WO2024133540A1 - Mehrlagige membran, membranstapel, befeuchter - Google Patents

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WO2024133540A1
WO2024133540A1 PCT/EP2023/087069 EP2023087069W WO2024133540A1 WO 2024133540 A1 WO2024133540 A1 WO 2024133540A1 EP 2023087069 W EP2023087069 W EP 2023087069W WO 2024133540 A1 WO2024133540 A1 WO 2024133540A1
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Rüdiger Knauß
Stefan Kaiser
Matthias Ortmann
Michael Baumann
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Mahle International Gmbh
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the invention relates to a multilayer membrane for a membrane stack and to a membrane stack for a humidifier of a fuel cell system with at least two such membranes. Finally, the invention relates to a humidifier with such a membrane stack.
  • the adhesion of the three layers to one another is often problematic due to the material used, since the layer material used for the functional layer is usually polytetrafluoroethylene (PTFE), which is neither easy to weld nor easy to glue. Therefore, the risk of the individual membrane layers detaching from one another is relatively high, especially when they are exposed to air with high humidity in a humidifier during operation.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a multi-layer membrane is to be created which is characterized by good adhesion between its membrane layers, even when used in a humidifier.
  • the basic idea of the invention is therefore to sew the two carrier layers and the functional layer arranged between the carrier layers together along an outer edge section of the membrane.
  • the seam required for this is formed in the membrane according to the invention proposed here by a thread that extends along said edge section and pierces or penetrates the three layers, i.e. the two carrier layers and the functional layer.
  • the multi-layer membrane according to the invention comprises an airtight and moisture-permeable functional layer which is arranged, preferably along a stacking direction, in a sandwich-like manner between a first and a second carrier layer, each made of an open-pore carrier material.
  • the two carrier layers and the functional layer are firmly connected to one another, thus forming a laminate.
  • the two carrier layers and the functional layer are each sewn together along an outer edge section of the membrane by means of a thread and are additionally fastened to one another in this way.
  • the outer edge section is thereby sealed on the outside in the said plan view by a membrane delimiting and thus enclosing outer edge and internally by an inner edge, which is opposite the outer edge and encloses a functional zone of the membrane.
  • the edge section is delimited on the outside by the outer edge and on the inside by the thread forming the seam. This means that the seam is arranged at a distance from the outer edge of the membrane. This means that the two carrier layers and the functional layer are fixed to one another in a particularly stable manner.
  • the seam formed by the thread can be designed as a quilting or chain stitch seam. This measure also improves the attachment of the three layers to one another.
  • the material of the thread is particularly preferably a meltable plastic. This makes it possible to melt the plastic and thereby weld the three layers, i.e. the two carrier layers and the functional layer, together using the melted thread in addition to the seam.
  • the two carrier layers and the functional layer are materially connected to one another by means of a welded connection which is formed by the thread forming the seam in a melted state.
  • the seam formed by the thread extends along the entire outer edge section of the membrane.
  • the seam can completely enclose a functional zone of the membrane that is complementary to the edge section. The seam therefore separates the peripheral edge section from the functional zone.
  • the membrane is designed to be airtight and moisture-permeable, so that moisture contained in the air can pass through the functional layer, whereas the air itself is retained.
  • the edge section extends along an extension direction.
  • the seam has a distance from the outer edge of the membrane, measured transversely to the extension direction, which is between 3 mm and 8 mm. This makes it possible to achieve a particularly stable fixation of the three layers, i.e. the two carrier layers and the functional layer, to one another.
  • the material of the functional layer comprises or is expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE).
  • the material of at least one carrier layer preferably both carrier layers, can comprise or be polyethylene (PE) or polyphenylene sulfide (PPS).
  • a functional coating made of perfluorosulfonic acid (PFSA) is arranged on a first side of the functional layer facing the first carrier layer and, alternatively or additionally, on a second side of the functional layer facing the second carrier layer.
  • the functional coating covers the first or second side preferably completely.
  • the invention further relates to a membrane stack for a humidifier module of a fuel cell system.
  • the membrane stack according to the invention comprises several, i.e. at least two, previously presented membranes according to the invention stacked one on top of the other along a stacking direction at a distance from one another, each of which is gas-impermeable and moisture-permeable.
  • a gap formed between two adjacent membranes in the stacking direction forms a gas path through which a gas can flow.
  • the gas can in particular be the moist gas or gas to be humidified mentioned at the beginning.
  • a spacer element is arranged, which is supported on these two adjacent membranes.
  • the spacer element can preferably have a wave-shaped or grid-shaped support structure that extends perpendicular to the stacking direction along an extension direction.
  • at least one spacer element is integrally connected on both sides to the adjacent membrane in the stacking direction by means of an adhesive bond made of an adhesive. This particularly preferably applies to several or even all of the spacer elements.
  • Polyurethane can be considered as the material for the adhesive. If the material combination allows it, the membranes can be connected to the spacer element by welding as an alternative to gluing, e.g. by means of ultrasonic welding or heat sealing.
  • At least one spacer element has a wave-shaped or grid-shaped support structure which extends perpendicular to the stacking direction along an extension direction and is supported on the adjacent membranes.
  • the support structure is arranged between two edge sections of the respective spacer element, each of which also extends along the direction of extension and is preferably flat.
