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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchterplatte für ein Befeuchtermodul, das zur Befeuchtung von Betriebsgasen für Brennstoffzellen konzipiert ist. Die Befeuchterplatte ist dabei jeweils aus mindestens zwei Bahnen eines flexiblen Materials ausgeführt, wobei die beiden Bahnen sich zu einem Gesamtperforationsmuster ergänzende Teilperforationsmuster aufweisen können. Alternativ ist es möglich, ein entsprechendes Gesamtperforationsmuster in mindestens einer Bahn auszubilden. Dadurch ist ein einfaches Herstellen der Befeuchterplatte möglich, beispielsweise über Rolle-zu-Rolle-Prozesse, es können dadurch beispielsweise Folien aufeinander auflaminiert werden. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Befeuchtermodul, das mindestens zwei der zuvor genannten Befeuchterplatten umfasst.
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Bei der Herstellung von Befeuchterplatten und/oder Befeuchtermodulen bestehen vielseitige Anforderungen auf Produzentenseite, um insbesondere die Kundenvorstellungen zu treffen. So müssen zum einen die Befeuchtermodule möglichst kostengünstig herstellbar sein, daher muss die Herstellung hochautomatisiert erfolgen, um zudem möglichst geringe Abweichungen von vorgegebenen Parametern zu bewirken.
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Zudem bestehen räumliche Anforderungen, insbesondere sollen Befeuchterplatten eine möglichst geringe Bauhöhe aufweisen und in ihrem Aufbau sehr filigran mit dünnen Wandstärken ausgeführt sein.
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Sämtliche der voranstehenden Anforderungen sind in einem Spritzgussprozess schwer umsetzbar.
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Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Befeuchterplatte bzw. ein Befeuchtermodul anzugeben, womit das zur Verfügung stehende Volumen bei kleinstmöglichem Gewicht optimal ausgenutzt wird. Zudem sollen die erfindungsgemäßen Befeuchterplatten mit hoher Designfreiheit herstellbar sein. Weiterhin muss der Prozess für den Aufbau des Befeuchters leicht zu automatisieren sein und eine hohe Reproduzierbarkeit, insbesondere eine hohe Maßhaltigkeit aufweisen.
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Die Erfindung wird hinsichtlich einer Befeuchterplatte in Schutzansprüchen 1, 8 und 9 angegeben. Schutzanspruch 21 betrifft ein Befeuchtermodul, das mindestens zwei erfindungsgemäße Befeuchterplatten umfasst. Die jeweilig abhängigen Schutzansprüche betreffen dabei vorteilhafte Ausführungen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit gemäß einer ersten Ausführungsform eine Befeuchterplatte für ein Befeuchtermodul zur Befeuchtung von Betriebsgasen für Brennstoffzellen, umfassend
mindestens zwei Bahnen eines flexiblen Materials, die jeweils mindestens ein erstes Perforationsmuster aufweisen, das jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids und jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids umfasst,
mindestens ein zweites Perforationsmuster aufweisen, das jeweils ein partielles Fluidverteilungsmuster umfasst,
wobei zumindest in einer Bahn des flexiblen Materials das erste Perforationsmuster mit dem zweiten Perforationsmuster zumindest bereichsweise in fluidische Kommunikation gebracht ist, sowie
ein drittes Perforationsmuster aufweisen, das zumindest zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die in jeder einzelnen Bahn weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen,
wobei die mindestens zwei Bahnen des flexiblen Materials so aufeinander angeordnet sind, dass in allen Bahnen untereinander jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids und jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids des ersten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander steht, wodurch mindestens ein Einlassport des Verbundes der mindestens zwei Bahnen und mindestens ein Auslassport des Verbundes der mindestens zwei Bahnen ausgebildet ist und in allen Bahnen untereinander jeweils paarweise die Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander stehen, so dass mindestens zwei Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei Bahnen ausgebildet sind; und paarweise bei jeweils zwei unmittelbar aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials jeweils das mindestens eine zweite Perforationsmuster einer ersten flexiblen Bahn zumindest bereichsweise mit jeweils dem mindestens einen zweiten Perforationsmuster der zweiten, unmittelbar auf die erste Bahn aufgebrachten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation steht, so dass sich die partiellen Fluidverteilungsmuster in den jeweiligen unmittelbar aufeinander aufgebrachten Bahnen zu einem durchgehenden Fluidverteilungsmuster ergänzen, über das eine fluidische Kommunikation zwischen dem mindestens einen Einlassport und dem mindestens einen Auslassport gewährleistet ist, wobei
die mindestens zwei aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Befeuchterplatte zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie aus mindestens zwei Bahnen eines flexiblen Materials gebildet ist, wobei diese Bahnen aufeinander auflaminiert sind. Diese Bahnen können beispielsweise Folien, insbesondere Kunststofffolien sein.
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In beide Bahnen wird ein Perforationsmuster eingebracht, das sich aus einem ersten Perforationsmuster, einem zweiten Perforationsmuster sowie einem dritten Perforationsmuster zusammensetzt. Das erste Perforationsmuster dient dabei der Versorgung der Befeuchterplatte, d.h. über Portöffnungen können Einlässe und Auslässe in der Befeuchterplatte angelegt werden. Diese Portöffnungen reichen durch die Befeuchterplatte hindurch, weisen jedoch Abzweige auf der Oberfläche oder im Innern der fertigen Befeuchterplatte auf.
