DE102007011800B4

DE102007011800B4 - Brennstoffzellenluftbefeuchter

Info

Publication number: DE102007011800B4
Application number: DE102007011800A
Authority: DE
Inventors: Christian König; Thomas Wollstadt; Thomas Hild; Rocco Schöne
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: US7938386B2; US20070210463A1; DE102007011800A1

Abstract

Befeuchter (30), mit:
einem hohlen Gehäuse (32), das einen ersten Gehäuseabschnitt (36) und einen mit dem ersten Gehäuseabschnitt (36) über ein Filmscharnier verbundenen zweiten Gehäuseabschnitt (38) aufweist, und das eine erste Nut (46, 54) und eine zweite Nut (48, 56) aufweist, die in einer Innenfläche (44, 58) desselben ausgebildet sind;
einem Befeuchtungsmodul (34), das ein erstes Ende (72) und ein zweites Ende (76) aufweist, wobei das erste Ende (72) einen ersten radial abstehenden Kragen (70) aufweist und das zweite Ende (76) einen zweiten radial abstehenden Kragen (74) aufweist, wobei der erste Kragen (70) und der zweite Kragen (74) jeweils in der ersten Nut (46, 54) und der zweiten Nut (48, 56) des Gehäuses (32) angeordnet und darin abgedichtet sind, um eine erste Kammer und eine zweite Kammer in dem Gehäuse (32) zu bilden, wobei die erste Kammer derart ausgebildet ist, um ein erstes Fluid aufzunehmen, und die zweite...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere einen Luftbefeuchter für eine Brennstoffzelle, der ein mantelloses Befeuchtungsmodul aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung in Energieverbrauchern, wie Fahrzeugen, beispielsweise als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Ein derartiges System ist in der in gemeinsamem Besitz befindlichen U.S. Patentschrift US 7459227 B2 offenbart, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Brennstoffzellen können auch als stationäre elektrische Energieerzeugungsanlagen in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computer und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor vorzusehen.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, direkt kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden kombiniert, um in der Bildung von Wasser zu resultieren. Es können noch andere Brennstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle abgeleitete synthetische Kraftstoffe.
Der Grundprozess, der von einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist effizient, im Wesentlichen frei von Verschmutzung, leise, frei von beweglichen Teilen (anders als ein Luftkompressor, Kühlgebläse, Pumpen und Aktuatoren) und kann so aufgebaut sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte austreten. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu bezeichnen. Die Vielzahl von Zellen werden typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen gemeinsam in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapeln mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme entworfen werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau zu erzeugen, wodurch eine Konstruktionsflexibilität für verschiedene Anwendungen vorgesehen wird.
Es können verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen sein, wie beispielsweise der Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typen. Die Grundkomponenten einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden gemeinsam eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Bei einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA schichtartig zwischen ”Anoden”- und ”Kathoden”-Diffusionsmedien (nachfolgend ”DM's”) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einen nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie Kohlefaser oder Kohlepapier. Die DM's dienen als die Primärstromkollektoren für die Anode und die Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEA vor. Die DM's und die MEA werden zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stromes von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels in dem Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb des Stapels (in dem Fall von Monopolarplatten an dem Ende des Stapels).
Die Sekundärstromkollektorplatten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die Hauptseiten der Anode und der Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete, die auch als Strömungsfelder bekannt sind, weisen typischerweise eine Vielzahl von Stegen auf, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen dazwischen definieren. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden auf jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle an die Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt. Auf der entgegengesetzten Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle an die Kathode, an der der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden als Nutzenergie durch eine externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und dem Sauerstoff kombiniert, um Wasserdampf an der Kathodenseite zu erzeugen.
Viele Brennstoffzellen verwenden interne Membrane, wie die Brennstoffzelle vom PEM-Typ, die Protonenaustauschmembrane enthält, die auch als Polymerelektrolytmembrane bezeichnet werden. Um in einem gewünschten Wirkungsgradbereich zu arbeiten, ist es erwünscht, die Membrane in einem feuchten Zustand zu halten.
