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Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungsanordnung zum Befeuchten wenigstens eines einem Brennstoffzellenstapel zuführbaren Reaktanden. Die Befeuchtungsanordnung umfasst eine Befeuchtungseinheit, welche von dem Reaktanden durchströmbar ist. Über einen Einlass ist ein Befeuchtungsmedium in die Befeuchtungseinheit einbringbar, und über einen Auslass ist das Befeuchtungsmedium aus der Befeuchtungseinheit abführbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Befeuchten eines einem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Reaktanden.
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Die
JP 2008 027 674 A beschreibt einen Membranbefeuchter eines Brennstoffzellensystems, welcher zwei wahlweise nutzbare Eingänge und einen Ausgang aufweist. Wird ein Befeuchtungsmedium über den ersten Eingang in den Membranbefeuchter eingebracht, so durchströmt es den Membranbefeuchter über einen ersten, kürzeren Strömungsweg. Wird hingegen das Befeuchtungsmedium über den zweiten Eingang in den Membranbefeuchter eingebracht, so wird dieser über seine gesamte Länge hinweg von dem Befeuchtungsmedium durchströmt, so dass eine stärkere Befeuchtung erreichbar ist.
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Die
US 2002/0006537 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit zwei parallel angeordneten Befeuchtern. Bei einem geringeren Volumenstrom der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Zuluft wird nur einer der beiden Befeuchter genutzt, bei einem größeren Volumenstrom durchströmt die Zuluft hingegen beide Befeuchter.
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Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass sich nicht immer eine zufriedenstellende Befeuchtung des Reaktanden erreichen lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befeuchtungsanordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher bzw. mittels welchem sich auf besonders einfache Art und Weise eine bedarfsgerechte Befeuchtung des Reaktanden erreichen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Befeuchtungsanordnung weist eine Verstelleinrichtung auf, welche in eine erste Stellung verbringbar ist, in welcher die Befeuchtungseinheit von dem Befeuchtungsmedium in eine erste Richtung durchströmbar ist. Die Verstelleinrichtung ist des Weiteren in wenigstens eine zweite Stellung verbringbar, in welcher die Befeuchtungseinheit von dem Befeuchtungsmedium in eine weitere, von der ersten Richtung verschiedene Richtung durchströmbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unterschiedliche Druckverluste auftreten, je nachdem, ob das Befeuchtungsmedium die Befeuchtungseinheit in die erste Richtung oder in die weitere Richtung durchströmt.
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Beispielsweise kann das Befeuchtungsmedium bei in die erste Stellung verbrachter Verstelleinrichtung in die erste Richtung durch die Befeuchtungseinheit strömen, wobei ein höherer Druckverlust vorliegt. Hierbei wird dann jedoch eine größere Übertragung von Feuchte auf den Reaktanden erreicht. Eine solche Betriebsweise ist bei niedrigen Volumenströmen des Befeuchtungsmediums durch die Befeuchtungseinheit akzeptabel, da bei diesen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellstapels ein hoher Wirkungsgrad der Befeuchtungseinheit im Vordergrund steht.
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Wenn andererseits das Befeuchtungsmedium die Befeuchtungseinheit in die weitere Richtung durchströmt und hierbei ein geringerer Druckverlust auftritt, so ist dies im Hinblick auf den energetischen Wirkungsgrad vorteilhaft. Beim Betrieb eines Brennstoffzellsystems wird nämlich üblicherweise die nasse Abluft des Brennstoffzellenstapels als Befeuchtungsmedium eingesetzt. Die zu befeuchtende Zuluft wird hierbei zunächst der Befeuchtungseinheit und anschließend auch dem Brennstoffzellenstapel von einem Verdichter zugeführt. Dessen Wirkungsgrad erhöht sich, wenn der Druckverlust beim Durchströmen der Befeuchtungseinheit gering ist. Daher ist es wünschenswert, bei einem hohen Volumenstrom den Druckverlust so gering wie möglich zu halten.
