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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung und insbesondere eine Wasserdampfübertragungsbaugruppe zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Brennstoffzellensystem wird zunehmend als Leistungsquelle in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Das Brennstoffzellensystem wurde zum Beispiel zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann auch als ortsfestes Stromaggregat in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise umfasst das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, um elektrischen Strom zu erzeugen, der zum Laden von Batterien oder zum Liefern von Leistung zu einem Elektromotor verwendet wird.
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Eine typische Brennstoffzelle ist als Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt, die einen Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff kombiniert, um elektrischen Strom und Wasser zu erzeugen. Der Sauerstoff wird allgemein durch einen Luftstrom zugeführt. Um in einem erwünschten Effizienzbereich zu arbeiten, sollte eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembranen der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden. Die ausreichende Befeuchtung verlängert wünschenswerterweise die Lebensdauer der Elektrolytmembranen in der Brennstoffzelle und wahrt auch die erwünschte Betriebseffizienz.
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Als Teil des Brennstoffzellensystems kann eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT-Vorrichtung, kurz vom engl. Water Vapor Transfer) genutzt werden, um den in den Brennstoffzellenstapel eindringenden Luftstrom zu befeuchten. Die WVT-Vorrichtung überträgt Wasserdampf von einem Abgasstrom von dem Brennstoffzellenstapel zu einem in den Brennstoffzellenstapel eindringen Einspeisestrom. Dies wird im Allgemeinen durch Verwenden einer Wasserdampfübertragungsmembran verwirklicht, die nur Wasserdampf durchtreten lässt. Diese Membran ist typischerweise dauerhaft an einer Diffusionsmedienschicht, die als Separator bezeichnet wird und die Gasströmung steuert, angebracht.
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In der U.S. Patentanm. Veröffentl. Nr. 2009/0092863 für Skala, deren gesamte Offenbarung hierin hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, wird eine beispielhafte WVT-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem offenbart. Skala beschreibt eine Platte für eine WVT-Vorrichtung mit einer oberen Schicht, die aus einem Diffusionsmedium gebildet ist, und einer unteren Schicht, die aus einem Diffusionsmedium gebildet ist. Zwischen der oberen und unteren Diffusionsmediumschicht ist eine Anordnung von im Wesentlichen ebenen, länglichen Bändern angeordnet, um die einzelne Platte der WVT-Vorrichtung zu bilden. An mindestens einer von oberer und unterer Diffusionsmediumschicht haftet eine Membran an.
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Die WVT-Vorrichtung kann als Teil eines Brennstoffzellensystems verwendet werden, um einen in den Brennstoffzellenstapel eindringen Luftstrom zu befeuchten. Es ist bekannt, die WVT-Vorrichtung in einem Gehäuse zusammenzubauen und die WVT-Baugruppe in ein Brennstoffzellenmodul, wie etwa eine untere Endeinheit (LEU, kurz vom engt. Lower End Unit) des Brennstoffzellensystems, zu integrieren. Die WVT wird sowohl von trockenen Strömen als auch nassen Ströme durchströmt. Der trockene Strom ist der Luftstrom zu einem Kathodeneinlass des Brennstoffzellensystems und wird im Allgemeinen mittels eines Kompressors aus der Atmosphäre angesaugt. Der trockene Strom kann eine minimale relative Feuchte mit einem Sauerstoffgehalt von etwa einundzwanzig Prozent (21%) haben. Der nasse Strom kommt im Allgemeinen von einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels, ist stark befeuchtet und enthält wenig bis gar keinen Sauerstoff. Der genaue Gehalt von relativer Feuchte und Sauerstoff hängt von den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels ab. Der Druck des trockenen Stroms ist typischerweise höher als der des nassen Stroms, wobei die genauen Drücke von dem Druckabfall durch Modulströmungskanäle des Brennstoffzellensystems und über den Brennstoffzellenstapel bei einer vorgegebenen Betriebsbedingung abhängen.
