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DE102019212717A1 - Humidifier flow field plate and humidifier - Google Patents

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DE102019212717A1
DE102019212717A1 DE102019212717.7A DE102019212717A DE102019212717A1 DE 102019212717 A1 DE102019212717 A1 DE 102019212717A1 DE 102019212717 A DE102019212717 A DE 102019212717A DE 102019212717 A1 DE102019212717 A1 DE 102019212717A1
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DE
Germany
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plate
flow field
humidifier
media
edge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102019212717.7A
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German (de)
Inventor
Christian Lucas
Rune Staeck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Volkswagen AG
Original Assignee
Audi AG
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG, Volkswagen AG filed Critical Audi AG
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Publication of DE102019212717A1 publication Critical patent/DE102019212717A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchterflussfeldplatte (4) für einen Planarbefeuchter (3), die eine Plattenoberseite (9) und eine Plattenunterseite (10) aufweist, die einen sich von der Plattenoberseite (9) zur Plattenunterseite (10) erstreckenden Einlassheader (13) und einen sich von der Plattenoberseite (9) zu Plattenunterseite (10) erstreckenden Auslassheader (14) sowie ein an der Plattenoberseite (9) befindliches, strömungsmechanisch zwischen die Header geschaltetes Flussfeld (6) aufweist, welches mit einer Mehrzahl von mittels Trennstegen (8) voneinander getrennten Kanälen (7) gebildet ist. Das Flussfeld (6) oder zumindest dessen Trennstege (8) sind zumindest teilweise aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet, und zur membranfreien Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt ist zumindest die Plattenunterseite (10) ausgebildet, einen gasförmigen Anteil der beiden Medien zu trennen und einen flüssigen Anteil der beiden Medien hindurchzulassen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Befeuchter (3).The invention relates to a humidifier flow field plate (4) for a planar humidifier (3), which has a plate top (9) and a plate bottom (10), an inlet header (13) extending from the plate top (9) to the plate bottom (10) and an inlet header (13) has an outlet header (14) extending from the plate top side (9) to the plate bottom side (10) as well as a flow field (6) located on the plate top side (9), which is fluidically connected between the headers and which is separated from one another by means of separating webs (8) Channels (7) is formed. The flow field (6) or at least its separating webs (8) are at least partially formed from a hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material, and for membrane-free moisture transfer between two media with different moisture content, at least the plate underside (10) is formed, a gaseous one Separate portion of the two media and let a liquid portion of the two media through. The invention also relates to a humidifier (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Befeuchterflussfeldplatte für einen Planarbefeuchter, die eine Plattenoberseite und eine Plattenunterseite aufweist, die einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Einlassheader und einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Auslassheader sowie ein an der Plattenoberseite befindliches, strömungsmechanisch zwischen die Header geschaltetes Flussfeld aufweist, welches mit einer Mehrzahl von mittels Trennstegen voneinander getrennten Kanälen gebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Befeuchter mit mindestens zweier solcher Befeuchterflussfeldplatten.The invention relates to a humidifier flow field plate for a planar humidifier, which has a plate top and a plate bottom, which has an inlet header extending from the plate top to the plate bottom and an outlet header extending from the plate top to the plate bottom, as well as a flow field on the plate top that is mechanically connected between the headers which is formed with a plurality of channels separated from one another by means of separating webs. The invention also relates to a humidifier with at least two such humidifier flow field plates.

Befeuchter werden im Allgemeinen eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die Verteilung der Medien innerhalb des Brennstoffzellenstapels erfolgt mittels Bipolarplatten, die beispielsweise in der US 2015 / 0 349 353 A1 , in der US 2019 / 0 131 636 A1 oder in der DE 10 2015 203 684 A1 näher beschrieben sind. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Desweiteren fällt im Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig Flüssigwasser an, das aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden muss.Humidifiers are generally used in order to be able to effect a transfer of the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with different moisture contents. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is suitable for use in the fuel cell stack the membrane electrode assembly is insufficient. The media are distributed within the fuel cell stack by means of bipolar plates, for example in the US 2015/0 349 353 A1 , in the US 2019/0 131 636 A1 or in the DE 10 2015 203 684 A1 are described in more detail. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past the membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack. Furthermore, liquid water occurs in the fuel cell stack of the fuel cell device both on the anode side and on the cathode side and has to be removed from the fuel cell stack.

Der Befeuchter ist eine große Komponente, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beiträgt, insbesondere da auch der Befeuchter ausreichend dimensioniert sein muss, um eine ausreichende Befeuchtung bei einer schwankenden Bereitstellung von Feuchtigkeit bei einer variierenden Leistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung ausgleichen zu können.The humidifier is a large component that contributes to a great increase in the space required for a fuel cell device, especially since the humidifier must also be sufficiently dimensioned to be able to compensate for sufficient humidification in the event of fluctuating provision of moisture with varying power requirements on the fuel cell device .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befeuchterflussfeldplatte der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Materialaufwand reduziert und die Baugröße beliebig skaliert werden können. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen verbesserten Befeuchter bereitzustellen.The invention is based on the object of designing a humidifier flow field plate of the type mentioned at the beginning in such a way that the cost of materials is reduced and the structural size can be scaled as required. Another object of the invention is to provide an improved humidifier.

