DE102008028832A1 - Befeuchter - Google Patents

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Abstract

Befeuchter (1), umfassend Hohlfasern (2), die in Lagen (3) angeordnet sind und durch ein Verbindungsmittel fixiert sind, wobei das Verbindungsmittel in mehreren Spuren (4) auf den Lagen (3) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit Hohlfasern.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 101 02 358 ist ein Befeuchter zur Befeuchtung einer Brennstoffzellen-Zuluft bekannt. 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 Anzahl wasserdurchlässiger Hohlfasermembranen angeordnet sind. Ein erster Luftstrom bildet einen wasserführenden Luftstrom und ein zweiter Luftstrom bildet einen wasseraufnehmenden Luftstrom. Ein Luftstrom umspült die Hohlfasern und der andere Luftstrom wird durch die Hohlfasern hindurch geführt. Um zu verhindern, dass sich die Hohlfasern stellenweise zusammenballen und dadurch den Stoffaustausch behindern, werden die Hohlfasern mit Abstandshaltern versehen, in dem sie beispielsweise einzeln oder in Gruppen aufwendig mit einem Garn umwickelt werden.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter kostengünstig und mit hoher Effizienz herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Zur Lösung der Aufgabe umfasst der Befeuchter Hohlfasern, die in Lagen angeordnet sind und durch ein Verbindungsmittel fixiert sind, wobei das Verbindungsmittel in mehreren Spuren auf den Lagen angeordnet ist. Das Verbindungsmittel haftet an den Hohlfasern und fixiert diese untereinander. Die Hohlfasern können sehr flexibel und in verschiedensten Mustern zueinander ausgerichtet werden. Das Verbindungsmittel, welches nach dem Ausrichten in Spuren aufgebracht wird, fixiert die Hohlfasern, so dass zusätzliche Abstandshalter entfallen können. Das Verbindungsmittel ist ein Mittel, welches vorzugsweise in flüssiger oder pastöser Form auf die Hohlfasern aufgebracht wird und dadurch eine besonders flexible Ausgestaltung der Spuren erlaubt und anschließend aushärtet. Wobei je nach Material zum Aushärten eine Nachbehandlung, beispielsweise eine thermische Behandlung, durchgeführt werden kann. Die Spuren der einzelnen Lagen können deckungsgleich auf den Lagen angeordnet werden oder einen Versatz aufweisen, durch den sich die Spuren teilweise überdecken. Da das Verbindungsmittel flüssig oder pastös aufgebracht wird, durchdringen sich die Spuren teilweise und es entsteht eine durchgehende Schicht, die von den Hohlfasern durchdrungen wird, wobei das Verbindungsmittel die Hohlfasern dichtend umschließt. Es ist auch denkbar einen Befeuchter mit flächigen Austauschermembranen bereit zu stellen, wobei die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel die Austauschermembranen aneinander fixieren und gleichzeitig die Abstandshalter zwischen den Austauschermembranen bilden. Auch bei dieser Ausgestaltung ist denkbar, die Verbindungsmittel so anzuordnen, dass sich zwischen den Austauschermembranen eine mäanderförmige Strömungsführung und dadurch lange Verweilzeiten des durchströmenden Mediums ergeben.
  • Die Spuren können Trennschichten bilden. Die Spur ist demnach für den außen um die Hohlfasern gelenkten Luftstrom undurchlässig und bildet somit eine Luftführung. Die Anordnung der Spuren, also deren Länge, Lage und Ausrichtung bestimmt die Strömung innerhalb der Hohlfaserlagen. Die Spuren können neben der Fixierung der Hohlfasern auch zur Verbesserung der inneren Luftführung eingesetzt werden.
  • Die Spuren können quer zu den Hohlfasern ausgerichtet sein. In anderen Ausgestaltungen können die Spuren auch geneigt zu den Hohlfasern ausgerichtet sein. Die Ausrichtung der Spuren bestimmt die Luftführung innerhalb der Hohlfaserlagen, wobei der Luftstrom bei einer Anordnung der Spuren quer zu den Hohlfasern im Kreuzstrom durch die Hohlfaserlagen geführt wird.
  • Ein Teil der Spuren kann kürzer sein als die Breite der Lagen. Dabei können mehrere dieser kürzeren Spuren benachbart zueinander auf den Lagen angeordnet sein. Dabei können die Spuren so ausgerichtet sein, dass sich eine labyrinthartige Strömungsführung ergibt, bei der der Luftstrom einfach oder mehrfach um 180° umgelenkt wird. Dazu wird ein Teil der Spuren an einer Längsseite und ein anderer Teil der Spuren an der gegenüber liegenden Längsseite der Lagen angeordnet. Da die Länge der Spuren und deren Anordnung besonders einfach angepasst werden können, kann je nach Anforderung die Strömungsführung jederzeit angepasst werden. Durch die Strömungsführung verbessert sich der Stoffaustausch innerhalb der Lagen. Die Strömung kann im alternierenden Kreuzgegenstrom geführt werden. Durch die alternierende Luftführung vergleichmäßigt sich der Feuchtegradient. Ein zusätzlicher Mischer, der zusätzliche Kosten und einen weiteren Druckverlust verursacht, kann daher entfallen.
