WO2021058283A1 - Kathodenluft-subsystem und ein kathodenluft-system - Google Patents

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WO2021058283A1
WO2021058283A1 PCT/EP2020/075221 EP2020075221W WO2021058283A1 WO 2021058283 A1 WO2021058283 A1 WO 2021058283A1 EP 2020075221 W EP2020075221 W EP 2020075221W WO 2021058283 A1 WO2021058283 A1 WO 2021058283A1
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air
cathode
housing
membrane humidifier
separator
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PCT/EP2020/075221
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Swen-Juri Bauer
Stefan Dieterich-Levin
Aleksandar Radlovic
Lukas Schikora
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Mahle International Gmbh
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    • 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

  • the invention relates to a cathode air subsystem for a cathode air system according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to the cathode air system with said cathode air subsystem.
  • a fuel cell generates electrical energy from the chemical reaction between a fuel and an oxidizing agent and can be used, for example, to supply energy to a motor vehicle.
  • Hydrogen for example, can be used as fuel and oxygen from air, for example, can be used as the oxidizing agent.
  • Cathode air systems are provided for supplying the cathode of the fuel cell with air and are already known from the prior art. When air is supplied to the cathode, it is filtered in an air filter, compressed in a charger, cooled in a cooler, humidified in a humidifier and then fed to the cathode. At the cathode, oxygen is withdrawn from the air for the chemical reaction and the water that forms during the chemical reaction is absorbed by the air.
  • the humid air is then passed back into the humidifier in order to humidify air flowing to the cathode.
  • the air can then be directed outside from the humidifier.
  • the humidifier can also have one or more water separators that separate the excess water from the air.
  • the cathode air system has several components and therefore requires a lot of space.
  • the object of the invention is therefore to provide a cathode air subsystem for a cathode air system in an improved or at least alternative embodiment in which the disadvantages described are overcome.
  • the cathode air subsystem and thereby also the cathode air system should be constructed in a way that saves space and is simplified.
  • a cathode air subsystem is provided for a cathode air system for conducting air to and from a cathode of a fuel cell for a motor vehicle.
  • the cathode air subsystem includes an air filter that is designed to filter raw air and to convey filtered air.
  • the cathode air subsystem comprises a membrane humidifier with an inlet path and with an outlet path. The inflow path is for the supply of filtered and optionally compressed and optionally cooled air to the cathode and the outflow path is provided for discharging moist air from the cathode.
  • the membrane humidifier is also designed to humidify filtered air in the inlet path with moist air in the outlet path. lays.
  • the cathode air subsystem is a separate structural unit. In the separate structural unit according to the invention, the air filter and the membrane humidifier are combined and accommodated in a common housing separated from one another in airtight manner.
  • the air filter and the membrane humidifier are combined in the unit. These have similar temperature requirements, so that no complex thermal decoupling is necessary and the housing of the structural unit can be constructed in a simplified manner.
  • the membrane humidifier is connected downstream of the air filter, which does not exclude the possibility of additional components, such as a charger or a cooler, between the air filter and the membrane humidifier.
  • additional components such as a charger or a cooler
  • components of the cathode air system that do not follow one another directly in the direction of flow are summarized in the structural unit.
  • several interfaces can be provided on the housing of the structural unit, via which the structural unit can be interconnected with these components and with other components to form the cathode air system.
  • air filter is airtight separated from the membrane humidifier within the housing, so that switching on additional components between the air filter and the membrane humidifier has no effect on the function of the cathode air subsystem and the cathode air system.
  • a wall can be provided, for example, which separates the air filter from the membrane humidifier in an airtight manner.
  • the air filter comprises a filter body made of a filter material, the filter body being received directly in the housing of the structural unit.
  • the air filter does not have a separate filter housing.
  • the filter housing of the air filter is mapped through the housing of the unit.
  • the air filter can be designed in a manner known to a person skilled in the art and fixed in the housing.
  • the filter body can be designed as desired and, for example, be round, plate or horseshoe-shaped.
  • the air filter filters out particles and chemical pollutants from air that appropriately flows from the environment to the air filter.
  • a raw air inlet and a clean air outlet, which are separated from one another by the air filter or filter body, can be formed on the housing.
  • Air from the environment can then flow in via the raw air inlet to the air filter, and filtered air can be passed on from the clean air outlet via further components to the cathode.
  • the raw air inlet can be arranged directly adjacent to a vehicle front or, alternatively, be connected to it via a raw air line.
  • the membrane humidifier has a membrane body or a humidifier stack, via which the filtered air in the inlet path is humidified with moist air in the outlet path. In other words, moisture is transferred from moist air into the filtered air within the membrane humidifier.
  • the humidification of filtered air is provided to improve properties of a separating membrane between the cathode and an anode within the fuel cell.
  • the membrane body is received directly in the housing of the structural unit.
  • the membrane humidifier does not have a separate humidifier housing.
  • the humidifier housing of the membrane humidifier is represented by the housing of the structural unit.
  • the membrane humidifier can be designed in a manner known to the person skilled in the art.
  • An inlet inlet and an inlet outlet for the inlet path of the membrane humidifier as well as an outlet inlet and an outlet outlet for the outlet path of the membrane humidifier can be formed on the housing of the structural unit.
  • Filtered air can enter the inlet path via the inlet inlet and passed on via the inlet outlet from the inlet path to the cathode.
  • Moist air can be conducted from the cathode into the drainage path via the drainage inlet and out of the drainage path via the drainage outlet.
  • the housing is molded from plastic.
  • the housing has a temperature resistance of less than or equal to 100 ° C. and an absolute pressure resistance of less than or equal to 3 bar.
  • the housing can therefore be constructed in a cost-effective and simplified manner. This is possible in particular because components with similar temperature requirements are combined in the structural unit.
  • the housing can have a filter chamber and a humidifier chamber, which are separated from one another in an airtight manner by a partition formed in one piece with the housing.
  • the air filter is then in the Fil terhunt and the membrane humidifier is then added to the humidifier chamber separated from each other airtight.
  • the housing can have different properties in the area of the filter chamber and in the area of the humidifier chamber, such as different wall thicknesses.
  • the humidification chamber has a differential pressure resistance of less than or equal to 2 bar.
  • a removal opening through which the air filter can be removed can advantageously be formed on the housing.
  • the housing then has a housing cover that closes the removal opening airtight. When maintenance is required, the air filter can be replaced via the removal opening, which significantly simplifies maintenance of the cathode air subsystem. If the housing has the filter chamber and the humidification chamber as described above, the removal opening leads into the filter chamber of the housing and the air filter can be removed from the filter chamber through the removal opening.
  • a further removal opening can advantageously be formed on the housing, through which the membrane humidifier or the membrane body can be removed.
  • the housing then has a further housing cover which closes the further removal opening in an airtight manner.
  • the membrane humidifier or the membrane body can be exchanged via the further removal opening, as a result of which maintenance of the cathode air subsystem is significantly simplified. If the housing has the filter chamber and the humidification chamber as described above, the further removal opening leads into the humidification chamber of the housing and the membrane humidifier or the membrane body can be removed from the humidification chamber through the additional removal opening.
  • the membrane humidifier in an advantageous embodiment, provision is made for the membrane humidifier to have a coarse water separator and / or a fine water separator.
  • the coarse water separator and / or the fine water separator are part of the membrane humidifier and therefore also part of the structural unit.
  • the coarse water separator and / or the fine water separator are arranged in the housing of the assembly and taken from this on.
  • the coarse water separator is intended to separate coarse-dispersed water or large water droplets from moist air and is connected upstream of the drainage path.
