DE102015213853A1

DE102015213853A1 - Brennstoffzellen-Befeuchtermodul

Info

Publication number: DE102015213853A1
Application number: DE102015213853.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Rune Staeck; Natalja Ermatschenko
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100), insbesondere ein Membran-Befeuchtermodul (100), für ein Brennstoffzellensystem (1) eines Fahrzeugs, mit einem Gehäuse (120), einem Fluidzufluss-Anschluss (122) und einem Fluidabfluss-Anschluss (126) für ein Betriebsmedium (3) des Brennstoffzellensystems (1), einem Fluidzufluss-Anschluss (124) und einem Fluidabfluss-Anschluss (128) für ein Abgas (4) des Brennstoffzellensystems (1), sowie einem im Gehäuse (120) angeordneten Befeuchter (110) zur Befeuchtung des Betriebsmediums (3), wobei das Gehäuse (120) einen Bereich für einen Fluidabscheider (130), insbesondere einen Wasserabscheider (130) für flüssiges Wasser, des Brennstoffzellen-Befeuchtermoduls (100) begrenzt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug bevorzugt mit einem Elektrotraktionsmotor, wobei das Brennstoffzellensystem (1) ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Befeuchtermodul, insbesondere ein Membran-Befeuchtermodul, für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug bevorzugt mit einem Elektrotraktionsmotor.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anode und einer Kathode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also den Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb einer Einzelzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld den Bipolarplatten der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet. Durch den Elektrolyten oder die Membran hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H⁺) aus einem Anodenraum heraus in einen Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet.
Der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membran hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel – nachfolgend hauptsächlich auch als Brennstoffzelle bezeichnet – mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad zur Abführung eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad zur Abführung eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Ein Parameter, welcher zu einer Limitierung einer Leistung der Brennstoffzelle führt, ist eine erforderliche Befeuchtung eines Betriebsmediums, insbesondere zur Sicherstellung einer Funktion einer verwendeten Membran. Die derzeit für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen im Fokus stehenden Polymerelektrolyt-Membranen (PEM) müssen für ihre erforderliche Protonenleitfähigkeit einen hohen Wassergehalt aufweisen. Sinkt der Wassergehalt, so sinkt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. So verursacht zum Beispiel ein Betrieb bei hohen Stromdichten oberhalb von etwa 1,5 A/cm² bei niedrigem Wassergehalt eine hohe Wärmeentwicklung, welche zu einer irreversiblen Schädigung der Polymerelektrolyt-Membran führen kann. Um dies zu vermeiden, muss die Polymerelektrolyt-Membran feucht gehalten werden, was beispielsweise durch eine Befeuchtung der Betriebsmedien, insbesondere einer zugeführten Luft, erfolgt.
Wenn im Kathoden-Abgaspfad eines Brennstoffzellensystems eine Turbine angewendet werden soll, ist es zum Schutz der Turbine notwendig, ein im Kathoden-Abgaspfad befindliches flüssiges Wasser stromaufwärts der Turbine abzuscheiden. Im Stand der Technik kommt hierfür im Kathoden-Abgaspfad ein Abscheider als eine durchströmte Einrichtung zur Anwendung. Solch ein separater Abscheider ist vergleichsweise groß, sodass es in der Regel zu einem Bauraumproblem im betreffenden Fahrzeug kommt.
Die DE 10 2012 018 863 A1 offenbart einen Gas-zu-Gas-Befeuchter mit einem Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem. Der Gas-zu-Gas-Befeuchter weist zwischen einer oberen Endplatte mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Abgas, und einer unteren Endplatte eine Vielzahl von Befestigungsplatten mit Membranen auf. Die Befestigungsplatten weisen Zufuhröffnungen für ein Zuleiten des vergleichsweise feuchten Abgases zu den Membranen und Abfuhröffnungen für ein Ableiten des vergleichsweise trockenen Abgases auf. Die übereinander angeordneten Abfuhröffnungen der Befestigungsplatten fungieren dabei als der Wasserabscheider.
Ferner offenbart die DE 20 2013 009 357 U1 eine integrierte Gasmanagementeinrichtung für ein Kathoden-Betriebsmedium eines Brennstoffzellensystems mit einem Gas-zu-Gas-Befeuchter, einem Bypass für den Befeuchter, einem Wärmetauscher, einer Kühlmittelpumpe und einem Wasserabscheider. Der Befeuchter ist dabei ein Bündel von Röhren, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind, wobei der Wasserabscheider extern bezüglich dieses Gehäuses in der Gasmanagementeinrichtung vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran, für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für ein Fahrzeug, für die Betriebspunkte der Brennstoffzelle wenigstens ausreichend zu befeuchten und gleichzeitig eine Turbine des Brennstoffzellensystems vor insbesondere flüssigem Wasser in einem Abgas, welches durch die Turbine hindurchströmt, wenigstens ausreichend zu schützen. Hierbei sollen die dafür notwendigen Vorrichtungen und/oder Einrichtungen, insbesondere in einem Kathoden-Abgaspfad, im Vergleich mit dem Stand der Technik wenig Bauraum beanspruchen und kostengünstig zu realisieren sein.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Brennstoffzellen-Befeuchtermoduls, insbesondere eines Membran-Befeuchtermoduls, für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs; und mittels eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug bevorzugt mit einem Elektrotraktionsmotor; gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Befeuchtermodul umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse einen Bereich für einen Fluidabscheider, insbesondere einen Wasserabscheider für flüssiges Wasser, des Befeuchtermoduls begrenzt. Bevorzugt umfasst das Gehäuse einen Fluidzufluss-Anschluss und einen Fluidabfluss-Anschluss für ein Betriebsmedium des Brennstoffzellensystems, einen Fluidzufluss-Anschluss und einen Fluidabfluss-Anschluss für ein Abgas des Brennstoffzellensystems, sowie einen im Gehäuse angeordneten Befeuchter zur Befeuchtung des Betriebsmediums.
