Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit einer Stapeleinheit, die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane enthält, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Membrane an Trägerrahmen gehalten sind, welche aufeinandergestapelt sind.

Stand der Technik

Eine Befeuchtungseinrichtung wird beispielsweise in der EP 1 261 992 B1 beschrieben, gemäß der die Befeuchtungseinrichtung einer Brennstoffzelle zugeordnet ist und dazu dient, einen Luftstrom, der dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, mit Feuchtigkeit anzureichern. Die Befeuchtungseinrichtung besitzt eine wasserdampfdurchlässige Membran, die zwischen Rahmenteilen eingespannt ist, wobei die Luftströme mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt, zwischen denen über die Membran ein Feuchtigkeitsaustausch stattfinden soll, durch Ausnehmungen in den Rahmenteilen geleitet werden, welche sich senkrecht zur Ebene der Membran erstrecken.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach aufgebaute Befeuchtungseinrichtung anzugeben, mit der ein Luftstrom mit Feuchtigkeit angereichert werden kann und die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane enthält, welche in Trägerrahmen angeordnet sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann Strömungsluft mit Feuchtigkeit angereichert werden. Die Befeuchtungseinrichtung weist zumindest eine Sta- peleinheit mit mehreren wasserdampfdurchlässigen Membranen auf, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind. Entlang einer Seitenfläche der Membrane strömt Zuluft, welche mit Feuchtigkeit angereichert werden soll. Entlang der gegenüberliegenden Seitenfläche der Membrane ström Abluft, welche durch die wasserdampfdurchlässige Membran Feuchtigkeit abgibt. Die Membrane verlaufen jeweils zwi- sehen zwei aufeinandergestapelten Trägerrahmen und sind randseitig zwischen den Trägerrahmen eingespannt. Die Trägerrahmen werden einschließlich der Membrane aufeinandergestapelt und bilden die Stapeleinheit. Die Trägerrahmen können miteinander verbunden werden.

Durch die Anreicherung des Luftstromes mit Feuchtigkeit wird ein geforderter Mindestfeuchtigkeitsgehalt erreicht. Die Befeuchtungseinrichtung wird vorzugsweise für eine Brennstoffzelle eingesetzt, in der in einer elektrochemischen Reaktion unter Verwendung der mit Feuchtigkeit angereicherten Strömungsluft Strom erzeugt wird. Die Mem- brane der Befeuchtungseinrichtung sind für Wasserdampf durchlässig, nicht jedoch für Luft, so dass durch die Membrane ausschließlich ein Wasseraustausch vom Luftstrom mit höherer Feuchtigkeit zum Luftstrom mit geringerer Feuchtigkeit erfolgt, welcher der Brennstoffzelle als Zuluft zugeführt wird. Die Stapeleinheit kann gegebenenfalls eine größere Anzahl von Membranen einschließlich Trägerrahmen aufweisen. Die Befeuch- tungseinrichtung kann ggf. in einem Gehäuse mehrere Stapeleinheiten aufnehmen.

Als weitere Verwendungsmöglichkeit kommt beispielsweise ein Einsatz der Befeuchtungseinrichtung für die Anreicherung von Atemluft in geschlossenen Räumen bzw. Kabinen in Betracht, beispielsweise in Flugzeugen oder in Kraftfahrzeugen. Bei der Ent- feuchtung von Abgasströmen in der Industrie kann die Befeuchtungseinrichtung ebenfalls zum Einsatz kommen.

Die Membrane sind jeweils zwischen zwei Trägerrahmen angeordnet, wobei an einer ersten Seitenfläche pro Membran ein Zuluftströmungsweg und an der gegenüberliegen- den Seitenfläche ein Abluftströmungsweg gebildet ist. Sowohl dem Zuluftströmungsweg als auch dem Abluftströmungsweg sind Strömungsöffnungen in den Trägerrahmen zugeordnet, über die die jeweilige Zuluft bzw. Abluft ein- bzw. ausströmt. Die Strömungsöffnungen sind von den beiden Trägerrahmen, welche einer zwischenliegenden Membran zugeordnet sind, begrenzt und erstrecken sich parallel zur Ebene der Membran. Der Zuluftströmungsweg und der Abluftströmungsweg verlaufen zueinander winkelversetzt, diese Strömungswege kreuzen sich somit.

Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Strömungsöffnung und der Zuluftströmungsweg die gleiche Orientierung haben, so dass die Zuluftströmung beim Übertritt durch die Strömungsöffnung keine Richtungsänderung in einer zu der Membran parallelen Ebene erfährt. Dies gilt zweckmäßigerweise sowohl für die Einströmöffnung als auch für die Ausströmöffnung der Zuluftströmung. Auch der Abluftströmungsweg liegt mit seiner zugeordneten Strömungsöffnung in der gleichen Orientierung, so dass keine Richtungsänderung in der Strömung in einer zu der Membran parallelen Ebene erforderlich ist. Auch für die Abluftströmung ist es zweckmäßig, dass sowohl die Einströmöffnung als auch die Ausströmöffnung an gegenüberliegenden Seitenbereichen des Trägerrahmens in der gleichen Orientierung wie die Abluftströmung liegen, so dass weder beim Einströmen in die Stapeleinheit noch beim Ausströmen aus der Stapeleinheit eine Richtungsänderung in einer zu der Membran parallelen Ebene erforderlich ist. Da Richtungsänderungen in einer zu der Membran parallelen Ebene nicht stattfinden bzw. zumindest reduziert sind, ist auch der Strömungswiderstand durch die Befeuchtungseinrichtung herabgesetzt.

Die Strömungsöffnungen befinden sich in den außenliegenden Trägerrahmen, wobei aufgrund der winkelversetzten Anordnung der Strömungwege für die Zuluft und die Abluft die Stapeleinheit über winkelversetzt zueinander angeordnete Seiten von der Zuluft und der Abluft durchströmt wird. Dies erleichtert den Anschluss an ein Rohr- bzw. Strö- mungssystem.

Grundsätzlich kann zumindest eine der Strömungsöffnungen der Zuluftströmung sowie der Abluftströmung jeweils vollständig oder teilweise in nur einen der Trägerrahmen eingebracht sein. Beispielsweise ist sowohl die Einströmöffnung als auch die Ausströmöff- nung für die Zuluftströmung in einen der Trägerrahmen eingebracht, wohingegen sowohl die Einströmöffnung als auch die Ausströmöffnung für die Abluftströmung in den zweiten Trägerrahmen eingebracht sein kann. Grundsätzlich möglich sind aber auch Ausführungen, bei denen auch der jeweils andere Trägerrahmen zumindest eine Strömungsöffnung der Zuluftströmung und/oder der Abluftströmung teilweise begrenzt.

Die Membran, welche zwischen den beiden Trägerrahmen gehalten ist, ist vorteilhafterweise formschlüssig zwischen den Trägerrahmen eingespannt. Hierbei greift ein erstes Formschlussteil an einem ersten Trägerrahmen formschlüssig in ein zweites Formschlussteil am zweiten Trägerrahmen, wobei die Membran zwischen dem ersten und dem zweiten Formschlussteil eingeklemmt ist. Die Formschlussteile am ersten und am zweiten Trägerrahmen sind beispielsweise nach dem Nut-Feder-Prinzip aufgebaut und umfassen eine Nut in einem der Trägerrahmen, in die ein Vorsprung am anderen Trägerrahmen eingreift, wobei die Membran von dem Vorsprung in der Nut eingeklemmt wird. Das Einspannen der Membran erfolgt vorzugsweise an beiden gegenüberliegenden Seiten in den Trägerrahmen in gleicher Weise. An den winkelversetzten Seitenbereichen ist die Membran zweckmäßigerweise ebenfalls formschlüssig zwischen den Trägerrahmen eingespannt, bevorzugt in der gleichen Weise. Über die unterschiedlich platzierten Strömungsöffnungen an den winkelversetzten Seiten an den Trägerrahmen erfolgt die Anströmung der Membran an ihrer Ober- oder Unterseite. Mit dem formschlüssigen Einspannen wird zweckmäßigerweise auch eine strömungsdichte Abdichtung erzielt.