Diese Aufgabe wird mit einer Befeuchterflussfeldplatte mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch einen Befeuchter mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a humidifier flow field plate with the set of features of claim 1 and by a humidifier with the set of features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Befeuchterflussfeldplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Flussfeld oder zumindest dessen Trennstege zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet sind, und dass zur membranfreien Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt zumindest die Plattenunterseite ausgebildet ist, einen gasförmigen Anteil der beiden Medien zu trennen und einen flüssigen Anteil der beiden Medien hindurch zu lassen. Die Befeuchterflussfeldplatte ist dabei an ihrer Plattenunterseite also beispielsweise über die Werkstoffwahl oder durch eine geeignete Imprägnierung oder Befüllung mit gasdichtem aber flüssigkeitsdurchlässigem Material derart gebildet, um die Feuchtigkeit von der Plattenoberseite über die Plattenunterseite an ein trockeneres Medium abzugeben. Eine solche Befeuchterflussfeldplatte kann mit weiteren Befeuchterflussfeldplatten gestapelt und verspannt werden um die Leistung eines Befeuchters zu skalieren.The humidifier flow field plate is characterized in particular by the fact that the flow field or at least its separating webs are at least partially, preferably completely made of a hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material, and that at least the underside of the plate is formed for membrane-free moisture transfer between two media with different moisture contents is to separate a gaseous portion of the two media and to let a liquid portion of the two media through. The humidifier flow field plate is formed on its plate underside, for example, through the choice of material or by suitable impregnation or filling with gas-tight but liquid-permeable material in order to transfer the moisture from the plate top to a drier medium via the plate underside. Such a humidifier flow field plate can be stacked and braced with other humidifier flow field plates in order to scale the performance of a humidifier.

Eine betriebssichere Montage lässt sich dadurch erreichen, dass bei der Befeuchterflussfeldplatte ein das Flussfeld rahmender Rand vorhanden ist, in welchem die Header angeordnet oder ausgebildet sind. Als hygroskopisches, d.h. wasserspeicherndes Material kommt beispielsweise Calciumsilikat in Betracht, wobei auch gefilteter Metallschaum mit einer geeigneten Porosität Einsatz finden kann.Reliable installation can be achieved in that the humidifier flow field plate has an edge which frames the flow field and in which the headers are arranged or formed. Calcium silicate, for example, can be considered as a hygroscopic, i.e. water-storing material, whereby filtered metal foam with a suitable porosity can also be used.

Da der Transport von Wasser zwischen den einzelnen Befeuchterflussfeldplatten eine besondere Herausforderung darstellt, ist es sinnvoll, dass der Rand gegenüber dem Flussfeld axial, insbesondere parallel zum Flussfeld versetzt angeordnet ist. Damit ist gewährleistet, dass die durch die Einlassheader strömende Feuchtigkeit unter Einwirkung der Gravitationskraft in das abgesenkte oder abgestufte Flussfeld gedrängt wird und nicht zu schnell ins Abgas gegeben wird. Durch die Abstufung des Flussfeldes oder der Heraufsetzung des Randes mit den Headern entsteht somit eine Art „Wanne“, in der die Feuchtigkeit zur Übertragung auf das trockene Medium zuverlässig gespeichert werden kann.Since the transport of water between the individual humidifier flow field plates is a particular challenge, it makes sense that the edge is arranged axially offset with respect to the flow field, in particular parallel to the flow field. This ensures that the moisture flowing through the inlet headers is forced into the lowered or graduated flow field under the action of gravitational force and is not released into the exhaust gas too quickly. By grading the flow field or raising the edge with the headers, a kind of "tub" is created in which the moisture can be reliably stored for transfer to the dry medium.

Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Rand an der Plattenunterseite eine bezüglich der Plattenkante geneigt verlaufende Anschlagfläche aufweist. Durch diese Anschlagfläche lassen sich beim Stapeln der einzelnen Befeuchterflussfeldplatten eine automatische Zentrierung einerseits und eine beim Verspannen erhöhte Dichtigkeit andererseits erzielen.It has proven to be useful if the edge on the underside of the plate has a stop surface which runs at an incline with respect to the plate edge. This stop surface enables automatic centering on the one hand and on the stacking of the individual humidifier flow field plates on the other hand, achieve an increased tightness when bracing.

Dabei ist zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, dass der Rand auf der Plattenoberseite eine zur Anschlagfläche komplementär gestaltete Anlagefläche umfasst, so dass Linien oder Punktberührungen ausgeschlossen sind und eine flächige Anlage zur Erhöhung der Dichtigkeit gegeben ist.This also opens up the possibility of the edge on the top side of the plate comprising a contact surface designed to be complementary to the stop surface, so that lines or point contacts are excluded and there is a flat contact to increase the tightness.

Um einen Planarbefeuchter mit einer Mehrzahl von Befeuchterflussfeldplatten besonders kompakt gestalten zu können, ist es sinnvoll, wenn im Rand mindestens zwei sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckende Mediendurchführungen ausgebildet sind, und wenn jeweils eine der Mediendurchführungen zwischen dem Einlassheader und dem Auslassheader angeordnet ist.In order to be able to make a planar humidifier with a plurality of humidifier flow field plates particularly compact, it makes sense if at least two media ducts extending from the plate top to the plate bottom are formed in the edge, and if one of the media ducts is arranged between the inlet header and the outlet header.