Gemäß der Erfindung weist das Befeuchtermodul beziehungsweise dessen Gehäuse den Fluidabscheider auf. Hierbei ist der Fluidabscheider in das Befeuchtermodul integriert und bildet mit diesem eine kompakte Einheit oder Einrichtung aus. Das Befeuchtermodul ist bevorzugt ausgebildet, in einem Abgaspfad, insbesondere einem Kathoden-Abgaspfad, des Brennstoffzellensystems vom Abgas durchströmbar angeordnet zu werden, wobei das Befeuchtermodul den Fluidabscheider in eine Haupt-Strömungsrichtung des Abgases, bevorzugt eines Kathoden-Abgases, insbesondere stromabwärts des Befeuchters aufweist.
In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Befeuchtermoduls flüssiges Wasser abgeschieden, wodurch ein stromabwärtig durchströmtes Bauteil (Einrichtung) oder eine Komponente, wie zum Beispiel eine Turbine im Kathoden-Abgaspfad, schützbar sind. Durch die Integration des Fluidabscheiders in das Befeuchtermodul kann ferner das oben genannte Bauraumproblem in einem Fahrzeug verkleinert sein. Darüber hinaus ergibt sich eine hohe Frostsicherheit, da im Bereich des Befeuchtermoduls ein hindurchströmendes Abgas noch vergleichsweise viel Wärme besitzt.
Der Fluidabscheider weist bevorzugt einen Gehäuseabschnitt auf, welcher sich in die Haupt-Strömungsrichtung des Abgases, insbesondere des Kathoden-Abgases, im Gehäuse erstreckt. Das heißt der Fluidabscheider ist wenigstens teilweise als ein Abschnitt eines Hohlkörpers ausgebildet, wobei der Hohlkörper bevorzugt einen kreisförmigen, einen ovalen, einen quaderförmigen oder einen polygonalen Querschnitt aufweist. Der Gehäuseabschnitt des Fluidabscheiders stellt dabei eine Abscheidestrecke beziehungsweise ein Abscheidevolumen innerhalb des Befeuchtermoduls zur Verfügung. Hierdurch erhält man ein kompaktes Befeuchtermodul.
In einem Ausführungsbeispiel fällt ein Fluidausgang des Befeuchters im Wesentlichen mit einem Fluideingang des Fluidabscheiders zusammen oder ist dazu vergleichsweise geringfügig beabstandet. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Fluidausgang des Fluidabscheiders am/im Gehäuse angeordnet. Hierdurch kann das Befeuchtermodul mit Fluidabscheider vergleichsweise kurz ausgebildet sein. Unter einem vergleichsweise geringfügigen Abstand kann dabei ein Abstand verstanden sein, der im Vergleich mit dem Gehäuse weniger als 15%, insbesondere weniger als 10–2,5%, einer Länge oder eines Durchmessers des Gehäuses beträgt.
Ein Abgas-Gehäuseanschluss, insbesondere ein stromabwärtiger Abgas-Gehäuseanschluss, an den Befeuchter bildet in einem Ausführungsbeispiel ein Abscheidergehäuse für den Fluidabscheider aus, wobei das Gehäuse bevorzugt ferner einen weiteren Abgas-Gehäuseanschluss, insbesondere einen stromaufwärtigen Abgas-Gehäuseanschluss, und bevorzugt darüber hinaus wenigstens einen weiteren Betriebsmedium-Gehäuseanschluss an den Befeuchter aufweist.
Unter einem Gehäuseanschluss ist dabei ein Bereich oder Abschnitt des Gehäuses zu verstehen, welcher einen Übergang von einem Querschnitt einer Leitung im Abgaspfad, insbesondere im Kathoden-Abgaspfad, und/oder in einem Versorgungspfad, insbesondere einen Kathoden-Versorgungspfad, auf einen betreffenden Querschnitt des Befeuchters erhöht. Hierbei sitzt der Befeuchter innen im Gehäuse fluiddicht gegenüber dem betreffenden Gehäuseanschluss an, sodass die bevorzugt vier Gehäusebereiche oder Gehäuseabschnitte zwischen dem Befeuchter und dem Gehäuse, also die Gehäuseanschlüsse, gegeneinander fluidgedichtet sind.
Hierdurch ist bevorzugt ein jeweiliger Querschnitt des Gehäuseanschlusses in Bezug auf einen Querschnitt der betreffenden Leitung groß, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine jeweils resultierende Strömungsgeschwindigkeit im Befeuchter klein ist. Der weitere Abgas-Gehäuseanschluss und/oder der wenigstens eine weitere Betriebsmedium-Gehäuseanschluss ist beziehungsweise sind dabei, wie der eingangs genannte Abgas-Gehäuseanschluss auch, wiederum bevorzugt als Gehäusebereich beziehungsweise Gehäusebereiche oder Gehäuseabschnitt beziehungsweise Gehäuseabschnitte konstituiert.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss einen Fluidabfluss-Anschluss auf. Hierbei ist der Fluidabfluss-Anschluss bevorzugt derart am Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss vorgesehen, dass sich der Fluidabfluss-Anschluss im Wesentlichen in die bisherige Haupt-Strömungsrichtung des Abgases erstreckt. Bei diesem geradlinig konstruierten Ausführungsbeispiel sind bevorzugt ein betreffender Fluidzufluss-Anschluss an das Gehäuse, bevorzugt ein betreffender stromaufwärtiger Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss, bevorzugt der diesbezüglich entsprechend durchströmbare Befeuchter, der stromabwärtige Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss und der Fluidabfluss-Anschluss zueinander ‚zentriert’ und/oder linear gestaffelt.