Die aufeinanderliegenden Trägerrahmen sind vorteilhafterweise formschlüssig miteinan- der verbunden. Der Formschluss erfolgt bevorzugt in beide Richtungen parallel zur Ebene der Membran bzw. der Ebene der Trägerrahmen. Auch in Richtung orthogonal zur Ebene der Membran bzw. der Trägerrahmen können diese formschlüssig miteinander verbunden sein, beispielsweise indem die aufeinanderliegenden Trägerrahmen versetzt angeordnete Stege aufweisen, die sich in Orthogonalrichtung hintergreifen. Die form- schlüssige Verbindung zwischen den Trägerrahmen, insbesondere in Orthogonalrichtung, kann ggf. dadurch hergestellt werden, dass die versetzt zueinander angeordneten Stege über ein als zusätzliches Bauteil ausgebildetes Formschlusselement verbunden werden. Bei dem Formschlusselement handelt es sich zum Beispiel um einen Langkörper wie zum Beispiel einen Stab oder dergleichen, der in der Ebene bzw. paral- lel zur Ebene der Membran zwischen den versetzt angeordneten Stegen platziert wird.

Der Formschluss kann auch über einen Rasthaken von einem ersten Trägerrahmen und eine zugeordnete Rastausnehmung am zweiten Trägerrahmen hergestellt werden, wobei der Rasthaken in die zugeordnete Rastausnehmung eingreift. Der Rasthaken ist bevorzugt biegbar ausgebildet und kann sich während des Eingreifvorgangs elastisch verbiegen und nach dem erfolgten Eingreifen wieder in seine Ausgangsposition zurückkehren, wodurch ein versehentliches Lösen der Trägerrahmen voneinander sicher ausgeschlossen ist. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Membran an einem Stützgitter abgestützt, welches der Membran zusätzliche Stabilität verleiht. Das Stützgitter ist an einem der Trägerrahmen gehalten und kann gegebenenfalls einteilig mit dem Trägerrahmen ausgebildet sein. In Betracht kommt aber auch eine Ausführung des Stützgit- ters als separat vom Trägerrahmen ausgeführtes Bauteil, das mit einem Trägerrahmen verbunden oder zwischen zwei Trägerrahmen eingeklemmt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem Gehäuse, in das eine Stapeleinheit mit mehreren aufeinandergestapelten, wasserdampfdurchlässigen Membranen aufgenommen ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Stapeleinheit der Befeuchtungseinrichtung, mit mehreren aufeinandergestapelten Trägerrahmen, zwischen denen jeweils eine wasserdampfdurchlässige Membran angeordnet ist, Fig. 3 einen Schnitt durch die Stapeleinheit in einer ersten Ebene,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Stapeleinheit in einer weiteren Ebene,

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung der Seitenbereich der Stapeleinheit mit formschlüssig miteinander verbundenen Trägerrahmen,

Fig. 6 der Seitenbereich der Stapeleinheit mit formschlüssig verbundenen Trägerrahmen in einer weiteren Ausführung. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Befeuchtungseinrichtung 1 für eine Brennstoffzelle dargestellt, über die der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit angereicherte Frischluft, welche eine Mindestfeuch- te aufweist, zugeführt wird. Die Befeuchtungseinrichtung 1 weist in einem Gehäuse 2 eine austauschbar eingesetzte Kartusche 3 auf, welche dazu dient, die in einem Abgasstrom enthaltene Feuchtigkeit auf einen trockenen Frischluftstrom zu übertragen, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kartusche 3 weist eine Stapeleinheit mit einer Mehrzahl übereinandergestapelter, wasserdurchlässiger Membrane auf.