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Dies wird vorliegend erreicht, indem die Verstelleinrichtung beispielsweise in die wenigstens eine zweite Stellung verbracht wird, in welcher das Befeuchtungsmedium die Befeuchtungseinheit in die weitere, von der ersten Richtung verschiedene Richtung durchströmt. Wenn im Gegenzug bei niedrigem Durchsatz des Befeuchtungsmediums durch die Befeuchtungseinheit die Verstelleinrichtung in die erste Stellung verbracht wird, so wird ein besonders hoher Wirkungsgrad in Bezug auf die Übertragung der Feuchte erreicht. Bei dem niedrigen Volumenstrom spielt auch der höhere Druckverlust im Vergleich zum Durchströmen der Befeuchtungseinheit in die weitere Richtung keine entscheidende Rolle. Diesen Gegebenheiten kann durch die Befeuchtungsanordnung mit der in die unterschiedlichen Stellungen verbringbaren Verstelleinrichtung Rechnung getragen werden. So kann besonders einfach eine bedarfsgerechte Befeuchtung des Reaktanden erreicht werden. Zudem kann zwischen Betriebsbedingungen der Befeuchtungseinheit mit unterschiedlichen Druckverlusten umgeschaltet werden.
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Wenn die Befeuchtungsanordnung in einem für ein Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommt, so wird das Brennstoffzellensystem üblicherweise in einem niedrigen Lastbereich betrieben. Hier ist entsprechend ein geringer Volumenstrom der Zuluft bzw. des Oxidationsmittels durch den Brennstoffzellenstapel vorhanden. Durch das Verbringen der Verstelleinrichtung in die erste Stellung kann in solchen Betriebszuständen eine besonders gute Befeuchtung des Reaktanden erreicht werden. Dies wirkt sich günstig auf die von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Spannung und auf dessen Lebensdauer aus.
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Bevorzugt ist durch die in die erste Stellung verbrachte Verstelleinrichtung ein Durchströmen der Befeuchtungseinheit zumindest im Wesentlichen im Gegenstrom zu einer Strömungsrichtung des Reaktanden durch die Befeuchtungseinheit bewirkbar. Im Gegenstrom ist nämlich, unter Inkaufnahme eines erhöhten, bei niedrigen Volumenströmen jedoch akzeptablen Druckverlustes, eine besonders weitgehende Befeuchtung des Reaktanden erreichbar.
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Bevorzugt ist des Weiteren durch die in die wenigstens eine zweite Stellung verbrachte Verstelleinrichtung ein Durchströmen der Befeuchtungseinheit im Kreuzstrom zu der Strömungsrichtung des Reaktanden durch die Befeuchtungseinheit bewirkbar. Im Kreuzstrombetrieb liegt nämlich ein vergleichsweise geringer Druckverlust vor, welcher bei hohen Volumenströmen des Befeuchtungsmediums besonders vorteilhaft ist.
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Dennoch wird auch beim Durchströmen der Befeuchtungseinheit im Kreuzstrom eine ausreichende Befeuchtung des Reaktanden erreicht.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Einlass als Kanal ausgebildet ist, welcher eine Mündungsöffnung aufweist, deren Längserstreckung zumindest im Wesentlichen einer Längserstreckung der Befeuchtungseinheit in die Strömungsrichtung des Reaktanden gleich ist. Hierbei ist die Verstelleinrichtung zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts der Mündungsöffnung ausgebildet. Strömt nämlich bei in die erste Stellung verbrachter Verstelleinrichtung das Befeuchtungsmedium lediglich durch einen Teilbereich der Mündungsöffnung in die Befeuchtungseinheit ein, so lässt sich auf besonders einfache Art und Weise das Durchströmen der Befeuchtungseinheit von dem Befeuchtungsmedium in die erste Richtung bewirken.
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Ist hingegen das Befeuchtungsmedium über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche der Mündungsöffnung und somit über die gesamte Länge der Befeuchtungseinheit in die Befeuchtungseinheit einbringbar, so stellen sich andere Strömungspfade des Befeuchtungsmediums durch die Befeuchtungseinheit ein und das Befeuchtungsmedium strömt in die weitere, von der ersten Richtung verschiedene Richtung durch die Befeuchtungseinheit.
