WO2023006875A1 - Befeuchtungseinrichtung mit kanalplatten, kanalteilplatte und kanalplatte für eine befeuchtungseinrichtung - Google Patents

Befeuchtungseinrichtung mit kanalplatten, kanalteilplatte und kanalplatte für eine befeuchtungseinrichtung Download PDF

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PCT/EP2022/071194
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Alexander Korn
Steffen Schütz
Pius Trautmann
Ralph Kemper
Tom Zeltwanger
Markus Wagner
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Mann+Hummel Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a humidifying device, in particular for a fuel cell system, with a plurality of channel plates, as well as a channel dividing plate and a channel plate for a humidifying device.
  • DE 102016224478 A1 discloses a membrane humidifier for fuel cell systems, in which moist exhaust gas from the fuel cell is used to humidify reaction gases in the fuel cells.
  • the membrane humidifier encompasses several flow plates stacked on top of one another.
  • a moisture-permeable membrane is arranged in each case between two flow plates which are directly adjacent or arranged next to one another.
  • One object of the invention is to specify an improved humidification device, in particular for a fuel cell system.
  • Another object is to provide an improved channel dividing plate for such a humidifier.
  • Another object is to provide an improved channel plate for such a humidifier.
  • a humidification device in particular for a fuel cell system, with a plurality of channel plates which follow one another in a stacking direction in a plate stack, wherein at least one channel plate comprises two channel dividing plates which are arranged one on top of the other in the stacking direction and have a peripheral frame, with between two opposite sides of the respective frame obliquely to a longitudinal axis of Webs running along the channel plate are arranged, at least two groups of flow channels being formed in the plate stack, which are separated by semipermeable layers, in particular moisture-permeable layers; where in the stacking direction, a flow channel of one group alternately follows a flow channel of the other group, with one of the groups of flow channels running along the longitudinal axis which is perpendicular to the stacking direction and with the webs of the channel dividing plates intersecting as seen in the stacking direction.
  • a channel dividing plate prepared for a humidification device, in particular for a fuel cell system, comprising a peripheral frame, wherein webs running obliquely to a longitudinal axis are arranged between two opposite sides of the frame.
  • the further object is achieved by a duct plate, prepared for a humidification device, in particular for a fuel cell system, with two duct dividing plates arranged one on top of the other in a stacking direction with a peripheral frame, wherein between two opposite sides of the respective frame running at an angle to a longitudinal axis Webs are arranged, the webs of the channel part plates intersect as seen in the stacking direction.
  • a humidification device in particular for a fuel cell system, is proposed with a plurality of channel plates which follow one another in a stacking direction in a plate stack, wherein at least one channel plate comprises two channel dividing plates arranged one on top of the other in the stacking direction and having a peripheral frame.
  • at least one channel plate comprises two channel dividing plates arranged one on top of the other in the stacking direction and having a peripheral frame.
  • webs running obliquely to a longitudinal axis of the channel plate are arranged between two opposite sides of the respective frame.
  • At least two groups of flow channels are formed in the stack of plates, which are formed by semi-permeable layers, in particular moisture-permeable layers Layers, are separated, wherein in the stacking direction a flow channel of one group alternately follows a flow channel of the other group, one of the groups of flow channels running along the longitudinal axis which is perpendicular to the stacking direction.
  • the webs of the channel dividing plates intersect as seen in the stacking direction.
  • moist or water-rich fluid can flow in one group of flow channels, for example exhaust gas from fuel cells, while dry fluid can flow as fresh gas, for example air, in the other group of flow channels.
  • dry fluid can be moistened by the other fluid flowing in the adjacent flow channel via the semi-permeable layer.
  • the flow channels are formed within the channel plates and between the channel plates,
  • the proposed humidification device can, for example, be an advantageous embodiment of a flat membrane humidifier.
  • the flow channel for the exhaust gas of the fuel cell system is formed from two channel dividing plates.
  • the duct dividing plates are designed in such a way that sloping webs run in the flow area. Due to the mirrored or rotated 180° shoring of the duct dividing plates, the webs meet and thus cross one another. The resulting cross ribbing on two levels leads to a wave-like flow movement in the flow channel.
  • the webs can direct the respective fluid towards the semi-permeable layer and thus, for example, improve a moisture transfer between the two groups of flow channels.
  • the webs can be formed in one piece with a duct dividing plate and can be produced in a common production process, for example in an injection molding process.
  • a simplified structure can be achieved by the webs integrated into the duct dividing plates.
  • cross-ribbing can be achieved simply by placing the duct dividing plates on top of one another.
  • the webs can advantageously be arranged equidistantly from one another.
  • the angle, distance and width of the webs can vary.
  • a cross section of the webs can, for example, be rectangular, rectangular with rounded edges, or round.
  • rectangular webs of channel dividing plates stacked on top of one another can be braced against one another in order in this way to bear a pressure from the semipermeable layer that weighs on them.
  • the webs can have other cross-sections, at least in certain areas, for example L-shaped or U-shaped cross-sections, in which angled legs protrude into the adjacent flow channel and increase turbulence there in the flow channel, which is advantageous for mass transfer.
  • the flow channel for the fresh gas in particular the supply air of the fuel cell system, can also be provided with webs for influencing the flow.
  • each group of flow channels is arranged in its own channel plate
  • only half the number of plates is necessary with the proposed humidification device, since the two groups of flow channels are formed in or on a channel dividing plate. Accordingly, the humidification device has a lower flow resistance.
  • fewer joints for the channel dividing plates in the plate stack are necessary.
  • Each duct dividing plate with a semi-permeable layer can be checked individually during production, which leads to a lower overall risk of duct dividing plates being rejected, since defective duct dividing plates can be identified and sorted out before they are assembled into a stack of plates.
  • the stacking direction of the duct plates can be straight, so that the plate stack of duct plates is cuboid, in which the two inflow areas for fresh gas and exhaust gas are embodied as two mutually perpendicular side surfaces of the cuboid.
  • the stacking direction can also be designed in the form of a circle or arc, so that the arrangement of the channel plates results in a hollow cylinder, for example, in which an inflow area is designed as a wall of the hollow cylinder, and an inflow area as an end face of the hollow cylinder.
  • the semi-permeable layer which is designed as a membrane, for example, can favorably be formed from a microporous material.
  • the micropores in the material allow moisture to be transported through the semi-permeable layer. Moisture transport can advantageously take place by means of capillary action in the microporous material.
  • the semipermeable layer can be formed from PFSA.
  • PFSA is a plastic made from perfluorosulfonic acid and is known, among other things, under the brand name Nafion.
  • the semipermeable layer can have porous layers on both sides, in particular fleece layers, for protection and mechanical stabilization.
  • the at least one channel plate can comprise two identical channel dividing plates, which are arranged one on top of the other rotated by 180° along the longitudinal axis. Due to the arrangement of the duct dividing plates rotated by 180° along the longitudinal axis, the inner sides with the webs in the duct plate are arranged directly one on top of the other. This advantageously results in a cross-ribbing of the channel plate, which is advantageous for flow guidance, for example of the exhaust gas, with regard to the turbulence of the exhaust gas and thus to the transfer of the moisture in the exhaust gas to the dry fresh gas, in particular supply air. It is particularly advantageous that such an arrangement can be achieved with identical duct dividing plates, so that only one tool is required to produce the duct dividing plate for the production of one duct dividing plate.
  • the channel dividing plates can have at least two areas in a plate plane, in which the Webs are arranged mirror-symmetrically to each other.
  • the production of the duct dividing plate can be designed advantageously, in particular by means of plastic injection molding.
  • a first type of channel plate can be closed off on both sides with a semipermeable layer each, which in each case forms an outer side of the respective channel part plate.
  • the webs can be arranged in the interior of the respective duct dividing plate between the semipermeable layers.
  • the flow behavior of an exhaust gas flow guided inside the duct plate can advantageously be influenced by the crosswise ribbing by means of the webs causing a turbulence in the exhaust gas flow by generating turbulence, in particular by frequent changes in direction of the flow.
  • the webs can have an L-shaped or U-shaped cross section at least in regions.
  • the respective web has an angled limb which protrudes into the adjacent flow channel for the exhaust gas.
  • the leg can be angled, starting from a bridge back, in a favorable angular range of between 20° and 120° with respect to the bridge back. Angles of around 90° are favorable, but a specific angle can be chosen by a person skilled in the art at will.
  • the web has two angled legs which are opposite one another on the web and protrude into the adjoining flow channel.
  • the legs can be angled starting from a bridge back in a favorable angular range between 20° and 120° with respect to the bridge back. Angles of around 90° are favorable, but a specific angle can be chosen by a person skilled in the art at will.
  • the webs can form a flow grid on the exhaust gas side from the duct dividing plate itself by means of reshaping into L-shaped cross sections and/or U-shaped cross sections. On the fresh gas side, a separate flow grid can optionally be inserted on the semi-permeable membrane, which limit the flow channel for fresh gas on both sides.
  • the shape of the L-shaped and U-shaped cross sections in particular their height, angle between the legs and the back of the web, distances between different types of cross sections along a web and the like, can be used to influence the mass transfer and the pressure loss in a targeted manner.
  • the L-shaped cross section or U-shaped cross section on the exhaust gas side can also serve as a spacer and prevents the flow channel from collapsing due to any differential pressure that may prevail.
  • At least one of the webs of one of the channel dividing plates can have an L-shaped cross section at least in some areas and a U-shaped cross section at least in some areas.
  • U and L cross sections can alternate along the course of a respective web, in particular with equidistant spacing.
  • the U-shaped cross sections allow improved support to the ribbing or the webs of an adjacent duct part plate, while the L-shaped cross sections allow advantageous flow mixing and/or turbulence generation transverse to the flow direction.
  • the duct part plates can comprise at least one fresh gas plate and at least one exhaust gas plate, the webs of which are designed differently in cross section, at least in certain areas.
  • the at least one fresh gas plate can have webs with an at least partially L-shaped cross section, in which an angled leg of the respective web protrudes into the adjacent flow channel.
  • the at least one exhaust gas plate can have webs with an at least partially U-shaped cross section, in which two angled legs located opposite one another on the web protrude into the adjacent flow channel.
  • An improved mass transfer can be advantageous due to increased turbulence in the flow channel for exhaust gas be reached.
  • favorable support of the exhaust gas plates against one another can be achieved.
  • the back of the web which is particularly flat, can be used favorably for placing the semipermeable membrane.
  • a channel plate can advantageously be formed from an exhaust gas plate and a fresh gas plate.
  • the two duct dividing plates can be glued together and joined together with further duct plates consisting of an exhaust gas plate and a fresh gas plate to form a plate stack.
  • the individual channel dividing plates can be stacked separately on top of each other.
  • the first group of flow channels can be arranged between the outer sides of two channel plates that follow one another in the stacking direction, and the second group of flow channels can be arranged inside the at least one channel plate between the semipermeable layers on both sides and from the semipermeable layers be limited in the stacking direction.
  • the respective channel dividing plate can have a receiving surface for the semipermeable layer, the receiving surface having an edge section on at least two opposite sides on the receiving surface, which is higher than the receiving surface with the semipermeable layer arranged thereon. If the duct dividing plates are placed one on top of the other, a flow duct is automatically formed between the duct dividing plates with the semipermeable layer arranged on them due to the difference in height between the edge section and the receiving surface.
  • This flow channel is formed on two opposite sides by the outer sides of the semipermeable layers of the channel dividing plates that follow one another in the stacking direction and on the other two sides by the projection of the edge section over the receiving surface of the channel dividing plate with the semipermeable layer arranged thereon.
  • the two groups of flow channels can run obliquely or transversely to one another.
  • the flow channel between the outer sides of the channel plates with semipermeable layers that follow one another in the stacking direction can be made considerably narrower transversely to the longitudinal axis, in particular at most half as wide as a width of the flow channel along the longitudinal axis with the greatest width of the flow channels inside the channel plate between them bilateral semi-permeable layers.
