DE102016224475A1

DE102016224475A1 - Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016224475A1
Application number: DE102016224475.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Höfler; Marc Becker; Hubert Wimmer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US11444296B2; CN110035817B; JP2020513659A; JP6985392B2; US20190288306A1; CN110035817A; WO2018103976A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membranbefeuchter, vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem, mit mehreren aufeinandergesetzten Stapeleinheiten, wobei die einzelne Stapeleinheit eine Strömungsplatte und eine Diffusionseinheit umfasst, wobei ein Umfang der Diffusionseinheit durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten gebildet ist, und wobei die einzelne Diffusionseinheit umfasst: eine Oberschicht auf einer Oberseite der Diffusionseinheit, eine Unterschicht auf einer Unterseite der Diffusionseinheit, eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran, zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten, auf der Oberseite der Diffusionseinheit, und zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente an den beiden zweiten Randseiten, auf der Unterseite der Diffusionseinheit, wobei die Strömungsplatte der Stapeleinheit in die beiden unteren Aufnahmeelemente eingesetzt ist, und wobei in die beiden oberen Aufnahmeelemente die nächste Stapeleinheit eingesetzt ist.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Membranbefeuchter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird.
Membranbefeuchter werden in Brennstoffzellensystemen insbesondere dazu verwendet, um die relativ trockene Kathodenzuluft mit der relativ feuchten Kathodenabluft zu befeuchten. Innerhalb des Membranbefeuchters wird die Feuchtigkeit der Kathodenabluft durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran hindurch auf die trockene Kathodenzuluft übertragen.
Insbesondere kommen die Membranbefeuchter für Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) zum Einsatz. Um solch eine Brennstoffzelle bei möglichst hoher Leistung betreiben zu können, ist insbesondere eine Betriebstemperatur von 80 bis 95 °C vorteilhaft. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht dabei beispielsweise eine bessere Wärmeabfuhr über das Kühlmittel als bei niedrigeren Betriebstemperatur. Da die Protonenaustauschmembranen einerseits aufgrund der hohen Temperaturen und andererseits durch den für die hohe Leistung nötigen hohen Luftmassenstrom stärker austrocknen als bei niedrigen Temperaturen, ist die Befeuchtung der Kathodenzuluft vorteilhaft. Ohne Befeuchtung würde die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle sinken. Einen beispielhaften Membranbefeuchter zeigt US 2008/0001313 A1 .
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen Membranbefeuchter anzugeben, der bei einfachem und kostengünstigem Aufbau wartungsarm und betriebssicher verwendet werden kann. Der Membranbefeuchter soll insbesondere in einem Brennstoffzellensystem dazu geeignet sein, die Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit der Kathodenabluft aus der Brennstoffzelle zu befeuchten. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), wie beispielsweise einen Membranbefeuchter, der beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Membranbefeuchter, der vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem verwendet wird. Allerdings ist es auch möglich, den Membranbefeuchter für andere Systeme, beispielsweise zum Feuchtigkeitsaustausch in der Belüftung eines Hauses einzusetzen.
Der Membranbefeuchter umfasst mehrere aufeinandergesetzte Stapeleinheiten. Dabei können eine Vielzahl an Stapeleinheiten entlang einer Stapelachse aufeinandergesetzt werden. Die Stapeleinheiten stehen senkrecht zur Stapelachse. Beispielsweise für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem können 50 oder mehr Stapeleinheiten zu einem Membranbefeuchter zusammengesetzt werden. Die einzelnen Stapeleinheiten sind vorzugsweise alle baugleich, wobei die erste und letzte Stapeleinheit auch unterschiedlich ausgestaltet werden können.
Die einzelne Stapeleinheit setzt sich zusammen aus einer Strömungsplatte und einer Diffusionseinheit. In der Strömungsplatte sind mehrere Strömungskanäle nebeneinander angeordnet. Die Strömungskanäle können strukturiert oder unterbrochen sein, um eine gezielte Strömungsbeeinflussung vornehmen zu können. Bei der Verwendung des Membranbefeuchters werden durch diese Strömungskanäle das feuchte Gas und das zu befeuchtende Gas geleitet. Die Strömungskanäle sind jeweils zu der Diffusionseinheit derselben Stapeleinheit oder zu der Diffusionseinheit der nächsten Stapeleinheit offen, sodass die Feuchtigkeit durch die angrenzende Diffusionseinheit in die Strömungskanäle der nächstliegenden Strömungsplatte hindurchtreten kann.
Ein Umfang der einzelnen Diffusionseinheit ist hier per Definition gebildet durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten. Dieser Umfang der Diffusionseinheit ist vorzugsweise rechteckig, besonders vorzugsweise quadratisch.
