-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Hohlfasermembrananordnung einer Vorrichtung zum Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen, insbesondere zur Separation von Stoffen aus gasförmigen oder flüssigen Stoffströmen, insbesondere zur Trennung von Fluiden, insbesondere zum Befeuchten oder Entfeuchten von Gas, insbesondere für eine Brennstoffzellenanordnung, mit wenigstens einer Hohlfasermembran, deren Wand aus teildurchlässigen Strukturen ist und deren Enden an/in wenigstens einem Haltemedium fixiert sind.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen, insbesondere zur Separation von Stoffen aus gasförmigen oder flüssigen Stoffströmen, insbesondere zur Trennung von Fluiden, insbesondere zum Befeuchten oder Entfeuchten von Gas, insbesondere für eine Brennstoffzellenanordnung, mit wenigstens einer Hohlfasermembrananordnung mit wenigstens einer Hohlfasermembran, deren Wand aus teildurchlässigen Strukturen ist und deren Enden an/in wenigstens einem Haltemedium fixiert sind.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 20 2008 003 717 U1 ist ein Hohlfasermodul bekannt. Das Hohlfasermodul umfasst ein Hohlfasermembranbündel, für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind. Ferner umfasst das Hohlfasermembranmodul ein Gehäuse, das das Hohlfasermembranbündel aufnimmt. Außerdem umfasst das Hohlfasermodul verschließende Fixierungsteile, die die Enden des Hohlfasermembranbündels an der einen Endseite und der anderen Endseite so verschließen und fixieren, dass das hohle Innere jeder Hohlfasermembran offen ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hohlfasermembrananordnung und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu gestalten, bei denen die Hohlfasermembrananordnung einfach und möglichst variabel realisiert werden kann. Insbesondere soll die wenigstens eine Hohlfasermembran möglichst platzsparend, spannungsfrei und/oder bezüglich ihrer Transportfunkton, insbesondere Trennungsfunktion, möglichst effizient angeordnet sein.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere nacheinander durchströmbare Hohlfasermembranabschnitte der wenigstens einen Hohlfasermembran räumlich nebeneinander verlaufen.
-
Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Hohlfasermembran wenigstens einmal umgelenkt. Strömungstechnisch vor und nach jeder Umlenkung ist jeweils einer der Hohlfasermembranabschnitte angeordnet. Die Hohlfasermembranabschnitte sind mittels eines dazwischenliegenden Umlenkabschnitts strömungstechnisch verbunden. Auf diese Weise kann bei gegebener Abmessung der Hohlfasermembrananordnung in Längsrichtung der Hohlfasermembranabschnitte die für den Transport/Austausch der Stoffe effektive Länge der wenigstens einen Hohlfasermembran vergrößert werden.
-
Die Hohlfasermembran ist mit ihren Enden jeweils in einem Anschlussbereich an oder in wenigstens einem Haltemedium fixiert. Die wenigstens eine Hohlfasermembran kann an ihren Enden mit entsprechenden Zuleitungen oder Ableitungen für die zu transportierenden Stoffe verbunden werden. Eines der Enden der wenigstens einen Hohlfasermembran kann als Einlass für die zu transportierenden Stoffe, das andere Ende kann als Auslass dienen. Die Enden sind jeweils offen und für die Stoffe durchlässig.
-
Durch das Umlenken der wenigstens einen Hohlfasermembran kann insgesamt die effektive Wandfläche der wenigstens einen Hohlfasermembran im Verhältnis zu dem Bauraumbedarf zum Anschluss ihrer Enden verringert werden. Im Unterschied dazu müssen bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Hohlfasermodul bei jedem Hohlfasermembranabschnitt beide Enden angeschlossen werden. Dort werden die Hohlfasermembranabschnitte parallel durchströmt. Erfindungsgemäß sind für alle Hohlfasermembranabschnitte einer Hohlfasermembran lediglich zwei Anschlüsse erforderlich. Die geringere Anzahl von Anschlüssen kann bei der Erfindung platzsparender angeordnet werden.
-
Die wenigstens eine Hohlfasermembran durchquert die Hohlfasermembrananordnung mehrmals. Es können im Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung im Vergleich zum Anschlussbereich der Enden höhere Packungsdichten erreicht werden. Eine höhere Packungsdichte im Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung kann sich vorteilhaft auf die Gleichverteilung des in dem die Hohlfasermembran umgebenden Faseraußenraum strömenden Stoffes auswirken. Es können Umgehungen, insbesondere Bypässe, reduziert werden. Ein Austauschvorgang, insbesondere der Transport der Stoffe zwischen zwei Fraktionen, insbesondere ein Austauschvorgang von feuchter Luft, mit der Membranaußenseite kann so verbessert werden.