  • the two edge sections of a respective spacer element are firmly connected on both sides by means of the adhesive connection to the membrane adjacent in the stacking direction.
  • two spacer elements adjacent in the stacking direction are also arranged rotated by 90° to one another with respect to their direction of extension.
  • first spacer elements and second spacer elements alternate along the stacking direction, with the edge sections of the first spacer elements extending along a first direction of extension that is orthogonal to a second direction of extension along which the second edge sections of the second spacer elements extend.
  • first and second gas paths alternate along the first stacking direction. If moist gas is passed through the first gas paths and gas to be humidified is passed through the second gas paths or vice versa, an effective transfer of moisture from the moist gas to the gas to be humidified can take place in this way.
  • those intermediate spaces in which a first spacer element is arranged form a first gas path through which flow can occur along the first extension direction.
  • those intermediate spaces in which a second spacer element is arranged form a second gas path through which flow can occur along the second extension direction.
  • the adhesive joints are particularly useful in forming a fluid-tight lateral boundary for each gas path. This eliminates the need for separate sealing elements to seal the gas paths.
  • the invention further relates to a humidifier for a fuel cell system of a motor vehicle.
  • the humidifier according to the invention comprises a housing that at least partially surrounds a housing interior and a membrane stack according to the invention, as presented above, arranged in the housing interior. The advantages of the membrane according to the invention explained above are transferred to the humidifier according to the invention.
  • Fig. 1 shows an example of a membrane according to the invention in a sectional view
  • Fig. 2 is a plan view of the membrane of Figure 1
  • FIG. 3 an example of a membrane stack according to the invention in a perspective view
  • Fig. 4 is an enlarged partial view of Figure 3
  • Fig. 5 shows a spacer element of the membrane stack of Figures 3 and 4 in a separate representation.
  • Figure 1 shows an example of a membrane 1 according to the invention in a sectional view along a stacking direction S.
  • Figure 2 shows a plan view of the membrane 1 along the stacking direction S.
  • the membrane 1 comprises an airtight and moisture-permeable functional layer 2, which is arranged in a sandwich-like manner along the stacking direction S between a first and a second carrier layer 3a, 3b made of an open-pore carrier material.
  • the three layers 2, 3a, 3b are thus stacked on top of one another along the stacking direction S.
  • the two carrier layers 3a, 3b and the functional layer 2 form a laminate, i.e. are firmly connected to one another.
  • a layer material of the functional layer 2 can be expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE).
  • a carrier material of the two carrier layers 3a, 3b can be polyethylene (PE) or polyphenyl sulfide (PPS).
  • a functional coating 6a or 6b made of a perfluorosulfonic acid (PFSA) is arranged on a first side 15a of the functional layer 2 facing the first carrier layer 3a and on a second side 15b of the functional layer 2 facing the second carrier layer 3b, which completely covers the first or second side 15a, 15b of the functional layer 2.
  • PFSA perfluorosulfonic acid
  • the two carrier layers 3a, 3b and the functional layer 3 are sewn together along an outer edge section 4 of the membrane 1 by means of a thread 5.
  • a meltable plastic can be used as the material for the thread 5.
  • the seam 10 formed by the thread 5 can be designed as a quilting seam or a chain stitch seam 10a.
  • the edge section is delimited on the outside by an outer edge 9 and on the inside by the thread 5 forming a seam 10.
  • the membrane 1 with the two carrier layers 3a, 3b and the functional layer 2 has the geometry of a square Q with four sides 11 a to 11 d, with two sides 11 a, 11 b and 11 c, 11 d facing each other. These four sides 11 a to 11 d therefore form the outer edge 9 of the outer edge section 4.
  • the two carrier layers 2a, 2b and the functional layer 3 are, in addition to the actual seam 10, materially connected to one another by means of a welded connection 13, which is formed by the thread 5 forming the seam 10 in a melted state.
  • the melting of the thread 5 can be generated by means of ultrasonic welding.
  • the welded connection 13 or the melted thread 5 forms a seal 14 of the seam 10. This provides the thread 5 with particularly good protection against moisture.
  • the seal 14 prevents moisture from penetrating the two carrier layers 2a, 2b, in particular their open-pored carrier material 2, which in turn counteracts delamination of the three layers 2, 3a, 3b.
  • the seam 10 formed by the thread 5 extends along the entire outer edge section 4, and thereby forms an inner edge 16 of the edge section 4 opposite the outer edge 9.
  • the seam 10 thus completely encloses a functional zone 8 of the membrane 1 that is complementary to the edge section 4.
  • both carrier layers 2a, 2b Permeable to air and moisture, so that moist air can reach functional layer 2 and moisture can functionally pass through functional layer 2.
  • the edge section 4 extends along the four sides 11a to 11d of the square Q along an extension direction ER.
  • a distance AB of the seam 10 to the outer edge 9 measured transversely to the extension direction ER is between 3 mm and 8 mm in the example of the figures.
  • FIG 3 illustrates an example of a membrane stack 100 according to the invention in a perspective view.
  • Figure 4 is a detailed view of Figure 3.
  • the membrane stack 100 comprises several gas-tight and moisture-permeable membranes 102a, 102b stacked one on top of the other along a stacking direction S at a distance from one another (see Figure 4).
