Brennstoffzellenvorrichtung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit einem zwischen Endplatten ange- ordneten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran aufweisenden Be- feuchtermodul.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvor- richtung, die einen Befeuchter aufweist.

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- Befeuchterfinden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapel Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membra- nelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Zuluft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren an- dere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.

In der DE 10 2014 017 985 A1 ist dabei offenbart, zur Steigerung der Leis- tungsfähigkeit des Befeuchters mehrere Befeuchtermodule in einer Reihena- nordnung zu nutzen, wobei diese Mehrzahl von Befeuchtermodule zu einem Stapel aufgestapelt sind, der durch Spannbänder zusammengehalten wird, denen in Stapelrichtung wirkende Federelemente zugeordnet sind, um die mit Temperaturwechseln verbundenden Längenänderungen ausgleichen zu kön- nen. Die EP 1 261 992 B1 zeigt einen Befeuchter mit einer Mehrzahl von Befeuch- termodulen, die zwischen Endplatten angeordnet sind, die Anschlüsse für die Zufuhr und die Abfuhr der Medien tragen.

Die DE 10 2016 207 906 A1 verweist auf einen Befeuchter mit einer Separa- torplatte, die wenigstens eine einteilig mit der Platte ausgebildete Meßstruktur aufweist, die in einfacher Weise lokalisiert werden kann zur Vermessung der Platte.

Die bekannten Befeuchter erfordern zur ausreichenden Befeuchtung eine große Bauform mit entsprechend hohem Materialaufwand, wobei in der Regel eine Verklebung erfolgt und damit auch ein hoher Fertigungsaufwand und eine fehlende Demontierbarkeit verbunden ist, die keine Reparatur zulässt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter der ein- gangs genannten Art so auszubilden, dass der Materialaufwand zur Fertigung des Befeuchters infolge einer effizienteren Befeuchtung verringert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer einen Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung bereit- zustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspru- ches 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ein- heit mit der Abfolge Flussfeldrahmen-Dichtung-Membran-Dichtung-Flussfeld- rahmen bereitgestellt ist, wobei infolge der in dem Flussfeldrahmen angeord- neten Stege ein Flussfeld generiert wird, das ein gleichmäßigeres Bestreichen der Membran mit dem dieser Seite zugeordneten Medium ermöglicht, so dass die bereitgestellte Membran auf beiden Seiten besser ausgenutzt werden kann für eine verbesserte Feuchteübertragung. Die Stege fungieren dabei wei- terhin als Abstandshalter, die die Membran abstützen und somit für verbes- serte mechanische Stabilität sorgen.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Befeuchtermodul mehrfach vorgesehen ist, da so durch die Anzahl der Befeuchtermodule in einfacher Weise eine Skalier- barkeit der Leistungsfähigkeit des Befeuchters gegeben ist und damit flexibel unterschiedliche Baugrößen des Befeuchters bereitgestellt werden können.

Dabei ist dann vorgesehen, dass jeweils zwei der Befeuchtermodule zu einem Modulpaar zusammengefasst sind, und dass auf der zueinander weisenden Seite die Flussfeldrahmen für das identische Medium angeordnet sind, also durch diese einfache Maßnahme verhindert wird, dass in einer Stapelanord- nung der Befeuchtermodule Flussfelder für unterschiedliche Medien unmittel- bar in Kontakt stehen, ohne eine die Flussfelder trennende Membran.