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Das zweite Perforationsmuster umfasst ein partielles Fluidverteilungsmuster und steht mit dem ersten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation, so dass über die Portöffnungen das zweite Perforationsmuster mit einem Medium angeströmt werden kann bzw. umgekehrt aus dem zweiten Perforationsmuster ein Medium in die Portöffnung, d.h. das erste Perforationsmuster strömen kann.
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Zudem umfasst jede Bahn ein drittes Perforationsmuster, das allerdings weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation steht. Somit können beispielsweise an dieser Stelle durch die Befeuchterplatte Medien, insbesondere Gase hindurch geleitet werden, ohne dass diese Gase in der Befeuchterplatte verteilt werden.
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Die beiden Bahnen sind dabei so übereinander auflaminiert, dass die jeweiligen Perforationsmuster zumindest bereichsweise übereinander zur Deckung kommen, so dass eine fluidische Kommunikation unter den einzelnen Bahnen ausgebildet wird. Aufgrund der Tatsache, dass in jeder Bahn ein zweites Perforationsmuster enthalten ist, das ein partielles Fluidverteilungsmuster bildet, wird durch die Aufeinanderlaminierung der beiden Bahnen ein vollständiges Fluidverteilungsmuster über die beiden partiellen Fluidverteilungsmuster, die das zweite Perforationsmuster darstellen, ausgebildet.
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Werden nur die beiden oben geschilderten Bahnen zu einer Befeuchterplatte auflaminiert, werden diese insbesondere für einen monopolaren Stackaufbau eingesetzt, bei dem zu beiden Seiten der Befeuchterplatte dasselbe Gas durch das Fluidverteilungsmuster geführt wird. Insgesamt kommt es dann zu einem Aufbau, bei dem sich beginnend an eine erste Membran bzw. einen ersten Membranverbund mit zugehörigem Gasdiffusionsmedium eine erste so aufgebaute Befeuchterplatte anschließt, die auf beiden Oberflächen ein feuchtes Gas verteilt. Es folgt eine zweite Membran bzw. ein zweiter Membranverbund mit zugehörigem Gasdiffusionsmedium, auf die eine zweite in dieser Art, bezüglich der Anordnung ihrer Perforationsmuster verglichen mit der ersten Befeuchterplatte unterschiedlich aufgebaute Befeuchterplatte anschließt, die auf beiden Oberflächen ein trockenes, zu befeuchtendes Gas führt. Hierdurch wird ein besonders kompakte Bauart des Befeuchterstapels ermöglicht. Der Herstellaufwand ist aber bedingt durch die beiden Plattendesigns größer. Eine monopolare Befeuchterplatte sieht also insbesondere vor, dass dasselbe Fluid über demselben Einströmport beide Fluidverteilungsmuster, d.h. auf beiden Seiten der mittleren Lage, anströmt und die jeweiligen Fluidverteilungsmuster somit mit dem gleichen Medium über den gleichen Porteinlass versorgt werden. Ebenso erfolgt der Austritt des Fluids aus beiden Fluidverteilungsmustern über den gleichen Portauslass.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Befeuchterplatte mindestens 2, bevorzugt bis 50 Bahnen, bevorzugt 2 bis 25 Bahnen, besonders bevorzugt 2 bis 5 Bahnen, insbesondere 2 oder 3 Bahnen des flexiblen Materials aufeinander aufgebracht und miteinander verbunden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das zweite Perforationsmuster in jeder einzelnen Bahn des flexiblen Materials durch eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen gebildet ist, wobei paarweise bei jeweils zwei unmittelbar aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials jeweils in einer ersten Bahn und einer zweiten Bahn die Durchtrittsöffnungen versetzt zueinander angeordnet sind und teilweise überlappen.
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Diese Vielzahl von Durchtrittsöffnungen können beispielsweise Aussparungen oder Ausstanzungen in einer jeweiligen Bahn sein, die insbesondere bei einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren in die Bahn eingebracht werden können.
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Weiter bevorzugt umfasst die Befeuchterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine zusätzliche Bahn eines flexiblen Materials, die auf eine der mindestens zwei Bahnen des flexiblen Materials aufgebracht, und mit derjenigen der zwei Bahnen, auf die die zusätzliche Bahn aufgebracht ist, kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden ist.
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Die zusätzliche Bahn kann beispielsweise lediglich ein erstes und ein drittes Perforationsmuster aufweisen und somit Portöffnungen zur Versorgung der Befeuchterplatte bzw. Durchströmöffnungen. Anstelle des zweiten Perforationsmusters kann diese zusätzliche Bahn auch geschlossen sein, so dass diese Bahn sich beispielsweise als abschließende Bahn einer entsprechenden Befeuchterplatte eignet. Derartige Befeuchterplatten sind beispielsweise als letzte Platte in einem mehrere gestapelte Befeuchterplatten enthaltenden Befeuchtermodul denkbar.