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Bevorzugt weist der Kanal eine sich in Strömungsrichtung des Befeuchtungsmediums verringernde Höhe auf, er wird also in die Längserstreckungsrichtung der Befeuchtungseinheit flacher. So kann ein besonders gleichmäßiges Einströmen des Befeuchtungsmediums in die Befeuchtungseinheit erreicht werden, wenn dieses über die gesamte Mündungsöffnung in die Befeuchtungseinheit eintritt.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Auslass als Kanal ausgebildet ist, welcher eine Eintrittsöffnung aufweist, deren Längserstreckungsrichtung zumindest im Wesentlichen einer Längserstreckung der Befeuchtungseinheit in die Strömungsrichtung des Reaktanden gleich ist. Hierbei ist die Verstelleinrichtung zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts der Eintrittsöffnung ausgebildet. Es kann so also die Fläche verändert werden, auf welcher das Befeuchtungsmedium die Befeuchtungseinheit verlässt. Auch dies ist dem Einstellen der in die unterschiedlichen Richtungen erfolgenden Durchströmung der Befeuchtungseinheit zuträglich.
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Bevorzugt weist hierbei der Kanal eine sich in Strömungsrichtung des Befeuchtungsmediums vergrößernde Höhe auf, etwa indem sich der als Auslass dienende Kanal keilförmig aufweitet. So kann nämlich bei vollständig freigegebener Eintrittsöffnung in den Kanal ein besonders gleichmäßiges Ausströmen des Befeuchtungsmediums aus der Befeuchtungseinheit erreicht werden.
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Die Verstelleinrichtung kann wenigstens ein Klappenelement umfassen, welches durch das Strömen des Befeuchtungsmediums in die wenigstens eine zweite Stellung verbringbar ist. Dann sorgt der Staudruck des strömenden Befeuchtungsmediums für das Aufdrücken des wenigstens einen Klappenelements. Entsprechend ist hier keine Steuerung der Klappe erforderlich, um das Durchströmen der Befeuchtungseinheit in die weitere Richtung zu erreichen. Bevorzugt ist ein solches, passiv verschwenkbares Klappenelement sowohl am Einlass als auch am Auslass der Befeuchtungseinheit vorgesehen.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das wenigstens eine Klappenelement mittels eines Federelements in die erste Stellung verbringbar ist. Dann wird bei einer geringen Strömung des Befeuchtungsmediums durch die Befeuchtungseinheit das Klappenelement mittels des Federelements in die erste Stellung verbracht, das Federelement bringt also eine Rückstellkraft auf. Dies gestaltet die Betätigung des wenigstens einen Klappenelements besonders einfach.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Verstelleinrichtung wenigstens ein Klappenelement umfassen, welches mittels eines Aktors in die erste Stellung und/oder in die wenigstens eine zweite Stellung verbringbar ist. Dann kann besonders funktionssicher die jeweils gewünschte Stellung des Klappenelements eingestellt werden. Zudem lässt sich ein besonders geringer Strömungswiderstand eines das wenigstens eine Klappenelement aufweisenden Kanals erreichen, wenn das Klappenelement nicht von dem strömenden Befeuchtungsmedium weggedrückt zu werden braucht.
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Als Aktor kann ein elektrischer oder hydraulischer Stellmotor zum Einsatz kommen, dessen Stellkraft für das Bewegen des Klappenelements in die unterschiedlichen Stellungen sorgt. Insbesondere kann jedoch ein pneumatischer Aktor genutzt werden, da dann der bei einem großen Volumenstrom des Befeuchtungsmediums durch die Befeuchtungseinheit vorliegende Druck zugleich für die pneumatische Betätigung genutzt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verstelleinrichtung wenigstens einen Hohlkörper, welcher in Abhängigkeit von einer Befüllung mit einem Medium unterschiedliche Volumina aufweist. Durch den ein erstes Volumen aufweisenden Hohlkörper ist hierbei die erste Stellung der Verstelleinrichtung eingenommen und durch den wenigstens ein zweites Volumen aufweisenden Hohlkörper die wenigstens eine zweite Stellung. Es kann also durch unterschiedlich weit gehendes Befüllen, insbesondere Aufblasen, des Hohlkörpers das Durchströmen der Befeuchtungseinheit in die erste Richtung und in die weitere Richtung bewirkt werden. Wenn nämlich der Hohlkörper ein größeres Volumen aufweist, so lässt sich mit diesem ein entsprechend größerer Bereich des Einlasses in die Befeuchtungseinheit versperren und so ein anderes Durchströmen der Befeuchtungseinheit bewirken als mit dem ein geringeres Volumen aufweisenden Hohlkörper.
