WO2020148016A1 - Befeuchtermodul mit eingenähtem flussfeld, befeuchter, verfahren zur herstellung eines befeuchtermoduls und verfahren zur herstellung eines befeuchters - Google Patents

Befeuchtermodul mit eingenähtem flussfeld, befeuchter, verfahren zur herstellung eines befeuchtermoduls und verfahren zur herstellung eines befeuchters Download PDF

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Felix Rothe
Dirk Jenssen
Martin Buchenberger
Markus Kühn
Jan Beuscher
Sven Hartwig
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Humidifier module with sewn-in flow field Humidifier, method for producing a humidifier module and method for producing one
  • the invention relates to a humidifier module with a water vapor permeable membrane, with spacers each defining a flow field and with a thread sewn into the membrane.
  • the invention further relates to a humidifier and a method for the manufacture of a humidifier module, and a method for producing a humidifier.
  • Humidifiers are generally used to enable moisture to be transferred 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 in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack is compressed with the oxygen contained therein, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is used in the fuel cell stack for the membrane electrode unit is not sufficient.
  • the dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past the water-vapor-permeable membrane, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack.
  • liquid fuel is produced in the fuel cell stack both on the anode side and on the cathode side, which water Stack needs to be removed.
  • the humidifier, the water separator and the charge air cooler positioned after the compressor are large components which contribute to a large increase in the installation space required for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because of high thermal losses.
  • the US 9,806,362 B2 discloses a planar humidifier with a plurality of membranes comprising humidifier units, wherein a yarn is sewn circumferentially into an edge region of the membrane in order to seal the humidifier ter unit from the outside.
  • a humidifier with a plurality of humidifier modules which have webs defining a flow field, by means of which a more uniform coating of the membrane with the medium assigned to this side is made possible.
  • the humidifier modules are braced by means of tension rods.
  • the humidifier modules have a repeating stack of a seal, a flow field frame, a further seal, a membrane, a further seal, a further flow field frame and, in turn, a seal.
  • the positioning of such a humidifier module or egg nes composed of a plurality of such humidifier modules Be humidifier is comparatively complex and thus connected with high costs.
  • the object relating to the humidifier module is achieved by the features of claim 1.
  • the problem relating to the humidifier is solved by a humidifier according to the features of claim 8.
  • the object relating to the method for freezing a humidifier module is characterized by the features of claim 9 and the method for freezing a humidifier task is solved by a method according to claim 10.
  • the humidifier module is characterized in particular by the fact that the spacers defining the flow field are formed by the thread sewn into the membrane.
  • the membrane By sewing in the yarn, the membrane is given a supporting and, in particular, stiffening skeletal structure.
  • the yarn can form a flow field on both sides. Consequently, additional components such as the otherwise customary webs formed as webs can be dispensed with. This enables the humidifier module to be manufactured more cost-effectively and at the same time saves weight.
  • the yarn has a material thickness or a diameter of 0.2 mm to 4 mm and preferably a material thickness between 0.25 mm to 3 mm.
  • the yarn must be sufficiently stiff to ensure the air flow in the humidifier module and to reduce pressure losses within the humidifier module.
  • the yarn can be guided through the membrane in such a way that at least one yarn upper part is arranged on a first side of the membrane and at least one yarn lower part is arranged on a second side of the membrane.
  • the yarn or an additional thread is guided through the membrane in such a way that one or more of the upper yarn parts and / or one or more of the lower yarn parts are connected to one another at nodes. This reinforces the skeletal structure of the membrane.
  • the yarn is formed as an upper thread and an additional thread is formed as a lower thread, the upper thread being connected or interwoven with the lower thread at one or more nodes.
  • the spacers will be in this case preferably formed analogously to a lockstitch, ie the upper thread and the lower thread are interwoven at the nodes by threading the lower thread through an upper thread loop of the upper thread.
  • the yarn and / or the additional yarn is formed from a thermoplastic material, and if at least some of the nodes are fusible by the action of heat to form a seal. In particular, it is advantageous if all nodes can be fused together using heat.
  • the additional yarn can be tensioned above the upper yarn part and below the lower yarn part such that the upper yarn part or the loops of the upper yarn part of the yarn touch the additional yarn at at least one node.
  • the yarn is preferably fused to the additional yarn by the action of heat. This applies analogously to the additional yarn which touches the lower thread parts, that is to say the loops of the lower thread parts, at at least one knot point.
  • the yarn or the additional yarn can be guided through the membrane in such a way that a loop of an upper yarn part of the additional yarn is arranged between two loops of the upper yarn part of the yarn.
  • the lower thread is interwoven with an upper thread loop formed by the upper thread.