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Somit ist in die mindestens eine zusätzliche Bahn ein Perforationsmuster mit Durchtrittsöffnungen eingebracht, das mit dem ersten und dritten Perforationsmuster der mindestens zwei Bahnen zumindest partiell überlappt oder diesem entspricht, so dass eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen mit dem Einlassport, eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen mit dem Auslassport und Durchtrittsöffnungen mit den Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei Bahnen zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation stehen. Die Perforationsmuster in den einzelnen Bahnen müssen dabei nicht notwendigerweise bündig sein bzw. identische Kontur haben, dies ist jedoch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform möglich.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der zuvor beschriebenen speziellen Befeuchterplatte sieht vor, dass diese mindestens zwei weitere Bahnen eines flexiblen Materials umfasst, die jeweils
mindestens ein erstes Perforationsmuster aufweisen, das jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids und jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids umfasst,
mindestens ein zweites Perforationsmuster aufweisen, das jeweils ein partielles Fluidverteilungsmuster umfasst,
wobei zumindest in einer der mindestens zwei weiteren Bahnen des flexiblen Materials das erste Perforationsmuster mit dem zweiten Perforationsmuster zumindest bereichsweise in fluidische Kommunikation gebracht ist, sowie
ein drittes Perforationsmuster aufweisen, das zumindest zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die in jeder einzelnen der mindestens zwei weiteren Bahnen weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen,
wobei die mindestens zwei weiteren Bahnen des flexiblen Materials auf der den mindestens zwei Bahnen abgewandten Seite der mindestens einen weiteren Bahn so aufgebracht sind, dass in den mindestens zwei weiteren Bahnen untereinander jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids des ersten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander steht, wodurch mindestens ein Einlassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet ist und jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids des ersten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander steht, wodurch mindestens ein Auslassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet ist und in allen weiteren Bahnen untereinander jeweils paarweise die Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander stehen, so dass mindestens zwei Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet sind,
wobei eine der mindestens zwei weiteren Bahnen so auf die mindestens eine zusätzlichen Bahn aufgebracht ist, dass der mindestens eine Einlassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zusätzlichen Bahn, der mindestens eine Auslassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zusätzlichen Bahn und die Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen jeweils mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zusätzlichen Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation stehen,
wobei die mindestens zwei weiteren aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials untereinander und mit der mindestens einen zusätzlichen Bahn kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
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Die zuvor beschriebene Ausführungsform sieht somit im Falle identischer erster, zweiter und dritter Perforationsmuster eine spiegelsymmetrische Ausgestaltung der Befeuchterplatte hinsichtlich der Bahnen relativ zur mittleren Bahn vor. Die mittlere Bahn weist dabei lediglich ein erstes und ein drittes Perforationsmuster und somit Durchtrittsöffnungen für Medien auf, weist allerdings kein Fluidverteilungsmuster auf. Auf beiden Seiten dieser Bahn sind nunmehr mindestens jeweils zwei Bahnen eines flexiblen Materials ausgebildet, die wie bereits eingangs erläutert aufgebaut sind. Gemäß dieser Ausführungsform können somit über die mittlere Bahn die jeweiligen auf den beiden Seiten dieser mittleren Bahn angeordneten weiteren Bahnen ein jeweiliges Fluidverteilungsmuster ausbilden, beide Muster können über die Öffnungen, die in der mittleren Bahn enthalten sind, miteinander in Kommunikation treten, so dass eine Weiterleitung eines Fluidstroms von der einen Seite der mittleren Bahn auf die andere Seite ermöglicht wird. Die beiden Fluidverteilungsmuster auf den beiden Seiten der mittleren Bahn werden dabei im Gleichstrom betrieben, es handelt sich um einen monopolaren Aufbau.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Befeuchterplatte mindestens zwei weitere Bahnen eines flexiblen Materials umfasst, die jeweils
mindestens ein eigenes erstes Perforationsmuster aufweisen, das jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids und jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids umfasst,
mindestens ein eigenes zweites Perforationsmuster aufweisen, das jeweils ein partielles Fluidverteilungsmuster umfasst,
wobei zumindest in einer der mindestens zwei weiteren Bahnen des flexiblen Materials das erste Perforationsmuster mit dem zweiten Perforationsmuster zumindest bereichsweise in fluidische Kommunikation gebracht ist, sowie
ein drittes Perforationsmuster aufweisen, das zumindest zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die in jeder einzelnen der mindestens zwei weiteren Bahnen weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen,
wobei die mindestens zwei weiteren Bahnen des flexiblen Materials auf der den mindestens zwei Bahnen abgewandten Seite der mindestens einen weiteren Bahn so aufgebracht sind, dass in den mindestens zwei weiteren Bahnen untereinander jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids des ersten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander steht, wodurch mindestens ein Einlassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet ist, und jeweils die mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids des ersten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander steht, wodurch mindestens ein Auslassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet ist und in allen weiteren Bahnen untereinander jeweils paarweise die Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation miteinander stehen, so dass mindestens zwei Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen ausgebildet sind,
wobei eine der mindestens zwei weiteren Bahnen so auf die mindestens eine zusätzlichen Bahn aufgebracht ist, dass der mindestens eine Einlassport und der mindestens eine Auslassport des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen jeweils mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zusätzlichen Bahn und jeweils mindestens einer der Durchströmungsports des Verbundes der mindestens zwei weiteren Bahnen mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zusätzlichen Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation stehen,