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Der trockene Strom und der nasse Strom werden unter Verwenden der Membran der WTV-Vorrichtung, die Wasserdampf von dem nassen Strom zu dem trockenen Strom treten lässt, ohne Gase wie etwa Sauerstoff durchzulassen, getrennt gehalten (d. h. der trockene Luftstrom wird befeuchtet, aber der Sauerstoffgehalt wird nicht gesenkt). Damit die WVT-Vorrichtung effizient funktioniert, müssen sowohl der nasse Strom als auch der trockene Strom zu ihren Gegenkomponenten in dem Brennstoffzellenmodul abgedichtet werden. Ein Lecken des trockenen Stroms führt zu einem Verlust an dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Sauerstoffreaktant und erfordert zusätzlichen Lufteintrag durch den Kompressor, was die Effizienz des Brennstoffzellensystems verringert. Ein Lecken des nassen Stroms führt dazu, dass befeuchtete Luft die WVT-Vorrichtung umgeht und entweder aus dem Fahrzeug oder zum Auslass ausgestoßen wird. Das Lecken des nassen Stroms führt dazu, dass weniger Wasserdampf zur Übertragung zu dem trockenen Strom zur Verfügung steht.
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Bekannte Konstruktionen haben versucht, mit Hilfe von Elastomerdichtungen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung sowohl für den trockenen Strom als auch den nassen Strom vorzusehen. In den meisten Fällen sind die Abdichtungsebenen des nassen und des trockenen Stroms senkrecht zueinander. Dies hat zu Problemen geführt, wie etwa der Notwendigkeit, zwischen der WVT-Baugruppe und den Gegenkomponenten des Brennstoffzellenmoduls enge Toleranzen zu wahren, um eine Solldichtungskompression zu wahren. Der Einbau der WVT-Baugruppe in das Brennstoffzellenmodul ist aufgrund des Reibens von Dichtungen während des Einbaus bekanntermaßen auch schwierig. Während es auch möglich ist, die Kompression der Elastomerdichtungen zu verändern, um eine ausreichende Abdichtung in zwei der vier Abdichtungsebenen der WVT-Baugruppe zu erhalten, ist es schwierig, die Kompression in den anderen beiden Abdichtungsebenen der WVT-Baugruppe zu verändern.
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Es besteht nach wie vor Bedarf nach einer WVT-Baugruppe, die den Einbau in ein Brennstoffzellenmodul vereinfacht, eine Verwendung einer Kompressionsdichtung in erwünschten Abdichtungsebenen der WVT-Baugruppe unnötig macht und die Druckdifferenz über Endplatten der WVT-Baugruppe minimiert. Wünschenswerterweise erfordert die WVT-Baugruppe weniger Struktur und weist verglichen mit herkömmlichen Baugruppen eine verringerte Bauteilanzahl auf und ermöglicht größere Toleranzen für die Verbindungsstelle zwischen der Baugruppe und dem Brennstoffzellenmodul.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise eine WVT-Baugruppe entdeckt, die den Einbau in ein Brennstoffzellenmodul vereinfacht, eine Verwendung einer Kompressionsabdichtung in erwünschten Abdichtungsebenen der WVT-Baugruppe unnötig macht, Druckdifferenz über Endplatten der WVT-Baugruppe minimiert, weniger Struktur erfordert und verglichen mit herkömmlichen Baugruppen eine verringerte Bauteilanzahl aufweist und größere Toleranzen für die Verbindungsstelle von Baugruppe zum Brennstoffzellenmodul zulässt.