Die einzelne Diffusionseinheit umfasst eine Oberschicht und eine Unterschicht. Lediglich für die einfache und anschauliche Beschreibung der hier offenbarten Technologie werden für die Diffusionseinheit die Begriffe „oben, Oberschicht, Oberseite“ und „unten, Unterschicht, Unterseite“ verwendet. Selbstverständlich können oben und unten auch vertauscht werden oder der Membranbefeuchter kann so eingesetzt werden, dass die Diffusionseinheiten und die Strömungsplatten senkrecht stehen.
Ferner umfasst die einzelne Diffusionseinheit zumindest eine Diffusionsschicht, vorzugsweise eine obere Diffusionsschicht und eine untere Diffusionsschicht. Darüber hinaus umfasst die einzelne Diffusionseinheit eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran. Bei Verwendung von zwei Diffusionsschichten befindet sich die Membran zwischen den beiden Diffusionsschichten. Wird nur eine Diffusionsschicht verwendet, so liegt die Membran an der einen Diffusionsschicht an. Insbesondere steht die Membran mit der zumindest einen Diffusionsschicht in Berührung.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Oberschicht der Diffusionseinheit die obere Diffusionsschicht umfasst. Die Unterschicht der Diffusionseinheit umfasst die untere Diffusionsschicht. Die Membran kann entweder der Oberschicht oder der Unterschicht zugeordnet werden.
Wenn nur eine Diffusionsschicht verwendet wird, so bildet diese Diffusionsschicht entweder die Oberschicht oder die Unterschicht. Entsprechend bildet dann die Membran die andere Schicht, also entweder die Unterschicht oder die Oberschicht.
Die Membran ist insbesondere so ausgebildet, dass zwischen den beiden Gasströmen, mit Ausnahme der Feuchtigkeit möglichst kein Medienaustausch stattfindet. Die zumindest eine Diffusionsschicht ist insbesondere mediendurchlässig und dient in erster Linie zur sicheren Aufnahme und Positionierung der Membran. Die beiden Diffusionsschichten können dabei, insbesondere hinsichtlich Material und Stärke, unterschiedlich ausgestaltet sein.
Des Weiteren weist die einzelne Diffusionseinheit zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente auf. Die beiden oberen Aufnahmeelemente befinden sich an den beiden ersten Randseiten. Ferner weist die Diffusionseinheit zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente auf. Die beiden unteren Aufnahmeelemente befinden sich an den beiden zweiten Randseiten. Nur der Anschaulichkeit halber werden die Aufnahmeelemente als „obere Aufnahmeelemente“ und „untere Aufnahmeelemente“ entsprechend der Oberseite und der Unterseite der Diffusionseinheit bezeichnet. Entscheidend ist, dass sich die einen Aufnahmeelemente an den ersten Randseiten auf einer Seite und anderen Aufnahmeelemente an den zweiten Randseiten auf der anderen Seite befinden.
Die Strömungsplatte der einen Stapeleinheit ist in die beiden bzw. zwischen die beiden unteren Aufnahmeelemente eingesetzt. In die beiden bzw. zwischen die beiden oberen Aufnahmeelemente ist die nächste Stapeleinheit eingesetzt.
Die Verwendung der Aufnahmeelemente in der Diffusionseinheit ermöglicht eine einfache Verbindung zur jeweiligen Strömungsplatte sowie zur nächstliegenden Stapeleinheit. In den Bereichen der oberen Aufnahmeelemente wird dabei insbesondere auf ein Verkleben der einzelnen Elemente des Membranbefeuchters verzichtet. Die unteren Aufnahmeelemente nehmen die Strömungsplatte auf. In einer vorteilhaften Ausführung, ist die Strömungsplatte in den unteren Aufnahmeelementen stoffschlüssig befestigt, insbesondere durch Kleben oder Schweißen.
Im Rahmen der vorliegenden Technologie, werden zwei Varianten zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente beschrieben. So können die Aufnahmeelemente vorzugsweise entweder durch Umformen, insbesondere Falzen, der Oberschicht bzw. Unterschicht oder durch Fügen eines Rahmenelements, insbesondere aus Kunststoff, vorzugsweise Dichtungsmaterial, gebildet werden. In beiden Varianten entsteht eine, in bestimmten Bereichen dichte Stapelung der einzelnen Elemente.
Das einzelne Aufnahmeelement wird vorzugsweise entweder als Nut oder in Winkelform ausgeführt. Die Nut ist dabei in Richtung senkrecht zur Stapelachse offen und bildet somit in einer zur Stapelachse senkrechten Ebene einen offenen Schlitz. Die winkelförmige Ausgestaltung des Aufnahmeelements ist vorzugsweise durch eine Seitenfläche und eine dazu abgewinkelte Auflagefläche gebildet. Die Auflagefläche erstreckt sich insbesondere senkrecht und die Seitenfläche parallel zur Stapelachse.