  • the coarse water separator can partially separate water from moist air downstream of the cathode, thereby protecting a membrane of the membrane humidifier.
  • the coarse water separator has a water outlet through which the separated water can be drained out of the coarse water separator.
  • the fine water separator is intended to separate finely dispersed water or small water droplets from moist air and is the drainage path downstream. As a result, remaining water after the humidification of filtered air can be separated in the feed path. Dehumidified air can then be fed to a charger of the cathode air system, which can use it as a drive volume flow. The loader can consequently be protected by the fine water separator.
  • the fine water separator has a water outlet through which the separated water can be discharged from the fine water separator to the outside.
  • a coarse separator opening for mounting the coarse water separator can be provided in the housing.
  • the coarse water separator is then attached to a coarse separator piece or connection piece, the coarse separator piece closing the coarse separator opening in the housing in an airtight manner.
  • the coarse separator piece can then be screwed to the housing, welded ver or set airtight in some other way.
  • the inflow outlet of the inflow path and the outflow inlet of the outflow path can be formed on the coarse separator piece.
  • the inlet outlet then appropriately leads directly to the inlet path and the outlet inlet then appropriately leads via the coarse water separator to the outlet path.
  • a fine separator opening for mounting the fine water separator can be provided in the housing.
  • the fine water separator is then attached to a fine separator piece or connection piece, the fine separator piece closing the fine separator opening in the housing in an airtight manner.
  • the fine water separator is then accommodated in the housing of the structural unit.
  • the fine separator piece can then be screwed to the housing, welded ver or set airtight in some other way.
  • the inflow inlet of the inflow path and the outflow outlet of the outflow path can be formed on the fine separator.
  • the drain outlet then appropriately leads via the fine water separator to the drain path and the inlet inlet then appropriately leads directly to the inlet path.
  • the membrane humidifier is arranged in the housing such that it can be removed through the coarse separator opening and / or through the fine separator opening.
  • the assembly of the cathode air subsystem can be significantly simplified. If the housing is separated by the partition wall into the filter chamber and the humidifier chamber, then the coarse separator opening and / or the fine separator opening lead into the humidifier chamber of the housing.
  • connection piece is formed on the outside of the housing.
  • One or more sensors can be attached to the connecting piece. At least one of these sensors is connected downstream of the air filter and is an air mass measuring sensor, preferably a hot film air mass measuring sensor.
  • the cathode air subsystem can advantageously have a resonance range for sound dampening.
  • the resonance region can be integrally formed within the housing and arranged in the housing directly adjacent to the air filter. Due to the resonance range, the sound can are attenuated, which can arise when air is sucked in from the environment or when it flows through the structural unit. If the housing has the filter chamber described above, the resonance region is expediently formed in the filter chamber.
  • the invention also relates to a cathode air system for conveying air to and from a cathode of a fuel cell for a motor vehicle.
  • the cathode air system comprises a fuel cell with a cathode for driving the motor vehicle, a charger, a cooler and the cathode air subsystem described above.
  • the charger is connected downstream of the air filter so that filtered air from the air filter flows directly to the charger and can be compressed in it.
  • the cooler is connected downstream of the charger, so that filtered air from the charger can flow directly to the cooler and can be cooled in it.
  • the inlet path of the membrane humidifier is connected downstream of the cooler, so that filtered air from the cooler flows directly into the inlet path and can be humidified in it.
  • the cathode is connected downstream of the inlet path of the membrane humidifier, so that humidified air can flow from the inlet path directly to the cathode.
  • the drainage path of the membrane humidifier is connected downstream of the cathode, so that moist air can flow from the cathode directly or via a coarse water separator of the membrane humidifier into the drainage path and humidify filtered air in the inlet path.
  • the drainage path of the membrane humidifier can advantageously lead to the outside, so that air after the membrane humidifier can be diverted to the outside. With this structure of the cathode air system, no fine water separator has to be provided.
  • the charger can be connected downstream of the drainage path of the membrane humidifier or a fine water separator of the membrane humidifier, so that air after the membrane humidifier can be fed to the charger as a drive volume flow.
  • FIG. 1 shows a view of a cathode air system according to the invention with a cathode air subsystem according to the invention
  • Fig. 2 is an exploded view of the cathode air according to the invention
  • FIG. 3 is a view of the cathode air subsystem shown in FIG.
  • the cathode air system 1 shows a purely schematic view of a cathode air system 1 according to the invention for a motor vehicle.
  • the cathode air system 1 comprises a cathode air subsystem 10 according to the invention with an air filter 2 and with a membrane humidifier 3.
  • the cathode air subsystem 10 is a separate structural unit 10a.
  • the air filter 2 and the membrane Ranbumfeuchter 3 summarized and received in a common housing 4 of the structural unit 10a.
  • the housing 4 is shown here with a dotted line.
  • the air filter 2 and the membrane humidifier 3 are separated airtight from one another, for which purpose a partition 16 is formed in tegral on the housing 4.
  • the partition 16 separates the housing 4 in an airtight manner into a filter chamber 4a with the air filter 2 and a humidifier chamber 4b with the membrane humidifier 3.
  • the cathode air system 1 further comprises a La der 5, a cooler 6 and a fuel cell 7.
  • the membrane humidifier 3 comprises a membrane body 24, a coarse water separator 8 and a fine water separator 9, which are therefore part of the unit 10a.
  • the fuel cell 7 has a cathode 11, an anode 12 and a separation membrane 13, which are shown here purely schematically with broken lines.
  • the cathode air system 1 according to the invention is designed to conduct air to and from the cathode 11. The direction of air flow is indicated by arrows.
  • the air filter 2 of the structural unit 10a is designed for filtering raw air and for passing on filtered air.
  • Raw air flows from the environment to the air filter 2 via a raw air inlet 2a of the air filter 2 and filtered air flows on to the charger 5 via a clean air outlet 2b.
  • filtered air is compressed and passed on to the cooler 6.
  • filtered air is cooled and flows to the membrane humidifier 3 of the assembly 10a.
  • the membrane humidifier 3 comprises an inlet path 14 within the membrane body 24 in which filtered air is humidified. In this case, filtered air flows from the cooler 6 via an inlet inlet 14a into the inlet path 14 and humidified air flows out of the inlet path 14 via an inlet outlet 14b.
  • the inlet path 14 of the membrane humidifier 3 is followed by the cathode 11, so that humidified air flows from the membrane humidifier 3 directly to the cathode 11 of the fuel cell 7.
  • the membrane humidifier 3 comprises a drainage path 15 within the membrane body 24, which the coarse water separator 8 connects upstream and the Fine water separator 9 is connected downstream. Moist air from the cathode 11 now flows through an outlet inlet 15a to the coarse water separator 8 and is partially drained in this. The separated water is passed through a water drain 8a of the coarse water separator 8 to the outside. After the coarse water separator 8, moist air flows through the drainage path 15 and humidifies filtered air in the inlet path 14. After the drainage path 15, moist air flows through the fine water separator 9 and is additionally dehydrated.
  • the separated water is discharged to the outside via a water drain 9a of the fine water separator 9.
  • a humidifier bypass line 27 is provided in the membrane humidifier 3, which fluidly connects the inlet inlet 14a and the inlet outlet 14b and thereby bypasses the inlet path 14 in the membrane humidifier 3.
  • the humidifier bypass line 27 is connected to the inlet path 14 of the humidifier Membranbe 3 in parallel. If no humidification or excessive humidification of filtered air is necessary, then all of the filtered air or only part of the filtered air can be passed through the humidifier bypass line 27 and thus not be humidified.