-
Durch die im Vergleich zum Innenbereich geringere Packungsdichte im Anschlussbereich können freie Flächen im Anschlussbereich zur Zuführung von Stoffen, insbesondere Luft, in den Faseraußenbereich genutzt werden, ohne dass dadurch die Gesamtpackungsdichte im Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung verringert werden muss. Zur Zuführung der Stoffe können im Anschlussbereich Durchlassmittel, insbesondere Öffnungen, Schlitze, Rohre, Durchlässe, Anschlussstutzen oder andersartige Durchlassmittel, vorgesehen sein. Wenigstens ein Durchlassmittel, insbesondere ein Anschlussstutzen, kann schräg unter einem Winkel durch den Anschlussbereich zum Innenbereich führen.
-
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung von mehreren geraden Hohlfasern ist die Packungsdichte im Anschlussbereich ihrer Enden und im Innenbereich des Hohlfasermoduls gleich. Bypässe für die im Faseraußenbereich strömende Luft müssen durch Luftleitmaßnahmen verhindert werden. Bei der erfindungsgemäßen Hohlfasermembrananordnung wird durch die erhöhte Packungsdichte im Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung im Vergleich zum Anschlussbereich die Gefahr von Bypässen verringert. Es ist bei der Erfindung nicht erforderlich, einen Stoff, insbesondere Luft, von einer Längsachse der Hohlfasermembrananordnung, insbesondere der Hohlfasermembranabschnitte, her betrachtet zwischen den beiden Stirnseiten einzubringen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass kein Packungsvolumen verloren geht. Auf Luftleitmaßnahmen, die für eine gleichmäßige Anströmung von außen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hohlfasermembrananordnungen benötigt werden, kann bei der Erfindung verzichtet werden.
-
Mit der Anzahl der Umlenkungen kann die Anzahl der Hohlfasermembranabschnitte vergrößert werden. Mit wenigstens einer Hohlfasermembran kann eine größere Anzahl von Umlenkungen und damit eine größere Anzahl von Hohlfasermembranabschnitten realisiert werden, wobei zum Anschluss lediglich die beiden Enden der wenigstens einen Hohlfasermembran erforderlich sind.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Hohlfasermembran zwischen einmal und dreimal, vorzugsweise zweimal, umgelenkt sein. Auf diese Weise können entsprechend zwischen zwei und vier, vorzugsweise drei, Hohlfasermembranabschnitte nebeneinander angeordnet werden.
-
Falls die Hohlfasermembran geradzahlig, insbesondere zweimal, umgelenkt wird, entspricht dies einem Strömungsweg bezüglich einer Längsachse der Hohlfasermembrananordnung, der als „hin-zurück-hin” bezeichnet werden kann. Bei geradzahligem, insbesondere zweimaligem, Umlenken können die Enden auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Hohlfasermembrananordnung angeordnet sein. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Hohlfasermodul kann dies nur mit einfachen geradlinigen Hohlfasermembranabschnitten realisiert werden, die jeweils mit zwei Enden angeschlossen werden müssen. Dort ist nur ein einfaches Durchqueren der Länge der Hohlfasermembrananordnung realisierbar. Die Hohlfasermembranabschnitte müssen dort parallel geschaltet sein.
-
Vorteilhafterweise kann die Länge wenigstens einer Hohlfasermembran zwischen zweimal und viermal so groß, bevorzugt dreimal so groß, sein, wie eine entsprechende Ausdehnung der Hohlfasermembrananordnung in Richtung der Hohlfasermembranabschnitte. Auf diese Weise ist eine einfache bis dreifache, insbesondere zweifache, Umlenkung der wenigstens einen Hohlfasermembran möglich.
-
Eine Stoffströmung im Faseraußenraum und dem Faserinnenraum kann vorteilhafterweise nach dem Gegenstromverfahren erfolgen. Im Gegenstromverfahren sind die Stoffströmungen im Faserinnenraum und im Faseraußenraum entgegengesetzt. Beim Gegenstromverfahren kann ein besonders effizienter Stofftransport zwischen zwei Fraktionen realisiert werden. Alternativ kann die Hohlfasermembrananordnung auch im Gleichstromverfahren oder im Kreuzstromverfahren betrieben werden.
-
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Hohlfasermembran wenigstens mit einem Ende in wenigstens ein Haltemedium eingegossen, von diesem umgeben oder in/an diesem befestigt sein. Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ende in einem entsprechenden Haltemedium „eingepottet” sein. Das wenigstens eine Haltemedium kann insbesondere Harz und/oder Kunststoff aufweisen.