Wie bereits beschrieben, bilden die oberen Aufnahmeelemente eine Aufnahme für die nächste, oben angeordnete Stapeleinheit und die unteren Aufnahmeelemente eine Aufnahme für die Strömungsplatte derselben Stapeleinheit. Die beiden gegenüberliegenden oberen Aufnahmeelemente einer Stapeleinheit können unterschiedlich ausgestaltet sein: So ist auch vorgesehen, dass beispielsweise an einer der beiden ersten Randseiten das obere Aufnahmeelement als Nut und an der anderen ersten Randseite das obere Aufnahmeelement winkelförmig ausgestaltet ist. Ferner ist vorgesehen, dass beispielsweise an einer der beiden zweiten Randseiten das untere Aufnahmeelement als Nut und an der anderen zweiten Randseite das untere Aufnahmeelement winkelförmig ausgestaltet ist. So können die hier beschriebenen Ausgestaltungen des Aufnahmeelements auch innerhalb einer Stapeleinheit miteinander kombiniert werden.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente eine Nut ist. Vorzugsweise sind die beiden oberen Aufnahmeelemente als Nut ausgebildet und zueinander offen.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eine der oberen Nuten durch umgefalzte Ränder der Unterschicht, vorzugsweise der unteren Diffusionsschicht, gebildet ist. Zur Bildung der Nut wird die Unterschicht vorzugsweise zweimal, insbesondere um etwa 90°, umgebogen.
Wenn die Unterschicht lediglich durch die Membran gebildet ist, so wird die Membran zur Bildung der oberen Nut umgefalzt. Wenn die Unterschicht durch die untere Diffusionsschicht und die Membran gebildet ist, so wird die untere Diffusionsschicht und/oder die Membran umgefalzt. Des Weiteren ist es stets auch möglich, zusätzlich zur Unterschicht auch die Oberschicht in die gleiche Richtung zu Falzen, sodass die Nut durch die Oberschicht und die Unterschicht gebildet ist.
Durch die Ausgestaltung des zumindest einen oberen Aufnahmeelements als obere Nut umgreift diese obere Nut vorzugsweise den Rand der Oberschicht, insbesondere der Membran und der oberen Diffusionsschicht, derselben Stapeleinheit sowie die vollständige nächste Stapeleinheit, welche auf der Oberschicht angeordnet ist.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente eine Nut ist. Vorzugsweise sind die beiden unteren Aufnahmeelemente als Nut ausgebildet und zueinander offen.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eine der unteren Nuten durch umgefalzte Ränder der Oberschicht, vorzugsweise der oberen Diffusionsschicht, gebildet ist. Zur Bildung der Nut wird die Oberschicht vorzugsweise zweimal, insbesondere um etwa 90°, umgebogen.
Wenn die Oberschicht lediglich durch die Membran gebildet ist, so wird die Membran zur Bildung der unteren Nut umgefalzt. Wenn die Oberschicht durch die obere Diffusionsschicht und die Membran gebildet ist, so wird die obere Diffusionsschicht und/oder die Membran umgefalzt. Des Weiteren ist es stets auch möglich, zusätzlich zur Oberschicht auch die Unterschicht in die gleiche Richtung zu Falzen, sodass die Nut durch die Unterschicht und die Oberschicht gebildet ist.
Durch die Ausgestaltung des zumindest einen unteren Aufnahmeelements als untere Nut umgreift diese untere Nut vorzugsweise den Rand der Strömungsplatte, insbesondere auch die Membran und die untere Diffusionsschicht, derselben Stapeleinheit.
Auch die Ausgestaltung der winkelförmigen Aufnahmeelemente kann durch Umformen der Ränder der Oberschicht bzw. Unterschicht erfolgen.
Die Diffusionsschichten sind vorzugsweise aus thermoplastischem Vlies gefertigt. Dieses Material eignet sich insbesondere zur Ausgestaltung der Nuten oder der winkelförmigen Aufnahmeelemente durch Umformen. Insbesondere wird das thermoplastische Vlies zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente erwärmt, um eine leichtere Umformung zu ermöglichen. Es ist jedoch auch vorgesehen, eine Diffusionsschicht aus einem anderen porösen, insbesondere thermoplastischen, Material zu verwenden.
Die umgeformten Ränder der zumindest einen Diffusionsschicht bzw. der Membran sind vorzugsweise strukturiert ausgeführt, insbesondere mittels einer umlaufenden Sicke, um Höhenunterschiede resultierend aus der Höhe der Strömungsplatten, der Materialstärke der Strömungsplatten und Diffusionsschichten sowie Toleranzen auszugleichen.