Mit einer solchen Konfiguration lässt sich zusätzlich die vorteilhafte Möglichkeit schaffen, dass der Rand mit den Mediendurchführungen und den beiden Headern sowie das zwischen den Headern liegende Flussfeld rotationsymmetrisch ausgestaltet sind. Eine solche Konfiguration ist von Vorteil, da nun eine identisch aufgebaute Befeuchterflussfeldplatte sowohl für den trockenen Medienstrom als auch für den feuchten Medienstrom genutzt werden kann. Dies erhöht die Anzahl der Gleichteile bei einem Planarbefeuchter und senkt deshalb die Fertigungskosten.With such a configuration, it is also possible to create the advantageous possibility that the edge with the media feed-throughs and the two headers as well as the flow field between the headers are designed to be rotationally symmetrical. Such a configuration is advantageous because an identically constructed humidifier flow field plate can now be used both for the dry media flow and for the moist media flow. This increases the number of identical parts in a planar humidifier and therefore lowers the production costs.

Die Dichtigkeit des Planarbefeuchters ist von wesentlicher Bedeutung, sodass es sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn auf der Plattenoberseite eine Dichtung aufgebracht oder in diese eingebracht ist, die den Einlassheader, das Flussfeld und den Auslassheader umrahmt. Zusätzlich ist die vorteilhafte Möglichkeit eröffnet, dass auch etwaig vorhandene Mediendurchführungen von einer weiteren Dichtung ggf. jeweils gesondert, umrahmt werden, um etwaige Höhenunterschiede auszugleichen.The tightness of the planar humidifier is of essential importance, so it has proven to be advantageous if a seal is applied to or incorporated into the top of the plate, framing the inlet header, the flow field and the outlet header. In addition, the advantageous possibility is opened up that any media feedthroughs that may be present are also framed separately by a further seal, if necessary, in order to compensate for any differences in height.

Um einen direkten Materialkontakt zwischen zwei benachbarten Befeuchterflussfeldplatten, die mit einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet sind, zu erhöhen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn mindestens einer, vorzugsweise alle der Trennstege eine Trennstegkontur aufweisen, die angepasst ist an eine Kontur von mindestens einer, vorzugsweise der Anzahl der Trennstegkonturen entsprechenden Anzahl an Trennstegaufnahmen, die in der Plattenunterseite ausgebildet sind. Die Trennstege selbst sind damit mit einer geeigneten Höhe bzw. die Kanäle mit einer geeigneten Tiefe versehen, so dass die Trennstege selbst an der benachbarten Befeuchterflussfeldplatte zur Anlage gelangen, um somit eine sichere Kontaktierung und einen verbesserten Wassertransport zu gewährleisten.In order to increase direct material contact between two adjacent humidifier flow field plates, which are formed with a hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material, it has been found to be advantageous if at least one, preferably all of the separating webs have a separating web contour that is adapted to a contour of at least one number, preferably corresponding to the number of separating web contours, of separating web receptacles, which are formed in the underside of the plate. The separating webs themselves are thus provided with a suitable height or the channels are provided with a suitable depth, so that the separating webs themselves come to rest on the adjacent humidifier flow field plate in order to ensure reliable contact and improved water transport.

