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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
WO 2006/136231 A1 wird eine Befeuchtungseinrichtung beschrieben, die eine Hohlfaseranordnung mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden, wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern in einem Gehäuse aufweist. Ein erster Luftstrom verläuft innerhalb der Hohlfasern in Achsrichtung, ein zweiter Luftstrom außerhalb der Hohlfasern radial zur Hohlfaserlängsachse, wobei ein Wasserdampfaustausch vom Luftstrom mit höherem Wassergehalt durch die Wandung der Hohlfasern zum Luftstrom mit niedrigerem Wassergehalt erfolgt.
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Die Hohlfasern sind in horizontalen Lagen angeordnet, wobei übereinanderliegende Lagen über eine Vlies- oder Schaumstoffschicht voneinander separiert sind, die eine Durchströmung mit Luft bei geringem Druckverlust erlaubt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine Befeuchtungseinrichtung mit hohem Wirkungsgrad anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Mittels der Befeuchtungseinrichtung kann Strömungsluft mit Feuchtigkeit angereichert werden. Die Befeuchtungseinrichtung ist vorteilhafterweise einer Brennstoffzelle zugeordnet, deren Kathode mit einem mit Feuchtigkeit angereicherten Frischluftstrom versorgt wird. Der Frischluftstrom wird insbesondere aus der Umgebung herangeführt und mit Feuchtigkeit angereichert. Die Feuchtigkeit kann aus einem weiteren Luftstrom stammen, der einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt aufweist; bei diesem zweiten Luftstrom handelt es sich beispielsweise um den Abluftstrom der Brennstoffzelle.
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Die Befeuchtungseinrichtung weist in einem Gehäuse einen Feuchtigkeitstauscher auf, der mehrere wasser- bzw. wasserdampfdurchlässige Hohlfasern aufweist, welche im Gehäuse einen ersten Strömungsweg von einem zweiten Strömungsweg separieren. Die Luftströme mit erhöhtem bzw. geringerem Wassergehalt werden entlang der Strömungswege geleitet, wobei über die Wandung der wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern Feuchtigkeit von der Luftströmung mit höherem Wassergehalt zur Luftströmung mit niedrigerem Wassergehalt übertreten kann. Der Luftstrom mit höherem Wassergehalt wird beispielsweise radial von außen an die Hohlfasern herangeführt, dementsprechend verläuft der weitere Strömungsweg mit der Luftströmung, welche zunächst einen geringeren Wassergehalt aufweist, im Inneren der Hohlfasern. Grundsätzlich kommt aber auch eine umgekehrte Strömungsrichtung in Betracht, bei der über die Hohlfasern die Luftströmung mit höherer Feuchtigkeit axial herangeführt und radial außerhalb der Hohlfasern die Luftströmung mit zunächst niedrigerem Wassergehalt durch die Befeuchtungseinrichtung geleitet wird. In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass die Luftströmung, welche außerhalb der Hohlfasern im Gehäuse verläuft, eine Richtung orthogonal bzw. radial zur Längserstreckung der Hohlfasern einnimmt.
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Im Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung befindet sich ein Abstandshalter, der die Hohlfasern in einer definierten Sollposition im Gehäuse hält. Der Abstandshalter ist als ein Feuchtigkeitsspeichermedium ausgebildet, das zumindest teilweise aus einem Superabsorbermaterial besteht. Superabsorbermaterialien sind in der Lage, ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Feuchtigkeit aufzunehmen und einzubinden. Als Superabsorbermaterial kommt beispielsweise ein Superabsorberpolymer (SAP) in Betracht, welches aus hydrophilen Polymerfasern aufgebaut ist, die Wasser aufnehmen können und hierbei aufquellen. Mit der Absorption des Wassers polymerisiert das Material und schließt hierbei das Wasser ein. Bei der Desorption wird das Wasser wieder abgegeben. Die hydrophilen Fasern können gegebenenfalls in ein Trägervlies eingebettet sein.