  • the nodes formed in this way or individual ones of these nodes can be fused with the action of heat. It is particularly advantageous if the yarn and the additional yarn have different melting points. If the yarn has a lower melting point than the additional yarn, then the yarn can be melted with the additional yarn from a melting temperature of the yarn without the additional yarn also melting. In other words, the melting temperature of the yarn or the additional yarn can be selected such that only one of the two yarns begins to melt at this temperature or develops adhesive properties. The selected melting temperature is of course below a melting temperature of the membrane material. This applies analogously to the case that the additional yarn has the lower melting point than the yarn.
  • one of the yarns can be formed from a - preferably non-thermoplastic - material which has a wick effect.
  • liquid can be absorbed or sucked into this yarn by means of the wick effect and can thus be stored in the yarn at least twice.
  • the wicking yarn passed through the membrane forms a kind of liquid bridge between the dry and the wet side of the membrane.
  • a further yarn is sewn at least partially on the circumference into an edge region of the membrane or applied to the edge region.
  • the further yarn is preferably formed from an elastomer.
  • the elastomer can, for example, comprise or consist of silicone or EPDM, so that an additional sealing effect is achieved by tensioning or tensioning the further yarn.
  • the humidifier is characterized in particular by the fact that a plurality of humidifier modules arranged between two end plates are provided.
  • the humidifier modules can be fused together by the action of heat, so that an outward-acting seal of the humidifier modules is also achieved.
  • the advantages mentioned in term module can also be transferred to the humidifier and therefore apply accordingly to this.
  • the process for producing a humidifier module includes the following steps:
  • the yarn is sewn into the membrane in a plurality of rows running parallel to one another or is applied to the membrane in a plurality of rows running parallel to one another.
  • the method comprises the following steps in particular:
  • the procedure preferably includes the following step:
  • the method for producing a humidifier is characterized in particular by the following steps:
  • the humidifier module and also the humidifier is thus preferably constructed exclusively from a plurality of membranes, into which yarns are sewn or placed on the yarns, in order to produce a flow field which is sealed off from the outside or on the circumference.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a humidifier module
  • FIG. 2 shows a first schematic embodiment of a humidifier term module in a sectional view
  • FIG. 3 shows a second schematic embodiment of a humidifier term module in a sectional view
  • FIG. 4 shows a third schematic embodiment of a humidifier term module in a sectional view
  • Fig. 5 shows a fourth schematic embodiment of a humidifier term module in a sectional view
  • Fig. 6 shows a humidifier
  • Fuel cells are used to generate energy and can be used in particular to generate energy for driving motor vehicles.
  • a plurality of fuel cells are preferably combined in one fuel cell stack.
  • Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive polymer membrane separating the anode from the cathode.
  • the polymer membrane is formed from an ionomer, preferably a spied tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE spied tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the polymer membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.
  • the anodes and / or the cathodes can additionally be mixed with a catalyst, the membrane being preferably on its first side and / or on its second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like are coated, which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.
  • a catalyst made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like are coated, which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.
  • the anode fuel (eg hydrogen) can be supplied to the anode compartment.
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons.
  • the reaction takes place at the anode: 2H 2 -> 4 FT + 4e (oxidation / electron donation).
  • the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.
  • the cathode gas eg oxygen or oxygen-containing air
  • the cathode gas can be supplied to the cathode via a cathode compartment, 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 a moisture saturation of the PEM.
  • cathode gas Since several fuel cells are combined in the fuel cell stack, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that a large cathode gas mass flow is made available by a compressor, the temperature of which greatly increases as a result of the compression of the cathode gas.
  • the conditioning of the cathode gas i.e. its setting with regard to the parameters desired in the fuel cell stack, takes place in a charge air cooler and in a humidifier 4.
  • the humidifier 4 shown as an exemplary embodiment in FIG. 6 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 the tie rods 7.
  • Another connection of the end plates 5 instead of the tie rods 7 by utilizing example tapes is also conceivable.
  • the assignment of the media connections 8 for the supply and discharge of the two media to one of the end plates 5 is made, in the case of a fuel cell device the two media differing only in terms of their moisture content, but materially there is usually air.
  • the media connections 8 for one of the media together on one of the end plates 5 or separately on the two End plates 5 are arranged and that the media connections 8 for the other medium together on the same or the other end plate 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 removal relatively are arranged to the first medium, that is, the humidifier modules 6 arranged in a row can be flowed through in a U-shaped or Z-shaped manner with respect to a medium, while a countercurrent or cross-countercurrent is also possible when the two media are viewed together.
  • FIG. 1 A flow field defined by spacers 11 is arranged on each side of the membrane 9.
  • the spacers 11 are formed by a thread 13 sewn into the membrane 9, which gives the membrane 9 a kind of skeletal structure.
  • FIG. 1 a plurality of rows of yarn 13 running parallel to one another are sewn into the membrane 9, which form the spacers 11 defining the flow field.
