DE102023134567A1

DE102023134567A1 - Fuel cell humidifier, air supply device and fuel cell system

Info

Publication number: DE102023134567A1
Application number: DE102023134567.2A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-12-11
Filing date: 2023-12-11
Publication date: 2025-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenbefeuchter (10) für eine Luftversorgungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, eine Luftversorgungsvorrichtung und ein Brennstoffzellensystem.

The invention relates to a fuel cell humidifier (10) for an air supply device for a fuel cell system, an air supply device and a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenbefeuchter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Luftversorgungsvorrichtung und ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell humidifier according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an air supply device and a fuel cell system.

Ein Brennstoffzellenbefeuchter ist ein wesentlicher Bestandteil einer Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs, in der Regel Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie um. Dieser Prozess erfolgt an der Anode und der Kathode, die durch eine elektrolytische Membran voneinander getrennt sind. An der Anode findet die Oxidation des Brennstoffs statt, wobei Elektronen freigesetzt werden, die durch einen externen Stromkreis fließen und elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode erfolgt die Reduktion von Sauerstoff, der mit den Elektronen aus dem Stromkreis und Wasserstoffionen reagiert, um Wasser zu bilden.A fuel cell humidifier is an essential component of a fuel cell. A fuel cell converts the chemical energy of a fuel, usually hydrogen, and oxygen into electrical energy. This process occurs at the anode and cathode, which are separated by an electrolytic membrane. At the anode, oxidation of the fuel occurs, releasing electrons that flow through an external circuit and generate an electrical current. At the cathode, reduction of oxygen occurs, reacting with the electrons from the circuit and hydrogen ions to form water.

Der Brennstoffzellenbefeuchter spielt eine entscheidende Rolle in diesem Prozess. Seine Hauptfunktion ist es, die Membran feucht zu halten, da eine trockene Membran ihre Ionenleitfähigkeit verliert, was die Effizienz der Brennstoffzelle beeinträchtigt. Der Brennstoffzellenbefeuchter ermöglicht eine Befeuchtung der zu der Brennstoffzelle zugeführten Zuluft durch Entnahme von Feuchtigkeit aus der Abluft, die von der Brennstoffzelle abgeleitet wird.The fuel cell humidifier plays a crucial role in this process. Its main function is to keep the membrane moist, as a dry membrane loses its ionic conductivity, which impairs the efficiency of the fuel cell. The fuel cell humidifier enables humidification of the supply air to the fuel cell by extracting moisture from the exhaust air discharged from the fuel cell.

In US 2003/228507 A1 ist ein Brennstoffzellenbefeuchter beschrieben mit einer ersten und zweiten Führungsplatte sowie einer Zwischenschicht. Die erste Führungsplatte hat mehrere erste Nuten und verschiedene Öffnungen für den Eintritt von trockener Zuluft, die durch die Nuten strömt und anschließend in die Brennstoffzelle gelangt. Die zweite Führungsplatte, mit zweiten Nuten und weiteren Öffnungen, leitet die Abluft aus der Brennstoffzelle heraus. Die Nuten in beiden Führungsplatten stehen orthogonal zueinander. Die Zwischenschicht zwischen den beiden Führungsplatten besteht aus einer wasserpermeablen Schicht und zwei wasserabsorbierenden Schichten. Die wasserabsorbierenden Schichten sind hydrophil und absorbieren Wassergehalt aus den Luftströmen. Die wasserpermeable Schicht verhindert die Vermischung der Luft in den Nuten beider Führungsplatten, ermöglicht aber eine Feuchtigkeitsübertragung zu der Zuluft ausgehend von der Abluft. Die wasserabsorbierenden Schichten sind an die wasserpermeable Schicht geklebt, um die Zwischenschicht zu bilden. Die wasserpermeable Schicht hat spezielle Klebestellen, die eine Befestigung an den Führungsplatten ermöglichen, ohne die Luftströmung in den Nuten zu beeinträchtigen.In US 2003/228507 A1 A fuel cell humidifier is described with a first and second guide plate and an intermediate layer. The first guide plate has several first grooves and various openings for the entry of dry supply air, which flows through the grooves and then into the fuel cell. The second guide plate, with second grooves and further openings, directs the exhaust air out of the fuel cell. The grooves in both guide plates are orthogonal to each other. The intermediate layer between the two guide plates consists of a water-permeable layer and two water-absorbing layers. The water-absorbing layers are hydrophilic and absorb water content from the air streams. The water-permeable layer prevents the air from mixing in the grooves of both guide plates, but allows moisture to be transferred to the supply air from the exhaust air. The water-absorbing layers are glued to the water-permeable layer to form the intermediate layer. The water-permeable layer has special adhesive points that allow it to be attached to the guide plates without impairing the air flow in the grooves.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Klebeverbindung zu verbessern. Die Klebeverbindung soll stabiler umgesetzt werden. Die Luftdichtigkeit soll verbessert werden.The object of the present invention is to improve the adhesive bond. The adhesive bond should be made more stable. The airtightness should be improved.

Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch einen Brennstoffzellenbefeuchter mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Abdichtung innerhalb der Luftführungswege und zwischen den Luftführungswegen des Brennstoffzellenbefeuchters verbessert werden. Die Abdichtung des Brennstoffzellenbefeuchters kann weniger Einlegedichtungen benötigen. Der Brennstoffzellenbefeuchter kann effizienter betrieben werden und eine längere Haltbarkeit aufweisen. Der Brennstoffzellenbefeuchter kann robuster und kostengünstiger ausgeführt werden. Aufwendige Nuten in den Bauteilen können eingespart werden.At least one of these objects is achieved by a fuel cell humidifier having the features of claim 1. This improves the seal within and between the air ducts of the fuel cell humidifier. Sealing the fuel cell humidifier requires fewer insert seals. The fuel cell humidifier can be operated more efficiently and has a longer service life. The fuel cell humidifier can be designed more robustly and cost-effectively. Complex grooves in the components can be eliminated.

Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle kann eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Anode, Kathode und einer Membran aufweisen. Die Membran kann eine Protonenaustauschmembran (PEM sein. Die Membran kann eine Polymermembran sein.The fuel cell system includes a fuel cell. The fuel cell may have a membrane electrode assembly with an anode, cathode, and a membrane. The membrane may be a proton exchange membrane (PEM). The membrane may be a polymer membrane.

Die Zuluft in dem ersten Luftführungsweg kann gegenüber der Abluft in dem zweiten Luftführungsweg einen höheren Druck aufweisen. Die Zuluft kann verdichtet sein.The supply air in the first air duct may have a higher pressure than the exhaust air in the second air duct. The supply air may be compressed.

Die Abluft kann dem Brennstoffzellensystem teilweise oder vollständig entnommen sein.The exhaust air can be partially or completely taken from the fuel cell system.

Eine Abdichtung nach außen hin bedeutet eine luftdichte Abdichtung des jeweiligen Luftführungswegs gegenüber einer Umgebung des Brennstoffzellenbefeuchters.Sealing to the outside means an airtight seal of the respective air duct from the environment of the fuel cell humidifier.

Die Austauschmembran kann feuchtigkeitsdurchlässig, also wasserdampfdurchlässig und bezüglich Luft, bevorzugt bezüglich Sauerstoffmolekülen und Stickstoffmolekülen, undurchlässig sein. Die Austauschmembran kann eine Hohlfasermembran, die aus einem Bündel von sehr kleinen, röhrenförmigen Fasern besteht, sein. Die Austauschmembran kann eine Flachmembran, bevorzugt eine mikroporöse Membran mit kleinen Poren zur Übertragung von Wasserdampfmolekülen aufweisen. Die Austauschmembran kann aus Polypropylen oder PTFE (Polytetrafluorethylen) aufgebaut werden.The exchange membrane can be moisture-permeable, i.e., water vapor-permeable, and impermeable to air, preferably to oxygen and nitrogen molecules. The exchange membrane can be a hollow-fiber membrane consisting of a bundle of very small, tubular fibers. The exchange membrane can be a flat membrane, preferably a microporous membrane with small pores for the transfer of water vapor molecules. The exchange membrane can be constructed of polypropylene or PTFE (polytetrafluoroethylene).

Die Austauschmembran kann unmittelbar an dem ersten und/oder zweiten Luftführungselement anliegen. Das erste und/oder zweite Luftführungselement kann Stützelemente zum Abstützen der daran anliegenden Austauschmembran aufweisen. Die Stützelemente können die Luftkanäle seitlich begrenzen und bevorzugt Stützrippen umfassen.The exchange membrane can be directly adjacent to the first and/or second air guide element. The first and/or second air guide element can have support elements for supporting the exchange membrane adjacent thereto. The support elements can laterally delimit the air channels and preferably comprise support ribs.

Der erste Zwischenraum kann ausschließlich durch die Klebeschicht zwischen dem ersten Luftführungselement und der Austauschmembran nach außen hin abgedichtet sein. Der zweite Zwischenraum kann ausschließlich durch die Klebeschicht zwischen dem zweiten Luftführungselement und der Austauschmembran nach außen hin abgedichtet sein. Ein zusätzliches Einlegedichtelement zwischen dem ersten Luftführungselement und der Austauschmembran und/oder eine Nut in dem ersten Luftführungselement für ein Einlegedichtelement kann unterbleiben. Ein zusätzliches Einlegedichtelement zwischen dem zweiten Luftführungselement und der Austauschmembran und/oder eine Nut in dem zweiten Luftführungselement für ein Einlegedichtelement kann unterbleiben.The first intermediate space can be sealed to the outside exclusively by the adhesive layer between the first air guide element and the exchange membrane. The second intermediate space can be sealed to the outside exclusively by the adhesive layer between the second air guide element and the exchange membrane. An additional insert sealing element between the first air guide element and the exchange membrane and/or a groove in the first air guide element for an insert sealing element can be omitted. An additional insert sealing element between the second air guide element and the exchange membrane and/or a groove in the second air guide element for an insert sealing element can be omitted.