wobei die mindestens zwei weiteren aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials untereinander und mit der mindestens einen zusätzlichen Bahn kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
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Die zuvor beschriebene Ausführungsform sieht somit im Falle identischer erster, zweiter und dritter Perforationsmuster eine drehsymmetrische oder chirale Ausgestaltung der Befeuchterplatte hinsichtlich der Bahnen relativ zur mittleren Bahn vor. Die mittlere Bahn weist dabei lediglich ein erstes und ein drittes Perforationsmuster und somit Durchtrittsöffnungen für Medien auf, weist allerdings kein Fluidverteilungsmuster auf. Auf beiden Seiten dieser Bahn sind nunmehr mindestens jeweils zwei Bahnen eines flexiblen Materials ausgebildet, die wie bereits eingangs erläutert aufgebaut sind. Gemäß dieser Ausführungsform können somit über die mittlere Bahn die jeweiligen auf den beiden Seiten dieser mittleren Bahn angeordneten weiteren Bahnen ein jeweiliges Fluidverteilungsmuster ausbilden, beide Muster können über die Öffnungen, die in der mittleren Bahn enthalten sind, miteinander in Kommunikation treten, so dass eine Weiterleitung eines Fluidstroms von der einen Seite der mittleren Bahn auf die andere Seite ermöglicht wird. Die beiden Fluidverteilungsmuster auf den beiden Seiten der mittleren Bahn werden dabei im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom betrieben, es handelt sich um einen bipolaren Aufbau. Der bipolare Aufbau zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein einziger Plattentyp zum Einsatz kommt, wobei auf beiden Seiten der Befeuchterplatte unterschiedliche Gase geführt werden. Auf die Befeuchtermembran bzw. den Membranverbund mit zugehörigem Gasdiffusionsmedium folgt auf der ersten Seite der Befeuchterplatte die Verteilung feuchten Gases, auf der anderen Seite der Befeuchterplatte wird trockenes, zu befeuchtendes Gas, verteilt, hieran grenzt die nächste Befeuchtermembran, es folgt eine weitere Befeuchterplatte, auf der der zuletzt genannten Befeuchtermembran zugewandten Oberfläche dieser Befeuchtermembran wird feuchtes Gas verteilt, das das zuvor genannte zu befeuchtende Gas über diese Befeuchtermembran befeuchtet. Bei einer bipolaren Platte sind die Fluidverteilungsmuster in den jeweiligen Bahnen im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom angeordnet, so dass die jeweiligen Fluidverteilungsmuster, die auf der Vorder- und Rückseite der mittleren Bahn angeordnet sind, verschiedene Portein- und -auslässe aufweisen.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Befeuchterplatte, umfassend
mindestens drei Bahnen eines flexiblen Materials, wobei
in die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine dritte Bahn des flexiblen Materials jeweils mindestens ein erstes Perforationsmuster, das jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids umfasst, eingebracht ist,
in die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine dritte Bahn des flexiblen Materials, jeweils mindestens ein zweites Perforationsmuster eingebracht ist, das jeweils ein Fluidverteilungsmuster umfasst, wobei in der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn des flexiblen Materials das erste Perforationsmuster mit dem zweiten Perforationsmuster zumindest bereichsweise in fluidische Kommunikation gebracht ist,
in die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine dritte Bahn des flexiblen Materials jeweils ein drittes Perforationsmuster eingebracht ist, das zumindest zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die innerhalb der jeweiligen Bahn weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen,
in die mindestens eine zweite Bahn des flexiblen Materials mindestens vier Durchtrittsöffnungen eingebracht sind,
die mindestens drei Bahnen des flexiblen Materials so aufeinander gebracht sind, dass die mindestens eine zweite Bahn zwischen die jeweils mindestens eine erste Bahn und mindestens eine dritte Bahn aufgenommen wird, wobei
jeweils die mindestens eine Portöffnung des ersten Perforationsmusters der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation mit jeweils einer Durchtrittsöffnung der mindestens einen zweiten Bahn steht,
jeweils das zweite Perforationsmuster der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation mit jeweils einer Durchtrittsöffnung der mindestens einen zweiten Bahn steht und
jeweils die mindestens zwei Durchtrittsöffnungen des dritten Perforationsmusters der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn mit den jeweiligen Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zweiten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation steht, wobei die mindestens drei aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
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Zudem betrifft die Erfindung gemäß einer vierten Ausführungsform eine Befeuchterplatte umfassend mindestens drei Bahnen eines flexiblen Materials, wobei
in die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine dritte Bahn des flexiblen Materials, jeweils mindestens ein zweites Perforationsmuster eingebracht ist, das jeweils ein Fluidverteilungsmuster umfasst,
in die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine dritte Bahn des flexiblen Materials jeweils ein drittes Perforationsmuster eingebracht ist, das zumindest zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die innerhalb der jeweiligen Bahn nicht mit dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen,
in die mindestens eine zweite Bahn des flexiblen Materials mindestens vier Durchtrittsöffnungen eingebracht sind,
die mindestens drei Bahnen des flexiblen Materials so aufeinander gebracht sind, dass die mindestens eine zweite Bahn zwischen die jeweils mindestens eine erste Bahn und mindestens eine dritte Bahn aufgenommen wird, wobei
jeweils das zweite Perforationsmuster der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation mit jeweils einer Durchtrittsöffnung der mindestens einen zweiten Bahn steht und
jeweils die mindestens zwei Durchtrittsöffnungen des dritten Perforationsmusters der mindestens einen ersten Bahn und der mindestens einen dritten Bahn mit den jeweiligen Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zweiten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation stehen, sowie die mindestens drei aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
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Bei den zuvor angegebenen Ausführungsformen der Befeuchterplatten ist es insbesondere bevorzugt, dass die Bahnen so angeordnet sind, dass die Befeuchterplatte eine bipolare oder monopolare Befeuchterplatte ist. Die Charakteristika der beiden Plattentypen wurden bereits im Kontext der jeweils ersten Ausführungsform des jeweiligen Plattentyps beschrieben. Die zuvor beschriebenen bipolaren oder monopolaren Ausgestaltungen der Befeuchterplatte gelten auch für mehrlagige, also aus mehreren Bahnen aufgebaute, insbesondere für die bereits zuvor beschriebene fünflagige Befeuchterplatte.