  • the outside of the channel plate corresponds to the outside of the semipermeable layer and the inside of the channel plate corresponds to the inside of the semipermeable layer in relation to the channel plate.
  • a single flow channel delimited on both sides by semipermeable layers in the stacking direction can be formed between the outer sides of channel plates that follow one another in the stacking direction.
  • the flow channel can be formed simply by stacking channel dividing plates.
  • the flow channels between the inner sides of the semipermeable layers can be formed in the same way and equidistantly. In particular, these flow channels can run parallel to one another.
  • the channel plates can be connected to one another in a fluid-tight manner, with the exception of the inflow or outflow regions.
  • the duct plates can be connected to one another on the frame of the duct dividing plates, in particular welded or glued to one another. In this way, a reliable fluid-tight connection between the duct part plates and a practically leak-free plate stack with duct part plates can be produced. At the same time, the plate stack can be mechanically very stable and robust.
  • a second type of channel plates can be formed free of semi-permeable layers.
  • flow channels can advantageously be implemented, for example for the fresh gas, for example supply air, which also have an effective influence on the flow by generating turbulence and thereby increasing the efficiency of the humidification device.
  • channel plates of the first type can be arranged alternating with channel plates of the second type in the stacking direction.
  • the alternating arrangement of the two types of duct plates namely by stacking a duct plate with semi-permeable layers and a duct plate without semi-permeable layers alternately, can be used, for example, to advantageously create flow channels for the fresh gas, for example the supply air, which also have an effective influence on the flow by generating of turbulence and thereby increase the efficiency of the humidifier.
  • a duct dividing plate prepared for a humidification device, in particular for a fuel cell system, comprising a peripheral frame, wherein webs running obliquely to a longitudinal axis are arranged between two opposite sides of the frame.
  • the design of the duct dividing plates can be designed in such a way that sloping webs run in the flow area. Due to a mirrored or rotated 180° shoring of the duct dividing plates when assembling a duct plate, the webs meet and thus cross. The resulting cross ribbing on two levels leads to a wave-like flow movement in the flow channel.
  • the webs can direct the respective fluid towards the semi-permeable layer and thus, for example, improve a moisture transfer between the two groups of flow channels. By means of this targeted influencing of the flow, better material transfer, in particular moisture transfer, can be achieved and the performance of the humidification device can be increased as a result.
  • the duct dividing plates can be of identical design in one embodiment.
  • the duct dividing plates can comprise at least one fresh gas plate and at least one exhaust gas plate, the webs of which are designed differently in cross section, at least in certain areas.
  • the at least one fresh gas plate can have webs with an at least partially L-shaped cross section, in which an angled leg of the respective web protrudes into an intended adjacent flow channel.
  • the at least one Exhaust plate webs have an at least partially U-shaped cross-section, in which two opposite angled legs on the web protrude into an intended adjoining flow channel.
  • An improved mass transfer can advantageously be achieved by increased turbulence in the flow channel for exhaust gas.
  • favorable support for the exhaust gas plates can be achieved against one another.
  • the back of the web which is particularly flat, can be used favorably for placing the semipermeable membrane.
  • the channel dividing plate can advantageously be made of plastic, in particular polyphenylene sulfide or fiber-reinforced polyphenylene sulfide.
  • the channel dividing plate can be injection molded or embossed, for example.
  • the use of other plastics is possible, provided the plastics have the lowest possible water absorption and no release of ions and are also temperature-resistant.
  • At least the edge of the duct dividing plate can advantageously be made of plastic, in particular of polyphenylene sulfide or fiber-reinforced polyphenylene sulfide.
  • the duct dividing plate According to a favorable configuration of the duct dividing plate, at least two areas can be provided in a plate plane, in which the webs are arranged mirror-symmetrically to one another. In this way, the production of the duct dividing plate can be designed advantageously, in particular by means of plastic injection molding.
  • the peripheral frame can surround a receiving surface for a semipermeable layer.
  • two opposite edge sections on the receiving surface can be designed higher than the other two opposite edge sections.
  • two opposite edge sections on both sides can protrude beyond the receiving surface in a stacking direction with a projection.
  • the overhang of the edge sections over the receiving surface is expediently so large that even with the semipermeable layer arranged on the receiving surface, the edge still overhangs over the semipermeable layer. If the channel dividing plates are placed one on top of the other, the height difference between the edge section and Recording surface a flow channel.
  • This flow channel is formed on two opposite sides by the outer sides of the semipermeable layers of the channel dividing plates that follow one another in the stacking direction and on the other two sides by the projection of the edge section over the receiving surface of the channel dividing plate with the semipermeable layer arranged thereon.
  • a duct plate is proposed, prepared for a humidification device, in particular for a fuel cell system, with two duct dividing plates arranged one on top of the other in a stacking direction with a peripheral frame. Webs running obliquely to a longitudinal axis are arranged between two opposite sides of the respective frame, the webs of the channel sub-plates intersecting as seen in the stacking direction.
  • the design of the duct dividing plates can be designed in such a way that sloping webs run in the flow area. Due to the mirrored or rotated 180° shoring of the duct dividing plates when assembling a duct plate, the webs meet and thus cross. The resulting cross ribbing on two levels leads to a wave-like flow movement in the flow channel.
  • the webs can direct the respective fluid towards the semi-permeable layer and thus, for example, improve a moisture transfer between the two groups of flow channels. By means of this targeted influencing of the flow, better material transfer, in particular moisture transfer, can be achieved and the performance of the humidification device can be increased as a result.
  • the duct plate can comprise two identical duct dividing plates, which are arranged lying on top of one another rotated by 180° along a longitudinal axis. Due to the arrangement of the duct dividing plates rotated by 180° along the longitudinal axis, the inner sides with the webs in the duct plate are arranged directly one on top of the other. This advantageously results in cross-ribbing of the channel plate, which is advantageous for guiding the flow of the exhaust gas, for example, with regard to the turbulence of the exhaust gas and thus to the transfer of the moisture in the exhaust gas to the dry fresh gas. It is particularly advantageous that such an arrangement can be achieved with identical channel dividing plates, so that for the production of the duct plate requires only one tool for the production of a duct dividing plate.
  • the duct dividing plates comprise at least one fresh gas plate and at least one exhaust gas plate, the webs of which are designed differently in cross section, at least in certain areas.
  • the at least one fresh gas plate can have webs with an at least partially L-shaped cross section, in which an angled leg of the respective web protrudes into the adjacent flow channel.
  • the at least one exhaust gas plate can have webs with an at least partially U-shaped cross-section, in which two angled legs located opposite one another on the web protrude into the adjoining flow channel.
  • the respective peripheral frame of a channel part plate can surround a receiving surface for a semipermeable layer.
  • two opposite edge sections on the receiving surface can be designed higher than the other two opposite edge sections.
  • two opposite edge sections can protrude on both sides over the receiving surface in a stacking direction with an overhang. If the dividing channel plates are placed one on top of the other, a flow channel is automatically formed between the dividing channel plates with the semipermeable layer arranged on them due to the difference in height between the edge section and the receiving surface.
  • This flow channel is formed on two opposite sides by the outer sides of the semipermeable layer of the channel dividing plates that follow one another in the stacking direction and on the other two sides by the projection of the edge section over the receiving surface of the channel dividing plate with the semipermeable layer arranged thereon.
  • channel plates can be arranged in the stacking direction, which have no webs or any other configuration for influencing the flow.
  • the flow can be influenced by means of a separate insert part.
  • At least one insert can have webs, for example, which advantageously run flow channels for the fresh gas, for example supply air.
  • a cross-ribbing can be produced by arranging several inserts, thereby increasing the efficiency of the moistening device.
  • FIG. 1 shows a duct dividing plate with a semipermeable layer on one side for a humidification device, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation
  • FIG. 2 shows the duct dividing plate according to FIG. 1 from the rear with webs running obliquely to its longitudinal axis;
  • FIG. 3 shows a duct plate made of two duct dividing plates with semipermeable layers for a humidification device, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation
  • FIG. 4 shows the channel plate according to FIG. 3, shown without a semipermeable layer
  • FIG. 5 shows an enlarged section of the channel plate according to FIG. 4, illustrated without a semipermeable layer
  • FIG. 6 shows the channel plate according to FIG. 3 in a longitudinal section
  • FIG. 7 shows the channel plate according to FIG. 4 in a longitudinal section
  • FIG. 8 shows a duct dividing plate in the form of a fresh gas plate according to an embodiment of the invention, illustrated without a semipermeable layer;
  • FIG. 9 shows a duct dividing plate in the form of an exhaust gas plate according to the exemplary embodiment of FIG. 8;
  • FIG. 10 shows a stack with three duct dividing plates, which form a duct pair of fresh gas duct and exhaust gas duct, illustrated with a semipermeable layer;
  • FIG. 11 shows the stack with three channel dividing plates from FIG. 10 without a semipermeable layer
  • Figure 12 is a detail of the three channel splitter plate stack of Figure 10;
  • FIG. 13 shows a plan view of the stack of channel dividing plates from FIG. 10 without a semipermeable layer with a section plane A-A;
  • FIG. 14 shows a detail of section A-A in Figure 13;
  • FIG. 15 shows a plate stack of a humidification device, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation;
  • FIG. 16 shows a plate stack of a humidification device, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation;
  • FIG. 17 is an isometric representation of a moistening device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a duct dividing plate 11 for a humidification device 100, in particular for a fuel cell system, with a semipermeable layer 30 according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric view
  • FIG. 2 shows the duct dividing plate 11 from the opposite side.
  • the channel dividing plate 11 comprises a peripheral frame 14, webs 16 running obliquely to a longitudinal axis L being arranged between two opposite sides of the frame 14, as can be seen in FIG.
  • the longitudinal axis L runs perpendicular to a stacking direction 40, which is indicated by an arrow in the figure.
  • Channel plates 10 (FIGS. 3-7) can be formed from the channel dividing plates 11 and can be stacked one on top of the other along the stacking direction 40 as intended.
  • the cross section of the channel dividing plates 11 can be rectangular, for example.
  • At least two areas can be provided in a plate plane 28 of the channel dividing plate 11, as in the exemplary embodiment shown in FIG. This can be advantageous for manufacturing reasons.
  • the transverse axis Q is perpendicular to the stacking direction 40 and to the longitudinal axis L.
  • One flat side of the channel dividing plate 11 is formed by the semipermeable layer 30, the other flat side by the webs 16.
  • the peripheral frame 14 surrounds a receiving surface 18 for a semipermeable layer 30, for example a membrane, in particular a moisture-permeable membrane.
  • a semipermeable layer 30 can be glued onto the receiving surface 18, for example.
  • the receiving surface 18 has on at least two opposite sides on the receiving surface 18 a respective edge section 26 which is formed higher than the receiving surface 18 with the semipermeable layer 30 arranged thereon
  • the two opposite edge sections 26 on the receiving surface 18 are higher than the other two opposite edge sections 24.
  • the two opposite edge sections 26 can protrude on both sides beyond the receiving surface 18 in a stacking direction 40 with a projection 34.
  • the semipermeable layer 30 lies lower than the edge sections 26 and can, for example, be flush with the edge sections 24.
  • central spacers 25 on the edge portions 24 projecting upwards by the overhang 34. In this way, flow channels can be formed when channel dividing plates 11 are stacked on top of one another.
  • the spacers 25 of the edge sections 24 support each other.
  • the side of the duct panel 11 with the semipermeable layer 30 forms the outside of a duct panel 10 ( Figures 3-7).
  • the edge sections 24 are slightly higher than the edge sections 26 and are flat.
  • the planar rear sides of the edge sections 24 come into contact with one another.
  • One of the two channel plates 11 is rotated about the longitudinal axis L by 180°.
  • FIG. 3 shows a duct plate 10 for a humidification device 100, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation
  • FIG. 4 shows the duct plate 10 according to FIG. 3 without the semipermeable layer 30
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of the duct plate 10.
  • the duct plate 10 has two duct dividing plates 11 arranged one on top of the other in a stacking direction 40 with a peripheral frame 14.