Das erste und zweite Luftführungselement können bezüglich einer Grundfläche wenigstens zu 90% übereinstimmend geformt sein. Das erste und zweite Luftführungselement können identisch sein, bevorzugt in der Austauschvorrichtung zueinander um 180° gedreht angeordnet sein.The first and second air guide elements can be shaped at least 90% identically with respect to a base area. The first and second air guide elements can be identical, preferably arranged in the exchange device rotated by 180° relative to each other.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das zweite Luftführungselement wenigstens eine Stützstruktur in einem Bereich aufweist, auf dem das erste Luftführungselement zumindest teilweise abgestützt ist und/oder das erste Luftführungselement wenigstens eine Stützstruktur in einem Bereich aufweist, auf dem das zweite Luftführungselement zumindest teilweise abgestützt ist. Dadurch können das erste und zweite Luftführungselement mit dazwischen liegender Austauschmembran durch Verpressen zuverlässig miteinander verklebt werden, indem die Klebefläche abgestützt sind. Die Dicke der Klebeschicht kann verringert werden und damit die Angriffsfläche des Klebstoffs gegenüber dem Luftdruck in dem entsprechenden Luftführungsweg.In a preferred embodiment of the invention, it is advantageous if the second air guide element has at least one support structure in a region on which the first air guide element is at least partially supported and/or the first air guide element has at least one support structure in a region on which the second air guide element is at least partially supported. As a result, the first and second air guide elements, with the exchange membrane located between them, can be reliably bonded to one another by pressing, in that the adhesive surface is supported. The thickness of the adhesive layer can be reduced, and thus the surface area exposed to the air pressure in the corresponding air guide path.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Austauschvorrichtung neben der Austauschbaugruppe wenigstens eine damit gestapelte derartige weitere Austauschbaugruppe aufweist. Die Austauschbaugruppen können miteinander über Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben oder Nieten, verspannt sein. Dadurch kann die Klebefläche druckbeaufschlagt verspannt sein. Ein Lösen der Klebeverbindung im Betrieb des Brennstoffzellenbefeuchters kann verhindert werden.In an advantageous embodiment of the invention, the replacement device comprises, in addition to the replacement assembly, at least one such further replacement assembly stacked therewith. The replacement assemblies can be clamped together using fastening elements, such as screws or rivets. This allows the adhesive surface to be clamped under pressure. Loosening of the adhesive bond during operation of the fuel cell humidifier can be prevented.

Bevorzugt ist der Elastizitätsmodul des Klebstoffs kleiner als der der Befestigungselemente, um Längenänderungen insbesondere aufgrund sich änderndem Luftdruck in den Luftführungswegen über die Befestigungselemente abzufangen.Preferably, the elastic modulus of the adhesive is smaller than that of the fastening elements in order to absorb changes in length, in particular due to changing air pressure in the air ducts via the fastening elements.

Die Austauschbaugruppe und die weitere Austauschbaugruppe können in Bezug auf eine Luftführung des ersten und/oder zweiten Luftführungswegs parallel geschaltet sein.The replacement assembly and the further replacement assembly can be connected in parallel with respect to an air guide of the first and/or second air guide path.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, bei der zwischen der Austauschbaugruppe und der weiteren Austauschbaugruppe eine zu dem zweiten Luftführungselement benachbarte feuchtigkeitsdurchlässige weitere Austauschmembran angeordnet ist. Die Austauschmembran und die weitere Austauschmembran können identisch ausgeführt sein.A preferred embodiment of the invention is advantageous in that a moisture-permeable additional exchange membrane is arranged adjacent to the second air guide element between the exchange assembly and the further exchange assembly. The exchange membrane and the further exchange membrane can be identical.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das erste Luftführungselement und die weitere Austauschmembran jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen aufweisen, die miteinander nach außen hin abdichtend verklebt sind. Die Klebeflächen mit der entsprechenden Klebeschicht können einen weiteren Zwischenraum zwischen der weiteren Austauschmembran und dem ersten Luftführungselement jeweils nach außen hin vollständig umspannen und abdichten.In a preferred embodiment of the invention, it is advantageous if the first air guide element and the further exchange membrane each have flat adhesive surfaces on a partial surface, which are bonded to one another in a sealing manner towards the outside. The adhesive surfaces with the corresponding adhesive layer can completely encompass and seal a further gap between the further exchange membrane and the first air guide element towards the outside.

Das erste Luftführungselement kann zwischen dem Austauschmembran und der weiteren Austauschmembran angeordnet sein.The first air guide element can be arranged between the exchange membrane and the further exchange membrane.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Austauschmembran und ein weiteres zweites Luftführungselement der weiteren Austauschbaugruppe miteinander verklebt sind. Mit dieser Klebeschnittstelle kann der Beginn des Stapelaufbaus mit der weiteren Austauschbaugruppe über der Austauschbaugruppe gebildet werden, wie in Bezug auf die Austauschbaugruppe erklärt.In an advantageous embodiment of the invention, the further replacement membrane and a further second air guide element of the further replacement assembly are adhesively bonded to one another. With this adhesive interface, the beginning of the stack structure with the further replacement assembly can be formed above the replacement assembly, as explained with reference to the replacement assembly.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das weitere zweite Luftführungselement und die weitere Austauschmembran jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen aufweisen, die miteinander nach außen abdichtend verklebt sind. Das weitere zweite Luftführungselement kann auf einer der weiteren Austauschmembran gegenüberliegenden Seite, wie zuvor in Bezug auf das zweite Luftführungselement in Richtung zu der Austauschmembran erklärt, ausgeführt und verklebt sein.In a preferred embodiment of the invention, it is advantageous if the additional second air guide element and the additional exchange membrane each have flat adhesive surfaces on a partial surface, which are bonded to one another in an outwardly sealing manner. The additional second air guide element can be formed and bonded on a side opposite the additional exchange membrane, as previously explained with respect to the second air guide element in the direction toward the exchange membrane.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das erste und/oder zweite Luftführungselement Luftverteilmittel aufweist, die die Luft des entsprechenden Luftführungswegs in mehrere Luftkanäle aufteilen. Die Luftkanäle können Einleitungskanäle, Gegenstromkanäle und/oder Ausleitungskanäle aufweisen. Die Gegenstromkanäle können das Verhältnis zwischen einer Kontaktfläche zu der Austauschmembran und einem Luftvolumen der Gegenstromkanäle erhöhen.In a preferred embodiment of the invention, it is advantageous if the first and/or second air guide element comprises air distribution means that divide the air of the corresponding air guide path into several air ducts. The air ducts may comprise inlet ducts, counterflow ducts and/or outlet ducts. The counterflow ducts may have the ratio between a Increase the contact area to the exchange membrane and the air volume of the countercurrent channels.