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Die beiden zuvor beschriebenen dritten und vierten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Befeuchterplatte ähneln der weiter voranstehend beschriebenen fünflagigen zweiten Ausführungsform, auch hier sind Fluidverteilungsmuster auf beiden Seiten einer Bahn ausgebildet, die kein Fluidverteilungsmuster aufweist und die beiden auf ihren Seiten angeordneten Fluidverteilungsmuster voneinander trennt, so dass die auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Befeuchterplatte geführten Gase unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalts voneinander getrennt werden. Durch die Bahn ohne Fluidverteilungsmuster wird ein bipolarer Aufbau also erst ermöglicht. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen fünflagigen zweiten Ausführungsform umfassen diese dritte und vierte Ausführungsform allerdings lediglich drei Lagen von Bahnen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte, umfassend mindestens zwei Bahnen eines flexiblen Materials, wobei in die mindestens eine erste Bahn des flexiblen Materials mindestens ein erstes Perforationsmuster, das jeweils mindestens eine Portöffnung für einen Einlass eines Fluids umfasst, eingebracht ist, in die mindestens eine erste Bahn des flexiblen Materials mindestens ein zweites Perforationsmuster eingebracht ist, das ein Fluidverteilungsfeld umfasst, in die mindestens eine erste Bahn des flexiblen Materials mindestens ein drittes Perforationsmuster eingebracht ist, das mindestens zwei Durchströmungsöffnungen aufweist, die innerhalb der jeweiligen Bahn weder mit dem ersten noch dem zweiten Perforationsmuster in fluidischer Kommunikation stehen, in die mindestens eine zweite Bahn des flexiblen Materials mindestens vier Durchtrittsöffnungen eingebracht sind, in der mindestens eine zweite Bahn mindestens ein Bereich vorgesehen ist, in dem die mindestens eine zweite Bahn mindestens ein Beabstandungselement umfasst, die mindestens zwei Bahnen des flexiblen Materials so aufeinander angeordnet sind, dass jeweils die mindestens eine Portöffnung des ersten Perforationsmusters der mindestens einen ersten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation mit jeweils einer Durchtrittsöffnung der mindestens einen zweiten Bahn steht, jeweils die mindestens zwei Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters der mindestens einen ersten Bahn zumindest bereichsweise in fluidischer Kommunikation mit den jeweiligen Durchtrittsöffnungen der mindestens einen zweiten Bahn stehen, das mindestens eine Beabstandungselement der mindestens einen zweiten Bahn im Bereich des Fluidverteilungsfeldes der mindestens einen ersten Bahn angeordnet ist, wobei die mindestens zwei aufeinander aufgebrachten Bahnen des flexiblen Materials kohäsiv, adhäsiv, stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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Auch dieses Konzept der Befeuchterplatte beruht auf mindestens zwei Bahnen eines flexiblen Materials, die miteinander laminiert sind. Die erste Bahn weist dabei wie bei den voranstehenden Ausführungsformen beschrieben drei unterschiedliche Perforationsmuster auf, die einerseits der interfluidischen Konnektion der unterschiedlichen Bahnen aus Materialien dienen, andererseits auch der Fluidverteilung dienen. Das zweite Perforationsmuster der ersten Bahn definiert dabei ein Fluidverteilungsfeld, dieses Fluidverteilungsfeld kann beispielsweise auch als Aussparung in der ersten Bahn ausgestaltet sein.
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In der zweiten Bahn kann an der Stelle, an der das Fluidverteilungsfeld in der ersten Bahn vorgesehen ist beispielsweise ein Beabstandungselement umfasst sein.
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Dieses Beabstandungselement kann in das Fluidverteilungsfeld der ersten Bahn eingreifen und somit den beispielsweise durch die Aussparung des Fluidverteilungsfeldes vorgesehenen Hohlraum zwischen den beiden Bahnen aufspannen und aufrechterhalten.