Den gleichen Zweck erfüllt eine bevorzugte Strukturierung der Dichtungsränder der Strömungsplatte, beispielsweise ebenfalls durch eine umlaufende Sicke.
Wie bereits beschrieben, ist zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente winkelförmig und bildet so eine Seitenfläche und eine dazu, vorzugsweise um 90°, abgewinkelte Auflagefläche für die nächste, oberhalb angeordnete Stapeleinheit. Des Weiteren ist vorzugsweise zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente winkelförmig und bildet so eine Seitenfläche und eine dazu, vorzugsweise um 90°, abgewinkelte Auflagefläche für zumindest die Strömungsplatte derselben Stapeleinheit.
Alternativ zu der Ausgestaltung des Aufnahmeelements durch Umformen der Oberschicht oder Unterschicht, ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eines der Aufnahmeelemente durch ein Rahmenelement gebildet ist. Das Rahmenelement ist an die Oberschicht und/oder Unterschicht gefügt. Vorzugsweise ist das Rahmenelement angespritzt. Alternativ kann das Rahmenelement beispielsweise auch angeklebt sein. Das Rahmenelement ist insbesondere an zumindest eine Diffusionsschicht gefügt, kann jedoch zusätzlich auch an die Membran und/oder die andere Diffusionsschicht gefügt sein. Das Rahmenelement umfasst zumindest einen U-förmigen Anteil, der die entsprechende Nut darstellt und/oder einen winkelförmigen Anteil.
Es ist auch vorgesehen, die beiden Varianten, nämlich das Fügen eines Rahmenelements und das Umformen von Rändern der Oberschicht bzw. Unterschicht zu kombinieren, sodass in einem Membranbefeuchter unterschiedlich gefertigte Aufnahmeelemente verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das angefügte Rahmenelement sich vollumfänglich über alle vier Seiten der einzelnen Diffusionseinheit, insbesondere der zumindest einen Diffusionsschicht und der Membran, erstreckt und dabei die beiden oberen Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten und die beiden unteren Aufnahmeelement an den beiden zweiten Randseiten bildet.
Unabhängig von den Varianten zur Fertigung und Ausgestaltung der Aufnahmeelemente ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die beiden oberen Aufnahmeelemente und/oder die beiden unteren Aufnahmeelemente über die gesamte Länge der ersten Randseite bzw. der zweiten Randseite erstrecken. Dadurch ist die Diffusionseinheit vollumfänglich, nämlich an beiden ersten Randseiten und an beiden zweiten Randseiten von den Aufnahmeelementen umgeben. Lediglich die Ecken bleiben zumindest an einem Spalt offen und müssen gegebenenfalls separat abgedichtet werden.
Die Strömungsplatten weisen vorzugsweise ein Wellenprofil auf. Dieses Wellenprofil bildet mehrere parallele Strömungskanäle die abwechselnd nach oben und unten offen sind. Vorzugsweise werden die Strömungsplatten durch Umformen eines Metallblechs oder Warmumformen oder Extrudieren oder Walzenkalandrieren eines Thermoplasts hergestellt.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, die Strömungsplatte anstatt mit Wellenprofil in Stegform auszubilden, sodass die Strömungskanäle durch die zwischen den Stegen ausgebildeten Nuten dargestellt werden.
Die einzelne Strömungsplatte weist vorzugsweise zwei gegenüberliegende Randbereiche auf. An den Randbereichen befinden sich vorzugsweise Dichtungsränder. Diese Dichtungsränder werden in beide gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente eingesetzt. Insbesondere sind die Dichtungsränder durch ein aufgetragenes Elastomer oder aus dem gleichen Material wie die Strömungsplatte gebildet. Es ist auch möglich, auf die Dichtungsränder zu verzichten, sodass die Aufnahmeelemente direkt den Rand der Strömungsplatte aufnehmen.
Vorzugsweise werden die Strömungsplatten benachbarter Stapeleinheiten um 90° versetzt angeordnet, sodass ein Kreuzstromprinzip zwischen den beiden Gasströmen, insbesondere Kathodenzuluft und Kathodenabluft, verwendet werden kann.
Der Membranbefeuchter umfasst vorzugsweise ein Gehäuse zur Aufnahme der aufeinandergesetzten Stapeleinheiten. In dem Gehäuse sind Manifolds angeordnet oder als integrale Bestandteile des Gehäuses ausgebildet. Die Manifolds dienen zum Zuführen und Abführen der beiden Gasströme zu den einzelnen Strömungskanälen. Diese Manifolds sind insbesondere separate, nicht an die Stapeleinheiten gefügte Bauteile.
