DE102015218769A1

DE102015218769A1 - Feuchteübertrager sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102015218769A1
Application number: DE102015218769.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Denecke; Rune Staeck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Feuchteübertrager (100), insbesondere einen Platten-Feuchteübertrager (100), für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) für eine Passage eines Betriebsmediums (5) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch und einer Abgas-Verteilstruktur (120) für eine Passage eines Abgases (6) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch, wobei durch das Abgas (6) Feuchte an das Betriebsmedium (5) übertragbar ist, und der Feuchteübertrager (100) für einen Froststart ein elektrisches Heizelement (130; 132, 134), insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement (130; 132, 134), zum Erwärmen des Feuchteübertragers (100) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager (100) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchteübertrager, insbesondere einen Platten-Feuchteübertrager, für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische 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 Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der 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 der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (e^–) stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode der Brennstoffzelle zugeleitet.
Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Das Brennstoffzellensystem besitzt für eine Befeuchtung eines trockenen Betriebsmediums (Zuluft) an die Brennstoffzelle einen Feuchteübertrager (Befeuchter), welcher einen Teil einer Feuchte aus einem aus der Brennstoffzelle stammenden feuchten Abgas (Abluft) an das Betriebsmedium überträgt, um eine Leistungsdichte und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle in einem Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen zu steigern. Bei Temperaturen am/im Feuchteübertrager von unter 0°C kann flüssiges Wasser im Feuchteübertrager gefrieren und den Feuchteübertrager teilweise oder gar vollständig blockieren, was insbesondere im Bereich von Betriebsmedium-Kanälen des Feuchteübertragers problematisch ist. Bei einem Froststart des Brennstoffzellensystems wird der Feuchteübertrager daher in einem Betriebsmediumbereich (Zuluftbereich) mittels eines Bypasses umgangen. Ferner wird der Befeuchter im Zuluftbereich an einem Beginn eines Froststarts umgangen, um anfänglich trockene Zuluft in die Brennstoffzelle zu leiten, damit keine feuchte Zuluft in die Brennstoffzelle gelangen kann. In einem Abgasbereich (Abluftbereich) wird der Feuchteübertrager jedoch bevorzugt vom Abgas durchströmt.
Durch Eis im Feuchteübertrager kann es abgasseitig zu einem erhöhten Druckverlust kommen. Ein Erwärmen des Abgasbereichs findet primär durch das hindurchströmende Abgas statt, wobei das Erwärmen von einem Wärmeinhalt des Abgases und einem Temperaturgradienten zwischen dem Abgas und dem Feuchteübertrager abhängig ist. Zum Erwärmen von Feuchteübertragern kommen im Stand der Technik Kühlmittelkanäle in den Feuchteübertragern zum Einsatz. Ein Auftauen und Erwärmen des betreffenden Feuchteübertragers ist unter anderem abhängig von einer Temperatur eines Kühlmittels (kalt bei Froststart) und von einem Wärmeeintrag des Kühlmittels in den betreffenden Feuchteübertrager (indirekt (thermische Trägheit), zusätzliche Heizquelle im Kühlmittelkreis notwendig). Ferner benötigen die Kühlmittelkanäle Bauraum im betreffenden Feuchteübertrager, weshalb ein solcher Feuchteübertrager bei gleicher Befeuchtungsleistung größer baut. Darüber hinaus kommen im Stand der Technik Ladeluftkühler und stromabwärts nachgeschaltete Feuchteübertrager zum Einsatz, wobei kein direktes Auftauen von Eis in den Feuchteübertragern möglich ist.