  • a further yarn 22 is sewn into the peripheral area 23 of the membrane 9 or applied to the peripheral area 23. This enables a circumferential sealing of the humidifier module 6.
  • the additional yarn 22 is formed as an elastomer, this additional sealing effect is achieved when tightening or tensioning the wide yarn 22.
  • FIGS. 2 to 5 show different exemplary embodiments of the yarns 13 sewn into the membrane 9 or applied to the membrane 9.
  • the yarn 13 is guided through the membrane 9 such that at least one upper yarn part 14 is arranged on a first side 16 and at least one lower yarn part 15 on a second side 17 of the membrane 9.
  • the upper yarn parts 14 and the lower yarn parts 15 are consequently formed as a plurality of loops.
  • the flow field is arranged between the upper yarn parts 14 and the lower yarn parts 15, so that the upper yarn parts 14 and the lower yarn parts 15 each form spacers 11.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment in which the flow field is additionally sealed.
  • an additional yarn 18 is placed on the upper yarn parts 14 and on the lower yarn parts 15 such that the additional yarn 18 lies at least in sections on the yarn 13, or on the upper yarn parts 14 or the lower yarn parts 15.
  • the additional yarn 18 can be fused with the yarn 13 by the action of heat if either the additional yarn 18 or the yarn 13 or both are formed from a thermoplastic material.
  • the additional yarn 18 be preferably has a lower melting point than the yarn 13. At least the additional yarn 18 is formed as a thermoplastic.
  • the yarn 13 formed from a synthetic material, or from cotton or from hemp or from wool or the like has a wicking effect, so that liquid can be absorbed from the flow field by the yarn 13 and at least stored secondarily in it, the transport of the Liquid from the wet side of the membrane 9 to the dry side of the membrane 9 is favored by the wicking effect of the yarn 13.
  • the yarn 13 passed through the membrane 9 with wicking effect thus forms a liquid keits Kunststoff at each passage through the membrane 9.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment, which differs from the previous one in that the additional yarn 18 is also sewn into the membrane 9 and is thus guided through the membrane 9 in such a way that one or more of the upper yarn parts 14 and / or one or more of the lower yarn parts 15 are connected to one another at nodes 19. These nodes 19 or individual ones of the nodes 19 can be fused together by the action of heat in order to seal off the flow field.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the humidifier module 6, where the yarn 13 is formed as an upper thread 20, while the additional yarn 18 is formed as a lower thread 21.
  • the upper thread 20 and the lower thread 21 are sewn into the membrane 9 as in a lockstitch, so that an upper thread loop of the upper thread 20 with the lower thread 21 becomes one Junction 19 is interwoven.
  • These nodes 19 can in turn be fused by means of heat in order to achieve an additional sealing effect.
  • the method for producing the humidifier module 6 comprises in particular the following steps: First, a membrane 9 is provided. A thread 13 is sewn into the membrane 9 in such a way that the thread 13 forms at least two spacers 11 defining a flow field. Alternatively, the yarn 13 can be applied to the membrane 6 in such a way that the yarn 13 forms at least two spacers 11 that define the flow field. The application can take place, for example, by means of 3-D printing processes.
  • the thread 13 is sewn into the membrane 9 or the thread 13 is applied to the membrane 9 in a plurality of rows running parallel to one another. This makes it possible to generate a particularly large flow field. Furthermore, in order to achieve a sealing effect, the upper yarn parts 14 and the lower yarn parts 15 can be fused with the additional yarn 18 at the nodes 19. Alternatively, the knots tenpoints 19 produced by interweaving the upper thread 20 with the lower thread 21 can be fused together by the action of heat.
  • a further thread 22 can be sewn into the edge region 23 of the membrane 9 at least in sections on the circumference. This enables an additional outer circumferential sealing of the moisture module 6.
  • the method for producing the humidifier 4 comprises in particular the following steps: First, a plurality of humidifier modules 6 are provided. The humidifier modules 6 are fused together by the action of heat. As a result, the humidifier modules 6 are sealed to the outside. Furthermore, the plurality of mutually fused humidifier modules 6 are arranged between the two end plates 5. By means of the tie rods 7, the humidifier modules with the end plates 5 are finally braced. It should be noted that a melt the nodes 19 or the individual yarns 13, 18, 22 can also be caused by the mere tension of the end plates 5. This corresponds to a cold forming of the yarns 13, 18, 22 or the nodes 19 formed by them.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtermodul (6) mit einer wasserdampfdurchlässigen Membran (9), mit beidseits der Membran (9) angeordneten jeweils ein Flussfeld definierenden Abstandshaltern (11) und mit einem in die Membran (9) eingenähten Garn (13). Die das Flussfeld definierenden Abstandshalter (11) sind durch das in die Membran (9) eingenähte Garn (13) gebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter (4), ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchtermoduls (6) und ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters.