Daher ist es notwendig, ein Mittel zur Beibehaltung der Brennstoffzellenmembrane im feuchten Zustand vorzusehen. Dies hilft Schaden an den Membranen oder eine verkürzte Lebensdauer der Membrane zu vermeiden, wie auch den gewünschten Betriebswirkungsgrad beizubehalten. Die Befeuchtung in einer Brennstoffzelle ist in der in gemeinsamem Besitz befindlichen U.S. Patentanschrift US 7036466 B2 von Goebel et al.; der in gemeinsamem Besitz befindlichen U.S. Offenlegungsschrift US 2006/0029837 A1 von Sennoun et al.; und der in gemeinsamem Besitz befindlichen U.S. Offenlegungsschrift US 2005/0260469 A1 von Forte beschrieben, von denen jedes hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Um ein gewünschtes Feuchtigkeitsniveau beizubehalten, wird häufig ein Luftbefeuchter verwendet, um den in der Brennstoffzelle verwendeten Luftstrom zu befeuchten. Der Luftbefeuchter enthält normalerweise ein rundes oder kastenartiges Luftbefeuchtungsmodul, das in ein Gehäuse des Luftbefeuchters eingebaut ist. Beispiele dieses Typs von Luftbefeuchter sind in der U.S. Patentschrift US 7156379 B2 von Tanihara et al., die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, und in der Patentschrift US 6471195 B2 gezeigt und beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Ein üblicher Aufbau, der dazu verwendet wird, das Luftbefeuchtungsmodul mit dem Gehäuse des Luftbefeuchters abzudichten, ist ein Paar beabstandeter radialer O-Ring-Dichtungselemente. Die O-Ring-Dichtungselemente dichten Luftströme in dem Gehäuse voneinander ab und minimieren eine Luftleckage dazwischen. Solch ein Aufbau wird beispielsweise in der DE 691 12 657 T2 beschrieben.
Die O-Ring-Dichtungselemente besitzen verschiedene Vorteile, wie eine universelle Verfügbarkeit, Verwendbarkeit und Wartbarkeit. Jedoch existieren auch gewisse Nachteile. Die Sitzflächen für die O-Ring-Dichtungen erfordern eine hohe Präzision in der Geometrie der betroffenen Flächen. Zusätzlich wird der Dichtungselementbereich ziemlich voluminös, um einer Bewegung der O-Ring-Dichtungselemente entgegenzuwirken, was in einer Leckage resultiert. Schließlich erfordert das Luftbefeuchtungsmodul ein zusätzliches Gehäuse oder eine interne Abstützung, um dessen Steifigkeit während des Montageprozesses des Luftbefeuchters zu steigern.
Um die geforderte Präzision zu erreichen, ist eine komplexe Herstellung notwendig, was in höheren Kosten resultiert. Das zusätzliche Gehäuse des Luftbefeuchtungsmoduls ist derzeit zur Steigerung der Steifigkeit erforderlich, jedoch erhöht das Gehäuse die Komplexität, die Kosten, das Gewicht wie auch den erforderlichen Einbauraum. Zur Herstellung von Prototypen ist die Verwendung radialer O-Ring-Dichtungselemente akzeptabel, da die Kosten und die Komponentenraumanforderungen nicht so beschränkend sind, wie es für Massenproduktionen erforderlich ist. Jedoch ist die Verwendung der O-Ring-Dichtungselemente in der Massenproduktion nicht praktisch.
Es ist daher erwünscht, einen Befeuchter herzustellen, der ein mantelloses Befeuchtungsmodul aufweist, wobei Dichtungseigenschaften des Befeuchtungsmoduls optimiert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Konsistent und in Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Befeuchter, der ein mantelloses Befeuchtungsmodul aufweist, wobei Dichtungseigenschaften des Befeuchtungsmoduls optimiert sind, überraschend entdeckt worden.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Befeuchter ein hohles Gehäuse, das einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal aufweist, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Nuten bezeichnet werden, die in einer Innenfläche desselben ausgebildet sind; ein Befeuchtungsmodul mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende einen ersten radial abstehenden Kranz und das zweite Ende einen zweiten radial abstehenden Kranz aufweist, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Krägen bezeichnet werden, wobei der erste Kranz und der zweite Kranz jeweils in dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal des Gehäuses angeordnet und darin im Wesentlichen abgedichtet sind, um eine erste Kammer und eine zweite Kammer in dem Gehäuse zu bilden, wobei die erste Kammer derart ausgebildet ist, um ein erstes Fluid aufzunehmen, und die zweite Kammer derart ausgebildet ist, um ein zweites Fluid aufzunehmen; und eine dampfpermeable Membran, die in dem Modul angeordnet und derart ausgebildet ist, um eine Dampfübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu erleichtern.