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Die vorliegende Offenbarung nutzt ein Abdichtungskonzept, bei dem für den nassen Strom keine luftdichte Abdichtung erforderlich ist. Der Betrag des nassen Stroms, der WVT-Vorrichtung umgeht, wird mit Hilfe eines gewundenen Umgehungspfads minimiert, der durch Integrieren von Merkmalen an einer Verbindungsstelle der WVT-Vorrichtung und des Gehäuses ausgebildet ist, was zu erhöhtem Druckabfall für den entlang des Umgehungspfads an der Verbindungsstelle strömenden nassen Strom führt. Der gewundene Umgehungspfad kann als Merkmal minimalen Abstands ausgelegt sein oder kann Merkmale von nahezu null Abstand umfassen, um das Erzeugen von Druckabfall zu unterstützen. Die Merkmale von nahezu null Abstand können sich aus der Verwendung von Endplatten mit biegsamen Rippen oder bürstenartigen Merkmalen ergeben. Ferner wird die Nutzung von Teilegeometrie durch Integrieren eines Schrägstellmerkmals, um die endgültige WVT-Position während des Einbauprozesses in eine Richtung zu lenken, verbessert, was den Druckabfall weiter erhöht. Das Schrägstellen der WVT-Vorrichtung während des Einbaus kann mit Hilfe eines Federelements verwirklicht werden, um die WVT-Vorrichtung im Gehäuse vorzuspannen. Eine alternative Strategie umfasst die Nutzung mindestens eines von Geometrie, Schwerkraft und Luftdruck, um eine ähnliche Schrägstellwirkung zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Wasserdampfübertragungsbaugruppe mindestens eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung mit mehreren Nassplatten, die ausgelegt sind, um einen nassen Strom aufzunehmen, und mehreren Trockenplatten, die ausgelegt sind, um einen trockenen Strom aufzunehmen. Die Nassplatten und die Trockenplatten wechseln sich in einem Stapel ab und sind durch Wasserübertragungsmembranen voneinander getrennt. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung lässt eine Übertragung von Wasser von dem nassen Strom zu dem trockenen Strom zu. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung ist zwischen einem Paar von Endplatten angeordnet. Die Endplatten weisen jeweils mehrere nach außen abstehende Rippen auf. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung und die Endplatten sind in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist ein Paar von Nassstromdurchbrechungen und ein Paar von Trockenstromdurchbrechungen auf, die darin ausgebildet sind. Die Nassstromdurchbrechungen stehen mit den Nassplatten der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Verbindung. Die Trockenstromdurchbrechungen stehen mit den Trockenplatten der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Verbindung. Das Gehäuse umfasst weiterhin mehrere Kanäle, die benachbart zu den Trockenstromdurchbrechungen ausgebildet sind. Die Kanäle stehen mit den Nassstromdurchbrechungen in Fluidverbindung. Die nach außen abstehenden Rippen der Endplatten wirken mit den Kanälen zusammen, um einen gewundenen Umgehungsströmungspfad zwischen den Nassstromdurchbrechungen des Gehäuses festzulegen.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst die Wasserdampfübertragungsbaugruppe ferner ein Paar von Elastomerdichtungen. Eine der Elastomerdichtungen ist in jeder der Trockenstromdurchbrechungen des Gehäuses angeordnet. Die Elastomerdichtungen liegen an den Endplatten und der Wasserdampfübertragungsvorrichtung an und wirken einem Lecken des trockenen Stroms in den nassen Strom entgegen. Die Endplatten umfassen ebenfalls mindestens ein Federelement, das ausgelegt ist, um die Rippen der Endplatten zu einer Seite der in dem Gehäuse ausgebildeten Kanäle vorzuspannen. Ein Abstand zwischen den Rippen und den Kanälen wird minimiert und eine Druckdifferenz über dem gewundenen Umgehungsströmungspfad wird relativ zu einer Druckdifferenz über der Wasserdampfvorrichtung maximiert, um dadurch den nassen Strom zu zwingen, durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung zu strömen.