Die erfindungsgemäße Befeuchterflussfeldplatte zeichnet sich insbesondere bei ihrem Einsatz in einem erfindungsgemäßen Befeuchter zur Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt aus. Die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Befeuchterflussfeldplatte gelten gleichermaßen für den erfindungsgemäßen Befeuchter. Vorzugsweise sind dabei mindestens zwei der Befeuchterflussfeldplatten aufeinander gestapelt und verdreht zueinander ausgerichtet. Bei als Gleichteile ausgebildete Befeuchterflussfeldplatten sind dabei die Befeuchterflussfeldplatten um 90 Grad verdreht zueinander gestapelt. Somit liegt ein sehr leicht zu fertigender und skalierbarer Befeuchter vor, der gegebenenfalls zusätzliche Endplatten mit Anschlüsse für Schläuche und entsprechende Mittel zur Verspannung der einzelnen Befeuchterflussfeldplatten zusammen mit den Endplatten aufweist. Als Mittel zur Verspannung kommen beispielsweise Spannbänder oder Zugstangen in Betracht.The humidifier flow field plate according to the invention is distinguished in particular when used in a humidifier according to the invention for the transfer of moisture between two media with different moisture contents. The advantageous refinements and developments of the humidifier flow field plate apply equally to the humidifier according to the invention. Preferably, at least two of the humidifier flow field plates are stacked on top of one another and aligned in a rotated manner with respect to one another. In the case of humidifier flow field plates designed as identical parts, the humidifier flow field plates are stacked with respect to one another, rotated by 90 degrees. This results in a very easy to manufacture and scalable humidifier, which optionally has additional end plates with connections for hoses and corresponding means for bracing the individual humidifier flow field plates together with the end plates. Tensioning straps or tie rods, for example, come into consideration as means for tensioning.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer einen Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 zwei übereinander gestapelte und durch eine Membran voneinander getrennte Befeuchterflussfeldplatten in einer Schnittansicht,
  • 3 zwei übereinander gestapelte und membranfrei aneinander anliegende Befeuchterflussfeldplatten in einer Schnittansicht,
  • 4 eine Draufsicht auf eine Befeuchterflussfeldplatte,
  • 5 eine Draufsicht auf eine Befeuchterflussfeldplatte mit Dichtungen,
  • 6 eine Schnittansicht der Befeuchterflussfeldplatte nach 6,
  • 7 eine der Ansicht nach 6 entsprechende Darstellung zweier übereinander gestapelter, um 90 Grad verdreht zueinander ausgerichteter Befeuchterflussfeldplatten,
  • 8 eine der Ansicht nach 6 entsprechende Darstellung dreier übereinander gestapelter und jeweils verdreht zueinander ausgerichteter Befeuchterflussfeldplatten,
  • 9 eine der Ansicht nach 7 entsprechende Darstellung von zwei übereinander gestapelten, um 90 Grad verdreht zueinander ausgerichteten Befeuchterflussfeldplatten mit alternativer Trennstegkontur, und
  • 10 einen Schnitt durch einen Befeuchter, bei dem zwischen zwei Endplatten eine Mehrzahl an Befeuchterflussfeldplatten verspannt ist.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments, and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device having a humidifier,
  • 2 two humidifier flow field plates stacked on top of one another and separated from one another by a membrane in a sectional view,
  • 3rd two humidifier flow field plates, stacked on top of each other and free of membranes, butting against each other in a sectional view,
  • 4th a top view of a humidifier flow field plate,
  • 5 a top view of a humidifier flow field plate with seals,
  • 6th FIG. 13 is a sectional view of the humidifier flow field plate of FIG 6th ,
  • 7th one of the view 6th Corresponding representation of two humidifier flow field plates stacked one on top of the other and rotated by 90 degrees to one another,
  • 8th one of the view 6th Corresponding representation of three humidifier flow field plates stacked on top of one another and each aligned twisted to one another,
  • 9 one of the view 7th Corresponding illustration of two humidifier flow field plates, stacked one on top of the other and rotated by 90 degrees with respect to one another, with alternative separating web contour,
  • 10 a section through a humidifier in which a plurality of humidifier flow field plates are clamped between two end plates.

In 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst, nämlich einen Befeuchter 3. Ein Befeuchter 3 ist in der Regel dabei aus einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen aufgebaut, die zwischen Endplatten angeordnet sind und eine Befeuchterflussfeldplatte 4 aufweisen.In 1 is of a fuel cell device 1 the part required to explain the invention is shown, wherein the fuel cell device 1 a device for regulating the humidity of a plurality of in a fuel cell stack 2 comprises combined fuel cells, namely a humidifier 3rd . A humidifier 3rd is usually made up of a plurality of humidifier modules which are arranged between end plates and a humidifier flow field plate 4th exhibit.

Befeuchterflussfeldplatten 4 für einen Planarbefeuchter sind in den 2 bis 9 gezeigt und weisen eine Plattenoberseite 9 und eine Plattenunterseite 10 auf (6). Sie umfassen einen sich von der Plattenoberseite 9 zur Plattenunterseite 10 erstreckenden Einlassheader 13 für die Zufuhr eines Mediums und einen sich von der Plattenoberseite 9 zur Plattenunterseite 10 erstreckenden Auslassheader 14 zur Abfuhr des Mediums sowie ein an der Plattenoberseite 9 befindliches, strömungsmechanisch zwischen die Header geschaltetes Flussfeld 6, welches mit einer Mehrzahl von mittels Trennstegen 8 voneinander getrennten Kanälen 7 gebildet ist (4 und 5).Humidifier flow field plates 4th for a planar humidifier are in the 2 to 9 shown and have a plate top 9 and a plate bottom 10 on ( 6th ). They encircle yourself from the top of the plate 9 to the underside of the plate 10 extensive inlet header 13th for the supply of a medium and one up from the top of the plate 9 to the underside of the plate 10 extending outlet header 14th for the removal of the medium as well as one on the top of the plate 9 located, fluid mechanically connected flow field between the headers 6th , which with a plurality of means of separators 8th separate channels 7th is formed ( 4th and 5 ).

Das Flussfeld 6 oder zumindest dessen Trennstege 8 sind zumindest teilweise aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet sind, wobei zur Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt zumindest die Plattenunterseite 10 ausgebildet ist, einen gasförmigen Anteil der beiden Medien zu trennen oder nicht hindurchzulassen und einen flüssigen Anteil der beiden Medien hindurchtreten zu lassen.The river field 6th or at least its dividers 8th are at least partially formed from a hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material, with at least the underside of the plate for moisture transfer between two media with different moisture contents 10 is designed to separate a gaseous portion of the two media or not to let through and to allow a liquid portion of the two media to pass through.