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Befeuchter ein hohles Gehäuse, das einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal aufweist, die in einer Innenfläche desselben ausgebildet sind, wobei das Gehäuse eine erste Einlassöffnung, eine zweite Einlassöffnung, eine erste Auslassöffnung und eine zweite Auslassöffnung, die darin ausgebildet sind, aufweist; ein Befeuchtungsmodul mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende einen ersten radial nach außen verlaufenden Kranz besitzt und das zweite Ende einen zweiten radial nach außen verlaufenden Kran besitzt, wobei jeder der Kränze eine darin geformte Zentralöffnung aufweist, wobei das Modul eine wasserpermeable Membran aufweist, die durch eine Vielzahl von Hohlfasern ausgebildet und zwischen dem ersten Kranz und dem zweiten Kranz angeordnet ist, wobei der erste Kranz und der zweite Kranz jeweils in dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal des Gehäuses angeordnet sind; und ein Dichtungsmaterial, das zwischen jedem des ersten Kranzes und des ersten Kanals und des zweiten Kranzes und des zweiten Kanals angeordnet ist, um eine im Wesentlichen fluiddichte Dichtung zu bilden, wobei das Gehäuse mit dem Dichtungsmaterial und den Kränzen des Moduls zusammenwirkt, um eine erste Kammer und eine zweite Kammer zu bilden, wobei die erste Kammer eine erste Fluidleitung von der ersten Einlassöffnung um ein Äußeres der Fasern der Membran zu der ersten Auslassöffnung vorsieht und die zweite Kammer eine zweite Fluidleitung von der zweiten Einlassöffnung durch die in den Kränzen ausgebildeten Zentralöffnungen und ein Inneres der Fasern der Membran zu der zweiten Auslassöffnung vorsieht.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst der Befeuchter ein hohles Gehäuse, das einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal aufweist, die in einer Innenfläche desselben ausgebildet sind, wobei das Gehäuse eine erste Einlassöffnung, eine zweite Einlassöffnung, eine erste Auslassöffnung und eine zweite Auslassöffnung, die darin ausgebildet sind, aufweist; ein Befeuchtungsmodul mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende einen ersten radial nach außen verlaufenden Kranz und das zweite Ende einen zweiten radial nach außen verlaufenden Kran aufweist, wobei jeder der Kränze eine darin geformte Zentralöffnung aufweist, wobei der erste Kranz und der zweite Kranz jeweils in dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal des Gehäuses angeordnet und darin im Wesentlichen abgedichtet sind, um eine erste Kammer und eine zweite Kammer in dem Gehäuse zu bilden, wobei die erste Kammer eine erste Fluidleitung von der ersten Einlassöffnung zu der ersten Auslassöffnung vorsieht und die zweite Kammer eine zweite Fluidleitung von der zweiten Einlassöffnung durch die in den Kränzen geformten Zentralöffnungen zu der zweiten Auslassöffnung vorsieht; und eine wasserdampfpermeable Membran, die in dem Modul angeordnet und derart ausgebildet ist, um eine Wasserdampübertragung zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu erleichtern.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Luftbefeuchtungsmoduls für einen Befeuchter für eine Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Befeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist und ein Gehäuse des Befeuchters in einem offenen Zustand zeigt, um eine Betrachtung eines in dem Gehäuse angeordneten Luftbefeuchtungsmoduls zu erleichtern; und
3 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht des Luftbefeuchtungsmoduls von 2 ist und einen Anteil des Gehäuses im Schnitt zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt ein Luftbefeuchtungsmodul 10 gemäß dem Stand der Technik. Das Modul 10 ist allgemein zylindrisch mit einem kreisförmigen Querschnitt. Andere Querschnittsformen werden auch verwendet, wie rechtwinklig. Das Modul 10 weist eine darin ausgebildete Längsöffnung 12 auf. Ein Gehäuse (nicht gezeigt) umgibt das Modul 10. Das Gehäuse umfasst einen ersten Einlass (nicht gezeigt) und einen ersten Auslass (nicht gezeigt), die darin geformt sind, um eine Strömung eines ersten Fluides hindurch zu erleichtern, und stehen mit der Öffnung 12 in Verbindung. Ein zweiter Einlass (nicht gezeigt) und ein zweiter Auslass (nicht gezeigt) sind ebenfalls in dem Gehäuse ausgebildet, um eine Strömung eines zweiten Fluides hindurch zu erleichtern, und stehen jeweils mit einem Einlass 27 und einem Auslass 28 des Moduls 10 in Verbindung. Typischerweise sind das erste Fluid und das zweite Fluid Sauerstoff oder Luft mit verschiedenen Wasserdampfpartialdrücken oder Feuchteniveaus, obwohl andere Fluide verwendet werden können.
