mit Befeuchter sowie Kraftfahrzeug

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer wasserdampfpermeablen Membran und zumindest einem auf einer Seite der Membran angeordneten Flussfeld, in dem Strömungskanäle durch Flussfeldstege getrennt sind, wobei die Flussfeldstege als Hohlstege ausge- führt sind zur Einbindung in einen Kühlmittelkreislauf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug.

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 Brennstoffzellenvor richtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathoden räume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vor- liegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter be reitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, in dem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellen- Stapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluft kühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bau- raums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen.

In der DE 10 2013 004 799 A1 ist ein Befeuchter mit den Merkmalen des Oberbegriffs vom Patentanspruch 1 beschrieben, bei dem bei einer wasser dampfpermeablen Membran auf einer ersten Seite eine erste Schichtanord nung zu finden ist, die eine Vielzahl parallel zur Membran verlaufender Strö mungsstege umfasst, während auf einer zweiten Seite der Membran eine zweite Schichtanordnung vorliegt, die auch eine Vielzahl parallel zur Memb ran verlaufender Strömungsstege umfasst, welche Strömungskanäle be grenzen. Zumindest ein Teil der Strömungsstege der zweiten Strömungs schicht sind mit einer Mehrzahl von Stabilisierungsstellen in Form lokaler Vergrößerungen der Stegbreite ausgebildet.

In der US 2008/0075993 A1 wird eine Bipolarplatte mit Poren beschrieben, die durch Membranen bedeckt sind und es selektiv erlauben, durch die Membran treten und ein Reaktionsgas zu befeuchten.

In der DE 10 2015 122 144 A1 ist ein Befeuchter mit integriertem Wasserab scheider bereitgestellt, wobei eine Vielzahl von separaten Abscheideelemen ten auf der ersten Seite der Membran angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Befeuchter mit verbesserter Effizienz sowie eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbes sertes Kraftfahrzeug zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des An spruchs 1 , durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass die Flussfeldstege als Hohlstege ausgeführt sind zur Einbindung in einen Kühl mittelkreislauf, also die Möglichkeit eröffnet ist, dem Flussfeld beziehungs weise dem in den Strömungskanälen strömenden Medium Wärme zuführen zu können, um zu einen das Verdampfen von Flüssigwasser zu fördern und zu anderen dem Temperaturabfall bei dem Verdampfen des Flüssigwassers entgegen zu wirken.

Um eine große Oberfläche für die Wärmeübertragung bereit zu stellen, ist vorgesehen, dass die Hohlstege im Querschnitt als Polygon gestaltet sind. Der Förderung der Wärmeübertragung dient auch, dass die Flussfeldstege aus einem wärmeleitenden Material gebildet sind.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Flussfeldstege auf ihrer Außenseite einen Wasserspeicher aufweisen, da so diskontinuierlich anfallendes Flüs sigwasser gespeichert werden kann zur Abgabe, wenn Betriebszustände ohne Einbringung von Flüssigwasser vorliegen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Wasserspeicher durch ein hygroskopisches Material gebildet ist. Ergänzend oder auch alternativ be steht auch die Möglichkeit, dass die Flussfeldstege eine poröse Struktur auf weisen. In den Poren kann gleichfalls Wasser gespeichert werden.

Der besseren Temperierung des in den Strömungskanälen durchgeleiteten Mediums dient auch, dass das Flussfeld in einem wärmeisolierenden Rah men angeordnet ist.

Hinsichtlich der Nutzung von Gleichteilen für eine kostengünstige Fertigung und der Einfachheit des Aufbaus sowie der Effizienz der Befeuchtung ist es vorteilhaft, wenn auf der dem Flussfeld gegenüberliegenden Seite der Membran ein zweites, gleichartig gebildetes Flussfeld zur Durchleitung des zu befeuchtenden Gases angeordnet ist. Ist der Befeuchter einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeordnet, steht bereits ein Kühlkreislauf zur Verfügung, so dass zweckmäßigerwesie ein Kühlkreis lauf eines Brennstoffzellenstapels durch die als Hohlstege gebildeten Fluss feldstege des Befeuchters geführt ist,. Des Weiteren besteht auch die Mög- lichkeit, dass die Strömungskanäle mit einem Wasserabscheider des Brenn stoffzellenstapels strömungsverbunden sind, um so über eine Quelle von Flüssigwasser zu verfügen.

Ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung weist ei- nen geringeren Bauraumbedarf auf und ist effizienter zu betreiben.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina- tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi- nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.

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 eine schematische Darstellung einer einen Befeuchter aufwei senden Brennstoffzellenvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines durch Stege getrennte

Kühlmittelkanäle aufweisenden Flussfeldes eines Befeuchters, mit den Stegen zugeordneten, geleert dargestellten Wasser speichern,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Flussfeld aus Figur 2, Fig. 4 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit gefüllt darge stellten Wasserspeichern,

Fig. 5 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung zu dem Flussfeld aus Figur 4,

Fig. 6 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung einer alternativen

Ausführungsform mit modifizierten Stegen, und

Fig. 7 eine der Figur 5 entsprechende Darstellung der alternativen

Ausführungsform aus Figur 6.

In der Figur 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung gezeigt, wo bei diese einen Befeuchter zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 4 um fasst.

Jede der Brennstoffzellen 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytet- rafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sul fonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfo- nierte Flydrocarbon-Membran gebildet sein.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige mischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladi um, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbe schleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasser stoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmo leküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt bei- spielsweise die Reaktion: 2H2— 4H ⁺ + 4e ^_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Bei spiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H ⁺ + 4e ^_ — 2H2O (Re duktion/Elektronenaufnahme).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 4 zusammen gefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Ver fügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 5 ein großer Katho dengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark er höht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünsch ten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 5 nachgelager ten nicht näher gezeigten Ladeluftkühler sowie in dem Befeuchter 2, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 4 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.

Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 3 mit einer Anodenzufuhrleitung 6 fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher 7 enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt werden kann. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brenn stoff innerhalb des Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anoden- rezirkulationsleitung 8 zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulati- onsleitung 8 kann der im Brennstoffzellenstapel 3 nicht verbrauchte Brenn stoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 erneut zu geführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 8 wieder in die Anodenzufuhrleitung 6 mündet. Um die Flüssigkeit aus dem Anoden kreislauf auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung 8 ein Abscheider 9 eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 1 verbunden, so dass die anodenseitig anfal lende Flüssigkeit beispielsweise in die stromab des Brennstoffzellenstapels 3 vorhandene Kathodenabgasleitung 10 eingebracht wird, um die Flüssigkeit beispielsweise aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 auszuleiten. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit vom Abschei der 9 auch in eine Kathodenzufuhrleitung 11 stromauf des Befeuchters 2 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in den Befeuchter 2 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Befeuchter 2 insgesamt kleiner ausgelegt werden kann, da das fri sche, durch das Verdichten mittels des Verdichters 5 trockene Frischgas dann nicht mehr so stark zu befeuchten ist, um im Brennstoffzellenstapel 3 die erforderliche Feuchte der Membranen zu gewährleisten.

Um den Massenstrom des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel 3 regulieren zu können ist ein Bypass 12 vorhanden, welcher ein Stellglied, insbesondere ein Druckregelventil aufweist. Dieser Bypass 12 verbindet die Kathodenzufuhrleitung 11 mit der Kathodenabgasleitung 10.

Der Befeuchter 2 ist in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Planarbefeuchter mit mehreren Befeuchtermodulen 13 aufgebaut, von denen jedes mit einer wasserdampfpermeablen Membran und einem auf einer Seite der Membran angeordneten Flussfeld 14 und einem auf der gegenüberlie genden Seite der Membran angeordneten zweiten Flussfeld 14 gebildet ist, die in einem wärmeisolierenden, also schlecht Wärme leitenden Rahmen 15 angeordnet sind. In den Flussfeldern 14 sind Strömungskanäle 16 durch Flussfeldstege 17 getrennt, wobei die Flussfeldstege 17 als Flohlstege (Figur 3) ausgeführt sind zur Einbindung in einen Kühlmittelkreislauf 18, nämlich in den Kühlmittelkreislauf 18 des Brennstoffzellenstapels 3 der Brennstoffzel lenvorrichtung 1 , der einen Kühler 19 und eine Kühlmittelpumpe 20 aufweist, die in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel stromab des Befeuch ters 2 in dem Kühlmittelkreislauf 18 angeordnet sind. Die mit dem Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 3 abgeführte Wärme wird also genutzt, um das in den Strömungskanälen 16 strömende Gas zu erwärmen und der durch das Verdampfen des Flüssigwassers erfolgenden Abkühlung entgegen zu wirken. Auch ist mit dieser Wärmezufuhr eine höhe re Flüssigwasserumsetzung verbunden. Realisiert ist dies, indem die Flohlstege zur Vergrößerung der Oberfläche im Querschnitt als Polygon 21 gestaltet und aus einem wärmeleitenden Material gebildet sind.

Diese Wärmenutzung vor dem Kühler 19 führt auch dazu, dass dieser weni ger Wärme dem Kühlmittel entziehen muss und daher gegebenenfalls kleiner ausgeführt werden kann.

Weiterhin wird das im Brennstoffzellenstapel 3 anfallende und im Abscheider 9 gesammelte Flüssigwasser genutzt, indem die Strömungskanäle 16 mit dem Abscheider 9 des Brennstoffzellenstapels 9 strömungsverbunden sind. Auf der Frischgasseite führt dies zu einer Befeuchtung, so das weniger Was serübertragung durch die Membran erforderlich ist und daher die Membran fläche und infolge dessen die Baugröße des Befeuchters 2 reduziert werden kann. Auf der Kathodenabgasseite führt dies zu der Befeuchtung des Katho denabgases.

Da die Flussfeldstege 17 auf ihrer Außenseite einen Wasserspeicher 22 aufweisen, besteht die Möglichkeit, diese Wasserspeicher 22 bei Vorliegen von Flüssigwasser zu füllen und das gespeicherte Wasser dann abzugeben, wenn weniger Flüssigwasser aus dem Abscheider 9 zur Verfügung steht. Der Wasserspeicher 22 ist durch ein hygroskopisches Material gebildet ist, das auf den Flussfeldstegen 17 aufgelegt, verklebt oder eingepresst ist. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Flussfeldstege 17 eine poröse Struktur aufweisen.

In einem eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem derartigen Befeuchter 2 aufweisenden Kraftfahrzeug besteht weniger Bauraumbedarf für den Be feuchter 2, der kompakter und entsprechend mit weniger Materialaufwand gefertigt werden kann. BEZUGSZEICHENLISTE

1. Brennstoffzellenvorrichtung

2. Befeuchter

3. Brennstoffzellenstapel

4. Brennstoffzelle

5. Verdichter

6. Anodenzufuhrleitung

7. Brennstoffspeicher

8. Anodenrezirkulationsleitung

9. Abscheider

10. Kathodenabgasleitung

11. Kathodenzufuhrleitung

12. Bypass

13. Befeuchtermodul

14. Flussfeld

15. Rahmen

16. Strömungskanale

17. Flussfeldstege

18. Kühlmittelkreislauf

19. Kühler

20. Kühlmittelpumpe

21. Polygon

22. Wasserspeicher