  • Die den Stirnseiten zugeordneten Spuren können sich über die gesamte Breite der Lagen erstrecken. Diese beiden Spuren bilden eine Trennschicht, die verhindert, dass der die Hohlfasern umströmende Luftstrom über die Stirnseiten die Hohlfaserlagen verlässt und sich dort mit dem in die Hohlfasern strömenden Luftstrom vermischt. Die Spuren können auch die Lagen allseitig überragen und nach Montage in ein Gehäuse dichtend an der Gehäusewandung anliegen und dadurch den die Hohlfasern umströmenden Luftstrom gegenüber dem die Hohlfasern durchströmenden Luftstrom sowie der Umgebung trennen.
  • Das Verbindungsmittel kann ein Elastomer sein. Elastomere Werkstoffe sind einfach zu verarbeiten und haften je nach Ausgestaltung dichtend an den Hohlfasern, ohne dass es einer Vorbehandlung der Hohlfasern bedarf. Des Weiteren können die Hohlfaserlagen anschließend noch verformt oder gebogen werden, beispielsweise um die Lagen einfacher montieren zu können.
  • Die Hohlfasern können an deren Stirnseiten mit einem weiteren festen Verbindungsmittel fixiert sein. Das feste Verbindungsmittel bewirkt eine Stabilisierung der Lagen, so dass sich diese bei einer Anströmung eines Luftstroms über die Stirnseiten nicht verformen. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, dass die den Stirnseiten zugeordneten durchgehenden Spuren als Trennschicht wirken und verhindern, dass das feste Verbindungsmittel, häufig ein harzhaltiges Mittel, über die Spuren hinaus in die Lagen eindringt. Dazu war es bisher bekannt, die Lagen in Rotation zu versetzen, so dass das feste Verbindungsmittel aufgrund der Fliehkräfte daran gehindert war, durch Kapillarwirkung zu sehr in die Lagen einzudringen. Durch die Ausbildung der Spuren als Trennschicht kann dieser Verfahrensschritt entfallen und es vereinfacht sich die Herstellung eines Befeuchters.
  • Insbesondere ist es möglich, die Lagen mit Hohlfasern in ein Gehäuse zu integrieren und erst anschließend mit dem festen Verbindungsmittel zu versehen, welches dann auch gleichzeitig die Hohlfaserlagen in dem Gehäuse fixiert. Da das feste Verbindungsmittel unmittelbar an die Spur angrenzt, die aus einem flexiblen Material besteht, verringert sich die Kerbspannung in der Hohlfaser, so dass die Hohlfasern ohne zu brechen gebogen werden können.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters nach einem der vorherigen Ansprüche gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst: Anordnen von Hohlfasern in einer ersten Lage, Aufbringen eines Verbindungsmittels in mehreren Spuren, Anordnen einer weiteren Lage auf die erste Lage, Aufbringen eines Verbindungsmittels auf die weitere Lage und Wiederholung der zuvor beschriebenen Schritte bis die gewünschte Anzahl von Lagen vorliegen. Durch den lagenweisen Aufbau können die Ausrichtung und der Abstand der Lagen zueinander in jeder Lage geändert werden und so optimal auf die Einsatzbedingungen angepasst werden. Zusätzliche aufwendige Verfahrensschritte, um den Abstand der Hohlfasern zueinander zu gewährleisten, können entfallen. Es ist insbesondere nicht notwendig, jede Hohlfaser separat mit einem Abstandshalter zu versehen. Das Ausrichten der Hohlfasern und das Aufbringen der Spuren lassen sich einfach automatisieren, so dass Hohlfaserlagen mit einer wiederholbaren hohen Qualität bei gleichzeitig geringen Herstellkosten hergestellt werden können.
  • Die Spuren der einzelnen Lagen können sich zumindest teilweise überdecken und durchdringen. Dadurch verbinden sich die Spuren der einzelnen Lagen und bewirken auch eine Verbindung der Lagen untereinander und der Abstand der übereinander angeordneten Hohlfasern ist ebenfalls gewährleistet.
  • Die Lagen können mit dem Verbindungsmittel im Anschluss wärmebehandelt werden. Eine Wärmebehandlung kann, bei einer Verwendung eines elastomeren Materials, den Vernetzungsprozess des Verbindungsmittels unterstützen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Befeuchters werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
  • 1 bis 4 das Herstellverfahren eines erfindungsgemäßen Befeuchters;
  • 5 Hohlfaserlagen mit zusätzlichen festen Verbindungsmitteln an den Stirnseiten.