Die DE 100 28 133 B4 offenbart einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Sprühkammer-Bereich, in welchen eine Mehrzahl von Wasser-Zuleitungen mit Düsen für flüssiges Wasser endet. In den Sprühkammer-Bereich ist ein mit dem Wasser zu befeuchtendes Prozessgas einleitbar, welches die Sprühkammer in Richtung eines Wärmetauscher-Bereichs des Befeuchters verlassen kann. Im Wärmetauscher-Bereich sind Rippen zum Heizen des zugeführten Wassers vorgesehen, wobei ein Wärmeträgermedium über eine Wärmeträgermedium-Zuführung dem Wärmetauscher-Bereich zugeführt und über einen Wärmeträgermedium-Auslass aus dem Wärmetauscher-Bereich wieder abführbar ist. Im Wärmetauscher-Bereich wird das flüssige Wasser zumindest teilweise verdampft und das Prozessgas befeuchtet. Abseits des Sprühkammer-Bereichs weist der Befeuchter am Wärmetauscher-Bereich einen Wasserabscheider-Bereich auf.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei Außentemperaturen von etwa 0°C und darunter einerseits einen schnellen Start eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten und eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems schnell in einen herkömmlichen Betriebsmodus bei herkömmlichen Betriebstemperaturen zu bringen. Insbesondere soll das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung derart ausgerüstet sein, dass ein schnelles Erwärmen eines Feuchteübertragers erfolgen kann, damit ein Bypass des Feuchteübertragers lediglich vergleichsweise kurz eingerichtet sein muss oder ganz auf den Bypass des Feuchteübertragers verzichtet werden kann. Ferner soll durch ein schnelles Erwärmen des Feuchteübertragers ein eventuell durch Eis erzeugter höherer Druckverlust in einem Zuluftbereich und/oder Abluftbereich des Feuchteübertragers schnell reduzierbar sein. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln durchführbar sein, wobei der Feuchteübertrager weiterhin vergleichsweise kleine Abmessungen besitzen soll.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Feuchteübertragers, insbesondere eines Platten-Feuchteübertragers, für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, mittels eines Brennstoffzellensystems und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Der erfindungsgemäße Feuchteübertrager, umfasst eine Betriebsmedium-Verteilstruktur für eine Passage eines Betriebsmediums durch den Feuchteübertrager hindurch und eine Abgas-Verteilstruktur für eine Passage eines Abgases durch den Feuchteübertrager hindurch, wobei durch das Abgas Feuchte an das Betriebsmedium übertragbar ist, und der Feuchteübertrager für einen Froststart ein elektrisches Heizelement, insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement, zum Erwärmen des Feuchteübertragers aufweist.
Gemäß der Erfindung erfolgt ein direkter Wärmeeintrag in den Feuchteübertrager, bevorzugt in die für Eis anfälligen Bereiche des Feuchteübertragers. Hierdurch ist der Feuchteübertrager zumindest stellenweise schnell erwärmbar. Ein solches Heizelement, insbesondere ein PTC-Heizelement, kann einfach ausgestaltet und angepasst werden. Insbesondere PTC-Heizelemente sind in vielen unterschiedlichen Größen, Formen, Heizleistungen et cetera auf dem Markt erhältlich. PTC steht im Englischen für Positive Temperature Coefficient, das heißt ein PTC-Heizelement weist einen elektrischen Leiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Ein PTC-Leiter wird oft auch als ein elektrischer Kaltleiter bezeichnet.
In Ausführungsbeispielen weist der Feuchteübertrager eine Vielzahl von Heizelementen, insbesondere eine Vielzahl von PTC-Heizelementen, innerhalb des Feuchteübertragers auf. Ferner ist in Ausführungsbeispielen eine Schnittebene des Feuchteübertragers mittels eines Heizelements oder einer Mehrzahl von Heizelementen partiell oder in Bezug auf die Schnittebene großflächig oder im Wesentlichen vollflächig erwärmbar. Insbesondere mittels PTC-Heizelementen lässt sich Eis im Feuchteübertrager beim Froststart wenigstens stellenweise gezielt und im Wesentlichen direkt auftauen. Ferner wird ein Erwärmen des Feuchteübertragers und anderer betreffender Einrichtungen, insbesondere eines Betriebsmediumbereiches, des Brennstoffzellensystems über ein Betriebsmedium durch eine erfindungsgemäß mögliche zusätzliche Wärmeeinbringung der PTC-Heizelemente unterstützt.