Description

Befeuchtermodul mit eingenähtem Flussfeld, Befeuchter, Verfahren zur Her stellung eines Befeuchtermoduls und Verfahren zur Herstellung eines
Befeuchters
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Befeuchtermodul mit einer wasserdampfdurchlässi gen Membran, mit beidseits der Membran angeordneten jeweils ein Flussfeld definierenden Abstandshaltern und mit einem in die Membran eingenähten Garn.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter und ein Verfahren zur Her stellung eines Befeuchtermoduls, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters.
Befeuchter werden im Allgemeinen 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 Brennstoffzellen- Vorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Katho denräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sau erstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter be- reitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, in dem sie an der wasserdampfdurchlässigen Membran vorbeigeführt wird, de ren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel be strichen wird. Des Weiteren fällt im Brennstoffzellenstapel sowohl anodensei tig als auch kathodenseitig Flüssigwasser an, das aus dem Brennstoffzellen- Stapel entfernt werden muss. Der Befeuchter, der Wasserabscheider sowie der nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler sind große Komponen ten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellen vorrichtung einschränken weil hohe thermische Verluste vorliegen.
Die US 9,806,362 B2 offenbart einen Planarbefeuchter mit einer Mehrzahl von Membranen umfassenden Befeuchtereinheiten, wobei in einen Randbe reich der Membran ein Garn umfangsseitig eingenäht ist, um die Befeuch tereinheit nach außen abzudichten.
Weiterhin sind Vorschläge bekannt, einen Befeuchter mit einer Mehrzahl an Befeuchtermodulen einzusetzen, die über ein Flussfeld definierende Stege verfügen, durch das ein gleichmäßigeres Bestreichen der Membran mit dem dieser Seite zugeordneten Medium ermöglicht wird. Bei derartigen Befeuch tern werden die Befeuchtermodule mittels Zugstäben verspannt. Die Be- feuchtermodule weisen dabei eine sich wiederholende Stapelung aus einer Dichtung, einem Flussfeldrahmen, einer weiteren Dichtung, einer Membran, einer weiteren Dichtung, einem weiteren Flussfeldrahmen und wiederum ei ner Dichtung auf. Die Fierstellung eines solchen Befeuchtermoduls bzw. ei nes aus einer Mehrzahl von derartigen Befeuchtermodulen aufgebauten Be feuchters ist vergleichsweise aufwendig und damit mit hohen Kosten verbun den.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Befeuchtermodul, einen Befeuchter, ein Verfahren zur Fierstellung eines Befeuchtermoduls und ein Verfahren zur Fierstellung eines Befeuchters bereitzustellen, durch die die oben genannte Nachteile reduziert werden.
Die das Befeuchtermodul betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die den Befeuchter betreffende Aufgabe wird durch ei nen Befeuchter gemäß den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Die das Verfahren zur Fierstellung eines Befeuchtermoduls betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 und die das Verfahren zur Fierstellung eines Befeuchters betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß An spruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbil dungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Befeuchtermodul zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die das Flussfeld definierenden Abstandshalter durch das in die Membran eingenäh te Garn gebildet sind. Durch das Einnähen des Garns wird der Membran ei ne stützende und insbesondere versteifende Skelettstruktur verliehen. Das Garn kann dabei beidseitig ein Flussfeld ausbilden. Folglich kann auf zusätz liche Bauteile wie beispielsweise die sonst üblichen als Stege gebildeten Ab standshalter verzichtet werden. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Her stellung des Befeuchtermoduls und gleichzeitig eine Gewichtseinsparung. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass das Garn eine Materialstärke oder ein Durchmesser von 0,2mm bis 4mm und vor zugsweise eine Materialstärke zwischen 0,25mm bis 3mm aufweist. Das Garn muss ausreichend steif gebildet sein, um die Luftströmung im Befeuch termodul zu gewährleisten und um Druckverluste innerhalb des Befeuchter moduls zu reduzieren.
Das Garn kann dabei in einer besonders einfach herzustellenden Ausfüh rungsform durch die Membran derart geführt sein, dass mindestens ein Garnoberteil auf einer ersten Seite der Membran und mindestens ein Garn unterteil auf einer zweiten Seite der Membran angeordnet ist.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Garn oder ein zusätz liches Garn durch die Membran derart geführt ist, dass ein oder mehrere der Garnoberteile und/oder ein oder mehrere der Garnunterteile an Knotenpunk ten miteinander verbunden sind. Dies verstärkt die Skelettstruktur der Memb ran.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Garn als ein Oberfaden gebil det und ein zusätzliches Garn ist als ein Unterfaden gebildet, wobei der Oberfaden mit dem Unterfaden an einem oder an mehreren Knotenpunkten miteinander verbunden oder verwoben sind. Die Abstandshalter werden hierbei vorzugsweise analog zu einem Steppstich gebildet, d.h. der Oberfa den und der Unterfaden werden an den Knotenpunkten miteinander verwo ben, indem durch eine Oberfadenschlaufe des Oberfadens der Unterfaden gefädelt wird.