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Es bietet sich an, den Hohlkörper mit Luft zu befüllen, da beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels üblicherweise ohnehin als Oxidationsmittel Druckluft zur Verfügung steht, mit welcher die Befeuchtungseinheit und dann anschließend der Brennstoffzellenstapel beaufschlagt werden.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Befeuchtungseinheit als Membranbefeuchter ausgebildet ist, welcher eine Vielzahl von sich in die erste Richtung erstreckenden Hohlfasern aufweist. Dann lässt sich nämlich besonders einfach sowohl ein Durchströmen des Membranbefeuchters mit dem Befeuchtungsmedium im Gegenstrom zum durch die Hohlfasern strömenden Reaktanden oder im Kreuzstrom, also umfangsseitig um die Hohlfasern herum einstellen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Befeuchten wenigstens eines einem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Reaktanden wird eine Befeuchtungseinheit von dem Reaktanden durchströmt. Über einen Einlass wird ein Befeuchtungsmedium in die Befeuchtungseinheit eingebracht und über einen Auslass aus der Befeuchtungseinheit abgeführt. Hierbei wird bei einem ersten Volumenstrom des Befeuchtungsmediums eine Durchströmung der Befeuchtungseinheit in eine erste Richtung und bei einem zweiten Volumenstrom, welcher größer ist als der erste Volumenstrom, eine Durchströmung in eine von der ersten Richtung verschiedene Richtung bewirkt.
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Durch das Verändern der Durchströmungsrichtung der Befeuchtungseinheit in Abhängigkeit vom Volumenstrom kann auf besonders einfache Art und Weise eine bedarfsgerechte Befeuchtung des Reaktanden erreicht werden.
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Wenn als Befeuchtungsmedium das den Brennstoffzellenstapel verlassende Oxidationsmittel, also die Produktwasser enthaltende Abluft des Brennstoffzellenstapels eingesetzt wird, so kann mit einem größeren Volumenstrom des Befeuchtungsmediums auch ein größerer Volumenstrom des zu befeuchtenden Oxidationsmittels durch die Befeuchtungseinheit korrelieren.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsanordnung, wobei die Befeuchtungsanordnung stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellsystems angeordnet ist.
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Die für die erfindungsgemäße Befeuchtungsanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Befeuchtungsanordnung eines Brennstoffzellensystems, bei welcher ein Membranbefeuchter mit einem hohen Volumenstrom von feuchter Abluft eines Brennstoffzellenstapels beaufschlagt wird, wobei die Abluft im Kreuzstrom zu der zu befeuchtenden Zuluft durch den Membranbefeuchter geleitet wird, und wobei der Abluftstrom an Einlass und am Auslass des Membranbefeuchters vorgesehene Klappen aufdrückt;
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2 die Befeuchtungsanordnung gemäß 1, bei welcher ein niedriger Volumenstrom der Abluft durch den Membranbefeuchter vorliegt, wobei die Abluft im Gegenstrom zur Zuluft durch den Membranbefeuchter hindurchgeführt wird;
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3 eine Befeuchtungsanordnung, welche im Wesentlichen der in 1 gezeigten entspricht, wobei jedoch zum Bewegen der Klappen elektrisch oder pneumatisch betätigbare Aktoren vorgesehen sind;
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4 die Befeuchtungsanordnung gemäß 3, wobei die Klappen in eine Stellung verschwenkt sind, in welcher der geringe Abluftstrom im Gegenstrom durch den Membranbefeuchter geleitet wird;
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5 eine Befeuchtungsanordnung, bei welcher am Einlass und am Auslass des Membranbefeuchters Hohlkörper in Form von aufblasbaren Kissen vorgesehen sind, welche je nach ihrem Volumen den Zugang der Abluft zu dem Membranbefeuchter bzw. das Austreten der Abluft mehr oder weniger weitgehend verhindern können;
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6 die Befeuchtungsanordnung gem. 5, wobei die Kissen sehr weitgehend befüllt sind und für ein Durchströmen des Membranbefeuchters im Gegenstrom zur Zuluft sorgen; und
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7 Kurven, welche den Druckverlust beim Durchströmen des Membranbefeuchters im Kreuzstrom und im Gegenstrom einerseits und andererseits die Befeuchtung der Zuluft mittels des Membranbefeuchters bei einer Durchströmung im Kreuzstrom und im Gegenstrom angeben.