Die Befeuchterflussfeldplatte 4 ist vorliegend vollständig aus dem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet und bildet damit einen Speicher für Flüssigkeit, um diese homogen an einen trockeneren Medienstrom abzugeben. Aus diesem Grunde ist der Befeuchter 3 als ein Speicherbefeuchter zu verstehen. Als Kurzzeitspeicher für Wasser eignet sich beispielsweise Calciumsilikat, während als Langzeitspeicher beispielsweise ein Superabsorber geeignet ist.The humidifier flow field plate 4th is in the present case completely formed from the hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material and thus forms a reservoir for liquid in order to release it homogeneously to a drier media flow. This is why the humidifier is 3rd to be understood as a storage humidifier. Calcium silicate, for example, is suitable as short-term storage for water, while a superabsorbent, for example, is suitable as long-term storage.

Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung ist beidseits der Befeuchterflussfeldplatten 4 jeweils eine Membran 5 angeordnet, um zu gewährleisten, dass nur ein Austausch von Flüssigkeit, aber kein Gasaustausch zwischen dem oberhalb der Membran 5 im Flussfeld 6 der Befeuchterflussfeldplatte 4 strömenden ersten Medium und dem unterhalb der Plattenunterseite 10 und der Membran 5 strömenden zweiten Medium erfolgt.At the in 2 The embodiment shown is on both sides of the humidifier flow field plates 4th one membrane each 5 arranged to ensure that only an exchange of liquid but no gas exchange between the one above the membrane 5 in the river field 6th the humidifier flow field plate 4th flowing first medium and the one below the underside of the plate 10 and the membrane 5 flowing second medium takes place.

Es kann die Situation eintreten, dass aufgrund des Einsatzes der Membran 5 kein hinreichend guter Wassertransport zwischen den einzelnen Flussfeldern 6 der Befeuchterflussfeldplatten 4 erfolgt. Aus diesem Grunde ist in 3 auf die Möglichkeit verwiesen, dass auch eine membranfreie Übertragung der Flüssigkeit von der Plattenoberseite 9 der Befeuchterflussfeldplatte 4 über die Plattenunterseite 10auf das trockenere Medium übertragen wird. Die Verhinderung des Gasaustausches von einem strömenden Medium auf der Seite der Plattenoberseite 9 und einem strömenden Medium auf der Seite der Plattenunterseite 10 lässt sich durch einen geeigneten Werkstoff für die Befeuchterflussfeldplatte 4 realisieren. Außerdem kann auch in das Material der Befeuchterflussfeldplatte 4 ein Werkstoff eingebracht sein, der einen Flüssigkeits- aber keinen Gasaustausch ermöglicht. Bei dieser Ausgestaltung ist zu gewährleisten, dass die Trennstege 8 hinreichend fest an der benachbarten Befeuchterflussfeldplatte 4 anliegen, um einerseits die gewünschte Dichtigkeit und andererseits den gewünschten Flüssigkeitstransport innerhalb des Befeuchters 3 zu gewährleisten.The situation can arise that due to the use of the membrane 5 insufficient water transport between the individual river fields 6th the humidifier flow field plates 4th he follows. For this reason, in 3rd referred to the possibility of a membrane-free transfer of the liquid from the top of the plate 9 the humidifier flow field plate 4th is transferred to the drier medium via the underside of the plate 10. The prevention of gas exchange from a flowing medium on the side of the plate top 9 and a flowing medium on the side of the plate underside 10 can be achieved by a suitable material for the humidifier flow field plate 4th realize. In addition, the material of the humidifier flow field plate can also be used 4th a material can be introduced that enables a liquid but not a gas exchange. In this configuration, it must be ensured that the dividers 8th sufficiently tight to the adjacent humidifier flow field plate 4th in order to achieve the desired tightness on the one hand and the desired liquid transport within the humidifier on the other hand 3rd to ensure.

Anhand der Draufsicht auf eine Befeuchterflussfeldplatte 4 nach 4 ist zu erkennen, dass ein strichliert dargestellter Rand 15 an der Befeuchterflussfeldplatte 4 vorhanden ist, der das Flussfeld 6 rahmt. In diesem Rand 15 sind der Einlassheader 13 und der Auslassheader 14 ausgebildet. Diese beiden Header sind mittels der Kanäle 7 miteinander strömungsmechanisch verbunden, wobei sie zudem an zwei sich gegenüberliegenden Plattenkanten 16 angeordnet sind. Im Rand 15 sind außerdem zwei sich von der Plattenoberseite 9 zur Plattenunterseite 10 erstreckende Mediendurchführungen 19 ausgebildet, wobei jede der Mediendurchführungen 19 zwischen dem Einlassheader 13 und dem Auslassheader 14 angeordnet ist. Die Mediendurchführungen 19 sind dabei an den anderen Plattenkanten 16 der Befeuchterflussfeldplatte 4 angeordnet, an welchen sich die Header nicht befinden. Jede Mediendurchführung 19 ist an einer eigenen der Plattenkanten 16 angeordnet und Mediendurchführung 19 liegen sich dementsprechend ebenfalls gegenüber. Die Mediendurchführungen 19 und/oder die Header können dabei einen, wie vorliegend gezeigt, trapezförmigen Querschnitt besitzen. Es sind jedoch auch andere Geometrien wie beispielsweise eine rechteckige Form möglich. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Rand 15 mit den Mediendurchführungen 19 und den beiden Headern sowie das zwischen den Headern liegende Flussfeld 6 rotationssymmetrisch ausgestaltet sind, da auf diese Weise ein- und dieselbe Befeuchterflussfeldplatte 4 eingesetzt werden kann, um einerseits das feuchte Medium und andererseits das trockene Medium innerhalb des Befeuchters 3 zu führen. Mit anderen Worten liegen also für die beiden Befeuchterflussfeldplatten 4 Gleichteile vor, wobei im Stapel innerhalb des Befeuchters 9 diese um 90 Grad verdreht zueinander anzuordnen sind.Using the top view of a humidifier flow field plate 4th to 4th it can be seen that a dashed border 15th on the humidifier flow field plate 4th is present, which is the river field 6th frames. In this edge 15th are the entry header 13th and the outlet header 14th educated. These two headers are means of the channels 7th connected to each other fluidically, and they are also connected to two opposite plate edges 16 are arranged. In the edge 15th are also two from the top of the plate 9 to the underside of the plate 10 extensive media ducts 19th formed, each of the media ducts 19th between the admission header 13th and the outlet header 14th is arranged. The media penetrations 19th are on the other plate edges 16 the humidifier flow field plate 4th arranged at which the headers are not located. Every media implementation 19th is on one of the plate edges 16 arranged and media implementation 19th are accordingly also opposite each other. The media penetrations 19th and / or the headers can have a trapezoidal cross-section, as shown here. However, other geometries, such as a rectangular shape, are also possible. However, it is preferred that the edge 15th with the media ducts 19th and the two headers as well as the flow field between the headers 6th are designed to be rotationally symmetrical, since in this way one and the same humidifier flow field plate 4th can be used to, on the one hand, the moist medium and, on the other hand, the dry medium within the humidifier 3rd respectively. In other words, lie for the two humidifier flow field plates 4th Identical parts in front, being in the stack inside the humidifier 9 these are to be arranged rotated by 90 degrees to each other.