  • Each of the membranes 102a, 102b is formed by a membrane 1 according to the invention, the three layers 2, 3a, 3b of which are fastened to one another by means of a seam 10 formed by a thread 5.
  • the membrane stack 100 has the geometry of a square Q in a cross section perpendicular to the stacking direction S and in a plan view along the stacking direction S.
  • a first or second intermediate space 107a or 107b formed between two adjacent membranes 102a, 102b in the stacking direction S forms, according to Figure 4, a first gas path 105a through which a first gas G1 can flow, or a second gas path 105b through which a second gas G2 can flow.
  • the first and second spaces 107a, 107b and thus the first and second gas paths 105b alternate along the stacking direction S.
  • the first gas paths 105a can be flowed through by the first gas G1 along a first extension direction E1, E, which is perpendicular to a second extension direction E2, E, along which the second gas G2 can flow through the second gas paths 5b. This enables the first and second gases G1, G2 to flow through the gas paths 105a, 105b in cross-flow.
  • a first spacer element 103a is arranged in each of the first intermediate spaces 107a, which is supported on the two adjacent membranes 102a, 102b.
  • a second spacer element 103b is arranged in each of the second intermediate spaces 107b, which is also supported on the two adjacent membranes 102a, 102b.
  • the spacer elements 103a, 103b each have a wave-shaped support structure 108a or 108b, which can be seen in Figure 4.
  • a grid-shaped support structure (not shown) is also possible.
  • first spacer elements 103a is shown in a separate illustration in Figure 5.
  • the support structure 108a of the spacer element 103a extends perpendicular to the stacking direction S along the extension direction E or E1.
  • the first spacer element 103a has two flat edge sections 104a.1, 104a.2, each of which also extends along the first extension direction E1, between which the support structure 108a is arranged.
  • the second spacer element 103b (not shown in Figure 5) is identical to the first spacer element 103a, but extends according to Figures 3 and 4 along the second extension direction E2, E, i.e. perpendicular to the first extension direction E1, E.
  • first spacer elements 103a and second spacer elements 103b alternate along the stacking direction S.
  • the first spacer elements 1043a are arranged rotated by 90° to the second spacer elements 103b.
  • the first extension direction E1, E of the first spacer elements 103a runs orthogonally to the second extension direction E2, E of the second spacer elements 103b, and accordingly the edge sections 104a.1, 104a.2 of the first spacer elements 104a extend along the first extension direction E, E1.
  • the second edge sections 104b.1, 104b.2 of the second spacer elements 103b accordingly extend along the second extension direction E, E2 (cf. Figure 3).
  • the edge sections 104a.1, 104a.2, 104b.1, 104b.2 are longitudinally or strip-shaped in the example scenario and extend along the first or second extension direction E1, E2 over the entire extension of the membrane stack 1.
  • the two edge sections 104a.1, 104a.2, 104b.1, 104b.2 of a respective spacer element 3a, 3b are firmly connected on both sides by means of an adhesive connection 106 of the respective adjacent membrane 102a, 102b in the stacking direction S.
  • the adhesive connections 106 form a fluid-tight boundary of a respective gas path 105a, 105b.
  • the adhesive connections 106 are also strip-shaped in the example scenario.
  • the individual adhesive connections 106 are realized by means of respective adhesive layers made of an adhesive, for example polyurethane.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Membran (1) für einen Membranstapel (100). Die Membran (1) umfasst eine luftdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Funktionslage (2), sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten Trägerlage (3a, 3b), jeweils aus einem offenporigen Trägermaterial angeordnet ist. Dabei sind die beiden Trägerlagen (3a, 3b) und die Funktionslage (2) fest miteinander verbunden und bilden vorzugsweise ein Laminat. Hierbei sind die beiden Trägerlagen (3a, 3b) und die Funktionslage (2) entlang eines äußeren Randabschnittes (4a, 4b) der Membran (1) mittels eines Fadens (5) miteinander vernäht sind.

Description

Mehrlagige Membran, Membranstapel, Befeuchter
Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Membran für einen Membranstapel sowie einen Membranstapel für einen Befeuchter eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei solchen Membranen. Die Erfindung betrifft schließlich einen Befeuchter mit einem solchen Membranstapel.
Zur Befeuchtung des kathodischen Gases werden in modernen Brennstoffzellensystem üblicherweise sogenannte Flachmembran-Befeuchter eingesetzt, die mehrere aufeinander gestapelte Membranen umfassen. Jede diese Membranen ist typischerweise dreilagig ausgebildet und besitzt eine Funktionslage, deren Material luftdicht und gleichzeitig feuchtigkeitsdurchlässig ist. Zur mechanischen Verstärkung ist die Funktionslage typischerweise zwischen zwei mechanisch steiferen Trägerschichten angeordnet und mit diesen verklebt, so dass die drei Lagen ein Laminat bilden.