Unter einem partiellen Erwärmen der Schnittebene des Feuchteübertragers ist eine Teilfläche einer Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels eines einzigen Heizelements erwärmbar ist. Unter einem großflächigen Erwärmen einer Schnittebene des Feuchteübertragers sind zum Beispiel Teilflächen der Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels einer Mehrzahl von Heizelementen erwärmbar sind, wobei die Heizelemente auf der Schnittfläche verteilt, insbesondere hauptsächlich oder im Wesentlichen symmetrisch und/oder homogen (Muster) verteilt, angeordnet sind. Unter einem vollflächigen Erwärmen der Schnittebene des Feuchteübertragers ist hauptsächlich oder im Wesentlichen die gesamte Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels eines einzigen Heizelements erwärmbar ist.
In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur und einer Abgas-Verteilstruktur im Feuchteübertrager eingerichtet. Hierbei liegt beziehungsweise sitzt das Heizelement insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Abgas-Verteilstruktur an. Das heißt in Ausführungsbeispielen ist der Feuchteübertrager mit in den Feuchteübertrager integrierten Heizelementen ausgebildet.
Unter einer mechanisch unmittelbar kontaktierenden Anlage soll beispielsweise auch eine Anlage (ein Ansitzen) verstanden sein, bei welcher zwischen der Betriebsmedium-Verteilstruktur und dem Heizelement und/oder der Abgas-Verteilstruktur und dem Heizelement eine Wärmeleitpaste oder Ähnliches vorgesehen ist. Hierdurch sind sowohl Kanäle in der Betriebsmedium-Verteilstruktur für das Betriebsmedium (Betriebsmedium-Kanäle) als auch Kanäle in der Abgas-Verteilstruktur für das Abgas (Abgas-Kanäle) erwärmbar beziehungsweise im Vereisungsfall auftaubar.
In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement als eine elektrische Heizplatte oder ein Heizplättchen ausgebildet, wobei die Heizplatte oder das Heizplättchen bevorzugt an einem Flächenabschnitt der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur vorgesehen ist. Hierdurch kann der Feuchteübertrager in einer Dickenrichtung der Heizelemente vergleichsweise schmal bauen, wobei ferner ein guter Wärmeeintrag in den Feuchteübertrager realisierbar ist. Bevorzugt sind für eine betreffende Betriebsmedium-Verteilstruktur beziehungsweise eine betreffende Abgas-Verteilstruktur eine Mehrzahl von Heizelementen vorgesehen, welche zum Beispiel symmetrisch verteilt an/auf der Betriebsmedium-Verteilstruktur beziehungsweise der Abgas-Verteilstruktur vorgesehen sind. Ferner sind in Ausführungsbeispielen die Heizelemente im Feuchteübertrager an Positionen unterbringbar, an/in welchen Eis vorrangig entsteht beziehungsweise entstandenes Eis zu einer Erhöhung eines Druckverlusts im Feuchteübertrager führt.
In Ausführungsbeispielen können alle oder lediglich ein Teil der Betriebsmedium-Verteilstrukturen und/oder der Abgas-Verteilstrukturen einen oder eine Mehrzahl von Heizelementen aufweisen. Natürlich ist auch ein großflächiges oder ein vollflächiges Vorsehen eines Heizelements an der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur möglich. In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement abseits einer Membran des Feuchteübertragers im Feuchteübertrager, insbesondere zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur und einer Abgas-Verteilstruktur, eingerichtet. Hierdurch ist ein guter Wärmeintrag in die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur möglich.
Gemäß der Erfindung kann das Heizelement in einer Ausnehmung der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur platziert sein. Hierdurch wird innerhalb des Feuchteübertragers ein für die Heizelemente notwendiger Bauraum geschaffen, sodass der Feuchteübertrager selbst nicht größer baut, als ohne Heizelemente.
In Ausführungsbeispielen ist die Betriebsmedium-Verteilstruktur selbst und/oder die Abgas-Verteilstruktur selbst wenigstens teilweise als ein Heizelement ausgebildet. Das heißt, die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur ist (sind) wenigstens abschnittsweise als Heizelement(e) konstituiert. Hierdurch lässt sich wiederum ein guter Wärmeeintrag in die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur realisieren und somit Wärme rasch in die Betriebsmedium-Kanäle und/oder die Abgas-Kanäle transportieren, wobei ferner der gesamte Feuchteübertrager vergleichsweise klein bauen kann, da kein zusätzlicher Bauraum für Heizelemente benötigt wird.
