BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtermodul für einen Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem mit einer gasdurchlässigen Membran, an deren einer Seite ein ein Flussfeld definierender Flussfeldkern angeordnet ist, wobei der Flussfeldkern mindestens zwei Trennstege aufweist, zwischen denen ein Kanal ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Befeuchter mit einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen, ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchter und ein Verfahren zur Befeuchtung eines Gases in einem Brennstoffzellensystem. Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Me dien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellen vorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Katho- denräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sau erstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellen stapel bestrichen wird. In den Kathodenräumen und Anodenräumen fällt dar über hinaus flüssiges Wasser an. Um eine ausreichende Wasserübertragung durch die Befeuchtermembran des Befeuchters bereit zu stellen, müssen Befeuchter vergleichsweise groß ausgebildet sein. Gleichzeitig muss genü gend flüssiges Wasser für die Befeuchtung bereitgestellt werden.

Die DE 20 2011 109 654 U1 beschreibt einen Membranbefeuchter für Brennstoffzellen, der einen Rahmen mit integrierten oder eingelegten Fluss feldern aus Kanalstrukturen aufweist, wobei die Oberflächen hydrophil be schichtet sind um Flüssigkeitsansammlungen zu vermeiden und eine gleich mäßige Verteilung der Feuchte auf das zu befeuchtende Gas zu ermögli chen.

Die US 2006/147773 A1 beschreibt einen Befeuchter mit Flussfeldern, die porös und hydrophil ausgestaltet sind und als Einsätze im Rahmen mit rand seitiger Abdichtung fixiert sein können.

Die DE 10 2014 205 029 A1 beschreibt wiederum einen Membranbefeuchter mit einem kathodenseitigen Flussfeld, welches einzelne Gasströmungskanä le aufweist, in denen oder an deren Wänden ein poröses Material oder eine Faserstruktur aufgebracht ist zum Aufnehmen einer Flüssigkeit.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Befeuchtermodul, einen Be feuchter, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Befeuchtung ei nes Gases bereitzustellen, bei dem die Baugröße des Befeuchters reduziert werden kann, bei gleichzeitig effektiver Befeuchtung.

Diese Aufgabe wird mit einem Befeuchtermodul mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch einen Befeuchter mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 6, sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbe stand des Anspruchs 7 und durch ein Verfahren mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angege ben.

Das Befeuchtermodul zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass die Trennstege aus einem hygroskopischen, nicht wasserlöslichen Material gebildet sind, derart, dass eine in den mindestens einen Kanal strömende Flüssigkeit in den hygroskopischen Trennstegen zeitweise speicherbar ist. Dies ermöglicht somit das Aufnehmen von flüssigem Wasser aus dem Flu idstrom in den hygroskopischen Trennsteg, eine zeitweise Speicherung des so aufgenommenen flüssigen Wassers in dem hygroskopischen Trennsteg und eine Abgabe des flüssigen Wassers durch Verdampfen in den durch den Kanal strömenden Fluid- oder Gasstrom. Somit kann ein üblicherweise dis kontinuierlich in den Befeuchter abgegebenes flüssiges Wasser aus dem Gasstrom im Flussfeld zwischengespeichert werden und bei Bedarf wiede rum in den Gasstrom, insbesondere in den Kathodenstrom, verdampft und von der Membran aufgenommen werden, um diesen zu befeuchten. Dies ermöglicht, das weniger Wasserübertragung durch die Membran erforderlich ist und somit die Membranfläche des Befeuchters und damit die Baugröße des Befeuchters reduziert werden kann. Darüber hinaus wird der Befeuchter durch die mindestens zwei Trennstege stabilisiert, die die Membran vor zugsweise beidseitig abstützen. Die aus einem hygroskopischen Material gebildeten Trennstege weisen dabei vorzugsweise kapillaraktive Eigenschaf ten auf, so dass das Flüssigwasser aufgesogen und innerhalb des Trennstegs verteilt wird, so dass das Flüssigwasser innerhalb des Befeuch termoduls gleichmäßig verteilt wird oder gleichmäßig verteilt vorliegt. Das hygroskopische Material kann beispielsweise eine Silikat, insbesondere Cal ciumsilikat, oder ein Zeolith sein.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Flussfeldkern von einem hydropho ben Rahmen umgeben ist, oder wenn der Flussfeldkern in eine hydrophobe Trägerplatte aufgenommen ist. Der Rahmen bzw. die Trägerplatte aus einem hydrophoben, also nicht wasserleitenden Material verhindert einen Wasser transport nach außen und dichtet somit das Flussfeld nach außen hin ab. Dabei kann der Flussfeldkern in die hydrophobe Trägerplatte gepresst sein.