  • the two duct dividing plates 11 are placed one on top of the other with their webs 16 pointing to one another.
  • the webs 16 of the two duct dividing plates 11 form the interior 44 of the duct plate 10.
  • the semipermeable layers 30 form the two outer sides 42 of the duct plate 10.
  • the at least one duct plate 10 comprises two identical duct dividing plates 11 which are arranged lying on top of one another rotated by 180° along a longitudinal axis L. Due to the arrangement of the duct dividing plates 11 rotated by 180° along the longitudinal axis L, the webs 16 in the duct plate 10 are arranged directly one on top of the other. This advantageously results in cross-ribbing in the interior 44 of the duct plate 10, which is advantageous for guiding the flow of, for example, the exhaust gas 64 with regard to the turbulence of the exhaust gas 64 and thus to the transfer of the moisture in the exhaust gas 64 to the dry fresh gas 66, in particular supply air.
  • the respective peripheral frame 14 of the channel dividing plates 11 surrounds a receiving surface 18 for a semipermeable layer 30, for example a moisture-permeable membrane.
  • two opposite edge sections 26 on the receiving surface 18 are higher than the other two opposite edge sections 24.
  • the two opposite edge sections 26, which run in the direction of the longitudinal axis L, stand on both sides above the receiving surface 18 in a stacking direction 40 with a Overhang 34 so that flow channels 54 can form when channel plates are stacked on top of one another in the stacking direction 40 .
  • oblique webs 16 Arranged between two opposite sides of the respective frame 14 are oblique webs 16 which can be seen in FIG.
  • the duct plate 10 has a flow duct 52 which is formed by the duct dividing plates 11 placed on top of one another and runs in the interior 44 of the duct plates 10 .
  • the flow channel 52 can be used for the exhaust gas 64, for example.
  • a further flow channel 54 is formed, which runs perpendicular to the first flow channel 52 and runs between the semipermeable layers 30 of the two channel plates 10 placed one on top of the other.
  • the additional flow channel 54 can be used, for example, for the fresh gas 66 of the fuel cell system.
  • FIG. 5 shows the channel plate 10 according to FIG. 3 in a longitudinal section
  • FIG. 7 shows the channel plate 10 with the semipermeable layer 30 removed.
  • the design of the duct dividing plates 11 is designed in such a way that sloping webs 16 run in the flow area. Due to the shoring of the duct dividing plates 11 that is mirrored or rotated by 180°, the webs 16 that are designed and integrated into the duct dividing plates 11 meet and thereby cross one another. The resulting cross ribbing on two levels leads to a wave-like flow movement in the flow channel 52.
  • the webs 16 can direct the respective fluid to the semipermeable layer 30 and thus improve a moisture transfer between the two groups of flow channels 52, 54, for example. Through this targeted influencing of the flow, a better material transfer, in particular moisture transfer, can be achieved and the performance of the humidifying device 100 can thereby be increased.
  • the crossed webs 16 arranged one above the other of the two channel dividing plates 11 stacked on top of one another can be seen in the sectional view.
  • the webs 16 can advantageously be arranged equidistantly from one another.
  • the angle, distance and width of the webs 16 can vary.
  • a cross section of the webs 16 can, for example, be rectangular, rectangular with rounded edges, or round.
  • rectangular webs 16 of channel dividing plates 11 stacked on top of one another can be braced against one another in order to bear a pressure from the semipermeable layer 30 bearing on them. between themselves however, a thin gap can also be formed on opposite webs 16 for reasons of flow technology.
  • a channel plate 10 can advantageously be formed from a pair of channel dividing plates 11, which are stacked on top of one another in the stacking direction 40 to form a plate stack 50 (FIGS. 15, 16).
  • the duct dividing plates 11 can also be stacked one on top of the other individually and joined to form a plate stack 50 (FIGS. 15, 16).
  • the duct dividing plates 11 can advantageously be glued to one another, for example.
  • Figures 8 to 14 show a further embodiment of the invention with channel dividing plates 11, which are designed as fresh gas plates 12 and exhaust gas plates 13.
  • FIG. 8 shows a duct dividing plate 11 in the form of a fresh gas plate 12, illustrated without a semipermeable layer 30 (FIG. 10).
  • Figure 9 shows a channel dividing plate 11 in the form of an exhaust gas plate 13.
  • the channel dividing plate 11 in the form of the fresh gas plate 12 comprises a peripheral frame 14 , webs 16 running obliquely to a longitudinal axis L being arranged between two opposite sides of the frame 14 .
  • the webs 16 run, for example, from the bottom left to the top right.
  • the longitudinal axis L runs perpendicular to a stacking direction 40, which is indicated by an arrow in the figure.
  • Channel plates 10 (FIGS. 3-7) can be formed from the channel dividing plates 11 and can be stacked one on top of the other along the stacking direction 40 as intended.
  • the cross section of the channel dividing plates 11 can be rectangular, for example.
  • One flat side of the channel dividing plate 11 is formed by the semipermeable layer 30, the other flat side by webs 16.
  • the webs 16 have a cross section which is alternately L-shaped and U-shaped along the webs.
  • one leg 15 (FIG. 14) is angled in such a way that it protrudes into the adjoining flow channel during assembly.
  • two legs 15, 17 (FIG. 14) lying opposite one another on the web 16 are angled in such a way that they fit into the adjacent ones during assembly Flow channel protrude.
  • the legs 15, 17 protrude into the plane of the image.
  • the peripheral frame 14 surrounds a receiving surface 18 for a semipermeable layer 30, for example a membrane, in particular a moisture-permeable membrane.
  • a semipermeable layer 30 can be glued onto the receiving surface 18, for example.
  • the receiving surface 18 for the semipermeable membrane 30 (FIG. 10) has an edge section 26 on at least two opposite sides on the receiving surface 18, which is higher than the receiving surface 18 with the semipermeable layer 30 arranged thereon.
  • the two opposite edge sections 26 on the receiving surface 18 are higher than the other two opposite edge sections 24.
  • the two opposite edge sections 26 can protrude beyond the receiving surface 18 on both sides in a stacking direction 40 with a projection 34 .
  • spacers 25 are arranged. In this way, flow channels can be formed when channel dividing plates 11 are stacked on top of one another.
  • the spacers 25 of the edge sections 24 support each other.
  • Fresh gas can flow in the direction of the longitudinal axis L in a flow channel delimited by two fresh gas plates 12 .
  • the duct dividing plate 11 shown in FIG. 9 in the form of an exhaust gas plate 13 has webs 16 which, like the fresh gas plate 12, alternately have an L-shaped and a U-shaped cross section along their length. In FIG. 9, the legs 15, 17 (FIG. 14) of the L-shaped cross section and of the U-shaped cross section project out of the plane of the drawing.
  • the receiving surface 18 for the semi-permeable membrane 30 (FIG. 10) is arranged on the side of the exhaust gas plate 13 facing away from the viewer.
  • the webs 16 in the exhaust gas plate 13 run, for example, from the bottom right to the top left. Exhaust may be confined in one of two semipermeable layers 30 Flow channel flow in the direction of a transverse axis Q.
  • the transverse axis Q is perpendicular to the stacking direction 40 and to the longitudinal axis L.
  • the webs 16 of fresh gas plates 12 and exhaust gas plates 13 intersect the opposite side of the fresh gas plates 12 and exhaust gas plates 13, the semi-permeable layers 30 are arranged.
  • the backs of the webs 16, which lie in the plane of the receiving surface 18 and support the semipermeable layer 30, are on this side.
  • FIG. 10 shows a stack with three duct dividing plates 11, which form a pair of ducts with a flow duct 52 for exhaust gas and a flow duct 54 for fresh gas. Shown with semipermeable layer 30.
  • Figure 11 shows the stack with three channel dividing plates 11 from Figure 10 without semipermeable layer 30.
  • Figure 12 shows a detail of the stack with three channel dividing plates 11 from Figure 10.
  • the semi-permeable layer 30 is, as can be seen in the figure, deeper than the Randab sections 26 and can, for example, with the edge portions 24 are aligned, with spacers 25 on the edge portions 24 to the supernatant 34 project upwards.
  • a fresh gas plate 12 is followed by an exhaust gas plate 13 and then in turn a fresh gas plate 12.
  • Exhaust gas plate 13 extends from the inflow area 46L for the fresh gas 66 along the longitudinal axis L of the flow channel 54 for the fresh gas 66.
  • the distance between the two channel part plates 11 is stabilized by an inserted, unspecified grid.
  • the middle exhaust gas plate 13 and the upper fresh gas plate 12 are supported on the legs of their webs 16 against each other.
  • Exhaust gas 64 flows here through the flow channel 52 formed in this way, transversely to the longitudinal axis L to the outflow region 48Q of the exhaust gas 64.
  • the upper fresh gas plate 12 and the middle exhaust gas plate 13 are glued together in the area of the edge section 24 .
  • FIG. 13 shows a plan view of the stack of duct dividing plates 11 from FIG. 10 shown without a semipermeable layer with the section plane A-A indicated.
  • Figure 14 shows a detail of section A-A in Figure 13.
  • FIG. 15 shows a plate stack 50 of a humidification device 100, in particular for a fuel cell system, according to an exemplary embodiment of the invention in terms of structure in an isometric representation, while FIG. 16 shows the complete plate stack 50.
  • the humidifying device 100 has a plurality of channel plates 10, 20 which follow one another in a stacking direction 40 in a plate stack 50, as illustrated in FIGS. At least two groups of flow channels 52, 54 are formed in the plate stack 50, which are separated by semipermeable layers 30, in particular moisture-permeable layers 30, and which run transversely to one another.
  • a duct plate 10, 20 comprises two duct dividing plates 11 arranged one on top of the other in the stacking direction 40 with a peripheral frame 14, as shown in FIGS. Webs 16 running obliquely to the longitudinal axis L are arranged between two opposite sides of the respective frame 14, the webs 16 of the duct dividing plates 11 crossing one another viewed in the stacking direction 40, as can be seen in FIGS.
  • Apertures are formed in two opposite sides of the respective frame 14 to allow rods 58 to pass through the channel plates 10, 20, with which the channel plates 10, 20 in the plate stack 50 can be fixed to one another.
  • the webs 16 are arranged on the inside 44 of the respective duct dividing plate 11 .
  • the respective channel dividing plate 11 has a receiving surface 18 for the semipermeable layer 30 .
  • the first group of flow channels 52 is arranged between the outer sides 42 of the semipermeable layers 30 of successive channel plates 10 in the stacking direction 40 and the second group of flow channels 54 is arranged in the interior 44 of the at least one channel plate 10, 20 between the semipermeable layers 30 on both sides and from the semipermeable layers 30 in the stacking direction 40 is limited.
  • a flow channel 52 of one group alternately follows a flow channel 54 of the other group.
  • One of the groups of flow channels 54 runs along the longitudinal axis L, which is perpendicular to the stacking direction 40 .
  • the two groups of flow channels 52, 54 run transversely to one another.
  • the flow channel 54 between the outer sides 42 of the channel plates 10 with semipermeable layers 30 that follow one another in the stacking direction 40 can be made considerably narrower transversely to the longitudinal axis L, for example at most half as wide as a width of the flow channel 52 along the longitudinal axis L with the greatest width of the flow channels 52 in the interior 44 of the channel plate 10 between its semipermeable layers 30 on both sides.
  • channel plates 10 stacked on top of one another are connected to one another in a fluid-tight manner, with the exception of inflow or outflow regions 46L, 46Q, 48L, 48Q.
  • the channel plates 10 are welded or glued to the frame 14 of the channel dividing plates 11, for example, ver.
  • a second type of channel plate 20 can be formed free of semi-permeable layers 30 .
  • Such an alternative channel plate 20 is similar to a channel plate as in Figures 2 and 4.
  • Plate stacks 50 can thus be formed by arranging 40 channel plates 10 of the first type alternating with channel plates 20 of the second type in the stacking direction, namely by a channel plate 10 with semipermeable layers 30 and a channel plate 20 without semipermeable layers 30 are alternately stacked on each other.