  • a cell Bypass line 28 is provided, which fluidly connects the inlet path 14 at the inlet outlet 14b and the outlet path 15 at the outlet inlet 15a and bypasses the fuel cell 7.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the cathode air subsystem 10 according to the invention.
  • FIG. 3 shows a view of the cathode air subsystem 10 shown in FIG shown or configured differently.
  • the cathode air subsystem 10 is here the separate structural unit 10a, which comprises the air filter 2 and the membrane humidifier 3.
  • the air filter 2 and the membrane humidifier 3, which have similar temperature requirements, are combined in the structural unit 10a.
  • the housing 4 of the structural unit 10a can be of simplified construction.
  • the housing 4 can, for example, be formed from plastic and have a temperature resistance of less than or equal to 100 ° C. and an absolute pressure resistance of less than or equal to 3 bar.
  • the air filter 2 is shown here by an annular filter body made of a Filterma material and does not have a separate airtight filter housing.
  • the air filter 2 is accommodated in the filter chamber 4a and separates the tubular air inlet 2a and the clean air outlet 2b from one another within the filter chamber 4a.
  • the pipe air inlet 2a and the clean air outlet 2b are here as a nozzle on the device housing 4 of the structural unit 10a formed.
  • the raw air inlet 2a can be arranged directly adjacent to a vehicle front or, alternatively, can be connected to it via a raw air line.
  • a resonance region 17 for sound absorption is also integrally formed on the housing 4.
  • the resonance region 17 is arranged directly adjacent to the air filter 2.
  • a removal opening 18 is formed in the housing 4, which leads into the filter chamber 4 a and can be closed with a housing cover 19. Via the removal opening 18, the air filter 2 can be inserted into the filter chamber 4a or removed from it.
  • a connecting piece 20 is also formed on the clean outlet 2b.
  • a sensor 21 - here air mass measurement sensor - is fixed on the connecting piece 20. This is intended to record the air mass flow of filtered air.
  • the resonance region 17 is formed on the housing 4, facing away from the connecting piece 20.
  • the air filter 2 is arranged here between the resonance region 17 and the connecting piece 20.
  • the Resonanzbe rich 17 can also be formed or integrated directly in front of the connecting piece 20.
  • the membrane humidifier 3 is arranged in the humidifier chamber 4b of the housing 4.
  • a coarse separator opening 22 and a fine separator opening 23 are formed, which lead into the humidification chamber 4b.
  • the membrane body 24 can here via the coarse separator opening 22 - as shown in Fig. 2 - or alternatively via the fine separator opening 23 in the housing 4 must be mounted.
  • the coarse water separator 8 is mounted in the housing 4 via the coarse separator opening 22.
  • the coarse water separator 8 is fixed to a coarse separator piece 25 or to a connection piece which closes the coarse separator opening 22 in an airtight manner.
  • On the coarse separator piece 25 are the The inlet outlet 14b of the inlet path 14 and the outlet inlet 15a of the outlet path 15 are designed as nozzles.
  • the inlet outlet 14b expediently leads directly to the inlet path 14 and the outlet inlet 15a then appropriately leads via the coarse water separator 8 to the outlet path 15.
  • the fine water separator 9 is mounted via the fine separator opening 23 in the housing 4 and a fine separator piece 26 or a connection piece closes the fine separator opening 23 airtight.
  • the fine water separator 9 is then attached to the fine separator piece 26.
  • the inlet inlet 14a of the inlet path 14 and the outlet outlet 15b of the outlet path 15 are designed as nozzles.
  • the drain outlet 15b expediently leads via the fine water separator 9 to the drainage path 15 and the inflow inlet 14a then appropriately leads directly to the inflow path 14.
  • the solution according to the invention forms an integral structural unit 10a which combines several functions such as filtering, humidifying and separating water.
  • the air filter 2 is easily accessible Lich arranged, which significantly simplifies the maintenance of the assembly 10a. Furthermore, the number of interfaces is reduced, which further simplifies the assembly of the structural unit 10a.
  • the air filter 2 lies above the membrane humidifier 3, whereby the structural unit 10a advantageously has a low center of gravity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kathodenluft-Subsystem (10) für ein Kathodenluft- System (1) zum Leiten von Luft zu und von einer Kathode (11) einer Brennstoffzelle (7) für ein Kraftfahrzeug. Das Kathodenluft-Subsystem (10) umfasst ein Luftfilter (2), das zum Filtern von roher Luft und zum Weiterleiten von gefilterter Luft ausgelegt ist. Das Kathodenluft-Subsystem (10) umfasst einen Membranbefeuchter (3) mit einem Zulaufpfad (14) und mit einem Ablaufpfad (15), wobei der Zulaufpfad (14) zum Zuleiten von gefilterter Luft zur Kathode (11) und der Ablaufpfad (15) zum Ableiten von feuchter Luft von der Kathode (11) vorgesehen sind. Der Membranbefeuchter (3) ist zum Befeuchten von gefilterter Luft in dem Zulaufpfad (14) mit feuchter Luft in dem Ablaufpfad (15) ausgelegt. Erfindungsgemäß ist das Kathodenluft-Subsystem (10) eine separate Baueinheit (10a), in der das Luftfilter (2) und der Membranbefeuchter (3) zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse (4) luftdicht voneinander getrennt aufgenommen sind. Die Erfindung betrifft auch das Kathodenluft-System (1).

Description

Kathoden luft-Subsystem und ein Kathodenluft-System
Die Erfindung betrifft ein Kathodenluft-Subsystem für ein Kathodenluft-System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch das Katho- denluft-System mit dem genannten Kathodenluft-Subsystem.
Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie aus der chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel und kann beispielweise zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Als Brennstoff kann beispielweise Wasserstoff und als Oxidationsmittel kann beispielweise Sau erstoff aus Luft verwendet werden. Kathodenluft-Systeme sind zur Versorgung der Kathode der Brennstoffzelle mit Luft vorgesehen und sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Beim Zuführen von Luft zur Kathode wird diese in einem Luftfilter gefiltert, in einem Lader komprimiert, in einem Kühler gekühlt, in einem Befeuchter befeuchtet und anschließend zur Kathode geführt. An der Kathode wird aus der Luft Sauerstoff für die chemische Reaktion entzogen und bei der chemischen Reaktion entstehendes Wasser von der Luft aufgenommen. Von der Kathode wird dann die feuchte Luft erneut in den Befeuchter geleitet, um zur Ka thode strömende Luft zu befeuchten. Aus dem Befeuchter kann dann die Luft nach außen geleitet werden. Der Befeuchter kann zudem einen oder mehrere Wasserabscheider aufweisen, die das überschüssige Wasser aus der Luft ab scheiden. Das Kathodenluft-System weist mehrere Komponenten und daher ei nen hohen Bauraumbedarf auf.