-
Die Wände der Hohlfasermembranabschnitte sind aus teildurchlässigen Strukturen. Die Wände können für einen oder mehrere oder einen Teil der Stoffe wenigstens teilweise durchlässig sein. Auf diese Weise kann ein Stofftransport durch die Wände entsprechend vorgegeben werden. So kann ein Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen, insbesondere eine Trennung von Stoffen, realisiert werden.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Hohlfasermembran, insbesondere wenigstens ein Hohlfasermembranabschnitt, Kunststoff, insbesondere Polymer, wenigstens aufweisen.
-
Vorteilhafterweise kann die Hohlfasermembrananordnung eine flächige Struktur, insbesondere eine Membranmatte, wenigstens mit bilden.
-
Die Hohlfasermembrananordnung kann mehrere Hohlfasermembranen aufweisen. Auf diese Weise kann eine Transportkapazität, insbesondere eine Separationskapazität, der Hohlfasermembrananordnung vergrößert werden.
-
Vorteilhafterweise können mehrere Hohlfasermembranen entsprechend mit jeweils mehreren Hohlfasermembranabschnitten nebeneinander verlaufend angeordnet sein. Die Hohlfasermembranabschnitte der Hohlfasermembranen können zusätzlich untereinander verlaufen.
-
Vorteilhafterweise können mehrere Hohlfasermembranen als Bündel nebeneinander verlaufen.
-
Vorteilhafterweise kann die Anordnung der wenigstens einen Hohlfasermembran im Bereich der Hohlfasermembranabschnitte lose sein. Auf diese Weise kann sich die Hohlfasermembran bewegen. So kann sie spannungsfrei schrumpfen, schwinden oder sich dehnen.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens einer der Hohlfasermembranabschnitte etwa geradlinig verlaufen. Auf diese Weise kann die Hohlfasermembrananordnung platzsparender aufgebaut sein. Vorteilhafterweise können wenigstens zwei der Hohlfasermembranabschnitte parallel zueinander verlaufen.
-
Die Hohlfasermembrananordnung kann vorteilhafterweise in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet werden. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Hohlfasermembrananordnung mittels wenigstens einem Haltemedium in dem Gehäuse befestigt, gehalten und/oder fixiert sein. Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Haltemedium das Gehäuse wenigstens mit bilden oder wenigstens auf einer Seite verschließen.
-
Die Hohlfasermembrananordnung kann bei einer Vorrichtung zum Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zur Separation von Stoffen aus gasförmigen oder flüssigen Stoffströmen verwendet werden. Die Vorrichtung kann zur Trennung von Fluiden, insbesondere zum Befeuchten oder Entfeuchten von Gas, insbesondere Luft, eingesetzt werden.
-
Vorteilhafterweise kann die Hohlfasermembrananordnung ein Befeuchtermodul wenigstens mit bilden.
-
Die Erfindung kann vorteilhafterweise zum Befeuchten einer Brennstoffzellenanordnung eingesetzt werden. Die Erfindung kann bei Gas-zu-Gas-Befeuchtern, Brennstoffzellenbefeuchtern, insbesondere auf Basis von Hohlfasermembranen, oder Gashohlfaserbefeuchtern eingesetzt werden. Außerdem kann sie bei verschiedenen anderen Arten von Befeuchtungseinrichtungen oder Entfeuchtungseinrichtungen, insbesondere Membrantrocknern für Druckluftanwendungen, Entfeuchtungsanlagen für Kraftwerke oder die Papierherstellung oder dgl., genutzt werden. Weitere Anwendungen der Erfindung können bei Membranmodulen für Gasfilter, Membranreaktoren oder dgl. sein. In derartigen Membranmodulen können ein Wärmeaustausch und/oder ein Stoffaustausch zwischen Membraninnenseite, also Faserinnenraum, und Membranaußenseite, also Faseraußenraum, erfolgen.
-
Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die Erfindung kann auch außerhalb der Kraftfahrzeugtechnik und/oder unabhängig von Brennstoffzellenanordnungen verwendet werden. Die Hohlfasermembrananordnung kann auch in anderen technischen Bereichen, insbesondere Industriebereichen, zum Befeuchten und/oder Entfeuchten von Gasen verwendet werden.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine Hohlfasermembran schlangenlinienförmig und/oder mäandrisch und/oder in wenigstens einer Schlaufe verlaufen. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Hohlfasermembran in Schlaufen gelegt sein.
-
Bei einer schlangenlinienförmigen oder schlaufenartigen Anordnung können die Hohlfasermembranabschnitte gleichmäßig nebeneinander angeordnet werden. Die Hohlfasermembranabschnitte können vorteilhafterweise im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sein.
-
Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Hohlfasermembranabschnitte versetzt zueinander, insbesondere in mehreren Ebenen, angeordnet sein. So kann ein bezüglich der Hohlfasermembranabschnitte dreidimensionales Gebilde realisiert werden. Die Hohlfasermembrananordnung kann so bedarfsgerecht, insbesondere an einen zur Verfügung stehenden Bauraum, angepasst werden.