  • flow channels 52 of the first group ribbed with webs 16 flow channels 54 of the second group can also advantageously be formed, which also have ribbing with webs 16, which contribute to additional turbulence and increased turbulence of the flowing fluid.
  • FIG. 17 shows a humidification device 100 according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric representation.
  • FIG. 17 shows an external view of the moistening device 100.
  • the humidification device 100 includes the housing 102 with an inlet 104 and an outlet 106 for a first fluid, for example exhaust gas from fuel cells, and an inlet 108 and an outlet 110 for a second fluid, for example fresh gas, in particular air, as a reaction medium for fuel cells .
  • a first fluid for example exhaust gas from fuel cells
  • a second fluid for example fresh gas, in particular air
  • the housing 102 there is a cuboid stack of plates 50, as shown in FIG.
  • the plate stack 50 is sealed off from the housing 102 at its end faces with a circumferential seal 68 .
  • the first fluid for example moist exhaust gas, in particular from a fuel cell, enters the housing 102 via the inlet 104 arranged at the bottom of the housing 102 in Figure 17 and flows through the flow channels 52 through the plate stack 50, in Figure 16 from the front into the image plane, and moisture off.
  • the flow channels 52 proceed from the inlet 104 near the outside of the plate stack 50 from into the stack of plates 50 and emerge from the housing 102 through the outlet 106 arranged at the bottom of the housing 102 in FIG.
  • the second fluid for example fresh gas, in particular dry air, in particular for a fuel cell, enters the housing 102 via the inlet 108 arranged at the front on the side of the housing 102 in Figure 17 and flows through the flow channels 54 through the plate stack 50, in Figure 16 from left to right , and absorbs moisture.
  • the flow channels 54 enter the plate stack 50 from the outside of the plate stack 50 near the inlet 108 and exit the housing 102 through the outlet 110 arranged at the rear of the housing 102 in FIG.
  • the two groups of flow channels 52, 54 are provided in a cross-flow arrangement, ie the directions of the flow channels 52, 54 are arranged obliquely or perpendicularly to one another.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung (100), mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel (50) in einer Stapelrichtung (40) aufeinander folgenden Kanal-platten (10, 20), wobei wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei in Stapelrichtung (40) aufeinander angeordnete Kanalteilplatten (11) mit umlaufendem Rahmen (14) umfasst, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg zu einer Längsachse (L) der Kanalplatte (10, 20) verlaufende Stege (16) angeordnet sind. Die Stege (16) benachbarter Kanalteilplatten (11) kreuzen sich in Stapelrichtung (40) gesehen. Ferner betrifft die Erfindung eine Kanalteilplatte (11) für eine Befeuchtungseinrichtung (100) sowie eine Kanalplatte (10, 20) für eine Befeuchtungseinrichtung (100).

Description

Beschreibung
Befeuchtungseinrichtung mit Kanalplatten, Kanalteilplatte und Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von Kanalplatten, sowie eine Kanalteilplatte und eine Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung.
Stand der Technik
DE 102016224478 A1 offenbart einen Membranbefeuchter für Brennstoffzellen systeme, bei dem feuchtes Abgas aus der Brennstoffzelle zum Befeuchten von Reaktionsgasen in den Brennstoffzellen eingesetzt wird. Der Membranbefeuchter um fasst mehrere aufeinander gestapelte Strömungsplatten. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten bzw. nebeneinander angeordneten Strömungsplatten ist jeweils eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte Kanalteilplatte für eine derartige Befeuchtungseinrichtung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte Kanalplatte für eine derartige Befeuchtungseinrichtung anzugeben.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst von einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten, wobei wenigstens eine Kanalplatte zwei in Stapelrichtung aufeinander angeordnete Kanalteilplatten mit umlaufendem Rahmen umfasst, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg zu einer Längsachse der Kanalplatte verlaufende Stege angeordnet sind, wobei im Plattenstapel wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen, getrennt sind; wobei in Stapelrichtung aufeinander folgend abwechselnd ein Strömungskanal der einen Gruppe auf einen Strömungskanal der anderen Gruppe folgt, wobei eine der Gruppen von Strömungskanälen entlang der Längsachse verläuft, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt und wobei die Stege der Kanalteilplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Die weitere Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst von einer Kanalteilplatte, hergerichtet für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen umlaufenden Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens schräg zu einer Längsachse verlaufende Stege angeordnet sind. Die weitere Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst von einer Kanalplatte, hergerichtet für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit zwei in einer Stapelrichtung aufeinander angeordneten Kanalteilplatten mit umlaufendem Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg zu einer Längsachse verlaufende Stege angeordnet sind, wobei die Stege der Kanalteilplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An sprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten, wobei wenigstens eine Kanalplatte zwei in Stapelrichtung aufeinander angeordnete Kanalteilplatten mit umlaufendem Rahmen umfasst. Dabei sind zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg zu einer Längsachse der Kanalplatte verlaufende Stege angeordnet. Im Plattenstapel sind wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet, welche durch semipermeable Lagen, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen, getrennt sind, wobei in Stapelrichtung aufeinander folgend abwechselnd ein Strömungskanal der einen Gruppe auf einen Strömungskanal der anderen Gruppe folgt, wobei eine der Gruppen von Strömungskanälen entlang der Längsachse verläuft, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt. Dabei kreuzen sich die Stege der Kanalteilplatten in Stapelrichtung gesehen.
Günstigerweise kann in einer Gruppe von Strömungskanälen feuchtes oder wasserreiches Fluid strömen, beispielsweise Abgas von Brennstoffzellen, während in der anderen Gruppe von Strömungskanälen trockenes Fluid als Frischgas, beispielsweise Luft, strömen kann. Über die semipermeable Lage kann das trockene Fluid von dem im benachbarten Strömungskanal strömenden anderen Fluid befeuchtet werden.
Vorzugsweise sind die Strömungskanäle innerhalb von den Kanalplatten und zwischen den Kanalplatten ausgebildet,
Die vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung kann beispielsweise eine vorteilhafte Ausführungsform eines Flachmembranbefeuchters sein. Dabei wird insbesondere der Strömungskanal für das Abgas des Brennstoffzellensystems aus zwei Kanalteilplatten gebildet. Die Ausführung der Kanalteilplatten ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Kanalteilplatten treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur semipermeablen Lage hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden. Vorteilhaft schließen jeweils drei aufeinander gestapelte Kanalteilplatten zwei Strömungskanäle ein. Günstigerweise können die Stege einstückig mit einer Kanalteilplatte ausgebildet sein und in einem gemeinsamen Herstellprozess, beispielsweise im Spritzgussverfahren, hergestellt sein. Durch die in die Kanalteilplatten integrierten Stege kann ein vereinfachter Aufbau erreicht werden. Insbesondere kann durch einfaches Aufeinanderlegen der Kanalteilplatten eine Kreuzverrippung erreicht werden.
Die Stege können vorteilhaft äquidistant zueinander angeordnet sein. Jedoch können Winkel, Abstand und Breite der Stege durchaus variieren. Ein Querschnitt der Stege kann beispielsweise rechteckförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Kanten, oder rund ausgebildet sein. Vorteilhaft können sich beispielsweise rechteckförmige Stege von aufeinander gestapelten Kanalteilplatten gegeneinander abstützen, um so einen Druck der auf ihnen lastenden semipermeablen Lage zu tragen. Die Stege können alternativ oder zusätzlich wenigstens bereichsweise andere Querschnitte aufweisen, beispiels weise L-förmige oder U-förmige Querschnitte, bei denen abgewinkelte Schenkel in den angrenzenden Strömungskanal ragen und dort Turbulenzen in dem Strömungskanal verstärken, die vorteilhaft für einen Stoffübertrag sind.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch der Strömungskanal für das Frischgas, insbesondere die Zuluft des Brennstoffzellensystems mit Stegen zur Strömungsbe- einflussung versehen werden.
Vorteilhaft ist bei der vorgeschlagenen Befeuchtungseinrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem jede Gruppe von Strömungskanälen in einer eigenen Kanalplatte angeordnet ist, nur die halbe Plattenanzahl notwendig, da die beiden Gruppen von Strömungskanälen in bzw. an einer Kanalteilplatte ausgebildet sind. Entsprechend weist die Befeuchtungseinrichtung einen geringeren Durchflusswiderstand auf. Ebenso sind weniger Fügestellen für die Kanalteilplatten im Plattenstapel notwendig. Jede Kanalteilplatte mit semipermeabler Lage ist einzeln in der Produktion prüfbar, was insgesamt zu einem geringeren Ausschussrisiko an Kanalteilplatten führt, da defekte Kanalteilplatten vor dem Zusammenfügen zu einem Plattenstapel erkannt und aussortiert werden können. Die Stapelrichtung der Kanalplatten kann gerade sein, so dass der Plattenstapel von Kanalplatten quaderförmig ausgebildet ist, bei dem die beiden Zuströmbereiche für Frischgas und Abgas als zwei aufeinander senkrecht stehende Seitenflächen des Quaders ausgebildet sind. Die Stapelrichtung kann jedoch prinzipiell auch in Form eines Kreises oder Bogens ausgebildet sein, so dass sich als Anordnung der Kanalplatten beispielsweise ein Hohlzylinder ergibt, bei dem ein Zuström bereich als Wand des Hohlzylinders ausgebildet ist, und ein Zuströmbereich als eine Stirnfläche des Hohlzylinders. Günstigerweise kann die beispielsweise als Membran ausgebildete semipermeable Lage aus einem mikroporösen Material gebildet sein. Die Mikroporen im Material erlauben einen Feuchtetransport durch die semipermeable Lage. Vorteilhaft kann der Feuchtetransport mittels Kapillarwirkung im mikroporösen Material erfolgen. Insbesondere kann die semipermeable Lage aus PFSA gebildet sein. PFSA ist ein Kunststoff aus Perfluorosulfonsäure und unter anderem unter dem Markennamen Nafion bekannt. Die semipermeable Lage kann zu beiden Seiten poröse Lagen, insbesondere Vlieslagen, zum Schutz und zur mechanischen Stabilisierung aufweisen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die wenigstens eine Kanalplatte zwei identische Kanalteilplatten umfassen, welche entlang der Längsachse um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse um 180° gedrehte Anordnung der Kanalteilplatten kommen die Innenseiten mit den Stegen in der Kanalplatte unmittelbar aufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung der Kanalplatte, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases auf das trockene Frischgas, insbesondere Zuluft. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Kanalteilplatten erreicht werden kann, sodass fürdie Herstellung der Kanalplatte nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Kanalteilplatte nötig ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die Kanalteilplatten wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene aufweisen, in denen die Stege spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die Fertigung der Kanalteilplatte, insbesondere durch Kunststoff-Spritzgießen, vorteilhaft gestalten. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann eine erste Art von Kanalplatten beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage abgeschlossen sein, welche jeweils eine Außenseite der jeweiligen Kanalteilplatte bildet. Dabei können die Stege im Inneren der jeweiligen Kanalteilplatte zwischen den semipermeablen Lagen angeordnet sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft das Strömungsverhalten eines im Inneren der Kanalplatte geführten Abgasstroms beeinflusst werden, indem durch die kreuzweise Verrippung mittels der Stege eine Verwirbelung des Abgasstroms durch Erzeugen von Turbulenzen, insbesondere durch häufige Richtungswechsel der Strömung bewirkt wird. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die Stege wenigstens bereichsweise einen L-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweisen. Bei einem L-förmigen Querschnitt weist der jeweilige Steg einen abgewinkelten Schenkel auf, der in den angrenzenden Strömungskanal für das Abgas ragt. Der Schenkel kann ausgehend von einem Stegrücken in einem günstigen Winkelbereich zwischen 20° und 120° gegenüber dem Stegrücken abgewinkelt sein. Günstig sind Winkel um 90°, ein konkreter Winkel kann jedoch vom Fachmann nach Belieben gewählt werden.