Um ein möglichst großes Flussfeld zu erzeugen und um das Befeuchtermo dul und damit den Befeuchter möglichst klein gestalten zu können, ist es vor teilhaft, wenn eine Mehrzahl von hygroskopischen Trennstegen voneinander getrennte Kanäle bilden, und wenn die Kanäle sich geradlinig und parallel zueinander erstrecken. Die geradlinige Erstreckung der Kanäle sorgt für ei nen geringen Druckverlust innerhalb des Befeuchtermoduls. Weiterhin ist durch die Mehrzahl an Trennstegen das Speichervermögen des Flüssigwas sers vergrößert und die Abstützung der Membran und damit die Stabilität des Befeuchtermoduls verbessert. Darüber hinaus sorgen die durch die Trennstege gebildete Vielzahl von Kanälen für eine Führung der Fluidströ mung und des flüssigen Wassers.

In einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Mehrzahl von durch hygroskopische Trennstegen gebildete Kanäle vorhanden sind, und dass die Trennstege mindestens eine Umlenkung aufweisen. In anderen Worten können die Trennstege gekrümmt oder abgewinkelt gebildet sein. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Trennstege mehrere Umlenkung aufweisen. Mittels der Umlenkungen bilden die Trennstege Flächen, an de nen Wassertropfen abgeschieden werden können. Dies erhöht die Abschei derate und ermöglicht ein effektiveres Speichern des Flüssigwassers in den hygroskopischen Trennstegen.

In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass die Trennstege entlang ihrer Erstreckungsrichtung im regelmäßigen Abstand, und bevorzugt parallel zueinander, Umlenkungen aufweisen. Dies erhöht die Abscheidungsrate.

Der erfindungsgemäße Befeuchter zum Befeuchten eines Gases für ein Brennstoffzellensystem mit zwei Endplatten, an denen ein Einlass für trocke nes Gas, ein Auslass für befeuchtetes Gas und ein weiterer Anlass für feuch tes Gas und ein weiterer Ausfluss für ein entfeuchtes Gas ausgebildet ist, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, das zwischen den Endplatten eine Mehrzahl von den bereits beschriebenen Befeuchtermodulen angeordnet ist. Die für das erfindungsgemäße Befeuchtermodul beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten dabei auch für den erfindungsgemä ßen Befeuchter, der mit einer Mehrzahl von solchen Befeuchtermodulen ausgestattet ist. Die für den erfindungsgemäßen Befeuchter bzw. dem erfindungsgemäßen Befeuchtermodul beschriebenen Vorteile und bevorzugte Ausführungsfor men gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches mit einem solchen ausgestattet ist.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn anodenseitig ein Abscheider vor handen ist, wenn ein Abfluss des Abscheiders mit dem Befeuchter fluidme chanisch verbunden ist und/oder wenn kathodenaustrittseitig eine Katho denabgasleitung mit dem Befeuchter fluidmechanisch verbunden ist. Dies ermöglicht das anodenseitig und/oder kathodenseitig anfallende Flüssigwas ser für die Befeuchtung zu verwenden, wodurch die Baugröße des Befeuch ters reduziert werden kann.