-
Eine schlangenlinienförmige, mäandrische oder schlaufenartige Anordnung der wenigstens einen Hohlfaser hat den Vorteil, dass, falls die wenigstens eine Hohlfasermembran schrumpft oder sich dehnt, mechanische Spannungen in ihr verringert werden können. Durch eine derartig verlaufende wenigstens eine Hohlfasermembran kann etwaigen mechanischen Spannungen in der wenigstens einen Hohlfasermembran entgegengewirkt werden. Derartige mechanische Spannungen könnten ansonsten zum Bruch der Hohlfasermembran führen.
-
Vorteilhafterweise können mehrere Hohlfasermembranen als Bündel jeweils schlangenlinienartig oder mäandrisch, insbesondere in Schlaufen, verlaufen.
-
Vorteilhafterweise können die nacheinander durchströmbaren Hohlfasermembranabschnitte durch mindestens eine Umlenkung der Hohlfasermembran in der Nähe einer Begrenzung, insbesondere einer Wand, des Gehäuses der Hohlfasermembrananordnung realisiert werden, die einer Anschlussseite, insbesondere einem Ende, der Hohlfasermembran gegenüberliegt.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Enden der wenigstens einen Hohlfasermembran auf unterschiedlichen Seiten, insbesondere gegenüberliegenden Seiten, oder der gleichen Seite der Hohlfasermembrananordnung angeordnet sein.
-
Vorteilhafterweise können die Enden der wenigstens einen Hohlfasermembran auf unterschiedlichen Seiten angeordnet sein. Auf diese Weise können entsprechende Zuleitungen oder Ableitungen einfacher und platzsparender angeordnet werden.
-
Vorteilhafterweise können die Enden auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Hohlfasermembrananordnung mit den entsprechenden Zuleitungen/Ableitungen linear aufgebaut sein.
-
Alternativ können beide Enden auf der gleichen Seite der Hohlfasermembran angeordnet sein.
-
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Hohlfasermembrananordnung eine große Vielzahl von möglichen Anschlussgeometrien.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine Hohlfasermembran wenigstens abschnittsweise in einem fluidführenden Raum, insbesondere einem gasführenden Raum, insbesondere einem Gehäuse, verlaufen.
-
Vorteilhafterweise kann ein Innenraum der wenigstens einen Hohlfasermembran so als ein innerer fluidführender Raum, der auch als fluidführender Faserinnenraum bezeichnet werden kann, realisiert sein. Im Innenraum der wenigstens einen Hohlfasermembran kann einer der Stoffe, insbesondere ein zu befeuchtendes Gas, strömen.
-
Die wenigstens eine Hohlfasermembran kann wenigstens abschnittsweise von wenigstens einem äußeren fluidführenden Raum, der auch als fluidführender Faseraußenraum bezeichnet werden kann, umgeben sein. Der wenigstens eine äußere fluidführende Raum kann wenigstens einen Einlassanschluss und/oder wenigstens einen Auslassanschluss für entsprechende Stoffleitungen aufweisen. Durch wenigstens einen Einlass und/oder wenigstens einen Auslass kann wenigstens ein entsprechender Stoff in den äußeren fluidführenden Raum hinein oder aus diesem herausgelangen. Bei einem Gasbefeuchter kann durch die Fluidleitungen insbesondere feuchte Luft, insbesondere Frischluft oder Abluft, dem äußeren fluidführenden Raum und so der Außenseite der wenigstens einen Hohlfasermembran zugeführt werden.
-
In einem Gehäuse kann die Hohlfasermembrananordnung nach außen geschlossen und geschützt angeordnet sein.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann auf einer Seite der Hohlfasermembrananordnung, auf der wenigstens ein Ende der wenigstens einen Hohlfasermembran angeordnet ist, wenigstens ein Fluiddurchlass angeordnet sein, der mit einem die wenigstens eine Hohlfasermembran umgebenen fluidführenden Raum verbunden sein kann. Auf diese Weise können sowohl die Öffnungen für den Innenraum der wenigstens einen Hohlfasermembran, insbesondere die Öffnung der Enden, als auch die Durchlässe zu dem äußeren fluidführenden Raum platzsparend auf der gleichen Seite angeordnet sein.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens zwischen zwei der Hohlfasermembranabschnitte wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung angeordnet sein. Mit der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung kann eine Strömung in einem äußeren fluidführenden Raum der Hohlfasermembrananordnung beeinflusst werden. Es kann eine gezielte Führung wenigstens eines Stoffs im äußeren fluidführenden Raum erfolgen.