Bei einem U-förmigen Querschnitt weist der Steg zwei sich am Steg gegenüberliegende abgewinkelte Schenkel auf, die in den angrenzenden Strömungskanal ragen. Die Schenkel können ausgehend von einem Stegrücken in einem günstigen Winkelbereich zwischen 20° und 120° gegenüber dem Stegrücken abgewinkelt sein. Günstig sind Winkel um 90°, ein konkreter Winkel kann jedoch vom Fachmann nach Belieben gewählt werden. Vorteilhaft kann durch die Stege ein Strömungsgitter auf der Abgasseite aus der Kanalteilplatte selbst mittels Umformung zu L-förmigen Querschnitten und/oder U- förmigen Querschnitten gebildet werden. Auf der Frischgasseite kann optional ein separates Strömungsgitter auf der semipermeablen Membran eingelegt werden, welche auf beiden Seiten den Strömungskanal für Frischgas begrenzen. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein verbesserter Stoffübertrag, insbesondere Feuchteübertrag vom Abgasstrom in den Frischgasstrom, erreicht werden. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden. Durch die Form der L-förmigen und der U-förmigen Querschnitte, insbesondere deren Höhe, Winkel zwischen Schenkel und Stegrücken, Abstände zwischen verschiedenartigen Querschnitten entlang eines Stegs und dergleichen, kann gezielt Einfluss auf den Stoffübertrag und den Druckverlust genommen werden. Der L-förmige Querschnitt bzw. U-förmige Querschnitt auf der Abgasseite kann zusätzlich als Abstandshalter dienen und verhindert das Kollabieren des Strömungskanals aufgrund eines etwaig herrschenden Differenzdruckes.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann wenigstens einer der Stege einer der Kanalteilplatten wenigstens bereichsweise einen L-förmigen und wenigstens bereichsweise einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Bei der Kombination von L-förmigen und U-förmigen Querschnitten entlang eines Stegs können sich U- und L-Querschnitte entlang des Verlaufs eines jeweiligen Stegs abwechseln, insbesondere mit äquidistanten Abständen. Die U-förmigen Querschnitte erlauben dabei eine ver besserte Abstützung zu der Verrippung bzw. den Stegen einer benachbarten Kanal- teilplatte, während die L-förmigen Querschnitte eine vorteilhafte Strömungsmischung und/oder Turbulenzerzeugung quer zur Durchströmungsrichtung ermöglichen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die Kanalteil platten wenigstens eine Frischgasplatte und wenigstens eine Abgasplatte umfassen, deren Stege im Querschnitt wenigstens bereichsweise unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere kann die wenigstens eine Frischgasplatte Stege mit einem wenigstens be reichsweise L-förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem ein abgewinkelter Schenkel des jeweiligen Stegs in den angrenzenden Strömungskanal ragt. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Abgasplatte Stege mit einem wenigstens bereichsweise U- förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem zwei sich am Steg gegenüberliegende abge winkelte Schenkel in den angrenzenden Strömungskanal ragen. Vorteilhaft kann ein verbesserter Stoffübertrag durch eine erhöhte Turbulenz im Strömungskanal für Abgas erreicht werden. Gleichzeitig kann eine günstige Abstützung der Abgasplatten gegenein andererreicht werden. Der insbesondere ebene Stegrücken kann günstig zum Auflegen der semipermeablen Membran genutzt werden.
Vorteilhaft kann eine Kanalplatte aus einer Abgasplatte und einer Frischgasplatte gebildet werden. Die beiden Kanalteilplatten können miteinander verklebt werden und mit weite ren Kanalplatten bestehend aus einer Abgasplatte und einer Frischgasplatte zu einem Plattenstapel gefügt werden. Alternativ können die einzelnen Kanalteilplatten separat aufeinander gestapelt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die erste Gruppe von Strömungskanälen zwischen den Außenseiten von zwei in Stapelrichtung aufeinan derfolgenden Kanalplatten angeordnet sein und die zweite Gruppe von Strömungska nälen im Inneren der wenigstens einen Kanalplatte zwischen den beidseitigen semiper meablen Lagen angeordnet sein und von den semipermeablen Lagen in Stapelrichtung begrenzt sein. Dadurch kann eine effiziente Strömungsführung von Abgas und Frischgas des Brennstoffzellensystems herbeigeführt werden. Außerdem kann der Feuchteübertrag vom Abgas auf die Frischgas auf diese Weise effizienter gestaltet werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die jeweilige Kanalteilplatte eine Aufnahmefläche für die semipermeable Lage aufweisen, wobei die Aufnahmefläche an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt aufweist, der höher als die Aufnahmefläche mit darauf angeordneter semipermeabler Lage ausgebildet ist. Werden die Kanalteilplatten aufein- ander gelegt, bildet sich zwischen den Kanalteilplatten mit darauf angeordneter semiper meabler Lageautomatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüber liegenden Seiten durch die Außenseiten der semipermeablen Lagen der in Stapelrichtung aufeinander folgender Kanalteilplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Kanalteilplatte mit darauf angeordneter semipermeabler Lagegebildet. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die beiden Gruppen von Strömungskanälen schräg oder quer zueinander verlaufen. Insbesondere kann der Strömungskanal zwischen den Außenseiten der in Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten mit semipermeablen Lagen quer zur Längsachse erheblich schmaler ausgebildet sein, insbesondere höchstens halb so breit, als eine Breite des Strömungskanals entlang der Längsachse mit der größten Breite der Strömungskanäle im Inneren der Kanalplatte zwischen ihren beidseitigen semipermeablen Lagen. Dabei entspricht die Außenseite der Kanalplatte der Außenseite der semipermeablen Lage und das Innere der Kanalplatte der Innenseite der semipermeablen Lage bezogen auf die Kanalplatte. Insbesondere kann dabei zwischen den Außenseiten von in Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Kanalplatten jeweils ein einziger, in Stapelrichtung beidseitig von semipermeablen Lagen begrenzter Strömungskanal ausgebildet sein. Der Strömungskanal kann einfach durch Aufeinanderlegen von Kanalteilplatten gebildet werden. Vorteilhaft können die Strömungskanäle zwischen den Innenseiten dersemiper- meablen Lagen gleichartig und äquidistant ausgebildet sein. Insbesondere können diese Strömungskanäle parallel zueinander verlaufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die Kanalplatten bis auf Zuström- oder Abströmbereiche fluiddicht miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Kanalplatten an den Rahmen der Kanalteilplatten mitein ander verbunden sein, insbesondere miteinander verschweißt oder verklebt sein. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige fluiddichte Verbindung zwischen den Kanalteil platten und ein praktisch leckagefreier Plattenstapel mit Kanalteilplatten hersteilen. Gleichzeitig kann der Plattenstapel mechanisch sehr stabil und robust sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann eine zweite Art von Kanal platten frei von semipermeablen Lagen ausgebildet sein. Mit dieser zweiten Art von Kanalplatten lassen sich vorteilhaft Strömungskanäle beispielsweise für das Frischgas, beispielsweise Zuluft, ausführen, welche ebenfalls eine wirksame Strömungs- beeinflussung durch Erzeugen von Turbulenzen aufweisen und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können in Stapelrichtung Kanalplatten der ersten Art alternierend mit Kanalplatten der zweiten Art angeordnet sein. Durch die alternierende Anordnung der beiden Arten von Kanalplatten, indem nämlich eine Kanalplatte mit semipermeablen Lagen und eine Kanalplatte ohne semipermeable Lagen jeweils wechselweise aufeinander gestapelt werden, lassen sich beispielsweise vorteilhaft Strömungskanäle für das Frischgas, beispielsweise die Zuluft ausführen, welche ebenfalls eine wirksame Strömungsbeeinflussung durch Erzeugen von Turbulenzen aufweisen und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Kanalteilplatte, hergerichtet für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend einen umlaufenden Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens schräg zu einer Längsachse verlaufende Stege angeordnet sind.
Die Ausführung der Kanalteilplatten kann so gestaltet sein, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch einen gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Kanalteilplatten beim Zusammenbau einer Kanalplatte treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur semipermeablen Lage hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden.
Vorteilhaft können die Kanalteilplatten in einer Ausführung identisch ausgebildet sein. Alternativ können die Kanalteilplatten wenigstens eine Frischgasplatte und wenigstens eine Abgasplatte umfassen, deren Stege im Querschnitt wenigstens bereichsweise unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere kann die wenigstens eine Frisch gas platte Stege mit einem wenigstens bereichsweise L-förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem ein abgewinkelter Schenkel des jeweiligen Stegs in einen bestimmungsgemäß angren zenden Strömungskanal ragt. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Abgasplatte Stege mit einem wenigstens bereichsweise U-förmigen Querschnitt auf weisen, bei dem zwei sich am Steg gegenüberliegende abgewinkelte Schenkel in einen bestimmungsgemäß angrenzenden Strömungskanal ragen. Vorteilhaft kann ein verbesserter Stoffübertrag durch eine erhöhte Turbulenz im Strömungskanal für Abgas erreicht werden. Gleichzeitig kann eine günstige Abstützung der Abgasplatten gegenein ander erreicht werden. Der insbesondere ebene Stegrücken kann günstig zum Auflegen der semipermeablen Membran genutzt werden.
Die Kanalteilplatte kann vorteilhaft aus Kunststoff, insbesondere Polyphenylensulfid oder faserverstärktem Polyphenylensulfid gebildet sein. Die Kanalteilplatte kann beispiels weise gespritzt oder geprägt sein. Der Einsatz anderer Kunststoffe ist möglich, sofern die Kunststoffe eine möglichst geringe Wasseraufnahme, und keine lonenabgabe aufweisen und außerdem temperaturbeständig sind. Günstigerweise kann zumindest der Rand der Kanalteilplatte aus Kunststoff gebildet sein, insbesondere aus Polyphenylensulfid oder faserverstärktem Polyphenylensulfid.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Kanalteilplatte können wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene vorgesehen sein, in denen die Stege spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die Fertigung der Kanalteilplatte, insbesondere durch Kunststoff-Spritzgießen vorteilhaft gestalten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Kanalteilplatte kann der umlaufende Rahmen eine Aufnahmefläche für eine semipermeable Lage umgeben. Insbesondere können zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegende Randabschnitte höher ausgebildet sein als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte. Insbesondere können dabei zwei gegenüberliegende Randabschnitte zu beiden Seiten über die Aufnahme fläche in einer Stapelrichtung mit einem Überstand überstehen. Der Überstand der Rand abschnitte über die Aufnahmefläche ist zweckmäßigerweise so groß, dass auch mit auf der Aufnahmefläche angeordneter semipermeabler Lage noch ein Überstand des Ran des über die semipermeable Lage vorhanden ist. Werden die Kanalteilplatten aufein ander gelegt, bildet sich zwischen den Kanalteilplatten mit darauf angeordneter semi permeabler Lage automatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüber liegenden Seiten durch die Außenseiten der semipermeablen Lagen der in Stapelrichtung aufeinander folgender Kanalteilplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Kanalteilplatte mit darauf angeordneter semipermeabler Lage gebildet.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Kanalplatte, hergerichtet für eine Befeuch tungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit zwei in einer Stapelrichtung aufeinander angeordneten Kanalteilplatten mit umlaufendem Rahmen. Dabei sind zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg zu einer Längsachse verlaufende Stege angeordnet, wobei die Stege der Kanal teilplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Die Ausführung der Kanalteilplatten kann so gestaltet sein, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Kanalteilplatten beim Zusammenbau einer Kanalplatte treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur semipermeablen Lage hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Kanalplatte zwei identische Kanalteilplatten umfassen, welche entlang einer Längsachse um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse um 180° gedrehte Anordnung der Kanalteilplatten kommen die Innenseiten mit den Stegen in der Kanalplatte unmittelbar aufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung der Kanalplatte, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases auf das trockene Frischgas. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Kanalteilplatten erreicht werden kann, so dass für die Herstellung der Kanalplatte nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Kanalteilplatte nötig ist.
Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, dass die Kanalteilplatten wenigstens eine Frischgasplatte und wenigstens eine Abgasplatte umfassen, deren Stege im Querschnitt wenigstens bereichsweise unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere kann die wenigstens eine Frischgasplatte Stege mit einem wenigstens bereichsweise L-förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem ein abgewinkelter Schenkel des jeweiligen Stegs in den angrenzenden Strömungskanal ragt. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Abgasplatte Stege mit einem wenigstens bereichsweise U-förmigen Querschnitt auf weisen, bei dem zwei sich am Steg gegenüberliegende abgewinkelte Schenkel in den angrenzenden Strömungskanal ragen. Vorteilhaft kann ein verbesserter Stoffübertrag durch eine erhöhte T urbulenz im Strömungskanal für Abgas erreicht werden. Gleichzeitig kann eine günstige Abstützung der Abgasplatten gegeneinander erreicht werden. Der insbesondere ebene Stegrücken kann günstig zum Auflegen der semipermeablen Membran genutzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Kanalplatte kann der jeweilig umlaufende Rahmen einer Kanalteilplatte eine Aufnahmefläche für eine semipermeable Lage um- geben. Insbesondere können zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegende Randabschnitte höher ausgebildet sein als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte. Insbesondere können dabei zwei gegenüberliegende Randabschnitte zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche in einer Stapelrichtung mit einem Überstand überstehen. Werden die Kanalteilplatten aufeinander gelegt, bildet sich zwischen den Kanalteilplatten mit darauf angeordneter semipermeabler Lage automatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüberliegenden Seiten durch die Außenseiten der semipermeablen Lage der in Stapelrichtung aufeinander folgender Kanalteilplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Kanalteilplatte mit darauf angeordneter semipermeabler Lage ge bildet. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können in der Stapelrichtung Kanalplatten angeordnet sein, die keine Stege oder eine sonstige Gestaltung zur Beeinflussung der Strömung aufweisen. Die Strömung kann in dieser Ausgestaltung mittels eines separaten Einlegteils beeinflusst werden. Wenigstens ein Einlegeteil kann beispielsweise Stege aufweisen, die vorteilhaft Strömungskanäle für das Frischgas, beispielsweise Zuluft, ausführen. In einer besonderen Ausführung kann durch die Anordnung mehrerer Einlegeile eine Kreuzverrippung erzeugt werden und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn- vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:
Figur 1 eine Kanalteilplatte mit einer semipermeablen Lage auf einer Seite für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Dar stellung; Figur 2 die Kanalteilplatte nach Figur 1 von der Rückseite mit schräg zu ihrer Längsachse verlaufenden Stegen;
Figur 3 eine Kanalplatte aus zwei Kanalteilplatten mit semipermeablen Lagen für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellen system, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung;
Figur 4 die Kanalplatte nach Figur 3, dargestellt ohne semipermeable Lage;
Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Kanalplatte nach Figur 4, dargestellt ohne semipermeable Lage;
Figur 6 die Kanalplatte nach Figur 3 in längsgeschnittener Darstellung; Figur 7 die Kanalplatte nach Figur 4 in längsgeschnittener Darstellung; Figur 8 eine Kanalteilplatte in Form einer Frischgasplatte nach einem Ausführungs beispiel der Erfindung, dargestellt ohne semipermeable Lage;
Figur 9 eine Kanalteilplatte in Form einer Abgasplatte nach dem Ausführungsbei spiel der Figur 8; Figur 10 einen Stapel mit drei Kanalteilplatten, welche ein Kanalpaar von Frischgas kanal und Abgaskanal bilden, dargestellt mit semipermeabler Lage;
Figur 11 den Stapel mit drei Kanalteilplatten aus Figur 10 ohne semipermeable Lage;
Figur 12 ein Detail des Stapels mit drei Kanalteilplatten aus Figur 10;
Figur 13 eine Draufsicht auf den Stapel von Kanalteilplatten aus Figur 10 ohne semipermeable Lage mit einer Schnittebene A-A;
Figur 14 ein Detail des Schnitts A-A in Figur 13; Figur 15 einen Plattenstapel einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung; Figur 16 einen Plattenstapel einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung; und
Figur 17 einer Befeuchtungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu ver stehen.
Figur 1 zeigt eine Kanalteilplatte 11 für eine Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer semipermeablen Lage 30 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung, während Figur 2 die Kanalteilplatte 11 von der Gegenseite her zeigt. Die Kanalteilplatte 11 umfasst einen umlaufenden Rahmen 14, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 14 schräg zu einer Längsachse L verlaufende Stege 16 angeordnet sind, wie in Figur 2 zu erkennen ist. Die Längsachse L verläuft senkrecht zu einer Stapelrichtung 40, die in der Figur mit einem Pfeil angedeutet ist. Aus den Kanalteilplatten 11 können Kanalplatten 10 (Figuren 3-7) gebildet werden, die bestimmungsgemäß entlang der Stapelrichtung 40 aufeinander gestapelt werden können. Der Querschnitt der Kanalteilplatten 11 kann beispielsweise rechteckig sein.
Dabei können wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene 28 der Kanalteilplatte 11 vorgesehen sein, wie bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, in denen die Stege 16 spiegelsymmetrisch zu einer Querachse Q zueinander angeordnet sind. Dieses kann aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein. Die Querachse Q ist senkrecht zur Stapelrichtung 40 und zur Längsachse L. Eine Flachseite der Kanalteilplatte 11 wird durch die semipermeable Lage 30 gebildet, die andere Flachseite durch die Stege 16.
Der umlaufende Rahmen 14 umgibt eine Aufnahmefläche 18 für eine semipermeable Lage 30, beispielsweise eine Membran, insbesondere eine feuchtedurchlässige Membran. Die semipermeable Lage 30 kann auf die Aufnahmefläche 18 beispielsweise aufgeklebt sein.
Die Aufnahmefläche 18 weist an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt 26 auf, der höher als die Aufnahmefläche 18 mit darauf angeordneter semipermeable Lage 30 ausgebildet ist
Die zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Randabschnitte 26 sind höher ausgebildet als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte 24. Insbesondere können die zwei gegenüberliegenden Randabschnitte 26 zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche 18 in einer Stapelrichtung 40 mit einem Überstand 34 überstehen. Die semipermeable Lage 30 liegt, wie in der Figur zu erkennen ist, tiefer als die Randabschnitte 26 und kann beispielsweise mit den Randabschnitten 24 fluchten, wobei mittige Distanzstücke 25 auf den Randabschnitten 24 um den Überstand 34 nach oben überstehen. Auf diese Weise können beim Aufeinanderstapeln von Kanalteilplatten 11 Strömungskanäle ausgebildet werden. Die Distanzstücke 25 der Randabschnitte 24 stützen sich dabei gegenseitig ab.
Die Seite der Kanalteilplatte 11 mit der semipermeablen Lage 30 bildet die Außenseite einer Kanalplatte 10 (Figuren 3-7). Auf ihrer gegenüberliegenden Rückseite sind die Randabschnitte 24 etwas höher als die Randabschnitte 26 und eben ausgebildet. Werden zwei Kanalteilplatten 11 aufeinander gelegt, um eine Kanalplatte 10 zu bilden (Figuren 3-7), kommen die eben ausgebildeten Rückseiten der Randabschnitte 24 miteinander in Kontakt. Die eine der beiden Kanalplatten 11 wird dabei um 180° um die Längsachse L gedreht.
Figur 3 zeigt eine Kanalplatte 10 für eine Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung, während in Figur 4 die Kanalplatte 10 nach Figur 3 ohne die semipermeable Lage 30 dargestellt ist. Figur 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Kanalplatte 10. Die Kanalplatte 10 weist zwei in einer Stapelrichtung 40 aufeinander angeordnete Kanalteilplatten 11 mit umlaufendem Rahmen 14 auf. Die zwei Kanalteilplatten 11 sind jeweils mit ihren Stegen 16 zueinander weisend aufeinander gelegt. Die Stege 16 der beiden Kanalteilplatten 11 bilden das Innere 44 der Kanalplatte 10. Die semipermeablen Lagen 30 bilden die beiden Außenseiten 42 der Kanalplatte 10.
Die wenigstens eine Kanalplatte 10 umfasst dabei zwei identische Kanalteilplatten 11, welche entlang einer Längsachse L um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse L um 180° gedrehte Anordnung der Kanalteilplatten 11 kommen die Stege 16 in der Kanalplatte 10 unmittelbaraufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung im Inneren 44 der Kanalplatte 10, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases 64 vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases 64 und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases 64 auf das trockene Frischgas 66, insbesondere Zuluft. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Kanalteilplatten 11 erreicht werden kann, sodass für die Herstellung der Kanalplatte 10 nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Kanalteilplatte 11 nötig ist. Der jeweilig umlaufende Rahmen 14 der Kanalteilplatten 11 umgibt eine Aufnahmefläche 18 für eine semipermeable Lage 30, beispielsweise eine feuchtedurchlässige Membran. Insbesondere sind dabei zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegende Randabschnitte 26 höher ausgebildet als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte 24. Die zwei gegenüberliegenden Randabschnitte 26, die in Richtung der Längsachse L verlaufen, stehen zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche 18 in einer Stapelrichtung 40 mit einem Überstand 34 über, sodass sich bei in Stapelrichtung 40 aufeinander gestapelten Kanalplatten Strömungskanäle 54 ausbilden können.
Zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens 14 sind schräg verlaufende Stege 16 angeordnet, welche in Figur 4 mit entfernter semipermeabler Lage 30 erkennbar sind, wobei die Stege 16 der aufeinander gestapelten Kanalteilplatten 11 sich in Stapelrichtung 40 gesehen kreuzen.
Die Kanalplatte 10 weist einen Strömungskanal 52 auf, welcher durch die aufeinander gelegten Kanalteilplatten 11 ausgebildet ist und im Inneren 44 der Kanalplatten 10 verläuft. Der Strömungskanal 52 kann beispielsweise für das Abgas 64 genutzt werden.
Werden zwei Kanalplatten 10 aufeinander gestapelt, dann wird ein weiterer Strö mungskanal 54 ausgebildet, der senkrecht zu dem ersten Strömungskanal 52 verläuft und jeweils zwischen den semipermeablen Lagen 30 der zwei aufeinander gelegten Kanalplatten 10 verläuft. Der weitere Strömungskanal 54 kann beispielsweise für das Frischgas 66 des Brennstoffzellensystems genutzt werden.
Beim Aufeinanderstapeln der Kanalplatten 10 in Stapelrichtung 40 kommen deren Randabschnitte 24 mit ihren nicht näher bezeichneten mittigen Distanzstücken (Figur 1 , Figur 3) und deren gegenüber den Randabschnitten 24 erhöhte Randabschnitte 26 miteinander in Kontakt. Dabei ist der jeweilige Zuströmbereich 46L, 46Q der beiden Strömungskanäle 52, 54 je weils in der Bildebene vorne ausgebildet, während der Abströmbereich 48L, 48Q in Bild ebene hinten ausgebildet ist. Der eine Strömungskanal 52 verläuft quer zur Längsachse L, der andere Strömungskanal 54 verläuft in Richtung der Längsachse L.
In der vergrößerten Darstellung in Figur 5 sind die über Kreuz angeordneten Stege 16 im Inneren 44 der durch die beiden aufeinander angeordneten Kanalteilplatten 11 gebildeten Kanalplatte 10 erkennbar. Figur 6 zeigt die Kanalplatte 10 nach Figur 3 in längsgeschnittener Darstellung, während in Figur 7 die Kanalplatte 10 mit entfernter semipermeabler Lage 30 dargestellt ist.
Die Ausführung der Kanalteilplatten 11 ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege 16 im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Kanalteilplatten 11 treffen die in den Kanalteilplatten 11 integriert ausgebil deten Stege 16 aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal 52. Die Stege 16 können das jeweilige Fluid zur semipermeablen Lage 30 hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbe einflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung 100 gesteigert werden.