Jedes Ende des Moduls 10 weist einen ersten Ringwulst 14 und einen beabstandeten zweiten Ringwulst 16 auf. Der erste Ringwulst 14 ist benachbart dem Ende des Moduls 10 angeordnet. Eine Nut 18 ist in einer Außenfläche der ersten Ringwulst 14 ausgebildet. Ein erster O-Ring 20 ist in der Nut 18 angeordnet.
Die zweite Ringwulst 16 ist von der ersten Ringwulst 14 in einer Richtung weg von dem Ende des Moduls 10 beabstandet. Eine Nut 22 ist in einer Außenfläche der zweiten Ringwulst 16 ausgebildet, die einen zweiten O-Ring 24 darin aufnimmt.
Eine Außenwand 26 des Moduls 10 umgibt eine Membran 29, wie eine Hohlfasermembran. Die Membran 29 ist eine wasserdampfpermeable Membran. Es ist erwünscht, dass eine Permeationsrate von Wasserdampf durch die Membran 29 höher als eine Permeationsrate des ersten Fluides und des zweiten Fluides durch die Membran 29 ist. Es ist herausgefunden worden, dass ein Verhältnis der Wasserdampfpermeationsrate zu der Fluidpermeationsrate von 10:1 oder mehr zufrieden stellende Ergebnisse ergibt, obwohl andere Verhältnisse verwendet werden können.
Im Betrieb strömt das erste Fluid in das Gehäuse durch den ersten Einlass, durch die Öffnung 12 und einen Innenanteil der Hohlrohre, die die Membran 29 bilden, und verlässt das Gehäuse durch den ersten Auslass. Das zweite Fluid strömt in den Einlass 27, zwischen den Hohlrohren, die die Membran 29 bilden, um mit einem Außenanteil der Hohlrohre, die die Membran 29 bilden, in Verbindung zu treten, und durch den zweiten Auslass nach außen. Wasserdampf in dem Fluid, das den höheren Wasserdampfpartialdruck aufweist, dringt durch die Membran 29 und in das Fluid ein, das den geringeren Wasserdampfpartialdruck aufweist. Somit ist das Feuchteniveau in dem Fluid, das den höheren Wasserdampfpartialdruck aufweist, reduziert und das Feuchteniveau in dem Fluid, das den geringeren Wasserdampfpartialdruck aufweist, ist erhöht. Der erste O-Ring 20 und der zweite O-Ring 24 wirken einem Mischen des ersten Fluides und des zweiten Fluides durch abdichtenden Eingriff mit einer Innenfläche des Gehäuses entgegen.
2 zeigt einen Befeuchter 30 für einen Luftstrom einer Brennstoffzelle (nicht gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es sei zu verstehen, dass der Befeuchter 30 gegebenenfalls bei anderen Anwendungen ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung verwendet werden kann. Der Befeuchter 30 weist ein Gehäuse 32 und ein Luftbefeuchtungsmodul 34 auf, das in dem Gehäuse 32 angeordnet ist. Das Gehäuse 32 besitzt eine allgemein zylindrische Form mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Querschnittsformen verwendet werden können. Das Gehäuse 32 umfasst einen ersten Gehäuseabschnitt 36 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 38, wobei der erste Abschnitt 36 und der zweite Abschnitt 38 über ein Filmscharnier verbunden sind. Das Gehäuse 32 ist in 2 in einer offenen Position gezeigt.
Der erste Abschnitt 36 bildet einen hohlen Innenraum 42. Der Innenraum 42 des ersten Abschnitts 36 ist derart ausgebildet, um einen Anteil des Luftbefeuchtungsmoduls 34 darin aufzunehmen. Eine Innenfläche 44 des ersten Abschnitts 36 umfasst einen ersten Kanal 46 und einen zweiten Kanal 48, die darin geformt sind. Eine erste Einlassöffnung 50 ist in dem ersten Abschnitt 36 geformt und derart ausgebildet, um eine Fluidverbindung zwischen einer Quelle eines ersten Fluids und dem hohlen Innenraum 42 des ersten Abschnitts 36 vorzusehen. Typischerweise ist das erste Fluid Sauerstoff oder Luft, obwohl andere Fluide verwendet werden können.
