DE102019211583A1 - Process for manufacturing a humidifier and humidifier - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (2), bei dem in einem generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul (12) gedruckt wird, auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls (12) eine Membran (11) gelegt wird und in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul (12) und der Membran (11) ein zweites Befeuchtermodul (14) weitergedruckt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter (2).The invention relates to a method for manufacturing a humidifier (2) in which a first humidifier module (12) is printed in a generative manufacturing step, a membrane (11) is placed on the surface of the first humidifier module (12) and in a further generative manufacturing step a second humidifier module (14) is further printed on the first humidifier module (12) and the membrane (11). The invention also relates to a humidifier (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters, bei dem in einem generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul gedruckt wird, auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls eine Membran gelegt wird und in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran ein zweites Befeuchtermodul weitergedruckt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter.The invention relates to a method for producing a humidifier, in which a first humidifier module is printed in a generative manufacturing step, a membrane is placed on the surface of the first humidifier module and in a further generative manufacturing step a second humidifier module is further printed on the first humidifier module and the membrane . The invention also relates to a humidifier.
Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen.Humidifiers are generally used in order to be able to effect a transfer of the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with different moisture contents. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is suitable for use in the fuel cell stacks the membrane electrode assembly is insufficient. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past a membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is coated with the humid exhaust air from the fuel cell stack. For conditioning the air to be supplied to the cathode spaces of the fuel cell stack, its temperature control is also required, for which purpose charge air coolers positioned after the compressor are usually used. The humidifier and the charge air cooler are large components that contribute to a great increase in the required installation space for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because there are high thermal losses.
Zu beachten ist weiterhin, dass aus dem bisherigen Stand der Technik bekannte Befeuchter aufwändig zu montieren sind, da diese modular aufgebaut werden und die einzelnen gefertigten Module gegeneinander abgedichtet und verspannt werden müssen, so dass der Materialaufwand für die Dichtungen und das Spannsystem hoch ist und Ungenauigkeiten bei der Montage zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Fluide in dem Befeuchter führen können.It should also be noted that humidifiers known from the previous state of the art are complex to assemble, since they have a modular structure and the individually manufactured modules must be sealed and braced against each other, so that the material expenditure for the seals and the clamping system is high and inaccuracies can lead to an uneven distribution of the fluids in the humidifier during assembly.
Die
Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Fertigung eines Befeuchters vereinfacht werden kann und einen verbesserten Befeuchter bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to specify a method with which the manufacture of a humidifier can be simplified and to provide an improved humidifier.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a humidifier with the features of claim 7. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt einen generativen Fertigungsschritt, um mittels eines 3D-Druckers ein erstes Befeuchtermodul zu drucken, wobei nach dessen Fertigstellung der 3D-Drucker pausieren kann, um die Membran auf dem gedruckten ersten Befeuchtermodul zu platzieren, um sodann erneut den 3D-Drucker zu nutzen, um das zweite Befeuchtermodul zu fertigen. Durch diese Art der Fertigung können sämtliche Dichtungen entfallen, die bei bisher bekannten Befeuchter benötigt werden. Außerdem sind das erste Befeuchtermodul und das zweite Befeuchtermodul bereits miteinander verbunden, so dass ebenfalls keine weitergehende Montage erforderlich ist, und das sonst benötigte Spannsystem entfallen kann.The method according to the invention uses a generative manufacturing step to print a first humidifier module by means of a 3D printer, after which the 3D printer can pause to place the membrane on the printed first humidifier module in order to then switch to the 3D printer again to manufacture the second humidifier module. This type of production means that all seals that are required in previously known humidifiers can be dispensed with. In addition, the first humidifier module and the second humidifier module are already connected to one another, so that no further assembly is required either, and the otherwise required clamping system can be omitted.
Vorteilhaft ist dabei, wenn auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls eine Aufnahme ausgebildet und in diese Aufnahme die Membran eingelegt wird, wobei die Aufnahme zum Ausgleich der Membrandicke genutzt ist. Alternativ ist es dabei auch möglich, die Membran auf die plane Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls zu platzieren und die Aufnahme in dem zweiten Befeuchtermodul auszubilden, wobei die erstgenannte Alternative bezüglich der präzisen Positionierung der Membran bevorzugt ist.It is advantageous if a receptacle is formed on the surface of the first humidifier module and the membrane is inserted into this receptacle, the receptacle being used to compensate for the membrane thickness. Alternatively, it is also possible to place the membrane on the flat surface of the first humidifier module and to form the receptacle in the second humidifier module, the first-mentioned alternative with regard to the precise positioning of the membrane is preferred.