Die Anhaftung besagter drei Lagen aneinander ist jedoch materialbedingt oftmals problematisch, da als Lagenmaterial für die Funktionslage in der Regel Polytetraf- luoroethylen (PTFE) verwendet wird, welches sich weder gut verschweißen noch gut verkleben lässt. Daher ist die Gefahr einer Ablösung der einzelnen Membranlagen voneinander, insbesondere, wenn diese im Betrieb in einem Befeuchter Luft mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt sind, relativ hoch.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine mehrlagige Membran zu schaffen, bei welcher voranstehend erläutertes Problem des unerwünschten Ablösens der einzelnen Membranen la- gen voneinander adressiert ist. Insbesondere soll eine mehrlagige Membran geschaffen werden, die sich durch eine gute Haftbeständigkeit ihrer Membranlagen einander, auch im Betrieb in einem Befeuchter, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die beiden Trägerlagen und die zwischen den Trägerlagen angeordnete Funktionslage entlang eines äußeren Randabschnitts der Membran miteinander zu vernähen. Die hierfür erforderliche Naht ist bei der hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Membran durch einen Faden gebildet, der sich entlang besagten Randabschnitts erstreckt und dabei die drei Lagen, also die beiden Trägerlagen und die Funktionslage, durchstößt bzw. durchsetzt. Mittels einer solchen Naht wird ein Delaminieren der drei Lagen voneinander aufgrund von in das Material der Trägerlagen eindringender Feuchtigkeit verhindert oder es wird einem solchen Delaminieren zumindest entgegengewirkt, so dass die erfindungsgemäße Membran gut in einem Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann.
Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße, mehrlagige Membran eine luftdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Funktionslage, die, vorzugsweise entlang einer Stapelrichtung, sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten Trägerlage, jeweils aus einem offenporigen Trägermaterial, angeordnet ist. Die beiden Trägerlagen und die Funktionslage sind fest miteinander verbunden, bilden also ein Laminat. Erfindungsgemäß sind die beiden Trägerlagen und die Funktionslage jeweils entlang eines äußeren Randabschnittes der Membran mittels eines Fadens miteinander vernäht und auf diese Weise zusätzlich aneinander befestigt. Der äußere Randabschnitt wird dabei in besagter Draufsicht außen durch einen die Membran begrenzenden und somit einfassenden äußeren Rand und innen durch einen inneren Rand begrenzt, welcher dem äußeren Rand gegenüberliegt und eine Funktionszone der Membran einfasst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in einer Draufsicht auf die erste o- der/und zweite Trägerlage der Randabschnitt außen von dem äußeren Rand und innen von dem die Naht bildenden Faden begrenzt. Dies bedeutet, dass die Naht im Abstand zum äußeren Rand der Membran angeordnet ist. Dadurch werden die beiden Trägerlagen und die Funktionslage besonders stabil aneinander fixiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran kann die durch den Faden gebildete Naht als Stepp- oder Kettenstichnaht ausgebildet sein. Auch diese Maßnahme verbessert die Befestigung der drei Lagen aneinander.
Besonders bevorzugt ist das Material des Fadens ein schmelzbarer Kunststoff. Dies ermöglicht es, den Kunststoff aufzuschmelzen und dadurch die drei Lagen, also die beiden Trägerlagen und die Funktionslage, zusätzlich zur Naht mithilfe des aufgeschmolzenen Fadens miteinander zu verschweißen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Trägerlagen und die Funktionslage mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden, die durch den die Naht bildenden Faden in einem aufgeschmolzenen Zustand gebildet ist.
Besonders zweckmäßig kann durch die Schweißverbindung bzw. durch den aufgeschmolzenen Faden eine Versiegelung der Naht ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein unerwünschtes Eindringen von Feuchtigkeit in die Trägerlagen verhindert werden, wodurch wiederum einem Delaminieren der drei Lagen voneinander besonders wirksam entgegengewirkt wird. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die durch den Faden gebildete Naht entlang des gesamten äußeren Randabschnitts der Membran. Bevorzugt kann die Naht eine zum Randabschnitt komplementäre Funktionszone der Membran vollständig einfassen. Die Naht trennt also den umlaufenden Randabschnitt von der Funktionszone. Zumindest in besagter Funktionszone ist die Membran luftdicht und feuchtigkeitsdurchlässig ausgebildet, sodass dort in Luft enthaltenen Feuchtigkeit durch die Funktionslage hindurchtreten kann, wohingegen die Luft selbst zurückgehalten wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich der Randabschnitt entlang einer Erstreckungsrichtung. Bei dieser Weiterbildung weist die Naht einen quer zur Erstreckungsrichtung gemessenen Abstand vom äußeren Rand der Membran auf, der zwischen 3 mm und 8 mm beträgt. Dadurch kann eine besonders stabile Fixierung der drei Lagen, also der beiden Trägerlagen und der Funktionslage, aneinander erreicht werden.
Bei weiteren einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist das Material der Funktionslage expandiertes Polytetrafluoroethylen (ePTFE). Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Variante das Material wenigstens einer Trägerlage, vorzugsweise beider Trägerlagen, Polyethylen (PE) oder Polyphenylensulfid (PPS) umfassen oder sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Membran ist auf einer der ersten Trägerlage zugewandten ersten Seite der Funktionslage sowie, alternativ oder zusätzlich, auf einer der zweiten Trägerlage zugewandten zweite Seite der Funktionslage eine Funktionsbeschichtung aus Perfluorsulfonsäure (PFSA) angeordnet. Bei dieser Weiterbildung bedeckt die Funktionsbeschichtung die erste bzw. zweite Seite bevorzugt vollständig. Mittels einer solchen Funktionsbeschichtung wird die Funktionslage mit der gewünschten Feuchtigkeitsdurchlässigkeit bei gleichzeitiger Gasundurchlässigkeit ausgestattet.