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Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Variante sieht vor, dass das erste Perforationsmuster der ersten Bahn mindestens eine Portöffnung für einen Auslass eines Fluids umfasst, wobei die mindestens zwei Bahnen des flexiblen Materials so aufeinander angeordnet sind, dass die mindestens eine Portöffnung des ersten Perforationsmusters zumindest teilweise in fluidischer Kommunikation mit einer Durchtrittsöffnung der mindestens einen zweiten Bahn steht.
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Weiter vorteilhaft hierbei ist, wenn mindestens ein Beabstandungselement in einer Projektionsrichtung auf die mindestens eine zweite Bahn so dimensioniert ist, dass die Dimensionierung der mindestens einen zweiten Bahn in Projektionsrichtung auf die mindestens eine zweite Bahn größer ausfällt, als die Dimensionierung des Materials der mindestens einen zweiten Bahn.
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Insbesondere stellt das Fluidverteilungsfeld der mindestens einen ersten Bahn eine Aussparung in der mindestens einen ersten Bahn dar.
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Vorzugsweise ist das Beabstandungselement durch eine Aussparung beidseitig begrenzt.
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Das Beabstandungselement kann durch eine Faltung und/oder durch eine Noppenstrukturierung, bevorzugt beidseitig, des Materials der mindestens einen zweiten Bahn gebildet.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine zweite Bahn mit mindestens einer weiteren Bahn auf der der mindestens einen ersten Bahn abgewandten Seite verbunden ist, die bevorzugt identisch ausgestaltet ist, wie die mindestens eine erste Bahn und identisch mit der mindestens einen zweiten Bahn verbunden ist.
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Insbesondere kann die Möglichkeit gegeben sein, dass die mindestens eine erste Bahn und die mindestens eine zweite Bahn bzw. ggfs. die mindestens eine weitere vorhandene Bahn – insgesamt also der Verbund der unterschiedlichen Bahnen – von zwei Gasdiffusionslagen eingefasst ist.
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Ebenso ist bei dieser Variante die Möglichkeit gegeben, durch einen gestapelten Aufbau einen mehrlagigen Verbund einer Befeuchterplatte zu konstruieren.
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Für sämtliche der zuvor beschriebenen Ausführungen ist es bevorzugt, wenn jede Bahn im Wesentlichen die gleichen oder die gleichen äußeren Dimensionen aufweisen und im Wesentlichen deckungsgleich oder deckungsgleich aufeinander aufgebracht sind.
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Die Perforationsmuster in den einzelnen Bahnen können mittels Ausstanzens, insbesondere mittels einer Rollenstanze oder mittels einer Hub-Stanzvorrichtung, Ausschneidens, oder durch einen Laserschneidprozess erzeugt werden.
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Die Bahnen können mittels eines Rolle-zu-Rolle-Prozesses laminiert werden, wobei insbesondere die einzelnen Bahnen kontinuierlich aufeinander aufgebracht und verbunden wurden und nach Herstellung der Verbindung die einzelnen Befeuchterplatten abgelängt werden können.
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Die jeweilige Bahn ist dabei bevorzugt eine Folie, bevorzugt mit einer Dicke von 0,05 bis 10,0 mm, weiter bevorzugt von 0,1 bis 1,0 mm, insbesondere von 0,2 bis 0,6 mm.
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Die Befeuchterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine äußerst geringe Gesamtdicke auf, insbesondere zeichnet sie sich durch eine Gesamtdicke von 0,5 bis 50 mm, bevorzugt 1,0 bis 20 mm, besonders bevorzugt von 1,2 bis 5,0 mm, insbesondere 1,5 bis 2 mm aus.
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Das flexible Material kann dabei insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Kunststoffen, bevorzugt Polyestern, wie z.B. PET, PEN, PBT; Polyolefinen, wie z.B. PE, PP; Polyamiden, PPA; PEEK; PSU; PEI; PAI; PPS sowie Blends oder Kombinationen hieraus.
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Bevorzugt werden die Bahnen des flexiblen Materials mittels Kleben, Thermofügen, durch Anlösen und anschließendes Verpressen und/oder durch Verpressen der Bahnen des flexiblen Materials verbunden.
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Insbesondere kann die Klebeverbindung mittels 2-K-Klebstoffen, insbesondere mittels Epoxidharzklebern, Silikonklebern, Polyurethanklebern, Phenolharzklebern, Melaminharzklebern, oder mittels Haftklebstoffen, insbesondere mittels lösemittelhaltigen Haftklebern, Disperionshaftklebern, Schmelzhaftklebern, wie z.B. Silikon-, Polyacrylat-, Ehtylen-Vinylacetat- und/oder Naturkautschuk basierte Haftklebstoffe erfolgen.
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Beim Anlösen kann beispielsweise ein Lösemittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ketonen, Estern, aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Thermofügen bei Temperaturen von 150 bis 350 °C, bevorzugt von 200 bis 280 °C, besonders bevorzugt maximal 50 °C oberhalb des Schmelzpunktes des flexiblen Materials.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Befeuchtermodul zur Befeuchtung von Betriebsgasen für Brennstoffzellen, das mindestens zwei gestapelte, im Voranstehenden beschriebene Befeuchterplatten umfasst, die jeweils paarweise durch zumindest eine zwischen den beiden das Paar bildenden Befeuchterplatten angeordnete, zumindest im Bereich des zweiten Perforationsmusters vorhandene, zumindest für Wasser oder Wasserdampf permeable Membran voneinander getrennt sind. Alternativ wird das Befeuchtermodul auch als Befeuchterstack oder Befeuchterstapel bezeichnet.