Bevorzugt ist das Heizelement stofflich/adhäsiv einstückig mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder bevorzugt ist das Heizelement stofflich/adhäsiv einstückig mit der Abgas-Verteilstruktur verbunden. Ferner kann das Heizelement integral als Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder das Heizelement integral als Abgas-Verteilstruktur ausgebildet sein. In Ausführungsbeispielen ist eine sich wiederholende Struktur, sind insbesondere Stege, der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder ist eine sich wiederholende Struktur, sind insbesondere Stege, der Abgas-Verteilstruktur als Heizelement(e) ausgebildet.
Hierdurch ergibt sich ein guter Wärmeeintrag in die Betriebsmedium-Kanäle und/oder die Abgas-Kanäle und das darin gegebenenfalls vorliegende gefrorene Wasser. Bevorzugt ist es, dass wenigstens eine Begrenzung eines Betriebsmedium-Kanals und/oder eines Abgas-Kanals mittels des Heizelements konstituiert ist. Hierbei können eine bis vier, insbesondere eine, zwei oder drei, Seiten (runder Querschnitt: eine Seite entspricht einem 90°-Abschnitt) eines Betriebsmedium-Kanals und/oder eines Abgas-Kanals mittels eines Heizelements konstituiert sein.
In Ausführungsbeispielen sind die Heizelemente derart im Feuchteübertrager eingerichtet, dass mittels der Heizelemente Betriebsmedium-Kanäle der Betriebsmedium-Verteilstrukturen wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Abgas-Kanäle der Abgas-Verteilstrukturen. Ferner sind in Ausführungsbeispielen die Heizelemente derart im Feuchteübertrager eingerichtet, dass mittels der Heizelemente Abgas-Kanäle der Abgas-Verteilstrukturen wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Betriebsmedium-Kanäle der Betriebsmedium-Verteilstrukturen. Bevorzugt ist es, dass Betriebsmedium-Kanäle besser erwärmbar sind, als Abgas-Kanäle. Hierbei wärmen die Heizelemente den Befeuchter und die Brennstoffzelle, was eine Betriebsstabilität sicherstellt. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager auf.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische 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 vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 eine Perspektivansicht auf ein Prinzip einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertragers mit PTC-Heizelementen;
3 eine Perspektivansicht auf einen erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertrager gemäß der ersten Ausführungsform;
4 eine Perspektivansicht auf ein Prinzip einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertragers mit PTC-Heizelementen; und
5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung für das Brennstoffzellensystem der 1 mit einem erfindungsgemäßen Feuchteübertrager.
Die Erfindung ist anhand von zwei Ausführungsformen eines Feuchteübertragers 100 und anhand einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung 30 (Brennstoffzellen-Versorgung) für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Feuchteübertrager sowie Anoden-Versorgungen, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, 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 eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen – nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet – aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen angedeuteten Membran-Elektroden-Einheiten 14 ist ferner eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer Anodenelektrode ist somit ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd gestapelt.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 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 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann zusätzlich oder alternativ in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgasanlage (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist/am im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Verdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verdichter 33 als ein ausschließlich oder auch elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Verdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. 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) antreibbar sein. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10).
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 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 312, 314 (siehe auch unten) 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 weiteres entsprechendes Stellmittel in einem Anoden-Pfad (21), (22) und/oder einem Kathoden-Pfad 31, (32) beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads (21), (22) und/oder des Kathoden-Pfads 31, (32) angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager 100 auf (siehe insbesondere auch die 2 bis 5). Der Feuchteübertrager 100 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager 100 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist.
Der Feuchteübertrager 100 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Verdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Turbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger des Feuchteübertragers 100 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig (siehe 3) oder in Form von Hohlfasern (nicht dargestellt) ausgebildet sind.
In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird eine Seite der Membranen von einem zunächst vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmedium 5 durch- oder überströmt, und eine andere Seite der Membran wird von einem zunächst vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 über- oder durchströmt, beziehungsweise vice versa (siehe die 2 und 4). Hierbei wird ein Teil eines gasförmigen Wassers (Wasserdampf) von dem vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 des Kathodenausgangs auf das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 5 des Kathodeneingangs im Feuchteübertrager 100 aufgrund eines höheren Partialdrucks an Wasserdampf im Kathoden-Abgas 6 überführt und das Kathoden-Betriebsmedium 5 derart befeuchtet.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 100 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe 5) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung 310 umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht.