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Die Verwendung des Superabsorbermaterials im Abstandshalter bewirkt eine feuchtigkeitskompensierende Funktion, indem Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des Luftstroms, der durch das Gehäuse außerhalb der Hohlfasern strömt, ausgeglichen werden können. Die Feuchtigkeit wird von dem Superabsorbermaterial aufgenommen und erst mit dem Erreichen eines Sättigungsgehaltes wieder abgegeben, woraufhin je nach Durchströmungsrichtung die Feuchtigkeit entweder über die Wandung in das Innere der Hohlfasern abgegeben wird oder direkt aus dem Gehäuse abtransportiert wird. Durch die kompensierende Funktion des Abstandshalters mit Superabsorbermaterial ist eine Vergleichmäßigung in der Feuchtigkeitsabgabe erzielt.
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Bei einer Durchströmung der Befeuchtungseinrichtung mit einem Luftstrom mit hohem Wassergehalt, der radial von außen an die Hohlfasern herangeführt wird, kann außerdem der Wirkungsgrad verbessert werden, da über das Superabsorbermaterial im Abstandshalter ein hoher Anteil der im herangeführten Luftstrom enthaltenen Feuchtigkeit absorbiert wird, wohingegen bei Ausführungen im Stand der Technik ein verhältnismäßig hoher Anteil des Wassergehaltes ohne Abgabe an den zweiten Luftstrom aus der Befeuchtungseinrichtung wieder abströmt. Das Superabsorbermaterial hält die Feuchtigkeit zurück und gibt diese nach Erreichen des Sättigungsgrades wieder ab, woraufhin die Feuchtigkeit über die Membranwandung der Hohlfasern in das Innere der Hohlfasern übertreten kann. Die mit Feuchtigkeit nun angereicherte Luft im zweiten Strömungsweg wird daraufhin axial über das Innere der Hohlfasern abgeführt.
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Zugleich hat das Superabsorbermaterial nur einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand, so dass der vom Abstandshalter aufgebaute Gegendruck von der herangeführten Luftströmung überwunden werden kann. Die Restfeuchte, welche im Luftstrom, der das Gehäuse außerhalb der Hohlfasern durchströmt, beim Verlassen der Befeuchtungseinrichtung noch enthalten ist, ist signifikant geringer als im Stand der Technik, dementsprechend ist der Wirkungsgrad bei der Feuchtigkeitsübertragung vom ersten auf den zweiten Luftstrom verbessert.
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Es kommen verschiedene Ausführungen des Abstandshalters in der Befeuchtungseinrichtung in Betracht. Zum einen ist es möglich, sämtliche oder zumindest annähernd sämtliche Zwischenräume zwischen benachbarten Hohlfasern bzw. zwischen einzelnen Hohlfasern und der Innenwand des Gehäuses der Befeuchtungseinrichtung mit dem Material des Abstandshalters auszufüllen. Gegebenenfalls kann an einzelnen Positionen der Abstandshalter mit einem erhöhten Anteil oder einer erhöhten Dichte an Superabsorbermaterial ausgeführt werden, um durch diese Verstärkung diejenigen Stellen besser abzusichern, in denen ein erhöhtes Risiko des Durchströmens ohne Abgabe der Feuchtigkeit an die Hohlfasern besteht. Ein derartiges Durchströmungsrisiko besteht insbesondere im wandnahen Bereich an der Gehäuseinnenwand.
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Allgemein ist es möglich, in eine, in zwei oder in alle drei Raumrichtungen entweder einen gleichmäßigen Anteil an Superabsorbermaterial im Abstandshalter vorzusehen oder in eine oder mehrere der Raumrichtungen eine ungleichmäßige Verteilung bzw. Konzentration an Superabsorbermaterial im Abstandshalter anzuordnen. Des Weiteren ist es möglich, den Abstandshalter nur teilweise oder vollständig aus Superabsorbermaterial zu fertigen. Gemäß einer alternativen Ausführung ist dagegen vorgesehen, dass der Abstandshalter einen definierten Anteil an Superabsorbermaterial enthält, indem beispielsweise Fasern des Superabsorbermaterials in ein Trägervlies eingebettet sind. In jedem Fall weist der Abstandshalter eine ausreichende Steifigkeit bzw. Festigkeit auf, um die Hohlfasern an der definierten, gewünschten Position innerhalb des Gehäuses der Befeuchtungseinrichtung zu halten.