Von der Fachwelt wird insbesondere in der Automobilindustrie eine Reduktion des Bauraumbedarfs angestrebt. Nachteiligerweise ist eine bauraumsparende Anordnung der einzelnen Komponenten des Kathodenluft-Systems schwer zu erreichen. Insbesondere sind einzelne Komponenten aus unterschiedlichen Ma terialien und haben zudem unterschiedliche Temperaturanforderungen bzw. Ar- beitstemperaturen. Aus DE 202013009357 A1 ist beispielweise ein Kathoden- luft-System bekannt, bei dem der Kühler und der Befeuchter in einem Kathoden- luft-Subsystem zusammengefasst sind. Weiteres derartiges Zusammenführen einander in Strömungsrichtung folgenden Komponenten ist jedoch aufgrund der notwendigen thermischen Entkopplung sehr aufwändig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kathodenluft-Subsystem für ein Ka- thodenluft-System in einer verbesserten oder zumindest alternativen Ausfüh rungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere sollen das Kathodenluft-Subsystem und dadurch auch das Katho- denluft-System an sich bauraumsparend und vereinfacht aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhän gigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Ka- thodenluft-System Komponenten mit ähnlichen Temperaturanforderungen unab hängig von deren Strömungsreihenfolge zu einem Kathodenluft-Subsystem zu sammenzufassen. Ein Kathodenluft-Subsystem ist für ein Kathodenluft-System zum Leiten von Luft zu und von einer Kathode einer Brennstoffzelle für ein Kraft fahrzeug vorgesehen. Das Kathodenluft-Subsystem umfasst dabei ein Luftfilter, das zum Filtern von roher Luft und zum Weiterleiten von gefilterter Luft ausgelegt ist. Ferner umfasst das Kathodenluft-Subsystem einen Membranbefeuchter mit einem Zulaufpfad und mit einem Ablaufpfad. Der Zulaufpfad ist dabei zum Zulei ten von gefilterter und gegebenenfalls komprimierter und gegebenenfalls gekühl ter Luft zur Kathode und der Ablaufpfad ist zum Ableiten von feuchter Luft aus der Kathode vorgesehen. Der Membranbefeuchter ist zudem zum Befeuchten von gefilterter Luft in dem Zulaufpfad mit feuchter Luft in dem Ablaufpfad ausge- legt. Erfindungsgemäß ist das Kathodenluft-Subsystem eine separate Baueinheit. In der erfindungsgemäßen separaten Baueinheit sind das Luftfilter und der Membranbefeuchter zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse luftdicht voneinander getrennt aufgenommen.
In der Baueinheit sind das Luftfilter und der Membranbefeuchter zusammenge fasst. Diese weisen ähnliche Temperaturanforderungen auf, so dass keine auf wändige thermische Entkopplung notwendig ist und das Gehäuse der Baueinheit vereinfacht aufgebaut sein kann. In dem Kathodenluft-System ist der Membran befeuchter dem Luftfilter nachgeschaltet, wobei dadurch ein Zuschalten weiterer Komponenten - wie beispielsweise eines Laders oder eines Kühlers - zwischen dem Luftfilter und dem Membranbefeuchter nicht ausgeschlossen ist. Mit anderen Worten sind in der Baueinheit Komponenten des Kathodenluft-Systems zusam mengefasst, die in Strömungsrichtung nicht unmittelbar einander folgen. Zum Zuschalten weiterer Komponenten können an dem Gehäuse der Baueinheit meh rere Schnittstellen vorgesehen sein, über die die Baueinheit mit diesen Kompo nenten und mit weiteren Komponenten zu dem Kathodenluft-System verschaltet werden kann. Es versteht sich dabei, dass alle Komponenten des Kathodenluft- Subsystems und auch des Kathodenluft-Systems von Luft durchströmbar sind. Das Luftfilter ist dabei innerhalb des Gehäuses luftdicht von dem Membranbe feuchter getrennt, so dass ein Zuschalten weiterer Komponenten zwischen dem Luftfilter und dem Membranbefeuchter keine Auswirkungen auf die Funktion des Kathodenluft-Subsystems und auch des Kathodenluft-Systems hat. Dazu kann beispielweise eine Wand vorgesehen sein, die das Luftfilter von dem Membran befeuchter luftdicht trennt.
Das Luftfilter umfasst dabei einen Filterkörper aus einem Filtermaterial, wobei der Filterkörper unmittelbar in dem Gehäuse der Baueinheit aufgenommen ist. Mit anderen Worten weist das Luftfilter kein separates Filtergehäuse auf. Anders formuliert, ist das Filtergehäuse des Luftfilters durch das Gehäuse der Baueinheit abgebildet. Im Übrigen kann das Luftfilter auf eine dem Fachmann bekannte Weise ausgebildet und in dem Gehäuse festgelegt sein. Der Filterkörper kann beliebig ausgestaltet sein und beispielweise rund-, platten- oder hufeisenförmig sein. Das Luftfilter filtert Partikel und chemische Schadstoffe aus Luft aus, die zweckgemäß aus Umgebung zu dem Luftfilter zuströmt. An dem Gehäuse kön nen ein Rohlufteinlass und ein Reinluftauslass ausgebildet sein, die voneinander durch das Luftfilter bzw. Filterkörper getrennt sind. Über den Rohlufteinlass kann dann Luft aus Umgebung zu dem Luftfilter Zuströmen und von dem Reinluftaus lass kann gefilterte Luft über weitere Komponenten zu der Kathode weitergeleitet werden. Der Rohlufteinlass kann dabei zu einer Fahrzeugfront unmittelbar be nachbart angeordnet sein oder alternativ über eine Rohluftleitung mit dieser ver bunden sein.
Der Membranbefeuchter weist einen Membrankörper bzw. einen Befeuchterstack auf, über den gefilterte Luft in dem Zulaufpfad mit feuchter Luft in dem Ablaufpfad befeuchtet wird. Mit anderen Worten wird innerhalb des Membranbefeuchters Feuchtigkeit von feuchter Luft in die gefilterte Luft übertragen. Das Befeuchten gefilterter Luft ist dabei zur Verbesserung von Eigenschaften einer Trennmemb ran zwischen der Kathode und einer Anode innerhalb der Brennstoffzelle vorge sehen. Der Membrankörper ist dabei unmittelbar in dem Gehäuse der Baueinheit aufgenommen. Mit anderen Worten weist der Membranbefeuchter kein separates Befeuchtergehäuse auf. Anders formuliert, ist das Befeuchtergehäuse des Membranbefeuchters durch das Gehäuse der Baueinheit abgebildet. Im Übrigen kann der Membranbefeuchter auf eine dem Fachmann bekannte Weise ausge staltet sein. An dem Gehäuse der Baueinheit können dabei ein Zulaufeinlass und ein Zulaufauslass für den Zulaufpfad des Membranbefeuchters sowie ein Ab laufeinlass und ein Ablaufauslass für den Ablaufpfad des Membranbefeuchters ausgebildet sein. Über den Zulaufeinlass kann gefilterte Luft in den Zulaufpfad geleitet und über den Zulaufauslass aus dem Zulaufpfad zu der Kathode weiter geleitet werden. Über den Ablaufeinlass kann feuchte Luft von der Kathode in den Ablaufpfad und über den Ablaufauslass aus dem Ablaufpfad geleitet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Kathodenluft-Subsystems ist vorgese hen, dass das Gehäuse aus Kunststoff geformt ist. Dabei weist das Gehäuse ei ne Temperaturbeständigkeit kleiner oder gleich 100 °C und eine Absolutdruck- Beständigkeit kleiner oder gleich 3 bar auf. Das Gehäuse kann demnach kosten günstig und vereinfacht aufgebaut sein. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass in der Baueinheit Komponenten mit ähnlichen Temperaturanforderungen zusammengefasst sind.
Vorteilhafterweise kann das Gehäuse eine Filterkammer und eine Befeuchter kammer aufweisen, die durch eine einstückig mit dem Gehäuse ausgebildete Trennwand luftdicht voneinander getrennt sind. Das Luftfilter ist dann in der Fil terkammer und der Membranbefeuchter ist dann in der Befeuchterkammer von einander luftdicht getrennt aufgenommen. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des Gehäuses kann das Gehäuse im Bereich der Filterkammer und im Bereich der Befeuchterkammer unterschiedliche Eigenschaften wie beispielweise unter schiedliche Wandstärke aufweisen. So kann beispielweise vorgesehen sein, dass die Befeuchterkammer eine Differenzdruck-Beständigkeit kleiner oder gleich 2 bar aufweist.