Desweiteren ist die Gestaltung so gewählt, dass der Flussfeldrahmen und die Stege die gleiche Flöhenerstreckung aufweisen, so dass eine Verteilung des in den Flussfeldrahmen eingeleiteten Mediums erfolgt zwischen die einzelnen Stege, und diese Verteilung beibehalten wird, also eine Durchmischung des Mediums nach Art einer turbulenten Strömung vermieden ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass der Flussfeldrahmen einstückig mit den Stegen und zwei diametral gegenüberliegenden Ecken zugeordneten Verteilern gebildet ist, in denen Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, die zwischen die Stege führen, die im Mittenbereich des Flussfeldrahmens parallel zu der die gegenüberliegenden Ecken verbindende Geraden verlaufen. Bei dieser Ausführungsform kann eine spritzgussgerechte Auslegung erfolgen, also die Herstellung kostengünstig mittels Spritzguss erfolgen für die Flussfel- drahmen auf beiden Seiten der Membran, da lediglich eine Verdrehung der identischen Flussfeldrahmen um 90 Grad erfolgen muss. Dichtungen können dabei separat eingelegt oder auch aufgespritzt werden. Bei quadratischen Flussfeldrahmen sind die Strömungskanäle zwischen den Stegen um 45 Grad gegenüber den Schenkeln des Flussfeldrahmens ausgestellt, was zu einer Kreuzstromführung mit optimaler Strömungsführung beiträgt. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn in dem Flussfeldrah- men auf beiden Seiten der Stege jeweils ein die Stege positionierender Ver- binder mit gegenüber den Stegen geringerer Flöhenerstreckung angeordnet ist, der auf der Innenseite des Flussfeldrahmens über Eck mit zwei aneinander grenzenden Schenkeln verbunden ist. Dieser Verbinder schafft damit in einfa- eher Weise die Möglichkeit, infolge seiner geringen Höhenerstreckung, dass eine Zuleitung des Mediums in das Eck als ein Sammler und von dort die Ver- teilung des Mediums zwischen die einzelnen Stege in dem Flussfeldrahmen zur Generierung des Flussfeldes erfolgen kann. Vorgesehen ist weiterhin, dass die Dichtungen als Dichtungsrahmen gestaltet sind mit zwei gegenüberliegenden Querverbindern, die auf der Innenseite des Dichtungsrahmens über Eck mit zwei aneinander grenzenden Schenkeln ver- bunden sind, dass auf einer Seite der Membran die Verbinder und die Quer- verbinder komplementären Ecken zugeordnet sind, und dass die Membran die Gestalt eines Sechsecks aufweist, dessen Kanten den Verbindern, den Quer- verbindern und den Rahmen zugeordnet sind. Durch diese Anordnung sind genau getrennte Medienräume geschaffen, die gegeneinander abgedichtet sind, so dass die ausgewählten Ecken als Sammler zur Zuleitung des einen bzw. des anderen Mediums genutzt werden können und die Dichtungen damit für Gasdichtheit zwischen den beiden Medien und nach außen sorgen.

Zu beachten ist weiterhin, dass Medienanschlüsse für die Zufuhr und die Ab- fuhr der beiden Medien vorgesehen sind, und dass die Medienanschlüsse für eines der Medien gemeinsam auf einer der Endplatten oder getrennt auf den beiden Endplatten angeordnet sind, und dass die Medienanschlüsse für das andere Medium gemeinsam auf derselben oder der anderen Endplatte wie die Medienanschlüsse für das erste Medium oder getrennt auf den beiden End- platten mit invertierter Zuordnung der Medienanschlüsse für die Zufuhr und die Abfuhr relativ zum ersten Medium angeordnet sind. Durch diese alternative Gestaltungsmöglichkeiten ergibt sich eine große Variabilität hinsichtlich der Strömungen in den Flussfeld, so dass Z-Durchströmungen und U-Durchströ- mungen möglich sind für jedes der Medien, und Gegen- bzw. Kreuzgegenströ- mungen, wenn man die beiden Medien gemeinsam betrachtet.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Verlauf der Stege auf den beiden Seiten der Membran um einen Winkel versetzt ist. Dieser Winkel kann insbe- sondere 90° betragen, so dass der Verlauf der Stege in den Flussfeldrahmen für die beiden unterschiedlichen Medien auf die unterschiedliche Zuleitung aus den Sammlern der verschiedenen Ecken abgestimmt ist.

Die mit dem erfindungsgemäßen Befeuchter verbundenen Vorteile entfalten ihre volle Wirkung insbesondere, wenn der Befeuchter in einer Brennstoffzel- lenvorrichtung angeordnet ist, die insbesondere auch in einem Kraftfahrzeug betrieben werden kann, weil infolge der flexiblen Baugröße eine individuelle Abstimmung auf den Einsatzzweck möglich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs- formen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer einen Befeuchter auf- weisenden Brennstoffzellenvorrichtung, Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines Befeuchtermoduls in der Ab- folge Flussfeldrahmen - Dichtung - Membran - Dichtung - Fluss- feldrahmen,

Fig. 3 einen Befeuchter mit einer Mehrzahl zwischen Medienanschlüs- sen aufweisenden Endplatten angeordneten Befeuchtermodu- len,

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform eines Flussfeldrahmens in ei- ner Draufsicht, und Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Ecke des Flussfeldrah- mens aus Figur 4

In der Figur 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brenn- stoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Memb- ran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen- Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Flydrocarbon-Membran gebil- det sein.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige- mischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium o- der dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Re- aktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zuge- führt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM- Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2Fh— 4FT + 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 (z.B. Sauer- stoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodensei- tig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H ⁺ + 4e ^_ — > 2H2O (Reduktion/Elekt- ronenaufnahme).