Die hier offenbarte Technologie umfasst des Weiteren ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle und zumindest einen bereits beschriebenen Membranbefeuchter. Der Membranbefeuchter wird dabei zum Befeuchten einer Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit einer Kathodenabluft der Brennstoffzelle verwendet. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Membranbefeuchters beschriebenen Unteransprüche und vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Brennstoffzellensystem.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Membranbefeuchters. Insbesondere handelt es sich dabei um den bereits beschriebenen Membranbefeuchter. Im Rahmen des Verfahrens sind zumindest folgende Schritte vorgesehen:
Zunächst erfolgt ein Zusammensetzen der Diffusionseinheit aus der Oberschicht, der Unterschicht und der zwischen den beiden Schichten oder in den Schichten angeordneten, feuchtigkeitsdurchlässigen Membran. Vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzen werden die beiden oberen Aufnahmeelemente an den beiden ersten Randseiten und die beiden unteren Aufnahmeelemente und den beiden zweiten Randseiten ausgebildet.
Die fertige Stapeleinheit entsteht durch Einsetzen der Strömungsplatten in die beiden unteren Aufnahmeelemente der Diffusionseinheit. Dieses Einsetzen der Strömungsplatte erfolgt insbesondere erst nach der Ausbildung der unteren Aufnahmeelemente der Diffusionseinheit.
Mehrere der Stapeleinheiten werden entsprechend aufeinandergesetzt, wobei jeweils in die beiden oberen Aufnahmeelemente der einen Stapeleinheit die nächste Stapeleinheit eingesetzt wird.
Wie bereits beschrieben, wird das einzelne Aufnahmeelement entweder durch Umformen der Diffusionsschichten oder durch Fügen eines Rahmenelements hergestellt. Das das Aufnahmeelement bildende Material ist dabei vorzugsweise entsprechend dünn und flexibel, sodass es beim Zusammensetzen des Membranbefeuchters ohne weiteres, vorzugsweise elastisch, aufgebogen werden kann.
Der fertige Stapel aus mehreren Stapeleinheiten wird vorzugsweise in ein Gehäuse eingesetzt und abgedichtet.
Zur Integrationen in das Gehäuse können in den Ecken des Gehäuses und/oder im Bereich der Kanten der zusammengesetzten Stapeleinheiten Dichtungen vorgesehen sein, um die Ein- und Ausströmbereiche der Brennstoffzellenzuluft (Kathodenzuluft) bzw. der Brennstoffzellenabluft (Kathodenabluft) gegeneinander abzudichten.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 bis 6 einen schematischen Aufbau des offenbarten Membranbefeuchters gemäß einer ersten Variante,
7 a-g verschiedene Ausgestaltungen der Aufnahmeelemente,
8 bis 10 weitere Ansichten zum schematischen Aufbau des offenbarten Membranbefeuchters gemäß der ersten Variante,
11 bis 16 einen schematischen Aufbau des offenbarten Membranbefeuchters gemäß einer zweiten Variante, und
17 a-b verschiedene Ausgestaltungen der Aufnahmeelemente.

Die Figuren zeigen den schematischen Aufbau eines Membranbefeuchters 1. Der Membranbefeuchter 1 ist zusammengesetzt aus mehreren gestapelten Stapeleinheiten 2. Die Stapeleinheiten 2 sind umgeben von einem nicht dargestellten Gehäuse des Membranbefeuchters 1.
Die einzelne Stapeleinheit 2 umfasst eine Diffusionseinheit 4. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung der Diffusionseinheit 4. Die Diffusionseinheit 4 umfasst eine Oberschicht 41, hier gebildet durch eine obere Diffusionsschicht, eine Unterschicht 42, hier gebildet durch eine untere Diffusionsschicht , und eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 43 zwischen Oberschicht und Unterschicht 41, 42. 2 zeigt die zusammengesetzte Diffusionseinheit 4.
An der Diffusionseinheit 4 sind zwei gegenüberliegende erste Randseiten 44 und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten 45 definiert. Diese vier Randseiten 44, 45 bilden den rechteckigen Umfang der Diffusionseinheit 4.
An der Oberseite weist die Diffusionseinheit 4 an den beiden ersten Randseiten 44 zwei obere Aufnahmeelemente 46, hier ausgebildet als zwei oberen Nuten, auf. An der Unterseite weist die Diffusionseinheit 4 an den beiden zweiten Randseiten 45 zwei untere Aufnahmeelemente 47, hier ausgebildet als zwei unteren Nuten, auf. Die als Nuten ausgebildeten Aufnahmeelemente 46, 47 liegen jeweils gegenüber und sind zueinander offen.