Vorteilhafterweise kann an dem Gehäuse eine Entnahmeöffnung ausgebildet sein, durch die das Luftfilter entnehmbar ist. Das Gehäuse weist dann einen Ge häusedeckel auf, der die Entnahmeöffnung luftdicht verschließt. Über die Ent nahmeöffnung kann das Luftfilter im Wartungsfall ausgetauscht werden, wodurch die Wartung des Kathodenluft-Subsystems deutlich vereinfacht ist. Weist das Gehäuse die Filterkammer und die Befeuchterkammer wie oben beschrieben auf, so führt die Entnahmeöffnung in die Filterkammer des Gehäuses und das Luftfil ter ist aus der Filterkammer durch die Entnahmeöffnung entnehmbar.
Vorteilhafterweise kann am Gehäuse eine weitere Entnahmeöffnung ausgebildet sein, durch die der Membranbefeuchter bzw. der Membrankörper entnehmbar ist. Das Gehäuse weist dann einen weiteren Gehäusedeckel auf, der die weitere Entnahmeöffnung luftdicht verschließt. Über die weitere Entnahmeöffnung kann der Membranbefeuchter bzw. der Membrankörper im Wartungsfall ausgetauscht werden, wodurch die Wartung des Kathodenluft-Subsystems deutlich vereinfacht ist. Weist das Gehäuse die Filterkammer und die Befeuchterkammer wie oben beschrieben auf, so führt die weitere Entnahmeöffnung in die Befeuchterkammer des Gehäuses und der Membranbefeuchter bzw. der Membrankörper ist aus der Befeuchterkammer durch die weitere Entnahmeöffnung entnehmbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kathodenluft-Subsystems ist vorgese hen, dass der Membranbefeuchter einen Grobwasserabscheider und/oder einen Feinwasserabscheider aufweist. Der Grobwasserabscheider und/oder der Fein wasserabscheider sind ein Teil des Membranbefeuchters und dadurch auch ein Teil der Baueinheit. Der Grobwasserabscheider und/oder der Feinwasserab scheider sind in dem Gehäuse der Baueinheit angeordnet und von diesem auf genommen. Der Grobwasserabscheider ist zum Abscheiden von grobdispergier tem Wasser bzw. großen Wassertropfen aus feuchter Luft vorgesehen und ist dem Ablaufpfad vorgeschaltet. Durch den Grobwasserabscheider kann Wasser aus feuchter Luft nach der Kathode teilweise abgeschieden werden und dadurch eine Membran des Membranbefeuchters geschützt werden. Zweckgemäß weist der Grobwasserabscheider einen Wasserablauf auf, durch den abgeschiedenes Wasser aus dem Grobwasserabscheider nach außen abgeleitet werden kann. Der Feinwasserabscheider ist zum Abscheiden von feindispergiertem Wasser bzw. kleinen Wassertropfen aus feuchter Luft vorgesehen und ist dem Ablaufpfad nachgeschaltet. Dadurch kann restliches Wasser nach dem Befeuchten von gefil terter Luft in dem Zulaufpfad abgeschieden werden. Entfeuchtete Luft kann dann anschließend einem Lader des Kathodenluft-System zugeführt werden, der diese als Antriebsvolumenstrom nutzen kann. Durch den Feinwasserabscheider kann folglich der Lader geschützt werden. Zweckgemäß weist der Feinwasserabschei der einen Wasserablauf auf, durch den abgeschiedenes Wasser aus dem Fein wasserabscheider nach außen abgeleitet werden kann.
Weist der Membranbefeuchter den Grobwasserabscheider auf, so kann in dem Gehäuse eine Grobabscheideröffnung zur Montage des Grobwasserabscheiders vorgesehen sein. Der Grobwasserabscheider ist dann an einem Grobabscheider stück bzw. Anschlussstück festgelegt, wobei das Grobabscheiderstück die Gro babscheideröffnung in dem Gehäuse luftdicht verschließt. Es versteht sich, dass der Grobwasserabscheider dann in dem Gehäuse der Baueinheit aufgenommen ist. Das Grobabscheiderstück kann dann mit dem Gehäuse verschraubt, ver schweißt oder auf eine andere Weise luftdicht festgelegt sein. An dem Gro babscheiderstück können dabei der Zulaufauslass des Zulaufpfads und der Ab laufeinlass des Ablaufpfads ausgebildet sein. Der Zulaufauslass führt dann zweckgemäß unmittelbar zu dem Zulaufpfad und der Ablaufeinlass führt dann zweckgemäß über den Grobwasserabscheider zu dem Ablaufpfad. Durch das derart ausgebildete Grobabscheiderstück können dann der Membranbefeuchter und folglich die Baueinheit mit der Kathode der Brennstoffzelle luftleitend verbun den werden.
Weist der Membranbefeuchter den Feinwasserabscheider auf, so kann in dem Gehäuse eine Feinabscheideröffnung zur Montage des Feinwasserabscheiders vorgesehen sein. Der Feinwasserabscheider ist dann an einem Feinabscheider stück bzw. Anschlussstück festgelegt, wobei das Feinabscheiderstück die Fein abscheideröffnung in dem Gehäuse luftdicht verschließt. Es versteht sich, dass der Feinwasserabscheider dann in dem Gehäuse der Baueinheit aufgenommen ist. Das Feinabscheiderstück kann dann mit dem Gehäuse verschraubt, ver schweißt oder auf eine andere Weise luftdicht festgelegt sein. An dem Feinab scheiderstück können dabei der Zulaufeinlass des Zulaufpfads und der Ablauf auslass des Ablaufpfads ausgebildet sein. Der Ablaufauslass führt dann zweck gemäß über den Feinwasserabscheider zu dem Ablaufpfad und der Zulaufeinlass führt dann zweckgemäß unmittelbar zu dem Zulaufpfad. Durch das derart ausge bildete Feinabscheiderstück können dann der Membranbefeuchter und dadurch die Baueinheit mit weiteren Komponenten des Kathodenluft-Systems - wie bei spielsweise einem Kühler oder einem Lader - luftleitend verbunden sein.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Membranbefeuchter in dem Gehäuse durch die Grobabscheideröffnung und/oder durch die Feinabscheider öffnung entnehmbar angeordnet ist. Dadurch kann die Montage des Kathoden- luft-Subsystems deutlich vereinfacht werden. Ist das Gehäuse durch die Trenn wand in die Filterkammer und die Befeuchterkammer getrennt, so führen dann die Grobabscheideröffnung und/oder die Feinabscheideröffnung in die Befeuch terkammer des Gehäuses.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass an dem Gehäuse außenliegend ein Verbindungsstutzen ausgebildet ist. An dem Verbindungsstutzen können da bei ein Sensor oder mehrere Sensoren festgelegt sein. Zumindest einer dieser Sensoren ist dabei dem Luftfilter nachgeschaltet und ist ein Luftmassenmess sensor, vorzugsweise ein Heißfilm-Luftmassenmesssensor.