Die Erfindung betrifft ferner einen Membranstapel für ein Befeuchtermodul eines Brennstoffzellensystems. Der erfindungsgemäße Membranstapel umfasst mehrere, also wenigstens zwei, entlang einer Stapelrichtung im Abstand zueinander aufeinandergestapelte, voranstehend vorgestellte, erfindungsgemäße Membranen, die jeweils gasundurchlässig und feuchtigkeitsdurchlässig sind. Ein zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung benachbarten Membranen jeweils gebildeter Zwischenraum bildet einen mit einem Gas durchström baren Gaspfad aus. Das Gas kann insbesondere das eingangs erwähnte feuchte bzw. zu befeuchtende Gas sein. In wenigstens einem Zwischenraum, vorzugsweise in jedem Zwischenraum, ist ein Distanzelement angeordnet, welches sich an diesen beiden benachbarten Membranen abstützt. Vorzugsweise kann das Distanzelement eine wellenförmig oder gitterförmig ausgebildete Stützstruktur aufweisen, die sich senkrecht zur Stapelrichtung entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt. Wenigstens ein Distanzelement ist erfindungsgemäß beidseitig mittels einer Klebverbindung aus einem Klebstoff mit der jeweils in Stapelrichtung benachbarten Membran stoffschlüssig verbunden. Besonders bevorzugt gilt dies für mehrere oder sogar alle der Distanzelemente. Als Material für den Klebstoff kommt Polyurethan in Betracht. Sofern die Materialpaarung dies zulässt, können die Membranen mit dem Distanzelement alternativ zur Klebung auch über eine Schweißung miteinander verbunden werden, z.B. mittels Ultraschallverschweißung oder Heißsiegeln.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Distanzelement eine wellenförmig oder gitterförmig ausgebildete Stützstruktur auf, die sich senkrecht zur Stapelrichtung entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt und sich an den benachbarten Membranen abstützt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Stützstruktur zwischen zwei sich jeweils ebenfalls entlang der Erstreckungsrichtung erstreckenden, vorzugsweise flach ausgebildeten, Randabschnitten des jeweiligen Distanzelements angeordnet. Bei dieser Weiterbildung sind die beiden Randabschnitte eines jeweiligen Distanzelements beidseitig mittels der Klebverbindung mit der jeweils in Stapelrichtung benachbarten Membran fest verbunden. Bei dieser Ausführungsform sind außerdem jeweils zwei in Stapelrichtung benachbarte Distanzelemente bzgl. ihrer Erstreckungsrichtung um 90° verdreht zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass sich entlang der Stapelrichtung erste Distanzelemente und zweite Distanzelemente abwechseln, wobei sich die Randabschnitte der ersten Distanzelemente entlang einer ersten Erstreckungsrichtung erstrecken, die orthogonal zu einer zweiten Erstreckungsrichtung verläuft, entlang welcher sich die zweiten Randabschnitte der zweiten Distanzelemente erstrecken.
Bevorzugt wechseln sich entlang der ersten Stapelrichtung erste und zweite Gaspfade ab. Wird durch die ersten Gaspfade feuchtes Gas und durch die zweiten Gaspfade zu befeuchtendes Gas geführt oder umgekehrt, so kann auf diese Weise eine effektive Übertragung von Feuchtigkeit von dem feuchten Gas auf das zu befeuchtende Gas erfolgen. Bei dieser Variante bilden diejenigen Zwischenräume, in welchen ein erstes Distanzelement angeordnet ist, einen entlang der ersten Erstreckungsrichtung durchström baren ersten Gaspfad. Diejenigen Zwischenräume, in welchen ein zweites Distanzelement angeordnet ist, bilden einen entlang der zweiten Erstreckungsrichtung durchströmbaren zweiten Gaspfad.
Besonders zweckmäßig bilden die Klebverbindungen eine fluiddichte seitliche Begrenzung eines jeweiligen Gaspfads aus. Auf diese Weise kann die Bereitstellung separater Dichtungselemente zum Abdichten der Gaspfade entfallen. Die Erfindung betrifft ferner einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs. Der erfindungsgemäße Befeuchter umfasst ein einen Gehäuseinnenraum zumindest teilweise umgebendes Gehäuse sowie einen im Gehäuseinnenraum angeordneten, voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Membranstapel. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Membran übertragen sich auf den erfindungsgemäßen Befeuchter.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Membran in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Membran der Figur 1 ,
Fig. 3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Membranstapels in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 4 eine vergrößerte Teildarstellung der Figur 3,
Fig. 5 ein Distanzelement des Membranstapels der Figuren 3 und 4 in separater Darstellung.
Die Figur 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Membran 1 in einer Schnittdarstellung entlang einer Stapelrichtung S. Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Membran 1 entlang der Stapelrichtung S.
Die Membran 1 umfasst gemäß Figur 1 eine luftdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Funktionslage 2, welche entlang der Stapelrichtung S sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten Trägerlage 3a, 3b aus einem jeweils offenporigen Trägermaterial angeordnet ist. Die drei Lagen 2, 3a, 3b sind also entlang der Stapelrichtung S aufeinandergestapelt. Die beiden Trägerlagen 3a, 3b und die Funktionslage 2 bilden ein Laminat, sind also fest miteinander verbunden.