Das Gehäuse 2 der Befeuchtungseinrichtung 1 ist mit einem Zuluft- bzw. Frischluftkanal 4 versehen, über den Umgebungsluft als Frischluft herangeführt wird. Der Zuluftkanal 4 umfasst einen Zufuhrabschnitt 4a stromauf der Kartusche 3 sowie einen Ableitungsab- schnitt 4b stromab der Kartusche.

In einem 90°-Winkel versetzt zum Zuluftkanal 4 ist das Gehäuse 2 mit einem Abluftkanal 5 versehen, über den Abluft der Brennstoffzelle, welche mit Feuchtigkeit angereichert ist, durch die Kartusche hindurchgeführt werden. Der Abluftkanal 5 weist einen Zufuhrabschnitt 5a stromauf der Kartusche 3 und einen Ableitungsabschnitt 5b stromab der Kartusche auf.

Der Zuluftstrom 6 und der Abluftstrom 7 kreuzen sich entsprechend der Ausrichtung der Kanäle 4 und 5 in einem 90°-Winkel, jedoch sind die Luftströme 6 und 7 innerhalb der Kartusche 3 von den wasserdurchlässigen Membranen separiert, die lediglich einen Wasseraustausch von dem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Abluftstrom 7 auf den trockenen Zuluftstrom 6 erlauben.

In Fig. 2 ist eine Stapeleinheit 8 mit zwei aufeinanderliegenden Trägerrahmen 9 und 10 dargestellt, zwischen denen eine wasserdampfdurchlässige Membran eingespannt ist. Nach oben und nach unten schließen sich weitere Trägerrahmen an, wobei immer zwischen jeweils zwei aufeinandergestapelten Trägerrahmen eine Membran angeordnet ist. Die Durchströmung der Stapeleinheit 8 erfolgt wie mit den Pfeilen 6 und 7 dargestellt über Kreuz, der Zuluftstrom 6 und der Abluftstrom 7 verlaufen in einem 90°-Winkel zueinander. An den Außenseiten der Trägerrahmen 9 und 10 befinden sich jeweils eine Vielzahl von Formschlusselementen, über die die Trägerrahmen sowohl in der Ebene der Trägerrahmen bzw. der Membrane formschlüssig gehalten sind als auch in Orthogonalrichtung hierzu, die zugleich die Richtung der Montage bzw. die Stapelrichtung der Trägerrahmen 9 und 10 darstellt. In den Fig. 3 und 4 ist jeweils ein Schnitt durch die Stapeleinheit 8 dargestellt, wobei die Schnitte in verschiedenen, zueinander senkrechten Ebenen liegen. In Fig. 3 ist der Zuluftstrom 6 dargestellt, in Fig. 4 der Abluftstrom 7, jeweils entlang der Membran 12, wobei der Zuluftstrom 6 und der Abluftstrom 7 an gegenüberliegenden Seitenflächen der Membran 12 sowie orthogonal zueinander verlaufen. In der Darstellung gemäß den Fig. 3 und 4 verläuft der Zuluftstrom 6 unterhalb der Membran 12, der Abluftstrom 7 oberhalb der Membran 12. Eingezeichnet ist in den Fig. 3 und 4 außerdem ein Stützgit- ter 1 1 , welches ebenfalls an den Trägerrahmen bzw. zwischen Trägerrahmen gehalten und einer Membran zugeordnet ist. Das Stützgitter 1 1 verleiht der Membran eine zusätzliche Stabilität. Das Stützgitter 1 1 kann einteilig mit einem Trägerrahmen ausgebildet sein; in Betracht kommt aber auch eine Ausführung als separates Bauteil, das an einem Trägerrahmen gehalten oder zwischen zwei Trägerrahmen eingespannt ist.