Hierbei gibt es, abgesehen von einer Vorrichtung zum Vergrößern der Abscheiderate des Fluidabscheiders (siehe unten), im Betrieb des Brennstoffzellensystems bevorzugt wenigstens einen Stromfaden, der durch diese durchströmten Bereiche des Abgaspfads geradlinig hindurchführt. Hierdurch ergibt sich ein kleiner Strömungswiderstand. Analoges betrifft bevorzugt die entsprechenden, durchströmten Bereiche des Versorgungspfads im Befeuchtermodul. Dies gilt bevorzugt auch für das folgende Ausführungsbeispiel.
Ferner können der Fluidabfluss-Anschluss und der Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss derart zueinander angeordnet sein, dass die Haupt-Strömungsrichtung des Abgases im Betrieb des Brennstoffzellensystems wesentlich umlenkbar ist. Bei diesem gewinkelt konstruierten Ausführungsbeispiel ist der Fluidabfluss-Anschluss gegenüber einer insbesondere ‚zentrierten’ und/oder linear gestaffelten Anordnung von bevorzugt dem betreffenden Fluidzufluss-Anschluss an das Gehäuse, bevorzugt dem betreffenden stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss, bevorzugt dem diesbezüglich entsprechend durchströmbaren Befeuchter und dem stromabwärtigen Abgas-Gehäuseanschluss oder Gehäuseabschnitt, in einem Winkel vorgesehen.
Der Winkel, also ein Winkel der Haupt-Strömungsrichtung, kann dabei ca. 20°, ca. 30°, ca. 45°, ca. 60°, ca. 75° oder ca. 90° jeweils ca. ±5° bis ±10° betragen. Gegebenenfalls sind Winkel über 90° anwendbar. Hierdurch kann sich eine vergleichsweise gute Abscheiderate des Wassers bei einer kompakten Ausbildung des Gehäuses ergeben, da ein Umlenken von flüssigem Wasser gegenüber gasförmigen Bestandteilen des Abgases deutlich trägheitsbehafteter erfolgt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Fluidabfluss-Anschluss derart orientiert, dass die Haupt-Strömungsrichtung des Abgases im Fluidabscheider wenigstens teilweise entgegen der Richtung des Schwerefelds umlenkbar ist. Dadurch, dass die Haupt-Strömungsrichtung des Abgases im Fluidabscheider und/oder direkt stromabwärts des Fluidabscheiders wenigstens teilweise entgegen der Richtung des Schwerefelds richtbar ist, ist es gegebenenfalls möglich, die Abscheiderate des Fluidabscheiders zu verbessern.
Zum Beispiel Tröpfchen (gegebenenfalls Wasserdampf) oder Tropfen von Wasser verbleiben dadurch eher im Fluidabscheider und ‚fallen’ im Fluidabscheider in Richtung Schwerefeld und gegebenenfalls entgegen der Haupt-Strömungsrichtung sogar zurück in den Fluidabscheider. Bei der Umlenkung der Haupt-Strömungsrichtung können obig genannte Winkel angewendet sein. Hierbei kann eine der bisherigen Haupt-Strömungsrichtung im Weg stehende Gehäusewandung als ein Prallblech dienen.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Ablass des Fluidabscheiders im Wesentlichen an/in einem tiefsten Bereich am/im Fluidabscheider bezüglich einer Richtung des Schwerefelds eingerichtet, wobei der Ablass bevorzugt wenigstens eine Öffnung im Gehäuseabschnitt oder Abgas-Gehäuseanschluss, und bevorzugt einen Fluidabfluss-Anschluss umfasst. Durch den Ablass kann eine einfache Entleerung des Fluidabscheiders beziehungsweise des Befeuchtermoduls erfolgen. Angaben bezüglich des Schwerefelds beziehungsweise dessen Richtung betreffen einen verbauten beziehungsweise eingebauten Zustand des Befeuchtermoduls, zum Beispiel im Fahrzeug.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Fluidabscheider in seinem Innenraum eine Vorrichtung auf, mittels welcher die Abscheiderate des Fluidabscheiders vergrößerbar ist. Hierbei kann der Fluidabscheider wenigstens in einem Hauptstrom des Abgases insbesondere ein Prallblech, eine Struktur, eine poröse Struktur, ein Gestrick, ein Gewirk, ein Drahtgitter et cetera aufweisen. Hierdurch kann die Abscheiderate des Fluidabscheiders verbessert sein.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Befeuchter als ein Hohlfaserkörper ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel ist das Befeuchtermodul derart ausgebildet, dass das Abgas im Wesentlichen horizontal und/oder das Betriebsmedium wenigstens teilweise vertikal durch den Befeuchter hindurchströmbar ist (Kreuzstrom). Es ist natürlich auch ein ausschließlich im Wesentlichen vertikaler Kreuzstrom anwendbar. Ferner sind ein Gleichstrom oder ein Gegenstrom von Abgas und Betriebsmedium, sowie Hybridformen davon mit einem Kreuzstrom anwendbar. – Andere Ausführungsbeispiele des Befeuchters und/oder seines Gehäuses, also des Befeuchtermoduls, sind natürlich anwendbar.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Befeuchtermodul einen Fluidvorabscheider oder einen Fluidabscheider stromaufwärts des Befeuchters auf. Das heißt der Fluidvorabscheider kann wie ein erfindungsgemäßer Fluidabscheider ausgebildet sein. Hierbei kann der Fluidvorabscheider stromaufwärts des Befeuchters eine Öffnung im und gegebenenfalls einen Fluidabfluss-Anschluss am Gehäuse besitzen. Ein Fluidvorabscheider kann eine Benetzung der Membranen verhindern und gegebenenfalls eine Befeuchtungsrate des Befeuchters erhöhen. In einem Ausführungsbeispiel läuft der Gehäuseabschnitt des Fluidabscheiders in die Haupt-Strömungsrichtung des Abgases wenigstens teilkonisch zu.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Öffnung des Ablasses kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als ein Querschnitt des Fluidabfluss-Anschlusses. Des Weiteren ist in einem Ausführungsbeispiel die Vorrichtung zum Erhöhen der Abscheiderate des Fluidabscheiders wenigstens in die Haupt-Strömungsrichtung im Wesentlichen lichtdicht ausgebildet. Hierdurch lässt sich eine vergleichsweise gute Abscheiderate erzielen, die sich jedoch in einer Erhöhung eines Fluiddrucks im stromaufwärtigen Abgaspfad niederschlagen kann. Hierbei kann zum Beispiel die Struktur, die poröse Struktur, das Gestrick, das Gewirk, das Drahtgitter et cetera im Wesentlichen lichtdicht ausgebildet sein.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. – In den Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines vereinfachten Abschnitts eines Kathodenkreislaufs des Brennstoffzellensystems aus 1 mit einem Befeuchtermodul;
3 eine schematische und vertikal geschnittene Darstellung einer ersten und einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befeuchtermoduls;
4 eine schematische und vertikal geschnittene Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchtermoduls; und
5 eine schematische und vertikal geschnittene Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchtermoduls.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen von vier Ausführungsformen einer Variante (vergleiche die 3 bis 5) eines Brennstoffzellen-Befeuchtermoduls 100 einer Kathodenversorgung 30 für eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Variante und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Befeuchtermodule 100, zum Beispiel auf ein Brennstoffzellen-Befeuchtermodul 100 eines stationären Brennstoffzellensystems, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen (nachfolgend Einzelzellen 11) aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, welche bevorzugt von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran 14 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt der 1).