Ein Lagenmaterial der Funktionslage 2 kann expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) sein. Ein Trägermaterial der beiden Trägerlagen 3a, 3b kann Polyethylen (PE) oder Polyphenylsulfid (PPS) sein. Auf einer der ersten Trägerlage 3a zugewandten ersten Seite 15a der Funktionslage 2 und auf einer der zweiten Trägerlage 3b zugewandten zweiten Seite 15b der Funktionslage 2 ist eine Funktionsbeschichtung 6a bzw. 6b aus einer Perfluorsulfonsäure (PFSA) angeordnet, welche die erste bzw. zweite Seite 15a, 15b der Funktionslage 2 vollständig überdeckt.
Ferner sind die beiden Trägerlagen 3a, 3b und die Funktionslage 3 entlang eines äußeren Randabschnittes 4 der Membran 1 mittels eines Fadens 5 miteinander vernäht. Als Material für den Faden 5 kann ein schmelzbarer Kunststoff verwendet werden. Die durch den Faden 5 gebildete Naht 10 kann als Steppnaht oder Kettenstichnaht 10a ausgebildet sein.
In der in Figur 2 gezeigten Draufsicht auf die erste Trägerlage 3a ist der Randabschnitt außen von einem äußeren Rand 9 und innen von dem eine Naht 10 bildenden Faden 5 begrenzt. In der Draufsicht der Figur 2 besitzt die Membran 1 mit den beiden Trägerlagen 3a, 3b und der Funktionslage 2 die Geometrie eines Quadrats Q mit vier Seiten 11 a bis 11 d, wobei sich jeweils zwei Seiten 11a, 11 b sowie 11 c, 11 d gegenüberliegen. Diese vier Seiten 11 a bis 11 d bilden folglich den äußeren Rand 9 des äußeren Randabschnitts 4.
Im Beispielszenario sind die beiden Trägerlagen 2a, 2b und die Funktionslage 3 zusätzlich zur eigentlichen Naht 10 mittels einer Schweißverbindung 13 stoffschlüssig miteinander verbunden, die durch den die Naht 10 bildenden Faden 5 in einem aufgeschmolzenen Zustand gebildet ist. Das Aufschmelzen des Fadens 5 kann mittels Ultraschallschweißens erzeugt werden bzw. sein. Durch die Schweißverbindung 13 bzw. durch den aufgeschmolzenen Faden 5 wird eine Versiegelung 14 der Naht 10 ausgebildet. Dadurch wird der Faden 5 besonders gut gegen Feuchtigkeit geschützt. Außerdem verhindert die Versiegelung 14 ein Eindringen von Feuchtigkeit in die beiden Trägerlagen 2a, 2b, insbesondere in deren offenporiges Trägermaterial 2, wodurch wiederum einem Delaminieren der drei Lagen 2, 3a, 3b entgegengewirkt wird.
Gemäß Figur 2 erstreckt sich die durch den Faden 5 gebildete Naht 10 entlang des gesamten äußeren Randabschnittes 4, und bildet dabei einen dem äußeren Rand 9 gegenüberliegenden inneren Rand 16 des Randabschnitts 4 aus. Somit fasst die Naht 10 eine zum Randabschnitt 4 komplementäre Funktionszone 8 der Membran 1 vollständig ein. In der Funktionszone 8 sind beiden Trägerlagen 2a, 2b Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässig, so dass feuchte Luft zur Funktionslage 2 gelangen und funktionsgemäß Feuchtigkeit durch die Funktionslage 2 hindurchtreten kann.
Wie Figur 2 außerdem erkennen lässt, erstreckt sich der Randabschnitt 4 entlang der vier Seiten 11a bis 11d des Quadrats Q entlang einer Erstreckungsrichtung ER. Ein quer zur Erstreckungsrichtung ER gemessener Abstands AB der Naht 10 zum äußeren Rand 9 beträgt im Beispiel der Figuren zwischen 3 mm und 8 mm.
Die Figur 3 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Membranstapels 100 in einer perspektivischen Darstellung. Die Figur 4 ist eine Detaildarstellung der Figur 3. Der Membranstapel 100 umfasst mehrere entlang einer Stapelrichtung S im Abstand zueinander aufeinander gestapelte, gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membranen 102a, 102b (vgl. Figur 4). Jede der Membranen 102a, 102b ist dabei durch eine erfindungsgemäße Membran 1 gebildet, deren drei Lagen 2, 3a, 3b mittels einer durch einen Faden 5 gebildeten Naht 10 aneinander befestigt sind.
Der Membranstapel 100 weist gemäß Figur 3 in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S sowie in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung S jeweils die Geometrie eines Quadrats Q auf. Ein zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung S benachbarten Membranen 102a, 102b jeweils gebildeter erster bzw. zweiter Zwischenraum 107a bzw. 107b bildet gemäß Figur 4 einen mit einem ersten Gas G1 durchström baren ersten Gaspfad 105a bzw. einen von einem zweiten Gas G2 durchströmbaren zweiten Gaspfad 105b.
