DE102022208114A1

DE102022208114A1 - Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102022208114A1
Application number: DE102022208114.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Katz; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024027985A1

Abstract

Befeuchtungsvorrichtung (59) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) zur Übertragung von Wasser von dem aus einem Brennstoffzellenstapel (40) ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel (40) eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel, umfassend ein Gehäuse (60), welches einen Innenraum begrenzt, mit einer primären Einlassöffnung (64) zur Einleitung des primären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer primären Auslassöffnung (65) zur Ausleitung des primären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Einlassöffnung (66) zur Einleitung des sekundären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Auslassöffnung (67) zur Ausleitung des sekundären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), gestapelt angeordnete Rohre (75) mit Membranwandungen (77) zur Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel durch die Membranwandungen (77), wenigstens ein Fixierungsmittel (68) zum Fixieren der Rohre (75) in dem Innenraum, wenigstens ein Dichtungsmittel (69), welches den Innenraum in wenigstens einen Rohrinnenteilraum (82) zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Rohre (75) und in einen Umspülungsinnenteilraum (83) zum Umspülen der Außenflächen (77) der Rohre (75) mit Oxidationsmittel unterteilt, wobei das wenigstens eine Fixierungsmittel (68) und/oder das wenigstens eine Dichtungsmittel (69) mehrteilig aus Stapelungselementen (70, 90) ausgebildet sind und die Stapelungselemente (70, 90) gestapelt in dem Innenraum angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 und eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. Während der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stack als der Brennstoffzellenstapel gestapelt.
In den Brennstoffzelleneinheiten sind Kanäle für Oxidationsmittel ausgebildet. Eine Gasfördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, fördert Luft aus der Umgebung als primäres Oxidationsmittel in die Kanäle für Oxidationsmittel. Nach dem Durchleiten des primären Oxidationsmittels durch die Kanäle für Oxidationsmittel in dem Brennstoffzellenstapel wird dieses als sekundäres Oxidationsmittel in die Umgebung abgeleitet. Bei der elektrochemischen Reaktion wird Wasser, insbesondere in Form von Feuchtigkeit oder Wasserdampf, von dem sekundären Oxidationsmittel aufgenommen. Für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ist es erwünscht, dass das in den Brennstoffzellenstapel eingeleitete primäre Oxidationsmittel einen hohen Feuchtigkeits- oder Wassergehalt aufweist. Hierzu wird das sekundäre Oxidationsmittel nach dem Ausleiten aus dem Brennstoffzellenstapel und vor dem Ableiten in die Umgebung durch eine Befeuchtungsvorrichtung geleitet. Ferner wird das primäre Oxidationsmittel vor dem Einleiten in dem Brennstoffzellenstapel ebenfalls durch die Befeuchtungsvorrichtung geleitet. In der Befeuchtungsvorrichtung wird das Wasser von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel übertragen.
In der Befeuchtungsvorrichtung mit einem Gehäuse sind eine Vielzahl von Rohren mit Membranwirkung angeordnet. Das Gehäuse begrenzt einen Innenraum und dieser ist in zwei Rohrinnenteilräume und einen Umspülungsinnenteilraum mit Fixierungsmittel und Dichtungsmittel unterteilt. Das Fixierungsmittel und das Dichtungsmittel sind von einem erhärteten Harz oder Klebstoff gebildet. Die Rohre münden in die 2 Rohrinnenteilräume. Das primäre Oxidationsmittel wird zunächst durch eine Einlassöffnung für das primäre Oxidationsmittel in einen ersten Rohrinnenteilraum geleitet und von diesem in die Strömungsräume der Rohre. Nach dem Durchleiten des primären Oxidationsmittels durch die Rohre, d. h. durch die Strömungsräume der Rohre, strömt dieses in einen zweiten Rohrinnenteilraum ein und wird von diesen durch eine Auslassöffnung für das primäre Oxidationsmittel aus der Befeuchtungsvorrichtung abgeleitet. In den Umspülungsinnenteilraum mündet eine Einlassöffnung und Auslassöffnung für das sekundäre Oxidationsmittel. Der Umspülungsinnenteilraum ist in keine Strömungsteilräume unterteilt, sodass in dem Umspülungsinnenteilraum mit nur einem Strömungsraum eine kleinere Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels auftritt, weil der Umspülungsinnenteilraum eine große Strömungsquerschnittsfläche aufweist. Die Rohre sind dabei ungeordnet und beliebig gestapelt angeordnet mit einem kleinen oder keinem Abstand zueinander, sodass Außenflächen der Rohre in einem größeren Umfang aufeinanderliegen. Dieser Kontakt zwischen den Außenflächen der Rohre reduziert die Übertragung von Wasser von der Außenfläche der Rohre an dem Umspülungsinnenteilraum mit dem sekundären Oxidationsmittel auf das durch die Rohre strömende primäre Oxidationsmittel. Der kleine Durchmesser der Strömungsräume der Rohre verursacht einen großen Druckabfall des primären Oxidationsmittels in den Rohren. Damit wird in nachteiliger Weise eine große mechanische Antriebsenergie für die Gasfördereinrichtung benötigt.
Die EP 1 261 992 B1 offenbart eine Festpolymer-Brennstoffzellensystem, das eine Festpolymer-Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zum Befeuchten eines Reaktionsgas-Zuführstromes umfasst, wobei die Brennstoffzelle einen Reaktionsgas-Einlassanschluss und einen Reaktionsgas-Abgasanschluss hat und die Befeuchtungsvorrichtung einen Membran-Austauschbefeuchter aufweist.
Die CN 211088409 U offenbart eine Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle. Ein Membranrohrbündel ist in einem von einem Gehäuse begrenzten Innenraum angeordnet und besteht aus mehreren Membranrohren. Die Membranrohre weisen Mikroporen auf. An dem Gehäuse sind Ein- und Auslassöffnungen für Luft ausgebildet. Klebstoff fungiert als Fixierungs- und Dichtungsmittel zur Fixierung der Membranrohre in dem Gehäuse, zur Abdichtung und zur Unterteilung des Innenraumes.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit zur Übertragung von Wasser von dem aus einem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel, umfassend ein Gehäuse, welches einen Innenraum begrenzt, mit einer primären Einlassöffnung zur Einleitung des primären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung, mit einer primären Auslassöffnung zur Ausleitung des primären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung, mit einer sekundären Einlassöffnung zur Einleitung des sekundären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung, mit einer sekundären Auslassöffnung zur Ausleitung des sekundären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung, gestapelt angeordnete Rohre mit Membranwandungen zur Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel durch die Membranwandungen, wenigstens ein Fixierungsmittel zum Fixieren der Rohre in dem Innenraum, wenigstens ein Dichtungsmittel, welches den Innenraum in wenigstens einen Rohrinnenteilraum zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Rohre und in einen Umspülungsinnenteilraum zum Umspülen der Außenflächen der Rohre mit Oxidationsmittel unterteilt, wobei das wenigstens eine Fixierungsmittel und/oder das wenigstens eine Dichtungsmittel mehrteilig aus Stapelungselementen ausgebildet ist und/oder sind und die Stapelungselemente gestapelt in dem Innenraum angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform liegen an den Stapelungselementen ausgebildete Kontaktflächen, insbesondere lösbar ohne stoffschlüssige Verbindung, auf den Rohren auf.