Um das Befeuchtermodul und insbesondere um das Flussfeld abzudichten, ist es bevorzugt, wenn das Garn und/oder das zusätzliche Garn aus einem thermoplastischen Material gebildet ist, und wenn zur Ausbildung einer Dich tung zumindest einzelne der Knotenpunkte mittels Wärmeeinwirkung ver- schmelzbar sind. Insbesondere ist es vorteilhaft wenn alle Knotenpunkte mit tels Wärmeeinwirkung verschmelzbar sind.
Dabei kann in einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform des Befeuchtermoduls das zusätzliche Garn derart oberhalb des Garnoberteils und unterhalb des Garnunterteils gespannt werden, dass das Garnoberteil bzw. die Schlaufen des Garnoberteils des Garns das zusätzlichen Garn an mindestens einem Knotenpunkt berühren. An diesem Knotenpunkt wird das Garn vorzugsweise mit dem zusätzlichen Garn mittels Wärmeeinwirkung verschmolzen. Dies gilt analog für das zusätzliche Garn, welches die Garn- unterteile, also die Schlaufen der Garnunterteile an mindestens einem Kno tenpunkt berührt.
Alternativ kann das Garn oder das zusätzliche Garn derart versetzt durch die Membran geführt sein, dass zwischen zwei Schlaufen des Garnoberteils des Garns eine Schlaufe eines Garnoberteils des zusätzlichen Garns angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform, bei der das Garn als ein Oberfaden und das zusätzliche Garn als ein Unterfaden gebildet ist, ist der Unterfaden mit einer durch den Oberfaden gebildeten Oberfadenschlaufe verwoben. Die derart gebildeten Knotenpunkte oder einzelne dieser Knotenpunkte sind mit tels Wärmeeinwirkung verschmelzbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Garn und das zusätzliche Garn unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Weist das Garn einen niedrige ren Schmelzpunkt als das zusätzliche Garn auf, so ist das Garn mit dem zu sätzlichen Garn ab einer Schmelztemperatur des Garns verschmelzbar, oh ne dass das zusätzliche Garn ebenfalls schmilzt. Mit anderen Worten kann die Schmelztemperatur des Garns oder des zusätzlichen Garns derart ge wählt sein, dass nur eines der beiden Garne bei dieser Temperatur zu schmelzen beginnt oder adhesive Eigenschaften entwickelt. Die gewählte Schmelztemperatur liegt dabei selbstverständlich unterhalb einer Schmelz temperatur des Membranmaterials. Dies gilt analog für den Fall, dass das zusätzliche Garn den niedrigeren Schmelzpunkt als das Garn aufweist.
Alternativ oder ergänzend kann eines der Garne aus einem - vorzugsweise nicht thermoplastischen - Material gebildet sein kann, welches einen Docht effekt aufweist. In anderen Worten kann mittels des Dochteffekts Flüssigkeit in dieses Garn aufgenommen oder gesogen werden und so zumindest zweitweise im Garn gespeichert werden. Das durch die Membran geführte Garn mit Dochtwirkung bildet eine Art Flüssigkeitsbrücke zwischen trockenen und der feuchten Seite der Membran.
Um das Befeuchtermodul auch außenumfangsseitig abzudichten, ist es von Vorteil, wenn ein weiteres Garn zumindest teilweise umfangseitig in einen Randbereich der Membran eingenäht oder auf den Randbereich aufgebracht ist. Dabei ist das weitere Garn bevorzugt aus einem Elastomer gebildet. Das Elastomer kann beispielsweise aus Silikon oder EPDM umfassen oder dar aus bestehen, so dass durch eine Spannung oder Verspannung des weite ren Garns eine zusätzliche Dichtwirkung erzielt wird.
Der Befeuchter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Mehrzahl von zwischen zwei Endplatten angeordneten Befeuchtermodulen vorgese hen sind. Dabei können die Befeuchtermodule miteinander mittels Wärme einwirkung verschmelzbar sein, so dass auch eine nach außen wirkende Dichtung der Befeuchtermodule erzielt wird. Die im Rahmen des Befeuch- termoduls genannten Vorteile sind dabei auch auf den Befeuchter übertrag bar und gelten daher sinngemäß für diesen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Befeuchtermoduls umfasst insbesonde re die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer Membran und
- Einnähen eines Garns in oder Aufbringen eines Garns auf die Memb ran derart, dass das Garn einen ein Flussfeld definierenden Ab standshalter bildet.
Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Befeuchtermoduls.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass das Garn in die Membran in einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden Rei hen eingenäht oder auf die Membran in einer Mehrzahl von parallel zueinan der verlaufenden Reihen aufgebracht wird.