Der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 weisen jeweils eine katalytische Elektrode auf (beide nicht dargestellt), das heißt eine Anode und eine Kathode, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Das Gefüge aus Membran 14 und Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 11 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien in die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den Einzelzellen 11 realisiert. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird nachfolgend auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums, einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneinlass der Brennstoffzelle 10.
Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf den Anodenseiten der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 (siehe auch die 2) umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 3, bevorzugt Luft 3, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 4, insbesondere eine Abluft 4, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer Abgasanlage (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 3 ist im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Verdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verdichter 33 als ein gegebenenfalls hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, der bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 4 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 3 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung einer Menge des die Brennstoffzelle 10 umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 3.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein entsprechendes weiteres Stellmittel in einem Pfad 21, 22, 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Pfads 21, 22, 31, 32 angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner ein erfindungsgemäßes Befeuchtermodul 100 auf (siehe auch die 2). Das Befeuchtermodul 100 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass es vom Kathoden-Betriebsmedium 3 durchströmbar ist. Andererseits ist das Befeuchtermodul 100 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass es vom Kathoden-Abgas 4 durchströmbar ist. Das Befeuchtermodul 100 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.
In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird eine Seite der Membranen von einem vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmedium 3, 101 überströmt und eine andere Seite von einem vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 4, 102 durchströmt, beziehungsweise vice versa. Hierbei wird ein Teil eines gasförmigen Wassers (Wasserdampf) von dem vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 4, 102 eines Kathodenaustritts auf das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, 101 eines Kathodeneintritts im Befeuchter 110 übergeführt.
Getrieben von einem höheren Partialdruck an Wasserdampf im vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 4, 102 kommt es zu einem Durchtritt von Wasserdampf durch die Membranen in das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, 101, welches auf diese Weise befeuchtet wird. Das heißt, siehe die 2, vor Eintritt in das Befeuchtermodul 100 liegt zunächst das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, 101 vor und nach dem Austritt ein vergleichsweise feuchtes Kathoden-Betriebsmedium 3, 103. Analog beziehungsweise reziprok verhält es sich mit dem Kathoden-Abgas 4. Zunächst liegt das vergleichsweise feuchte Kathoden-Abgas 4, 102 vor und nach Durchlaufen des Befeuchtermoduls 100 ein vergleichsweise trockenes Kathoden-Abgas 4, 104.
Hierbei strömt das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, 101, insbesondere eine vergleichsweise trockene Luft 3, 101 aus der Umgebung 2, vom Verdichter 33 an, wohingegen das vergleichsweise trockene Kathoden-Abgas 4, 104, insbesondere eine vergleichsweise trockene Abluft 4, 104, zur Turbine 36 strömt. Dieses Prinzip ist natürlich auf ein anderes Befeuchtermodul, zum Beispiel in den Anodenpfaden 21, 22, übertragbar.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in den vereinfachten 1 und 2 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann zum Beispiel der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, sodass das Anoden-Abgas und das Kathoden-Abgas 4 über eine gemeinsame Abgasanlage (nicht dargestellt) abgeführt werden können.
Die 3 bis 5 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Befeuchtermoduls 100, wobei in einem Gehäuse 120 des Befeuchtermoduls 100 ein Befeuchter 110 montiert ist. Hierbei ist der Befeuchter 110 in wenigstens einer oder in zwei translatorischen Richtungen im Wesentlichen zentral im Gehäuse 120 aufgenommen, wobei die geometrischen und/oder die massebezogenen Zentren des Befeuchters 110 und des Gehäuses 120 bevorzugt auseinanderfallen.
Bevorzugt weist der Befeuchter 110 eine Vielzahl von im Einzelnen nicht dargestellter Hohlfasermembranen (Hohlfaserkörper 110) auf, wobei prinzipiell eine jede Geometrie eines solchen Hohlfaserkörpers 110 anwendbar ist. Die Hohlfasermembranen erstrecken sich bevorzugt derart im Gehäuse 120, dass ihre inneren Hohlräume von dem Kathoden-Abgas 4 durchströmt werden, während das zu befeuchtende Kathoden-Betriebsmedium 3 die Hohlfasern insbesondere in Querstromrichtung von außen umströmt. Eine umgekehrte Gasführung ist ebenso möglich.