In einer zusätzlichen Variante ist die Geometrie der Kontaktflächen der Stapelungselemente im Wesentlichen komplementär zu der Geometrie der Außenflächen der Rohre ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die Stapelungselemente als zusätzliche Bauteile in Ergänzung zu den Rohren ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Stapelungselemente plattenförmig, insbesondere streifenförmig, ausgebildet und zwischen je zwei unmittelbar benachbarten gestapelten Stapelungselementen die Rohre, insbesondere sämtliche Rohre, zwischen den je zwei unmittelbar benachbarten gestapelten Stapelungselementen von einer gemeinsamen fiktiven Stapelebene geschnitten sind.
In einer weiteren Ausführungsform liegen an den Stapelungselementen ausgebildete Stapelungsflächen, insbesondere lösbar ohne stoffschlüssige Verbindung, aufeinander.
In einer zusätzlichen Variante sind die Stapelungselemente einteilig mit den Rohren ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit zur Übertragung von Wasser von dem aus einem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Gehäuses, welches einen Innenraum begrenzt, mit einer primären Einlassöffnung zur Einleitung des primären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung, mit einer primären Auslassöffnung zur Ausleitung des primären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung, mit einer sekundären Einlassöffnung zur Einleitung des sekundären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung, mit einer sekundären Auslassöffnung zur Ausleitung des sekundären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung, zur Verfügung stellen von Rohren mit Membranwandungen zur Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel durch die Membranwandungen, zur Verfügung stellen wenigstens eines Fixierungsmittels zum Fixieren der Rohre in dem Innenraum, zur Verfügung stellen wenigstens eines Dichtungsmittels, welches den Innenraum in wenigstens einen Rohrinnenteilraum zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Rohre und in einen Umspülungsinnenteilraum zum Umspülen der Außenflächen der Rohre mit Oxidationsmittel unterteilt, Montieren der zur Verfügung gestellten Komponenten der Befeuchtungsvorrichtung zu der Befeuchtungsvorrichtung indem die Rohre in dem Innenraum angerordnet werden, Fixieren der Rohre mit dem wenigstens Fixierungsmittel in dem Innenraum und Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum und in einen Umspülungsinnenteilraum, wobei das wenigstens Fixierungsmittel und/oder das wenigstens eine Dichtungsmittel mehrteilig aus Stapelungselementen zur Verfügung gestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Fixieren der Rohre mit dem wenigstens Fixierungsmittel und/oder das Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens Dichtungsmittel in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum und in den Umspülungsinnenteilraum ausgeführt indem, insbesondere streifenförmige, Stapelungselemente gestapelt werden und zwischen je zwei Stapelungselementen die Rohre angeordnet werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform werden die Stapelungselemente mittels Spritzgießen und/oder Extrusion zur Verfügung gestellt, insbesondere als getrennte Bauteile in Ergänzung zu den Rohren.
In einer ergänzenden Variante werden die Stapelungselemente einteilig mit den Rohren zur Verfügung gestellt, insbesondere indem die Rohre und die Stapelungselemente mit Extrusion hergestellt werden.
Zweckmäßig weisen die Rohre mit wenigstens einem Stapelungselement an wenigstens einem ersten Abschnitt in Längsrichtung der Rohre einen ersten Außendurchmesser auf und weisen an wenigstens einem zweiten Abschnitt in Längsrichtung der Rohre einen zweiten Außendurchmesser auf und der zweite Außendurchmesser größer ist als der erste Außendurchmesser und an dem wenigstens einen ersten Abschnitt die Membranwandung gebildet ist und an dem wenigstens einen zweiten Abschnitt je ein Stapelungselement ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird der Werkstoff für die Herstellung der Rohre und Stapelungselemente durch eine Blende mit einem veränderlichen Durchmesser durchgeführt und während der Herstellung der Rohre an einem Abschnitt in Längsrichtung der Rohre ohne den Stapelungselementen die Blende einen ersten Durchmesser aufweist und während der Herstellung der Rohre an einem Abschnitt in Längsrichtung der Rohre mit den Stapelungselementen die Blende einen zweiten Durchmesser aufweist und der zweite Durchmesser der Blende größer ist als der erste Durchmesser der Blende. Der Durchmesser der Blende entspricht im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 10% oder 5%, dem Außendurchmesser der Rohre mit dem wenigstens einen Stapelungselement.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Fixieren der Rohre mit dem wenigstens einen Fixierungsmittel und/oder das Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel ausgeführt indem die Stapelungsflächen, insbesondere umlaufenden radialen Außenseiten, der Stapelungselemente an Stapelungsflächen aufeinander gelegt werden. Vorzugsweise weisen die einteilig mit je einem Rohr ausgebildeten, vorzugsweise ringförmigen, Stapelungselemente die umlaufende radiale Außenseite als Stapelungsfläche auf.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Oxidationsmittel, eine Befeuchtungsvorrichtung zur Übertragung von Wasser von dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel, wobei die Befeuchtungsvorrichtung als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Befeuchtungsvorrichtung ausgebildet ist und/oder die Befeuchtungsvorrichtung mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform münden die Rohre, insbesondere Enden der Rohre, in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum.
In einer weiteren Variante ist der Umspülungsinnenteilraum in wenigstens zwei Strömungsteilräume mit wenigstens einem Dichtungsmittel zur Ausbildung von Strömungsteilräumen unterteilt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Dichtungsmittel zur Ausbildung von Strömungseilräumen im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu Längsachsen der Rohre ausgerichtet ist.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel in einer Richtung Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu Längsachsen der Rohre durch die Strömungsteilräume durchleitbar.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in der Befeuchtungsvorrichtung wenigstens eine Strömungsöffnung zum Leiten von Oxidationsmittel von einem Strömungsteilraum in einen anderen Strömungsteilraum ausgebildet.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Strömungsöffnung als eine Unterbrechung eines Befestigungsvorsprunges an dem Gehäuse ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Strömungsöffnung als eine Unterbrechung an dem wenigstens einem Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume ausgebildet. Die Unterbrechung an dem wenigstens einem Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume ist beispielsweise als eine Durchgangsbohrung im Bereich eines Endes des wenigstens einen Dichtungsmittels ausgebildet.