Ein erstes Ende 39 des ersten Abschnitts 36 besitzt eine zweite Einlassöffnung 40, die darin geformt ist, und ein zweites Ende 41 des ersten Abschnitts 36 besitzt eine zweite Auslassöffnung 43, die darin geformt ist. Die zweite Einlassöffnung 40 ist derart ausgebildet, um eine Fluidverbindung mit einer Quelle eines zweiten Fluids und dem Innenraum 42 des ersten Abschnitts 36 vorzusehen. Die zweite Auslassöffnung 43 ist derart ausgebildet, um das zweite Fluid von dem hohlen Innenraum 42 des ersten Abschnitts 36 auszutragen. Typischerweise ist das zweite Fluid Sauerstoff oder Luft, obwohl andere Fluide verwendet werden können. Zusätzlich können das erste Fluid und das zweite Fluid unterschiedliche Wasserdampfpartialdrücke oder Feuchteniveaus besitzen.
Der zweite Abschnitt 38 besitzt einen darin geformten hohlen Innenraum 52. Der Innenraum 52 des zweiten Abschnitts 38 ist derart ausgebildet, um einen Anteil des Luftbefeuchtungsmoduls 34 aufzunehmen. Der Innenraum 42 des ersten Abschnitts 36 und der Innenraum 52 des zweiten Abschnitts 38 wirken zusammen, um eine hohle Kammer in dem Gehäuse 32 zu formen, die das Luftbefeuchtungsmodul 34 darin aufnimmt.
Ein erster Kanal 54 und ein zweiter Kanal 56 sind in einer Innenfläche 58 des zweiten Abschnitts 38 geformt, wie deutlicher in 3 gezeigt ist. Der erste Kanal 54 und der zweite Kanal 56 des zweiten Abschnitts 38 sind jeweils mit dem ersten Kanal 46 und dem zweiten Kanal 48 des ersten Abschnitts 36 ausgerichtet, um einen ersten Ringkanal und einen zweiten Ringkanal in dem Gehäuse 32 zu formen. Eine erste Auslassöffnung 60 ist in dem zweiten Abschnitt 38 geformt und derart ausgebildet, um das erste Fluid von dem hohlen Innenraum 52 des zweiten Abschnitts 38 auszutragen. Es sei angemerkt, dass die erste Einlassöffnung 50 und die erste Auslassöffnung 60 gegebenenfalls an einer beliebigen Stelle an dem ersten Abschnitt 36 und dem zweiten Abschnitt 38 geformt sein können.
Ein erstes Ende 62 des zweiten Abschnitts 38 besitzt eine zweite darin ausgebildete Einlassöffnung 64, und ein zweites Ende 66 des zweiten Abschnitts 38 besitzt eine zweite darin ausgebildete Auslassöffnnug 65. Die zweite Einlassöffnung 64 ist derart ausgebildet, um eine Fluidverbindung mit der Quelle eines zweiten Fluids und dem Innenraum 52 des zweiten Abschnitts 38 vorzusehen. Die zweite Auslassöffnung 65 ist derart ausgebildet, um das zweite Fluid von dem hohlen Innenraum 52 des zweiten Abschnitts 38 auszutragen. Wenn der erste Abschnitt 36 und der zweite Abschnitt 38 zusammengebaut sind, um das Gehäuse 32 zu bilden, wirken die zweite Einlassöffnung 40 und die zweite Einlassöffnung 64 zusammen, um eine zweite Einlassöffnung des Gehäuses 32 zu bilden, und die zweite Auslassöffnung 43 und die zweite Auslassöffnung 65 wirken zusammen, um eine zweite Auslassöffnung des Gehäuses 32 zu bilden.
Das Modul 34 besitzt eine allgemein zylindrische Form mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Querschnittsformen verwendet werden können. Ein radial nach außen verlaufender Ringkranz 70 ist an einem ersten Ende 72 des Moduls 34 geformt, und ein radial nach außen verlaufender Ringkranz 74 ist an einem zweiten Ende 76 des Moduls 34 geformt. Eine Öffnung 68 ist in jedem der Kränze 70, 74 geformt. Die Kränze 70, 74 sind derart ausgebildet, um jeweils in dem ersten Kanal 54 und dem zweiten Kanal 56 angeordnet zu werden.