Vorliegend ist der Hohlfaserkörper 110 im Wesentlichen quaderförmig oder zylindrisch ausgebildet. Natürlich ist auch ein anderer Querschnitt, wie zum Beispiel ein ovaler oder polygonaler, anwendbar. Ferner kann auch ein anderer Befeuchtertyp angewendet werden, der keinen Hohlfaserkörper aufweist, sondern zum Beispiel flache Membranen umfasst.
Betreffende Querschnitte des Befeuchters 110 sind im Vergleich zu den Querschnitten der an das Gehäuse 120 anschließbaren Leitungen (nicht dargestellt, die Leitungen sind an die Fluidanschlüsse 122, 124, 126, 128 (siehe im Folgenden) fluidmechanisch anschließbar), zum Beispiel Rohrleitungen, groß. Hierdurch entsteht am Befeuchter 110 jeweils ein Übergangsstück mittels des Gehäuses 120, ein sogenannter Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127, an welchem beziehungsweise an welchen die betreffende Leitung der Kathodenversorgung 30 anschließbar ist. Hierfür weist der jeweilige Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 den betreffenden Fluidanschluss 122, 124, 126, 128 auf. Der jeweilige Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 bildet dabei abgesehen von seiner Funktion und Form als ein Seitendeckel beziehungsweise eine Begrenzung des Gehäuses 120 einen Gehäuseabschnitt mit einem entsprechenden Querschnitt des Gehäuses 120.
Mit einer in den 3 bis 5 eingezeichneten Haupt-Strömungsrichtung 7 des Abgases 4 und einer in diesen Figuren eingezeichneten Haupt-Strömungsrichtung 8 des Betriebsmediums 3 umfasst das Gehäuse 120 bevorzugt einen stromaufwärtigen Betriebsmedium-Gehäuseanschluss 121 mit insbesondere einem Fluidzufluss-Anschluss 122 für das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, 101, bevorzugt einen stromaufwärtigen Abgas-Gehäuseanschluss 123 mit insbesondere einem Fluidzufluss-Anschluss 124 für das vergleichsweise feuchte Kathoden-Abgas 4, 102, bevorzugt einen stromabwärtigen Betriebsmedium-Gehäuseanschluss 125 mit insbesondere einem Fluidabfluss-Anschluss 126 für das vergleichsweise feuchte Kathoden-Betriebsmedium 3, 103 und/oder bevorzugt einen stromabwärtigen Abgas-Gehäuseanschluss 127 mit insbesondere einem Fluidabfluss-Anschluss 128 für das vergleichsweise trockene Kathoden-Abgas 4, 104.
Nachfolgend beziehen sich, sofern im Einzelfall nicht anders erläutert, die Begriffe ‚stromabwärts’, ‚stromaufwärts’ oder dergleichen auf eine Haupt-Strömungsrichtung eines betreffenden Fluidstroms, insbesondere eines feuchten Fluidstroms, insbesondere des Kathoden-Abgases 4.
Ein jeweiliger Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 fungiert bevorzugt als ein Übergangsvolumen vom vergleichsweise kleinen Querschnitt der jeweiligen Leitung auf den betreffenden vergleichsweise großen Querschnitt des Befeuchters 110. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 stellt sich mittels einer Vergrößerung des betreffenden Querschnitts durch die Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127, in den Gehäuseanschlüssen 121, 123, 125, 127 und im Befeuchter 110 eine deutlich niedrigere Strömungsgeschwindigkeit des Betriebsmediums 3 und des Abgases 4 ein als in den betreffenden Leitungen.
Alternativ kann ein Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 auch als ein Gehäuseabschnitt ausgebildet sein, ohne den entsprechenden Querschnitt zu vergrößern. Dies kann dann zum Beispiel mittels einer anderen Vor- oder Einrichtung zum Beispiel des Gehäuses 120 beziehungsweise im Gehäuse 120 erfolgen. Ferner ist dies natürlich auch auf einen Befeuchter der Anodenversorgung 20 anwendbar.
Zum Abscheiden des flüssigen Wassers im Kathoden-Abgas 4 bevorzugt bezüglich der Haupt-Strömungsrichtung 7 des Abgases 4 stromabwärts des Befeuchters 110 wird gemäß der Erfindung ein Übergangsstück oder ein Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 des Gehäuses 120 und zwar insbesondere der stromabwärtige Abgas-Gehäuseanschluss 127 genutzt. Da der Querschnitt im Befeuchter 110 vergleichsweise groß ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kathoden-Abgases 4 vergleichsweise gering. Aus diesem Grund und einer Dichtedifferenz von gasförmigen Bestandteilen des Kathoden-Abgases 4 zu flüssigem Wasser, wird das flüssige Wasser in Richtung des Schwerefelds 6 nach unten fallen.
Das heißt gemäß der Erfindung ist der betreffende Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127, insbesondere der stromabwärtige Abgas-Gehäuseanschluss 127, als ein Fluidabscheider 130, insbesondere ein Wasserabscheider 130 für flüssiges Wasser, des Befeuchtermoduls 100 beziehungsweise des Gehäuses 120 ausgebildet. Erfindungsgemäß ergibt sich eine Kombination von einem Befeuchter 110 und einem Fluidabscheider 130 in einem einzigen Bauteil beziehungsweise Modul, dem Befeuchtermodul 100.
Das Befeuchtermodul 100 kann – abgesehen von den gegebenenfalls als separate Teile ausgebildeten Fluidanschlüssen 122, 124, 126, 128, von einem gegebenenfalls als separates Teil ausgebildeten Fluidanschluss 132 (siehe unten) für den Fluidabscheider 130 und gegebenenfalls einer Mehrteiligkeit des Gehäuses 120 und/oder des Befeuchters 110 – lediglich zwei Teile umfassen; nämlich den Befeuchter 110 und das Gehäuse 120. Hier konstituiert bevorzugt ein Abschnitt 127 des Gehäuses 120 den Fluidabscheider 130, das heißt das Gehäuse 120 weist ein integriertes Abscheidergehäuse 127 auf. Zum Vorsehen eines voll funktionstüchtigen Fluidabscheiders 130 kann im Befeuchtermodul 100 lediglich das Abscheidergehäuse 127 genügen.