Vorzugsweise münden in je eine Strömungsteilraum zwei Strömungsöffnungen.
In einer weiteren Ausführungsform münden in je einen Strömungsteilraum eine Strömungsöffnung und die Einlassöffnung für das Oxidationsmittel oder die Auslassöffnung für das Oxidationsmittel. Vorzugsweise mündet in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in den ersten Strömungsteilraum die Einlassöffnung für das Oxidationsmittel und in den letzten Strömungsteilraum die Auslassöffnung für das Oxidationsmittel.
In einer weiteren Ausführungsform münden die zwei Strömungsöffnungen an zwei gegenüberliegenden Endbereichen, insbesondere Endbereiche in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen der Rohre, in den je einen Strömungsteilraum. Vorzugsweise ist die Ausdehnung je eines Endbereiches kleiner als 20% oder 10% der, vorzugsweise maximalen, Ausdehnung des je einen Strömungsteilraumes.
In einer zusätzlichen Variante münden die Strömungsöffnung einerseits und die Einlassöffnung für das Oxidationsmittel oder die Auslassöffnung für das Oxidationsmittel andererseits an zwei gegenüberliegenden Endbereichen, insbesondere Endbereiche in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen der Rohre, in den je einen Strömungsteilraum.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Dichtungsmittel zur Ausbildung von Strömungsteilräumen mehrteilig aus Stapelungselementen ausgebildet und die Stapelungselemente sind gestapelt in dem Innenraum angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Dichtungsmittel zur Ausbildung von Strömungsteilräumen zur Verfügung gestellt und der Umspülungsinnenteilraum wird in wenigstens zwei Strömungsteilräume mit wenigstens einem Dichtungsmittel zur Ausbildung von Strömungsteilräumen unterteilt.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Unterteilen des Umspülungsinnenteilraumes in wenigstens zwei Strömungsteilräume mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume ausgeführt wird indem, insbesondere streifenförmige oder ringförmige, Stapelungselemente gestapelt werden.
In einer zusätzlichen Variante wird das wenigstens eine Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume mehrteilig aus Stapelungselementen zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strömungsquerschnittsfläche einer Strömungsöffnung oder die Summe der Strömungsquerschnittsflächen von einem Strömungsteilraum in einen anderen benachbarten Strömungsteilraum kleiner als 30%, 20% oder 10% der Strömungsquerschnittfläche des Strömungsteilraumes in den die wenigstens eine Strömungsöffnung mündet.
In einer weiteren Variante wird das Unterteilen des Umspülungsinnenteilraumes in wenigstens zwei Strömungsteilräume mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume ausgeführt wie das Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum und in den Umspülungsinnenteilraum.
In einer weiteren Variante ist das wenigstens einen Dichtungsmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume ausgebildet wie das wenigstens eine Dichtungsmittel zum Unterteilen des Innenraumes in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum und in den Umspülungsinnenteilraum.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Umspülungsinnenteilraum in Richtung der Längsachsen der Rohre mit dem wenigstens einen Dichtmittel zur Ausbildung der Strömungsteilräume in die wenigstens zwei Strömungsteilräume unterteilt.
Vorzugsweise strömt das Oxidationsmittel durch benachbarte Strömungsteilräume des Umspülungsinnenteilraumes in entgegengesetzter Richtung, vorzugsweise senkrecht zu der Längsachse der Rohre.
In einer ergänzenden Variante sind die Stapelungselemente im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung liegen die Stapelungselemente mit einer Vorspannkraft aufeinander, sodass die Stapelungsflächen der Stapelungselemente mit einer Druckkraft aufeinanderliegen und/oder die Kontaktflächen der Stapelungselemente mit einer Druckkraft auf den Außenflächen der Rohre aufliegen. Die Vorspannkraft wird aktiv auf die Stapelungselemente aufgebracht und umfasst nicht die Schwerkraft der Stapelungselemente.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Vorspannkraft auf die gestapelten Stapelungselemente von dem Gehäuse auf die Stapelungselemente aufgebracht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Querschnittsform der Rohre kreisförmig, rechteckig, insbesondere quadratisch, und/oder ellipsenförmig. Die Rohre weisen eine beliebige Querschnittsform auf.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Stapelungselemente wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischen Kunststoff, ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weisen die Membranwandungen der Rohre Mikroporen und/oder Mikroöffnungen auf. Durch die Mikroporen und/oder Mikroöffnungen kann das Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf oder Feuchtigkeit, durch die Membranwandungen von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel gelangen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stapelungselemente, insbesondere die Stapelungselemente als ergänzende Bauteile zu den Rohren, eben und/oder scheibenförmig und/oder plattenförmig und/oder streifenförmig ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stapelungselemente, insbesondere die einteilig mit den Rohren ausgebildeten Stapelungselemente, im Wesentlichen ringförmig ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Membranwandungen aus Kunststoff, insbesondere Polysulfonen, ausgebildet.
Vorzugsweise liegen Stapelungsflächen der Stapelungselemente aufeinander.
In einer weiteren Variante sind die Kontaktflächen der Stapelungselemente im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu den Außenflächen der Rohre ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktflächen der Stapelungselemente konkav gekrümmt ausgebildet, insbesondere entspricht der Krümmungsradius der Kontaktflächen im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, dem Krümmungsradius der Außenflächen der Rohre.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Anzahl der Stapelungselemente größer oder kleiner als die Anzahl der Rohre, insbesondere ist die Anzahl der Stapelungselemente größer als das 2-Fache-, 3-Fache, 5-Fache oder 7-Fache der Anzahl der Rohre.
Vorzugsweise ist die Anzahl der Stapelungselemente größer als 10, 30, 50, 100, 300, 500, 1000 oder 1500.
Zweckmäßig sind wenigstens 50%, 70% oder 90% der Summe der Flächen der Außenflächen der Rohre in dem wenigstens einen Umspülungsinnenteilraum angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weisen die Rohre einen Innendurchmesser an dem Strömungsraum größer als 0,4 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm oder 1 mm auf.
