DE102005028717B4 - Befeuchter - Google Patents

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Abstract

Befeuchter (1), umfassend mindestens ein Gehäuse (2) in dem mehrere als wasserdurchlässige Hohlfasermembranen ausgebildete Fasern (3) angeordnet sind, wobei ein erster Luftstrom (4) innerhalb der Fasern (3) und ein zweiter Luftstrom (5) außerhalb der Fasern (3) führbar ist, wobei das Gehäuse (2) abgeplattet ausgestaltet ist, wobei an zumindest einer Stirnseite (6) des Gehäuses (2) ein erster Sammler (7) angeordnet ist, wobei der erste Luftstrom (4) mittels des ersten Sammlers (7) in die Fasern (3) zu- oder abführbar ist, wobei dem Gehäuse (2) zwei zweite Sammler (8) zugeordnet sind, die über einen regelbaren Bypass (15) strömungsleitend miteinander verbunden sind, wobei der zweite Luftstrom (5) mittels der zweiten Sammler (8) in das Gehäuse zu- oder abführbar ist, wobei die zweiten Sammler (8) das Gehäuse (2) auf der Ober- und Unterseite (10, 11) zumindest teilweise umgeben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Befeuchter, umfassend mindestens ein Gehäuse in dem mehrere als wasserdampfdurchlässige Hohlfasermembranen ausgebildete Fasern angeordnet sind, wobei ein erster Luftstrom innerhalb der Faser und ein zweiter Luftstrom außerhalb der Faser führbar ist.
  • Stand der Technik
  • Derartige Befeuchter sind aus der DE 101 02 358 A1 bekannt. Der vorbekannte Befeuchter wird vorwiegend in Brennstoffzellen eingesetzt. Eine befeuchtete Zuluft ist insbesondere bei Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen erforderlich, da die Stromerzeugungseffizienz in der Elektrolytmembran sinkt, wenn die Elektrolytmembran austrocknet. Der vorbekannte Befeuchter weist mehrere Gehäuse auf, in denen jeweils eine große Anzahl wasserdurchlässiger Hohlfasermembranen angeordnet sind. Die Gehäuse sind rohrförmig ausgebildet und zu einem Rohrregister zusammengefasst. Rohrförmige Gehäuse weisen in vertikaler und horizontaler Erstreckung die gleiche Ausdehnung auf, wodurch der Platzbedarf in beide Richtungen gleich ist.
  • Die DE 102 44 707 A1 offfenbart Vorrichtungen zum Austausch von Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Wasserdampf, zwischen einem trockenen und einem feuchten Gasstrom, wobei beim Trennen der beiden Gasströme Hohlfasern eingesetzt werden.
  • Die US 2002/0039674 A1 offenbart einen Befeuchter für Brennstoffzellen, der Hohlfasermembranbündel enthält und in einem Gehäuse angeordnet ist.
  • Die DE 102 01 302 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Befeuchtungsvorrichtung aufweist, um der Festelektrolytmembran einer Brennstoffzelle ausreichend Feuchtigkeit zuzuführen. Das der Anode der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoffgas wird in einem ersten Befeuchter befeuchtet, und die der Kathode zugeführte Luft wird in einem zweiten Befeuchter befeuchtet.
  • Das US Patent 6,554,261 B2 betrifft einen Befeuchter in einem Gehäuse, das eine große Anzahl wasserdurchlässiger Hohlfasermembranen enthält. Das US Patent 6,805,988 B2 betrifft eine kompakte Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff- und Luftbefeuchtungsmodule aufweist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter bereit zu stellen, der einen geringen Platzbedarf aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Zur Lösung der Aufgabe Befeuchter ist das Gehäuse abgeplattet ausgestattet. Dabei kann das Gehäuse im Strömungsquerschnitt betrachtet beispielsweise ellipsoidförmig oder rechteckförmig ausgebildet sein. Durch die flache Ausgestaltung ergibt sich insgesamt ein flacher Aufbau des Befeuchters, wodurch insbesondere in vertikaler Ausdehnung enge Bauräume nutzbar sind. Die Fasern können zu Fasermodulen zusammengefasst sein, die eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen können. Bei einer Anordnung rechteckiger Fasermodule in einem ellipsoidförmigen Gehäuse ergibt sich auf der Ober- und Unterseite ein freier faserfreier Querschnitt. Durch den faserfreien Querschnitt erfolgt eine gleichmäßige Verteilung der zu – oder abströmenden Luft. Des Weiteren ist ein ellipsoidförmiges Gehäuse druckstabil, was insbesondere bei hohen Innendrücken vorteilhaft ist.