Das Verfahren zum Befeuchten eines Gases in einem Brennstoffzellensys tem mit einem Brennstoffzellenstapel, der mit einem oben beschriebenen Befeuchter fluidverbunden ist, umfasst dabei insbesondere die folgenden Schritte:

Entnahme von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel und Zuführen des Flüssigwassers an den Befeuchter,

Aufnahme zumindest eines Teils des Flüssigwassers in die hygrosko pischen Trennstege und Zwischenspeichern des Teils und

zumindest teilweise Entleeren der hygroskopischen Trennstege durch Verdampfen des Flüssigwassers und Befeuchtung des dem Brenn stoffzellenstapel zuzuführen Gases mittels des verdampften Flüssig wassers.

Dies ermöglicht eine effiziente Befeuchtung des Gases, insbesondere des Kathodengases, bei gleichzeitig kleinerer Baugröße des Befeuchters, indem Flüssigwasser in den hygroskopischen Trennstegen zwischengespeichert und bei Bedarf in das Kathodengas verdampft werden kann.

Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Flüssigwasser aus dem Brenn stoffzellenstapel anodenseitig und/oder kathodenseitig entnommen wird. Das Flüssigwasser kann dabei durch aktives Ablassen von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Ablassen von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel zur Füllung der Trennstege kontinuierlich. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines Befeuchtermoduls,

Fig. 1 b eine Draufsicht des Befeuchtermoduls aus Fig. 1 a mit geradli nig ausgebildeten Trennstegen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Befeuchtermo duls mit Trennstegen die eine Umlenkung aufweisen und

Fig. 3 ein Brennstoffzellensystem mit einem eine Mehrzahl von Be feuchtermodulen aufweisenden Befeuchter. Figur 1a und Figur 1 b zeigen ein Befeuchtermodul 1 für einen Befeuchter 15 mit einer gasdurchlässigen Membran 3, an deren einer Seite ein ein Fluss feld definierender Flussfeldkern 4 angeordnet ist. Der Flussfeldkern 4 weist eine Mehrzahl von Trennstegen 5 auf, zwischen den jeweils ein Kanal 6 aus gebildet ist. Die Trennstege 5 sind aus einem hygroskopischen, nicht was- serlöslichen Material, insbesondere aus Calciumsilikat, gebildet, derart, dass einem in den Kanälen 6 strömenden Fluid flüssiges Wasser entnommen, in die hygroskopischen Trennstege 5 aufgenommen, dort zeitweise gespeichert und bei Bedarf mittels Verdampfen aus den Trennstegen 5 abgegeben wer den kann.

Figur 1 b verdeutlicht dabei, dass der Flussfeldkern 4 von einem hydropho ben Rahmen 7 umgeben ist. Vorliegend ist der Flussfeldkern 4 in eine hyd rophobe Trägerplatte gepresst. Durch den hydrophoben Rahmen 7 des Flussfeldkerns 4 wird ein Austreten des flüssigen Wassers aus dem Fluss feldkern 4 nach außen verhindert, der Flussfeldkern 4 also abgedichtet.

Die geradlinige und parallel zueinander ausgebildete Erstreckung der Kanäle 6 ermöglicht dabei ein Führung des darin strömenden Fluids bei einem ge ringen Druckverlust. Die Trennstege 5 dienen dabei zusätzlich als Stütze für die Membran 3 des Befeuchtermoduls 1 bzw. des Befeuchters 15 und Stabi lisieren das Befeuchtermodul 1 oder auch den Befeuchter 15.

Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die zwischen den hygroskopischen Trennstegen 5 verlaufenden Kanäle 6 mehrere Umlenkun gen 8 erfahren. Vorliegend sind entlang der Längserstreckung der Trennste ge 5 in regelmäßigem Abstand zueinander Umlenkungen 8 ausgebildet, wo bei die einzelnen Trennstege 5 parallel zueinander angeordnet sind. Die Um lenkungen 8 stellen dabei Flächen zur Verfügung, an denen Flüssigkeitstrop fen abgeschieden werden können, sodass dem in den Kanälen 6 vorbei strömenden Fluid, das Flüssigwasser entnommen und in die hygroskopi schen Trennstege 5 aufgenommen und darin zwischengespeichert werden kann.