Um die Flussfelder abzudichten umfasst das Verfahren insbesondere die folgenden Schritte:
- Verschmelzen von zumindest einzelnen der durch das Verbinden von einem oder mehrerer Garnoberteile und/oder von einem oder mehrere Garnunterteile erzeugten Knotenpunkte mittels Wärmeeinwirkung o- der
- Verschmelzen von zumindest einzelnen der durch das Verbinden ei nes Oberfadens mit einem Unterfaden erzeugten Knotenpunkte mit tels Wärmeeinwirkung.
Um die Befeuchtermodule auch umfangsseitig abzudichten, umfass das Ver fahren bevorzugt den folgenden Schritt:
- Zumindest teilweise umfangseitiges Einnähen oder Aufbringen eines weiteren Garns in einen Randbereich der Membran. Das Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
- Bereitstellen von einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen,
- Verschmelzen der Befeuchtermodule miteinander durch Wärmeein- Wirkung,
- Anordnung der Mehrzahl von verschmolzen Befeuchtermodulen zwi schen zwei Endplatten und
- Verspannen der Befeuchtermodule mit den Endplatten mittels Zug stangen.
Bei einem derartigen Befeuchter kann auf zusätzliche Schichten bzw. Kom ponenten wie einen Flussfeldrahmen, einen Dichtrahmen sowie auf eine zu sätzliche Dichtung verzichtet werden. Das Befeuchtermodul und auch der Befeuchter wird somit vorzugsweise ausschließlich aus einer Mehrzahl von Membranen aufgebaut, in die Garne eingenäht oder auf die Garne aufge bracht sind, um ein nach außen oder umfangsseitig abgedichtetes Flussfeld zu erzeugen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Befeuchtermodul,
Fig. 2 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel eines Befeuch termoduls in einer Schnittansicht,
Fig. 3 ein zweites schematisches Ausführungsbeispiel eines Befeuch termoduls in einer Schnittansicht,
Fig. 4 ein drittes schematisches Ausführungsbeispiel eines Befeuch termoduls in einer Schnittansicht, Fig. 5 ein viertes schematisches Ausführungsbeispiel eines Befeuch termoduls in einer Schnittansicht und
Fig. 6 einen Befeuchter.
Brennstoffzellen dienen der Energieerzeugung und können insbesondere zur Energieerzeugung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen angewendet werden. Dabei werden bevorzugt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst.
Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Polymer-Membran. Die Polymer-Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem spionier ten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Polymer-Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator bei gemischt 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, Palla dium, 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) zu geführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM- Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die PEM lässt die Protonen hin durch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt bei spielsweise die Reaktion: 2H2 — > 4 FT + 4e (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauer stoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathoden seitig die folgende Reaktion stattfindet: 02 + 4H+ + 4e — > 2H20 (Reduktion/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 mehrere Brennstoffzellen zusammen gefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Ver fügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 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 stoffzellenstapel gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter 4.
Der als Ausführungsbeispiel in der Figur 6 dargestellte Befeuchter 4, weist zwei Endplatten 5 auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Befeuchtermodu len 6 angeordnet sind, wobei die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplat ten 5 durch die Zugstangen 7 verspannt werden. Eine andere Verbindung der Endplatten 5 anstelle der Zugstangen 7 durch Ausnutzung beispielswei se von Bändern ist gleichfalls denkbar.
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 die beiden Medien sich nur hinsichtlich ihres Feuchtegehalts unterscheiden, aber stofflich in der Regel Luft vorliegt. Gene rell besteht aber die Möglichkeit, dass die Medienanschlüsse 8 für eines der Medien gemeinsam auf einer der Endplatten 5 oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 angeordnet sind und dass die Medienanschlüsse 8 für das an dere Medium gemeinsam auf derselben oder der anderen Endplatte wie die Medienanschlüsse 8 für das erste Medium oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 mit invertierter Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zu fuhr 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 Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom möglich ist.
In der Figur 1 ist der Aufbau eines einzelnen Befeuchtermoduls 6 dargestellt. Dabei ist beidseits der Membran 9 jeweils ein durch Abstandhalter 11 defi niertes Flussfeld angeordnet. Die Abstandshalter 11 sind dabei durch ein in die Membran 9 eingenähtes Garn 13 gebildet, welches der Membran 9 eine Art Skelettstruktur verleiht. In Figur 1 sind in die Membran 9 eine Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden Reihen an Garn 13 eingenäht, die die das Flussfeld definierenden Abstandshalter 11 bilden.
