WO2020030346A1 - Befeuchter, brennstoffzellenvorrichtung mit befeuchter sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2020030346A1
WO2020030346A1 PCT/EP2019/067341 EP2019067341W WO2020030346A1 WO 2020030346 A1 WO2020030346 A1 WO 2020030346A1 EP 2019067341 W EP2019067341 W EP 2019067341W WO 2020030346 A1 WO2020030346 A1 WO 2020030346A1
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Oliver Berger
Rune Staeck
Christian Lucas
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Audi Ag
Volkswagen Ag
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Definitions

  • Humidifier fuel cell device with humidifier
  • the invention relates to a humidifier with a plurality of humidifier modules clamped between end plates by means of tension rods and having a membrane permeable to water vapor, in which a flow field frame with a plurality of webs defining a flow field is arranged on each side of the membrane.
  • the invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle.
  • Humidifiers in general are used in order to be able to transfer the moisture to the drier medium in 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 in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack with the oxygen contained therein, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is used for the use in the fuel cell stack for the membrane electrode assembly is insufficient.
  • the dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past the membrane which is permeable to water vapor and the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack.
  • liquid water accumulates in the fuel cell stack both on the anode side and on the cathode side, which has to be removed from the fuel cell stack.
  • the humidifier, the water separator and the charge air cooler positioned after the compressor are large components that greatly increase the space required for one Contribute fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because of high thermal losses.
  • DE 10 2016 113 740 A1 discloses a conditioning module which provides a combination of a heat exchanger and a humidifier with a small space requirement and at the same time a high possible throughput, in that in a cross section of the conditioning module a first cross-sectional area within a second cross-sectional area in a zy - Lindrike structure is arranged.
  • WO 2017/102538 A1 describes a humidifier with an integrated water separator, which has a large number of separate separating elements on one side of the membrane in order to enable an optimized moisture exchange between exhaust gas and operating medium flows of a fuel cell.
  • the invention has for its object to provide a humidifier of the type mentioned with an inexpensive structure. Another object of the invention is to provide an improved fuel cell device and a motor vehicle with increased efficiency.
  • the humidifier according to the invention is distinguished by the simplicity of its construction, in which a component which has already been recognized as necessary, namely the tension rods, is used to perform a further function by simply modifying the construction of the tension rods.
  • the tension rods are designed as hollow rods, there is the possibility of using them as coolant tubes for the passage of a cooling medium.
  • the cooling medium can be used both for cooling the media located in the flow fields, in particular gases, if the cooling medium is cooler than the medium in the flow field.
  • the coolant flowing through the hollow rods as coolant tubes can also be loaded with heat, so that heat transfer and thus energy supply is possible.
  • the plurality of hollow bars are assigned common connections for the supply line and the discharge line of the cooling medium. It is also advantageous if at least the flow fields in the flow field frame are formed from a thermally conductive material, which contribute to an improved heat exchange. It also serves to increase the surface of the flow fields to increase the heat transfer area by means of structures which are selected from the group comprising ribs, fins and wings.
  • the thermally conductive material is formed by a metal or a thermally conductive plastic with metallic fillers.
  • the hollow rods are sealed off from the flow fields by means of seals, the seal being selected from a group which comprises O-rings, moisture-sensitive expansion seals, adhesive seals and joint material.
  • the adhesive seals can be used in a simple manner in the manufacture of the humidifier, with an alternative or in addition also the possibility that a material with a high expansion during humidification is placed in the holes in the membrane and / or flow field frame receiving the tie rods that when the humidifier is used for the first time, the material swells and provides the sealing effect as an expansion seal.
  • An improved fuel cell device with a fuel cell having a membrane electrode arrangement, the electrode spaces of which can be supplied with reactants via reactant supply lines and which has reactant exhaust gas lines, is provided in that a humidifier described above is switched into the flow path of at least one of the reactant supply lines and the associated reactant exhaust gas line is, preferably on the cathode side, so that the humidifier can be used to condition the cathode gas.