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Die Hohlfasern verlaufen vorzugsweise geradlinig und parallel zueinander im Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung. Es kann zweckmäßig sein, dass die Hohlfasern zueinander jeweils auf Abstand angeordnet sind, was die Möglichkeit eröffnet, dass die Hohlfasern vollständig vom Material des Abstandshalters umschlossen sind. In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Hohlfasern zwar zueinander auf Abstand liegen, jedoch nur teilweise vom Material des Abstandshalters umschlossen sind. Es kann zweckmäßig sein, bei einer teilweisen Umschließung zumindest einen Umschließungsgrad von 180° in Umfangsrichtung vorzusehen.
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Gemäß noch einer weiteren Alternative liegen die Hohlfasern zumindest innerhalb einer Lage unmittelbar nebeneinander, wobei verschiedene Lagen über den Abstandshalter voneinander getrennt sind. Hierdurch kann eine hohe Dichte an Hohlfasern erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführung ist der Abstandshalter schicht- bzw. lagenförmig ausgebildet und liegt zwischen übereinanderliegenden Lagen von parallel angeordneten Hohlfasern. Hierbei kommt beispielsweise eine geradlinige Abstandsschicht, eine zickzackförmig oder eine wellenförmig ausgebildete Abstandsschicht in Betracht, wobei die zickzackförmige bzw. wellenförmige Abstandsschicht den zusätzlichen Vorteil hat, dass die Hohlfasern nicht nur in der Höhe, sondern auch in Querrichtung, also quer zu ihrer Längserstreckung vom Abstandshalter stabilisiert und am vorgesehenen Platz gehalten werden.
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In einer weiteren Ausführung sind die Hohlfasern in einem Membranblock aufgenommen, in den auch den Abstandshalter integriert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle, mit einem Feuchtigkeitstauscher, der Hohlfasern mit wasserdurchlässigen Wandungen enthält,
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2 eine Befeuchtungseinrichtung im Schnitt senkrecht zur Längsachse der Hohlfasern,
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3 in schematischer Darstellung eine Befeuchtungseinrichtung in einer weiteren Ausführung,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Befeuchtungseinrichtung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Über die in 1 schematisch dargestellte Befeuchtungseinrichtung 1 wird einer Brennstoffzelle ein mit Feuchtigkeit angereicherter Frischluftstrom zugeführt, welcher eine Mindestfeuchte aufweist. Die Befeuchtungseinrichtung 1 umfasst eine Kartusche 3, die in einem Gehäuse 2 austauschbar oder fest aufgenommen ist und die in einem Abgasstrom enthaltene Feuchtigkeit auf einen trockenen Frischluftstrom überträgt, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kartusche 3 weist mehrere Hohlfasern auf, deren Wandung als wasserdurchlässige Membran ausgebildet ist.
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Über einen Frischluftkanal 4 im Gehäuse 2 wird der Befeuchtungseinrichtung 1 Umgebungsluft als Frischluft zugeführt, die durch die Hohlfasern geleitet wird. Der Frischluftkanal 4 weist einen Zufuhrabschnitt 4a stromauf der Kartusche 3 sowie einen Ableitungsabschnitt 4b stromab der Kartusche auf.
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In einem 90°-Winkel zum Frischluftkanal 4 verläuft im Gehäuse 2 ein Abgaskanal 5, über den in einem weiteren Luftstrom die Abgase der Brennstoffzelle, welche mit Feuchtigkeit angereichert sind, durch die Kartusche hindurchgeführt werden. Der Abgaskanal 5 weist einen Zufuhrabschnitt 5a stromauf der Kartusche 3 und einen Ableitungsabschnitt 5b stromab der Kartusche auf. Der Luftstrom mit den Abgasen der Brennstoffzelle strömt die Wandungen der Hohlfasern radial an.
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Über den Frischluftkanal 4 wird ein Frischluftstrom 6 durch die Befeuchtungseinrichtung 1 geführt, über den kreuzenden Abgaskanal 5 der Abgasstrom 7, welcher von der Brennstoffzelle stammt. Die sich kreuzenden Ströme 6 und 7 sind innerhalb der Kartusche 3 von den als wasserdurchlässige, zumindest teilweise gasdichte Membran ausgeführten Hohlfaserwandungen separiert, die lediglich einen Wasseraustausch von dem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Abgasstrom 7 auf den trockenen Frischluftstrom 6 erlauben. Der Frischluftkanal 4 bildet den Zuluftströmungsweg zur Zufuhr von mit Feuchtigkeit angereicherter Frischluft zur Brennstoffzelle, der Abgaskanal 5 den Abluftströmungsweg.