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In einer weiteren Ausführungsform haben die Rippen und Kanäle entsprechende Schwalbenschwanzformen, die es jeder der Rippen ermöglichen, auf einer Oberfläche jedes der Kanäle zu ruhen.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin nachstehend beschriebenen Zeichnungen, hervor.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Wasserdampfübertragungsbaugruppe nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die eine in einem Gehäuse angeordnete Wasserdampfübertragungsvorrichtung und eine Strömungsrichtung eines nassen Stroms und eines trockenen Stroms durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung zeigt;
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2 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Wasserdampfübertragungsbaugruppe, wobei ein Abschnitt des gezeigten Gehäuses entfernt wurde, die die Bolzenlöcher zum Verbinden des ersten und zweiten Teilstücks des Gehäuses mit mehreren Bolzen zeigt;
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3 ist eine vergrößerte unvollständige perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten und durch Kreis 3 markierten Wasserdampfübertragungsbaugruppe;
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4 ist eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Wasserdampfbaugruppe, wobei das Gehäuse als Ganzes entfernt ist;
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5 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Wasserdampfbaugruppe, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung als Ganzes entfernt ist;
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6 ist eine vergrößerte unvollständige Seitenansicht, die mehrere Rippen an einer Endplatte der in 1 gezeigten und durch Kreis 6 markierten Wasserdampfübertragungsbaugruppe zeigt, wobei die mehreren Rippen mit mehreren Kanälen zusammenwirken, die an dem Gehäuse ausgebildet sind; und
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7 ist eine schematische unvollständige Seitenansicht einer Wasserdampfübertragungsbaugruppe nach einer anderen Ausführungsform der Offenbarung, die mehrere Rippen an einer Endplatte zeigt, die mit mehreren Kanälen zusammenwirken, die in einem Gehäuse der Wasserdampfübertragungsbaugruppe ausgebildet sind.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
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Wie in 1–3 gezeigt umfasst eine Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 mindestens eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 kann mehrere Nassplatten, die ausgelegt sind, um einen nassen Strom 3 aufzunehmen, und mehrere Trockenplatten, die ausgelegt sind, um einen trockenen Strom 5 aufzunehmen, aufweisen. Die Nassplatten und die Trockenplatten wechseln sich in einem Stapel ab und sind durch Wasserübertragungsmembranen voneinander getrennt. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung lässt eine Übertragung von Wasser von dem nassen Strom 3 zu dem trockenen Strom 5 zu. In der U.S. Patentanm. Veröffentl. Nr. 2009/0092863 für Skala, deren gesamte Offenbarung hierin hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, wird eine beispielhafte Wasserdampfübertragungsvorrichtung beschrieben. Ein Durchschnittsfachmann sollte erkennen, dass andere Konfigurationen und Arten von Wasserdampfübertragungsvorrichtungen 4 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können.
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Die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 umfasst ein Paar von Endplatten 6, wie sie zum Beispiel am Besten in 4 gezeigt sind. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 ist zwischen den Endplatten 6 angeordnet. Jede der Endplatten weist mehrere nach außen abstehende Rippen 8 auf. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 und die Endplatten 6 sind in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse 10 kann nach Bedarf entweder ein einziges, einstückiges Gehäuse 10 oder ein mehrstückiges Gehäuse 10 sein.
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Das Gehäuse 10 weist ein Paar von Nassstromdurchbrechungen 12, 14 und ein Paar von Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 auf, die darin ausgebildet sind. Zum Beispiel kann die Nassstromdurchbrechung 12 ein Einlass für den nassen Strom 3 mit einem Wasserdampfgehalt sein. Die Nassstromdurchbrechung 14 kann ein Auslass für den nassen Strom 3 mit dem Wasserdampfgehalt sein. Die Nassstromdurchbrechungen 12, 14 stehen mit den Nassplatten der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 in Verbindung. Die Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 stehen mit den Trockenplatten der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 in Verbindung. Die Trockenstromdurchbrechung 16 kann zum Beispiel ein Einlass für den trockenen Strom 5 wie etwa Atmosphärenluft sein. Die Trockenstromdurchbrechung 18 kann ein Auslass für den trockenen Strom 5 sein.