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Eine in 1 gezeigte Befeuchtungsanordnung 10 dient dem Befeuchten von Zuluft 12, welche als Oxidationsmittel einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Die Befeuchtungsanordnung 10 ist somit eine Komponente eines Brennstoffzellensystems, welche den Brennstoffzellenstapel umfasst. Das Brennstoffzellensystem wird hierbei bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt.
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Die Zuluft 12 wird durch eine Vielzahl von Hohlfasern 14 eines Membranbefeuchters 16 hindurchgeleitet. Diese Hohlfasern 14 erstrecken sich in eine Längsrichtung oder axiale Richtung des Membranbefeuchters 16, welche in 1 durch einen Pfeil 18 veranschaulicht ist. Nach dem Durchströmen der Hohlfasern 14 verlässt befeuchtete Zuluft 12' den Membranbefeuchter 16.
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Zum Übertragen von Feuchte auf die Zuluft 12 ist als Befeuchtungsmedium Abluft 20 des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, welche das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser enthält. Die feuchte Abluft 20 strömt über einen Einlasskanal 22 in den Membranbefeuchter 16 ein. Anschließend umströmt die Abluft 20 die Hohlfasern 14. Nach dem Umströmen der Hohlfasern 14 verlässt nun weniger feuchte Abluft 20' den Membranbefeuchter 16 über einen Auslasskanal 24.
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Ein solcher Membranbefeuchter 16 des Brennstoffzellensystems, welcher auch als Gas-to-Gas-Befeuchter bezeichnet wird, muss bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine möglichst hohe Übertragung von Feuchte auf die Zuluft 12 gewährleisten. Hierbei soll jedoch der Druckverlust beim Durchströmen des Membranbefeuchters 16 so gering wie möglich sein. Besonders bei einem hohen Durchsatz an Zuluft 12 und somit entsprechend an Abluft 20 durch den Membranbefeuchter 16 wirkt sich nämlich ein hoher Druckverlust sehr störend aus. Dies gilt insbesondere, wenn zum Bereitstellen der Zuluft 12 ein elektrisch angetriebener Turbolader verwendet wird, der in seiner Förderleistung durch eine Turbine unterstützt wird, durch welche die Abluft 20' strömt. Wenn nämlich in dem Membranbefeuchter 16 ein hoher Druckverlust vorliegt, kann die Turbine nur noch sehr wenig Leistung aus der Abluft 20' zurückgewinnen.
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Ein hoher Druckverlust liegt vor, wenn der Membranbefeuchter 16 im Gegenstrom durchströmt wird. Andererseits wird bei der Durchströmung des Membranbefeuchters 16 mit der Abluft 20 im Gegenstrom zu der Zuluft 12 eine besonders große Übertragung von Feuchte auf die Zuluft 12 erreicht. Bei einem geringen Volumenstrom durch Membranbefeuchter 16 ist der Druckverlust, welcher sich bei einer Durchströmung im Gegenstrom einstellt, akzeptabel, da die Turbine des Turboladers bei kleinen Luftströmen ohnehin kaum Leistung zurückgewinnt.
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1 zeigt einen Betriebszustand der Befeuchtungsanordnung 10, bei welcher ein hoher Volumenstrom der Zuluft 12 und somit auch der Abluft 20 vorliegt. Bei diesen hohen Volumenströmen ist ein möglichst geringer Druckverlust wichtig. Entsprechend wird die zum Befeuchten genutzte Abluft 20 im Kreuzstrom zu der zu befeuchtenden Zuluft 12 geführt. Hierfür weist der Einlasskanal 22 eine Mündungsöffnung auf, deren Länge der der Hohlfasern 14 gleich ist. Die Mündungsöffnung des Einlasskanals 22 erstreckt sich also über die gesamte axiale Länge des Membranbefeuchters 16. Der Einlasskanal 22 wird hierbei in die Strömungsrichtung der Abluft 20, welche in dem Einlasskanal 22 durch einen Strömungspfeil 26 veranschaulicht ist, zunehmend flacher. Dadurch wird sichergestellt, dass die Abluft 20 über die gesamte axiale Länge des Membranbefeuchters 16 gleichmäßig verteilt und somit besonders homogen in diesen eintritt.