Bevorzugt umgrenzt der stromabwärtige Abgas-Gehäuseanschluss 127 beziehungsweise das Abscheidergehäuse 127 den Fluidabscheider 130 in Bezug auf einen Umfang vollumfänglich und bevorzugt über dessen gesamte Länge. Hierbei ist der stromabwärtige Abgas-Gehäuseanschluss 127 beziehungsweise das Abscheidergehäuse 127 an den zwei Seiten offen, welche auf der Haupt-Strömungsrichtung 7 des Abgases 4 bevorzugt im Wesentlichen senkrecht stehen. Ferner ist hierbei das Gehäuse 120 inklusive dem dadurch ausgebildeten Fluidabscheider 130 – abgesehen von den Öffnungen für die Fluidanschlüsse 122, 124, 126, 128 und einer Öffnung 133 (siehe unten) für den Fluidabscheider 130 – ein bevorzugt im Wesentlichen geschlossenes dreidimensionales Gebilde.
Das Gehäuse 120 des Befeuchtermoduls 100 kann in einem Montagezustand, in welchem der Befeuchter 110 im Gehäuse 120 montiert ist, einteilig, einstückig, stofflich oder adhäsiv einstückig ausgebildet sein.
Bei einer einteiligen Ausbildung ist das Gehäuse 120 einfach per Hand oder mittels eines Werkzeugs und ohne Beschädigung in dessen Einzelteile separierbar; ein Zusammenhalt der Einzelteile des Gehäuses 120 erfolgt meist mittels eines direkten Kraft- und/oder Formschlusses (zum Beispiel eine fluiddichte Steckverbindung, Clipverbindung et cetera). Bei einer einstückigen Ausbildung sind die Einzelteile des Gehäuses 120 nicht einfach per Hand, sondern mittels eines Werkzeugs in dessen Einzelteile separierbar; ein Zusammenhalt erfolgt meist mittels eines direkten Kraft- und/oder Formschlusses (zum Beispiel eine fluiddichte Schraubverbindung, Nietverbindung et cetera).
Bei einer stofflich oder adhäsiv einstückigen Ausbildung sind die Einzelteile des Gehäuses 120 stoffschlüssig beziehungsweise adhäsiv aneinander festgelegt und gegebenenfalls nicht ohne eine Beschädigung eines seiner Einzelteile separierbar (zum Beispiel eine fluiddichte Lötverbindung, Schweißverbindung, Klebverbindung et cetera); ein Zusammenhalt kann ferner mittels eines direkten Kraft- und/oder Formschlusses erzeugt sein. Das heißt auch, dass bei einer einteiligen oder einstückigen Ausbildung des Gehäuses 120 dieses aus zwei oder mehr Teilen bestehen kann.
Darüber hinaus kann das Gehäuse 120 einfach oder integral ausgebildet sein. Das heißt es gibt nur ein einziges, quasi nur unter dessen Zerstörung teilbares Teil (Gehäuse 120). Das Gehäuse 120 ist aus einem einzigen Stück gefertigt, das seinerseits gezwungenermaßen integral sein sollte und so weiter. Ein innerer Zusammenhalt erfolgt mittels Adhäsion und/oder Kohäsion, das Gehäuse 120 ist dabei homogen/amorph ausgebildet.
Damit ein solches Gehäuse 120 den Befeuchter 110 fluiddicht umschließen kann, benötigt es wenigstes eine offene Seite, von der aus der Befeuchter 110 montierbar ist. Diese wenigstens eine offene Seite ist mit einem Deckel (nicht dargestellt) fluiddicht verschließbar, wobei der Deckel zum Beispiel als ein Gehäuseanschluss 121, 123, 125, 127 mit einem Fluidanschluss 122, 124, 126, 128 ausgebildet sein kann. Hierbei ist es möglich, den Deckel mittels eines Scharniers o. ä. an das Gehäuse 120 anzubinden, insbesondere schwenkbar daran vorzusehen. Gemäß der Erfindung können Bestandteile des Gehäuses 120 selbst wiederum einteilig, einstückig, stofflich oder adhäsiv einstückig, einfach oder integral ausgebildet sein.
Das Gehäuse 120 weist vorliegend bevorzugt vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 auf, die vier Seiten des Gehäuses 120 ausbilden. Das Gehäuse 120 ist einerseits – abgesehen von den Öffnungen der Fluidanschlüsse 122, 124, 126, 128 und der Öffnung 133 (siehe wiederum unten) des Fluidabscheiders 130 – im Bereich der vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 sowie andererseits abseits der vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 bevorzugt fluiddicht geschlossen. Das heißt in Bezug auf den Befeuchter 110 ist das Gehäuse 120 an den verbleibenden zwei Seiten abseits der Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 bevorzugt fluiddicht geschlossen. Insbesondere liegen diese zwei Seiten eng am Befeuchter 110 an.
Innerhalb des Gehäuses 120 sind die vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 bevorzugt mittels des Befeuchters 110 gegeneinander fluidgedichtet, sodass das Kathoden-Betriebsmedium 3 und das Kathoden-Abgas 4 den Befeuchter 110 immer auf zwei verschiedenen Wegen passieren müssen. Es ist möglich, das Gehäuse 120 abseits der vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 – wiederum von oben genannten Öffnungen abgesehen – offen auszugestalten (nicht dargestellt). Eine Fluiddichtung der vier Gehäuseanschlüsse 121, 123, 125, 127 gegeneinander erfolgt dann mittels des Befeuchters 110, wodurch ein integrales Gehäuse 120 ohne Deckel möglich ist. Hierbei wird der Befeuchter 110 im innen offenen Gehäuse 120 von außen kommend im Gehäuse 120 montiert.