Die Membran 12 ist zwischen den beiden Trägerrahmen 9 und 10 eingeklemmt. Hierfür befinden sich im Randbereich der Trägerrahmen 9, 10 Formschlusselemente, die als eine Nut 13 und ein Vorsprung 14 ausgebildet sind, wobei der Vorsprung 14 in die Nut 13 eingreift und hierbei die zwischenliegende Membran 12 einklemmt. An jedem Trä- gerrahmen 9, 10 befindet sich jeweils eine Nut 13 sowie ein Vorsprung 14, wobei der Vorsprung 14 an einem Trägerrahmen in die Nut 13 am darüberliegenden Trägerrahmen eingreift. Die Nuten 13 und die Vorsprünge 14 sind umlaufend ausgebildet, so dass eine strömungsdichte Abdichtung des von der Membran 12 überspannten Innenraums von der Umgebung gegeben ist.

An den Trägerrahmen 9, 10 können Leitrippen 15, 16 angeformt sein, die das Stützgitter 1 1 bzw. die Membran 12 abstützen.

Im Seitenbereich der Trägerrahmen 9, 10 sind Strömungsöffnungen 17 bzw. 18 gebil- det, über die der Zuluftstrom 6 bzw. der Abluftstrom 7 in die Stapeleinheit 8 einströmt bzw. aus der Stapeleinheit abströmt. Die Strömungsöffnungen 17 und 18 befinden sich sowohl jeweils an der Einströmseite als auch an der Abströmseite. Die Strömungsöffnungen 17 und 18 verlaufen zumindest annähernd parallel zur Ebene der Membrane 12, so dass sowohl bei der Anströmung, dem Durchströmen der Stapeleinheit und dem Abströmen keine bzw. nur eine geringe Richtungsänderung für die Zuluft- und die Ab- luftströmung erforderlich ist.

In Fig. 5 ist die formschlüssige Verbindung zwischen aufeinandergestapelten Trägerrah- men 9 und 10 dargestellt. Im Randbereich weisen die Trägerrahmen 9, 10 jeweils Stege 9a, 9b, 10a, 10b auf, von denen die Stege 9a, 10a versetzt angeordnet sind und in die Ebene des benachbarten Trägerrahmens einragen. Die Stege 9b, 10b haben die Funktion von Rückhaltestegen. Im montierten Zustand ergibt sich hierdurch in Orthogonalbzw. Montagerichtung 19 ein Hintergreifen der Rückhaltestege 10b durch die Stege 9a. In den Hinterschnitt ist als zusätzliches, separat ausgebildetes Formschlusselement 20 eine Stange oder dergleichen eingesetzt, so dass ein Lösen in Montagerichtung 19 der Trägerrahmen 9 und 10 ausgeschlossen ist. Für die Demontage muss zunächst das Formschlusselement 20 entfernt werden, anschließend können die Trägerrahmen 9 und 10 voneinander gelöst werden.

In Fig. 6 ist eine weitere formschlüssige Verbindung zwischen den Trägerrahmen 9 und 10 dargestellt. In Montagerichtung 19 ist an den Trägerrahmen ein Rasthaken 21 angeformt, der biegbar ausgebildet ist. Dem Rasthaken 21 ist eine Rastausnehmung 22 am jeweils anderen Trägerrahmen zugeordnet, in den der Rasthaken 21 im montierten Zu- stand verrastend eingreift. Zum Herstellen der formschlüssigen Rastverbindung kann der Rasthaken 21 elastisch gebogen werden. Am Rasthaken 21 und in der Rastausnehmung 22 können Anlaufschrägen ausgebildet sein, die beim Vorgang des Ineinandergreifens eine definierte Biegebewegung des Rasthakens 21 erzeugen, bis dieser seine endgültige Rastposition erreicht hat und aufgrund seiner Eigenelastizität wieder eine ursprüngliche Position einnimmt, in welcher der Rastschluss hergestellt ist.