-
Vorteilhafterweise kann mit der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung eine Zwangsströmung im äußeren fluidführenden Raum realisiert werden. Durch entsprechende Anordnung der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung kann eine Strömung in dem äußeren fluidführenden Raum parallel zur Strömung im Innenraum der wenigstens einen Hohlfasermembran ausgerichtet werden. So kann die Hohlfasermembrananordnung über eine größere Länge, insbesondere ihre gesamte Länge, nach dem Gleichstromverfahren oder Gegenstromverfahren betrieben werden.
-
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung wenigstens eine Strömungswand aufweisen.
-
Mehrere Strömungsführungseinrichtungen, insbesondere Strömungswände, können vorteilhafterweise nebeneinander angeordnet sein. Wenigstens zwei insbesondere benachbarte Strömungsführungseinrichtungen können wenigstens teilweise parallel zueinander verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können wenigstens zwei insbesondere benachbarte Strömungsführungseinrichtungen wenigstens teilweise nicht parallel zueinander verlaufen. Wenigstens zwei insbesondere benachbarte Strömungsführungseinrichtungen, insbesondere Strömungswände, können geneigt zueinander verlaufen. Zwischen jeweils zwei benachbarten Strömungsführungseinrichtungen kann einer der Hohlfasermembranabschnitte angeordnet sein.
-
Ein Gehäuse, in dem wenigstens zwei Hohlfasermembranabschnitte und ggf. wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung angeordnet sind, kann die Form eines Polyeders, insbesondere eines Quaders, Würfels, Prismas, oder eines Zylinders, eines Kegels oder eines anderen Körpers mit parallelen oder nicht parallelen Flächen aufweisen.
-
Vorteilhafterweise kann an jeder Umlenkung der wenigstens einen Hohlfasermembran eine Strömungsführungseinrichtung angeordnet sein. Vorteilhafterweise können in dem Fall, dass die wenigstens eine Hohlfasermembran zweifach umgelenkt ist, zwei Strömungsführungseinrichtungen vorgesehen sein.
-
Die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung kann vorteilhafterweise eine Umlenkung eines Strömungskanals in fluidführenden Faseraußenraum bewirken.
-
Die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung kann wenigstens eine Durchführung für eine Schlaufe oder einen Umlenkabschnitt der wenigstens einen Hohlfasermembran aufweisen oder freilassen. Benachbarte Strömungsführungseinrichtungen, insbesondere Strömungswände, können versetzt zueinander angeordnete Durchführungen für die Umlenkabschnitte oder Schlaufen der wenigstens einen Hohlfasermembran aufweisen. Auf diese Weise können die Umlenkabschnitte oder Schlaufen wechselweise auf gegenüberliegenden Seiten der Hohlfasermembrananordnung angeordnet sein. Insbesondere ein schlangenlinienförmiger Verlauf der wenigstens einen Hohlfasermembran kann so einfach realisiert werden.
-
Wenigstens eine der Strömungsführungseinrichtungen kann mit einem Gehäuseabschnitt eines Gehäuses der Hohlfasermembrananordnung verbunden sein. Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung mit wenigstens einem Haltemedium der Hohlfasermembrananordnung verbunden sein. So kann die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung zusätzlich zur Stabilität des Gehäuses und/oder des wenigstens einen Haltemediums und/oder der Hohlfasermembrananordnung beitragen.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung mit dem wenigstens einen Haltemedium und/oder dem Gehäuseabschnitt materialschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig, insbesondere durch Schweißen, Kleben, Löten, Pressen, Klemmen, Verrasten, Stecken oder dgl., verbunden sein.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine von mehreren Strömungsführungseinrichtungen an einer Stirnseite der Hohlfasermembrananordnung mit einem entsprechenden Gehäuseteil und/oder dem wenigstens einen Haltemedium verbunden sein. Wenigstens eine weitere Strömungsführungseinrichtung kann auf der gegenüberliegenden Stirnseite entsprechend mit dem Gehäuse und/oder einem entsprechenden Haltemedium verbunden sein. Vorteilhafterweise können mehrere Strömungsführungseinrichtungen wechselweise auf den gegenüberliegenden Stirnseite der Hohlfasermembrananordnung befestigt sein.
-
Entsprechend der Anzahl der Strömungsführungseinrichtungen kann eine Schlaufenanzahl der wenigstens einen Hohlfasermembran vorgegeben sein oder umgekehrt. Die Anzahl der Schlaufen und/oder der Strömungsführungseinrichtungen kann abhängig von einer Anwendung der Hohlfasermembrananordnung vorgegeben werden.
-
Benachbarte Strömungsführungseinrichtungen können vorteilhafterweise in den Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung, insbesondere des Gehäuses, ragen. Sie können vorteilhafterweise aufeinander zu in entgegengesetzte Richtung zeigen.