Die Einleitungskanäle können die Luft ausgehend von einer Eintrittsöffnung verzweigen. Die Ausleitungskanäle können die Luft in Richtung einer Austrittsöffnung zusammenführen.The inlet ducts can branch the air from an inlet opening. The outlet ducts can converge the air towards an outlet opening.

Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung zur Lösung wenigstens einer der zuvor angegebenen Aufgaben eine Luftversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 9 vorgeschlagen. Die Luftversorgungsvorrichtung kann weiterhin einen Luftkühler zur Kühlung der dem Brennstoffzellenbefeuchter zugeführten Luft in dem zweiten Luftführungsweg, einen Bypass zur Umleitung von Zuluft zu der Brennstoffzelle unter Umgehung des Brennstoffzellenbefeuchters und/oder ein die Luftführung zwischen dem Brennstoffzellenbefeuchter und dem Bypass steuerndes Bypassventil umfassen.Furthermore, within the scope of the invention, an air supply device with the features of claim 9 is proposed to achieve at least one of the aforementioned objects. The air supply device may further comprise an air cooler for cooling the air supplied to the fuel cell humidifier in the second air guide path, a bypass for diverting supply air to the fuel cell while bypassing the fuel cell humidifier, and/or a bypass valve controlling the air flow between the fuel cell humidifier and the bypass.

Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung zur Lösung wenigstens einer der zuvor angegebenen Aufgaben ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Anode, Kathode und eine Membran, insbesondere eine Protonenaustauschmembran (PEM), beispielsweise eine Polymermembran aufweisen.Furthermore, within the scope of the invention, a fuel cell system with the features of claim 10 is proposed to achieve at least one of the above-mentioned objects. The membrane electrode assembly may comprise an anode, cathode, and a membrane, in particular a proton exchange membrane (PEM), for example a polymer membrane.

Das Brennstoffzellensystem kann wenigstens einen Sensor, insbesondere zur Messung von Druck oder Temperatur, aufweisen.The fuel cell system may have at least one sensor, in particular for measuring pressure or temperature.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.Further advantages and advantageous embodiments of the invention emerge from the description of the figures and the illustrations.

FigurenbeschreibungCharacter description

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

1: Eine räumliche Ansicht eines Brennstoffzellenbefeuchters in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
2: Eine weitere räumliche Ansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1.
3: Eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1.
4: Eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1.
5: Eine räumliche Ansicht des zweiten Luftführungselements des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1.
6: Einen Ausschnitt einer räumlichen Ansicht des Luftführungselements aus 5.
7: Eine räumliche Ansicht des zweiten Luftführungselements mit Klebeschichten des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1.
8: Eine Explosionsansicht eines Brennstoffzellenbefeuchters in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
9: Eine räumliche Ansicht des ersten Luftführungselements des Brennstoffzellenbefeuchters aus 8.
10: Eine räumliche Ansicht des zweiten Luftführungselements des Brennstoffzellenbefeuchters aus 8.

The invention is described in detail below with reference to the figures. They show in detail:

1 : A spatial view of a fuel cell humidifier in a specific embodiment of the invention.
2 : Another spatial view of the fuel cell humidifier from 1 .
3 : An exploded view of the fuel cell humidifier from 1 .
4 : An exploded view of the fuel cell humidifier from 1 .
5 : A spatial view of the second air guide element of the fuel cell humidifier from 1 .
6 : A section of a spatial view of the air guide element from 5 .
7 : A spatial view of the second air guide element with adhesive layers of the fuel cell humidifier from 1 .
8 : An exploded view of a fuel cell humidifier in another specific embodiment of the invention.
9 : A spatial view of the first air guide element of the fuel cell humidifier from 8 .
10 : A spatial view of the second air guide element of the fuel cell humidifier from 8 .

1 zeigt eine räumliche Ansicht eines Brennstoffzellenbefeuchters in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Brennstoffzellenbefeuchter 10 für eine Luftversorgungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle umfasst einen Luft als Zuluft zu der Brennstoffzelle führenden ersten Luftführungsweg 12 zwischen einem ersten Lufteinlass 14 und einem ersten Luftauslass 16. 1 shows a spatial view of a fuel cell humidifier in a specific embodiment of the invention. The fuel cell humidifier 10 for an air supply device for a fuel cell system with a fuel cell comprises a first air guide path 12, which carries air as supply air to the fuel cell, between a first air inlet 14 and a first air outlet 16.

Der Brennstoffzellenbefeuchter 10 umfasst einen ersten Deckel 18 und einen beabstandeten zweiten Deckel 20. Der zweite Deckel 20 weist einen dem ersten Lufteinlass 14 zugeordneten ersten Stutzen 22 und einem dem ersten Luftauslass 16 zugeordneten zweiten Stutzen 24 auf. Zwischen dem ersten und zweiten Deckel 18, 20 ist eine Austauschvorrichtung 26 angeordnet.The fuel cell humidifier 10 comprises a first cover 18 and a spaced-apart second cover 20. The second cover 20 has a first nozzle 22 associated with the first air inlet 14 and a second nozzle 24 associated with the first air outlet 16. An exchange device 26 is arranged between the first and second covers 18, 20.