  • In einer Ausgestaltung kann der erste Luftstrom eine wasserdampfhaltige Befeuchterluft für ein nachgeschaltetes Aggregat bilden und der zweite Luftstrom kann eine Zuluft bilden. Die wasserdampfhaltige Befeuchterluft wird demnach außerhalb der Faser geführt und die Zuluft innerhalb der Faser. Babel ist vorteilhaft, dass für die Befeuchterluft ein großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Die wasserdampfhaltige Befeuchterluft besteht häufig aus der Prozessluft einer Brennstoffzelle, die einen hohen Wasserdampfanteil aufweist. Ein Verstopfen der Fasern wird verhindert, wenn die Befeuchterluft außerhalb der Fasern geführt ist. Zur Befeuchtung geht der Wasserdampf aus der Befeuchterluft in die hydrophil ausgerüstete Faser über, kondensiert in den Kapillaren der Fasern und wird an die Zuluft abgegeben, die an der Innenwand der Faser entlangströmt. In anderen Ausgestaltungen kann der erste Luftstrom durch die Zuluft und der zweite Luftstrom durch die wasserdampfhaltige Befeuchterluft gebildet sein.
  • Der erste Luftstrom und der zweite Luftstrom können im Gegenstrom führbar sein. Bei einem Stoffaustausch im Gegenstrom reichert sich die zu befeuchtende Zuluft kontinuierlich mit Flüssigkeit an und die Befeuchterluft gibt kontinuierlich Wasserdampf ab. Die Wasserdampfabgabe und die Wasserdampfaufnahme ist dabei, über die Länge der Fasern betrachtet, näherungsweise konstant. Über die Länge der Faser findet ein gleichmäßiger Stoffaustausch statt.
  • In anderen Ausgestaltungen kann die Führung der Luftströme auch im Gleichstrom erfolgen. Dies ist insbesondere dann vortelihaft, wenn nur eine begrenzte Länge zur Verfügung steht, da der Gradient des Stoffaustausches an Anfang der Faser am größten ist und schnell abfällt, so dass zum Ende der Faser nur noch geringe Stoffmengen ausgetauscht werden. Eine Kombination aus beiden Luftführungen bietet die in anderen Ausgestaltungen wählbare Führung im Kreuzstrom.
  • An zumindest einer Stirnseite des Gehäuses ist ein erster Sammler angeordnet, wobei der erste Luftstrom mittels des ersten Sammlers in die Fasern zu- oder abführbar ist. Der Sammler ist an der Stirnseite des Gehäuses angeordnet und erstreckt sich im Wesentlichen über dessen Breite. Dadurch erfolgt eine gleichmäßige Einströmung des Luftstroms über die gesamte Breite des Gehäuses, wobei alle Fasern gleichmäßig anströmbar sind. Des Weiteren erfolgt durch den Sammler eine Beruhigung der Strömung, da die Strömungsgeschwindigkeit durch die Querschnittserweiterung stark absinkt.
  • Dem Gehäuse sind zwei zweite Sammler zugeordnet, wobei der zweite Luftstrom mittels des zweiten Sammlers in das Gehäuse zu- oder abführbar ist. Der zweite Sammler kann ebenfalls an einer Stirnseite oder an der Ober- und/oder Unterseite des Gehäuses angeordnet sein. Durch den zweiten Sammler erfolgt eine gleichmäßige Einströmung des zweiten Luftstroms in das Gehäuse, wobei alle Fasern umspült werden. Auch durch den zweiten Sammler erfolgt eine Beruhigung der Strömung, da auch hier die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Querschnittserweiterung stark absinkt.
  • Die zweiten Sammler können den ersten Sammler zumindest teilweise umgeben. Dabei umgeben die zweiten Sammler den ersten Sammler rucksackartig. Diese Anordnung ist besonders Platz sparend. Das Ein- und Abströmen kann benachbart zueinander erfolgen, wodurch Toträume vermieden werden.
  • Die zweiten Sammler umgeben das Gehäuse auf der Ober- und Unterseite zumindest teilweise. Dadurch kann ein vergrößertes Volumen der zweiten Sammler realisiert werden.