In der geschnittenen Darstellung sind die jeweils gekreuzten, übereinander angeordneten Stege 16 der beiden aufeinander gestapelten Kanalteilplatten 11 erkennbar.
Die Stege 16 können vorteilhaft äquidistant zueinander angeordnet sein. Jedoch können Winkel, Abstand und Breite der Stege 16 durchaus variieren. Ein Querschnitt der Stege 16 kann beispielsweise rechteckförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Kanten, oder rund ausgebildet sein. Vorteilhaft können sich beispielsweise rechteckförmige Stege 16 von aufeinander gestapelten Kanalteilplatten 11 gegeneinander abstützen, um so einen Druck der auf ihnen lastenden semipermeablen Lage 30 zu tragen. Zwischen den sich gegenüber liegenden Stegen 16 kann jedoch aus strömungstechnischen Gründen auch ein dünner Spalt ausgebildet sein.
Vorteilhaft kann aus einem Paar von Kanalteilplatten 11 eine Kanalplatte 10 gebildet werden, die zum Bilden eines Plattenstapels 50 (Figuren 15, 16) in Stapelrichtung 40 aufeinander gestapelt werden. Alternativ können die Kanalteilplatten 11 auch einzeln aufeinander gestapelt und zu einem Plattenstapel 50 (Figuren 15, 16) gefügt werden. Vorteilhaft können die Kanalteilplatten 11 beispielsweise miteinander verklebt werden.
Die Figuren 8 bis 14 zeigen eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit Kanalteilplatten 11, die als Frischgasplatten 12 und Abgasplatten 13 ausgebildet sind.
Figur 8 zeigt eine Kanalteilplatte 11 in Form einer Frischgasplatte 12, dargestellt ohne semipermeable Lage 30 (Figur 10). Figur 9 zeigt eine Kanalteilplatte 11 in Form einer Abgasplatte 13.
Die Kanalteilplatte 11 in Form der Frischgasplatte 12 umfasst einen umlaufenden Rahmen 14, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 14 schräg zu einer Längsachse L verlaufende Stege 16 angeordnet sind. In der Figur 8 verlaufen die Stege 16 beispielsweise von links unten nach rechts oben.
Die Längsachse L verläuft senkrecht zu einer Stapelrichtung 40, die in der Figur mit einem Pfeil angedeutet ist. Aus den Kanalteilplatten 11 können Kanalplatten 10 (Figuren 3-7) gebildet werden, die bestimmungsgemäß entlang der Stapelrichtung 40 aufeinander gestapelt werden können. Der Querschnitt der Kanalteilplatten 11 kann beispielsweise rechteckig sein. Eine Flachseite der Kanalteilplatte 11 wird durch die semipermeable Lage 30 gebildet, die andere Flachseite durch Stege 16.
Die Stege 16 weisen einen Querschnitt auf, der entlang der Stege abwechselnd L-förmig und U-förmig ausgebildet ist. Beim L-förmigen Querschnitt ist ein Schenkel 15 (Figur 14) so abgewinkelt, dass er beim Zusammenbau in den angrenzenden Strömungskanal ragt. Beim U-förmigen Querschnitt sind zwei sich am Steg 16 gegenüberliegende Schenkel 15, 17 (Figur 14) so abgewinkelt, dass sie beim Zusammenbau in den angrenzenden Strömungskanal ragen. In Figur 8 ragen die Schenkel 15, 17 (Figur 14) in die Bildebene hinein.
Der umlaufende Rahmen 14 umgibt eine Aufnahmefläche 18 für eine semipermeable Lage 30, beispielsweise eine Membran, insbesondere eine feuchtedurchlässige Membran. Die semipermeable Lage 30 kann auf die Aufnahmefläche 18 beispielsweise aufgeklebt sein.
Die Aufnahmefläche 18 für die semipermeable Membran 30 (Figur 10) weist an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt 26 auf, der höher als die Aufnahmefläche 18 mit darauf angeord neter semipermeable Lage 30 ausgebildet ist.
Die zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Randabschnitte 26 sind höher ausgebildet als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte 24.
Insbesondere können die zwei gegenüberliegenden Randabschnitte 26 zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche 18 in einer Stapelrichtung 40 mit einem Überstand 34 über stehen. An den Randabschnitten 24 sind Distanzstücke 25 angeordnet. Auf diese Weise können beim Aufeinanderstapeln von Kanalteilplatten 11 Strömungskanäle ausgebildet werden. Die Distanzstücke 25 der Randabschnitte 24 stützen sich dabei gegenseitig ab. Frischgas kann in einem von zwei Frischgasplatten 12 begrenzten Strömungskanal in Richtung der Längsachse L strömen. Die in Figur 9 dargestellte Kanalteilplatte 11 in Form einer Abgasplatte 13 weist Stege 16 auf, die wie die Frischgasplatte 12 entlang ihrer Längserstreckung abwechselnd einen L- förmigen und ein U-förmigen Querschnitt aufweisen. In der Figur 9 ragen die Schenkel 15, 17 (Figur 14) des L-förmigen Querschnitts und des U-förmigen Querschnitts aus der Bildebene heraus. Die Aufnahmefläche 18 für die semipermeable Membran 30 (Figur 10) ist auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Abgasplatte 13 angeordnet.
In Figur 9 verlaufen die Stege 16 bei der Abgasplatte 13 beispielsweise von rechts unten nach links oben. Abgas kann in einem von zwei semipermeablen Lagen 30 begrenzten Strömungskanal in Richtung einer Querachse Q strömen. Die Querachse Q ist senkrecht zur Stapelrichtung 40 und zur Längsachse L.
Werden Frischgasplatten 12, und Abgasplatten 13 abwechselnd aufeinander gestapelt, überkreuzen sich die Stege 16 von Frischgasplatten 12 und Abgasplatten 13. Dabei stützen sich die Schenkel 15, 17 der Stege 16 auf der einen Seite der Frischgasplatten 12 und Abgasplatten 13 jeweils gegeneinander ab, während auf der gegenüberliegenden Seite der Frischgasplatten 12 und Abgasplatten 13 die semipermeablen Lagen 30 angeordnet sind. Auf dieser Seite liegen die Stegrücken der Stege 16, die in der Ebene der Aufnahmefläche 18 liegen und die semipermeable Lage 30 abstützen.
Figur 10 zeigt einen Stapel mit drei Kanalteilplatten 11 , welche ein Kanalpaar mit einem Strömungskanal 52 für Abgas und einen Strömungskanal 54 für Frischgas bilden. Dar gestellt mit semipermeabler Lage 30. Figur 11 zeigt den Stapel mit drei Kanalteilplatten 11 aus Figur 10 ohne semipermeable Lage 30. Figur 12 zeigt ein Detail des Stapels mit drei Kanalteilplatten 11 aus Figur 10.
Die semipermeable Lage 30 liegt, wie in der Figur zu erkennen ist, tiefer als die Randab schnitte 26 und kann beispielsweise mit den Randabschnitten 24 fluchten, wobei Distanz stücke 25 auf den Randabschnitten 24 um den Überstand 34 nach oben überstehen.
Wie in der Detailansicht in Figur 12 zu erkennen ist, folgt, in der Figur von unten nach oben, auf eine Frischgasplatte 12 eine Abgasplatte 13 und darauf wiederum eine Frisch gasplatte 12. Zwischen den sich gegenüberliegenden semipermeablen Lagen 30 der unteren Frischgasplatte 12 und der mittleren Abgasplatte 13 erstreckt sich vom Ein- strömbereich 46L für das Frischgas 66 entlang der Längsachse L der Strömungskanal 54 für das Frischgas 66. Der Abstand der beiden Kanalteilplatten 11 ist durch ein einge legtes, nicht näher bezeichnetes Gitter stabilisiert. Die mittlere Abgasplatte 13 und die obere Frischgasplatte 12 stützen sich über die Schenkel ihrer Stege 16 gegeneinander ab. Abgas 64 strömt hier durch den so gebildeten Strömungskanal 52 quer zur Längs achse L zum Abström bereich 48Q des Abgases 64. Die obere Frischgasplatte 12 und die mittlere Abgasplatte 13 sind im Bereich des Randabschnitts 24 miteinander verklebt.
Figur 13 zeigt eine Draufsicht auf den Stapel von Kanalteilplatten 11 aus Figur 10 dargestellt ohne semipermeable Lage mit angedeuteter Schnittebene A-A. Figur 14 zeigt ein Detail des Schnitts A-A in Figur 13.
Zu erkennen ist die alternierende Anordnung von L-förmigen und U-förmigen Querschnitten der Stege 16 mit einseitigen Schenkeln 15 einerseits und beidseitig abgewinkelten Schenkeln 15, 17 andererseits. In diesem Beispiel ist im Strömungskanal für Frischgas 66 kein Gitter eingelegt.
Figur 15 zeigt einen Plattenstapel 50 einer Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung, während in Figur 16 der komplette Plattenstapel 50 dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 100 weist eine Mehrzahl von in einem Plattenstapel 50 in einer Stapelrichtung 40 aufeinander folgenden Kanalplatten 10, 20 auf, wie sie in den Figuren 3 bis 7 dargestellt sind. Im Plattenstapel 50 sind wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 ausgebildet, welche durch semipermeable Lagen 30, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen 30, getrennt sind und die quer zueinander verlaufen. Dabei umfasst eine Kanalplatte 10, 20 zwei in Stapelrichtung 40 aufeinander angeordnete Kanalteilplatten 11 mit umlaufendem Rahmen 14, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens 14 sind schräg zur Längsachse L verlaufende Stege 16 angeordnet, wobei die Stege 16 der Kanalteilplatten 11 sich in Stapelrichtung 40 gesehen kreuzen, wie in den Figuren 4, 5 und 7 erkennbar ist. In zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens 14 sind Öffnungen ausgebildet, um Stangen 58 durch die Kanalplatten 10, 20 durchzuführen, mit denen die Kanalplatten 10, 20 im Plattenstapel 50 aufeinander fixiert werden können. Eine erste Art von Kanalplatten 10, wie in Figur 6 erkennbar, ist beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage 30 abgeschlossen, welche auf einer Außenseite 42 der jeweiligen Kanalteilplatte 11 angeordnet ist. Dabei sind die Stege 16 an der Innenseite 44 der jeweiligen Kanalteilplatte 11 angeordnet.
Die jeweilige Kanalteilplatte 11 weist eine Aufnahmefläche 18 für die semipermeable Lage 30 auf.
Die erste Gruppe von Strömungskanälen 52 ist zwischen den Außenseiten 42 der semipermeablen Lagen 30 von in Stapelrichtung 40 aufeinanderfolgenden Kanalplatten 10 angeordnet und die zweite Gruppe von Strömungskanälen 54 ist im Inneren 44 der wenigstens einen Kanalplatte 10, 20 zwischen den beidseitigen semipermeablen Lagen 30 angeordnet und von den semipermeablen Lagen 30 in Stapelrichtung 40 begrenzt.
In Stapelrichtung 40 folgt abwechselnd ein Strömungskanal 52 der einen Gruppe auf einen Strömungskanal 54 der anderen Gruppe. Eine der Gruppen von Strömungskanälen 54 verläuft dabei entlang der Längsachse L, die senkrecht zur Stapelrichtung 40 liegt.
Die beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 verlaufen quer zueinander. Insbeson dere kann der Strömungskanal 54 zwischen den Außenseiten 42 der in Stapelrichtung 40 aufeinander folgenden Kanalplatten 10 mit semipermeablen Lagen 30 quer zur Längs achse L erheblich schmaler ausgebildet sein, beispielsweise höchstens halb so breit, als eine Breite des Strömungskanals 52 entlang der Längsachse L mit der größten Breite der Strömungskanäle 52 im Inneren 44 der Kanalplatte 10zwischen ihren beidseitigen semi permeablen Lagen 30. In einer alternativen Ausführung kann zwischen den Außenseiten 42 von in Stapelrichtung 40 aufeinanderfolgenden Kanalplatten 10 jeweils ein einziger Strömungskanal 52 ausgebildet sein.