Zweckmäßig umfasst die Befeuchtungsvorrichtung wenigstens 10, 30, 50, 100, 300, 500, 1000 oder 2000 Rohre.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Abstand, insbesondere minimale Abstand, senkrecht zu der Längsachse der Rohre im Wesentlichen identisch, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Vorzugsweise ist die Länge der Rohre größer als das 5-Fache, 10-Fache, 50-Fache, 100-Fache, 200-Fache oder 300-Fache des Außendurchmessers der Rohre.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Rohre in dem von dem Gehäuse begrenzten Innenraum im Wesentlichen gerade angeordnet. Im Wesentlichen gerade Rohre bedeutet vorzugsweise, dass der Krümmungsradius der Rohre größer ist als der, insbesondere kleinste oder größte, Abstand zwischen zwei Fixierungsmitteln in Richtung der Längsachse der Rohre.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Rohre mittels der Stapelungselemente formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Stapelungselemente liegen an den Stapelungsflächen aufeinander und die Stapelungselemente sind an den Stapelungsflächen formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden, so dass die Rohre mittels der Stapelungselemente formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das primäre Oxidationsmittel durch die Strömungsräume der Rohre und den wenigstens einen Rohrinnenteilraum leitbar und das sekundäre Oxidationsmittel ist durch den Umspülungsinnenteilraum leitbar.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das sekundäre Oxidationsmittel durch die Strömungsräume der Rohre und den wenigstens einen Rohrinnenteilraum leitbar und das primäre Oxidationsmittel ist durch den Umspülungsinnenteilraum leitbar.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Stapelungselemente bei der einteiligen Ausbildung der Stapelungselemente zusammen mit den Rohren mehrteilig ausgebildet indem die Rohre einzelne Bauteile sind, sodass das an den Rohren ausgebildete je wenigstens eine Stapelungselement unterschiedliche mehrteilige Bauteile sind an den unterschiedlichen Rohren.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind bei einer einteiligen Ausbildung der Stapelungselemente an den Rohren die Stapelungselemente stoffschlüssig mit den Rohren verbunden.
In einer weiteren Variante sind bei einer Ausbildung der Stapelungselemente als ergänzende Bauteile zu den Rohren die Stapelungselemente formschlüssig und/oder kraftschlüssig, jedoch vorzugsweise nicht stoffschlüssig, mit den Rohren verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Abstände L_x in Richtung der Längsachsen der Rohre zwischen den Dichtmitteln und/oder zwischen den Fixierungsmitteln und/oder zwischen den Stapeln der Stapelungselemente unterschiedlich, insbesondere unterscheiden sich diese um wenigstens 30%, 20% oder 10 %. In vorteilhafter Weise weisen damit die Abschnitte der Rohre zwischen den Stapeln der Stapelungselemente eine unterschiedliche Eigenfrequenz auf, sodass die Abschnitte der Rohre zwischen den Stapeln der Stapelungselemente keine identischen Resonanzfrequenzen aufweisen.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördereinrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft, Luft mit einem erhöhten oder reduzierten Sauerstoffanteil im Vergleich zu Luft oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse,
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse,
6 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 einen Längsschnitt durch eine Befeuchtungsvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
8 einen Schnitt A-A durch ein Fixierungs- und Dichtungsmittel und von Rohren der Befeuchtungsvorrichtung gemäß 7,
9 eine Explosionsdarstellung des Fixierungs- und Dichtungsmittels gemäß 8 mit Rohren,
10 eine Draufsicht eines ersten Stapelungselementes des Fixierungs- und Dichtungsmittels gemäß 8,
11 einen Längsschnitt durch die Befeuchtungsvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
12 einen Längsschnitt durch die Befeuchtungsvorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel,
13 einen Querschnitt durch das Fixierungs- und Dichtungsmittel und des Rohres der Befeuchtungsvorrichtung gemäß 12,
14 einen Schnitt B-B durch ein Fixierungs- und Dichtungsmittel und von Rohren der Befeuchtungsvorrichtung gemäß 12,
15 einen Querschnitt durch das Fixierungs- und Dichtungsmittel und des Rohres in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
16 einen Längsschnitt des Rohres mit Fixierungs- und Dichtungsmittel gemäß 14 und 15.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O Kathode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^- Anode:
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschicht 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf graphitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel (2 und 3). Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 im Brennstoffzellenstapel 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 als fluchtende Fluidöffnungen 52 an Abdichtplatten 50 als Verlängerung am Endbereich 51 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 37 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 52 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Fluidöffnungen 52 bilden somit einen Zuführkanal 53 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 54 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 55 für Brennstoff, einen Abführkanal 56 für Brennstoff, einen Zuführkanal 57 für Kühlmittel und einen Abführkanal 58 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 40 als Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Oxidationsmittel in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Oxidationsmittel aus den Kanälen 13 für Oxidationsmittel ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelement 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Brennstoff, zum Ausleiten von Brennstoff, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet (nicht dargestellt).
Das in die Brennstoffzellen 2 eingeleitete Oxidationsmittel ist primäres Oxidationsmittel und das aus den Brennstoffzellen 2 ausgeleiteten Oxidationsmittel ist sekundäres Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 sind zu einem Brennstoffzellenstapel 40 gestapelt. Das primäre Oxidationsmittel wird von der Gasförderung 22 durch die Zufuhrleitung 25 in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel eingeleitet und vor dem Einleiten in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel durch eine Befeuchtungsvorrichtung 59 geleitet. Das sekundäre Oxidationsmittel wird nach dem Durchleiten durch die Öffnung 46 zum Ausleiten des Oxidationsmittels durch die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser in die Umgebung abgeleitet und vor dem Ableiten in die Umgebung durch die Befeuchtungsvorrichtung 59 geleitet. In der Befeuchtungsvorrichtung 59 wird das Wasser, insbesondere in Form von Feuchtigkeit oder Wasserdampf, von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel übertragen.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 stark vereinfacht und schematisierte dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 52 an den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatte 10 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 52 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58. Die Kanäle 14 für das Kühlmittel sind tatsächlich zwischen einer ersten Platte und zweiten Platte (nicht dargestellt) der Bipolarplatte 10 ausgebildet.
In den 7 bis 10 ist ein erstes konstruktives Ausführungsbeispiel der Befeuchtungsvorrichtung 59 abgebildet. Die Befeuchtungsvorrichtung 59 umfasst ein Gehäuse 60 aus Metall oder Kunststoff. Das Gehäuse 60 umfasst eine Deckwandung 61 als einen, vorzugsweise abnehmbaren und/oder arretierbaren, Deckel, eine Bodenwandung 62 und Seitenwandungen 63. Das Gehäuse 60 begrenzt mit der Deckwandung 61, der Bodenwandung 62 und den Seitenwandungen 63 einen Innenraum und der Innenraum ist in zwei Rohrinnenteilräume 82 und einen Umspülungsinnenteilraum 83 unterteilt. An dem Gehäuse ist eine Einlassöffnung 64 für das primäre Oxidationsmittel, eine Auslassöffnung 65 für das primäre Oxidationsmittel, eine Einlassöffnung 66 für das sekundäre Oxidationsmittel und eine Auslassöffnung 67 für das sekundäre Oxidationsmittel ausgebildet. In dem von dem Gehäuse 60 begrenzten Innenraum sind eine große Anzahl an Rohre 75 gestapelt angeordnet. Die Rohre 75 weisen jeweils eine Längsachse 89 (16) auf und die Rohre 75 und damit auch die Längsachsen 89 der Rohre 75 sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°. Die Rohre 75 weisen außenseitig eine Außenfläche 76 auf und sind aus einer im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildeten Membranwandung 77 ausgebildet. Die Membranwandung 77 begrenzt innenseitig einen Strömungsraum 86 zum Durchleiten des primären Oxidationsmittels. Die Membranwandungen 77 weisen Mikroporen und Mikroöffnungen auf zum Durchleiten von Feuchtigkeit oder Wasser aus dem Umspülungsinnenteilraum 83 mit sekundären Oxidationsmittel in die Strömungsräume 86 der Rohre 75 mit primären Oxidationsmittel.