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Die Einlass- und Auslass-Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 sind an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 10 angeordnet. Die Nassstromdurchbrechungen 12, 14 sind analog an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10 angeordnet. In einer bestimmten Ausführungsform lassen die Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 und die Nassstromdurchbrechungen 12, 14 eine Strömung des trockenen Stroms 5 durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 zu, die im Wesentlichen bezüglich einer Strömung und des nassen Stroms 3 durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 querverlaufend ist. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können auch andere Richtungen für die Strömungen des nassen Stroms 3 und des trockenen Stroms 5 genutzt werden.
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Das Gehäuse 10 umfasst weiterhin mehrere Kanäle 20, die benachbart zu den Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 des Gehäuses 10 ausgebildet sind. Die Kanäle 20 stehen mit den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 in Fluidverbindung. Die nach außen abstehenden Rippen 8 der Endplatten 6 wirken mit den Kanälen 20 zusammen, um einen gewundenen Umgehungsströmungspfad 21 (in 6 gezeigt) zwischen den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 des Gehäuses 10 festzulegen. In einer anderen Ausführungsform kann der gewundene Umgehungsströmungspfad 21 nach Bedarf zwischen den Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 statt zwischen den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 oder zusätzlich zu dem zwischen den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 angeordnet sein.
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Die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 kann weiterhin ein Paar von Elastomerdichtungen 22 umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform ist eine der Elastomerdichtungen 22 in jeder der Trockenstromdurchbrechungen 16, 18 des Gehäuses 10 angeordnet. Die Elastomerdichtungen 22 liegen an den Endplatten 6 und der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 an. Die Elastomerdichtungen 22 liegen ebenfalls an einer (nicht gezeigten) benachbarten Gegenkomponente eines Brennstoffzellenmoduls an, die den trockenen Strom 5 zu der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 befördert. Mit den Elastomerdichtungen wird eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung gebildet, die während des Betriebs der Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 einem Lecken des trockenen Stroms 5 in den nassen Strom 3 entgegenwirkt.
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Die Elastomerdichtungen 22 können wie in 4 gezeigt mehrere Nasen 24 umfassen. Die Nasen 24 können eine Form aufweisen, die im Wesentlichen gleich einer Form der an den Endplatten 6 ausgebildeten Rippen 8 ist. Zum Beispiel können die Nasen 24 die gleiche Form wie ein Querschnitt der Rippen 8 haben und sind an Enden der Rippen 8 positioniert. In einer bestimmten Ausführungsform liegen die Nasen 24 der Elastomerdichtungen 22 an den Enden der Rippen 8 der Endplatten 6 an. Mit der benachbarten Gegenkomponente zur Zufuhr des trockenen Stroms 5 zusammenwirkend wirken die Elastomerdichtungen 22 und die Nasen 24 einem Lecken des trockenen Stroms 5 in den gewundenen Umgehungsströmungspfad 21 des nassen Stroms 3, der zwischen den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 des Gehäuses 10 verläuft, entgegen.
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Ein Teil des nassen Stroms 3 wird durch die Gewundenheit des Umgehungsströmungspfads 21 veranlasst, durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 statt durch den gewundenen Umgehungsströmungspfad zu strömen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann es etwa einem Prozent (1%) bis vier Prozent (4%) des nassen Stroms 3 ermöglicht werden, die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 während ihres Betriebs zu umgehen. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein solches Umgehen der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 nur zu einer Verringerung der Wasserübertragungsrate zu dem trockenen Strom 5 von nur etwa einem Zehntel Prozent (0,1%) bis etwa einem halben Prozent (0,5%) führt, während es ein gewisses Ausgleichen des Drucks zwischen Betriebsbedingungen der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 und den Atmosphärenbedingungen außerhalb der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 zulässt.