Der erste Deckel 18, die Austauschvorrichtung 26 und der zweite Deckel 20 sind durch Befestigungselemente 28, hier Schrauben, miteinander fest verbunden und verspannt.The first cover 18, the exchange device 26 and the second cover 20 are firmly connected and clamped together by fastening elements 28, here screws.

2 zeigt eine weitere räumliche Ansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1. Der Brennstoffzellenbefeuchter 10 ist gegenüber der Ansicht in 1 gedreht und umfasst einen gegenüber der Zuluft feuchtere Luft als Abluft führenden zweiten Luftführungsweg 30 zwischen einem zweiten Lufteinlass 32 und einem zweiten Luftauslass 34. Der zweite Lufteinlass 32 weist einen dritten Stutzen 36 neben dem zweiten Stutzen 24 an dem zweiten Deckel 20 auf. Der zweite Luftauslass 34 weist einen vierten Stutzen 38 auf. 2 shows another spatial view of the fuel cell humidifier from 1 . The fuel cell humidifier 10 is opposite to the view in 1 rotated and comprises a second air guide path 30 carrying air that is more humid than the supply air as exhaust air between a second air inlet 32 and a second air outlet 34. The second air inlet 32 has a third nozzle 36 next to the second nozzle 24 on the second cover 20. The second air outlet 34 has a fourth nozzle 38.

3 zeigt eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1. Zwischen der Austauschvorrichtung 26 und dem ersten Deckel 18 ist ein umlaufendes und nach außen hin abdichtendes erstes Dichtelement 40 als Einlegedichtung angeordnet. Das erste Dichtelement 40 ist hierfür in einer Nut 42 in dem ersten Deckel 18 eingelegt. 3 shows an exploded view of the fuel cell humidifier from 1 A circumferential, outwardly sealing first sealing element 40 is arranged as an insert seal between the exchange device 26 and the first cover 18. For this purpose, the first sealing element 40 is inserted into a groove 42 in the first cover 18.

Gegenüberliegend in Bezug auf die Austauschvorrichtung 26 ist zwischen der Austauschvorrichtung 26 und dem zweiten Deckel 20 ein umlaufendes und nach außen hin abdichtendes zweites Dichtelement 44 als Einlegedichtung angeordnet. Das zweite Dichtelement 44 ist hierfür in einer weiteren Nut 46 in dem zweiten Deckel 20 eingelegt.Opposite with respect to the exchange device 26, between the exchange device A circumferential, outwardly sealing second sealing element 44 is arranged as an insert seal between the device 26 and the second cover 20. For this purpose, the second sealing element 44 is inserted into a further groove 46 in the second cover 20.

4 zeigt eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1. Die zwischen dem ersten Deckel 18 und dem zweiten Deckel 20 angeordnete Austauschvorrichtung 26 ist hier in teilweiser Explosionsansicht, speziell der dem zweiten Deckel 20 zugewandte Teil der Austauschvorrichtung 26, dargestellt. Die Austauschvorrichtung 26 weist begrenzungsseitig eine Abschlussplatte 48 auf, die eine Anlagefläche für das zweite Dichtelement 44 bildet. 4 shows an exploded view of the fuel cell humidifier from 1 The replacement device 26 arranged between the first cover 18 and the second cover 20 is shown here in a partially exploded view, specifically the part of the replacement device 26 facing the second cover 20. The replacement device 26 has a closure plate 48 on the boundary side, which forms a contact surface for the second sealing element 44.

Die Austauschvorrichtung 26 zwischen dem ersten und zweiten Luftführungsweg 12, 30 umfasst zum unidirektionalen Austausch von Feuchtigkeit der Abluft zu der Zuluft wenigstens eine Austauschbaugruppe 50. Der erste Luftführungsweg 12 ist zwischen dem ersten Lufteinlass 14, beginnend mit dem ersten Stutzen 22 und dem ersten Luftauslass 16, abschließend mit dem zweiten Stutzen 24 und der zweite Luftführungsweg 30 ist zwischen dem zweiten Lufteinlass 32, beginnend mit dem dritten Stutzen 36 und dem zweiten Luftauslass 34, abschließend mit dem vierten Stutzen 38 aufgespannt.The exchange device 26 between the first and second air duct paths 12, 30 comprises at least one exchange assembly 50 for the unidirectional exchange of moisture from the exhaust air to the supply air. The first air duct path 12 is spanned between the first air inlet 14, starting with the first nozzle 22 and the first air outlet 16, terminating with the second nozzle 24, and the second air duct path 30 is spanned between the second air inlet 32, starting with the third nozzle 36 and the second air outlet 34, terminating with the fourth nozzle 38.

Die Austauschbaugruppe 50 umfasst eine feuchtigkeitsdurchlässige Austauschmembran 52 und ein zu der Austauschmembran 52 unter Bildung eines ersten Zwischenraums 54 einerseits benachbartes und die Luft des ersten Luftführungswegs 12 in dem ersten Zwischenraum 54 entlang der Austauschmembran 52 führendes erstes Luftführungselement 56 und ein zu der Austauschmembran 52 unter Bildung eines zweiten Zwischenraums 58 andererseits benachbartes und die Luft des zweiten Luftführungswegs 30 in dem zweiten Zwischenraum 58 entlang der Austauschmembran 52 führendes zweites Luftführungselement 60. Das zweite Luftführungselement 60 ist über eine Klebeschicht K0 mit der Abschlussplatte 48 umlaufend und nach außen hin abdichtend verklebt.The exchange assembly 50 comprises a moisture-permeable exchange membrane 52 and a first air guide element 56, which on the one hand is adjacent to the exchange membrane 52 to form a first intermediate space 54 and guides the air of the first air guide path 12 in the first intermediate space 54 along the exchange membrane 52, and a second air guide element 60, which on the other hand is adjacent to the exchange membrane 52 to form a second intermediate space 58 and guides the air of the second air guide path 30 in the second intermediate space 58 along the exchange membrane 52. The second air guide element 60 is glued to the end plate 48 via an adhesive layer K0 in a circumferential and outwardly sealing manner.