  • the improved fuel cell device is used in a motor vehicle in that the coolant circuit of the air conditioning unit includes the flute rods of the humidifier, so that the gas originating from the compressor and flowing through the humidifier can be tempered. If water stores are provided in the humidifier, the stored water is additionally tempered with the coolant, so that it can evaporate more easily and thus contribute to the moistening of the fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows a highly schematic illustration of a fuel cell device having a humidifier
  • FIG. 2 shows an exploded view of a humidifier module in the sequence flow field frame-seal-membrane-seal-membrane
  • FIG. 3 shows a humidifier with a plurality of humidifier modules arranged between media connections having end plates, clamped by tension rods
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of a flow field frame in a plan view with the bushings for the flute rods, shown partially broken
  • Figure 5 is a schematic representation of a cross section with which the
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a fuel cell device connected to the coolant circuit of a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows the part of a fuel cell device 1 which is necessary to explain the invention, the fuel cell device 1 comprising a device for regulating the moisture of a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack 2.
  • Each of the fuel cells 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 tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE sulfonated tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can be formed as a flydrocarbon membrane.
  • a catalyst can additionally be admixed to the anodes and / or the cathodes, the membrane preferably having on its first side and / or on its second side a catalyst layer composed of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or The same are coated, which serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell.
  • the anode can be supplied with fuel (eg hydrogen) via an anode compartment.
  • fuel eg hydrogen
  • anode compartment e.g hydrogen
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are in at the anode Protons and electrons split.
  • the PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons.
  • the reaction takes place at the anode: 2H 2 -> 4H + + 4e (oxidation / electron donation).
  • the electrons are conducted via an external circuit to the cathode or to an energy store.
  • the cathode gas eg oxygen or oxygen-containing air
  • the cathode gas can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: 0 2 + 4H + + 4e -> 2H 2 0 (reduction / electron absorption) ,
  • the cathode gas is humidified before it is fed to the fuel cell in order to bring about moisture saturation of the PEM.
  • cathode gas Since several fuel cells are combined in the fuel cell stack 2, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that a large cathode gas mass flow is provided by a compressor 3, the temperature of which increases strongly as a result of the compression of the cathode gas elevated.
  • the conditioning of the cathode gas that is to say its setting with regard to the parameters desired in the fuel cell stack 2, takes place in a charge air cooler and in a humidifier 4.
  • the humidifier 4 shown as an exemplary embodiment in FIG. 3 has two end plates 5, between which a plurality of humidifier modules 6 are arranged, the humidifier modules 6 being clamped between the end plates 5 by tension rods 7.
  • the assignment of the media connections 8 for the supply and discharge of the two media to one of the end plates 5 has been made, the two in the case of a fuel cell device 1 Media only differ in terms of their moisture content, but there is usually air in material.
  • the media connections 8 for one of the media are arranged jointly on one of the end plates 5 or separately on the two end plates 5, and that the media connections 8 for the other medium together on the same or the other end plate 5 as the media connections 8 for the first medium or separately on the two end plates 5 with inverted assignment of the media connections 8 for the supply and discharge are arranged relative to the first medium, that is to say the humidifier modules 6 arranged in series with respect to a medium U-or Z- can be flowed through in a form, while a countercurrent or cross-countercurrent is also possible when considering the two media.
  • FIG. 2 shows the structure of an individual humidifier module 6.
  • a flow field frame 10 with a plurality of webs 11 defining a flow field is arranged on each side of the membrane 9, and a seal 12 is arranged between each of the flow field frames 10 and the membrane 9, so that a sequence of flow channels for the unit of a humidifier module Field frame 10 - seal 12 - membrane 9 - seal 12 - flow field frame 10 results.
  • the flow field frame 10 and the webs 11 have the same height extension, while in the flow field frame 10 on both sides of the webs 11 there is a connector 13 which positions the webs 11 and has a lower height extension than the webs 11, which is on the Inside of the flow field frame 10 is connected in a corner with two adjoining legs.
  • This connector 13 thus provides a collector 14 in the corner for the medium, which is distributed between the webs 11 due to the small height extension of the connector 13 from this collector 14 to generate the flow field. Since the webs 11 have the same height as the flow field frame 10, an exchange of the medium between the webs 11 is not possible and there is a uniform distribution of the medium in the flow field over the entire surface of the membrane 9. Because the webs 11 continue to have the same height as that Flow field frame 10, the webs 11 also support the membrane 9 and increase the mechanical stability of the entire humidifier module 6.