Figur 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 mit einem Befeuchter 15 zur Be feuchtung eines Gases. Dabei weist der Befeuchter 15 zwei nicht näher dar gestellte Endplatten auf, an denen ein Einlass 14 für trockenes Gas, ein Aus lass 18 für befeuchtetes Gas, ein weiterer Einlass 17 für feuchtes Gas und ein weiterer Auslass 13 für entfeuchtetes Gas ausgebildet ist. Zwischen den beiden Endplatten sind eine Mehrzahl von den zuvor beschriebenen Be feuchtermodulen 1 angeordnet.

Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst als Kernkomponente einen Brenn stoffzellenstapel 16, der eine Vielzahl von in stapelform angeordneten nicht näher dargestellten Brennstoffzellen aufweist. Jeder Brennstoffzelle ist je weils ein Anodenraum sowie ein Kathodenraum zugeordnet, wobei die Ano de und die Kathode durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind. Zwischen zwei solchen Membranelektrodenan- Ordnungen ist ferner jeweils eine nicht näher dargestellte Bipolarplatte ange ordnet, welche der Zuführung der Reaktanten in die Anoden- und Kathoden räume dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen herstellt.

Um den Brennstoffzellenstapel 2 mit den Reaktanten, also dem Kathodengas und dem Brennstoff zu versorgen, ist der Brennstoffzellenstapel 16 anoden seitig mit einer Anodenzufuhrleitung 20 zur Zuführung eines wasserstoffhalti gen Anodengases aus einem Anodenreservoir 19 verbunden. Der Anoden betriebsdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 16 ist über ein Stellglied 28 in der Anodenzufuhrleitung 20 einstellbar. Anodenaustrittsei tig ist eine Anodenabgasleitung 24 vorhanden, die mit einer mit der Anoden zufuhrleitung 20 fluidmechanisch verbundenen Anodenrezirkulationsleitung 21 zum Abtransport von nicht reagierten Anodengas fluidmechanisch ver bunden ist. Anodenseitig ist zudem in der Anodenrezirkulationsleitung 21 ein Abscheider 22, insbesondere ein Wasserabscheider vorhanden, dessen Ab fluss mittels einer Flüssigkeitszufuhrleitung 23 stromauf vom Befeuchter 15 mit einer Kathodenzufuhrleitung 30 verbunden ist. Dies ermöglicht, das ano denseitig produzierte Flüssigwasser dem Befeuchter 15 zuzuführen.

Kathodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 16 mit einer Kathodenzufuhrlei tung 30 verbunden zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Kathodengases. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodengases ist in einem als Trockenzu fuhrleitung 11 ausgebildeten Teil der Kathodenzufuhrleitung 30 ein Verdich ter 26 angeordnet. In der dargestellten Ausgestaltung ist der Verdichter 26 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 26 ausge staltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselekt ronik ausgestatteten nicht näher dargestellten Elektromotor erfolgt.

Über den Verdichter 26 wird das Kathodengas, welches aus der Umgebung angesaugt wurde, zu dem Befeuchter 15 mittels der Trockenzufuhrleitung 11 geführt. Ein zweiter Teil der Kathodenzufuhrleitung 30 verbindet den Be feuchter 15 mit dem Brennstoffzellenstapel 16 und leitete befeuchtetes Ka thodengas zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 16. Darüber hinaus wird Flüssigwasser und nicht reagiertes Kathodengas über eine Ka thodenabgasleitung 31 zurück zum Befeuchter 15 geleitet, oder das nicht reagierte Kathodengas (insbesondere die Abluft) wird gegebenenfalls aus den Kathodenräumen 18 des Brennstoffzellenstapels 16 zu einer nicht dar gestellten Abgasanlage geführt.