In 5 wird auf die Möglichkeit verwiesen, zusätzliche Dichtungen 20 einzusetzen, um den Befeuchter 3 hinreichend abzudichten. Vorliegend ist eine erste Dichtung 20 auf der Plattenoberseite 9 der Befeuchterflussfeldplatte 4 aufgebracht oder sogar in diese eingebracht, die den Einlassheader 13, das Flussfeld 6 und den Auslassheader 14 umrahmt. Zusätzlich sind weitere Dichtungen 20 vorhanden, die jeweils eine der Mediendurchführungen 19 umrahmen, um auch hier eine entsprechende Abdichtung einerseits und einen entsprechenden Höhenunterschied aufgrund der das Flussfeld 6 rahmenden Dichtung 20 im Stapelverbund andererseits auszugleichen.In 5 reference is made to the possibility of additional seals 20th insert to the humidifier 3rd to be adequately sealed. Here is a first seal 20th on the top of the plate 9 the humidifier flow field plate 4th applied or even incorporated into this, which is the inlet header 13th , the river field 6th and the outlet header 14th framed. There are also additional seals 20th present, each one of the media ducts 19th frame in order to also provide a corresponding seal on the one hand and a corresponding height difference due to the flow field 6th framing seal 20th on the other hand to compensate in the stacking system

In 6 ist ein Querschnitt der Befeuchterflussfeldplatte 4 zu erkennen, wobei ersichtlich wird, dass hierbei der Rand 15 gegenüber dem Flussfeld 6 axial versetzt, insbesondere parallel axial versetzt angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Rand 15 gegenüber dem eigentlichen Flussfeld 6 auf einer Erhöhung oder einer Stufe angeordnet, so dass eine Art „Wanne“ für Flüssigkeit im Bereich des Flussfelds 6 entsteht. Auch die Kanäle 7 können randseitig einen geringeren Querschnitt aufweisen, um etwaige Druckverluste auszugleichen. Für die nötige Kontaktierung benachbarter Befeuchterflussfeldplatten 4 sind vorliegend die Trennstege 8 mit einer geeigneten Trennstegkontur 21 versehen, die vorliegend spitz oder keilförmig gestaltet ist. Diese Trennstege 8 oder die Trennstegkonturen 21 können in entsprechende Trennstegaufnahmen 22 einer benachbarten Befeuchterflussfeldplatte 4, vorzugsweise passgenau, aufgenommen werden. Diese-Trennstegaufnahmen 22 sind dementsprechend an der Plattenunterseite 10 der benachbarten Befeuchterflussfeldplatte 4 ausgebildet.In 6th Figure 3 is a cross section of the humidifier flow field plate 4th to recognize, whereby it can be seen that this is the edge 15th opposite the river field 6th axially offset, in particular is arranged axially offset in parallel. In other words, it is the edge 15th opposite the actual river field 6th Arranged on an elevation or a step, so that a kind of "tub" for liquid in the area of the flow field 6th arises. The canals too 7th can have a smaller cross-section at the edge in order to compensate for any pressure losses. For the necessary contacting of neighboring humidifier flow field plates 4th are the dividers in the present case 8th with a suitable divider contour 21 provided, which is designed in the present pointed or wedge-shaped. These dividers 8th or the divider contours 21 can be used in the corresponding divider mounts 22nd an adjacent humidifier flow field plate 4th , preferably a perfect fit. These divider mounts 22nd are accordingly on the underside of the plate 10 the adjacent humidifier flow field plate 4th educated.