-
Die Strömungsführungseinrichtungen können so weit in Richtung der jeweils anderen Stirnseite der Hohlfasermembrananordnung ragen, dass ein Spalt zu der jeweils anderen Stirnfläche verbleibt. Die Spalte können als Durchführungen die Umlenkabschnitte der wenigstens einen Hohlfasermembran dienen. Der wenigstens eine Spalt kann vorteilhafterweise so groß sein, dass mehrere Hohlfasermembranen hindurchgeführt werden können.
-
Wenigstens zwei Strömungsführungseinrichtungen können vorteilhafterweise parallel zueinander verlaufen. Wenigstens zwei der Strömungsführungseinrichtungen können auf unterschiedlichen Höhen bezüglich einer Grundfläche der Hohlfasermembrananordnung, also quer zu den Längsrichtung der Hohlfasermembranabschnitte, angeordnet sein.
-
Die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung kann wenigstens abschnittsweise stoffundurchlässig, insbesondere fluidundurchlässig, sein. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung durchgängig geschlossen sein. Auf diese Weise kann mit der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung eine Zwangsführung des entsprechenden zu transportierenden Stoffes, insbesondere Luft, erfolgen.
-
Bei entsprechender Anordnung und/oder Ausgestaltung der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung kann der Stoff gezwungen werden, im Faseraußenraum den gleichen Weg um die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung von der Einströmöffnung zur Ausströmöffnung zurückzulegen, wie die entsprechende wenigstens eine Hohlfasermembran und damit der Stoff im Faserinnenraum der wenigstens einen Hohlfasermembran. So kann ein gleichmäßiger Transport von Stoffen zwischen den Fraktionen, insbesondere ein gleichmäßiger Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Stoffen in dem Faserinnenraum und dem Faseraußenraum, erfolgen.
-
Die Abstände zwischen benachbarten Strömungsführungseinrichtungen können gleich oder unterschiedlich sein. Über die Abstände kann ein Strömungsfeld und/oder ein Wärmeübergang/Stoffübergang von einer Oberfläche der wenigstens einen Hohlfasermembran beeinflusst werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Pufferabschnitt der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung, welcher von der wenigstens einen Hohlfasermembran berührt werden kann, gegenüber der wenigstens einen Hohlfasermembran nachgiebig sein, insbesondere aus einem im Vergleich zur Hohlfasermembran weichen Material sein. Auf diese Weise kann ein Toleranzausgleich zwischen dem wenigstens einen Pufferabschnitt und der wenigstens einen Hohlfasermembran erreicht werden. So kann das Risiko einer Beschädigung der wenigstens einen Hohlfasermembran, welches insbesondere durch Reiben der Hohlfasermembran an dem wenigstens einen Pufferabschnitt erfolgen kann, verringert werden. Ferner können so insbesondere betriebsbedingte Schwingungen und Vibrationen gedämpft werden. Eine mechanische Belastung der wenigstens einen Hohlfasermembran und/oder der wenigstens einen Strömungsführungseinrichtung kann so verringert werden.
-
Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine Pufferabschnitt aus weichem Material sein oder weiches Material aufweisen.
-
Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine Pufferabschnitt Gummi, Silikon, Polyurethan oder dgl. wenigstens aufweisen.
-
Der wenigstens eine Pufferabschnitt kann eine Dämpfungsfunktion ausüben. Auf diese Weise kann eine Verkürzung, insbesondere ein Schrumpfen, oder eine Streckung der wenigstens einen Hohlfasermembran ausgeglichen werden. Eine Verkürzung oder Streckung kann durch Schwindung hervorgerufen werden. So kann ein mechanischer Druck der wenigstens einen Hohlfasermembran auf die wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung und umgekehrt verringert werden. Das Risiko einer Beschädigung der wenigstens einen Hohlfasermembran kann so reduziert werden.
-
Durch die Kombination des schlangenlinienförmigen Verlaufs der wenigstens einen Hohlfasermembran in Schlaufen und der nachgiebigen Pufferabschnitte kann eine etwaige mechanische Spannung auf die wenigstens eine Hohlfasermembran verringert werden.
-
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Strömungsführungseinrichtung durch einen Pufferabschnitt realisiert sein, insbesondere aus einem Pufferabschnitt bestehen. Der Pufferabschnitt kann sich über die gesamte Strömungsführungseinrichtung, insbesondere Strömungsführungswand, erstrecken.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Hohlfasermembranen als Bündel realisiert sein. Auf diese Weise kann das Hohlfasermembranmodul einfach mit mehreren Hohlfasermembranen ausgestattet werden. Mehrere Hohlfasermembranen können als Bündel einfacher verarbeitet und/oder gehandhabt werden.