Ferner kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 100 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden können.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf einen zum Beispiel in der 3 dargestellten Platten-Feuchteübertrager 100 mit insbesondere flächig ausgebildeten Membranen, wobei der Platten-Feuchteübertrager 100 ohne ein Gehäuse und Fluidanschlüsse dargestellt ist. Der Platten-Feuchteübertrager 100 weist eine Vielzahl von plattenförmig ausgebildeten Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und eine Vielzahl von plattenförmig ausgebildeten Abgas-Verteilstrukturen 120 auf, wobei die Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und die Abgas-Verteilstrukturen 120 einander abwechselnd im Platten-Feuchteübertrager 100 eingerichtet sind.
Eine einzelne Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 weist eine Vielzahl von sich in eine Längsrichtung erstreckenden Betriebsmedium-Kanäle 114 für eine Passage des Betriebsmediums 5 durch den Platten-Feuchteübertrager 100 hindurch auf. Eine einzelne Abgas-Verteilstruktur 120 weist ebenfalls eine Vielzahl von sich in eine Längsrichtung erstreckenden Abgas-Kanäle 124 für eine Passage des Abgases 6 durch den Platten-Feuchteübertrager 100 hindurch auf. Die Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und die Abgas-Verteilstruktur 120 sind derart ausgebildet, dass die Betriebsmedium-Kanäle 114 und die Abgas-Kanäle 124 an den einander zugewandten Seiten offen sind. Das heißt ein betreffender jeweiliger Kanal 114, 124 ist im Wesentlichen als eine Nut 114, 124 in der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 beziehungsweise der Abgas-Verteilstruktur 120 eingerichtet.
Zwischen den einander zugewandten Seiten der Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und der Abgas-Verteilstrukturen 120 ist jeweils eine wasserdampfpermeable Membran 140 des Platten-Feuchteübertragers 100 eingerichtet. Eine einzelne betreffende Betriebsmedium-Verteilstruktur 110, eine einzelne betreffende Membran 140 und eine einzelne betreffende Abgas-Verteilstruktur 120 bilden dabei eine jeweilige Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 des Platten-Feuchteübertragers 100, wobei eine Vielzahl solcher Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 in Stapelform den Feuchteüberträger des Platten-Feuchteübertragers 100 konstituieren.
Hierbei können eine Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 einer ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und eine Abgas-Verteilstruktur 120 einer zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120, abgesehen von einem weiter unter erläuterten Heizelement 130, direkt aneinander anliegen (siehe die 2). Gegebenenfalls außen liegende Betriebsmedium-Kanäle 114 (nicht dargestellt) beziehungsweise gegebenenfalls außen liegende Abgas-Kanäle 124 einer einzelnen Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 sind dabei in Umfangsrichtung vollständig geschlossen.
Ferner ist es möglich, zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 einer ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und einer Abgas-Verteilstruktur 120 einer zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 ebenfalls eine Membran 140 vorzusehen (nicht dargestellt). Hierbei weisen die einander betreffenden Seiten der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 der ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und der Abgas-Verteilstruktur 120 der zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 offene Betriebsmedium-Kanäle 114 (Nuten 114) und offene Abgas-Kanäle 124 (Nuten 124) auf.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 ein bevorzugt als eine Heizplatte 132 ausgebildetes elektrisches Heizelement 130, 132, insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement 130, 132, vorgesehen. Das PTC-Heizelement 130, 132 liegt dabei bevorzugt flächig sowohl an der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 als auch an der Abgas-Verteilstruktur 120 an. Hierbei kann das PTC-Heizelement 130, 132 eine Seitenfläche der betreffenden Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der betreffenden Abgas-Verteilstruktur 120 partiell oder im Wesentlichen vollständig bedecken. Hierbei können eine oder eine Mehrzahl von PTC-Heizelementen 130, 132 zwischen der betreffenden Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und der betreffenden Abgas-Verteilstruktur 120 vorgesehen sein.