  • the seals 12 are designed as a sealing frame 15 with two opposing cross connectors 16, which are connected at the inside of the sealing frame 15 via corners with two adjoining legs, with the connectors 13 and the cross connectors 16 on one side of the membrane 9 complementary corners are assigned, and wherein the membrane 9 has the shape of a hexagon, the edges of which are assigned to the connectors 13, the cross-connectors 16 and the frames 10, 15.
  • FIG. 2 thus shows that in the lower flow field frame 10 shown in FIG. 2, the supply of the moist medium can take place in the right corner, which is passed between the webs 11 via the connector 13 and the flow field and the flow through the opposite corner River field frame 10 can leave again.
  • the course of the webs 11 is at an angle of 90 degrees with respect to the course of the webs 11 in the lower river field frame
  • the connector 13 in the upper flow field frame 10 in turn creates the possibility of supplying the dry medium between the webs 11 and removing the dry medium between the webs
  • the humidifier module 6 as a unit can overall be sealed off from the outside in the area of the webs 11; alternatively, there is also the possibility that two of the humidifier modules 6 are combined to form a pair of modules and that the flow field frames on the mutually facing side 10 are arranged for the identical medium, so that identically manufactured humidifier modules 6 can be arranged in series without an exchange from the flow field frame 10 for the moist medium into the adjacent flow field frame 10 for the dry medium.
  • the seal 12 can be designed as an insert seal for which materials such as PTFE or EPDM are suitable.
  • materials such as PTFE or EPDM are suitable.
  • the membrane 9 the use of polymer membranes, such as sulfonated membranes, is conceivable; cotton membranes are also suitable.
  • the humidifier consists of a plurality of humidifier modules 6 braced by tension rods 7, there is the advantageous possibility that the tension rods 7 are designed as flute rods 17 forming coolant tubes for the passage of a cooling medium which is provided by common connections for the feed line and the discharge through the flute rods 17 is performed.
  • the flow fields are to be made of a thermally conductive material, in particular a metal such as aluminum or steel. It is also conceivable to use a plastic with high thermal conductivity, it being possible for the high thermal conductivity of the plastic to be provided via metallic fillers.
  • FIG. 4 shows that, deviating from the illustration in FIG. 3, it is also possible to arrange the tension rods 7 inside the humidifier 4, the positioning of the hollow rods 17 shown in FIG. 4 causing an early gas preheating with the result of better water absorption ,
  • FIG. 5 indicates that the hollow rods 17 are sealed off from the flow field frame 10 and the membrane 9 by means of seals 18, a sealing effect being able to be achieved by means of adhesive points or in a simple manner by means of O-rings.
  • the fuel cell device 1 shown in FIG. 5 presupposes its use in a motor vehicle, the coolant circuit of the air conditioner being connected to the hollow rods 17 of the humidifier 4 in order to temper the gas flowing through the humidifier 4 and by using the Waste heat from the air conditioner to improve the efficiency of the fuel cell device 1 and thus of the motor vehicle as a whole. If water reservoirs are arranged in the humidifier 4, there is the additional possibility of tempering the stored water with the coolant and thus evaporating it more easily and contributing to the humidification of the fuel cell stack 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mehreren zwischen Endplatten (5) mittels Zugstäben (7) verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Membran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist. Die Zugstäbe sind als Kühlmittelrohre bildende Hohlstäbe (17) gestaltet zur Durchleitung eines Kühlmediums. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter
sowie Kraftfahrzeug
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mehreren zwischen Endplatten mittels Zugstäben verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Memb- ran aufweisenden Befeuchtermodulen, bei denen beidseits der Membran jeweils ein Flussfeldrahmen mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellen- vorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.
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 Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereit- gestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für wasserdampfdurchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestri- chen wird. Des Weiteren fällt im Brennstoffzellenstapel sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig Flüssigwasser an, das aus dem Brennstoffzellensta- pel entfernt werden muss. Der Befeuchter, der Wasserabscheider sowie der nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellen- vorrichtung einschränken weil hohe thermische Verluste vorliegen.
Von der Anmelderin bereits vorgeschlagen wurde, einen Befeuchter mit einer Mehrzahl an Befeuchtermodulen einzusetzen, die über ein Flussfeld definie- rende Stege verfügen, durch das ein gleichmäßigeres Bestreichen der Membran mit dem dieser Seite zugeordneten Medium ermöglicht. Bei derar- tigen Befeuchtern werden die Befeuchtermodule mittels Zugstäben ver- spannt.
