BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für eine Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Mehrzahl von Flussfeldrahmen, zwischen denen jeweils eine Be- feuchtermembran angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraft- fahrzeug. 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 der für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 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 US 2015/0004504 A1 ist eine integrierte Gasmanagementvorrichtung für eine Brennstoffzelle offenbart, die einen Befeuchter sowie einen Wärme- tauscher aufweist, der an einem ersten Ende des Befeuchterkerns angeord- net ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter der eingangs genannten Art so zu modifizieren, dass der Komplexitätsgrad eines Brenn- stoffzellensystems reduziert werden kann. Aufgabe ist es weiterhin, ein ver- bessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.

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 Mehrzahl von zu den Flussfeldrahmen identisch gebildeten Kühl- Flussfeldrahmen, zwischen denen jeweils eine Trennplatte angeordnet ist, einen integrierten Ladeluftkühler bilden. Zum Einen wird dadurch erreicht, dass der Bauraumbedarf deutlich verringert werden kann, da der Ladeluft- kühler in den Befeuchter integriert, also mit diesem zusammengefasst ist. Des Weiteren ist neben der Erhöhung des Integrationsgrades auch die An- zahl der Gleichteile in dem Gesamtsystem Befeuchter plus Ladeluftkühler erhöht, da die als Kühl-Flussfeldrahmen des Ladeluftkühlers identisch zu den Flussfeldrahmen des Befeuchters gebildet sind, also eine Produktion identi- scher Teile ermöglicht ist, die erst nachfolgend auf den Befeuchter und den Ladeluftkühler verteilt werden und dann die Zuordnung und Benennung als Flussfeldrahmen bzw. Kühl-Flussfeldrahmen erfolgt.

Bevorzugt ist es weiterhin, wenn eine Kopplungsplatte zwischen den in ei- nem Stapel angeordneten Flussfeldrahmen und den in einem Stapel ange- ordneten Kühl-Flussfeldrahmen vorgesehen ist. Die zwischen dem Flussfeld- rahmen und dem Kühl-Flussfeldrahmen vorgesehene Kopplungsplatte er- möglicht eine Optimierung der Strömungsführung in den jeweiligen Bautei- len, so dass zwar ein identischer Aufbau der Flussfeldrahmen und der Kühl- Flussfeldrahmen vorliegt, dass diese aber, ihrem Zwecke entsprechend, un- terschiedlich durchströmt werden können.

Dabei bietet es sich dann an, dass die Kopplungsplatte flussfeldfrei mit dem zu den Flussfeldrahmen identischen Querschnitt ausgebildet ist und eine durchgehende, die Flussfeldrahmen und die Kühl-Flussfeldrahmen für die trockene Luft koppelnde Trockenluftleitung aufweist. Der zu den Flussfeld- rahmen und Kühl-Flussfeldrahmen identische Querschnitt stellt sicher, dass die Kopplungsplatte in den durch diese gebildeten Stapel integriert werden kann, wobei es nicht erforderlich ist, neben der Einhaltung des Querschnitts auch die Dicke der Flussfeldrahmen bei der Kopplungsplatte zu reproduzie- ren; die Kopplungsplatte kann eine von den Flussfeldrahmen abweichende, insbesondere erhöhte Dicke aufweisen. Dies erleichtert dann insbesondere, dass die Kopplungsplatte einen seitlichen Kühlmittelanschluss mit einer Kühlmittelleitung zur Durchleitung des Kühlmittels zu den Kühl- Flussfeldrahmen ausbilden kann, und dass die Kopplungsplatte einen seitli chen Luftaustritt für den Austritt der feuchten Luft nach dem Durchleiten in einer Luftleitung von den Flussfeldrahmen aufweist.