Die Rohre 75 sind mit Stapelungselementen 70 untereinander und zu dem Gehäuse 60 fixiert. Die Stapelungselemente 70 sind im Wesentlichen streifenförmig und rechteckig ausgebildet. Erste Stapelungselemente 87 sind als Zwischenstapelungselemente 87 ausgebildet und sind zwischen Schichten von Rohren 75 angeordnet. Am Endbereich von gestapelten ersten Stapelungselementen 87 als Zwischenstapelungselementen 87 sind zweite Stapelungselemente 88 als Endstapelungselemente 88 angeordnet. Die Zwischenstapelungselemente 87 und die Endstapelungselemente 88 sind Stapelungselemente 70. Die Endbereiche der gestapelten Stapelungselemente 70 sind dabei in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse 89 der Rohre 75 ausgebildet. An den Zwischenstapelungselementen 87 sind an 2 gegenüberliegenden Seiten Kontaktflächen 71 und Stapelungsflächen 72 ausgebildet. An den Kontaktflächen 71 liegen die Außenflächen 76 der Rohre 75 auf zur formschlüssigen Fixierung der Rohre 75 an den Kontaktflächen 71. An den Stapelungsflächen 72 liegen die Zwischenstapelungselemente 87 aufeinander. Die Geometrie der Kontaktflächen 71 ist dabei komplementär zur Geometrie der Außenfläche 76 der Rohre 75 ausgebildet. Die Außenfläche 76 der Rohre 75 ist konvex gekrümmt ausgebildet und die Kontaktfläche 71 der Stapelungselemente 70 ist konkav gekrümmt ausgebildet. Dabei entspricht der Krümmungsradius der Außenfläche 76 der Rohre 75 dem Krümmungsradius der Kontaktfläche 71 der Stapelungselemente 70. Die gestapelten Stapelungselemente 70 dienen somit als Fixierungsmittel 68 zur formschlüssigen Fixierung der Rohre 75 in dem Innenraum des Gehäuses 60.
Zusätzlich fungieren die Stapelungselemente 70 auch als Dichtungsmittel 69 zur im Wesentlichen fluiddichten Abtrennung des Innenraumes des Gehäuses 60 in den Umspülungsinnenteilraum 83 und die 2 Rohrinnenteilräume 82. Die in 7 links und rechts dargestellten gestapelten Stapelungselemente 70 dienen zur fluiddichten Abtrennung je eines Rohrinnenteilraumes 82 zu dem Umspülungsinnenteilraum 83. Das Endstapelungselement 88 unten ist in einer umlaufenden Befestigungsaussparung 85 der Bodenwandung 82 des Gehäuses 60 formschlüssig fixiert. Das Endstapelungselement 88 oben liegt auf einem umlaufenden Befestigungsvorsprung 84 an der Deckwandung 61 auf. Der Abstand zwischen dem Befestigungsvorsprung 84 und der Befestigungsaussparung 85 ist dahingehend gewählt, dass von dem Befestigungsvorsprung 84 und der Befestigungsaussparung 85 eine Vorspannkraft auf die gestapelten Stapelungselemente 70 aufgebracht wird. Die Stapelungsflächen 72 der Stapelungselemente 70 und die Außenflächen 76 der Rohre 75 sowie Kontaktflächen 71 der Stapelungselemente 70 liegen damit mit einer größeren Druckkraft aufeinander auf als sich aus der Schwerkraft der Stapelungselemente 70 und der Rohre 75 ergeben würde. Die Rohre 75 sind damit zusätzlich in einem erheblichen Umfang auch kraftschlüssig an den Außenflächen 76 an den Kontaktflächen 71 der Stapelungselemente 70 fixiert. Die Stapelungselemente 70 spannen eine fiktive Ebene 74 auf und diese fiktive Ebene 74 ist im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu der Längsachse 89 der Rohre 75 ausgerichtet. Eine fiktive Stapelebene 73 der Rohre 75, welche parallel zu der fiktiven Ebene 74 ausgerichtet ist, schneidet sämtliche Rohre 75 zwischen 2 Zwischenstapelungselementen 87 als eine Schicht von Rohren 75. Die Rohre 75 sind somit zwischen je 2 Zwischenstapelungselementen 87 in Schichten angeordnet. Analog ist auch eine Schicht von Rohren 75 zwischen dem Zwischenstapelungselement 87 und dem Endstapelungselement 88 angeordnet.
Der Umspülungsinnenteilraum 83 ist von einem zusätzlichen Stapel an Stapelungselementen 70 in 2 Strömungsteilräume 91 unterteilt und diese 2 Strömungsteilräume 91 des Umspülungsinnenteilraum 83 weisen in Richtung der Längsachse 89 der Rohre 75 ungefähr eine Länge L₁ und eine Länge L₂ auf. Der zusätzliche Stapel der Stapelungselemente 70 bildet somit ein Dichtungsmittel 69 zur Ausbildung der Strömungsteilräume 91. Der zusätzliche Stapel der Stapelungselemente 70 ist ungefähr mittig zwischen dem in 7 links und rechts dargestellten Stapel der Stapelungselemente 70 angeordnet. Diese mittig gestapelten Stapelungselemente 70 sind unten analog mit der Befestigungsaussparung 85 an der Bodenwandung 82 des Gehäuses 60 fixiert. An dem oberen Endstapelungselement 88 des mittleren Stapels der Stapelungselemente 70 liegt der Befestigungsvorsprung 84 mit Unterbrechungen als Strömungsöffnungen 92 an dem Endstapelungselement 88 auf, sodass das durch die Einlassöffnung 66 für sekundäres Oxidationsmittel eingeleitete sekundäre Oxidationsmittel zunächst nur den rechten Strömungsteilraum 91 gemäß 7 des Umspülungsinnenteilraum 83 zwischen dem mittleren und rechten Stapel der Stapelungselemente 70 die Rohre 75 umströmt und anschließend an den Unterbrechungen als Strömungsöffnungen 92 in linken Strömungsteilraum 91 des Umspülungsinnenteilraum 83 eingeleitet wird und zwischen dem mittleren und linken Stapel der Stapelungselemente 70 die Rohre 75 umströmt und anschließend durch die Auslassöffnung 67 aus der Befeuchtungsvorrichtung 59 ausgeleitet wird. Der jeweils in 7 links und rechts dargestellte Stapel der Stapelungselemente 70 als Dichtungsmittel 69 fungiert somit zur fluiddichten Abdichtung je eines Rohrinnenteilräume 82 zu dem Umspülungsinnenteilraum 83. Der in 7 mittig dargestellte Stapel der Stapelungselemente 70 fungiert als Dichtungsmittel 69 zur Abtrennung der Strömungsteilräume 91 des Umspülungsinnenteilraumes 83.
