die oberen Aufnahmeelemente 46 die nächste, obenliegende Stapeleinheit 2 auf.
Figur 10 zeigt im Detail drei übereinandergestapelte Stapeleinheiten 2.
Die Figuren 1 1 bis 16 zeigen eine Variante des Membranbefeuchters 1 , bei dem die Aufnahmeelemente 46, 47 nicht durch Umfalzen der Oberschicht oder Unterschicht 41 , 42 sondern durch ein Rahmenelement 48 gebildet sind. Figur 1 1 zeigt dabei die Diffusionseinheit 4 als Explosionsdarstellung. Figur 12 zeigt die fertige Diffusionseinheit 4.
Das Rahmenelement 48 erstreckt sich vollumfänglich entlang der beiden ersten Randseiten 44 und der beiden zweiten Randseiten 45. An der Oberseite bildet das Randelement 48 die beiden gegenüberliegenden oberen Nuten. An der Unterseite bildet das Randelement 48 die beiden unteren Nuten.
Das Randelement 48 ist an zumindest die Oberschicht und/oder Unterschicht 41 , 42 gefügt, vorzugsweise angespritzt.
Die Figuren 13 und 14 zeigen, dass die Strömungsplatte 3 in die beiden unteren Nuteneingesetzt wird. In dieser Variante sind die beiden unteren Nuten sehr eng gefertigt und können die Strömungsplatte 3 ohne Dichtungsränder 33 dicht aufnehmen.
Die Figuren 15 und 16 zeigen analog zu den Figuren 8 und 9 das
Zusammensetzen mehrerer Stapeleinheiten 2.
Figuren 17 a und 17 b zeigen weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der
Aufnahmeelemente 46, 47 unter Verwendung des Rahmenelements 48. Das Rahmenelement 48 muss dabei nicht vollumfänglich ausgestaltet sein, sondern kann sich auch nur an einzelnen Randseiten 44, 45 befinden.
Figur 17 a zeigt die Ausgestaltung des oberen und des unteren
Aufnahmeelements 46, 47, jeweils in Winkelform mit einer nach innen gerichteten Seitenfläche 491 und eine Auflagefläche 492. Die Seitenfläche 491 ist zur Auflagefläche 492, vorzugsweise um 90 °, abgewinkelt, sodass die Winkelform entsteht.
An der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492 des oberen
Aufnahmeelements 46 der unteren Stapeleinheit 2 liegt die oben angeordnete Stapeleinheit 2 an/auf. An der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492 des unteren Aufnahmeelements 47 der oberen Stapeleinheit 2 liegt die
Strömungsplatte 3 derselben Stapeleinheit 2 an/auf. Des Weiteren zeigt Figur 17 a dass die Stapeleinheit 2 im Rahmenelement 48 vorzugsweise eine nach oben offene Verbindungsnut 482 und einen sich nach unten erstreckenden Fortsatz 481 aufweist. Im gestapelten Zustand steckt der Fortsatz 481 der einen Stapeleinheit 2 in der nach oben offenen Verbindungsnut 482 der anderen Stapeleinheit 2.
Figur 17 b zeigt die winkelförmigen Ausgestaltung des oberen
Aufnahmeelements 46 mit der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492. In dem Winkel, gebildet durch die Seitenfläche 491 und die Auflagefläche 492 liegt das Rahmenelement 48 der oben angeordneten Stapeleinheit 2.
Bei der oberen Stapeleinheit 2 in Figur sind 17 b ist das untere
Aufnahmeelement 47 durch eine nach innen offene Nut im Rahmenelement 48 gebildet.
Die Figuren 17 a und 17 b zeigen teilweise die Ausgestaltung der
Aufnahmeelemente 46, 47 in Winkelform anstatt als Nuten. Diese Ausgestaltung kann nicht nur in Verbindung mit den gezeigten Rahmenelementen 48, sondern auch durch Umformung der Oberschicht 41 oder Unterschicht 42 gemäß den Figuren 1 bis 10 erfolgen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Membranbefeuchter
2 Stapeleinheit
3 Strömungsplatte
31 Wellenprofil
32 Randbereiche
33 Dichtungsränder
34 Strömungskanäle
4 Diffusionseinheit
41 Oberschicht, insbesondere obere Diffusionsschicht
42 Unterschicht, insbesondere untere Diffusionsschicht
43 Membran
44 erste Randseiten
45 zweite Randseiten
46 oberes Aufnahmeelement
47 unteres Aufnahmeelement
48 Rahmenelement
481 Fortsatz
482 Verbindungsnut
491 Seitenfläche
492 Auflagefläche
5 Sicke
6 Aussparung