Die Austauschvorrichtung 26 umfasst weiterhin eine damit gestapelte benachbarte derartige weitere Austauschbaugruppe 62. Eine feuchtigkeitsdurchlässige weitere Austauschmembran 64 ist zwischen der Austauschbaugruppe 50 und der weiteren Austauschbaugruppe 62 und zu dem ersten Luftführungselement 56 benachbart angeordnet.The exchange device 26 further comprises an adjacent further exchange assembly 62 stacked therewith. A moisture-permeable further exchange membrane 64 is arranged between the exchange assembly 50 and the further exchange assembly 62 and adjacent to the first air guide element 56.

Bei der Austauschbaugruppe 50 weisen das erste Luftführungselement 56 und die Austauschmembran 52 jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen A1 auf, die miteinander mit einer Klebeschicht K1 verklebt sind, wobei die Klebeflächen A1 mit der Klebeschicht K1 den ersten Zwischenraum 54 jeweils nach außen hin vollständig umspannen und abdichten. Weiterhin weisen bei der Austauschbaugruppe 50 das zweite Luftführungselement 60 und die Austauschmembran 52 jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen A2 auf, die miteinander mit einer Klebeschicht K2 verklebt sind, wobei die Klebeflächen A2 mit der Klebeschicht K2 den zweiten Zwischenraum 58 jeweils nach außen hin vollständig umspannen und abdichten.In the replacement assembly 50, the first air guide element 56 and the replacement membrane 52 each have flat adhesive surfaces A1 on a partial surface, which are bonded to one another with an adhesive layer K1, wherein the adhesive surfaces A1 with the adhesive layer K1 each completely surround and seal the first intermediate space 54 to the outside. Furthermore, in the replacement assembly 50, the second air guide element 60 and the replacement membrane 52 each have flat adhesive surfaces A2 on a partial surface, which are bonded to one another with an adhesive layer K2, wherein the adhesive surfaces A2 with the adhesive layer K2 each completely surround and seal the second intermediate space 58 to the outside.

Das erste Luftführungselement 56 und die weitere Austauschmembran 64 weisen jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen A3 auf, die miteinander mit einer Klebeschicht K3 nach außen abdichtend verklebt sind. Bei der weiteren Austauschbaugruppe 62 weisen das hier nicht vereinzelt dargestellte weitere zweite Luftführungselement und die weitere Austauschmembran 64 jeweils auf einer Teilfläche plane Klebeflächen auf, die miteinander mit einer Klebeschicht K4 verklebt sind.The first air guide element 56 and the further replacement membrane 64 each have flat adhesive surfaces A3 on a partial surface, which are bonded to one another with an adhesive layer K3 to form a seal on the outside. In the further replacement assembly 62, the further second air guide element (not shown separately here) and the further replacement membrane 64 each have flat adhesive surfaces on a partial surface, which are bonded to one another with an adhesive layer K4.

5 zeigt eine räumliche Ansicht des zweiten Luftführungselements des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1. Das zweite Luftführungselement 60 weist eine Eintrittsöffnung 66 ausgehend von dem zweiten Lufteinlass und eine Austrittsöffnung 68 hin zu dem zweiten Luftauslass auf. Von der Eintrittsöffnung 66 ausgehend bis hin zu der Austrittsöffnung 68 erstrecken sich Luftverteilmittel 70, die die Luft des zweiten Luftführungswegs in mehrere Luftkanäle 72 aufteilen. Die Luftkanäle 72 sind durch Stützelemente 73, insbesondere Stützrippen, zum Abstützen der daran unmittelbar anliegenden Austauschmembran berandet. 5 shows a spatial view of the second air guide element of the fuel cell humidifier from 1 The second air guide element 60 has an inlet opening 66 extending from the second air inlet and an outlet opening 68 toward the second air outlet. Extending from the inlet opening 66 to the outlet opening 68 are air distribution means 70, which divide the air in the second air guide path into a plurality of air channels 72. The air channels 72 are bordered by support elements 73, in particular support ribs, for supporting the exchange membrane directly adjacent thereto.

An die Eintrittsöffnung 66 grenzen Einleitungskanäle 74 an, die sich wiederum in geradlinige Gegenstromkanäle 76 aufteilen. Die Gegenstromkanäle 76 münden über zusammenführende Ausleitungskanäle 78 in der Austrittsöffnung 68. Die Gegenstromkanäle 76 sind in der Form und Anzahl derart beschaffen, dass das Verhältnis zwischen einer Kontaktfläche zu der Austauschmembran und einem Luftvolumen der Gegenstromkanäle 76 erhöht wird. Dadurch kann eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem zweiten Luftführungsweg und der Austauschmembran umgesetzt werden.Adjacent to the inlet opening 66 are inlet channels 74, which in turn divide into linear countercurrent channels 76. The countercurrent channels 76 open into the outlet opening 68 via converging outlet channels 78. The countercurrent channels 76 are designed in such a way, in terms of shape and number, that the ratio between a contact area with the exchange membrane and an air volume of the countercurrent channels 76 is increased. This allows for the largest possible contact area to be achieved between the second air guide path and the exchange membrane.