Vorteilhafterweise kann das Kathodenluft-Subsystem einen Resonanzbereich zur Schalldämpfung aufweisen. Der Resonanzbereich kann dabei innerhalb des Ge häuses integral ausgebildet und in dem Gehäuse zu dem Luftfilter unmittelbar benachbart angeordnet sein. Durch den Resonanzbereich kann der Schall ge- dämpft werden, der beim Ansaugen von Luft aus der Umgebung oder beim Durchströmen dieser durch die Baueinheit entstehen kann. Weist das Gehäuse die oben beschriebene Filterkammer auf, so ist der Resonanzbereich zweckge mäß in der Filterkammer ausgebildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Kathodenluft-System zum Leiten von Luft zu und von einer Kathode einer Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug. Das Kathodenluft- System umfasst eine Brennstoffzelle mit einer Kathode zum Antreiben des Kraft fahrzeugs, einen Lader, einen Kühler und das oben beschriebene Kathodenluft- Subsystem. Der Lader ist dabei dem Luftfilter nachgeschaltet, so dass gefilterte Luft aus dem Luftfilter direkt zu dem Lader strömen und in diesem komprimiert werden kann. Der Kühler ist dem Lader nachgeschaltet, so dass gefilterte Luft aus dem Lader direkt zu dem Kühler strömen und in diesem gekühlt werden kann. Der Zulaufpfad des Membranbefeuchters ist dem Kühler nachgeschaltet, so dass gefilterte Luft aus dem Kühler direkt in den Zulaufpfad Zuströmen und in diesem befeuchtet werden kann. Die Kathode ist dem Zulaufpfad des Membran befeuchters nachgeschaltet, so dass befeuchtete Luft aus dem Zulaufpfad direkt zu der Kathode strömen kann. Der Ablaufpfad des Membranbefeuchters ist der Kathode nachgeschaltet, so dass feuchte Luft von der Kathode direkt oder über einen Grobwasserabscheider des Membranbefeuchters in den Ablaufpfad Zu strömen und gefilterte Luft in dem Zulaufpfad befeuchten kann. Vorteilhafterweise kann der Ablaufpfad des Membranbefeuchters nach außen führen, so dass Luft nach dem Membranbefeuchter nach außen abgeleitet werden kann. Bei diesem Aufbau des Kathodenluft-Systems muss kein Feinwasserabscheider vorgesehen sein. Alternativ dazu kann der Lader dem Ablaufpfad des Membranbefeuchters oder einem Feinwasserabscheider des Membranbefeuchters nachgeschaltet sein, so dass Luft nach dem Membranbefeuchter dem Lader als Antriebsvolu menstrom zugeführt werden kann. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kathodenluft-Systems mit einem erfindungsgemäßen Kathodenluft-Subsystem;
Fig. 2 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Kathodenluft-
Subsystems;
Fig. 3 eine Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Kathodenluft-Subsystems.
Fig. 1 zeigt eine rein schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kathoden- luft-Systems 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Kathodenluft-System 1 umfasst ein er findungsgemäßes Kathodenluft-Subsystem 10 mit einem Luftfilter 2 und mit ei nem Membranbefeuchter 3. Das Kathodenluft-Subsystem 10 ist dabei eine sepa rate Baueinheit 10a. In dieser Baueinheit 10a sind das Luftfilter 2 und der Memb- ranbefeuchter 3 zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse 4 der Baueinheit 10a aufgenommen. Das Gehäuse 4 ist hier mit gepunkteter Linie dar gestellt. In dem Gehäuse 4 sind das Luftfilter 2 und der Membranbefeuchter 3 luftdicht voneinander getrennt, wozu an dem Gehäuse 4 eine Trennwand 16 in tegral ausgebildet ist. Die Trennwand 16 trennt das Gehäuse 4 luftdicht in eine Filterkammer 4a mit dem Luftfilter 2 und eine Befeuchterkammer 4b mit dem Membranbefeuchter 3 auf. Das Kathodenluft-System 1 umfasst ferner einen La der 5, einen Kühler 6 und eine Brennstoffzelle 7. Der Membranbefeuchter 3 um fasst einen Membrankörper 24, einen Grobwasserabscheider 8 und einen Fein wasserabscheider 9, die demnach ein Teil der Baueinheit 10a sind. Die Brenn stoffzelle 7 weist eine Kathode 11, eine Anode 12 und eine T rennmembran 13 auf, die hier rein schematisch mit durchbrochenen Linien dargestellt sind. Das erfindungsgemäße Kathodenluft-System 1 ist zum Leiten von Luft zu und von der Kathode 11 ausgelegt. Die Strömungsrichtung von Luft ist mit Pfeilen angedeutet.
Das Luftfilter 2 der Baueinheit 10a ist zum Filtern von roher Luft und zum Weiter leiten von gefilterter Luft ausgelegt. Über einen Rohlufteinlass 2a des Luftfilters 2 strömt rohe Luft aus Umgebung zu dem Luftfilter 2 und über einen Reinluftaus lass 2b strömt gefilterte Luft weiter zu dem Lader 5. In dem Lader 5 wird gefilterte Luft komprimiert und zu dem Kühler 6 weitergeleitet. In dem Kühler 6 wird gefil terte Luft gekühlt und strömt zu dem Membranbefeuchter 3 der Baueinheit 10a. Der Membranbefeuchter 3 umfasst dabei einen Zulaufpfad 14 innerhalb des Membrankörpers 24, in dem gefilterte Luft befeuchtet wird. Dabei strömt gefilterte Luft aus dem Kühler 6 über einen Zulaufeinlass 14a in den Zulaufpfad 14 ein und befeuchtete Luft strömt über einen Zulaufauslass 14b aus dem Zulaufpfad 14 aus. Dem Zulaufpfad 14 des Membranbefeuchters 3 ist die Kathode 11 nachge schaltet, so dass befeuchtete Luft aus dem Membranbefeuchter 3 unmittelbar zu der Kathode 11 der Brennstoffzelle 7 strömt. In der Brennstoffzelle 7 findet nun die chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff - hier Wasserstoff - und ei- nem Oxidationsstoff - hier Sauerstoff in der befeuchteten Luft - statt. Dadurch wird elektrische Energie erzeugt, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.
Das bei der Reaktion an der Kathode 11 entstandene Wasser wird durch Luft aufgenommen und feuchte Luft strömt nun von der Kathode 11 zu dem Memb ranbefeuchter 3. Der Membranbefeuchter 3 umfasst dabei einen Ablaufpfad 15 innerhalb des Membrankörpers 24, dem der Grobwasserabscheider 8 vorge schaltet und der Feinwasserabscheider 9 nachgeschaltet ist. Feuchte Luft aus der Kathode 11 strömt nun über einen Ablaufeinlass 15a zu dem Grobwasserab scheider 8 und wird in diesem teilweise entwässert. Das abgeschiedene Wasser wird über einen Wasserablauf 8a des Grobwasserabscheiders 8 nach außen ab geleitet. Nach dem Grobwasserabscheider 8 strömt feuchte Luft über den Ab laufpfad 15 und befeuchtet gefilterte Luft in dem Zulaufpfad 14. Nach dem Ab laufpfad 15 strömt feuchte Luft über den Feinwasserabscheider 9 und wird zu sätzlich entwässert. Das abgeschiedene Wasser wird über einen Wasserablauf 9a des Feinwasserabscheiders 9 nach außen abgeleitet. Nach dem Feinwasser abscheider 9 strömt Luft aus dem Membranbefeuchter 3 aus und kann entweder nach außen - wie hier - austreten oder jedoch dem Lader 5 als Antriebsvolu menstrom zugeführt werden.
