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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Befeuchtermodul zum Befeuchten
eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens,
mit einem Gehäuse, welches zwei Gehäuseteile aufweist, wobei
zwischen den Gehäuseteilen eine Befeuchtungseinheit mit
wenigstens einer Membran angeordnet ist.
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Derartige
Befeuchtermodule sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Das Kernstück eines derartigen Befeuchtermoduls ist eine
Befeuchtungseinheit, in welcher wenigstens eine, und in der Regel
eine Mehrzahl von Membranen, angeordnet ist. Die Befeuchtungseinheit
ist dabei üblicherweise zwischen zwei Gehäuseteilen
angeordnet. Vorliegend richtet sich das Interesse auf die Bauweise
beziehungsweise Ausgestaltung des Befeuchtermoduls, insbesondere
des aus zwei Gehäuseteilen und der dazwischen angeordneten
Befeuchtungseinheit ausgebildeten Gehäuses, im Hinblick
auf ein Anordnen des Befeuchtermoduls in einem im Kraftwagen zur
Verfügung stehenden Bauraum sowie hinsichtlich der Erfüllung
der Systemanforderungen.
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Die
Druckschrift
DE 102
32 757 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Befeuchtung eines
zu einem Brennstoffzellensystem strömenden Gasstroms, wobei
dieser Gasstrom durch eine Befeuchtereinrichtung strömt,
durch welche außerdem ein feuchter Abgasstrom aus dem Brennstoffzellensystem
strömt. Diese bekannte Vorrichtung sieht ferner einen Umgehungskanal (Bypassleitung)
vor, durch welchen zumindest einer der Gasströme teilweise
um eine Membran geführt werden kann.
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Die
Druckschrift
DE 102
45 202 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einem
Befeuchtermodul zum Befeuchten eines zu dem Brennstoffzellenstapel
strömenden Fluids. Um einen kompakten Aufbau zu erzielen,
ist das Befeuchtermodul in eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels
integriert.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Befeuchtermodul ist in 1 dargestellt.
Das bekannte Befeuchtermodul 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches
aus zwei Gehäuseteilen 2a, 2b besteht.
Zwischen den Gehäuseteilen 2a, 2b ist
eine Befeuchtungseinheit 3 angeordnet, welche wenigstens
eine Membran aufweist, die bekanntlich lediglich für Wasserdampf
durchlässig ist. Bei dem bekannten Befeuchtermodul 1 ist
die Befeuchtungseinheit 3 durch zwei nebeneinander angeordnete
Kartuschen 3a, 3b gebildet, welche jeweils wenigstens
eine Membran aufweisen.
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In 1 ist
darüber hinaus ein für das Befeuchtermodul 1 in
dem Kraftwagen zur Verfügung stehender Bauraum 4 dargestellt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Volumen der beiden
Kartuschen 3a, 3b ein Maß für
einen Befeuchtungsgrad des Fluids darstellt und nachfolgend als
effektives Kartuschenvolumen bezeichnet wird. Wie in 1 gezeigt
ist, entstehen durch den Einsatz von einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisenden Kartuschen 3a, 3b Zwischenräume
in dem zur Verfügung stehenden Bauraum 4. Aufgrund
der durch die Ausgestaltung der Befeuchtungseinheit 3 entstehenden
Zwischenräume wird der zur Verfügung stehende
Bauraum 4 nicht in optimaler Weise für die eigentliche Funktion
des Befeuchtermoduls 1, also für die Befeuchtung
des Fluids, ausgenutzt, so dass sich ein geringes effektives Kartuschenvolumen
ergibt. Bei dem in 1 dargestellten Befeuchtermodul 1 beträgt
das effektive Kartuschenvolumen 4,5 l.
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Das
bekannte Befeuchtermodul 1 umfasst ferner einen Umgehungskanal 5 zum
Umgehen der in der Befeuchtungseinheit 3 angeordneten Membran.
Durch den Umgehungskanal 5 wird erreicht, dass der Feuchtigkeitsgrad
des zu befeuchtenden Fluids sowie der Taupunkt desselben beliebig
eingestellt werden können. Wie in 1 dargestellt
ist, ist der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Umgehungskanal 5 um
das Gehäuse 2 des Befeuchtermoduls 1 geführt.
Auch hier besteht ein Nachteil in einer suboptimalen Ausnutzung
des zur Verfügung stehenden Bauraums 4, so dass
kein großes effektives Kartuschenvolumen erzielt werden
kann.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Befeuchtermodul
zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen,
bei welchem ein möglichst großes Volumen eines
zur Verfügung stehenden Bauraums für die Funktion
der Befeuchtung des Fluids genutzt wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Befeuchtermodul
mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes Befeuchtermodul ist zum Befeuchten
eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens ausgebildet.
Das Befeuchtermodul umfasst ein Gehäuse, welches zwei Gehäuseteile
aufweist, wobei zwischen den Gehäuseteilen eine Befeuchtungseinheit
mit wenigstens einer Membran angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die
Befeuchtungseinheit durch eine einzige Kartusche gebildet.