Die aufeinander gestapelten Kanalplatten 10 sind bis auf Zuström- oder Abströmbereiche 46L, 46Q, 48L, 48Q fluiddicht miteinander verbunden. Insbesondere sind die Kanal platten 10 an den Rahmen 14 der Kanalteilplatten 11 beispielsweise miteinander ver schweißt oder verklebt. In einer alternativen Ausgestaltung kann eine zweite Art von Kanalplatten 20 frei von semipermeablen Lagen 30 ausgebildet sein. Eine solche alternative Kanalplatte 20 ähnelt einer Kanalplatte wie in Figuren 2 und 4. Damit können Plattenstapel 50 gebildet werden, indem in Stapelrichtung 40 Kanalplatten 10 der ersten Art alternierend mit Kanalplatten 20 der zweiten Art angeordnet sind, indem nämlich eine Kanalplatte 10 mit semipermeablen Lagen 30 und eine Kanalplatte 20 ohne semipermeable Lagen 30 jeweils wechselweise aufeinander gestapelt werden. So können zusätzlich zu den mit Stegen 16 verrippten Strömungskanälen 52 der ersten Gruppe auch vorteilhaft Strömungskanäle 54 der zweiten Gruppe gebildet werden, die ebenfalls Verrippungen mit Stegen 16 aufweisen, welche für zusätzliche Verwirbelungen und erhöhter Turbulenzbildung des strömenden Fluids beitragen.
Figur 17 zeigt eine Befeuchtungseinrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.
In Figur 17 ist eine Außenansicht der Befeuchtungseinrichtung 100 dargestellt. Die Befeuchtungseinrichtung 100 umfasst das Gehäuse 102 mit einem Eingang 104 und einem Ausgang 106 für ein erstes Fluid, beispielsweise Abgas von Brennstoffzellen, und einen Eingang 108 und einen Ausgang 110 für ein zweites Fluid, beispielsweise Frisch- gas, insbesondere Luft, als Reaktionsmedium für Brennstoffzellen. In der Befeuch tungseinrichtung 100 erfolgt ein Feuchteübertrag vom ersten Fluid auf das zweite Fluid.
Im Gehäuse 102 ist ein quaderförmiger Plattenstapel 50, wie in Figur 16dargestellt, angeordnet, bei dem Kanalteilplatten 11 bzw. Kanalplatten 10 in einer Stapelrichtung 40 aufeinander folgen. Der Plattenstapel 50 ist an seinen Stirnseiten mit einer umlaufenden Dichtung 68 gegen das Gehäuse 102 abgedichtet.
Das erste Fluid, beispielsweise feuchtes Abgas insbesondere einer Brennstoffzelle, gelangt überden in Figur 17 unten am Gehäuse 102 angeordneten Eingang 104 in das Gehäuse 102 und strömt durch Strömungskanäle 52 durch den Plattenstapel 50, in der Figur 16 von vorne in die Bildebene hinein, und gibt Feuchtigkeit ab. Die Strömungs kanäle 52 gehen von der dem Eingang 104 nahen Außenseite des Plattenstapels 50 aus in den Plattenstapel 50 hinein und treten durch den in der Figur 17 unten am Gehäuse 102 angeordneten Ausgang 106 aus dem Gehäuse 102 aus.
Das zweite Fluid, beispielsweise Frischgas, insbesondere trockene Luft insbesondere für eine Brennstoffzelle, gelangt über den in Figur 17 vorne seitlich am Gehäuse 102 angeordneten Eingang 108 in das Gehäuse 102 und strömt durch Strömungskanäle 54 durch den Plattenstapel 50, in Figur 16 von links nach rechts, und nimmt Feuchtigkeit auf. Die Strömungskanäle 54 gehen von der dem Eingang 108 nahen Außenseite des Plattenstapels 50 aus in den Plattenstapel 50 hinein und treten durch den in der Figur 17 hinten am Gehäuse 102 angeordneten Ausgang 110 aus dem Gehäuse 102 aus.
Die beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 sind in einer Kreuzstrom-Anordnung vorgesehen, d.h. die Richtungen der Strömungskanäle 52, 54 sind schräg oder senkrecht zueinander angeordnet.
Bezugszeichen
10 Kanalplatte
11 Kanalteilplatte
12 Frischgasplatte
13 Abgasplatte
14 Rahmen
16 Steg
18 Aufnahmefläche 20 Kanalplatte
24 Randabschnitt
25 Distanzstück
26 Randabschnitt
28 Plattenebene
30 semipermeable Lage 34 Überstand
40 Stapelrichtung
42 Außenseite
44 Inneres
46L, 46Q Zuströmbereich
48L, 48Q Abström bereich
50 Plattenstapel
52 Strömungskanal 54 Strömungskanal 58 Stange
64 Abgas
66 Frischgas
68 Dichtung
100 Befeuchtungseinrichtung 102 Gehäuse
104 Eingang Fluid 1 Abgas
106 Ausgang Fluid 1
108 Eingang Fluid 2 Frischgas
110 Ausgang Fluid 2 L Längsachse
Q Querachse

Claims

Ansprüche
1. Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel (50) in einer Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden Kanalplatten (10, 20), wobei wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei in Stapelrichtung (40) aufeinander angeordnete Kanalteilplatten (11) mit umlaufendem Rahmen (14) umfasst, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg zu einer Längsachse (L) der Kanalplatte (10, 20) verlaufende Stege (16) angeordnet sind, im Plattenstapel (50) wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen (52, 54) ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen (30), insbesondere feuchtedurchlässige Lagen (30), getrennt sind, wobei in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgend abwechselnd ein Strömungskanal (52) der einen Gruppe auf einen Strömungskanal (54) der anderen Gruppe folgt, wobei eine der Gruppen von Strömungskanälen (54) entlang der Längsachse (L) verläuft, die senkrecht zur Stapelrichtung (40) liegt; wobei die Stege (16) der Kanalteilplatten (11) sich in Stapelrichtung (40) gesehen kreuzen.
2. Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 , wobei die wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei identische Kanalteilplatten (11) umfasst, welche entlang der Längsachse (L) um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind.
3. Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kanalteilplatten (11) wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene (28) aufweisen, in denen die Stege (16) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
4. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Art von Kanalplatten (10) beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage (30) abgeschlossen ist, welche jeweils eine Außenseite (42) der jeweiligen Kanalteilplatte (11) bildet und wobei die Stege (16) im Inneren (44) der jeweiligen Kanalteilplatte (11) zwischen den semipermeablen Lagen (30) angeordnet sind.
5. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (16) wenigstens bereichsweise einen L-förmigen oder U-förmigen Quer- schnitt aufweisen, wobei bei einem L-förmigen Querschnitt der jeweilige Steg (16) einen abgewinkelten Schenkel aufweist, der in den angrenzenden Strömungs kanal (52) ragt, und wobei bei einem U-förmigen Querschnitt der Steg (16) zwei sich am Steg (16) gegenüberliegende abgewinkelte Schenkel (15, 17) aufweist, die in den angrenzenden Strömungskanal (52) ragen.
6. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Stege (16) einer der Kanalteilplatten (11) wenigstens be reichsweise einen L-förmigen und wenigstens bereichsweise einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
7. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanalteilplatten (11) wenigstens eine Frischgasplatte (12) und wenigstens eine Abgasplatte (13) umfassen, deren Stege (16) im Querschnitt wenigstens bereichs weise unterschiedlich ausgebildet sind, insbesondere wobei die wenigstens eine Frischgasplatte (12) Stege (16) mit einem wenigstens bereichsweise L-förmigen Querschnitt aufweist, bei dem ein abge winkelter Schenkel (15) des jeweiligen Stegs (16) in den angrenzenden Strö mungskanal (52) ragt, und/oder insbesondere wobei die wenigstens eine Abgasplatte (13) Stege (16) mit einem wenigstens bereichsweise U-förmigen Querschnitt aufweist, bei dem zwei sich am
Steg (16) gegenüberliegende abgewinkelte Schenkel (15, 17) in den angren zenden Strömungskanal (52) ragen.
8. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Gruppe von Strömungskanälen (52) zwischen den Außenseiten (42) von zwei in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden Kanalplatten (10) angeordnet ist und die zweite Gruppe von Strömungskanälen (54) im Inneren (44) derwenigstens einen Kanalplatte (10, 20) zwischen den beidseitigen semipermeablen Lagen (30) angeordnet ist und von den semipermeablen Lagen (30) in Stapelrichtung (40) begrenzt ist.
9. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Kanalteilplatte (11) eine Aufnahmefläche (18) für die semipermeable
Lage (30) aufweist, wobei die Aufnahmefläche (18) an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt (26) aufweist, der höher als die Aufnahmefläche (18) mit darauf angeordneter semipermeabler Lage (30) ausgebildet ist.
10. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Gruppen von Strömungskanälen (52, 54) schräg oder quer zueinander verlaufen, insbesondere wobei der Strömungskanal (54) zwischen den Außen seiten (42) der in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden Kanalplatten (10) mit semipermeablen Lagen (30) quer zur Längsachse (L) erheblich schmaler aus gebildet ist, insbesondere höchstens halb so breit, als eine Breite des Strö mungskanals (52) entlang der Längsachse (L) mit der größten Breite der Strö mungskanäle (52) im Inneren (44) der Kanalplatte (10) zwischen ihren beidseitigen semipermeablen Lagen (30), insbesondere wobei zwischen den Außenseiten (42) von in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden Kanalplatten (10) jeweils ein einziger Strömungskanal (52) ausgebildet ist.
11. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanalplatten (10) bis auf Zuström- oder Abströmbereiche (46L, 46Q, 48L, 48Q) fluiddicht miteinander verbunden sind, insbesondere an den Rahmen (14) der
Kanalteilplatten (11) miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt oder verklebt sind.
12. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Art von Kanalplatten (20) frei von semipermeablen Lagen (30) ausgebildet ist.
13. Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Stapelrichtung (40) Kanalplatten (10) der ersten Art alternierend mit Kanalplatten (20) der zweiten Art angeordnet sind.
14. Kanalteilplatte (11) hergerichtet für eine Befeuchtungseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen umlaufenden Rahmen (14), wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens (14) schräg zu einer Längsachse (L) verlaufende Stege (16) angeordnet sind.
15. Kanalteilplatte nach Anspruch 14, wobei wenigstens zwei Bereiche in einer
Plattenebene (28) vorgesehen sind, in denen die Stege (16) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
16. Kanalteilplatte nach Anspruch 14 oder 15, wobei der umlaufende Rahmen (14) eine Aufnahmefläche (18) für eine semipermeable Lage (30) umgibt, insbesondere wobei zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegende Randabschnitte (26) höher ausgebildet sind als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte (24), insbesondere wobei zwei gegenüberliegende Randab schnitte (26) zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche (18) in einer Stapel- richtung (40) mit einem Überstand (34) überstehen.
17. Kanalplatte (10, 20) hergerichtet für eine Befeuchtungseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit zwei in einer Stapelrichtung (40) aufeinander angeordneten Kanalteilplatten (11) mit umlaufendem Rahmen (14), wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg zu einer Längsachse (L) verlaufende Stege (16) angeordnet sind, wobei die Stege (16) der Kanalteilplatten (11) sich in Stapelrichtung (40) gesehen kreuzen.
18. Kanalplatte nach Anspruch 17, umfassend zwei identische Kanalteilplatten (11), welche entlang einer Längsachse (L) um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind.
19. Kanalplatte nach Anspruch 17 oder 18, wobei der jeweilig umlaufende Rahmen (14) der Kanalteilplatte (11) eine Aufnahmefläche (18) für eine semipermeable Lage (30) umgibt, insbesondere wobei zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegende Randabschnitte (26) höher ausgebildet sind als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte (24), insbesondere wobei zwei gegenüberliegende Randabschnitte (26) zu beiden Seiten über die Aufnah mefläche (18) in einer Stapelrichtung (40) mit einem Überstand (34) überstehen.
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