So ist beispielsweise, siehe 3, in den vier Eckbereichen zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 jeweils ein PTC-Heizelement 130, 132 vorgesehen. Eine andere Anzahl und/oder andere Positionen sind natürlich anwendbar. Gemäß der Erfindung kann zwischen sämtlichen einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 wenigstens ein PTC-Heizelement 130, 132 vorgesehen sein (siehe 2). In anderen Ausführungsbeispielen kann dies anders ausgebildet sein, wobei zum Beispiel zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 wenigstens ein PTC-Heizelement 130, 132 und einer sich, zum Beispiel in eine oder beide Richtungen einer Längserstreckung des Platten-Feuchteübertragers 100, direkt anschließenden Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 kein oder mehr als ein PTC-Heizelement 130, 132 eingerichtet ist et cetera.
Die 4 zeigt zwei Ausführungsbeispiele (links und rechts neben der Membran 140) der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist im rechten Ausführungsbeispiel der 4 die Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder die Abgas-Verteilstruktur 120 teilweise als ein elektrisches Heizelement 130, 134, insbesondere ein PTC-Heizelement 130, 134, ausgebildet. Bei dem in der 4 linken Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen die gesamte Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder die gesamte Abgas-Verteilstruktur 120 als ein elektrisches Heizelement 130, 134, insbesondere ein PTC-Heizelement 130, 134, integral ausgebildet. Eine Verteilung der PTC-Heizelemente 130, 134 kann analog zu obig Gesamtem erfolgen.
Bei dem in der 4 rechten Ausführungsbeispiel ist das PTC-Heizelement 130 mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 einstückig, stofflich einstückig oder adhäsiv einstückig verbunden. Das heißt, das Heizelement 130, ist als eine elektrische Struktur 134, insbesondere eine elektrische PTC-Struktur 134, der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Stege der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 zwischen den Betriebsmedium-Kanälen 114 beziehungsweise den Abgas-Kanälen 124 als PTC-Heizelement(e) 130, 134 ausgebildet sind.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Feuchteübertrager 100 derart ausgebildet, dass ein Gleichstrom (bevorzugt), ein Gegenstrom oder ein Kreuzstrom zwischen dem Kathoden-Betriebsmedium 5 und dem Kathoden-Abgas 6 einrichtbar ist. Mischformen davon sind für den Feuchteübertrager 100 natürlich anwendbar. Hierbei kann für einen Betrieb der Brennstoffzelle 10 das Kathoden-Betriebsmedium 5 und/oder das Kathoden-Abgas 6 horizontal, vertikal oder sowohl horizontal als auch vertikal durch den Feuchteübertrager 100 hindurchströmbar vorgesehen sein. Eine in der 5 dargestellte erfindungsgemäße Kathodenversorgung 30 für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 weist einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager 100 auf. Hierbei besitzt die Kathodenversorgung 30 die eingangs genannten Vorteile.
In Ausführungsbeispielen der Kathodenversorgung 30 ist der Kathoden-Versorgungspfad 31 durch den Feuchteübertrager 100 hindurch mittels eines Versorgungspfad-Bypasses 310 umgehbar. Hierbei ist für ein Öffnen/Schließen des Versorgungspfad-Bypasses 310, am/im Versorgungspfad-Bypass 310 ein Stellmittel 314, insbesondere ein Versorgungspfad-Bypassventil 314, vorgesehen. Ferner ist in Ausführungsbeispielen der Kathodenversorgung 30 der Abgaspfad 32 der Kathodenversorgung 30 durch den Feuchteübertrager 100 hindurch mittels eines Abgaspfad-Bypasses umgehbar (nicht dargestellt). Hierbei ist für ein Öffnen/Schließen des Abgaspfad-Bypasses, am/im Abgaspfad-Bypass ein Stellmittel, insbesondere ein Abgaspfad-Bypassventil, vorgesehen (ebenfalls nicht dargestellt).