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In bestimmten Ausführungsformen kann ein Abstand oder Spalt zwischen den Rippen 8 und Wänden der Kanäle 20 minimiert werden, um eine Druckdifferenz über dem gewundenen Umgehungsströmungspfad zu maximieren. Insbesondere kann die Druckdifferenz über dem gewundenen Umgehungsströmungspfad 21 relativ zu einer Druckdifferenz über der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 maximiert werden. Es versteht sich, dass die Maximierung der Druckdifferenz über dem gewundenen Umgehungsströmungspfad 21 den nassen Strom 3 weiter zwingt, durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 der Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 zu strömen.
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Die Rippen 8 und die Kanäle 20 können relativ zueinander so angeordnet werden, dass zwischen den Rippen 8 und den Kanälen 20 im Wesentlichen kein Abstand ist. Zum Beispiel können die Rippen 8 bei Einbau der Endplatten 6 in die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 zu einer Seite der Kanäle 20 vorgespannt werden. Die Endplatten 6 können, wie in 3 gezeigt, mindestens ein Federelement 26 umfassen, das ausgelegt ist, um die Rippen 8 der Endplatten 6 zu einer Seite der in dem Gehäuse 10 ausgebildeten Kanäle 20 vorzuspannen. Auch wenn zwischen den Rippen 8 und den Wänden der Kanäle 20 aufgrund des Vorspannens im Wesentlichen kein Abstand vorhanden sein könnte, versteht sich, dass der Druck des nassen Stroms 3 ausreichen kann, um mindestens einen minimalen Teil des nassen Stroms 3 durch die Verbindungsstelle der Rippen 8 und der Wände der Kanäle 20 strömen zu lassen.
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Das mindestens eine Federelement 26 kann zum Beispiel an einem inneren Abschnitt des Gehäuses 10 anliegen, um das Vorspannen zu bewirken. Es versteht sich, dass zum Verwirklichen eines Vorspannens der Rippen 8 in eine Richtung das mindestens eine Federelement 26 an einem gleichen Ende jeder der Endplatten 6 und benachbart zu einer gleichen Seite der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 angeordnet ist. Das mindestens eine Federelement 26 kann mit jeder der Endplatten 6 integral sein oder als separates Federelement 26 vorgesehen sein, das zwischen der Endplatte 6 und dem inneren Abschnitt des Gehäuses 10 angeordnet ist. In der in 2 bis 4 gezeigten bestimmten Ausführungsform ist das mindestens eine Federelement 26 eine Blattfeder. Ein Durchschnittsfachmann kann nach Bedarf andere Arten von Federn für das mindestens eine Federelement 26 wählen.
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Wie in 5 gezeigt kann das Gehäuse 10 ein erstes Gehäuseteilstück 28 umfassen, das mit einem zweiten Gehäuseteilstück 30 verbunden ist. Das erste Gehäuseteilstück 28 kann eine der Trockenstromdurchbrechungen 16 umfassen, und das zweite Gehäuseteilstück 30 kann die andere der Trockenstromdurchbrechungen 18 aufweisen. Die Nassstromdurchbrechungen 12, 14 können zum Beispiel durch die Verbindung des ersten Gehäuseteilstücks 28 und des zweiten Gehäuseteilstücks 30 gebildet werden.
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Unter erneutem Bezug auf 2 und 3 kann das erste Gehäuseteilstück 28 einen Schlitz 32 umfassen, und das zweite Gehäuseteilstück 30 kann eine entsprechende Lasche 34 umfassen. Die Lasche 34 wirkt mit dem Schlitz 32 zusammen, um das erste Gehäuseteilstück 28 und das zweite Gehäuseteilstück 30 auszurichten und abzudichten, wenn diese verbunden sind. Die Lasche 34 kann Reibschluss mit dem Schlitz 32 haben oder kann alternativ eine Elastomerbeschichtung umfassen, um zu einer im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung des ersten Gehäuseteilstücks 28 mit dem zweiten Gehäuseteilstück 30 beizutragen.