Um eine lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewähr- leisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brenn- stoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizu- führen.

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammenge- fasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfü- gung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathoden- gasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Ka- thodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellen- stapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in ei- nem Befeuchter 4.

Der als Ausführungsbeispiel in der Figur 3 gezeigte Befeuchter 4, weist zwei Endplatten 5 auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 angeordnet sind, wobei die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplatten 5 durch Zugstangen 7 verspannt werden. Eine andere Verbindung der Endplat- ten 5 anstelle der Zugstangen 7 durch Ausnutzung beispielsweise von Bän- dern ist gleichfalls denkbar. Auch ist es denkbar, federnde Elemente für eine variable Spannkraft zum Ausgleich von Ausdehnungseffekten der Zugstangen 7 oder den Bändern zuzuordnen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist für die Einfachheit der Darstellung die Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr der beiden Medien zu einer der Endplatten 5 getroffen, wobei für den Fall einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 die beiden Medien sich nur hinsichtlich ihres Feuchtegehalts unterscheiden, aber stofflich in der Regel Luft vorliegt. Generell besteht aber die Möglichkeit, dass die Medienan- schlüsse 8 für eines der Medien gemeinsam auf einer der Endplatten 5 oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 angeordnet sind, und dass die Medien- anschlüsse 8 für das andere Medium gemeinsam auf derselben oder der an- deren Endplatte 5 wie die Medienanschlüsse 8 für das erste Medium oder ge- trennt auf den beiden Endplatten 5 mit invertierter Zuordnung der Medienan- Schlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr relativ zum ersten Medium angeord- net sind, also die in Reihe angeordneten Befeuchtermodule 6 hinsichtlich ei- nes Mediums U-oder Z-förmig durchströmt werden können, während bei Be- trachtung der beiden Medien gemeinsam auch ein Gegenstrom oder Kreuz- Gegenstrom möglich ist.

In der Figur 2 ist der Aufbau eines einzelnen Beuchtermoduls 6 dargestellt. Dabei ist beidseits der Membran 9 jeweils ein Flussfeldrahmen 10 mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierender Stege 11 angeordnet und zwischen je- dem der Flussfeldrahmen 10 und der Membran 9 eine Dichtung 12 angeord- net, so dass sich für die Einheit eines Befeuchtermoduls eine Abfolge Fluss- feldrahmen 10 -Dichtung 12 -Membran 9 -Dichtung 12 -Flussfeldrahmen 10 ergibt.

Dabei weisen der Flussfeldrahmen 10 und die Stege 11 die gleiche Höhener- Streckung auf, während in dem Flussfeldrahmen 10 auf beiden Seiten der Stege 11 jeweils ein die Stege 11 positionierender Verbinder 13 mit gegenüber den Stegen 11 geringerer Flöhenerstreckung angeordnet ist, der auf der In- nenseite des Flussfeldrahmens 10 über Eck mit zwei aneinander grenzenden Schenkeln verbunden ist. Dieser Verbinder 13 stellt in dem Eck damit einen Sammler 14 für das Medium bereit, das infolge der geringen Höhenerstre- ckung des Verbinders 13 aus diesem Sammler 14 zwischen die Stege 11 ver- teilt wird zur Generierung des Flussfeldes. Da die Stege 11 die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrahmen 10, ist ein Austausch des Mediums zwi- schen den Stegen 11 nicht möglich und es findet eine gleichmäßige Verteilung des Mediums in dem Flussfeld über die gesamte Fläche der Membran 9 statt. Weil die Stege 11 weiterhin die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrah- men 10, bewirken die Stege 11 auch eine Abstützung der Membran 9 und eine Erhöhung der mechanischen Stabilität des gesamten Befeuchtermoduls 6. Die Dichtungen 12 sind als Dichtungsrahmen 15 gestaltet mit zwei gegenüber- liegenden Querverbindern 16, die auf der Innenseite des Dichtungsrahmens 15 über Eck mit zwei aneinandergrenzenden Schenkeln verbunden sind, wo- bei auf einer Seite der Membran 9 die Verbinder 13 und die Querverbinder 16 komplementären Ecken zugeordnet sind, und wobei die Membran 9 die Ge- stalt eines Sechsecks aufweist, dessen Kanten den Verbindern 11 , den Quer- verbindern 13 und den Rahmen 10, 15 zugeordnet sind.