Ein Dichtungsmaterial 78 ist zwischen den Kränzen 70, 74 und Wänden, die die Kanäle 54, 56 bilden, angeordnet, um eine im Wesentlichen luftdichte Dichtung dazwischen zu erzeugen. Obwohl das Dichtungsmaterial 78 ein herkömmliches Dichtungsmaterial sein kann, hat sich herausgestellt, dass ein viskoses flüssiges Dichtungsmaterial, wie beispielsweise Klebstoff, zufrieden stellende Ergebnisse erzielt hat. Es sei auch zu verstehen, dass Dichtungselemente, wie verformbare Dichtungselemente verwendet werden können. Andere herkömmliche Dichtungsmaterialien, die derart verwendet werden können, umfassen beispielsweise einen UV-härtbaren elastischen Klebstoff, ein Polyurethan, einen Silikongummi, ein thermoplastisches Elastomer und einen Heißschmelzklebstoff.
Eine wasserpermeable Membran 80 des Moduls 34 ist zwischen den Kränzen 70, 74 angeordnet. Es ist erwünscht, dass eine Permeationsrate von Wasserdampf durch die Membran größer als eine Permeationsrate des ersten Fluides und des zweiten Fluides durch die Membran ist. Es hat sich herausgestellt, dass ein Verhältnis der Wasserdampfpermeationsrate zu der Fluidpermeationsrate von 10:1 oder mehr zufrieden stellende Ergebnisse erzielt hat. Es sei jedoch zu verstehen, dass andere Verhältnisse ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung verwendet werden können.
Die Membran 80 umfasst typischerweise eine große Anzahl (allgemein im Bereich von mehreren zehntausend bis hunderttausend) Hohlfasermembrane, die annähernd parallel gebündelt sind, um ein Hohlfasermembranbündel zu bilden, obwohl mehr oder weniger Hohlfasermembrane verwendet werden können. Zusätzlich können gegebenenfalls andere Membrantypen verwendet werden. Die Enden der Hohlfasermembrane werden in einem offenen Zustand gehalten. Die Hohlfasermembrane können in einen so genannten gekörperten Zustand gebündelt sein, indem die Hohlfasermembrane bezüglich einer Axialrichtung des Hohlfasermembranbündels abwechselnd überkreuz angeordnet werden.
Die Membran 80 kann eine beliebige herkömmliche wasserpermeable Membran sein und kann entweder eine poröse Membran oder eine nichtporöse Membran sein. Eine nichtporöse Membran ist typischerweise erstrebenswerter, da die poröse Membran zulässt, dass von Wasserdampf verschiedene Komponenten hindurchgelangen können. Zusätzlich besitzt die Membran 80 bevorzugt Materialeigenschaften (Wärmebeständigkeit, chemische Beständigkeit, Haltbarkeit und Hydrolysebeständigkeit), die zur Verwendung mit Wasserdampf oder Sauerstoffgas bei einer hohen Temperatur von etwa 80 Grad Celsius geeignet sind. Die poröse Membran kann aus einem beliebigen herkömmlichen porösen Material hergestellt werden, wie beispielsweise Perfluorkohlenwasserstoffharz, das eine Sulfonsäuregruppe aufweist, Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyvinylidenfluoridharz, Polyethylentetrafluoridharz, Polysulfonharz, Polyethersulfonharz, Polyamidharz, Polyamidimidharz, Polyetherimidharz, Polycarbonatharz und aus Zellulose abgeleitetes Harz. Die nichtporöse Membran kann aus einem beliebigen herkömmlichen nicht porösen Material hergestellt werden, wie beispielsweise Polyimidharz, Polysulfonharz, Perfluorkohlenwasserstoffharz, das eine Sulfonsäuregruppe aufweist, Polyethersulfonharz, Polyamidharz, Polyamidimidharz, Polyetherimidharz, Polycarbonatharz, Polyphenylenoxidharz, Polyacetylenharz und von Zellulose abgeleitetes Harz.
Der Befeuchter 30 wird dadurch zusammengebaut, dass das Dichtungsmaterial 78 auf zumindest eine der Flächen, die die Kanäle 46, 48, 54, 56 bilden, und die Kränze 70, 74 aufgebracht wird. Wenn ein viskoses flüssiges Dichtungsmaterial 78 verwendet wird, erfolgt die Aufbringung typischerweise kurz vor einem Einsetzen der Kränze 70, 74 in die Kanäle 54, 56. Das viskose flüssige Dichtungsmaterial 78 klebt auch die Kränze 70, 74 an die Flächen, die die Kanäle 46, 48, 54, 56 bilden. Alle Räume oder Poren zwischen den Kränzen 70, 74 und den Flächen, die die Kanäle 46, 48, 54, 56 bilden, werden von dem Dichtungsmaterial 78 besetzt.