Gemäß den Figuren 3 und 4 wechseln sich also die ersten und zweiten Zwischenräume 107a, 107b und somit die ersten und zweiten Gaspfade 105b entlang der Stapelrichtung S ab. Die ersten Gaspfade 105a sind dabei entlang einer ersten Erstreckungsrichtung E1 , E mit dem ersten Gas G1 durchström bar, die senkrecht zu einer zweiten Erstreckungsrichtung E2, E verläuft, entlang welcher die zweiten Gaspfade 5b mit dem zweiten Gas G2 durchströmt werden können. Dies ermöglicht eine Durchströmung der Gaspfade 105a, 105b mit dem ersten bzw. zweiten Gas G1 , G2 im Kreuzstrom.
In den ersten Zwischenräumen 107a ist gemäß Figur 4 jeweils ein erstes Distanzelement 103a angeordnet, welches sich an den beiden benachbarten Membranen 102a, 102b abstützt. In den zweiten Zwischenräumen 107b ist jeweils ein zweites Distanzelement 103b angeordnet, welches sich ebenfalls an den beiden benachbarten Membranen 102a, 102b abstützt. Die Distanzelemente 103a, 103b weisen jeweils eine in Figur 4 erkennbare, wellenförmig ausgebildete Stützstruktur 108a bzw. 108b auf. Alternativ dazu ist auch eine gitterförmige Ausbildung der Stützstruktur (nicht gezeigt) möglich.
Zur Verdeutlichung ist eines der ersten Distanzelemente 103a in der Figur 5 in separater Darstellung gezeigt. Die Stützstruktur 108a des Distanzelements 103a erstreckt sich senkrecht zur Stapelrichtung S entlang der Erstreckungsrichtung E bzw. E1 . Das erste Distanzelement 103a weist gemäß Figur 5 zwei sich jeweils ebenfalls entlang der ersten Erstreckungsrichtung E1 erstreckende, flach ausgebildete Randabschnitte 104a.1 , 104a.2 auf, zwischen welchen die Stützstruktur 108a angeordnet ist. Das zweite Distanzelement 103b (in Figur 5 nicht dargestellt) ist identisch zum ersten Distanzelement 103a ausgebildet, erstreckt sich aber gemäß den Figuren 3 und 4 entlang der zweiten Erstreckungsrichtung E2, E, also senkrecht zur ersten Erstreckungsrichtung E1 , E.
Wie die Figuren 3 und 4 erkennen lassen, wechseln sich entlang der Stapelrichtung S erste Distanzelemente 103a und zweite Distanzelemente 103b ab. Die ersten Distanzelemente 1043a sind dabei um 90° verdreht zu den zweiten Distanzelementen 103b angeordnet. Die erste Erstreckungsrichtung E1 , E der ersten Distanzelemente 103a verläuft orthogonal zur zweiten Erstreckungsrichtung E2, E der zweiten Distanzelemente 103b, und entsprechend erstrecken sich die Randabschnitte 104a.1 , 104a.2 der ersten Distanzelemente 104a entlang der ersten Erstreckungsrichtung E, E1. Die zweiten Randabschnitte 104b.1 , 104b.2 der zweiten Distanzelemente 103b erstrecken sich demnach entlang der zweiten Erstreckungsrichtung E, E2 (vgl. Figur 3. Die Randabschnitte 104a.1 , 104a.2, 104b.1 , 104b.2 sind im Beispielszenario längs- bzw. streifenförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang der ersten bzw. zweiten Erstreckungsrichtung E1 , E2 über die gesamte Erstreckung des Membranstapels 1 hinweg.
Im Beispiel der Figuren 3 und 4 sind die beiden Randabschnitte 104a.1 , 104a.2, 104b.1 , 104b.2 eines jeweiligen Distanzelements 3a, 3b beidseitig mittels einer Klebverbindung 106 der jeweils in Stapelrichtung S benachbarten Membran 102a, 102b fest verbunden. Die Klebverbindungen 106 bilden eine fluiddichte Begrenzung eines jeweiligen Gaspfads 105a, 105b aus. Auch die Klebverbindungen 106 sind im Beispielszenario streifenförmig ausgebildet. Die einzelnen Klebverbindungen 106 sind mittels jeweiliger Klebelagen aus einem Klebstoff, beispielsweise Polyurethan, realisiert.

Claims

Patentansprüche
1 . Mehrlagige Membran (1 ) für einen Membranstapel (100), mit einer luftdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Funktionslage (2), die, vorzugsweise entlang einer Stapelrichtung (S), sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten Trägerlage (3a, 3b), vorzugsweise jeweils aus einem offenporigen Trägermaterial, angeordnet ist, wobei die beiden Trägerlagen (3a, 3b) und die Funktionslage (2) fest miteinander verbunden sind und vorzugsweise ein Laminat bilden, wobei die beiden Trägerlagen (3a, 3b) und die Funktionslage (2) entlang eines äußeren Randabschnittes (4a, 4b) der Membran (1) mittels eines Fadens (5) miteinander vernäht sind.
2. Mehrlagige Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Draufsicht auf die erste oder/und zweite Trägerlage (3a, 3b) der Randabschnitt außen von einem äußeren Rand (9) und innen von dem eine Naht (10) bildenden Faden (5) begrenzt ist.
3. Mehrlagige Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Faden (5) gebildete Naht (10) als Steppnaht (10a) ausgebildet ist.