Darüber hinaus ist umfangsseitig in einen Randbereich 23 der Membran 9 ein weiteres Garn 22 eingenäht oder auf den Randbereich 23 aufgebracht. Dies ermöglicht eine umfangsseitige Abdichtung des Befeuchtermoduls 6. Insbesondere wenn das weitere Garn 22 als ein Elastomer gebildet ist wird diese zusätzliche Dichtwirkung beim Anziehen bzw. Verspannen des weite ren Garns 22 erzielt.
In den Figuren 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der in die Membran 9 eingenähten oder der auf die Membran 9 aufgebrachten Garne 13 gezeigt. In Figur 3 ist das Garn 13 dabei derart durch die Membran 9 ge führt, dass mindestens ein Garnoberteil 14 auf einer ersten Seite 16 und mindestens ein Garnunterteil 15 auf einer zweiten Seite 17 der Membran 9 angeordnet ist. Die Garnoberteile 14 und die Garnunterteile 15 sind folglich als eine Mehrzahl von Schlaufen gebildet. Zwischen den Garnoberteilen 14 und den Garnunterteilen 15 ist das Flussfeld angeordnet, so dass die Garn oberteile 14 und die Garnunterteile 15 jeweils Abstandshalter 11 bilden. Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Flussfeld zusätz lich abgedichtet wird. Dazu wird ein zusätzliches Garn 18 auf die Garnober teile 14 und auf die Garnunterteile 15 derart gelegt, dass das zusätzliche Garn 18 zumindest abschnittsweise auf dem Garn 13, oder auf den Garn oberteilen 14 oder den Garnunterteilen 15 aufliegt. An diesen als Auflage punkte gebildeten Knotenpunkten 19 kann das zusätzliche Garn 18 mit dem Garn 13 mittels Wärmeeinwirkung verschmolzen werden, wenn entweder das zusätzliche Garn 18 oder das Garn 13 oder beide aus einem thermo plastischen Material gebildet sind. Dabei weist das zusätzliche Garn 18 be vorzugt einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Garn 13. Zumindest das zusätzliche Garn 18 ist dabei als ein Thermoplast gebildet. Das aus einem synthetischen Material, oder aus Baumwolle oder aus Hanf oder aus Wolle oder ähnlichem gebildete Garn 13 weist eine Dochtwirkung auf, so dass Flüssigkeit aus dem Flussfeld durch das Garn 13 aufgenommen und zumin dest zweitweise in diesem gespeichert werden kann, wobei der Transport der Flüssigkeit von der feuchten Seite der Membran 9 zur trockenen Seite der Membran 9 durch den Dochteffekt des Garns 13 begünstigt wird. Das durch die Membran 9 geführte Garn 13 mit Dochteffekt bildet also eine Flüssig keitsbrücke an jedem Durchtritt durch die Membran 9 aus.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich von dem vor hergehenden dadurch unterscheidet, dass das zusätzliche Garn 18 ebenfalls in die Membran 9 eingenäht ist und somit derart durch die Membran 9 ge führt ist, dass ein oder mehrere der Garnoberteile 14 und/oder ein oder meh rere der Garnunterteile 15 an Knotenpunkten 19 miteinander verbunden sind. Diese Knotenpunkte 19 oder einzelne der Knotenpunkte 19 können mittels Wärmeeinwirkung miteinander verschmolzen werden, um das Flussfeld ab zudichten.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Befeuchtermoduls 6, wo bei das Garn 13 als ein Oberfaden 20 gebildet ist, während das zusätzliche Garn 18 als ein Unterfaden 21 gebildet ist. Der Oberfaden 20 und der Unter faden 21 werden wie bei einem Steppstich in die Membran 9 genäht, so dass eine Oberfadenschlaufe des Oberfadens 20 mit dem Unterfaden 21 zu einem Knotenpunkt 19 verwoben ist. Diese Knotenpunkte 19 können wiederum mit tels Wärmeeinwirkung verschmolzen werden, um eine zusätzliche Dichtwir kung zu erzielen.
Das Verfahren zur Herstellung des Befeuchtermoduls 6 umfasst insbesonde re die folgenden Schritte: Zunächst wird eine Membran 9 bereitgestellt. Ein Garn 13 wird in die Membran 9 derart eingenäht, dass das Garn 13 mindes tens zwei ein Flussfeld definierende Abstandshalter 11 bildet. Alternativ kann das Garn 13 auf die Membran 6 derart aufgebracht werden, dass das Garn 13 mindestens zwei das Flussfeld definierende Abstandshalter 11 bildet. Das Aufbringen kann beispielsweise mittels 3-D Druckverfahren erfolgen.