Die Figur 2 lässt somit erkennen, dass bei dem in Figur 2 gezeigten unteren Flussfeldrahmen 10 im rechten Eck die Zuleitung des feuchten Mediums erfol- gen kann, das über den Verbinder 13 zwischen die Stege 11 geleitet wird und über das gegenüberliegende Eck das Flussfeld und den Flussfeldrahmen 10 wieder verlassen kann. In dem in der Figur 2 gezeigten oberen Flussfeldrah- men 10 ist der Verlauf der Stege 11 um einen Winkel von 90° gegenüber dem Verlauf der Stege 11 in dem unteren Flussfeldrahmen 10 versetzt. Der Verbin- der 13 in dem oberen Flussfeldrahmen 10 schafft wiederum die Möglichkeit der Zuleitung des trockenen Mediums zwischen die Stege 11 und der Abfuhr des trockenen Mediums zwischen den Stegen 11 aus dem gegenüberliegen- den Eck des oberen Flussfeldrahmens 10.

Es ist zu beachten, dass infolge der den Dichtungsrahmen 15 zugeordneten Querverbinder 16 eine Gasdichtheit zwischen den beiden Medien und auch nach außen bereitgestellt ist. Bei den in Reihe angeordneten Befeuchtermo- dulen 6 zwischen den Endplatten 5 bestehen damit für die beiden Medien ge- trennte Zuleitungskanäle und Ableitungskanäle.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführung des Flussfeldrahmens 10, bei der der Flussfeldrahmen 10 einstückig mit den Stegen 11 und zwei diametral gegenüberliegenden Ecken zugeordneten Verteilern 17 gebildet ist, in denen Durchgangsöffnungen 18 ausgebildet sind, die zwischen die Stege 11 führen, die im Mittenbereich des Flussfeldrahmens 10 parallel zu der die gegenüberliegenden Ecken verbindende Geraden verlaufen. Bei der gezeig- ten quadratischen Grundform sind also die Strömungskanäle zwischen den Stegen 11 um 45 Grad gegenüber den Schenkeln ausgestellt, also verdreht. Das Befeuchtermodul 6 als eine Einheit kann insgesamt nach außen im Be- reich der Stege 11 abgedichtet sein, alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass jeweils zwei der Befeuchtermodule 6 zu einem Modulpaar zusammenge- fasst sind, und dass auf der zueinanderweisenden Seite die Flussfeldrahmen 10 für das identische Medium angeordnet sind, so dass identisch gefertigte Befeuchtermodule 6 in Reihe angeordnet werden können, ohne dass aus dem Flussfeldrahmen 10 für das feuchte Medium in den angrenzenden Flussfeld- rahmen 10 für das trockene Medium ein Austausch stattfinden kann.

Der Flussfeldrahmen 10 kann aus einem geeigneten Kunststoff wie zum Bei- spiel PEEK gefertigt sein.

Die Dichtung 12 kann als Einlegedichtung ausgeführt sein, für die Materialien, wie PTFE oder EPDM geeignet sind.

Für die Membran 9 ist die Verwendung von Polymermembranen, wie zum Bei- spiel sulfonierte Membranen denkbar; gleichfalls sind Baumwollmembranen geeignet.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit dem Befeuchter 6 eignet sich besonders zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Brennstoffzellenvorrichtung

2 Brennstoffzellenstapel

3 Verdichter

4 Befeuchter

5 Endplatte

6 Befeuchtermodul

7 Zugstange

8 Medienanschlüsse

9 Membran

10 Flussfeldrahmen

11 Steg

12 Dichtung

13 Verbinder

14 Sammler

15 Dichtungsrahmen

16 Querverbinder

17 Verteiler

18 Durchgangsöffnung