In der ersten Variante gemäß 1 bis 10 sind die oberen Aufnahmeelemente 46 gebildet durch Umformen, insbesondere Umfalzen, der unteren Diffusionsschicht (Unterschicht 42). Die unteren Aufnahmeelemente 47 sind gebildet durch Umformen, insbesondere Umfalzen, der oberen Diffusionsschicht (Oberschicht 41).
3 zeigt eine Strömungsplatte 3 der Stapeleinheit 2. Die Strömungsplatte 3 weist ein Wellenprofil 31 zur Bildung einer Vielzahl an Strömungskanälen 34 auf.
An zwei gegenüberliegenden Randbereichen 32 der Strömungsplatte 3 befinden sich gemäß 4 Dichtungsränder 33.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung der Stapeleinheit 2. 6 zeigt die zusammengesetzte Stapeleinheit 2. Dabei ist zu sehen, dass die Strömungsplatte 3 mit ihren Dichtungsrändern 33 in den unteren Aufnahmeelementen 47 angeordnet ist. 7 a-g zeigt hierzu den in 6 gekennzeichneten Schnitt A:A.
Die 7 a-g zeigen unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente 46, 47 als Nut, jeweils durch Umformen der Oberschicht 41 bzw. Unterschicht 42.
In 7 a ist das untere Aufnahmeelement 47 durch Umformen der Oberschicht 41, hier der oberen Diffusionsschicht, gebildet. Hierzu ist die Oberschicht 41 zweimal um 90° umgefalzt. Die dadurch entstandene Nut nimmt die Membran 43, die Unterschicht 42 und den Randbereich 32 der Strömungsplatte 3, hier versehen mit einem Dichtungsrand 33, auf.
In 7 b ist die Strömungsplatte 3 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Zu sehen ist hier, die Bildung des unteren Aufnahmeelements 47 als Nut. Die Unterschicht 42 ist zusammen mit der Oberschicht 41 umgeformt, insbesondere umgefalzt.
In 7 c ist ebenfalls die Strömungsplatte 3 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. 7 c zeigt die Möglichkeit, ein Aufnahmeelement, hier das untere Aufnahmeelement 47, zu strukturieren. Diese Strukturierung erfolgt im gezeigten Beispiel durch eine Sicke 5. Die Strukturierung ermöglicht einen Ausgleich von Höhenunterschieden und Toleranzen.
In 7 d ist das untere Aufnahmeelement 47 durch Umformen der Oberschicht 41, hier der oberen Diffusionsschicht, gebildet. Anhand dieser Figur ist zu sehen, dass die Nut nicht zwingend rechteckig, sondern beispielsweise auch dreieckig ausgeführt werden kann. Ferner zeigt 7 d die Aufnahme der Strömungsplatte 3 im unteren Aufnahmeelement 47 ohne einem Dichtungsrand 33 an der Strömungsplatte 3.
In 7 e ist das untere Aufnahmeelement 47 genauso wie in 7 a gebildet. Allerdings sitzt hier die Strömungsplatte 3 nicht mit einem Dichtungsrahmen 33 sondern unmittelbar in der Nut. Die Nut ist so hoch ausgebildet, dass ein strukturierter Anteil der Strömungsplatte 3, und nicht nur der Randbereich 32 in der Nut Platz findet.
Die 7 a bis 7 e zeigen jeweils die Ausgestaltung des unteren Aufnahmeelements 47. Allerdings kann auch das obere Aufnahmeelements 46 auf gleiche oder ähnliche Weise gestaltet sein. Beispielhaft zeigen die 7 f und 7 g auch die Ausgestaltung des oberen Aufnahmeelement 46, jeweils an einer weiteren, unten angeordneten Stapeleinheit 2.
7 f zeigt eine Aussparung 6, gebildet durch einen Absatz an der Oberseite der Oberschicht 41. Ein oberes Ende einer Unterschicht 42 einer unten angeordneten Stapeleinheit 2 liegt in dieser Aussparung 6, sodass dieses obere Ende und die Oberschicht 41 der oberen Stapeleinheit 2 eine ebene Fläche bilden.
7 g zeigt ebenfalls die Aussparung 6 zur Aufnahme des oberen Endes einer Unterschicht 42. Wie die 7 f und 7 g zeigen, kann die Aussparung 6 unabhängig von der Form der Nut verwendet werden.
8 verdeutlicht in einer Explosionsdarstellung, dass die fertigen Stapeleinheiten 2 übereinander gesetzt werden. Wie 9 zeigt, nehmen die oberen Aufnahmeelemente 46 die nächste, obenliegende Stapeleinheit 2 auf.
10 zeigt im Detail drei übereinandergestapelte Stapeleinheiten 2.