Schließlich weist der Befeuchter 15 noch eine Befeuchterabfuhrleitung 32 auf zum Ausleiten von entfeuchtetem Kathodenabgas.

Die Flüssigkeitszufuhrleitung 23 kann weiterhin fluidmechanisch mit der Ka thodenabfuhrleitung 31 stromauf des Befeuchters 15 verbunden sein. Dies ermöglicht ebenfalls die Zuführung von Flüssigwasser in den Befeuchter 15, da das Abgas zusätzlich befeuchtet wird, bevor es in den Befeuchter 15 und dessen Befeuchtermodul 1 eintritt. Alternativ oder ergänzend kann stromab wärts des Verdichters 26 eine Bypassleitung 12 vorhanden sein, die mit der Befeuchterabfuhrleitung 32 strömungsmechanisch verbunden ist.

Das Verfahren zum Befeuchten eines Gases in einem Brennstoffzellensys tem 2 umfasst dabei insbesondere die folgenden Schritte: Zunächst wird Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel 16 entnommen und dem Be feuchter 15 zugeführt. Das Flüssigwasser entsteht bei der Reaktion der Brennstoffzelle, welches dann in Form des Abgases den Brennstoffzellen stapel 16 verlässt und im Befeuchter 15 genutzt werden kann. Die Flüssig keitszufuhr kann gegebenenfalls zusätzlich anodenseitig über die verbunde ne Flüssigkeitszufuhrleitung 23, welche mit der Trockenzufuhrleitung 11 und mit der Kathodenabfuhrleitung 31 strömungsmechanisch verbunden ist, er folgen. Das Flüssigwasser zusammen mit dem Kathodenabgas strömt dabei durch die Kanäle 6 der Befeuchtermodule 1 des Befeuchters 15 und wird in den hygroskopischen Trennstegen 5 aufgenommen und zwischengespei chert. Die Trennstege 5 können bei Bedarf, insbesondere wenn dem Be feuchter 15 kein weiteres Flüssigwasser zur Verfügung gestellt wird oder bei hohen Lasten, mittels Verdampfen des Flüssigwassers wiederum zumindest teilweise entleert werden, so dass das dem Brennstoffzellenstapel 16 zuzu führende Gas befeuchtet werden kann. Das teilweise Entleeren kann dabei erfolgen, wenn die Feuchte der Membran 3 einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Dieser Schwellwert könnte mittels einer elektrischen Leitfähigkeit des Befeuchters 15 bestimmt werden. Alternativ kann das Flüssigwasser aus den Trennste- gen 5 auch in regelmäßigen zeitlichen Zyklen automatisch entleert werden. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung werden die Trennstege 5 dann entleert, wenn kein Flüssigwasser von dem Brennstoffzellenstapel 16 zuge führt wird oder zugeführt werden kann, oder das Brennstoffzellensystem 2 in einem Betriebsmodus operiert, in dem ein höherer Wasserbedarf besteht.

BEZUGSZEICHENLISTE:

I . Befeuchtermodul

2. Brennstoffzellensystem

3. Membran (des Befeuchtermoduls)

4. Flussfeldkern

5. Trennsteg

6. Kanal

7. Rahmen

8. Umlenkung

I I . T rockenzufuhrleitung

12. Bypassleitung

13. weiterer Auslass (des Befeuchters)

14. Einlass (des Befeuchters)

15. Befeuchter

16. Brennstoffzellenstapel

17. weiterer Einlass (des Befeuchters)

18. Auslass (des Befeuchters)

19. Anodenreservoir

20. Anodenzufuhrleitung

21. Anodenrezirkulationsleitung

22. Abscheider

23. Flüssigkeitszufuhrleitung

24. Anodenabgasleitung

26. Verdichter

28. Stellglied

29. Wärmeübertrager

30. Kathodenzufuhrleitung

31. Kathodenabgasleitung

32. Befeuchterabfuhrleitung