Der erste Abschnitt 36 wird dann an dem zweiten Abschnitt 38 angeordnet, um die Kränze 70, 74 in die Kanäle 46, 48 einzusetzen. Der erste Abschnitt 36 und der zweite Abschnitt 38 werden dann verbunden, um das Gehäuse 32 zu bilden. Es kann jedes herkömmliche Verbindungsverfahren verwendet werden, um den ersten Abschnitt 36 mit dem zweiten Abschnitt 38 zu verbinden, wie beispielsweise durch Kleben oder Schweißen. Im zusammengebauten Zustand wirkt das Gehäuse 32 mit dem Dichtungsmaterial 78 und den Kränzen 70, 74 zusammen, um zwei separate Kammern in dem Gehäuse 32 zu bilden. Die erste Kammer sieht eine erste Fluidleitung von der ersten Einlassöffnung 50, die in dem ersten Abschnitt 36 ausgebildet ist, um ein Äußeres der Fasern der Membran 80 herum zu der ersten Auslassöffnung 60 vor, die in dem zweiten Abschnitt 38 ausgebildet ist. Die zweite Kammer sieht eine zweite Fluidleitung von der zweiten Einlassöffnung des Gehäuses 32, durch die Öffnungen 68, die in den Kränzen 70, 74 ausgebildet sind, und einen Innenanteil der Fasern, die die Membran 80 des Moduls 34 bilden, zu der zweiten Auslassöffnung des Gehäuses 32 vor.
Nach der Aufbringung des Dichtungsmaterials 78 und dem Einsetzen der Kränze 70, 74 in die Kanäle 46, 48, 54, 56 kann das Dichtungsmaterial 78 gegebenenfalls verfestigt oder polymerisiert werden. Das Dichtungsmaterial 78 kann lichtinduziert oder chemisch induziert polymerisiert werden. Zusätzlich kann das Dichtungsmaterial 78 gehärtet oder einfach abgekühlt werden, um die Schnittstelle zwischen den Kränzen 70, 74 und den die Kanäle 54, 56 bildenden Flächen abzudichten.
Aufgrund der Verwendung des Dichtungsmaterials 78 brauchen die Kanäle 54, 56 nicht präzise geformt werden, da das Dichtungsmaterial 78 alle Räume oder Poren, die zwischen den Kränzen 70, 74 und den die Kanäle 54, 56 bildenden Flächen ausgebildet sind, besetzt. Zufrieden stellende Ergebnisse sind unter Verwendung des Dichtungsmaterials 78 mit Kanälen 54, 56, die eine Tiefe von etwa 0,1 bis 5 mm aufweisen, erhalten worden. Es sei zu verstehen, dass Kanäle, die andere Tiefen aufweisen, verwendet werden können.
In Betrieb strömt das erste Fluid durch die erste Einlassöffnung 50, um ein Äußeres der Fasern der Membran 80 herum, um mit dem Außenanteil der Fasern in Verbindung zu treten, und aus der ersten Auslassöffnung 60 heraus. Das zweite Fluid strömt in das Gehäuse 32 durch die zweite Einlassöffnung des Gehäuses, durch die Öffnungen 68, die in den Kränzen 70, 74 ausgebildet sind, und den Innenanteil der Fasern, die die Membran 80 des Moduls 34 bilden, und verlässt das Gehäuse 32 durch die zweite Auslassöffnung des Gehäuses. Wasserdampf in dem Fluid, das den höheren Wasserdampfpartialdruck aufweist, dringt durch die Membran 80 in das Fluid ein, das den geringeren Wasserdampfpartialdruck aufweist. Somit wird das Feuchteniveau in dem Fluid, das den höheren Wasserdampfpartialdruck aufweist, verringert, und das Feuchteniveau in dem Fluid, das den geringeren Wasserdampfpartialdruck aufweist, wird erhöht. Typischerweise ist das erste Fluid dasjenige Fluid, das den höheren Wasserdampfpartialdruck aufweist, und das zweite Fluid ist dasjenige Fluid, das den geringeren Wasserdampfpartialdruck aufweist. Die im Wesentlichen luftdichte Dichtung, die durch das Dichtungsmaterial 78 erzeugt wird, hilft, dass das Dichtungsmaterial 78 einem Mischen des ersten Fluides mit dem zweiten Fluid entgegenwirkt.