Die 11 bis 16 zeigen eine Variante des Membranbefeuchters 1, bei dem die Aufnahmeelemente 46, 47 nicht durch Umfalzen der Oberschicht oder Unterschicht 41, 42 sondern durch ein Rahmenelement 48 gebildet sind.
11 zeigt dabei die Diffusionseinheit 4 als Explosionsdarstellung. 12 zeigt die fertige Diffusionseinheit 4.
Das Rahmenelement 48 erstreckt sich vollumfänglich entlang der beiden ersten Randseiten 44 und der beiden zweiten Randseiten 45. An der Oberseite bildet das Randelement 48 die beiden gegenüberliegenden oberen Nuten. An der Unterseite bildet das Randelement 48 die beiden unteren Nuten.
Das Randelement 48 ist an zumindest die Oberschicht und/oder Unterschicht 41, 42 gefügt, vorzugsweise angespritzt.
Die 13 und 14 zeigen, dass die Strömungsplatte 3 in die beiden unteren Nuteneingesetzt wird. In dieser Variante sind die beiden unteren Nuten sehr eng gefertigt und können die Strömungsplatte 3 ohne Dichtungsränder 33 dicht aufnehmen.
Die 15 und 16 zeigen analog zu den 8 und 9 das Zusammensetzen mehrerer Stapeleinheiten 2.
17 a und 17 b zeigen weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Aufnahmeelemente 46, 47 unter Verwendung des Rahmenelements 48. Das Rahmenelement 48 muss dabei nicht vollumfänglich ausgestaltet sein, sondern kann sich auch nur an einzelnen Randseiten 44, 45 befinden.
17 a zeigt die Ausgestaltung des oberen und des unteren Aufnahmeelements 46, 47, jeweils in Winkelform mit einer nach innen gerichteten Seitenfläche 491 und eine Auflagefläche 492. Die Seitenfläche 491 ist zur Auflagefläche 492, vorzugsweise um 90°, abgewinkelt, sodass die Winkelform entsteht.
An der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492 des oberen Aufnahmeelements 46 der unteren Stapeleinheit 2 liegt die oben angeordnete Stapeleinheit 2 an/auf. An der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492 des unteren Aufnahmeelements 47 der oberen Stapeleinheit 2 liegt die Strömungsplatte 3 derselben Stapeleinheit 2 an/auf.
Des Weiteren zeigt 17 a dass die Stapeleinheit 2 im Rahmenelement 48 vorzugsweise eine nach oben offene Verbindungsnut 482 und einen sich nach unten erstreckenden Fortsatz 481 aufweist. Im gestapelten Zustand steckt der Fortsatz 481 der einen Stapeleinheit 2 in der nach oben offenen Verbindungsnut 482 der anderen Stapeleinheit 2.
17 b zeigt die winkelförmigen Ausgestaltung des oberen Aufnahmeelements 46 mit der Seitenfläche 491 und der Auflagefläche 492. In dem Winkel, gebildet durch die Seitenfläche 491 und die Auflagefläche 492 liegt das Rahmenelement 48 der oben angeordneten Stapeleinheit 2.
Bei der oberen Stapeleinheit 2 in Figur sind 17 b ist das untere Aufnahmeelement 47 durch eine nach innen offene Nut im Rahmenelement 48 gebildet.
Die 17 a und 17 b zeigen teilweise die Ausgestaltung der Aufnahmeelemente 46, 47 in Winkelform anstatt als Nuten. Diese Ausgestaltung kann nicht nur in Verbindung mit den gezeigten Rahmenelementen 48, sondern auch durch Umformung der Oberschicht 41 oder Unterschicht 42 gemäß den 1 bis 10 erfolgen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Membranbefeuchter
2: Stapeleinheit
3: Strömungsplatte
31: Wellenprofil
32: Randbereiche
33: Dichtungsränder
34: Strömungskanäle
4: Diffusionseinheit
41: Oberschicht, insbesondere obere Diffusionsschicht
42: Unterschicht, insbesondere untere Diffusionsschicht
43: Membran
44: erste Randseiten
45: zweite Randseiten
46: oberes Aufnahmeelement
47: unteres Aufnahmeelement
48: Rahmenelement
481: Fortsatz
482: Verbindungsnut
491: Seitenfläche
492: Auflagefläche
5: Sicke
6: Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0001313 A1 [0003]

Claims

Membranbefeuchter (1), vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem, mit mehreren aufeinandergesetzten Stapeleinheiten (2), • wobei die einzelne Stapeleinheit (2) eine Strömungsplatte (3) und eine Diffusionseinheit (4) umfasst, • wobei ein Umfang der Diffusionseinheit (4) durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten (44) und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten (45) gebildet ist, und • wobei die einzelne Diffusionseinheit (4) umfasst: ■ eine Oberschicht (41), insbesondere obere Diffusionsschicht, auf einer Oberseite der Diffusionseinheit (4), ■ eine Unterschicht (42), insbesondere untere Diffusionsschicht, auf einer Unterseite der Diffusionseinheit (4), ■ eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (43) in der Oberschicht (41), in der Unterschicht (42) oder zwischen Oberschicht (41) und Unterschicht (42), ■ zwei gegenüberliegende obere Aufnahmeelemente (46), an den beiden ersten Randseiten (44), auf der Oberseite der Diffusionseinheit (4), und ■ zwei gegenüberliegende untere Aufnahmeelemente (47) an den beiden zweiten Randseiten (45), auf der Unterseite der Diffusionseinheit (4), • wobei die Strömungsplatte (3) der Stapeleinheit (2) in die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) eingesetzt ist, und • wobei in die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) die nächste Stapeleinheit (2) eingesetzt ist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente (46) eine obere Nut ist, vorzugsweise die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) zwei zueinander offene obere Nuten sind.