  • Die zweiten Sammler können das Gehäuse klammerartig umgeben. Bei dieser Anordnung ist vorteilhaft, dass keine Durchdringung des ersten Sammlers erforderlich ist. In dieser Ausführung ist der zweite Luftstrom senkrecht zur Hauptströmungsrichtung geführt.
  • Die zweiten Sammler können das Gehäuse ringartig umgeben. Bei dieser Anordnung ist ebenfalls keine Durchdringung des ersten Sammlers erforderlich. Die Führung des zweiten Luftstroms erfolgt ebenfalls senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in Form eines geschlossenen Rings. Bei dieser Ausführung kann auf jeder Seite des Gehäuses eine Einlassöffnung vorgesehen werden, so dass beispielsweise ein quaderförmiges Gehäuse vier Einlassöffnungen aufweisen kann.
  • Zumindest eine Stirnseite des Gehäuses kann zumindest einen Schlitz aufweisen. Der Schlitz ist dabei in einem Bereich der Stirnseite angeordnet, der durch den ersten Sammler bedeckt ist. Hierbei erfolgt eine gleichmäßige Anströmung des außerhalb der Fasern geführten Luftstroms über die Breite des Gehäuses und nicht angeströmte Toträume werden minimiert. Die Zuströmung erfolgt linienförmig. Dies ist vorteilhaft gegenüber einer punktförmigen Zuströmung, die sich beispielsweise bei einer Zuströmung durch Bohrungen ergibt. Bei der punktförmigen Anströmung ergeben sich nicht angeströmte Toträume und der Druckverlust ist höher als bei einem Schlitz.
  • In durch die zweiten Sammler auf der Ober- und der Unterseite des Gehäuses umschlossenen Bereichen können jeweils Schlitze eingebracht sein. Durch die gleichzeitige Anströmung von der Ober- und der Unterseite ergibt sich ein vorteilhaftes Strömungsverhalten des zugeführten außerhalb der Fasern geführten Luftstroms, wobei Toträume minimiert werden. Dies ist insbesondere bei der erfindungsgemäßen flachen Bauart vorteilhaft, da bei einer flachen Bauweise des Gehäuses, der Luftstrom bei geringem Druckverlust das Gehäuse vollständig in vertikaler Richtung durchdringt. Da ein ringförmiger Sammler das Gehäuse allseitig umgibt, können bei dieser Ausführung auch an den Seiten Schlitze vorgesehen sein.
  • Der Schlitz kann sich im Wesentlichen über die Breite des Gehäuses erstrecken. Dadurch werden alle Fasern von außen gleichmäßig angeströmt und die nicht angeströmten Toträume werden nochmals minimiert.
  • Dem Gehäuse sind zwei zweite Sammler zugeordnet, die über einen regelbaren Bypass strömungsleitend miteinander verbunden sind. Beide Stirnseiten können zweite Sammler aufweisen, die über einen regelbaren Bypass strömungsleitend miteinander verbunden sein können. Durch den Bypass kann der Wassergehalt der Befeuchterluft eingestellt werden und Restfeuchte der Befeuchterluft nach dem Austritt aus dem Befeuchter kann dem Kreislauf wieder zugeführt werden.
  • Bei kompakten Gehäusen, die aufgrund einer kürzeren Ausführung höher ausgebildet sind, um die geforderte Befeuchtungswirkung zu gewährleisten, kann auf der Ober- und/oder Unterseite des Gehäuses ein zusätzlicher Raum vorgesehen sein. Dieser zusätzliche Raum ist offen in Richtung der Fasern und kann jeweils quaderförmig ausgebildet sein und die Ober- und Unterseite des Gehäuses des im Wesentlichen vollständig bedecken. Auf der Oberseite der Wandung des zusätzlichen Raums kann ein Schlitz zur Luftzu- und Luftabführung vorgesehen sein. In dem zusätzlichen Raum sind keine Fasern angeordnet, so dass sich der eingeführte Luftstrom vollständig in dem zusätzlichen Raum verteilt und danach gleichmäßig zwischen die Fasern strömt. Dadurch bildet in dieser Ausführung eine Kreuzströmung mit einem geringeren Druckverlust als bei einer Gegenströmung.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Befeuchters werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
  • 1 den erfindungsgemäßen Befeuchter;
  • 2 den Befeuchter im Längsschnitt;
  • 3 einen Befeuchter mit klammerförmigem zweitem Sammler;
  • 4 den Befeuchter gemäß 4 im Querschnitt;
  • 5 einen Befeuchter mit ringförmigem zweitem Sammler;
  • 6 den Befeuchter gemäß 5 im Querschnitt;
  • 7 das Gehäuse des Befeuchters;
  • 8 eine Faseranordnung des Befeuchters.
  • Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt einen Befeuchter 1, mit einem Gehäuse 2 in dem als wasserdampfdurchlässige Hohlfasermembranen ausgebildete Fasern 3 angeordnet sind. Das Gehäuse 2 ist rechteckförmig und abgeplattet ausgebildet. Das Gehäuse 2 weist an beiden Stirnseiten 6, 14 jeweils einen ersten Sammler 7 auf, durch den ein erster Luftstrom 4 in des Gehäuse 2 zu- und abführbar ist. Der erste Luftstrom 4 wird dabei innerhalb der Fasern 3 geführt. An den beiden Stirnseiten 6, 14 ist darüber hinaus jeweils ein zweiter Sammler 8 angeordnet, wobei der zweite Sammler 8 den ersten Sammler 7 teilweise, in dieser Ausgestaltung rucksackartig, umgibt. Dadurch ist in dieser Ausführung der erste Sammler 7 als innerer Sammler und der zweite Sammler 8 als äußerer Sammler ausgebildet. Der zweite Sammler 8 umgibt zusätzlich teilweise das Gehäuse 2 auf dessen Oberseite 10 und Unterseite 11. Durch den zweiten Sammler 8 ist der zweite Luftstrom 6 in das Gehäuse zu- und abführbar. In einem durch den zweiten Sammler 8 auf der Ober- und der Unterseite 10, 11 des Gehäuses 2 umschlossenen Bereich ist jeweils ein Schlitz 12, 13 eingebracht, der sich über die Breite des Gehäuses 2 erstreckt. Die beiden zweiten Sammler 8 sind über einen Bypass 15 strömungsleitend miteinander verbunden. Der Bypass 15 kann beispielsweise ein Drosselventil zur Regelung des Volumenstroms aufweisen. In dieser Ausgestaltung bildet der erste Luftstrom 4, der innerhalb der Faser 3 geführt ist, eine Zuluft für ein nachgeschaltetes Aggregat, in dieser Ausführung eine PEM-Brennstoffzelle. Der zweite Luftstrom 5, der außerhalb der Faser 3 geführt ist, bildet die wasserdampfhaltige Befeuchterluft, die aus der mit Wasserdampf angereicherten Abluft einer PEM-Brennstoffzelle gebildet sein kann. Der erste und der zweite Luftstrom 4, 6 werden in dieser Ausgestaltung im Gegenstrom geführt, wobei die Strömung des zweiten Luftstroms 6 laminar führbar ist.
  • 2 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß 1 im Längsschnitt. Die beiden Stirnseiten 6, 14 des Gehäuses 2 sind in dieser Ausführung vollständig offen und bilden einen freien Strömungsquerschnitt für den ersten Luftstrom. Der erste Luftstrom 4 verteilt sich dabei im ersten Sammler 7 und strömt über den gesamten Querschnitt der Stirnseiten 6, 14 in die Fasern 3 ein beziehungsweise aus. Die Fasern 3 sind dabei bündelweise zusammengefasst und im Gehäuse 2 angeordnet. Die Strömungsführung des zweiten Luftstroms 5 erfolgt über die zweiten Sammler 8 und über zwei Schlitze 12, 13 in das Gehäuse 2. Dabei werden die Fasern 3 umströmt
  • 3 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß 1, wobei der zweite Sammler 8 das Gehäuse 2 im Bereich der beiden Stirnseiten 6, 14 in dieser Ausführung klammerartig umgibt. In dieser Ausführung sind die Sammler 7, 8 beabstandet voneinander an dem Gehäuse 2 angeordnet. In dem durch den zweiten Sammler 8 bedeckten Bereich des Gehäuse 2 sind Einlassöffnungen in Form von Schlitzen (nicht dargestellt) angeordnet.
  • 4 zeigt den Befeuchter 1 gemäß 3 im Querschnitt. In dem von dem zweiten Sammler 8 bedeckten Bereich weist das Gehäuse 2 an den Kanten eine wulstförmige Strömungsführung 18 auf, um die Strömung zu vergleichmäßigen.