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Auf dem Weg zum Auslasskanal 24 strömt die Abluft 20 dann quer, insbesondere im Wesentlichen senkrecht, zur Strömungsrichtung der durch die Hohlfasern 14 strömenden Zuluft 12. Das Strömen durch die Abluft 20 im Kreuzstrom zu der Zuluft 12 und ist in 1 durch weitere Strömungspfeile 28 veranschaulicht. Die Strömungspfeile 28 geben also eine Strömungsrichtung der Abluft 20 durch den Membranbefeuchter 16 quer zu den Hohlfasern 14 an.
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Der Auslasskanal 24 erstreckt sich ebenfalls über die gesamte axiale Länge des Membranbefeuchters 16, jedoch wird dieser Kanal in die Strömungsrichtung der Abluft 20 gesehen höher, er weitet sich also keilförmig auf.
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Im Bereich des Eintritts der Abluft 20 in den Einlasskanal 22 ist bei der Befeuchtungsanordnung 10 gemäß 1 eine Klappe 30 vorgesehen, welche um eine Schwenkachse S schwenkbar ist. Bei dem Betriebszustand des Membranbefeuchters 16 gemäß 1 wird die Klappe 30 von der in den Einlasskanal 22 eintretenden Abluft 20 aufgedrückt. Die Klappe 30 wird also passiv durch den Staudruck der Abluft 20 bewegt. Demzufolge ist bei hohem Volumenstrom die Klappe 30 in ihre in 1 gezeigte Offenstellung bewegt, bei welcher die Abluft 20 ungehindert über die gesamte Länge der Mündungsöffnung des Einlasskanals 22 in den Membranbefeuchter 16 eintreten kann.
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An dem spitz zulaufenden Ende des Auslasskanals 24 ist ebenfalls eine Klappe 32 angeordnet, welche um eine Schwenkachse S passiv verschwenkbar ist. Diese zweite Klappe 32 ist länger als die erste Klappe 30 und sie ist in der Lage, eine Eintrittsöffnung in den Auslasskanal 24 über nahezu die gesamte axiale Länge des Membranbefeuchters 16 zu verschließen. Auch diese Klappe 32 wird durch den Staudruck der den Block an Hohlfasern 14 verlassenden Abluft 20' aufgedrückt. Dies ist in 1 durch einen weiteren Strömungspfeil 34 veranschaulicht. Zum Rückstellen der Klappen 30, 32 können Federelemente wie beispielsweise Metallfedern vorgesehen sein.
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In 2 sind die von den Federelementen in ihre Ausgangsstellung bewegten Klappen 30, 32 gezeigt. Entsprechend sorgt die im Einlasskanal 22 angeordnete erste Klappe 30 dafür, dass unmittelbar am Beginn des Einlasskanals 22 die Abluft 20 in den Membranbefeuchter 16 eintritt und nicht über die gesamte axiale Länge desselben verteilt wird. Dadurch strömt die Abluft 20 zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Hohlfasern 14, in 2 also nach unten, wie dies durch einen weiteren Strömungspfeil 36 veranschaulicht ist.
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Die zweite Klappe 32 wiederum versperrt einen Großteil der Eintrittsöffnung der Abluft 20' in den Auslasskanal 24. Entsprechend tritt im Bereich des aufgeweiteten Endes des Auslasskanals 24 die Abluft 20 im Wesentlichen senkrecht aus dem ein Bündel an Hohlfasern 14 aufweisenden Membranbefeuchter 16 aus. Dies ist in 2 durch einen weiteren Strömungspfeil 38 veranschaulicht.
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Zwischen diesem Eintritt der Abluft 20 in den Membranbefeuchter 16 und dem Austritt aus demselben strömt die Abluft 20 jedoch im Gegenstrom 40 zu der durch die Hohlfasern 14 hindurchtretenden Zuluft 12 durch den Membranbefeuchter 16. Der Gegenstrom 40 ist also zumindest über den überwiegenden Teil der axialen Länge des Membranbefeuchters 16 gegeben.