Für die Funktionsweise des Befeuchters ist es erforderlich, dass auf beiden Seiten jeder Befeuchtermembran eine Dichtung angeordnet ist. Es sind auch identisch gebildete Dichtungen auf beiden Seiten jeder Trennplatte angeord- net, so dass dadurch erneut eine Erhöhung der Anzahl der Gleichteile vor- liegt und bei der Produktion und bei der Montage vorteilhafte Skalierungsef- fekte genutzt werden können.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Trennplatte aus einem Metall oder ei- ner Metalllegierung gebildet ist, um so eine verlässliche Separierung der Strömungen in den Kühl-Flussfeldrahmen mit einem guten Wärmeaustausch zu gewährleisten. Es ist auch vorgesehen, dass zwischen den Trennplatten in den Kühl- Flussfeldrahmen für eine verbesserte Wärmeübertragung Elemente zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Umlenkbleche und poröse Vliese umfasst.

Vorgesehen ist weiterhin, dass in den Flussfeldrahmen und den Kühl- Flussfeldrahmen für das Flussfeld Kanäle geformt oder poröse Bereiche be- reitgestellt sind.

Bei diesem Befeuchter mit integriertem Ladeluftkühler liegt damit ein modula- rer Aufbau mit einer großen Anzahl von Gleichteilen vor und es besteht ins- besondere die einfache Möglichkeit, zur Anpassung an das geforderte Leis- tungsvermögen des Befeuchters und/oder Ladeluftkühlers eine unterschied- liche Anzahl der Module einzusetzen, wobei die Anzahl der verwendeten Flussfeldrahmen unabhängig von der Anzahl der Kühl-Flussfeldrahmen den Bedürfnissen entsprechend gewählt werden kann.

Damit besteht auch die Möglichkeit, ein Kraftfahrzeug mit einer einen Be- feuchter der vorstehend genannten Art gebildeten Brennstoffzellenvorrich- tung zu verbessern, weil der Bauraumbedarf für den Befeuchter mit integrier tem Ladeluftkühler verringert ist und damit Bauraum in dem Kraftfahrzeug zur weiteren Verwendung freigegeben wird, und des Weiteren die Kosten für das Kraftfahrzeug sinken während dessen Effizienz steigt.

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

Figur 1 eine Draufsicht auf einen Kanäle aufweisenden Flussfeldrah- men,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht zweier zwi- schen Befeuchtermembranen angeordneten Flussfeldrahmen, wobei der gestrichelt dargestellte Flussfeldrahmen die feuchte (Ab-)Luft führt, und wobei der andere unstrichliert dargestellte Flussfeldrahmen die trockene, zu befeuchtende (Zu-)Luft führt,

Figur 3 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer

Brennstoffzellenvorrichtung, nämlich der Brennstoffzellenstapel mit den kathodenseitigen Nebenaggregaten,

Figur 4 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung eines Kühl- Flussfeldrahmens, wobei der gestrichelt dargestellte Kühl- Flussfeldrahmen die zu kühlende, trockene (Zu-)Luft führt, und wobei der andere unstrichliert dargestellte Kühl- Flussfeldrahmen das Kühlmittel führt,

Figur 5 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung zweier zwischen

Trennplatten aufgenommenen Kühl-Flussfeldrahmen,

Figur 6 eine schematische Darstellung der Strömung in einem Befeuch- ter mit integriertem Ladeluftkühler, wobei zwischen dem Be- feuchter und dem Ladeluftkühler eine Kopplungsplatte ange- ordnet ist,

Figur 7 eine schematische Darstellung der Leitungen und Strömungs- verhältnisse in einem Ladeluftkühler, entsprechend dem linken Teil der Figur 6,

Figur 8 eine schematische Darstellung der Leitungen und Strömungs- verhältnisse in einer Kopplungsplatte, entsprechend dem mittle- ren Teil in Figur 6, Figur 9 eine schematische Darstellung der Leitungen und Strömungs- verhältnisse in einem Befeuchter, entsprechend dem rechten Teil in Figur 6, Figur 10 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung eines Flussfeld- rahmens bzw. eines Kühl-Flussfeldrahmens mit einem porösen Flussfeld, Figur 11 eine schematische Darstellung eines zwischen zwei Trennplat- ten und zwei Kühl-Flussfeldrahmen aufgenommenen Vlieses vor dem Zusammenbau, und

Figur 12 eine der Figur 11 entsprechende Darstellung nach dem Zu- sammenbau.