Das Einnähen des Garns 13 in die Membran 9 oder das Aufbringen des Garns 13 auf die Membran 9 erfolgt dabei in einer Mehrzahl von parallel zu einander verlaufenden Reihen. Dies ermöglicht es, ein besonders großes Flussfeld zu erzeugen. Weiterhin können, um eine Dichtwirkung zu erzielen, die Garnoberteile 14 und die Garnunterteile 15 an den Knotenpunkten 19 mit dem zusätzlichen Garn 18 verschmolzen werden. Alternativ können auch die durch Verweben des Oberfadens 20 mit dem Unterfaden 21 erzeugten Kno tenpunkte 19 mittels Wärmeeinwirkung verschmolzen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest abschnittsweise umfangseitig ein weiteres Garn 22 in den Randbereich 23 der Membran 9 eingenäht werden. Dies ermöglicht eine zusätzliche außenumfangseitige Abdichtung des Be feuchtermoduls 6.
Das Verfahren zur Herstellung des Befeuchters 4 umfasst insbesondere die folgenden Schritte: Zunächst wird eine Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 bereitgestellt. Mittels Wärmeeinwirkung werden die Befeuchtermodule 6 mit einander verschmolzen. Dadurch werden die Befeuchtermodule 6 nach au ßen abgedichtet. Weiterhin werden die Mehrzahl von miteinander ver schmolzenen Befeuchtermodulen 6 zwischen den zwei Endplatten 5 ange ordnet. Mittels der Zugstangen 7 werden die Befeuchtermodule mit den End platten 5 schließlich verspannt. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Ver- schmelzen der Knotenpunkte 19 oder der einzelnen Garne 13, 18, 22 auch durch die bloße Verspannung der Endplatten 5 hervorgerufen werden kann. Dies entspricht also einer Kaltumformung der Garne 13, 18, 22 oder der durch sie gebildeten Knotenpunkte 19.
BEZUGSZEICHENLISTE
1. Brennstoffzellenvorrichtung
4. Befeuchter
5. Endplatten
6. Befeuchtermodul
7. Zugstangen
8. Medienanschlüsse
9. Membran
11. Abstandshalter
13. Garn
14. Garnoberteil
15. Garnunterteil
16. erste Seite
17. zweite Seite
18. zusätzliches Garn
19. Knotenpunkt
20. Oberfaden
21. Unterfaden
22. weiteres Garn
23. Randbereich

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Befeuchtermodul (6) mit einer wasserdampfdurchlässigen Membran (9), mit beidseits der Membran (9) angeordneten jeweils ein Flussfeld definierenden Abstandshaltern (11 ) und mit einem in die Membran (9) eingenähten Garn (13), dadurch gekennzeichnet, dass die das Fluss feld definierenden Abstandshalter (11 ) durch das in die Membran (9) eingenähte Garn (13) gebildet sind.
2. Befeuchtermodul (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Garn (13) durch die Membran (9) derart geführt ist, dass mindes tens ein Garnoberteil (14) auf einer ersten Seite (16) der Membran (9) und mindestens ein Garnunterteil (15) auf einer zweiten Seite (17) der Membran (9) angeordnet ist.
3. Befeuchtermodul (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Garn (13) oder ein zusätzliches Garn (18) durch die Membran (9) derart geführt ist, dass ein oder mehrere der Garnoberteile (14) und/oder ein oder mehrere der Garnunterteile (15) an Knotenpunkten
(19) miteinander verbunden sind.
4. Befeuchtermodul (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Garn (13) als ein Oberfaden (20) gebildet ist, dass ein zusätzli- ches Garn (18) als ein Unterfaden (21 ) gebildet ist und dass der Ober faden (20) mit dem Unterfaden (21 ) an mindestens einem Knoten punkt (19) miteinander verbunden oder verwoben ist.
5. Befeuchtermodul (6) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich- net, dass das Garn (13) und/oder das zusätzliche Garn (18) aus ei nem thermoplastischen Material gebildet ist, und dass zur Ausbildung einer Dichtung zumindest einzelne der Knotenpunkte (19) mittels Wärmeeinwirkung verschmelzbar sind.
6. Befeuchtermodul (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Garn (13) und das zusätzliche Garn (18) unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. 7. Befeuchtermodul (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass ein weiteres Garn (22) zumindest teilweise um fangsseitig in einen Randbereich (23) der Membran (9) eingenäht oder auf den Randbereich (23) aufgebracht sind. 8. Befeuchter (4) mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Endplatten (5) angeordneten Befeuchtermodulen (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zur Herstellung eines Befeuchtermoduls (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Membran (9) und
Einnähen eines Garns (13) in oder Aufbringen eines Garns (13) auf die Membran (9) derart, dass das Garn (13) einen ein Flussfeld definierenden Abstandshalter (11 ) bildet.
10. Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (4) nach Anspruch 8, um fassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen von einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen (6), Verschmelzen der Befeuchtermodule (6) miteinander durch Wärmeeinwirkung,
Anordnen der Mehrzahl von verschmolzenen Befeuchtermodu len (6) zwischen zwei Endplatten (5) und
Verspannen der Befeuchtermodule (6) mit den Endplatten (5) mittels Zugstangen (7).
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