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Mit
anderen Worten besteht ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung
darin, das Befeuchtermodul, und insbesondere die zwischen den Gehäuseteilen
angeordnete Befeuchtungseinheit, im Hinblick auf das Erzielen eines
maximalen für die Befeuchtung des Fluids genutzten Volumens
derart auszugestalten, dass nur eine einzige Kartusche mit wenigstens
einer darin angeordneten Membran zwischen den Gehäuseteilen
vorgesehen ist. In vorteilhafter Weise wird hierdurch ein in dem
Kraftwagen zur Verfügung stehender Bauraum für
die eigentliche Funktion des Befeuchtermoduls, also für
die Befeuchtung des Fluids, besser ausgenutzt als beispielsweise
beim Einsatz von zwei oder mehreren Kartuschen.
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Vorzugsweise
weist die einzige Kartusche einen von einem Kreis abweichenden,
bevorzugt einen eckigen, noch bevorzugter einen rechteckigen Querschnitt
auf. Ferner kann vorgesehen sein, dass die einzige Kartusche einen
an einen Querschnitt der zwei Gehäuseteile angepassten
Querschnitt aufweist. Hierdurch kann der im Kraftwagen zur Verfügung
stehende Bauraum besser ausgenutzt werden. Insbesondere durch Verwendung
eines an die Querschnitte der zwei Gehäuseteile angepassten
Querschnitts der einzigen Kartusche wird erreicht, dass keine Zwischenräume
beziehungsweise keine unausgenutzten Räume entstehen. Unter
dem Begriff ”Querschnitt” wird hier insbesondere
ein äußerer Querschnitt beziehungsweise eine Außenkontur
eines Querschnittsprofils verstanden.
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In
einer Ausführungsform ist ein Umgehungskanal zum Umgehen
der wenigstens einen Membran in das Befeuchtermodul integriert.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Umgehungskanal
einen von einem Kreis abweichenden, bevorzugt einen eckigen, noch
bevorzugter einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Durch die Integration
des Umgehungskanals in das Befeuchtermodul kann das effektive Kartuschenvolumen
weiter vergrößert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass
der Umgehungskanal in Form eines flachen und angrenzend zu einer
Innenwand des Gehäuses des Befeuchtermoduls angeordneten
Kanals ausgebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der
als flacher Kanal ausgebildete Umgehungskanal um das Gehäuse
des Befeuchtermoduls und angrenzend dazu geführt ist.
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Bevorzugt
ist ein Kontrollelement zum Verändern eines durchströmbaren
Querschnitts des Umgehungskanals in dem Umgehungskanal angeordnet.
Dabei ist das Kontrollelement vorzugsweise in Form einer Drosselklappe
ausgebildet. Durch Einsatz des Kontrollelements wird eine Einstellbarkeit des
durch den Umgehungskanal strömenden Fluids erzielt, so
dass der Feuchtigkeitsgrad des zu befeuchtenden Fluids beliebig
variiert werden kann. Durch Einsatz einer Drosselklappe, deren Geometrie insbesondere
an eine Innengeometrie beziehungsweise eine Innenkontur beziehungsweise
einen inneren Querschnitt des Umgehungskanals angepasst ist, wird
ferner die Einstellbarkeit auf technisch einfache Weise ermöglicht.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass das Kontrollelement mittels
eines Stellglieds antreibbar ist, welches an und/oder in dem Befeuchtermodul
angeordnet ist. Das Stellglied kann ein elektrisches, ein pneumatisches
oder ein hydraulisches Stellglied sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der beigefügten Figuren.
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Dabei
zeigen:
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1 in
perspektivischer Darstellung ein Befeuchtermodul gemäß dem
Stand der Technik; und
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2 in
perspektivischer Darstellung ein Befeuchtermodul nach einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das
nachstehend näher geschilderte Ausführungsbeispiel
stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar.
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In
den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Ein
in 2 dargestelltes Befeuchtermodul 1 ist
zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines
Kraftwagens ausgebildet. Das Befeuchtermodul 1 umfasst
ein Gehäuse 2, welches zumindest zwei Gehäuseteile 2a, 2b aufweist. Das
Befeuchtermodul 1 umfasst ferner eine zwischen den Gehäuseteilen 2a, 2b angeordnete
Befeuchtungseinheit 3, in welcher eine Mehrzahl von Membranen
angeordnet ist. Vorliegend ist die Befeuchtungseinheit 3 durch
eine einzige Kartusche gebildet.
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Das
Befeuchtermodul 1 dient vorliegend zum Befeuchten von Luft,
welche beispielsweise von einem Gebläse für das
Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Hierzu umfasst das Befeuchtermodul 1 einen
Luftanschluss 6, über welchen die frische Luft von
dem Gebläse dem Befeuchtermodul 1 zugeführt wird.