Membranbefeuchter nach Anspruch 2, wobei zumindest eine obere Nut, vorzugsweise beide oberen Nuten, durch umgefalzte Ränder zumindest der Unterschicht (42) gebildet sind.
Membranbefeuchter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die jeweilige obere Nut die die nächste oberhalb angeordnete Stapeleinheit (2) umgreift.
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente (47) eine untere Nut ist, vorzugsweise die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) zwei zueinander offene untere Nuten sind.
Membranbefeuchter nach Anspruch 5, wobei zumindest eine untere Nut, vorzugsweise beide unteren Nuten durch umgefalzte Ränder zumindest der Oberschicht (41) gebildet sind.
Membranbefeuchter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die jeweilige untere Nut die Strömungsplatte (3) derselben Stapeleinheit (2) umgreift.
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberschicht (41) und/oder die Unterschicht (42) eine Diffusionsschicht aus thermoplastischem Vlies umfasst.
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden oberen Aufnahmeelemente (46) winkelförmig ist, vorzugsweise durch eine Seitenfläche (491) und eine dazu abgewinkelte Auflagefläche (492), zur Aufnahme der nächsten, oberhalb angeordnete Stapeleinheit (2).
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden unteren Aufnahmeelemente (47) winkelförmigen ist, vorzugsweise durch eine Seitenfläche (491) und eine dazu abgewinkelte Auflagefläche (492), zur Aufnahme der Strömungsplatte (3) derselben Stapeleinheit (2).
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Aufnahmeelemente (46, 47) durch ein Rahmenelement (48) gebildet ist, das an die Oberschicht (41) oder die Unterschicht (42) gefügt, vorzugsweise angespritzt, ist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 11, wobei das angefügte Rahmenelement (48) sich vollumfänglich über alle vier Randseiten (44, 45) erstreckt und beide oberen Aufnahmeelemente (46) und beide unteren Aufnahmeelemente (47) der einen Stapeleinheit (2) bildet.
Membranbefeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) und/oder die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) über die gesamte Länge der ersten Randseite (44) bzw. zweiten Randseite (45) erstrecken.
Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle und zumindest einen Membranbefeuchter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Befeuchten einer Kathodenzuluft der Brennstoffzelle mit einer Kathodenabluft der Brennstoffzelle.
Verfahren zur Herstellung eines Membranbefeuchters (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte: • Zusammensetzen einer Diffusionseinheit (4) aus einer Oberschicht (41), einer Unterschicht (42) und einer in der Oberschicht (41), der Unterschicht (42) oder zwischen Oberschicht und Unterschicht (41, 42) angeordneten, feuchtigkeitsdurchlässigen Membran (43), wobei ein Umfang der Diffusionseinheit (4) durch zwei gegenüberliegende erste Randseiten (44) und zwei gegenüberliegende zweite Randseiten (45) gebildet ist, • Ausbilden von zwei gegenüberliegenden oberen Aufnahmeelementen (46) an den beiden ersten Randseiten (44), auf einer Oberseite der Diffusionseinheit (4), vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzten, • Ausbilden von zwei gegenüberliegenden unteren Aufnahmeelementen (47) an den beiden zweiten Randseiten (45), auf einer Unterseite der Diffusionseinheit (4), vor und/oder während und/oder nach dem Zusammensetzten, • Bilden einer Stapeleinheit (2) durch Einsetzen einer Strömungsplatte (3) in die beiden unteren Aufnahmeelemente (47) der Diffusionseinheit (4), und • Aufeinandersetzten mehrere Stapeleinheiten (2), wobei jeweils in die beiden oberen Aufnahmeelemente (46) der einen Stapeleinheit (2) die nächste Stapeleinheit (2) eingesetzt wird.