In der Figur 3 ist von einer aus dem Stand der Technik bekannten Brenn- stoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Feuch- teregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusam- mengefassten Brennstoffzellen zeigt.

Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltiges Oxidati- onsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Be- darf an den an der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, das Kathodengas in einem Ver- dichter 3 zu komprimieren. Durch diese Kompression liegt in der Kathoden- zufuhrleitung 4 nach dem Verdichten stark erwärmtes, trockenes Kathoden- gas vor, das zur unmittelbaren Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 2 nicht geeignet ist, da bei der in der Brennstoffzelle gegebenen Protonenaus- tauschmembran ausreichend Feuchtigkeit erforderlich ist. In der Kathodenzu- fuhrleitung 4 ist daher stromab des Verdichters 3 ein Ladeluftkühler 5 und wiederum stromab von diesem ein Befeuchter 6 angeordnet, in dem das Ka- thodengas befeuchtet wird, indem das bei der chemischen Reaktion anfal- lende Produktwasser über eine Kathodenabgasleitung 7 dem Befeuchter 6 zugeführt wird.

Im Gegensatz zu der in Figur 3 gezeigten, aus dem Stand der Technik be- kannten getrennten Bereitstellung eines Befeuchters 6 und eines Ladeluft- kühlers 5 ist bei der Erfindung ein Befeuchter 6 mit integriertem Ladeluftküh- ler 5 gegeben, dessen Aufbau nachfolgend genauer erläutert wird.

Der Befeuchter 6 umfasst eine Mehrzahl von Flussfeldrahmen 8, deren ledig- lich beispielhafter Aufbau aus der Figur 1 ersichtlich ist, wobei zwischen den Flussfeldrahmen 8 jeweils eine Befeuchtermembran 9 angeordnet ist. Für den Befeuchter 6 liegt ein modularer Aufbau vor, so dass eine unterschiedli- che Anzahl von Flussfeldrahmen 8 Verwendung finden kann, für die geeigne- te Auslegung der Leistungsfähigkeit des Befeuchters 6.

Figur 2 zeigt schematisch zwei benachbarte Flussfeldrahmen 8 mit den zu- geordneten Befeuchtermembranen 9; es wird darauf hingewiesen, dass die Flussfeldrahmen 8 in dem derart gebildeten Stapel nicht die gleiche Orientie- rung aufweisen müssen, sondern bei jeweils paarweise zusammengefassten Flussfeldrahmen 8 der Eine gegenüber dem Anderen um 90 Grad um die auf der Fläche des Flussfeldrahmens 8 senkrecht stehende Achse verdreht sein kann.

Figur 4 zeigt einen Kühl-Flussfeldrahmen 10, wie dieser in dem Ladeluftküh- ler 5 Verwendung findet. Es wird darauf hingewiesen, dass der Kühl- Flussfeldrahmen 10 gegenüber dem aus der Figur 1 gezeigten Flussfeld- rahmen 8 identisch gebildet ist und ein Gleichteil darstellt, das dem zu dem Flussfeldrahmen 8 identischen Produktionsprozess entstammt und die unter- schiedliche Namensgebung lediglich von dem unterschiedlichen Verwen- dungszweck in dem Befeuchter 6 einerseits und dem Ladeluftkühler 5 ande- rerseits herrührt. Figur 4 zeigt dabei anschaulich auch die gegenüber Figur 1 um 90 Grad verdrehte Positionierung; auch bei dem Kühl-Flussfeldrahmen 10 kann die alternierende Orientierung gegeben sein. Figur 5 zeigt zwei Kühl-Flussfeldrahmen 10, zwischen denen eine Trennplat- te 11 angeordnet ist, wobei beispielsweise in dem durch den unteren Kühl- Flussfeldrahmen 10 gebildeten Flussfeld trockene Luft strömt und in dem oberen das Kühlmittel. Auch bezüglich des Ladeluftkühlers 5 liegt ein modu- larer Aufbau vor, und es besteht die Möglichkeit, eine durch die erwünschte Leistungsfähigkeit des Ladeluftkühlers 5 vorgegebene Anzahl von Kühl- Flussfeldrahmen 10 mit zugeordneten Trennplatten 11 in einem Stapel ein- zusetzen.