Wenigstens ein Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 mündet in einem fluidmechanisch absperrbaren Teil der Brennstoffzellen-Versorgung 30. Das heißt für den Kathoden-Versorgungspfad 31 mündet der Versorgungspfad-Bypass 310 stromabwärts eines Stellmittels 312, insbesondere eines Absperrventils 312, am/im Kathoden-Versorgungspfad 31. Ein anderes Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 kann dabei ebenfalls im fluidmechanisch absperrbaren Teil der Kathodenversorgung 30 oder stromaufwärts des Stellmittels 312 (gestrichelt in der 5) münden. Dies kann gegebenenfalls auf den Abgaspfad-Bypass angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
4: Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
5: Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
6: Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle mit Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, einzelne Brennstoffzelle
12: Anodenraum der Einzelzelle 11
13: Kathodenraum der Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Verdichter, Kompressor, Turbolader
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, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
100: (Platten-)Feuchteübertrager, Befeuchter, Stoffübertrager mit insbesondere flächig ausgebildeten Membranen (Darstellung ohne Gehäuse und Fluidanschlüsse)
110: Betriebsmedium-Verteilstruktur gegebenenfalls der Feuchteüberträger-Einheit 110/120/140
114: Betriebsmedium-Kanal
120: Abgas-Verteilstruktur gegebenenfalls der Feuchteüberträger-Einheit 110/120/140
124: Abgas-Kanal
130: elektrisches (PTC-)Heizelement
132: elektrische (PTC-)Heizplatte
134: einstückige, stofflich einstückige, adhäsiv einstückige, integrale elektrische (PTC-)Struktur
140: Membran gegebenenfalls der Einheit 110/120/140
310: Versorgungspfad-Bypass
312: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für den Kathoden-Versorgungspfad 31
314: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Versorgungspfad-Bypassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10028133 B4 [0009]

Claims

Feuchteübertrager (100), insbesondere Platten-Feuchteübertrager (100), für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) für eine Passage eines Betriebsmediums (5) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch und einer Abgas-Verteilstruktur (120) für eine Passage eines Abgases (6) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch, wobei durch das Abgas (6) Feuchte an das Betriebsmedium (5) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteübertrager (100) für einen Froststart ein elektrisches Heizelement (130; 132, 134), insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement (130; 132, 134), zum Erwärmen des Feuchteübertragers (100) aufweist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteübertrager (100) eine Vielzahl von elektrischen Heizelementen (130; 132, 134), insbesondere eine Vielzahl von elektrischen PTC-Heizelementen (130; 132, 134), innerhalb des Feuchteübertragers (100) aufweist; und/oder eine Schnittebene des Feuchteübertragers (100) mittels eines elektrischen Heizelements (130; 132, 134) oder einer Mehrzahl von elektrischen Heizelementen (130; 132, 134) partiell oder in Bezug auf die Schnittebene großflächig oder im Wesentlichen vollflächig erwärmbar ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und einer Abgas-Verteilstruktur (120) im Feuchteübertrager (100) eingerichtet ist, wobei das elektrische Heizelement (130, 132) insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Abgas-Verteilstruktur (120) anliegt.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) als eine elektrische Heizplatte (132) ausgebildet ist, wobei die elektrische Heizplatte (132) bevorzugt an einem Flächenabschnitt der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder der Abgas-Verteilstruktur (120) vorgesehen ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) in einer Ausnehmung der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder der Abgas-Verteilstruktur (120) platziert ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) selbst und/oder die Abgas-Verteilstruktur (120) selbst wenigstens teilweise als ein elektrisches Heizelement (130, 134) ausgebildet ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 134) stofflich/adhäsiv einstückig mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder das elektrische Heizelement (130, 134) stofflich/adhäsiv einstückig mit der Abgas-Verteilstruktur (120) verbunden ist; oder das elektrische Heizelement (130, 134) integral als Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder das elektrische Heizelement (130, 134) integral als Abgas-Verteilstruktur (120) ausgebildet ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich wiederholende Struktur der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder eine sich wiederholende Struktur der Abgas-Verteilstruktur (120) als ein elektrisches Heizelement (130, 134) ausgebildet ist.
Feuchteübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizelemente (130; 132, 134) derart im Feuchteübertrager (100) eingerichtet sind, dass mittels der elektrischen Heizelemente (130; 132, 134) Betriebsmedium-Kanäle (114) der Betriebsmedium-Verteilstrukturen (110) wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Abgas-Kanäle (124) der Abgas-Verteilstrukturen (120), oder vice versa.
Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) einen Feuchteübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.