  • Ausführung der Erfindung
  • In den 1 bis 4 ist die Herstellung eines Befeuchters gezeigt, wobei gemäß 1 zunächst eine Lage 3 bestehend aus Hohlfasern 2 gebildet wird. Der Abstand und die Ausrichtung der Hohlfasern zueinander richtet sich nach den Anforderungen an den Befeuchter 1. In einem anschließenden Schritt gemäß 2 werden die in der Lage 3 angeordneten Hohlfasern 2 durch ein Verbindungsmittel, hier ein Elastomer bestehend aus einem Polyolefin fixiert, wobei das Verbindungsmittel in mehreren Spuren 4, die quer zu den Hohlfasern 2 ausgerichtet sind, auf der Lage 3 angeordnet ist. Anschließend wird, wie in 3 gezeigt, eine weitere Lage 3.1 auf der ersten Lage 3 angeordnet, wobei die Hohlfasern der weiteren Lage 3.1 ebenfalls durch Spuren 4 eines Verbindungsmittels fixiert werden, wie in 4 gezeigt wird. Dabei überdecken sich die Spuren 4 der Lagen 3, 3.1 und durchdringen sich teilweise und bilden dadurch eine Trennschicht, die sich quer zu den Fasern erstreckt. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Anzahl an Lagen 3.x vorliegt. Im Anschluss werden die Lagen 3, 3.1, ..., 3.x wärmebehandelt, um die Vernetzung des Verbindungsmittels zu beschleunigen.
  • Die den Stirnseiten 5 der Lagen 3, 3.1, ..., 3.x zugeordneten Spuren 4 erstrecken sich über die gesamte Breite der Lagen 3, 3.1, ..., 3.x und ragen umfangsseitig über diese hinaus. Die zwischen diesen Spuren 4 angeordneten weiteren Spuren 4 sind quer zu den Hohlfasern 2 ausgerichtet, kürzer als die Breite der Lagen 3, 3.1, ..., 3.x und versetzt zueinander angeordnet, wodurch sich eine labyrinthartige Strömungsführung ergibt. Dabei bilden die Spuren 4 eine Trennschicht für das die Hohlfasern 2 umströmende Medium.
  • 5 zeigt die Lagen 3, 3.1, ..., 3.x eines Befeuchters 1 nach deren Herstellung und Nachbehandlung. Die Lagen 3, 3.1, ..., 3.x können so ausgebildet sein, dass sie für einen im Querschnitt runden oder rechteckigen Befeuchter geeignet sind. Die Hohlfasern 2 sind an deren Stirnseiten 5 mit einem weiteren festen Verbindungsmittel 6 fixiert. Das feste Verbindungsmittel 6 besteht in dieser Ausführung aus einem Epoxydharz. Zum Auftragen des festen Verbindungsmittels 6 werden die Lagen 3, 3.1, ..., 3.x in Epoxydharz getaucht, wobei die Stirnseiten der Hohlfasern 2 zuvor verschlossen wurden. Die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 2 werden mit dem festen Verbindungsmittel getränkt, wobei die den Stirnseiten zugeordneten durchgehenden Spuren 4 das feste Verbindungsmittel verhindern, dass auch die Zwischenräume im inneren der Lagen 3, 3.1, ..., 3.x getränkt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10102358 [0002]

Claims (11)

  1. Befeuchter (1), umfassend Hohlfasern (2), die in Lagen (3) angeordnet sind und durch ein Verbindungsmittel fixiert sind, wobei das Verbindungsmittel in mehreren Spuren (4) auf den Lagen (3) angeordnet ist.
  2. Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (4) Trennschichten bilden.
  3. Befeuchter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (4) quer zu den Hohlfasern (2) ausgerichtet sind.
  4. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Spuren (4) kürzer ist als die Breite der Lagen (3).
  5. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die den Stirnseiten (5) zugeordneten Spuren (4) über die gesamte Breite der Lagen (3) erstrecken.
  6. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel ein Elastomer ist.
  7. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (4) eine Strömungsführung bilden.
  8. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (2) an deren Stirnseiten (5) mit einem weiteren festen Verbindungsmittel (6) fixiert sind.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassen die folgenden Schritte: – Anordnen von Hohlfasern (2) in einer ersten Lage (3) – Aufbringen eines Verbindungsmittels in mehreren Spuren (4) – Anordnen einer weiteren Lage (3.1) auf die erste Lage (3) – Aufbringen eines Verbindungsmittels auf die weitere Lage (3.1) – Wiederholung der zuvor beschriebenen Schritte bis die gewünschte Anzahl von Lagen (3.x) vorliegen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spuren (4) der einzelnen Lagen (3) zumindest teilweise überdecken und durchdringen.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (3) mit dem Verbindungsmittel im Anschluss wärmebehandelt werden.
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