Um die Eintrittsöffnung 66 herum ist auf einer Oberseite 80 und einer Unterseite 82 eine plane Klebefläche A ausgeführt. Die Einleitungskanäle 74 erstrecken sich dabei zwischen einem der oberen Klebefläche zugeordneten oberen Klebeflächenbereich 84 und einem der unteren Klebefläche zugeordneten unteren Klebeflächenbereich 86. Der obere und untere Klebeflächenbereich 84, 86 sind zueinander zumindest teilweise versetzt.A flat adhesive surface A is formed around the inlet opening 66 on an upper side 80 and a lower side 82. The inlet channels 74 extend between an upper adhesive surface region 84 associated with the upper adhesive surface and a lower adhesive surface region 86 associated with the lower adhesive surface. The upper and lower adhesive surface regions 84, 86 are at least partially offset from one another.

Auch um die Austrittsöffnung 68 herum ist auf einer Oberseite 80 und einer Unterseite 82 eine plane Klebefläche A ausgeführt. Die Ausleitungskanäle 78 erstrecken sich dabei zwischen einem der oberen Klebefläche zugeordneten oberen weiteren Klebeflächenbereich 88 und einem der unteren Klebefläche zugeordneten unteren weiteren Klebeflächenbereich 90. Der obere und untere weitere Klebeflächenbereich 88, 90 sind zueinander zumindest teilweise versetzt. Die Eintrittsöffnung 66 und die Austrittsöffnung 68 wie auch die Öffnungen 92 des ersten Luftführungswegs sind damit für sich mit einer umlaufenden Klebefläche A umschlossen und über die Klebeschicht abgedichtet.A flat adhesive surface A is also formed around the outlet opening 68 on an upper side 80 and a lower side 82. The outlet channels 78 extend between an upper additional adhesive surface region 88 associated with the upper adhesive surface and a lower additional adhesive surface region 90 associated with the lower adhesive surface. The upper and lower additional adhesive surface regions 88, 90 are at least partially offset from one another. The inlet opening 66 and the outlet opening 68, as well as the openings 92 of the first air duct, are thus individually enclosed by a circumferential adhesive surface A and sealed by the adhesive layer.

Der obere Klebeflächenbereich 84 und der obere weitere Klebeflächenbereich 88 bilden jeweils eine Stützstruktur 94 in einem Bereich, auf dem das darüber über Zwischenschaltung der Austauschmembran gestapelte erste Luftführungselement zumindest teilweise abgestützt ist. Die Dicke des oberen Klebeflächenbereichs 84 und des oberen weiteren Klebeflächenbereichs 88 ist bevorzugt 20% bis 40% der Gesamtdicke 95 des zweiten Luftführungselements 60.The upper adhesive surface region 84 and the upper additional adhesive surface region 88 each form a support structure 94 in a region on which the first air guide element stacked above it with the interposition of the exchange membrane is at least partially supported. The thickness of the upper adhesive surface region 84 and the upper additional adhesive surface region 88 is preferably 20% to 40% of the total thickness 95 of the second air guide element 60.

6 zeigt einen Ausschnitt einer räumlichen Ansicht des Luftführungselements aus 5. Um die Eintrittsöffnung 66 herum ist auf der Oberseite 80 und Unterseite 82 jeweils eine plane Klebefläche A ausgeführt. Die Einleitungskanäle 74 erstrecken sich dabei unterhalb des oberen Klebeflächenbereichs 84 als Stützstruktur 94. Die Einleitungskanäle 74 erstrecken sich oberhalb des unteren Klebeflächenbereichs 86. 6 shows a section of a spatial view of the air guide element from 5 . A flat adhesive surface A is formed around the inlet opening 66 on the top side 80 and bottom side 82. The inlet channels 74 extend below the upper adhesive surface area 84 as a support structure 94. The inlet channels 74 extend above the lower adhesive surface area 86.

7 zeigt eine räumliche Ansicht des zweiten Luftführungselements mit Klebeschichten des Brennstoffzellenbefeuchters aus 1. Das zweite Luftführungselement 60 weist oberhalb und unterhalb eine Klebeschicht K0, K2 auf, die die Eintrittsöffnung 66, die Austrittsöffnung 68 und die Öffnungen 92 des ersten Luftführungswegs einzeln umschließt. 7 shows a spatial view of the second air guide element with adhesive layers of the fuel cell humidifier from 1 . The second air guide element 60 has an adhesive layer K0, K2 above and below, which individually encloses the inlet opening 66, the outlet opening 68 and the openings 92 of the first air guide path.