Eine solche Konfiguration ist beispielhaft in 7 illustriert, wobei ferner zu erkennen ist, dass der Rand 15 der Befeuchterflussfeldplatten 4 jeweils an der Plattenunterseite 10 eine bezüglich der Plattenkante geneigt verlaufende Anschlagfläche 17 aufweist. Diese Anschlagfläche 17 ist komplementär gestaltet zu einer auf der Plattenoberseite verlaufenden Anlagefläche 18, so dass bei der Montage des Befeuchters, insbesondere beim Übereinanderstapeln der einzelnen Befeuchterflussfeldplatten 4, eine automatische Zentrierung einerseits und beim Verspannen eine deutlichere Flächenpressung und damit eine Erhöhung der Dichtigkeit andererseits erzielbar sind.Such a configuration is exemplified in 7th illustrated, it can also be seen that the edge 15th the humidifier flow field plates 4th each on the underside of the plate 10 a stop surface which is inclined with respect to the plate edge 17th having. This stop surface 17th is designed to be complementary to a contact surface running on the top of the plate 18th so that when assembling the humidifier, especially when stacking the individual humidifier flow field plates 4th , an automatic centering on the one hand and a clearer surface pressure and thus an increase in the tightness on the other hand can be achieved during clamping.

In 8 sind drei der Befeuchterflussfeldplatten 4 übereinandergestapelt, wobei diese identischen Aufbaus sind und jeweils um 90 Grad zueinander verdreht (alternierend) gestapelt wurden.In 8th are three of the humidifier flow field plates 4th stacked on top of each other, these are identical in structure and each rotated by 90 degrees to each other (alternating) were stacked.

In 9 wird auf die Möglichkeit einer anderen Formgebung der Trennstegkontur 21 verwiesen, welche vorliegend rechteckig gebildet ist. Dementsprechend weist die Trennstegaufnahme 22 der benachbarten Befeuchterflussfeldplatte 4 eine dazu komplementäre ebenfalls rechteckige Struktur auf.In 9 is based on the possibility of a different shape of the divider contour 21 referenced, which is formed rectangular in the present case. The separator retainer has accordingly 22nd the adjacent humidifier flow field plate 4th a complementary rectangular structure.

In 10 ist eine Vielzahl an Befeuchterflussfeldplatten 4 übereinandergestapelt, wobei diese alternierend um 90 Grad gedreht angeordnet sind. Endständig befindet sich jeweils eine Endplatte, die mit geeigneten Schlauchanschlüssen versehen wurde. Die beiden Endplatten werden über ein Spannsystem, beispielsweise über Zugbänder, Zugstangen, Spannbänder oder Gewindestangen verspannt. Die Schlauchanschlüsse sind für feuchtes Medium mit Teilen der Kathodenabluftleitung 11 verbunden oder verbindbar (1). Die Schlauchanschlüsse sind für trockenes Medium in die Kathodenzuluftleitung 12 eingebunden oder verbindbar.In 10 is a variety of humidifier flow field plates 4th stacked on top of each other, these being arranged alternately rotated by 90 degrees. At each end there is an end plate that has been provided with suitable hose connections. The two end plates are tensioned using a tensioning system, for example tension straps, tie rods, tensioning straps or threaded rods. The hose connections are for moist medium with parts of the cathode exhaust line 11 connected or connectable ( 1 ). The hose connections are for dry medium in the cathode air supply line 12th integrated or connectable.

Im Ergebnis zeichnet sich der erfindungsgemäße Befeuchter 3 aufgrund des Einsatzes der erfindungsgemäßen Befeuchterflussfeldplatten 4 durch einen vereinfachten Aufbau und durch geringere Fertigungskosten aufgrund der größeren Anzahl an Gleichteilen aus. Zudem ist der Wassertransport von der feuchten Seite auf die trockene Seite begünstigt.As a result, the humidifier according to the invention stands out 3rd due to the use of the humidifier flow field plates of the invention 4th by a simplified structure and by lower production costs due to the larger number of identical parts. In addition, the water transport from the wet side to the dry side is favored.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
BefeuchterHumidifier
44th
BefeuchterflussfeldplatteHumidifier flow field plate
55
Membranmembrane
66th
FlussfeldRiver field
77th
Kanalchannel
88th
TrennstegeDividers
99
PlattenoberseitePlate top
1010
PlattenunterseitePlate underside
1111
KathodenabluftleitungCathode exhaust line
1212th
KathodenzuluftleitungCathode air supply line
1313th
EinlassheaderEntry header
1414th
AuslassheaderOutlet header
1515th
Randedge
1616
PlattenkantePlate edge
1717th
AnschlagflächeStop surface
1818th
AnlageflächeContact surface
1919th
MediendurchführungMedia implementation
2020th
Dichtungpoetry
2121
TrennstegkonturDivider contour
2222nd
TrennstegaufnahmeDivider retainer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2015/0349353 A1 [0002]US 2015/0349353 A1 [0002]
  • US 2019/0131636 A1 [0002]US 2019/0131636 A1 [0002]
  • DE 102015203684 A1 [0002]DE 102015203684 A1 [0002]

Claims (10)