Die Leistungsfähigkeit des Befeuchters kann in einfacher Weise skaliert werden, indem mehrere Membranen mit zugeordneten Befeuchtungsmodule genutzt werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit bietet, dass die Verfahrensschritte iterativ bis zur vorgegebenen Größe des Befeuchters mit der gewünschten Anzahl der Befeuchtermodule wiederholt werden. Auch hier ist darauf hinzuweisen, dass eine nachträgliche Montage nicht erforderlich ist und unverändert auf Dichtungen oder ein Spannsystem verzichtet werden kann.The performance of the humidifier can be easily scaled by using multiple membranes with associated humidification modules, the method according to the invention offering the possibility of the method steps being repeated iteratively up to the specified size of the humidifier with the desired number of humidifier modules. Here, too, it should be pointed out that subsequent assembly is not required and that there is no need for seals or a clamping system.
Zweckmäßigerweise wird das erste Befeuchtermodul und/oder das zweite Befeuchtermodul als Flussfeldrahmen mit einem zugewiesenen Flussfeld gestaltet, in dem Strömungskanäle durch Stege voneinander getrennt sind. Die Stege werden dabei zum Abstützen der Membran genutzt und für die Führung der strömenden Fluide eingesetzt, wobei aufgrund der Art des eingesetzten Fertigungsverfahren problemlos auch unterschiedlichste Formen und Verläufe der Stege und damit der Strömungskanäle oder der Zuleitungen und Ableitungen realisiert werden können. Es sind also Aussackungen möglich, in denen sich eine Flüssigkeit ansammeln kann, oder beispielsweise Verengungen zur Modifikation der Strömungsgeschwindigkeit.The first humidifier module and / or the second humidifier module is expediently designed as a flow field frame with an assigned flow field in which flow channels are separated from one another by webs. The webs are used to support the membrane and are used to guide the flowing fluids, whereby, due to the nature of the manufacturing process used, a wide variety of shapes and courses of the webs and thus the flow channels or the supply lines and drains can be realized without any problems. So there are bulges in which a liquid can collect, or for example constrictions to modify the flow rate.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass in einem generativen Fertigungsschritt die Schlauchanschlüsse an mindestens einer Endplatten oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden, also der Befeuchter insgesamt als eine Einheit in dem generativen Fertigungsprozess auf einem 3D-Drucker geschaffen wird, wobei zweckmäßigerweise aufgrund des gewünschten Einsatzgebietes ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet wird. Nur beispielhaft für einen derartigen temperaturbeständigen Kunststoff wird PEEK genannt.It is also advantageous that in an additive manufacturing step the hose connections are formed on at least one end plate or at the edge on at least one side plate, i.e. the humidifier is created as a whole as a unit in the additive manufacturing process on a 3D printer, with a temperature-resistant plastic is used. PEEK is only mentioned as an example of such a temperature-resistant plastic.
Der so geschaffene Befeuchter mit einer Mehrzahl jeweils zwischen zwei Befeuchtermodulen angeordneten Membranen ist frei von Dichtungen und frei von einem Spannsystem, wobei auch die Bauform in weiten Grenzen frei gewählt werden kann, also eine bessere Anpassung an die Einbaubedingungen gegeben ist, wenn dieser Befeuchter beispielsweise als Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.The humidifier created in this way with a plurality of membranes arranged between two humidifier modules is free of seals and free of a clamping system, whereby the design can also be freely selected within wide limits, i.e. better adaptation to the installation conditions is given if this humidifier is, for example, as Part of a fuel cell device is used in a motor vehicle.
Vorgesehen ist dabei, dass die Membran eine Perforierung aufweist, was für eine einfache Platzierung der Membran auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls ausgenutzt werden kann wenn für das Zusammenwirken mit der Perforierung der Membran die in dem generativen Fertigungsschritt gefertigten ersten Befeuchtermodule ihren Aufnahmen für die Membran zugeordnete Stifte aufweisen und/oder die zweiten Befeuchtermodule in dem generativen Fertigungsschritt durch die Perforierung gedruckte Zapfen aufweisen. Dies sichert zusätzlich die Position der Membran.Provision is made here for the membrane to have a perforation, which can be used for simple placement of the membrane on the surface of the first humidifier module if the first humidifier modules manufactured in the generative manufacturing step are assigned their receptacles for the membrane for interaction with the perforation of the membrane Have pins and / or the second humidifier modules in the generative manufacturing step have pegs printed through the perforation. This also secures the position of the membrane.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Befeuchtermodule als Flussfeldrahmen mit zugewiesenen Flussfeldern gestaltet sind, in denen Strömungskanäle durch Stege getrennt sind und die Kontur und/oder der Verlauf der Strömungskanäle, der diese trennenden Stege und/oder die Strömungskanäle speisende Zuleitungen aufgrund ihrer Lage und Funktion bestimmt ist, indem eine Verengung der Kontur zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Biegung der Strömgeschwindigkeit zur Beeinflussung der Abscheidung und/oder Speicherung von Wasser genutzt ist.It should also be noted that the humidifier modules are designed as flow field frames with assigned flow fields, in which flow channels are separated by webs and the contour and / or the course of the flow channels, the feed lines that separate these webs and / or feed the flow channels due to their location and function is determined in that a narrowing of the contour is used to influence the flow velocity and a bend in the flow velocity is used to influence the separation and / or storage of water.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. There are thus also embodiments to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem darin genutzten Befeuchter, -