Claims

Patentansprüche:
1 . Membranbefeuchter (1 ), vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem, mit mehreren aufeinandergesetzten Stapeleinheiten (2),
• wobei die einzelne Stapeleinheit (2) eine Strömungsplatte (3) und eine Diffusionseinheit (4) umfasst,
• wobei ein Umfang der Diffusionseinheit (4) durch zwei
gegenüberliegende erste Randseiten (44) und zwei
gegenüberliegende zweite Randseiten (45) gebildet ist, und
• wobei die einzelne Diffusionseinheit (4) umfasst:
■ eine Oberschicht (41 ), insbesondere obere Diffusionsschicht, auf einer Oberseite der Diffusionseinheit (4),
■ eine Unterschicht (42), insbesondere untere Diffusionsschicht, auf einer Unterseite der Diffusionseinheit (4),
■ eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (43) in der Oberschicht (41 ), in der Unterschicht (42) oder zwischen Oberschicht (41 ) und Unterschicht (42),
■ zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente (46), an den beiden ersten Randseiten (44), auf der Oberseite der Diffusionseinheit (4), und
■ zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente (47) an den beiden zweiten Randseiten (45), auf der Unterseite der
Diffusionseinheit (4),
• wobei die Strömungsplatte (3) der Stapeleinheit (2) in die beiden
unteren Aufnahmeelemente (47) eingesetzt ist, und
• wobei in die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) die nächste
Stapeleinheit (2) eingesetzt ist.
2. Membranbefeuchter nach Anspruch 1 , wobei zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente (46) eine obere Nut ist, vorzugsweise die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) zwei zueinander offene obere Nuten sind.
3. Membranbefeuchter nach Anspruch 2, wobei zumindest eine obere Nut, vorzugsweise beide oberen Nuten, durch umgefalzte Ränder zumindest der Unterschicht (42) gebildet sind.
4. Membranbefeuchter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die
jeweilige obere Nut die die nächste oberhalb angeordnete Stapeleinheit (2) umgreift.
5. Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente (47) eine untere Nut ist, vorzugsweise die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) zwei zueinander offene untere Nuten sind.
6. Membranbefeuchter nach Anspruch 5, wobei zumindest eine untere Nut, vorzugsweise beide unteren Nuten durch umgefalzte Ränder zumindest der Oberschicht (41 ) gebildet sind.
7. Membranbefeuchter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die
jeweilige untere Nut die Strömungsplatte (3) derselben Stapeleinheit (2) umgreift.
8. Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberschicht (41 ) und/oder die Unterschicht (42) eine Diffusionsschicht aus thermoplastischem Vlies umfasst.
9. Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente (46) winkelförmig ist, vorzugsweise durch eine Seitenfläche (491 ) und eine dazu
abgewinkelte Auflagefläche (492), zur Aufnahme der nächsten, oberhalb angeordnete Stapeleinheit (2).
10. Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente (47) winkelförmigen ist , vorzugsweise durch eine Seitenfläche (491 ) und eine dazu abgewinkelte Auflagefläche (492), zur Aufnahme der
Strömungsplatte (3) derselben Stapeleinheit (2).
1 1 . Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Aufnahmeelemente (46, 47) durch ein
Rahmenelement (48) gebildet ist, das an die Oberschicht (41 ) oder die Unterschicht (42) gefügt, vorzugsweise angespritzt, ist.
12. Membranbefeuchter nach Anspruch 1 1 , wobei das angefügte
Rahmenelement (48) sich vollumfänglich über alle vier Randseiten (44, 45) erstreckt und beide oberen Aufnahmeelemente (46) und beide unteren Aufnahmeelemente (47) der einen Stapeleinheit (2) bildet.
13. Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) und/oder die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) über die gesamte Länge der ersten Randseite (44) bzw. zweiten Randseite (45) erstrecken.
14. Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle und zumindest einen Membranbefeuchter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Befeuchten einer Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit einer Kathodenabluft der
Brennstoffzelle.
15. Verfahren zur Herstellung eines Membranbefeuchters (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte: • Zusammensetzen einer Diffusionseinheit (4) aus einer Oberschicht
(41 ), einer Unterschicht (42) und einer in der Oberschicht (41 ), der Unterschicht (42) oder zwischen Oberschicht und Unterschicht (41 , 42) angeordneten, feuchtigkeitsdurchlässigen Membran (43), wobei ein Umfang der Diffusionseinheit (4) durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten (44) und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten (45) gebildet ist, • Ausbilden von zwei gegenüberliegenden oberen Aufnahmeelementen
(46) an den beiden ersten Randseiten (44), auf einer Oberseite der Diffusionseinheit (4), vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzten,
• Ausbilden von zwei gegenüberliegenden unteren Aufnahmeelementen
(47) an den beiden zweiten Randseiten (45), auf einer Unterseite der Diffusionseinheit (4), vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzten,
• Bilden einer Stapeleinheit (2) durch Einsetzen einer Strömungsplatte
(3) in die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) der Diffusionseinheit
(4) , und
• Aufeinandersetzten mehrere Stapeleinheiten (2), wobei jeweils in die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) der einen Stapeleinheit (2) die nächste Stapeleinheit (2) eingesetzt wird.
PCT/EP2017/078484 2016-12-08 2017-11-07 Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein brennstoffzellensystem WO2018103976A1 (de)

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