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Da sich die in 2 gezeigte Stellung der Klappen 30, 32 lediglich bei geringen Volumenströmen der Abluft 20 einstellt, kommt es zu dem Betrieb im Gegenstrom 40 lediglich dann, wenn der Druckverlust des Membranbefeuchters 16 keine entscheidende Rolle spielt. Vielmehr ist bei diesen geringen Volumenströmen ein möglichst hoher Wirkungsgrad hinsichtlich der Befeuchtung der Zuluft 12 entscheidend.
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Bei der in 3 gezeigten Variante der Befeuchtungsanordnung 10 sind ebenfalls die beiden Klappen 30, 32 im Einlasskanal 22 und im Auslasskanal 24 vorgesehen. Jedoch erfolgt hier die Betätigung der Klappen 30, 32, also das Verschwenken derselben um die Schwenkachsen S nicht passiv durch die Abluft 20, sondern mittels eines Aktors 42, welcher beispielsweise als elektrischer Stellmotor oder als auf pneumatische oder hydraulische Weise wirkender Aktor 42 ausgebildet sein kann. Die entsprechende Stellkraft ist in 3 durch Kraftpfeile 44 veranschaulicht. Da bei hohem Durchsatz an Abluft 20 durch den Membranbefeuchter 16 ohnehin ein hoher Luftdruck herrscht, kann dieser insbesondere für eine pneumatische Betätigung des jeweiligen Aktors 42 verwendet werden. Bei dem in 3 veranschaulichten Betriebszustand des Membranbefeuchters 16 sind durch die Aktoren 42 die beiden Klappen 30, 32 in ihre Offenstellung bewegt. Infolgedessen wird der Membranbefeuchter 16 im Kreuzstrom durchströmt. Dies geschieht bei hohem Volumenstrom der Abluft 20.
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In 4 sind die Klappen 30, 32 mittels der Aktoren 42 in ihre die Mündungsöffnung des Einlasskanals 22 bzw. die Eintrittsöffnung des Auslasskanal 24 maximal versperrende Stellung bewegt gezeigt. Entsprechend durchströmt die Abluft 20 den Membranbefeuchter 16 wie zu 2 beschrieben im Gegenstrom 40. Wie weit die Klappen 30, 32 verschwenkt werden, wird in Abhängigkeit vom Volumenstrom der Abluft 20 eingestellt. Wird entsprechend bei niedrigem Volumenstrom der Abluft 20 auf den Gegenstrom 40 umgeschaltet, so wird ein besonders hoher Wirkungsgrad des Membranbefeuchters 16 in Hinblick auf die Befeuchtung der Zuluft 12 erreicht.
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Bei der in 5 gezeigten Variante der Befeuchtungsanordnung 10 sind an Stelle der Klappen 30, 32 im Einlasskanal 22 ein erstes Luftkissen 46 und im Auslasskanal 24 ein zweites Luftkissen 48 angeordnet. Je nachdem, wie weit diese Hohlkörper mit Luft oder einem anderen Medium befüllt sind, verschließen sie die Mündungsöffnung des Einlasskanals 22 bzw. die Eintrittsöffnung in den Auslasskanal 24 unterschiedlich weit. In der in 5 gezeigten Stellung der Luftkissen 46, 48 sind diese weitgehend leer und die Luft 20 kann so wie zu 1 und 3 beschrieben in den Membranbefeuchter 16 eintreten bzw. aus diesem austreten. Entsprechend wird der Membranbefeuchter 16 im Kreuzstrom durchströmt, welcher durch die Strömungspfeile 28 veranschaulicht ist.
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Zum Aufblasen der Luftkissen 46, 48 kann ein Teil der Zuluft 12 verwendet werden, welche stromabwärts des Kompressors oder Turboladers verdichtet zur Verfügung steht. Zudem ist hier der Druck bei hohen Luftströmen deutlich höher als auf der nassen Seite des Membranbefeuchters 16 also dort, wo die befeuchtete Zuluft 12' die Hohlfasern 14 verlässt.