Befeuchterflussfeldplatte (4) für einen Planarbefeuchter (3), die eine Plattenoberseite (9) und eine Plattenunterseite (10) aufweist, die einen sich von der Plattenoberseite (9) zur Plattenunterseite (10) erstreckenden Einlassheader (13) und einen sich von der Plattenoberseite (9) zur Plattenunterseite (10) erstreckenden Auslassheader (14) sowie ein an der Plattenoberseite (9) befindliches, strömungsmechanisch zwischen die Header geschaltetes Flussfeld (6) aufweist, welches mit einer Mehrzahl von mittels Trennstegen (8) voneinander getrennten Kanälen (7) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussfeld (6) oder zumindest dessen Trennstege (8) zumindest teilweise aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und/oder kapillaraktiven Material gebildet sind, und dass zur membranfreien Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt zumindest die Plattenunterseite (10) ausgebildet ist, einen gasförmigen Anteil der beiden Medien zu trennen und einen flüssigen Anteil der beiden Medien hindurchzulassen.Humidifier flow field plate (4) for a planar humidifier (3), which has a plate top (9) and a plate bottom (10), an inlet header (13) extending from the plate top (9) to the plate bottom (10) and an inlet header (13) extending from the plate top (9) has an outlet header (14) extending to the underside of the plate (10) and a flow field (6) located on the upper side (9) of the plate and connected between the headers in a fluid-mechanical manner, which has a plurality of channels (7) separated from one another by means of separating webs (8) is formed, characterized in that the flow field (6) or at least its separating webs (8) are at least partially formed from a hydrophilic and / or hygroscopic and / or capillary-active material, and that for membrane-free moisture transfer between two media with different moisture content at least the underside of the plate (10) is designed to separate a gaseous portion of the two media and a flü to let through the liquid portion of the two media. Befeuchterflussfeldplatte (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Flussfeld (6) rahmender Rand (15) vorhanden ist, in welchem die Header angeordnet oder ausgebildet sind.Humidifier flow field plate (4) Claim 1 , characterized in that there is an edge (15) which frames the flow field (6) and in which the headers are arranged or formed. Befeuchterflussfeldplatte (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (15) gegenüber dem Flussfeld (6) axial versetzt angeordnet ist.Humidifier flow field plate (4) Claim 2 , characterized in that the edge (15) is arranged axially offset with respect to the flow field (6). Befeuchterflussfeldplatte (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (15) an der Plattenunterseite (10) eine bezüglich der Plattenkante (16) geneigt verlaufende Anschlagfläche (17) aufweist.Humidifier flow field plate (4) Claim 3 , characterized in that the edge (15) on the underside of the plate (10) has a stop surface (17) which runs at an incline with respect to the plate edge (16). Befeuchterflussfeldplatte (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (15) auf der Plattenoberseite (9) eine zur Anschlagfläche (17) komplementär gestaltete Anlagefläche (18) umfasst.Humidifier flow field plate (4) Claim 4 , characterized in that the edge (15) on the top side (9) of the plate comprises a contact surface (18) designed to be complementary to the stop surface (17). Befeuchterflussfeldplatte (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rand (15) mindestens zwei sich von der Plattenoberseite (9) zur Plattenunterseite (10) erstreckende Mediendurchführungen (19) ausgebildet sind, und dass jeweils eine der Mediendurchführungen (19) zwischen dem Einlassheader (13) und dem Auslassheader (14) angeordnet ist.Humidifier flow field plate (4) according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that at least two media ducts (19) extending from the plate upper side (9) to the plate lower side (10) are formed in the edge (15), and that one of the media ducts (19) between the inlet header (13) and the outlet header (14) is arranged. Befeuchterflussfeldplatte (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (15) mit den Mediendurchführungen (19) und den beiden Headern sowie das zwischen den Headern liegende Flussfeld rotationssymmetrisch ausgestaltet sind.Humidifier flow field plate (4) Claim 6 , characterized in that the edge (15) with the media ducts (19) and the two headers and the flow field between the headers are designed to be rotationally symmetrical. Befeuchterflussfeldplatte (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattenoberseite (9) eine Dichtung (20) aufgebracht oder in diese eingebracht ist, die den Einlassheader (13), das Flussfeld (6) und den Auslassheader (14) umrahmt.Humidifier flow field plate (4) according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that a seal (20) is applied or introduced into the plate top side (9), which seals the inlet header (13), the flow field (6) and the outlet header (14). Befeuchterflussfeldplatte (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Trennstege (8) eine Trennstegkontur (21) aufweisen, die angepasst ist an eine Kontur von mindestens einer Trennstegaufnahme (22), die in der Plattenunterseite (10) ausgebildet ist.Humidifier flow field plate (4) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that at least one of the separating webs (8) have a separating web contour (21) which is adapted to a contour of at least one separating web receptacle (22) which is formed in the plate underside (10). Befeuchter (3) zur Feuchteübertragung zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt, umfassend zwei, insbesondere um 90 Grad, verdreht zueinander ausgerichtete Befeuchterflussfeldplatten (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Humidifier (3) for the transfer of moisture between two media with different moisture content, comprising two, in particular by 90 degrees, rotated with respect to one another, humidifier flow field plates (4) according to one of the Claims 1 to 9 .
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DE102023202080A1 (en) * 2023-03-08 2024-09-12 Mahle International Gmbh Humidifier

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