8 zeigt eine Explosionsansicht eines Brennstoffzellenbefeuchters in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Brennstoffzellenbefeuchters gleicht dem Brennstoffzellenbefeuchter aus 4 mit nachfolgenden Unterschieden. Das erste Luftführungselement 56 entspricht dem zweiten Luftführungselement 60, allerdings in um 180° gedrehter Anordnung, wie in 9 gezeigt. Das in 10 abgebildete zweite Luftführungselement 60 gleicht dem ersten Luftführungselement 56 aus 9 bis auf die gedrehte Ausrichtung. 8 shows an exploded view of a fuel cell humidifier in another specific embodiment of the invention. The structure of the fuel cell humidifier is similar to that of the fuel cell humidifier. 4 with the following differences. The first air guide element 56 corresponds to the second air guide element 60, but in a 180° rotated arrangement, as in 9 shown. The 10 The second air guide element 60 shown compensates for the first air guide element 56 9 except for the rotated orientation.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: BrennstoffzellenbefeuchterFuel cell humidifier
1212: erster Luftführungswegfirst air duct
1414: erster Lufteinlassfirst air intake
1616: erster Luftauslassfirst air outlet
1818: erster Deckelfirst lid
2020: zweiter Deckelsecond lid
2222: erster Stutzenfirst nozzle
2424: zweiter Stutzensecond nozzle
2626: AustauschvorrichtungExchange device
2828: BefestigungselementFastening element
3030: zweiter Luftführungswegsecond air duct
3232: zweiter Lufteinlasssecond air intake
3434: zweiter Luftauslasssecond air outlet
3636: dritter Stutzenthird nozzle
3838: vierter Stutzenfourth nozzle
4040: erstes Dichtelementfirst sealing element
4242: NutGroove
4444: zweites Dichtelementsecond sealing element
4646: weitere Nutfurther groove
4848: AbschlussplatteEnd plate
5050: AustauschbaugruppeReplacement assembly
5252: AustauschmembranExchange membrane
5454: erster Zwischenraumfirst space
5656: erstes Luftführungselementfirst air guide element
5858: zweiter Zwischenraumsecond space
6060: zweites Luftführungselementsecond air guide element
6262: weitere Austauschbaugruppeadditional replacement assembly
6464: weitere Austauschmembranadditional replacement membrane
6666: EintrittsöffnungEntrance opening
6868: AustrittsöffnungExit opening
7070: LuftverteilmittelAir distribution media
7272: LuftkanäleAir ducts
7373: StützelementSupport element
7474: EinleitungskanäleDischarge channels
7676: GegenstromkanäleCountercurrent channels
7878: Ausleitungskanäledrainage channels
8080: OberseiteTop
8282: Unterseitebottom
8484: oberer Klebeflächenbereichupper adhesive surface area
8686: unterer Klebeflächenbereichlower adhesive surface area
8888: oberer weiterer Klebeflächenbereichupper additional adhesive surface area
9090: unterer weiterer Klebeflächenbereichlower additional adhesive surface area
9292: Öffnungopening
9494: StützstrukturSupport structure
9595: GesamtdickeTotal thickness
AA: KlebeflächeAdhesive surface
A1A1: KlebeflächeAdhesive surface
A2A2: KlebeflächeAdhesive surface
A3A3: KlebeflächeAdhesive surface
K0K0: Klebeschichtadhesive layer
K1K1: Klebeschichtadhesive layer
K2K2: Klebeschichtadhesive layer
K3K3: Klebeschichtadhesive layer
K4K4: Klebeschichtadhesive layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2003/228507 A1 [0004]

Claims

A fuel cell humidifier (10) for an air supply device for a fuel cell system with a fuel cell, comprising a first air guide path (12) conducting air as supply air to the fuel cell system, a second air guide path (30) conducting air that is more humid than the supply air as exhaust air, at least one exchange device (26) between the first and second air guide paths (12, 30) for transferring moisture from the exhaust air to the supply air, with at least one exchange assembly (50) comprising a moisture-permeable exchange membrane (52) and a first air guide element (56) adjacent to the exchange membrane (52) on the one hand, forming a first intermediate space (54) and guiding the air of the first air guide path (12) in the first intermediate space (54) along the exchange membrane (52), and a first air guide element (56) adjacent to the exchange membrane (52) on the other hand, forming a second intermediate space (58) and guiding the air of the second air guide path (30) in the second intermediate space (58). a second air guide element (60) leading along the exchange membrane (52), wherein the first air guide element (56) and the exchange membrane (52) and the second air guide element (60) and the exchange membrane (52) each have flat adhesive surfaces (A, A1, A2) on a partial surface, via which the exchange membrane (52) is glued to the first and second air guide elements (56, 60) each with an adhesive layer (K1, K2) comprising an adhesive, characterized in that the adhesive surfaces (A, A1, A2) with the corresponding adhesive layer (K1, K2) completely encompass and seal the first and second intermediate spaces (54, 58) towards the outside.

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 1 , characterized in that the second air guide element (60) has at least one support structure (94) in a region on which the first air guide element (56) is at least partially supported and/or the first air guide element (56) has at least one support structure in a region on which the second air guide element (60) is at least partially supported.

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the exchange device (26) has, in addition to the exchange assembly (50), at least one such further exchange assembly (62) stacked therewith.

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 3 , characterized in that a moisture-permeable further exchange membrane (64) adjacent to the second air guide element (60) is arranged between the exchange assembly (50) and the further exchange assembly (62).

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 4 , characterized in that the first air guide element (56) and the further exchange membrane (64) each have flat adhesive surfaces (A3) on a partial surface, which are bonded to one another in a sealing manner towards the outside.

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 4 or 5 , characterized in that the further replacement membrane (64) and a further second air guide element of the further replacement assembly (62) are glued together.

Fuel cell humidifier (10) according to Claim 6 , characterized in that the further second air guide element and the further exchange membrane (64) each have flat adhesive surfaces on a partial surface, which are glued to one another in an outwardly sealing manner.

Fuel cell humidifier (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or second air guide element (56, 60) has air distribution means (70) which divide the air of the corresponding air guide path (12, 30) into a plurality of air channels (72).

Air supply device for a fuel cell system, comprising a fuel cell humidifier (10) according to one of the preceding claims.

Fuel cell system comprising at least one fuel cell with a membrane electrode assembly and an air supply device according to Claim 9 for supplying air to the fuel cell.