-
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß bei der Vorrichtung zum Transport von Stoffen dadurch gelöst, dass mehrere nacheinander durchströmbare Hohlfasermembranabschnitte der wenigstens einen Hohlfasermembran räumlich nebeneinander verlaufen.
-
Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hohlfasermembrananordnung und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Transport von Stoffen und deren jeweiligen vorteilhaften Ausführungsformen aufgezeigten Merkmale und Vorteile gelten untereinander entsprechend und umgekehrt. Die einzelnen Merkmale und Vorteile können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, wobei sich weitere vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigt schematisch:
-
1 einen Schnitt eines Gasbefeuchters einer Brennstoffzellenanordnung mit in Schlaufen verlegten Hohlfasermembranen.
-
In Figur sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In 1 ist ein Hohlfasermembranmodul 10 zum Befeuchten von Gas einer Brennstoffzellenanordnung schematisch gezeigt.
-
Das Hohlfasermembranmodul 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem eine Hohlfasermembrananordnung 14 angeordnet ist. Die Hohlfasermembrananordnung 14 umfasst zwei Haltekörper 16, die auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Hohlfasermembrananordnung 14 angeordnet sind. Die Haltekörper 16 dienen jeweils auch als Verschluss von entsprechenden gegenüberliegenden stirnseitigen Einbauöffnungen des Gehäuses 12.
-
Die Hohlfasermembrananordnung 14 weist eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen 20 auf. Die Hohlfasermembranen 20 verlaufen in einem Bündel im Wesentlichen im Sinne eines gleichen Verlaufes nebeneinander. In 1 ist beispielhaft eine der Hohlfasermembranen 20 gezeigt, anhand der im Folgenden beispielhaft der Aufbau der Hohlfasermembrananordnung 14 beschrieben wird.
-
In jedem Haltekörper 16 ist ein Ende 18 der Hohlfasermembran 20 eingebettet. Die Enden 18 führen durch die jeweiligen Haltekörper 16 hindurch und sind zur Außenseite des Hohlfasermembranmoduls 10 offen. Eines der Enden 18 ist mit einer entsprechenden, in 1 nicht gezeigten, Frischluftleitung der Brennstoffzellenanordnung verbunden. Das andere Ende 18 ist mit der Umgebung verbunden. Die Haltekörper 16 sind jeweils aus Harz. Die Enden 18 sind in das Harz eingegossen, also „eingepottet”. Die Haltekörper 16 können auch als „Potting” bezeichnet werden.
-
Die Hohlfasermembran 20 ist aus Polymer. Ihre Wand ist aus teildurchlässigen Strukturen. Die Hohlfasermembran 20 weist zwei Umlenkabschnitte 22 auf, welche jeweils eine Schlaufen bilden. Zwischen den beiden Umlenkabschnitten 22 und jeweils zwischen den Umlenkabschnitten 22 und einem der Enden 18 verlaufen insgesamt drei Hohlfasermembranabschnitte 24. Die Hohlfasermembranabschnitte 24 sind nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Die Hohlfasermembran 20 ist also in der Hohlfasermembrananordnung 14 zweifach umgelenkt. Sie durchquert einen Innenbereich der Hohlfasermembrananordnung 14 dreimal. Eine Gesamtlänge der Hohlfasermembran 20 entspricht etwa dem Dreifachen einer Ausdehnung 25 des Hohlfasermembrananordnung 14 in Längsrichtung der Hohlfasermembranabschnitte 24.
-
Die Hohlfasermembran 20, nämlich die Umlenkabschnitte 22 und die Hohlfasermembranabschnitte 24, befinden sich in einem Gehäuseinnenraum 26. Der Gehäuseinnenraum 26 ist im Betrieb des Hohlfasermembranmoduls 10 abluftführend.
-
Ferner umfasst die Hohlfasermembrananordnung 14 zwei Strömungsumlenkwände 28. Die Strömungsumlenkwände 28 erstrecken sich jeweils zwischen dem mittleren Hohlfasermembranabschnitt 24 und einem der äußeren Hohlfasermembranabschnitte 24. Sie verlaufen parallel zueinander. Die Strömungsumlenkwände 24 befinden sich im Gehäuseinnenraum 26. Die Strömungsumlenkwände 28 sind jeweils mit einer Seite an einem der Haltekörper 16 befestigt, beispielsweise geschweißt oder geklebt. Mit ihrer gegenüberliegenden freien Seite zeigen die Strömungsumlenkwände 28 jeweils zu dem jeweils anderen Haltekörper 16.