Figur 6 erläutert schematisch die Strömungsverhältnisse in dem Befeuchter 6 mit integrierten Ladeluftkühler 5, wobei zwischen dem den Ladeluftkühler 5 bildenden Block und dem den Befeuchter 6 bildenden Block eine Kopplungs- platte 12 angeordnet ist, die selber flussfeldfrei mit dem zu den Flussfeld- rahmen 8 identischen Querschnitt und einem durchgehenden, die Flussfeld- rahmen 8 und die Kühl-Flussfeldrahmen 10 für die trockene Luft koppelnder Trockenluftleitung 13 ausgebildet ist. Die Kopplungsplatte 12 weist des Wei- teren einen seitlichen Kühlmittelanschluss 14 mit einer Kühlmittelleitung 22 zur Durchleitung des Kühlmittels zu den Kühl-Flussfeldrahmen 10 auf sowie einen seitlichen Luftaustritt 15 für den Austritt der feuchten Luft nach dem Durchleiten in einer Luftleitung von den Flussfeldrahmen 8.

Die Strömungsverhältnisse in dem Befeuchter 6 mit integriertem Ladeluftküh- ler 5 gemäß Figur 6 sind dabei in einer gegen den Uhrzeigersinn verlaufen- den, an der oberen linken Ecke beginnenden Aufzählung erläutert: Der Ein- tritt von trockener Luft 16 in den Ladeluftkühler 5, die entsprechend dem Pfeil zur Kopplungsplatte 12 und durch diese hindurch in den Befeuchter 6 geleitet wird; Austritt des Kühlmittels 17; in der unteren rechten Ecke Eintritt der feuchten Luft 18 in den Befeuchter 6, die den Befeuchter 6 in Richtung der Kopplungsplatte 12 verlässt und von dort durch den seitlichen Luftaustritt 15 austritt; oben rechts der Austritt befeuchteter Luft 19, nachdem diese den Ladeluftkühler 5, die Kopplungsplatte 12 und den Befeuchter 6 durchquert hat; Austritt der feuchten (Ab-)Luft 20 sowie schließlich der Eintritt des Kühl mittels 21 in die Kopplungsplatte 12 zur Weiterleitung in einer Kühlmittellei tung 22 zu dem Ladeluftkühler 5. Die Strömungsverhältnisse in dem Ladeluftkühler 5 sind auch schematisch in dem in Figur 7 dargestellten Würfel erläutert, wobei die gezeigten Kanäle jeweils einseitig offen und an dem gegenüberliegenden Ende verschlossen sind. Bei 16 erfolgt der Eintritt der trockenen Luft, die durch den Ladeluftküh- ler 5 in einer Kreuzströmung zu dem Austritt bei 27 geführt wird. Bei 21 liegt der Eintritt des Kühlmittels vor, das bei 17 den Ladeluftkühler 5 wieder ver- lässt.

Figur 8 zeigt in einer der Figur 7 entsprechenden Darstellung einen Würfel zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse in der Kopplungsplatte 12. Die dem Ladeluftkühler 5 entstammende trockene Luft tritt bei 16 in die Kopp- lungsplatte 12 ein, die von dieser trockenen Luft durchströmt wird und die Kopplungsplatte 12 am gegenüberliegenden Ende wieder verlässt zum Ein- tritt in den Befeuchter 6. Oberhalb der Trocken luftleitung 13 für die trockene Luft erfolgt bei 21 der Eintritt des Kühlmittels 21 , das über den seitlichen Kühlmittelanschluss 14 aus der Kopplungsplatte 12 herausgeführt wird.