In der DE 10 2016 113 740 A1 ist ein Konditionierungsmodul offenbart, das eine Kombination von einem Wärmeübertrager und einem Befeuchter mit geringem Bauraumbedarf bei gleichzeitig hohem möglichen Durchsatz be- reitstellt, indem in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls eine erste Querschnittsfläche innerhalb einer zweiten Querschnittsfläche in einem zy- lindrischen Aufbau angeordnet ist.
In der WO 2017/102538 A1 ist ein Befeuchter mit integriertem Wasserab- scheider beschrieben, der eine Vielzahl von separaten Abscheideelementen auf der einen Seite der Membran aufweist, um einen optimierten Feuchtig- keitsaustausch zwischen Abgas- und Betriebsmittelströmen einer Brennstoff- zelle zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter der eingangs genannten Art mit einem kostengünstigen Aufbau bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer gesteigerten Effizienz bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspru- ches 1 , durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmal des An- spruches 8 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich hinsichtlich der Einfachheit seines Aufbaus aus, bei dem ein bereits als notwendig erkanntes Bauteil, nämlich die Zugstäbe, genutzt wird, um eine weitere Funktion zu erfüllen durch eine einfache Modifikation des konstruktiven Aufbaus der Zugstäbe. Indem nämlich die Zugstäbe als Hohlstäbe gestaltet sind, besteht die Mög- lichkeit, diese als Kühlmittelrohre zur Durchleitung eines Kühlmediums zu nutzen. Dabei ist zu beachten, dass das Kühlmedium sowohl zur Kühlung der in den Flussfeldern befindlichen Medien, insbesondere Gasen eingesetzt werden kann, wenn nämlich das Kühlmedium kühler als das Medium in dem Flussfeld ist. Das die Hohlstäbe als Kühlmittelrohre durchströmende Kühl- medium kann allerdings auch mit Wärme beladen sein, so dass eine Wär- meübertragung und damit Energiebereitstellung möglich ist.
Hinsichtlich der Einfachheit des Aufbaus ist es bevorzugt, wenn der Mehrzahl an Hohlstäben gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Kühlmediums zugeordnet sind. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn zumin- dest die Flussfelder in den Flussfeldrahmen aus einem wärmeleitfähigen Ma- terial gebildet sind, die zu einem verbesserten Wärmeaustausch beitragen. Dazu dient auch, dass die Oberfläche der Flussfelder zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche vergrößert ist durch Strukturen, die ausgewählt sind aus der Rippen, Lamellen und Flügel umfassenden Gruppe. Das wär- meleitfähige Material ist gebildet durch ein Metall oder einen wärmeleitfähi- gen, metallische Füllstoffe aufweisenden Kunststoff.
Günstig ist es weiterhin, wenn die Hohlstäbe mittels Dichtungen gegenüber den Flussfeldern abgedichtet sind, wobei die Dichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die O-Ringe, feuchtigkeitssensitive Expansionsdichtungen, Kleberdichtungen und Fugenmaterial umfasst. Die Kleberdichtungen können in einfacher Weise bei der Fertigung des Befeuchters eingesetzt werden, wobei alternativ oder ergänzend auch die Möglichkeit besteht, dass in den die Zugstangen aufnehmenden Löchern von Membran und/oder Flussfeld- rahmen ein Material mit einer bei Befeuchtung hohen Ausdehnung platziert wird, so dass beim erstmaligen Einsatz des Befeuchters das Material auf- quillt und als Expansionsdichtung die Dichtwirkung bereitstellt. Eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Membranelek- trodenanordnung aufweisenden Brennstoffzelle, deren Elektrodenräume über Reaktantenzuleitungen mit Reaktanten versorgbar sind und die über Reaktantenabgasleitungen verfügt, wird bereitgestellt, indem ein vorstehend beschriebenen Befeuchter in den Strömungspfad mindestens einer der Re- aktantenzuleitungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschal- tet ist, vorzugsweise auf der Kathodenseite, so dass der Befeuchter zur Kon- ditionierung des Kathodengases genutzt werden kann.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die verbesserte Brennstoffzellenvor- richtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, indem der Kühlmittelkreis- lauf des Klimagerätes die Flohlstäbe des Befeuchters einschließt, so dass das vom Verdichter stammende, den Befeuchter durchströmende Gas tem- periert werden kann. Sofern Wasserspeicher im Befeuchter vorgesehen sind, wird zusätzlich das gespeicherte Wasser mit dem Kühlmittel temperiert, so dass dieses einfacher verdampfen und somit zur Befeuchtung des Brenn- stoffzellenstapels beitragen kann. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Figur 1 eine stark schematisierte Darstellung einer einen Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung eines Befeuchtermoduls in der Ab- folge Flussfeldrahmen-Dichtung-Membran-Dichtung-Membran, Figur 3 einen Befeuchter mit einer Mehrzahl zwischen Medienan- schlüssen aufweisenden Endplatten angeordneten Befeuchter- modules, verspannt durch Zugstäbe, Figur 4 eine alternative Ausführungsform eines Flussfeldrahmens in einer Draufsicht mit den Durchführungen für die Flohlstäbe, teilweise gebrochen dargestellt, Figur 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts, mit den die
Flussfeldrahmen und die Membran durchdringenden Flohlstäbe, und
Figur 6 eine schematische Darstellung einer an den Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges angebundenen Brennstoffzellenvorrich- tung.
In der Figur 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrich- tung 1 eine Einrichtung zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst.
Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Memb- ran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethyl- en-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Flydrocarbon- Membran gebildet sein. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige- mischt sein, wobei die Membran 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 dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zuge- führt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM- Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielswei- se die Reaktion: 2H2 — > 4H+ + 4e (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elekt- ronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Ener- giespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauer- stoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathoden- seitig die folgende Reaktion stattfindet: 02 + 4H+ + 4e — > 2H20 (Redukti- on/Elektronenaufnahme).
Um eine lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu ge- währleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erfor- derlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammenge- fasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfü- gung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Katho- dengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionie- rung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brenn- stoffzel len Stapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter 4.
Der als Ausführungsbeispiel in der Figur 3 gezeigte Befeuchter 4, weist zwei Endplatten 5 auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 angeordnet sind, wobei die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplatten 5 durch Zugstäbe 7 verspannt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist für die Einfachheit der Darstellung die Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr der beiden Medien zu einer der Endplatten 5 getroffen, wobei für den Fall einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 die beiden Medien sich nur hinsichtlich ihres Feuchtegehalts unterscheiden, aber stoff- lich in der Regel Luft vorliegt. Generell besteht aber die Möglichkeit, dass die Medienanschlüsse 8 für eines der Medien gemeinsam auf einer der Endplat- ten 5 oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 angeordnet sind, und dass die Medienanschlüsse 8 für das andere Medium gemeinsam auf derselben oder der anderen Endplatte 5 wie die Medienanschlüsse 8 für das erste Me- dium oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 mit invertierter Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr relativ zum ersten Medium angeordnet sind, also die in Reihe angeordneten Befeuchtermodule 6 hinsichtlich eines Mediums U-oder Z-förmig durchströmt werden können, während bei Betrachtung der beiden Medien gemeinsam auch ein Gegen- strom oder Kreuz-Gegenstrom möglich ist.
In der Figur 2 ist der Aufbau eines einzelnen Beuchtermoduls 6 dargestellt. Dabei ist beidseits der Membran 9 jeweils ein Flussfeldrahmen 10 mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierender Stege 11 angeordnet und zwischen je- dem der Flussfeldrahmen 10 und der Membran 9 eine Dichtung 12 angeord- net, so dass sich für die Einheit eines Befeuchtermoduls eine Abfolge Fluss- feldrahmen 10 - Dichtung 12 - Membran 9 - Dichtung 12 - Flussfeldrahmen 10 ergibt.