-
Die freien Seiten der Strömungsumlenkwände 28 sind zu dem jeweiligen gegenüberliegenden Haltekörper 16 beabstandet. Zwischen dem gegenüberliegenden Haltekörper 16 und der freien Seite der entsprechenden Strömungsumlenkwand 28 befindet sich jeweils ein Spalt 30. Durch die Spalte 30 führt jeweils einer der Umlenkabschnitte 22 der Hohlfasermembran 20.
-
Die freien, dem jeweiligen Spalt 30 zugewandten Seiten der Strömungsumlenkwände 28 weisen jeweils einen Pufferabschnitt 32 auf. Die Pufferabschnitte 32 sind im Vergleich zur Hohlfasermembran 20 weich und nachgiebig. Die Pufferabschnitte 32 sind beispielsweise aus Gummi, Silikon oder Polyurethan.
-
Mit den Strömungsumlenkwänden 28 wird der Gehäuseinnenraum 26 in einen etwa S-förmigen Strömungskanal 34 unterteilt, dessen Verlauf etwa dem schlangenlinienförmigen Verlauf der Hohlfasermembran 20 entspricht. In jedem der drei Äste des S-förmigen Strömungskanals 34 verläuft einer der Hohlfasermembranabschnitte 24.
-
An einer Stirnseite der Hohlfasermembrananordnung 14 führt ein erster Abluftdurchlass 36 in einen der beiden äußeren Äste des Strömungskanals 34. An der gegenüberliegenden Stirnseite führt ein zweiter Abluftdurchlass 36 in den zweiten äußeren Ast des Strömungskanals 34. Die Abluftdurchlässe 36 führen jeweils durch die entsprechenden Haltekörper 16. Die Abluftdurchlässe 36 befinden sich jeweils zwischen einem der Enden 18 der Hohlfasermembran 20 und der entsprechend benachbarten Strömungsumlenkwand 28.
-
Der Abluftdurchlass 36, der sich neben einem bezüglich der Frischluftströmung für die Brennstoffzellenanordnung einlassseitigen Ende 18, in 1 oben links, befindet, dient bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Abluftauslass. Der andere Abluftdurchlass 36, der sich neben einem auslassseitigen Ende 18, in 1 unten rechts, befindet, dient als Ablufteinlass.
-
Das in 1 gezeigte Hohlfasermembranmodul 10 wird nach dem Gegenstromverfahren betrieben. Trockene Frischluft aus der Umgebung strömt dabei durch das einlassseitige Ende 18 in die Hohlfasermembran 20. Sie durchströmt die Hohlfasermembran 20, angedeutet durch durchgängige Pfeile 38, und wird dabei in den Umlenkabschnitten 22 insgesamt zweimal umgelenkt. Die mit dem Hohlfasermembranmodul 10 befeuchtete Frischluft verlässt das Hohlfasermembranmodul 10 durch das auslassseitige Ende 18 und wird über die Frischluftleitung der Brennstoffzellenanordnung zugeführt.
-
Von der Brennstoffzellenanordnung kommende feuchte Abluft wird durch eine entsprechende Abluftleitung und den einlassseitigen Abluftdurchlass 36, nämlich den Ablufteinlass, in den Gehäuseinnenraum 26 geleitet. Die Abluftströmung in dem abgasführenden Bereich des Hohlfasermembranmoduls 10 ist in 1 mit gestrichelten Pfeilen 40 angedeutet. Der die Hohlfasermembran 20 umgebende abluftführende Bereich des Gehäuseinnenraums 26 kann auch als Faser- oder Membranaußenraum oder -außenbereich bezeichnet werden.
-
Die feuchte Abluft strömt in dem Gehäuseinnenraum 26 durch die Äste des Strömungskanals 34 im Gegenstrom zu der Frischluftströmung in der Hohlfasermembran 20. Dabei wird durch die teiltransparente Wand der Hohlfasermembran 20 die Feuchtigkeit der Abluft an die Frischluft im Innenraum der Hohlfasermembran 20 abgegeben und damit die Frischluft befeuchtet.
-
Die Abluft strömt entlang der Strömungsumlenkwände 28 und durch die Spalte 30 von dem einlassseitigen Ast zum mittleren und schließlich zum auslassseitigen Ast des Strömungskanals 34. Die Abluft verlässt das Hohlfasermembranmodul 10 durch den auslassseitigen Abluftdurchlass 36, nämlich den Abluftauslass.
-
Das in 1 gezeigte Hohlfasermembranmodul 10 kann statt im Gegenstromverfahren auch im Gleichstromverfahren betrieben werden. Dabei entspricht die Strömungsrichtung der Abluft der Strömungsrichtung der Frischluft. Das einlassseitige Ende 18 der Hohlfasermembran 20 befindet sich dann neben dem einlassseitigen Abluftdurchlass 36.
-
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 202008003717 U1 [0003]