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In 2 ist die Befeuchtungseinrichtung 1 für eine Brennstoffzelle im Schnitt dargestellt. Die Befeuchtungseinrichtung 1 weist im Gehäuse 2 einen Feuchtigkeitstauscher mit einem Hohlfaser- bzw. Membranblock 8 auf, der eine Vielzahl von Hohlfasern 9 und einen Abstandshalter 10 umfasst. Die Hohlfasern 9 verlaufen parallel zueinander und orthogonal zu dem Luftstrom 7, welcher den Abgasstrom der Brennstoffzelle heranführt, der mit Feuchtigkeit beladen ist. Dieser Abgasstrom wird in das Innere des Membranblocks 8 geleitet und strömt die Wandungen der Hohlfasern 9 radial von außen an.
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Die Wandungen der Hohlfasern 9 sind als wasserdurchlässige Membran ausgeführt, durch die Wasser bzw. Wasserdampf, welcher im Luftstrom 7 enthalten ist, radial von außen in das Innere der Hohlfasern hindurchtreten kann. Axial wird über die Hohlfasern 9 ein Frischluftstrom geführt, der mit der Feuchtigkeit angereichert wird, welche vom Abgasstrom 7 stammt.
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Das Innere des Membranblocks 8 ist vom Material des Abstandshalters 10 ausgefüllt, das einen Anteil an Superabsorbermaterial SAP enthält, welches einen hohen Feuchtigkeitsanteil aufnehmen kann. Das Superabsorbermaterial ist beispielsweise als Superabsorberpolymer ausgebildet, welches hydrophile Polymerfasern aufweist. Der Abstandshalters 10 besteht entweder vollständig aus dem Superabsorbermaterial SAP oder enthält einen Anteil an Superabsorbermaterial SAP.
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Zugleich wird über den Abstandshalter 10 die Position der Hohlfasern 9 innerhalb des Membranblocks 8 fixiert. Die Hohlfasern 9 liegen zueinander auf Abstand sowie auf Abstand zu den Innenwänden des Gehäuses 2 und sind vollständig vom Material des Abstandshalters 10 umschlossen. Der gesamte freie Innenraum im Membranblock 8 ist mit Ausnahme der Hohlfasern 9 vom Material des Abstandshalters 10 ausgefüllt. Hierbei kann es zweckmäßig sein, bestimmte Zonen mit einem erhöhten Anteil bzw. einer höheren Dichte an Superabsorbermaterial zu versehen, beispielsweise Bereiche zwischen der Innenwand des Gehäuses 2 und den nächstliegenden Hohlfasern 9.
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Die Feuchtigkeit im radial herangeführten Luftstrom 7 wird zunächst von dem Superabsorbermaterial im Abstandshalter 10 aufgenommen. Sobald der Sättigungsgrad im Superabsorbermaterial erreicht ist, wird die Feuchtigkeit vom Superabsorbermaterial nach und nach wieder abgegeben, wodurch eine Vergleichmäßigung der Feuchtigkeitsabgabe erzielt wird. Außerdem wird der Anteil der Restfeuchte, die bei Austritt des Luftstroms 7 aus dem Membranblock 8 noch enthalten ist, reduziert, so dass über das Superabsorbermaterial im Abstandshalter 10 ein besserer Wirkungsgrad bei der Feuchtigkeitsabgabe vom herangeführten Luftstrom 7 auf den Frischluftstrom erreicht wird, der im Inneren der Hohlfasern durch die Befeuchtungseinrichtung 1 geführt ist.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Abstandshalter 10 lagen- bzw. schichtförmig ausgebildet ist und Zickzackform aufweist. Jeweils ein Abstandshalter 10 verläuft zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Lagen mit parallel angeordneten Hohlfasern 9. Durch die Zickzackform des schichtförmigen Abstandshalters 10 wird eine gute Stabilisierung der Hohlfasern 9 in Querrichtung, also quer zur Längsachse der Hohlfasern erreicht.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Abstandshalter 10 ebenfalls schicht- bzw. lagenförmig ausgebildet, jedoch geradlinig bzw. eben und bilden somit jeweils eine Platte zwischen übereinanderliegenden Lagen von jeweils mehreren parallel zueinander verlaufenden Hohlfasern 9.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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