Ferner umfasst das Befeuchtermodul 1 einen Abgasanschluss 7, über
welchen dem Befeuchtermodul 1 ein Produktwasser aufweisendes
Abgas von dem Brennstoffzellensystem geliefert wird. Somit wird
das in dem Abgas befindliche Produktwasser, speziell Wasserdampf,
zur Befeuchtung der für die elektrochemische Reaktion notwendigen
Luft genutzt. Nun strömt das über den Abgasanschluss 7 zugeführte
Abgas über das Befeuchtermodul 1 und gibt seine
Feuchte über die Membranen an die über den Luftanschluss 6 zugeführte
trockene Luft ab. Die so befeuchtete Luft kann nun dem Brennstoffzellensystem
als Oxidationsmittel über einen Brennstoffzellenanschluss 8 des
Befeuchtermoduls 1 geliefert werden. Das in das Befeuchtermodul 1 über
den Abgasanschluss 7 eingespeiste Abgas wird schließlich über einen
Auslassanschluss 9 aus dem Befeuchtermodul 1 entfernt.
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Das
Befeuchtermodul 1 weist ferner einen Umgehungskanal (nicht
dargestellt) auf, mittels welchem die in der Befeuchtungseinheit 3 angeordneten Membranen
umgehbar sind. Hierdurch wird die Möglichkeit bereitgestellt,
die von dem Gebläse stammende Luft hin zu dem Brennstoffzellenanschluss 8 zu
leiten, ohne dass diese befeuchtet wird. Um einen Feuchtigkeitsgrad
der für das Brennstoffzellensystem bereitgestellten Luft
sowie einen Taupunkt derselben einzustellen, umfasst das Befeuchtermodul 1 ferner
ein Kontrollelement zum Verändern eines durchströmbaren
Querschnitts des Umgehungskanals. Das Kontrollelement ist als Drosselklappe
ausgebildet und in den Umgehungskanal integriert. Die Drosselklappe
kann mittels eines an dem Gehäuse 2 des Befeuchtermoduls 1 angeordneten
Stellglieds 10 angetrieben werden. Dabei treibt das Stellglied 10 die Drosselklappe über
ein Antriebselement 11 an, welches mit einem stiftartigen
Teil 12 der Drosselklappe verbunden ist.
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Wie
in 2 dargestellt ist, weist die einzige Kartusche 3 einen
im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, welcher an Querschnitte
der beiden Gehäuseteile 2a, 2b angepasst
ist. Hierdurch ergibt sich eine optimale Ausnutzung eines in dem
Kraftwagen für das Befeuchtermodul 1 zur Verfügung
stehenden Bauraums 4. Lediglich durch Einsatz einer einzigen
Kartusche 3 kann nämlich das effektive Kartuschenvolumen,
also ein Volumen, welches für die eigentliche Funktion
des Befeuchtermoduls 1, also für die Befeuchtung
der Luft, genutzt wird, maximiert werden.
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Ferner
weist der Umgehungskanal im vorliegenden Beispiel einen im Wesentlichen
rechteckigen Querschnitt auf und ist in dem Befeuchtermodul 1 angrenzend
zu einer Innenwand des Gehäuses 2 angeordnet.
Durch das Anordnen des Umgehungskanals innerhalb des Gehäuses 2 kann
das effektive Kartuschenvolumen weiter erhöht werden.
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An
dieser Stelle sei erwähnt, dass im Rahmen des vorliegenden
Ausführungsbeispiels der Luftanschluss 6, der
Brennstoffzellenanschluss 8, der Abgasanschluss 7 sowie
der Auslassanschluss 9 jeweils ein kreisförmiges
Querschnittsprofil aufweisen. Dabei betragen die Durchmesser des
Luftanschlusses 6 sowie des Brennstoffzellenanschlusses 8 jeweils
40 mm und die Durchmesser des Abgasanschlusses 7 sowie
des Auslassanschlusses 9 jeweils 50 mm. Wird eine Länge
der einzigen Kartusche 3 von 300 mm, eine Breite von 260
mm und eine Höhe von 115 mm angenommen, so ergibt sich
ein effektives Volumen der einzigen Kartusche von 9 l. Wird alternativ
eine Länge von 300 mm, eine Breite von 250 mm und eine
Höhe von 115 mm angenommen, so ergibt sich ein effektives
Volumen der einzigen Kartusche 3 von 8,6 l. Neben der verbesserten
Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums 4 ergibt
sich durch den Einsatz einer einzigen Kartusche 3 ein verbesserter
Taupunkt der zu befeuchtenden Luft. Im vorliegend Ausführungsbeispiel
wird ein Taupunkt ca. 75°C angestrebt. Durch die Integration
des Umgehungskanals in das Gehäuse 2 können
weitere Vorteile erreicht werden. So kann beispielsweise die Festigkeit
des Gehäuses 2 durch die wegen der Integration
bedingten Sandwichstruktur verbessert werden.
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- 1
- Befeuchtermodul
- 2
- Gehäuse
- 2a,
2b
- Gehäuseteile
- 3
- Befeuchtungseinheit/Kartusche
- 4
- Bauraum
- 5
- Umgehungskanal
- 6
- Luftanschluss
- 7
- Abgasanschluss
- 8
- Brennstoffzellenanschluss
- 9
- Auslassanschluss
- 10
- Stellglied
- 11
- Antriebselement
- 12
- stiftartiger
Teil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10232757
A1 [0003]
- - DE 10245202 A1 [0004]