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In der in 6 gezeigten Stellung der Luftkissen 46, 48 sind diese maximal weit aufgeblasen und die Abluft 20 tritt nur in dem nicht durch das Luftkissen 46 versperrten Bereich des Einlasskanals 22, also in dem von dem Luftkissen 46 freigegebenen durchströmbaren Querschnitt der Mündungsöffnung in den Membranbefeuchter 16 ein. In analoger Weise versperrt das zweite, aufgeblasene Luftkissen 48 die Eintrittsöffnung in den Auslasskanal 24 weitgehend, und die Abluft 20 kann erst nach dem Durchströmen des Membranbefeuchters 16 im Gegenstrom 40 in den Auslasskanal 24 eintreten.
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Die in 6 gezeigte Stellung der Luftkissen 46, 48, in welcher diese aufgeblasen sind, wird bei niedrigen Volumenströmen der Abluft 20 eingestellt und die in 5 gezeigte, weitgehend leere Stellung der Luftkissen 46, 48 bei hohem Volumenstrom der Abluft 20 durch den Membranbefeuchter 16.
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In einem in 7 gezeigten Graphen sind auf einer Abszisse 50 der Volumenstrom der Abluft 20 durch den Membranbefeuchter 16, auf einer ersten Koordinate 52 der Taupunkt der befeuchteten Zuluft 12' und auf einer zweiten Koordinate 54 ist der Druckverlust dargestellt.
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Eine erste Kurve 56 veranschaulicht den Taupunkt, also den Feuchtegehalt der befeuchteten Zuluft 12', wenn diese den Membranbefeuchter 16 im Gegenstrom 40 durchströmt hat. Demgemäß liegt bei niedrigem Volumenstrom eine hohe Feuchte der Zuluft 12' vor und bei hohen Volumenströmen eine entsprechend geringere Feuchte. Eine weitere Kurve 58 veranschaulicht den Druckverlust auf der nassen Seite des Membranbefeuchters 16 in Abhängigkeit vom Volumenstrom, wenn der Membranbefeuchter 16 im Gegenstrom 40 betrieben wird. Entsprechend steigt im Gegenstrombetrieb bei zunehmendem Volumenstrom der Druckverlust auf sehr hohe Werte an.
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Eine weitere Kurve 60 veranschaulicht die Feuchte der Zuluft 12', wenn der Membranbefeuchter 16 von der Abluft 20 im Kreuzstrom zu der Zuluft 12 durchströmt wird. Hier sind zwar geringere Feuchtegehalte der befeuchteten Zuluft 12' erreichbar als im Gegenstrombetrieb, jedoch ist der Druckverlust auch bei vergleichsweise hohen Volumenströmen durch den Membranbefeuchter 16 bedeutend geringer als bei einer Durchströmung desselben im Gegenstrom 40. Dieses mit zunehmendem Volumenstrom bedeutend geringere Ansteigen des Druckverlusts bei im Kreuzstrom betriebenem Membranbefeuchter 16 ist in 7 durch eine weitere Kurve 62 veranschaulicht.
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Dementsprechend ist es günstig, den Membranbefeuchter 16 wie vorstehend beschrieben bei niedrigen Volumenströmen im Gegenstrom 40 zu betreiben und dadurch einen hohen Feuchtegehalt der Zuluft 12' zu erreichen. Bei hohem Volumenstrom wird hingegen auf ein Durchströmen des Membranbefeuchters 16 im Kreuzstrom umgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Befeuchtungsanordnung
- 12, 12'
- Zuluft
- 14
- Hohlfaser
- 16
- Membranbefeuchter
- 18
- Pfeil
- 20, 20'
- Abluft
- 22
- Einlasskanal
- 24
- Auslasskanal
- 26
- Strömungspfeil
- 28
- Strömungspfeil
- 30
- Klappe
- 32
- Klappe
- 34
- Strömungspfeil
- 36
- Strömungspfeil
- 38
- Strömungspfeil
- 40
- Gegenstrom
- 42
- Aktor
- 44
- Kraftpfeil
- 46
- Luftkissen
- 48
- Luftkissen
- 50
- Abszisse
- 52
- Ordinate
- 54
- Ordinate
- 56
- Kurve
- 58
- Kurve
- 60
- Kurve
- 62
- Kurve
- S
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008027674 A [0002]
- US 2002/0006537 A1 [0003]