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen aus mehreren Membranen mit zugeordneten Befeuchtermodulen gebildeten Befeuchter, -
3 ein schematische Schnittdarstellung eines generativ gefertigten Befeuchtermodul mit oberhalb der Aufnahme positionierter Membran, -
3A das erste Befeuchtermodul mit zugeordneter Membran nach dem Verfahrensschritte des Platzierens der Membran in der Aufnahme in einer der3 entsprechende Darstellung, -
4 eine der2 entsprechende Darstellung mit perforierten Membranen, -
5 eine der3 entsprechende Darstellung mit der Positionierung der perforierten Membran auf Stifte in der Aufnahme des ersten Befeuchtermoduls, -
5A eine der3 entsprechende Darstellung der Ausführungsform gemäß5 , -
6 eine Draufsicht auf die Endplatte eines Befeuchters, die die Schlauchanschlüsse für den Einlass des trockenen Frischgases und den Einlass des feuchten Abgases und den Auslass für das feuchte Abgas und den Auslass für das befeuchtete Frischgas trägt, -
7 eine der6 entsprechende Darstellung mit seitlichen Schlauchanschlüssen, -
8 eine transparente Darstellung des ersten Befeuchtermoduls, der Membran und des zweiten Befeuchtermoduls zur Veranschaulichung der Lage und Kontur der Membran, des Verlaufes der Strömungskanäle für das Frischgas und das Abgas und der Header für die Zu- und Ableitung des Frischgases und des Abgases, -
9 eine2 entsprechende Darstellung zur Erläuterung der Lage der Strömungskanäle, und -
10 eine isolierte Darstellung eines Befeuchtermoduls mit gedruckten Tunnel für die Strömungsverbindung der Strömungskanäle mit den Headern.
-
1 a schematic representation of a fuel cell device with a humidifier used therein, -
2 a schematic sectional view through a humidifier formed from several membranes with assigned humidifier modules, -
3 a schematic sectional view of a generatively manufactured humidifier module with a membrane positioned above the receptacle, -
3A the first humidifier module with an associated membrane after the method steps of placing the membrane in the receptacle in one of the3 corresponding representation, -
4th one of the2 corresponding representation with perforated membranes, -
5 one of the3 corresponding representation with the positioning of the perforated membrane on pins in the receptacle of the first humidifier module, -
5A one of the3 corresponding representation of the embodiment according to5 , -
6 a plan view of the end plate of a humidifier, which carries the hose connections for the inlet of the dry fresh gas and the inlet of the moist exhaust gas and the outlet for the moist exhaust gas and the outlet for the humidified fresh gas, -
7th one of the6 corresponding illustration with lateral hose connections, -
8th a transparent representation of the first humidifier module, the membrane and the second humidifier module to illustrate the position and contour of the membrane, the course of the flow channels for the fresh gas and the exhaust gas and the headers for the supply and discharge of the fresh gas and the exhaust gas, -
9 a2 corresponding illustration to explain the position of the flow channels, and -
10 an isolated representation of a humidifier module with printed tunnels for the flow connection of the flow channels with the headers.
In der
Jede der Brennstoffzellen
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron release). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).
Da in dem Brennstoffzellenstapel
Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel
Um den Massenstrom des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel
Der in der Brennstoffzellenvorrichtung
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1.1.
- BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
- 2.2.
- BefeuchterHumidifier
- 3.3.
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 4.4th
- BrennstoffzelleFuel cell
- 5.5.
- Verdichtercompressor
- 6.6th
- Brennstofffuel
- 7.7th
- AbscheiderSeparator
- 8.8th.
- KathodenabgasleitungCathode exhaust line
- 9.9.
- KathodenzufuhrleitungCathode feed line
- 10.10.
- Bypassbypass
- 11.11.
- Membranmembrane
- 12.12.
- erstes Befeuchtermodulfirst humidifier module
- 13.13.
- Aufnahmeadmission
- 14.14th
- zweites Befeuchtemodulsecond humidification module
- 15.15th
- SchlauchanschlüsseHose connections
- 16.16.
- Schlauchanschluss Einlass FrischgasHose connection fresh gas inlet
- 17.17th
- Schlauchanschluss Einlass AbgasHose connection exhaust gas inlet
- 18.18th
- Schlauchanschluss Auslass AbgasHose connection exhaust gas outlet
- 19.19th
- Schlauchanschluss Auslass FrischgasHose connection fresh gas outlet
- 20.20th
- HeaderHeader
- 21.21st
- PerforierungPerforation
- 22.22nd
- Stiftepencils
- 23.23.
- FlussfeldrahmenFlow field frame
- 24.24.
- StegeBridges
- 25.25th
- StrömungskanalFlow channel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016224478 A1 [0004]DE 102016224478 A1 [0004]
- US 2016/0093898 A1 [0005]US 2016/0093898 A1 [0005]
- DE 102014009329 A1 [0006]DE 102014009329 A1 [0006]
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