Dabei weisen der Flussfeldrahmen 10 und die Stege 11 die gleiche Höhen- erstreckung auf, während in dem Flussfeldrahmen 10 auf beiden Seiten der Stege 11 jeweils ein die Stege 11 positionierender Verbinder 13 mit gegen- über den Stegen 11 geringerer Höhenerstreckung angeordnet ist, der auf der Innenseite des Flussfeldrahmens 10 über Eck mit zwei aneinander grenzen- den Schenkeln verbunden ist. Dieser Verbinder 13 stellt in dem Eck damit einen Sammler 14 für das Medium bereit, das infolge der geringen Höhener- streckung des Verbinders 13 aus diesem Sammler 14 zwischen die Stege 11 verteilt wird zur Generierung des Flussfeldes. Da die Stege 11 die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrahmen 10, ist ein Austausch des Mediums zwischen den Stegen 11 nicht möglich und es findet eine gleichmäßige Ver- teilung des Mediums in dem Flussfeld über die gesamte Fläche der Memb- ran 9 statt. Weil die Stege 11 weiterhin die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrahmen 10, bewirken die Stege 11 auch eine Abstützung der Membran 9 und eine Erhöhung der mechanischen Stabilität des gesamten Befeuchtermoduls 6.
Die Dichtungen 12 sind als Dichtungsrahmen 15 gestaltet mit zwei gegen- überliegenden Querverbindern 16, die auf der Innenseite des Dichtungsrah- mens 15 über Eck mit zwei aneinandergrenzenden Schenkeln verbunden sind, wobei auf einer Seite der Membran 9 die Verbinder 13 und die Quer- verbinder 16 komplementären Ecken zugeordnet sind, und wobei die Memb- ran 9 die Gestalt eines Sechsecks aufweist, dessen Kanten den Verbindern 13, den Querverbindern 16 und den Rahmen 10, 15 zugeordnet sind.
Die Figur 2 lässt somit erkennen, dass bei dem in Figur 2 gezeigten unteren Flussfeldrahmen 10 im rechten Eck die Zuleitung des feuchten Mediums er- folgen kann, das über den Verbinder 13 zwischen die Stege 11 geleitet wird und über das gegenüberliegende Eck das Flussfeld und den Flussfeldrah- men 10 wieder verlassen kann. In dem in der Figur 2 gezeigten oberen Flussfeldrahmen 10 ist der Verlauf der Stege 11 um einen Winkel von 90 Grad gegenüber dem Verlauf der Stege 11 in dem unteren Flussfeldrahmen
10 versetzt. Der Verbinder 13 in dem oberen Flussfeldrahmen 10 schafft wiederum die Möglichkeit der Zuleitung des trockenen Mediums zwischen die Stege 11 und der Abfuhr des trockenen Mediums zwischen den Stegen
11 aus dem gegenüberliegenden Eck des oberen Flussfeldrahmens 10.
Es ist zu beachten, dass infolge der den Dichtungsrahmen 15 zugeordneten Querverbinder 16 eine Gasdichtheit zwischen den beiden Medien und auch nach außen bereitgestellt ist. Bei den in Reihe angeordneten Befeuchtermo- dulen 6 zwischen den Endplatten 5 bestehen damit für die beiden Medien getrennte Zuleitungskanäle und Ableitungskanäle.
Das Befeuchtermodul 6 als eine Einheit kann insgesamt nach außen im Be- reich der Stege 11 abgedichtet sein, alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass jeweils zwei der Befeuchtermodule 6 zu einem Modulpaar zusammen- gefasst sind, und dass auf der zueinanderweisenden Seite die Flussfeldrah- men 10 für das identische Medium angeordnet sind, so dass identisch gefer- tigte Befeuchtermodule 6 in Reihe angeordnet werden können, ohne dass aus dem Flussfeldrahmen 10 für das feuchte Medium in den angrenzenden Flussfeldrahmen 10 für das trockene Medium ein Austausch stattfinden kann.
Die Dichtung 12 kann als Einlegedichtung ausgeführt sein, für die Materia- lien, wie PTFE oder EPDM geeignet sind. Für die Membran 9 ist die Ver- wendung von Polymermembranen, wie zum Beispiel sulfonierte Membranen denkbar; gleichfalls sind Baumwollmembranen geeignet.
Da der Befeuchter aus mehreren durch Zugstäbe 7 verspannten Befeuch- termodulen 6 besteht, ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass die Zugstäbe 7 als Kühlmittelrohre bildende Flohlstäbe 17 gestaltet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums, das durch gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung durch die Flohlstäbe 17 geführt wird. Zur Verbes- serung der Wärmeübertragung auf der Gasseite sollen die Flussfelder aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall wie Aluminium oder Stahl hergestellt werden. Denkbar ist auch, einen Kunststoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu verwenden, wobei die hohe thermische Leitfä- higkeit des Kunststoffes über metallische Füllstoffe bereitgestellt werden kann.