Innerhalb des Befeuchters 110 ergibt sich vorliegend ein Kreuzstrom von dem bevorzugt hauptsächlich oder im Wesentlichen vertikal 6 strömenden Kathoden-Abgas 4 und dem bevorzugt hauptsächlich oder im Wesentlichen horizontal 5 strömenden Kathoden-Betriebsmedium 3. Es ist natürlich möglich, dies umzukehren, einen lediglich hauptsächlich oder im Wesentlichen vertikalen 6 Kreuzstrom einzurichten oder bestimmte Winkel vertikal 6 und/oder horizontal 5 zwischen der Haupt-Strömungsrichtung 7 des Kathoden-Abgases 4 und der Haupt-Strömungsrichtung 8 des Kathoden-Betriebsmediums 3 einzurichten. Solch ein Winkel kann jeweils von 0 bis 180° variieren, sodass auch ein Gegenstrom oder ein Gleichstrom des Kathoden-Abgases 4 mit dem Kathoden-Betriebsmedium 3 innerhalb des Befeuchters 110 eingerichtet sein kann.
Der Fluidabscheider 130 weist seinen Ablass 132 bevorzugt an einer Unterseite (Richtung des Schwerefelds 6) des stromabwärtigen Abgas-Gehäuseanschlusses 127 auf. Hierbei umfasst der Ablass 132 wenigstens eine Öffnung 133 im Abgas-Gehäuseanschluss 127. Ferner kann der Ablass 132 einen Fluidabfluss-Anschluss 134 für das abgeschiedene Wasser aufweisen. Bevorzugt ist das Gehäuse 120 derart ausgebildet, dass ein Fluidausgang 116 des Befeuchters 110 hauptsächlich oder im Wesentlichen mit einem Fluideingang 136 des Fluidabscheiders 130 zusammenfällt. Mittels einer Länge des Abgas-Gehäuseanschlusses 127 ist eine Abscheidestrecke beziehungsweise ein Abscheidevolumen des Fluidabscheiders 130 wählbar. Gegebenenfalls durch eine Verlängerung und/oder eine gewinkelte Verlagerung des Abgas-Gehäuseanschlusses 127 kann eine Abscheiderate des flüssigen Wassers erhöht werden.
Ferner ist eine Beeinflussung der Abscheiderate des flüssigen Wassers mittels einer Positionierung eines Fluidausgangs 138 aus dem Fluidabscheider 130 heraus, also einer Positionierung des Fluidabfluss-Anschlusses 128 des stromabwärtigen Abgas-Gehäuseanschlusses 127 möglich. So kann in der ersten Ausführungsform die Haupt-Strömungsrichtung 7 des Kathoden-Abgases 4 im Wesentlichen unbeeinflusst sein (siehe einen gestrichelten Fluidabfluss-Anschluss 128 in der 3).
Ferner kann in der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform der Fluidabfluss-Anschluss 128 derart gewählt sein, dass er die Haupt-Strömungsrichtung 7 des Kathoden-Abgases 4 entgegen der Richtung des Schwerefelds 6 umlenkt, was ebenfalls in der 3 dargestellt ist. Hierbei ist die Haupt-Strömungsrichtung 7 um ca. 90° nach oben umgelenkt. Hierdurch lässt sich, bei ansonsten im Wesentlichen gleichen Gegebenheiten, die Abscheiderate gegenüber der ersten Ausführungsform gegebenenfalls verbessern. Andere Winkel in vertikaler Richtung 6 und/oder horizontaler Richtung 5 (beides nicht dargestellt) sind natürlich anwendbar.
Darüber hinaus kann die Abscheiderate mittels einer Vorrichtung 135 in einem Innenraum 131 des Fluidabscheiders 130 vergrößert beziehungsweise verbessert sein. Dies kann zum Beispiel mittels eines Prallblechs 135 erfolgen, welches in die Haupt-Strömungsrichtung 7 des Kathoden-Abgases 4, 104 hineinragt, wie es die dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Hierbei kann die dritte Ausführungsform der Erfindung zum Beispiel die erste (nicht dargestellt) oder die zweite Ausführungsform um das Prallblech 135 erweitern, wie es die 4 zeigt.