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Dieses Befeuchtermodul kann dabei auch mehr als zwei, insbesondere zwei bis hundert Befeuchterplatten umfassen, die übereinander gestapelt sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Befeuchtermoduls sieht vor, dass zwischen der mindestens einen Membran und einer oder beiden an die Membran angeordnete Befeuchterplatten zumindest im Bereich des zweiten Perforationsmusters der Befeuchterplatten eine Gasdiffusionslage angeordnet ist, die als separates Bauteil oder als Bestandteil eines Membranverbundes ausgebildet sein kann, im letztgenannten Fall ist die Gasdiffusionslage mit der Membran laminiert, also Teil des Membranverbundes.
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Hierbei kann die Gasdiffusionslage einen eine aktive Gasdiffusionsschicht umgebenden Rahmen aufweisen, wobei bevorzugt Gasdiffusionsschicht und Rahmen flexibel ausgebildet sind. Die Bahn, die vom flexiblen Rahmen und der Gasdiffusionsschicht gebildet wird, kann Teil des Folienverbundes sein, also eine Bahn des Folienverbundes bilden.
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Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn jeweils das Paar der Befeuchterplatten, zwischen denen die mindestens eine Membran angeordnet ist, im Gleichstromprinzip, Gegenstromprinzip oder im Kreuzstromprinzip zueinander angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und Ausführungen näher beleuchtet, ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Parameter zu reduzieren. Bezugszeichen werden nicht notwendigerweise in allen Figuren wiederholt, da in sämtlichen Figuren identische Bezugszeichen für identische Funktionselemente verwendet sind.
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1a zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte, die aus zwei Bahnen gebildet sein kann. Eine erste Bahn 10 weist dabei ein erstes Perforationsmuster I auf, das in diesem Fall durch zwei Portöffnungen 11 und 12 gebildet ist. Diese Portöffnungen 11 und 12 sind im Beispielsfall der 1a im Randbereich des Bahnmaterials der ersten Bahn 10 angeordnet. Zudem weist die erste Bahn 10 ein drittes Perforationsmuster III auf, das zwei Durchströmungsöffnungen 13 und 13‘ aufweist.
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Des Weiteren umfasst die erste Bahn 10 ein zweites Perforationsmuster II, das in diesem Falle aus einer Vielzahl von Perforationen gebildet ist.
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Diese erste Bahn 10 wird auf eine zweite Bahn 20 eines flexiblen Materials auflaminiert, um eine Befeuchterplatte zu bilden. Die Bahn 20 umfasst dabei ebenso ein erstes Perforationsmuster I, das ebenso zwei Portöffnungen 21 und 22 umfasst. Daneben weist die Bahn 20 Durchströmungsöffnungen 23 bzw. 23‘ auf, die ein drittes Perforationsmuster in dieser Bahn 20 bilden. Das in dieser Bahn umfasste zweite Perforationsmuster II umfasst ebenso eine Vielzahl von Perforationen. Daneben sind in der zweiten Bahn Perforationen eingebracht, die eine fluidische Kommunikation des ersten Perforationsmusters I mit dem zweiten Perforationsmuster II ermöglichen, dies ist in 1a mit dem Bezugszeichen I-II gekennzeichnet.
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Beim Aufeinanderlaminieren dieser Bahnen 10 und 20 aufeinander entsteht die erfindungsgemäße Befeuchterplatte. Die Perforationsmuster I und III kommen dabei in den beiden Bahnen 10 und 20 exakt zur Deckung, d.h. jeweils die Portöffnungen 11 und 21 bzw. 12 und 22 kommen übereinander zum Liegen, das gleiche gilt für die Durchströmungsöffnungen 13 und 23 bzw. 13‘ und 23‘.
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Die Perforationen des zweiten Perforationsmusters II in beiden Bahnen 10 und 20 sind dabei leicht versetzt zueinander angeordnet, so dass sich bei Aufeinanderlaminieren der Bahnen 10 und 20 ein durchgehendes, sich über beide Bahnen 10 und 20 erstreckendes Perforationsmuster ausbildet. Somit können Fluide, die beispielsweise frontseitig (d.h. auf die sichtseitig dargestellte Seite der Bahn 10) über die Portöffnung 12 eingeströmt werden, auch in die Bahn 20 geleitet werden und über das dann ausgebildete Perforationsmuster II erneut in Bahn 10. Es findet somit eine fluidische Verteilung im durch Aufeinanderlaminieren der Bahnen 10 und 20 komplettierte Fluidverteilungsmuster II statt. Beispielsweise kann ein Fluid über die Portöffnung 12 in die Platte eingeleitet werden und diese über die Portöffnung 11 verlassen.