4. Mehrlagige Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Fadens (5) ein schmelzbarer Kunststoff ist.
5. Mehrlagige Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Trägerlagen (2a, 2b) und die Funktionslage (3) mittels einer Schweißverbindung (13) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, die durch den die Naht (10) bildenden Faden (5) in einem aufgeschmolzenen Zustand gebildet ist.
6. Mehrlagige Membran nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schweißverbindung (13) bzw. durch den aufgeschmolzenen Faden (5) eine Versiegelung (14) der Naht (10) ausgebildet ist.
7. Mehrlagige Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die vom Faden (5) gebildete Naht (10) sich entlang des gesamten Randabschnittes (4) der Membran (1 ) erstreckt, die Naht (10) eine zum Randabschnitt (4) komplementäre und versiegelungsfreie Funktionszone (8) der Membran (1 ), vorzugsweise vollständig, einfasst.
8. Mehrlagige Membran nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Randabschnitt (4) mit der Naht (10) entlang einer Erstreckungsrichtung (ER) erstreckt, die Naht (10) einen senkrecht zur Erstreckungsrichtung (ER) gemessene Abstand (AB) vom äußeren Rand (9) aufweist, die zwischen 3 mm und 8 mm beträgt.
9. Mehrlagige Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagenmaterial der Funktionslage (2) expandiertes Polytetrafluoroethylen (ePTFE) umfasst oder ist; oder/und dass das Trägermaterial wenigstens einer Trägerlage (3a, 3b), vorzugsweise beider Trägerlagen (3a, 3b), Polyethylen (PE) umfasst oder ist.
10. Mehrlagige Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der ersten Trägerlage (3a) zugewandten ersten Seite (15a) der Funktionslage (2) oder/und auf einer der zweiten Trägerlage (3b) zugewandten zweite Seite (15b) der Funktionslage (2) eine Funktionsbeschichtung (6a, 6b) aus einer Perfluorsulfonsäure (PFSA) angeordnet ist, vorzugsweise die Funktionsbeschichtung (6a, 6b) die erste bzw. zweite Seite (15a, 15b) vollständig bedeckt.
11 . Membranstapel (1 ) für ein Befeuchtermodul eines Brennstoffzellensystems, mit wenigstens zwei, vorzugsweise mehreren, entlang einer Stapelrichtung (S) im Abstand zueinander aufeinander gestapelten Membranen (102a, 102b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Membranen (102a, 102b) jeweils gebildeter Zwischenraum (107a, 107b) einen mit einem Gas (G1 , G2) durchströmbaren Gaspfad (105a, 105b) bildet, wobei in wenigstens einem, vorzugsweise in jedem, Zwischenraum (107a, 107b), ein Distanzelement (103a, 103b) angeordnet ist, welches sich an diesen beiden Membranen (102a, 102b) abstützt, wobei wenigstens ein Distanzelement (103a, 103b) beidseitig mittels einer Klebverbindung (106) mit der jeweils in Stapelrichtung (S) benachbarten Membran (102a, 102b) stoffschlüssig verbunden ist.
12. Membranstapel nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Distanzelement (103a, 103b) jeweils eine wellenförmig ausgebildete Stützstruktur (108a, 108b) aufweist, die sich senkrecht zur Stapelrichtung (S) entlang einer Erstreckungsrichtung (E, E1 , E2) erstreckt und sich an den beiden in Stapelrichtung (S) benachbarten Membranen (102a, 102b, 1 ) abstützt.
13. Membranstapel (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (108a, 108b) zwischen zwei sich jeweils ebenfalls entlang der Erstreckungsrichtung (E, E1 , E2) erstreckenden, vorzugsweise flach ausgebildeten, Randabschnitten (104a.1 , 104a.2, 104b.1 , 104b.2) des jeweiligen Distanzelements (3a, 3b) angeordnet ist, die beiden Randabschnitte (104a.1 , 104a.2, 104b.1 , 104b.2) eines jeweiligen Distanzelements (103a, 103b) beidseitig mittels der Klebverbindung (106) mit der jeweils in Stapelrichtung (S) benachbarten Membran (102a, 102b) fest verbunden sind, jeweils zwei in Stapelrichtung (S) benachbarte Distanzelemente (103a, 103b), besonders bevorzugt um 90°, verdreht zueinander angeordnet sind.
14. Membranstapel nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang der ersten Stapelrichtung (S) erste und zweite Distanzelemente (103a, 103b) abwechseln, diejenigen Zwischenräume (107a), in welchen ein erstes Distanzelement (103a) angeordnet ist, einen entlang der ersten Erstreckungsrichtung (E, E1 ) durchström baren ersten Gaspfad (105a) bilden und diejenigen Zwischenräume (107b), in welchen ein zweites Distanzelement (103b) angeordnet ist, einen entlang der zweiten Erstreckungsrichtung (E, E2) durchström baren zweiten Gaspfad (105b) bilden.
15. Membranstapel nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebverbindungen (106) jeweils eine fluiddichte Begrenzung eines jeweiligen Gaspfads (105a, 105b) ausbilden.
16. Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem einen Gehäuseinnenraum zumindest teilweise umgebenden Gehäuse, mit einem im Gehäuseinnenraum angeordneten Membranstapel nach einem der Ansprüche 9 bis 15.
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