Der Befeuchter 30, der das Gehäuse 32 aufweist, das aus zwei Abschnitten 36, 38 hergestellt ist, minimiert eine Komplexität bei der Herstellung. Aufgrund der minimierten Komplexität der Herstellung sind dessen Kosten minimiert. Auch ist die Zuverlässigkeit der durch das Dichtungsmaterial 78 erzeugten Dichtung maximiert.

Claims

Befeuchter (30), mit: einem hohlen Gehäuse (32), das einen ersten Gehäuseabschnitt (36) und einen mit dem ersten Gehäuseabschnitt (36) über ein Filmscharnier verbundenen zweiten Gehäuseabschnitt (38) aufweist, und das eine erste Nut (46, 54) und eine zweite Nut (48, 56) aufweist, die in einer Innenfläche (44, 58) desselben ausgebildet sind; einem Befeuchtungsmodul (34), das ein erstes Ende (72) und ein zweites Ende (76) aufweist, wobei das erste Ende (72) einen ersten radial abstehenden Kragen (70) aufweist und das zweite Ende (76) einen zweiten radial abstehenden Kragen (74) aufweist, wobei der erste Kragen (70) und der zweite Kragen (74) jeweils in der ersten Nut (46, 54) und der zweiten Nut (48, 56) des Gehäuses (32) angeordnet und darin abgedichtet sind, um eine erste Kammer und eine zweite Kammer in dem Gehäuse (32) zu bilden, wobei die erste Kammer derart ausgebildet ist, um ein erstes Fluid aufzunehmen, und die zweite Kammer derart ausgebildet ist, um ein zweites Fluid aufzunehmen; und einer dampfpermeablen Membran (80), die in dem Modul (34) angeordnet und derart ausgebildet ist, um eine Dampfübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu erleichtern.
Befeuchter nach Anspruch 1, mit einem Dichtungsmaterial (78), das zwischen sowohl dem ersten Kragen (70) als auch dem zweiten Kragen (74) und dem Gehäuse (32) angeordnet ist, um eine im Wesentlichen fluiddichte Dichtung zu bilden.
Befeuchter nach Anspruch 2, wobei das Dichtungsmaterial (78) aus einem Klebstoff, einem UV-härtbaren elastischen Klebstoff, einem Polyurethan, einem Silikongummi, einem thermoplastischen Elastomer und/oder einem Heißschmelzklebstoff besteht.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei eine Permeationsrate von Dampf durch die Membran (80) höher als eine Permeationsrate des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids durch die Membran (80) ist.
Befeuchter nach Anspruch 4, wobei ein Verhältnis der Permeationsrate von Dampf zu der Permeationsrate des ersten Fluides und/oder des zweiten Fluides zumindest 10 zu 1 ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die Membran (80) durch eine Vielzahl von Hohlfasern gebildet ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die Membran (80) eine poröse Membran ist.
Befeuchter nach Anspruch 7, wobei die poröse Membran (80) ein Perfluorkohlenwasserstoffharz, das eine Sulfonsäuregruppe aufweist, ein Polyethylenharz, ein Polypropylenharz, ein Polyvinylidenfluoridharz, ein Polysulfonharz, ein Polyethersulfonharz, ein Polyamidharz, ein Polyamidimidharz, ein Polyetherimidharz, ein Polycarbonatharz und/oder ein aus Zellulose abgeleitetes Harz ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die Membran (80) eine nichtporöse Membran ist.
Befeuchter nach Anspruch 9, wobei die nichtporöse Membran (80) ein Polyimidharz, ein Polysulfonharz, ein Perfluorkohlenwasserstoffharz, das eine Sulfansäuregruppe aufweist, ein Polyethersulfonharz, ein Polyamidharz, ein Polyamidimidharz, ein Polyetherimidharz, ein Polycarbonatharz, ein Polyphenylenoxidharz, ein Polyacetylenharz und/oder ein von Zellulose abgeleitetes Harz ist.
Befeuchter nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Hohlfasern die parallel gebündelt sind.
Befeuchter nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Hohlfasern in einen geköperten Zustand gebündelt sind.