  • 5 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß 1, wobei der zweite Sammler 8 das Gehäuse 2 im Bereich der beiden Stirnseiten 6, 14 in dieser Ausführung ringförmig umgibt. Die Sammler 7, 8 sind beabstandet voneinander an dem Gehäuse 2 angeordnet. In dieser Ausführung sind an allen vier Seiten des Gehäuses 2 in dem durch den zweiten Sammler 8 bedeckten Bereichs schlitzförmige Einlassöffnungen 12, 13 angeordnet.
  • 5 zeigt den Befeuchter 1 gemäß 5 im Querschnitt. In dem von dem zweiten Sammler 8 bedeckten Bereich weist das Gehäuse 2 an den Kanten eine wulstförmige Strömungsführung 18 auf, um die Strömung zu vergleichmäßigen.
  • 7 zeigt ein Gehäuse 2 für einen Befeuchter 1 in einer Ausgestaltung gemäß der vorherigen Figuren. Das Gehäuse 2 ist rechteckförmig und abgeplattet ausgebildet. Die beiden Stirnseiten 6, 14 sind vollständig offen. In dem Gehäuse 2 sind vier Bündel 16 angeordnet, wobei in den Bündeln 16 jeweils eine Vielzahl von Fasern 3 angeordnet sind. Über die Stirnseiten 6, 14 ist der erste Luftstrom 4 führbar, der innerhalb der Fasern 3 geführt ist. Auf der Oberseite 10 und der Unterseite 11 sind jeweils Schlitze 12 und 13 angeordnet. Über die Schlitze 12, 13 ist der zweite Luftstrom 5 führbar.
  • 8 zeigt ein Bündel 16 in dem eine Vielzahl von Fasern 3 zusammengefasst sind. Das Bündel 16 weist an seinen Stirnseiten einen Ring 17 auf, durch den die Fasern 3 stabilisiert sind. Der Ring 17 ist aus Kunstharz gebildet und verklebt die Fasern 3 untereinander, wobei die Zwischenräume der Fasern 3 durchdrungen und damit Luftdicht abgeschlossen sind. Der Außenumfang des Rings 17 bildet eine umlaufende Dichtung. Dadurch können die Bündel 16 derart in einem Gehäuse angeordnet werden, so dass sich der erste Luftstrom 4 und der zweite Luftstrom 5 nicht vermischen können.

Claims (10)

  1. Befeuchter (1), umfassend mindestens ein Gehäuse (2) in dem mehrere als wasserdurchlässige Hohlfasermembranen ausgebildete Fasern (3) angeordnet sind, wobei ein erster Luftstrom (4) innerhalb der Fasern (3) und ein zweiter Luftstrom (5) außerhalb der Fasern (3) führbar ist, wobei das Gehäuse (2) abgeplattet ausgestaltet ist, wobei an zumindest einer Stirnseite (6) des Gehäuses (2) ein erster Sammler (7) angeordnet ist, wobei der erste Luftstrom (4) mittels des ersten Sammlers (7) in die Fasern (3) zu- oder abführbar ist, wobei dem Gehäuse (2) zwei zweite Sammler (8) zugeordnet sind, die über einen regelbaren Bypass (15) strömungsleitend miteinander verbunden sind, wobei der zweite Luftstrom (5) mittels der zweiten Sammler (8) in das Gehäuse zu- oder abführbar ist, wobei die zweiten Sammler (8) das Gehäuse (2) auf der Ober- und Unterseite (10, 11) zumindest teilweise umgeben.
  2. Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftstrom (4) eine wasserdampfhaltige Befeuchterluft für ein nachgeschaltetes Aggregat bildet und der zweite Luftstrom (5) eine Zuluft bildet.
  3. Befeuchter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftstrom (4) und der zweite Luftstrom (5) im Gegenstrom führbar sind.
  4. Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sammler (8) erste Sammler (7) zumindest teilweise umgeben.
  5. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sammler das Gehäuse klammerartig umgeben.
  6. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sammler das Gehäuse ringartig umgeben.
  7. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stirnseite (6) des Gehäuses (2) zumindest einen Schlitz (9, 12, 13) aufweist.
  8. Befeuchter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in durch die zweiten Sammler (8) auf der Ober- und der Unterseite (10, 11) des Gehäuses (2) umschlossenen Bereichen jeweils Schlitze (12, 13) eingebracht sind.
  9. Befeuchter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schlitze (9, 12, 13) im Wesentlichen über die Breite des Gehäuses (2) erstrecken.
  10. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des zweiten Luftstroms (6) innerhalb des Gehäuses (2) laminar führbar ist.
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