Ferner zeigt die 5 statt des Prallblechs 135 der 4 eine Struktur 135, insbesondere eine poröse Struktur 135, im Innenraum 131 des Fluidabscheiders 130 zur Vergrößerung beziehungsweise Verbesserung der Abscheiderate. Ferner eignen sich als eine Vorrichtung 135 zum Vergrößern beziehungsweise Verbessern der Abscheiderate zum Beispiel ein Gestrick, ein Gewirk, ein Drahtgitter et cetera.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine Integration einer separaten Fluidabscheider-Einrichtung in ein einziges Bauteil, das Gehäuse 120, wodurch sich Bauraum einsparen lässt. Ferner kann gemäß der Erfindung auf die Abscheiderate Einfluss genommen werden, sodass eine Erhöhung der Abscheiderate möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
4: Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
5: horizontale Richtung, Horizontale
6: Richtung des Schwerefelds, Schwerkraft, vertikale Richtung, Vertikale
7: Haupt-Strömungsrichtung des Abgases 4
8: Haupt-Strömungsrichtung des Betriebsmediums 3
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle mit Anode und Kathode, einzelne Brennstoffzelle, Membran-Elektroden-Einheit
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran, bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte
20: Anodenversorgung
21: Pfad, Versorgungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium
24: Stellmittel, regelbar, steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, regelbar, steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
30: Kathodenversorgung
31: Pfad, Versorgungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Verdichter, Kompressor, Turobolader
34: Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Expander
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, regelbar, steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
100: Befeuchtermodul, Brennstoffzellen-Befeuchtermodul, Membranbefeuchter, Membran-Befeuchtermodul
101: vergleichsweise trockenes Betriebsmedium, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium 3
102: vergleichsweise feuchtes Abgas, insbesondere Kathoden-Abgas 4
103: vergleichsweise feuchtes Betriebsmedium, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium 3 beziehungsweise
104: vergleichsweise trockenes und wasserabgeschiedenes Abgas, insbesondere Kathoden-Abgas 4
110: Befeuchter mit bevorzugt wasserdampfpermeabler Membran
116: Fluidausgang
120: Gehäuse insbesondere einteilig, einstückig, stofflich einstückig, adhäsiv einstückig, einfach, integral
121: stromaufwärtiger Betriebsmedium-Gehäuseanschluss an den Befeuchter 110, Alternative: Gehäuseabschnitt
122: Fluidanschluss, Fluidzufluss-Anschluss, insbesondere für Betriebsmedium-Gehäuseanschluss 121
123: stromaufwärtiger Abgas-Gehäuseanschluss an den Befeuchter 110, Alternative: Gehäuseabschnitt
124: Fluidanschluss, Fluidzufluss-Anschluss, insbesondere für Abgas-Gehäuseanschluss 123
125: stromabwärtiger Betriebsmedium-Gehäuseanschluss an den Befeuchter 110, Alternative: Gehäuseabschnitt
126: Fluidanschluss, Fluidabfluss-Anschluss, insbesondere für Betriebsmedium-Gehäuseanschluss 125
127: stromabwärtiger Abgas-Gehäuseanschluss an den Befeuchter 110, Abscheider(-teil-)gehäuse, Alternative: Gehäuseabschnitt
128: Fluidanschluss, Fluidabfluss-Anschluss, insbesondere für Abgas-Gehäuseanschluss 127
130: Fluidabscheider des Befeuchtermoduls 100 beziehungsweise des Gehäuses 120, insbesondere Wasserabscheider für flüssiges Wasser
131: Innenraum
132: Ablass, insbesondere Kondenswasser beziehungsweise Abscheidewasser-Ablass
133: Öffnung
134: Fluidanschluss, Fluidabfluss-Anschluss
135: Vorrichtung zum Vergrößern beziehungsweise Verbessern der Abscheiderate, z. B. Prallblech, Struktur, poröse Struktur, Gestrick, Gewirk, Drahtgitter et cetera
136: Fluideingang in den Fluidabscheider 130
138: Fluidausgang aus dem Fluidabscheider 130

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018863 A1 [0009]
DE 202013009357 U1 [0010]

Claims

Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100), insbesondere Membran-Befeuchtermodul (100), für ein Brennstoffzellensystem (1) eines Fahrzeugs, mit einem Gehäuse (120), einem Fluidzufluss-Anschluss (122) und einem Fluidabfluss-Anschluss (126) für ein Betriebsmedium (3) des Brennstoffzellensystems (1), einem Fluidzufluss-Anschluss (124) und einem Fluidabfluss-Anschluss (128) für ein Abgas (4) des Brennstoffzellensystems (1), sowie einem im Gehäuse (120) angeordneten Befeuchter (110) zur Befeuchtung des Betriebsmediums (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (120) einen Bereich für einen Fluidabscheider (130), insbesondere einen Wasserabscheider (130) für flüssiges Wasser, des Brennstoffzellen-Befeuchtermoduls (100) begrenzt.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) ausgebildet ist, in einem Abgaspfad (32) des Brennstoffzellensystems (1) vom Abgas (4) durchströmbar angeordnet zu werden, wobei das Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) den Fluidabscheider (130) in eine Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) stromabwärts des Befeuchters (110) aufweist.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabscheider (130) einen Gehäuseabschnitt (127) aufweist, welcher sich in die Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) im Gehäuse (120) erstreckt, und ein Fluidausgang (116) des Befeuchters (110) im Wesentlichen mit einem Fluideingang (136) des Fluidabscheiders (130) zusammenfällt oder dazu vergleichsweise geringfügig beabstandet ist.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidausgang (138) des Fluidabscheiders (130) am/im Gehäuse (120) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgas-Gehäuseanschluss (127), insbesondere ein in Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) stromabwärtiger Abgas-Gehäuseanschluss (127), an dem Befeuchter (110) ein Abscheidergehäuse für den Fluidabscheider (130) ausbildet.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt (127) oder Abgas-Gehäuseanschluss (127) einen Fluidabfluss-Anschluss (128) aufweist, wobei der Fluidabfluss-Anschluss (128) derart am Gehäuseabschnitt (127) oder Abgas-Gehäuseanschluss (127) vorgesehen ist, dass sich der Fluidabfluss-Anschluss (128) im Wesentlichen in die bisherige Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) erstreckt, oder der Fluidabfluss-Anschluss (128) und der Gehäuseabschnitt (127) oder Abgas-Gehäuseanschluss (127) derart zueinander angeordnet sind, dass die Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) wesentlich umlenkbar ist.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabfluss-Anschluss (128) derart orientiert ist, dass die Haupt-Strömungsrichtung (7) des Abgases (4) im Fluidabscheider (130) wenigstens teilweise entgegen der Richtung des Schwerefelds (6) umlenkbar ist.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablass (132) des Fluidabscheiders (130) im Wesentlichen an/in einem tiefsten Bereich am/im Fluidabscheider (130) bezüglich der Richtung des Schwerefelds (6) eingerichtet ist, wobei der Ablass (132) eine Öffnung (133) im Gehäuseabschnitt (127) oder Abgas-Gehäuseanschluss (127) umfasst.
Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabscheider (130) in seinem Innenraum (131) eine Vorrichtung aufweist, mittels welcher eine Abscheiderate des Fluidabscheiders (130) vergrößerbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug bevorzugt mit einem Elektrotraktionsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) ein Brennstoffzellen-Befeuchtermodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.