Figur 4 zeigt, dass abweichend von der Darstellung in Figur 3 eine Anord- nung der Zugstäbe 7 auch im Inneren des Befeuchters 4 möglich ist, wobei die in Figur 4 gezeigte Positionierung der Hohlstäbe 17 eine frühzeitige Gas- vorwärmung mit der Folge einer besseren Wasseraufnahme bewirkt.
Figur 5 verweist darauf, dass die Hohlstäbe 17 mittels Dichtungen 18 gegen- über den Flussfeldrahmen 10 und der Membran 9 abgedichtet sind, wobei eine Dichtwirkung durch Klebestellen oder in einfacher Weise durch O-Ringe erzielt werden kann. Bei der in der Figur 5 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorausgesetzt, wobei der Kühlmittel- kreislauf des Klimagerätes an die Hohlstäbe 17 des Befeuchters 4 ange- schlossen ist, um das den Befeuchter 4 durchströmende Gas zu temperieren und durch die Nutzung der Abwärme des Klimagerätes die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und damit des Kraftfahrzeuges insgesamt zu verbessern. Sofern Wasserspeicher in dem Befeuchter 4 angeordnet sind, besteht die zusätzliche Möglichkeit, das gespeicherte Wasser mit dem Kühl- mittel zu temperieren und somit einfacher zu verdampfen und zur Befeuch- tung des Brennstoffzellenstapels 2 beizutragen.
BEZUGSZEICHENLISTE: 1 Brennstoffzellenvorrichtung
2 Brennstoffzellenstapel
3 Verdichter
4 Befeuchter
5 Endplatten
6 Befeuchtermodule
7 Zugstäbe
8 Medienanschlüsse
9 Membran
10 Flussfeldrahmen
11 Steg
12 Dichtung
13 Verbinder
14 Sammler
15 Dichtungsrahmen
16 Querverbinder
17 Hohlstäbe
18 Dichtung

Claims

ANSPRÜCHE:
1 Befeuchter (4) mit mehreren zwischen Endplatten (5) mittels Zugstä- ben (7) verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Memb- ran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl ein Fluss- feld definierenden Stegen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstäbe als Kühlmittelrohre bildende Hohlstäbe (17) gestal- tet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.
2 Befeuchter (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass den Hohlstäben (17) gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Kühlmediums zugeordnet sind.
3 Befeuchter (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Flussfelder in den Flussfeldrahmen (10) aus ei- nem wärmeleitfähigen Material gebildet sind.
4 Befeuchter (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Flussfelder zur Erhöhung der Wärmeübertragungsflä- che vergrößert ist durch Strukturen, die ausgewählt sind aus der Rip pen, Lamellen, Flügel umfassenden Gruppe.
5 Befeuchter (4) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material gebildet ist durch ein Metall oder einen wärmeleitfähigen, metallische Füllstoffe aufweisenden Kunst- stoff.
6 Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Hohlstäbe (17) mittels Dichtungen (18) gegenüber den Flussfeldern und/oder der Membran (9) abgedichtet sind.
7 Befeuchter (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die O-Ringe, feuchtigkeits- sensitive Expansionsdichtungen, Kleberdichtungen, Fugendichtmate- rial umfasst.
8. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) mit einer eine Membranelektrodenano- rdnung aufweisenden Brennstoffzelle, deren Elektroden Elektroden- räume zugeordnet sind, die über Reaktantenzuleitungen mit Reaktan- ten versorgbar sind und die über Rektantenabgasleitungen verfügt, gekennzeichnet durch einen Befeuchter (4) nach den Ansprüche 1 bis
7, der in den Strömungspfad mindestens einer der Reaktantenzulei- tungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschaltet ist.
9. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkreislauf eines Klima- gerätes die Hohlstäbe (17) des Befeuchters einschließt.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Befeuchter (4) ein Wasserspeicher vorgesehen ist, der im thermi- schen Kontakt mit den Hohlstäben (17) steht.
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