Ferner ist in dem Membranbefeuchter 3 eine Befeuchter-Bypassleitung 27 vorge sehen, die den Zulaufeinlass 14a und den Zulaufauslass 14b fluidisch verbindet und dabei den Zulaufpfad 14 in dem Membranbefeuchter 3 umgeht. Mit anderen Worten ist die Befeuchter-Bypassleitung 27 dem Zulaufpfad 14 des Membranbe feuchters 3 parallel geschaltet. Ist kein Befeuchten oder kein zu starkes Befeuch ten von gefilterter Luft notwendig, so kann gesamte gefilterte Luft oder nur ein Teil von gefilterter Luft über die Befeuchter-Bypassleitung 27 geleitet und somit nicht befeuchtet werden. Ferner ist in dem Membranbefeuchter 3 eine Zelle- Bypassleitung 28 vorgesehen, die den Zulaufpfad 14 an dem Zulaufauslass 14b und den Ablaufpfad 15 an dem Ablaufeinlass 15a fluidisch verbindet und die Brennstoffzelle 7 umgeht. Mit anderen Worten ist die Zelle-Bypassleitung 28 der Brennstoffzelle 7 parallel geschaltet. Ist kein Belüften oder kein zu starkes Belüf ten der Brennstoffzelle 7 notwendig, so kann gesamte befeuchtete Luft oder nur ein Teil von befeuchteter Luft über die Zelle-Bypassleitung 28 geleitet werden. Fig. 2 zeigt eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Kathodenluft- Subsystems 10. Fig. 3 zeigt eine Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Kathodenluft- Subsystems 10. Das Kathodenluft-Subsystem 10 ist für das Kathodenluft-System 1 vorgesehen, das wie in Fig. 1 gezeigt oder auch anders ausgestaltet sein kann. Das Kathodenluft-Subsystem 10 ist hier die separate Baueinheit 10a, die das Luftfilter 2 und den Membranbefeuchter 3 umfasst. In der Baueinheit 10a sind das Luftfilter 2 und der Membranbefeuchter 3 zusammengefasst, die ähnliche Temperaturanforderungen aufweisen. Dadurch ist keine aufwändige thermische Entkopplung zwischen diesen notwendig und das Gehäuse 4 der Baueinheit 10a kann vereinfacht aufgebaut sein. Das Gehäuse 4 kann beispielweise aus Kunst stoff geformt sein und eine Temperaturbeständigkeit kleiner oder gleich 100 °C und eine Absolutdruck-Beständigkeit kleiner oder gleich 3 bar aufweisen.
Dadurch können kostengünstige Kunststoffe eingesetzt und Herstellungskosten reduziert werden. Zudem sind der Aufbau und dadurch die Montage des Katho- denluft-Subsystems 10 deutlich vereinfacht und der Bauraumbedarf für das Ka- thodenluft-System 1 an sich deutlich reduziert. Ferner können auch Herstellungs kosten reduziert werden.
Das Luftfilter 2 ist hier durch einen ringförmigen Filterkörper aus einem Filterma terial abgebildet und weist kein separates luftdichtes Filtergehäuse auf. Das Luft filter 2 ist in der Filterkammer 4a aufgenommen und trennt innerhalb der Filter kammer 4a den Rohrlufteinlass 2a und den Reinluftauslass 2b voneinander. Der Rohrlufteinlass 2a und der Reinluftauslass 2b sind dabei als Stutzen an dem Ge- häuse 4 der Baueinheit 10a ausgebildet. Der Rohlufteinlass 2a kann dabei zu einer Fahrzeugfront unmittelbar benachbart angeordnet sein oder alternativ über eine Rohluftleitung mit dieser verbunden sein. In der Filterkammer 4a ist zudem an dem Gehäuse 4 ein Resonanzbereich 17 zur Schalldämpfung integral ausge bildet. Der Resonanzbereich 17 ist dabei dem Luftfilter 2 unmittelbar benachbart angeordnet. In dem Gehäuse 4 ist eine Entnahmeöffnung 18 ausgebildet, die in die Filterkammer 4a führt und mit einem Gehäusedeckel 19 verschließbar ist. Über die Entnahmeöffnung 18 kann das Luftfilter 2 in die Filterkammer 4a einge setzt oder aus dieser entnommen werden. An dem Reinauslass 2b ist zudem ein Verbindungsstutzen 20 ausgebildet. An dem Verbindungsstutzen 20 ist ein Sen sor 21 - hier Luftmassenmesssensor - festgelegt. Dieser ist zum Erfassen von Luftmassenstrom gefilterter Luft vorgesehen. In Fig. 2 ist der Resonanzbereich 17 dem Verbindungsstutzen 20 abgewandt an dem Gehäuse 4 ausgebildet. Mit anderen Worten ist hier das Luftfilter 2 zwischen dem Resonanzbereich 17 und dem Verbindungsstutzen 20 angeordnet. Alternativ kann jedoch der Resonanzbe reich 17 auch unmittelbar vor dem Verbindungsstutzen 20 ausgebildet bzw. inte griert sein.
Der Membranbefeuchter 3 ist in der Befeuchterkammer 4b des Gehäuses 4 an geordnet. An dem Gehäuse 4 sind dabei eine Grobabscheideröffnung 22 und eine Feinabscheideröffnung 23 ausgebildet, die in die Befeuchterkammer 4b füh ren. Der Membrankörper 24 kann dabei über die Grobabscheideröffnung 22 - wie in Fig. 2 gezeigt - oder alternativ über die Feinabscheideröffnung 23 in dem Ge häuse 4 montiert sein.
Der Grobwasserabscheider 8 ist über die Grobabscheideröffnung 22 in dem Ge häuse 4 montiert. Der Grobwasserabscheider 8 ist dabei an einem Grobabschei derstück 25 bzw. an einem Anschlussstück festgelegt, das die Grobabscheider öffnung 22 luftdicht verschließt. An dem Grobabscheiderstück 25 sind dabei der Zulaufauslass 14b des Zulaufpfads 14 und der Ablaufeinlass 15a des Ablauf pfads 15 als Stutzen ausgebildet. Der Zulaufauslass 14b führt dabei zweckge mäß unmittelbarzu dem Zulaufpfad 14 und der Ablaufeinlass 15a führt dann zweckgemäß über den Grobwasserabscheider 8 zu dem Ablaufpfad 15. Analog hierzu ist der Feinwasserabscheider 9 über die Feinabscheideröffnung 23 in dem Gehäuse 4 montiert und ein Feinabscheiderstück 26 bzw. ein Anschlussstück verschließt die Feinabscheideröffnung 23 luftdicht. Der Feinwasserabscheider 9 ist dann an dem Feinabscheiderstück 26 festgelegt. An dem Feinabscheiderstück 26 sind der Zulaufeinlass 14a des Zulaufpfads 14 und der Ablaufauslass 15b des Ablaufpfads 15 als Stutzen ausgebildet. Der Ablaufauslass 15b führt dabei zweckgemäß über den Feinwasserabscheider 9 zu dem Ablaufpfad 15 und der Zulaufeinlass 14a führt dann zweckgemäß unmittelbar zu dem Zulaufpfad 14.
Das Grobabscheiderstück 25 und das Feinabscheiderstück 26 können mit dem Gehäuse 4 verschraubt, verschweißt oder auf eine andere Weise luftdicht festge legt sein.
Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine ganzheitliche Baueinheit 10a gebildet, die mehrere Funktionen wie Filtern, Befeuchten und Wasserabscheiden vereinigt. In der Baueinheit 10a ist das Luftfilter 2 gut zugäng lich angeordnet, was die Wartung der Baueinheit 10a deutlich vereinfacht. Ferner ist die Anzahl der Schnittstellen reduziert, was die Montage der Baueinheit 10a weiter vereinfacht. In der betriebsgerecht ausgerichteten Baueinheit 10a nach Fig. 3 liegt das Luftfilter 2 oberhalb des Membranbefeuchters 3, wodurch die Baueinheit 10a vorteilhafterweise einen tiefen Schwerpunkt aufweist.