Das primäre Oxidationsmittel wird somit durch die Einlassöffnung 64 in den in 7 links dargestellten Rohrinnenteilraum 82 eingeleitet und wird von diesem Rohrinnenteilraum 82 in die Strömungsräume 86 der Rohre 75 eingeleitet. Nach dem Durchleiten des primären Oxidationsmittels durch die Strömungsräume 86 wird das primäre Oxidationsmittel wieder in dem in 7 rechts dargestellten Rohrinnenteilraum 82 gesammelt und durch die Auslassöffnung 65 aus der Befeuchtungsvorrichtung 59 ausgeleitet. Während des Durchleitens des primären Oxidationsmittels durch die Rohre 75 wird gleichzeitig das sekundäre Oxidationsmittel durch die Einlassöffnung 66 eingeleitet und durch die Auslassöffnung 67 ausgeleitet, sodass dadurch die Außenflächen 76 der Rohre 75 von dem sekundären Oxidationsmittel umspült werden und damit das Wasser von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel übertragen wird. Der mittig angeordnete Stapel der Stapelungselemente 70 dient nicht nur als Dichtungsmittel 69, sondern auch als Fixierungsmittel 68, sodass die Rohre 75 mit eine kleinen Abstand L₁ und L₂ in Richtung der Längsachse 89 an dem Fixierungsmittel 68 als den Stapeln der Stapelungselemente 70 fixiert sind und somit eine geringe Durchbiegung vorhanden ist, d. h. die Außenflächen 76 der Rohre 75 keinen Kontakt zueinander aufweisen und damit die gesamte Außenfläche 76 der Rohre 75 zur Übertragung von Wasser von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel fungieren kann.
Aufgrund der Unterteilung des Umspülungsinnenteilraumes 83 in zwei Strömungsteilräume 91 weist das sekundäre Oxidationsmittel eine große Strömungsgeschwindigkeit in dem Umspülungsinnenteilraum 83 auf, sodass die Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel wesentlich verbessert ist. Aufgrund der hohen Effektivität der Übertragung von Wasser von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel kann der Innendurchmesser des Strömungsraum 86 der Rohre 75 entsprechend groß ausgebildet werden, sodass ein geringer Druckabfall des primären Oxidationsmittels beim Durchleiten durch die Rohre 75 auftritt und dadurch in vorteilhafter Weise wenig mechanische Energie zum Betrieb der Gasfördereinrichtung 22 notwendig ist. Der kleinen Abstand L₁ und L₂ zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 in Richtung der Längsachse 89 der Rohre 75 bedingt eine kleine Eigenfrequenz der Rohre 75, sodass bei einer Anregung mit mechanischen Schwingungen keine Resonanz auftritt und damit auch im Wesentlichen keine nachteiligen mechanischen Schwingungen der Rohre 75 zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 auftreten.
In den 11 ist ein zweites konstruktives Ausführungsbeispiel der Befeuchtungsvorrichtung 59 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 7 bis 10 beschrieben. In dem Innenraum des Gehäuses 60 sind 5 Stapel an Stapelungselementen 70 angeordnet. Die in 11 links und rechts angeordneten Stapel der Stapelungselemente 70 weisen die gleiche Funktion wie in dem ersten Ausführungsbeispiel auf, d. h. dienen als Fixierungsmittel 68 für die Rohre 75 und als Dichtungsmittel 69 zur fluiddichten Abdichtung des Umspülungsinnenteilraumes 83 von den 2 Rohrinnenteilräumen 82. In Längsrichtung der Rohre 75 sind zwischen diesen in 11 links und rechts angeordneten Stapel der Stapelungselemente 70 drei weitere Stapel der Stapelungselemente 70 ausgebildet. Der weiteren Stapel der Stapelungselemente 70 bildet somit Dichtungsmittel 69 zur Ausbildung der Strömungsteilräume 91. Diese unterteilen den Umspülungsinnenteilraum 83 in Richtung der Längsachse 89 der Rohre 75 in 4 Strömungsteilräume 91. Das durch die Einlassöffnung 66 eingeleitete sekundäre Oxidationsmittel wird von diesen 3 Stapeln in der Strömungsrichtung umgelenkt, sodass das sekundäre Oxidationsmittel in den 4 Strömungsteilräumen 91 im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 89 der Rohre 75 durch die Strömungsteilräume 91 strömt und dabei bei benachbarten Strömungsteilräumen 91 in entgegengesetzter Richtung strömt. Hierzu sind an je einem Befestigungsvorsprung 84 an der Deckwandung 61 und der Bodenwandung 62 entsprechende Unterbrechungen als Strömungsöffnungen 92 ausgebildet, sodass das sekundäre Oxidationsmittel von einem Strömungsteilraum 91 in den benachbarten Strömungsteilraum 91 umströmen kann. Aus dem letzten Strömungsteilraum 91 wird das sekundäre Oxidationsmittel durch die Auslassöffnung 67 aus der Befeuchtungsvorrichtung 59 ausgeleitet. Aufgrund der großen Anzahl der Stapel der Stapelungselemente 70 weisen die Strömungsteilräume 91 ein kleineres Volumen und eine kleine Strömungsquerschnittsfläche auf als in dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass das sekundäre Oxidationsmittel mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit durch je einen Strömungsteilraum 91 zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 geleitet wird. Diese große Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels erhöht die Übertragbarkeit des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel. Die Abstände L₁ bis L₄ in Richtung der Längsachse 89 zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 der Rohre 75 sind sehr klein, sodass dadurch von den Rohren 75 nur kleine Biegemomente aufgenommen werden und damit auch die Biegungen der Rohre 75 in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse 89 der Rohre 75 sehr klein ist. Auch bei einem kleinen Abstand zwischen den Außenflächen 76 der Rohre 75 wird somit ein Kontakt zwischen den Außenflächen 76 der Rohre 75 ausgeschlossen und damit kann die gesamte Außenfläche 76 der Rohre 75 zur Übertragung der Feuchtigkeit von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel fungieren. Die kleinen und unterschiedlichen Abstände L₁ bis L₄ in Richtung der Längsachse 89 zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 der Rohre 75 bewirken außerdem, dass die Rohre 75 bezüglich mechanischer Schwingungen eine sehr große Eigenfrequenz aufweisen, sodass bei einer Schwingungsanregung der Rohre 75 eine Resonanz im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann. Die unterschiedlichen Abstände L₁ bis L₄ bewirken somit, dass unterschiedliche Eigenfrequenz der Rohre 75 vorhanden sind und dadurch keine ausgeprägten und identische Resonanzfrequenzen für die Abschnitte der Rohre 75 zwischen den Stapeln der Stapelungselemente 70 auftreten.