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Jedes von erstem Gehäuseteilstück 28 und zweitem Gehäuseteilstück 30 kann einen nach außen abstehenden Absatz 36 mit mehreren dadurch ausgebildeten Löchern 38 aufweisen. Die Löcher 38 können zum Beispiel ein Innengewinde haben, um mit einem Außengewinde von Gewindebolzen 40 zusammenzuwirken. Das erste Gehäuseteilstück 28 und das zweite Gehäuseteilstück 30 können durch die Gewindebolzen 40 verbunden werden, die durch die Löcher 38 in den nach außen abstehenden Absätzen 36 des ersten Gehäuseteilstücks 28 und des zweiten Gehäuseteilstücks 30 angeordnet sind, um das Gehäuse 10 der Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 abzudichten und zu bilden. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können auch andere Mittel zum Verbinden des ersten Gehäuseteilstücks 28 und des zweiten Gehäuseteilstücks 30 genutzt werden.
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Es versteht sich, dass die mindestens eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 viele Wasserdampfübertragungsvorrichtungen 4 umfassen kann. In der in 1, 2 und 4 gezeigten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 eine erste Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 und eine zweite Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4. Die erste und die zweite Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 können nach Bedarf im Wesentlichen gleich oder von anderer Konstruktion sein. Die erste Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 kann innerhalb des Gehäuses 10 durch eine Trennplatte 42 von der zweiten Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 getrennt sein. Die Trennplatte 42 bietet dem Gehäuse 10 auch zusätzliche Stabilität und Positionierung.
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Ein Fachmann kann eine Form für die Rippen 8 der Endplatten 6 nach Bedarf wählen. Die Form der Rippen 8 kann zum Beispiel im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig sein. In bestimmten Beispielen kann die Form der Rippen 8 gewählt werden, um die Minimierung des Abstands zwischen den Rippen 8 und den Wänden der Kanäle 20, in denen die Rippen 8 angeordnet sind, zu fördern. Die Form der Rippen 8 kann mindestens eines von Schwerkraft und einer Vorspannkraft von Luftdruck nutzen, um zu bewirken, dass die geformten Rippen 8 die Wände der Kanäle 20 kontaktieren oder fast kontaktieren. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Rippen 8 und Kanäle 20 entsprechende Schwalbenschwanzformen haben, die es jeder der Rippen 8 ermöglichen, auf einer Oberfläche jedes der Kanäle 20 zu ruhen. Es versteht sich, dass sich dadurch die Minimierung des Abstands zwischen den Rippen 8 und den Wänden der Kanäle 20 ergeben kann. Analog wird der nasse Strom 3 veranlasst, sich stattdessen unabhängig vom Vorliegen einer Elastomerdichtung an den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 zu bewegen.
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Vorteilhafterweise vereinfacht die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 der vorliegenden Offenbarung den Einbau der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 in ein Brennstoffzellenmodul. Es versteht sich, dass die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 eine Verwendung von Kompressionsabdichtung an den Abdichtungsebenen, die den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 des Gehäuses 10 zugeordnet sind, unnötig macht und stattdessen auf mindestens eines von Gewundenheit des Umgehungsströmungspfads 21 und durch die Endplatten 6 bewirkte Vorspannung baut, um den nassen Strom 3 zu veranlassen, sich durch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 4 zu bewegen. Die Druckdifferenz über der Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 wird aufgrund mindestens eines von gewundener Konfiguration der Nassstromumgehungsströmung und Vorspannen der Rippen 8 der Endplatten 6 ebenfalls minimiert. Die Wasserdampfübertragungsbaugruppe 2 erfordert auch weniger Struktur und weist eine verringerte Bauteilanzahl als herkömmliche Baugruppen mit vier Elastomerdichtungen auf, d. h. eine Elastomerdichtung pro Einlass und Auslass für den nassen und den trockenen Strom 3, 5. Da Elastomerdichtungen nicht an den Nassstromdurchbrechungen 12, 14 des Gehäuses 10 verwendet werden, können vorteilhafterweise größere Toleranzen für die Verbindungsstelle zu Gegenkomponenten des Brennstoffzellenmoduls verwendet werden.
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Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