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Claims

Ansprüche
1. Kathodenluft-Subsystem (10) für ein Kathodenluft-System (1) zum Leiten von Luft zu und von einer Kathode (11 ) einer Brennstoffzelle (7) für ein Kraftfahr zeug,
- wobei das Kathodenluft-Subsystem (10) ein Luftfilter (2) umfasst, das zum Fil tern von roher Luft und zum Weiterleiten von gefilterter Luft ausgelegt ist,
- wobei das Kathodenluft-Subsystem (10) einen Membranbefeuchter (3) mit ei nem Zulaufpfad (14) und mit einem Ablaufpfad (15) umfasst,
- wobei der Zulaufpfad (14) zum Zuleiten von gefilterter Luft zur Kathode (11 ) und der Ablaufpfad (15) zum Ableiten von feuchter Luft von der Kathode (11 ) vorgesehen sind und der Membranbefeuchter (3) zum Befeuchten von gefilter ter Luft in dem Zulaufpfad (14) mit feuchter Luft in dem Ablaufpfad (15) ausge legt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenluft-Subsystem (10) eine separate Baueinheit (10a) ist, in der das Luftfilter (2) und der Membranbefeuchter (3) zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse (4) luftdicht voneinander getrennt aufgenommen sind.
2. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus Kunststoff geformt ist und eine Temperaturbeständig keit kleiner oder gleich 100 °C und eine Absolutdruck-Beständigkeit kleiner oder gleich 3 bar aufweist.
3. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Gehäuse (4) eine Filterkammer (4a) und eine Befeuchterkammer (4b) aufweist, die durch eine einstückig mit dem Gehäuse (4) ausgebildete Trennwand (16) luftdicht voneinander getrennt sind, und
- dass das Luftfilter (2) in der Filterkammer (4a) und der Membranbefeuchter (3) in der Befeuchterkammer (4b) voneinander luftdicht getrennt aufgenommen sind.
4. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchterkammer (4b) eine Differenzdruck-Beständigkeit kleiner oder gleich 2 bar aufweist.
5. Kathodenluft-Subsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass an dem Gehäuse (4) eine Entnahmeöffnung (18) ausgebildet ist, durch die das Luftfilter (2) entnehmbar ist, und
- dass das Gehäuse (4) einen Gehäusedeckel (19) aufweist, der die Entnahme öffnung (18) luftdicht verschließt.
6. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeöffnung (18) in die Filterkammer (4a) des Gehäuses (4) führt und das Luftfilter (2) aus der Filterkammer (4a) durch die Entnahmeöffnung (18) entnehmbar ist.
7. Kathodenluft-Subsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass der Membranbefeuchter (3) einen Grobwasserabscheider (8) zum Ab scheiden von Wasser aus feuchter Luft aufweist, der dem Ablaufpfad (15) vor geschaltet ist und der in dem Gehäuse (4) der Baueinheit (10a) angeordnet ist, und/oder
- dass der Membranbefeuchter (3) einen Feinwasserabscheider (9) zum Ab scheiden von Wasser aus feuchter Luft aufweist, der dem Ablaufpfad (15) nachgeschaltet ist und der in dem Gehäuse (4) der Baueinheit (10a) angeord net ist.
8. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass in dem Gehäuse (4) eine Grobabscheideröffnung (22) zur Montage des Grobwasserabscheiders (8) vorgesehen ist und der Grobwasserabscheider (8) an einem Grobabscheiderstück (25) festgelegt ist, wobei das Grobabscheider stück (25) die Grobabscheideröffnung (22) in dem Gehäuse (4) luftdicht ver schließt, und/oder
- dass in dem Gehäuse (4) eine Feinabscheideröffnung (23) zur Montage des Feinwasserabscheiders (9) vorgesehen ist und der Feinwasserabscheider (9) an einem Feinabscheiderstück (26) festgelegt ist, wobei das Feinabscheider stück (26) die Feinabscheideröffnung (23) in dem Gehäuse (4) luftdicht ver schließt.
9. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (3) in dem Gehäuse (4) durch die Grobabscheideröffnung (22) und/oder durch die Feinabscheideröffnung (23) entnehmbar angeordnet ist.
10. Kathodenluft-Subsystem nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobabscheideröffnung (22) und/oder die Feinabscheideröffnung (23) in die Befeuchterkammer (4b) des Gehäuses (4) führen.
11. Kathodenluft-Subsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
- dass an dem Gehäuse (4) außenliegend ein Verbindungsstutzen (20) ausge bildet ist, an dem zumindest ein Sensor (20) festgelegt ist, und
- dass der Sensor (20) dem Luftfilter (2) nachgeschaltet ist und ein Luftmas senmesssensor, vorzugsweise ein Heißfilm-Luftmassenmesssensor, ist.
12. Kathodenluft-Subsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenluft-Subsystem (10) einen Resonanzbereich (17) zur Schall dämpfung aufweist, wobei der Resonanzbereich (17) innerhalb des Gehäuses (4) integral ausgebildet und in dem Gehäuse (4) zu dem Luftfilter (2) unmittelbar be nachbart angeordnet ist.
13. Kathodenluft-System (1) zum Leiten von Luft zu und von einer Kathode (11) einer Brennstoffzelle (7) für ein Kraftfahrzeug,
- wobei das Kathodenluft-System (1 ) die Brennstoffzelle (7) mit der Kathode (11 ) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, einen Lader (5), einen Kühler (6) und ein Kathodenluft-Subsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche um fasst,
- wobei der Lader (5) dem Luftfilter (2) nachgeschaltet ist, so dass gefilterte Luft aus dem Luftfilter (2) direkt zu dem Lader (5) strömen und in diesem kompri miert werden kann,
- wobei der Kühler (6) dem Lader (5) nachgeschaltet ist, so dass gefilterte Luft aus dem Lader (5) direkt zu dem Kühler (6) strömen und in diesem gekühlt werden kann, - wobei der Zulaufpfad (14) des Membranbefeuchters (3) dem Kühler (6) nach geschaltet ist, so dass gefilterte Luft aus dem Kühler (6) direkt in den Zulauf pfad (14) Zuströmen und in diesem befeuchtet werden kann,
- wobei die Kathode (11) dem Zulaufpfad (14) des Membranbefeuchters (3) nachgeschaltet ist, so dass befeuchtete Luft aus dem Zulaufpfad (14) direkt zu der Kathode (11 ) strömen kann,
- wobei der Ablaufpfad (15) des Membranbefeuchters (3) der Kathode (11 ) nachgeschaltet ist, so dass feuchte Luft von der Kathode (11 ) direkt oder über einen Grobwasserabscheider (8) des Membranbefeuchters (3) in den Ablauf pfad (15) Zuströmen und gefilterte Luft in dem Zulaufpfad (14) befeuchten kann.
14. Kathodenluft-System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Ablaufpfad (15) des Membranbefeuchters (3) nach außen führt, so dass Luft nach dem Membranbefeuchter (3) nach außen abgeleitet werden kann, oder
- dass der Lader (5) dem Ablaufpfad (15) des Membranbefeuchters (3) oder ei nem Feinwasserabscheider (9) des Membranbefeuchters (3) nachgeschaltet ist, so dass Luft nach dem Membranbefeuchter (3) dem Lader (5) als Antriebs volumenstrom zugeführt werden kann.
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