In den 12 bis 16 ist ein drittes konstruktives Ausführungsbeispiel der Befeuchtungsvorrichtung 59 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 11 beschrieben. In diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die Stapelungselemente 70, 90 einteilig mit den Rohren 75 ausgebildet. Die Herstellung der Rohre 75 mit integrierten Stapelungselementen 70, 90 erfolgt dabei mittels Extrusion. An einem Extrusionswerkzeug ist eine Blende (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Durchmesser der Blende, welche kreisförmig ausgebildet ist, kann verändert werden. Das Rohr 75 zusammen mit den Stapelungselementen 70, 90 weist 2 unterschiedliche Außendurchmesser 80, 81 auf, nämlich einen ersten kleineren ersten Außendurchmesser 80 und einen zweiten, größeren Außendurchmesser 81. Der erste Außendurchmesser 80 ist an dem Rohr 75 ohne dem Stapelungselement 90 ausgebildet, d. h. an der Membranwandung 77 zur Übertragung und Durchleitung des Wassers. Der zweite Außendurchmesser 81 ist an dem Stapelungselement 90 vorhanden.
Während der Herstellung des Rohres 75 mit den Stapelungselementen 90 wird der Werkstoff für das Rohr 75 mit den Stapelungselementen 90 durch die Blende gefördert und während des Förderns wird der Durchmesser der Blende verändert, sodass bei einem Durchmesser der Blende mit dem zweiten Außendurchmesser 81 das Rohr 75 zusammen mit dem Stapelungselement 90 extrudiert wird und bei einem Durchmesser der Blende mit dem ersten Durchmesser 80 das Rohr 75 ohne dem Stapelungselement 90 extrudiert wird. Das Rohr 75 ist somit in Richtung der Längsachse 89 des Rohres 75 in erste Abschnitte 78 mit dem kleinen ersten Außendurchmesser 80 und in zweite Abschnitte 79 mit dem großen zweiten Außendurchmesser 81 unterteilt. Der Werkstoff Kunststoff des Rohres 75 wird mit einer Förderschnecke (nicht dargestellt) durch die Blende des Extrudierwerkzeuges (nicht dargestellt) gefördert und während des Zeitraumes der Blende mit dem größeren zweiten Außendurchmesser 81 weist die Förderschnecke eine größere Fördergeschwindigkeit oder größeren Volumenstrom auf als während des Zeitraumes der Blende mit dem kleineren ersten Außendurchmesser 80. Mit dem Extrudierwerkzeug wird jeweils nur ein Rohr 75 hergestellt, d. h. das Extrudierwerkzeug weist nur eine im Durchmesser veränderliche Blende auf.
In 15 ist ein Ausführungsbeispiel für die Stapelungselemente 90 mit einer Stapelungsfläche 72 dargestellt, welche im Querschnitt kreisförmig ist. In dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stapelungsflächen 72 der Stapelungselemente 90 im Querschnitt 6-eckig ausgebildet. Beim Stapeln der in 13 dargestellten Stapelungselemente 90 treten im Wesentlichen zwischen den Stapelungsflächen 72 aufgrund der Geometrie der Stapelungsflächen 72 keine Hohlräume auf, sofern ausschließlich Stapelungselemente 90 mit der 6-eckigen Geometrie an der Stapelungsfläche 72 verwendet werden. Beim Stapeln der in 15 dargestellten Stapelungselemente 90 mit der kreisförmigen Stapelungsfläche 72 als der radialen Außenfläche der Stapelungselemente 90 treten jeweils Hohlräume zwischen den Stapelungsflächen 72 auf. In 12 ist die Befeuchtungsvorrichtung 59 mit den in 6 dargestellten Rohren 75 dargestellt. Lediglich der Stapel der Stapelungselemente 70 links ist mehrteilig in Ergänzung zu den Rohren 75 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die anderen Stapel der Stapelungselemente 90 sind von den Stapelungselementen 90 einteilig zusammen mit den Rohren 75 ausgebildet.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung 59, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Befeuchtungsvorrichtung 59 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das Fixierungsmittel 68 und das Dichtmittel 69 ist mehrteilig von den Stapelungselementen 70, 90 gebildet. Die Rohre 75 können dadurch in vorteilhafter Weise in einem genau vorgegebenen, insbesondere konstanten, Abstand zueinander an den Außenflächen 76 in einfacher Weise in dem Innenraum des Gehäuses 60 angeordnet werden. Ein Kontakt zwischen den Außenflächen 76 der Rohre 75 kann dadurch im Wesentlichen vermieden werden, sodass damit die gesamte Außenfläche 76 der Rohre 75 für die Durchleitung bzw. die Diffusion des Wassers durch die Membranwandungen 77 genutzt werden kann. Damit kann der Innendurchmesser des Strömungsraum 86 der Rohre 75 entsprechend größer ausgebildet sein, sodass dadurch geringe Druckverluste beim Durchleiten des Oxidationsmittels durch Strömungsräume 86 der Rohre 75 auftreten. Die zusätzlichen Stapel der Stapelungselemente 70, 90 unterteilen den Umspülungsinnenteilraum 83 in Längsrichtung der Längsachse 89 der Rohre 75 in Strömungsteilräume 91. Diese Unterteilung in die Strömungsteilräume 91 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels in den Strömungsteilräumen 91 und die Eigenfrequenz der Rohre 75. Damit kann die Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel auf das primäre Oxidationsmittel verbessert und die Anfälligkeit der Befeuchtungsvorrichtung 59 für Resonanz bei mechanischen Schwingungen reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1261992 B1 [0006]
CN 211088409 U [0007]

Claims

Befeuchtungsvorrichtung (59) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) zur Übertragung von Wasser von dem aus einem Brennstoffzellenstapel (40) ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel (40) eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel, umfassend - ein Gehäuse (60), welches einen Innenraum begrenzt, mit einer primären Einlassöffnung (64) zur Einleitung des primären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer primären Auslassöffnung (65) zur Ausleitung des primären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Einlassöffnung (66) zur Einleitung des sekundären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Auslassöffnung (67) zur Ausleitung des sekundären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), - gestapelt angeordnete Rohre (75) mit Membranwandungen (77) zur Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel durch die Membranwandungen (77), - wenigstens ein Fixierungsmittel (68) zum Fixieren der Rohre (75) in dem Innenraum, - wenigstens ein Dichtungsmittel (69), welches den Innenraum in wenigstens einen Rohrinnenteilraum (82) zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Rohre (75) und in einen Umspülungsinnenteilraum (83) zum Umspülen der Außenflächen (77) der Rohre (75) mit Oxidationsmittel unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fixierungsmittel (68) und/oder das wenigstens eine Dichtungsmittel (69) mehrteilig aus Stapelungselementen (70, 90) ausgebildet sind und die Stapelungselemente (70, 90) gestapelt in dem Innenraum angeordnet sind.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stapelungselementen (70) ausgebildete Kontaktflächen (71), insbesondere lösbar ohne stoffschlüssige Verbindung, auf den Rohren (75) aufliegen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Kontaktflächen (71) der Stapelungselemente (70) im Wesentlichen komplementär zu der Geometrie der Außenflächen (76) der Rohre (75) ausgebildet ist.
Befeuchtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelungselemente (70) als zusätzliche Bauteile in Ergänzung zu den Rohren (75) ausgebildet sind.
Befeuchtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelungselemente (70) plattenförmig, insbesondere streifenförmig, ausgebildet und zwischen je zwei unmittelbar benachbarten gestapelten Stapelungselementen (70) die Rohre (75), insbesondere sämtliche Rohre (75), zwischen den je zwei unmittelbar benachbarten gestapelten Stapelungselementen (70) von einer gemeinsamen fiktiven Stapelebene (73) geschnitten sind.
Befeuchtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stapelungselementen (70, 90) ausgebildete Stapelungsflächen (72), insbesondere lösbar ohne stoffschlüssige Verbindung, aufeinander liegen.
Befeuchtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelungselemente (90) einteilig mit den Rohren (75) ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungsvorrichtung (59) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) zur Übertragung von Wasser von dem aus einem Brennstoffzellenstapel (40) ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel (40) eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel mit den Schritten: - zur Verfügung stellen eines Gehäuses (60), welches einen Innenraum begrenzt, mit einer primären Einlassöffnung (64) zur Einleitung des primären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer primären Auslassöffnung (65) zur Ausleitung des primären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Einlassöffnung (66) zur Einleitung des sekundären Oxidationsmittel in die Befeuchtungsvorrichtung (59), mit einer sekundären Auslassöffnung (67) zur Ausleitung des sekundären Oxidationsmittels aus der Befeuchtungsvorrichtung (59), - zur Verfügung stellen von Rohren (75) mit Membranwandungen (77) zur Übertragung des Wassers von dem sekundären Oxidationsmittel zu dem primären Oxidationsmittel durch die Membranwandungen (77), - zur Verfügung stellen wenigstens eines Fixierungsmittels (68) zum Fixieren der Rohre (75) in dem Innenraum, - zur Verfügung stellen wenigstens eines Dichtungsmittels (69), welches den Innenraum in wenigstens einen Rohrinnenteilraum (82) zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Rohre (75) und in einen Umspülungsinnenteilraum (83) zum Umspülen der Außenflächen (76) der Rohre (75) mit Oxidationsmittel unterteilt, - Montieren der zur Verfügung gestellten Komponenten der Befeuchtungsvorrichtung (59) zu der Befeuchtungsvorrichtung (59) indem die Rohre (75) in dem Innenraum angerordnet werden, Fixieren der Rohre (75) mit dem wenigstens einen Fixierungsmittel (68) in dem Innenraum und Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel (69) in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum (82) und in einen Umspülungsinnenteilraum (83), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens Fixierungsmittel (68) und/oder das wenigstens eine Dichtungsmittel (69) mehrteilig aus Stapelungselementen zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der Rohre (75) mit dem wenigstens Fixierungsmittel (68) und/oder das Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens Dichtungsmittel (69) in den wenigstens einen Rohrinnenteilraum (82) und in den Umspülungsinnenteilraum (83) ausgeführt wird indem, insbesondere streifenförmige, Stapelungselemente (70) gestapelt werden und zwischen je zwei Stapelungselementen (70) die Rohre (75) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelungselemente (70. 90) mittels Spritzgießen und/oder Extrusion zur Verfügung gestellt werden, insbesondere als getrennte Bauteile in Ergänzung zu den Rohren (75).
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelungselemente (90) einteilig mit den Rohren (75) zur Verfügung gestellt werden, insbesondere indem die Rohre (75) und die Stapelungselemente (90) mit Extrusion hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (75) mit wenigstens einem Stapelungselement (90) an wenigstens einem ersten Abschnitt (78) in Längsrichtung der Rohre (75) einen ersten Außendurchmesser (80) aufweisen und an wenigstens einem zweiten Abschnitt (79) in Längsrichtung der Rohre (75) einen zweiten Außendurchmesser (81) aufweisen und der zweite Außendurchmesser (81) größer ist als der erste Außendurchmesser (80) und an dem wenigstens einen ersten Abschnitt (78) die Membranwandung (77) gebildet ist und an dem wenigstens einen zweiten Abschnitt (79) je ein Stapelungselement (90) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für die Herstellung der Rohre (75) und Stapelungselemente (90) durch eine Blende mit einem veränderlichen Durchmesser durchgeführt wird und während der Herstellung der Rohre (75) an einem Abschnitt (78) in Längsrichtung der Rohre (75) ohne den Stapelungselementen (90) die Blende einen ersten Durchmesser (80) aufweist und während der Herstellung der Rohre (75) an einem Abschnitt (79) in Längsrichtung der Rohre (75) mit den Stapelungselementen (90) die Blende einen zweiten Durchmesser (81) aufweist und der zweite Durchmesser (81) der Blende größer ist als der erste Durchmesser (80) der Blende ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der Rohre (75) mit dem wenigstens einen Fixierungsmittel (68) und/oder das Unterteilen des Innenraumes mit dem wenigstens einen Dichtungsmittel (69) ausgeführt wird indem die Stapelungsflächen (72), insbesondere umlaufenden radialen Außenseiten, der Stapelungselemente (70, 90) an Stapelungsflächen (72) aufeinander gelegt werden
Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, - in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle (13) für Oxidationsmittel, - eine Befeuchtungsvorrichtung (59) zur Übertragung von Wasser von dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Oxidationsmittel als primäres Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungsvorrichtung (59) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist und/oder die Befeuchtungsvorrichtung (59) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 14 hergestellt ist.