Die feuchte Luft aus dem Befeuchter 6 tritt bei 18 in die Kopplungsplatte 12 ein und kann diese über den seitlichen Luftaustritt 15 wieder verlassen.

Figur 9 ist die den Figuren 7 und 8 entsprechende Darstellung zur Erläute- rung der Strömungsverhältnisse in dem Befeuchter 6, wobei wiederum ein- seitig verschlossene Strömungskanäle vorliegen. Oben rechts tritt feuchte Luft 18 ein, die in einer Kreuzströmung nach unten links geführt wird, um dort den Befeuchter 6 wieder verlassen zu können 20. Trockene Luft tritt unten rechts ein 16, um gleichfalls in einer Kreuzströmung nach oben links 19 ge- führt zu werden und dann den dargestellten Würfel auf der rückseitigen Flä- che verlassen zu können.

Es wird darauf hingewiesen, dass die entsprechenden Strömungskanäle in dem Befeuchter 6 und dem Ladeluftkühler 5 den Ecken 23 in den Flussfeld- rahmen 8 bzw. Kühl-Flussfeldrahmen 10 entsprechen, aus denen die strö- menden Medien in die Kanäle 24 der Flussfelder verteilt werden. In Figur 10 ist ein Flussfeldrahmen 8 bzw. ein Kühl-Flussfeldrahmen 10 ge- zeigt, bei dem keine Kanäle 24 ausgebildet sind, sondern ein poröses Fluss- feld 25 bereitgestellt ist. Die vorstehend geschilderten Strömungsverhältnisse sind dabei gleichbleibend. Ein derartiger Flussfeldrahmen 8 mit einem porö- sen Flussfeld 25 bietet die Möglichkeit, dass im Ladeluftkühler 6 die Porosität verringert werden kann, so dass eine größere Oberfläche für die Wärme- Übertragung zur Verfügung steht. Alternativ kann auch zur Verringerung des Druckverlustes im Kühlmittel die Porosität im Befeuchterbereich vergrößert werden, wenn die damit verbundenen Vorteile eine Reduktion bei den Gleichteilen rechtfertigt.

Zu beachten ist weiterhin, dass in der Zeichnung selber nicht dargestellte Dichtungen auf beiden Seiten jeder Befeuchtermembran 9 angeordnet sind, wobei identisch gebildete Dichtungen auch auf beiden Seiten jeder Trenn- platte 11 angeordnet sind, also auch bezüglich der Dichtungen Gleichteile vorliegen.

Die zwischen den Kühl-Flussfeldrahmen 10 angeordneten Trennplatten 11 bestehen aus einem Metall oder einer Metalllegierung.

Die Figuren 11 und 12 verweisen darauf, dass zwischen den Trennplatten 11 in den Kühl-Flussfeldrahmen 10 für eine verbesserte Wärmeübertragung auch poröse Vliese 26 bereitgestellt werden können, die beim Zusammen- bau verpresst werden zur Verbesserung der Kontaktfläche für den Wär- metransport.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Brennstoffzellenvorrichtung

2 Brennstoffzellenstapel

3 Verdichter

4 Kathodenzufuhrleitung

5 Ladeluftkühler

6 Befeuchter

7 Kathodenabgasleitung

8 Flussfeldrahmen

9 Befeuchtermembran

10 Kühl-Flussfeldrahmen

11 Trennplatte

12 Kopplungsplatte

13 Trockenluftleitung

14 Kühlmittelanschluss

15 Luftaustritt

16 Eintritt trockene Luft

17 Austritt Kühlmittel

18 Eintritt feuchte Luft

19 Austritt befeuchtete Luft

20 Austritt feuchte Luft

21 Eintritt Kühlmittel

22 Kühlmittelleitung

23 Ecken

24 Kanal

25 poröses Flussfeld

26 Vlies

27 Austritt trockene Luft