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1b zeigt eine Weiterbildung der Befeuchterplatte wie in 1a dargestellt. Die beiden in 1a im Detail beschriebenen Bahnen 10 und 20 sind in identischer Art und Weise auch in der Befeuchterplatte gemäß 1b enthalten, diese Platten sind identisch aufgebaut wie in 1a dargestellt. Die beiden, sich zu einem vollständigen Fluidverteilungsmuster II ergänzenden Bahnen 10 und 20 werden dabei von jeweils einer eine Gasdiffusionslage (GDL) 75 umfassenden Bahn eingerahmt. Die Gasdiffusionslage 75 wird dabei durch einen jeweiligen Rahmen 70 bzw. 80 eingefasst. Zudem umfassen diese Bahnen ebenso Durchströmungsöffnungen 74, 84 über die eine Versorgung der beiden Bahnen 10 und 20 mit Fluid bzw. ein Durchströmen mit Fluid ermöglicht wird.
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2 zeigt eine Weiterbildung des in 1 vorgestellten Prinzips. Die dargestellte Platte ist mit einer Abschlussbahn 30 versehen, wobei die vom Verbund der dargestellten Bahnen gebildete Befeuchterplatte beispielsweise als Abschlusselement eines Befeuchterstacks eingesetzt werden kann. Im Übrigen gelten die gleichen Ausführungen wie zu 1.
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Eine ähnliche Ausführungsform ist im Detail auch in 3 dargestellt, bei der eine dreilagig ausgeführte Anschlussplatte (links dargestellt) von der erfindungsgemäßen Befeuchterplatte mit umfasst ist. Die Endplatte 30 weist dabei ein den Bahnen 10 und 20 entsprechendes erstes Perforationsmuster I bzw. drittes Perforationsmuster III auf, so dass ein Ver- bzw. Entsorgen der Befeuchterplatte mittels Fluiden möglich ist. Die Fluidverteilung erfolgt gemäß den voranstehend zu den 1 und 2 erläuterten Prinzipien über die Bahnen 10 und 20.
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Betrachtet man die 2 und 3 gemeinsam, so stellen sie die umleitungsseitige (2) und die ein- bzw. ausleitungsseitige Endplatte (3) eines Befeuchterstacks dar, zwischen den in 2 und 3 dargestellten Elementen der Endplatten befindet sich dabei eine Vielzahl von Befeuchterzellen, die hier jedoch nicht dargestellt sind.
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4a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte. Die Platte ist dabei fünflagig aufgebaut, d.h. umfasst fünf separate Bahnen 10, 20, 30, 40 und 50. Diese Ausführungsform ist eine Weiterführung des in 3 vorgestellten Konzeptes, dahingehend, dass auf beiden Seiten einer (oder mehrerer) mittleren Bahn 30 jeweils zwei separate Bahnen 10 und 20 bzw. 40 und 50 aufgebracht sind, die jeweils ein separates Fluidverteilungsfeld II definieren. Die Bahnen 40 und 50 sind dabei identisch mit den Bahnen 10 und 20, d.h. die Fluidverteilerplatte ist bezüglich der Bahn 30 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Im beispielhaft in 4a dargestellten Fall ist die resultierende Platte monopolar ausgebildet, d.h. für den Fall, dass die Platte beispielsweise über die Portöffnung 11 mit Fluid versorgt wird, wird dieses auf beiden Seiten über die jeweilig gleiche Portöffnung des ersten Fluidverteilungsmusters I (bzw. I‘ für die Bahnen 40 und 50) in den jeweiligen, paarweise in den jeweiligen Bahnen 10 und 20 bzw. 40 und 50 ausgebildeten Fluidverteilungsmustern II verteilt. Somit dienen in diesem Fall die Portöffnungen 11, 21, 41 und 51 z. B. als Porteinlass, die diagonal gegenüberliegenden Portöffnungen 12, 22, 42 und 52 z. B. als Portauslass. Die Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters III dienen zur Durchleitung eines Fluids durch die gesamte von den dargestellten Bahnen gebildete Befeuchterplatte, ohne dass dieses Fluid in das jeweilige Fluidverteilungsmuster eingeleitet wird.
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Für den Fall, dass die Bahnen 40 und 50 bezüglich der Bahnen 10 und 20 um 90° gedreht angeordnet werden, wie in 4b angedeutet, resultiert eine bipolare Befeuchterplatte, auch diese Ausführungsform ist selbstverständlich von der vorliegenden Erfindung mit umfasst. Bei einer derartigen Anordnung sind die beiden, auf beiden Seiten der mittleren Bahn 30 ausgebildeten Fluidverteilungsmuster (d.h. jeweils paarweise die Bahnen 10 und 20 bzw. 40 und 50) voneinander unabhängig und können somit separat angeströmt werden. Die Versorgung des ersten Fluidverteilungsmusters, das durch die Bahnen 10 und 20 gebildet ist, erfolgt dann über die Portöffnungen 11 und 12, während das Fluidverteilungsmuster, das durch die beiden anderen Bahnen 40 und 50 ausgebildet wird, jeweils über die entsprechenden anderen Portöffnungen 41 und 51 bzw. 42 und 52 versorgt werden können. Diese Portöffnungen stehen dann in fluidischem Kontakt mit den Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters der ersten beiden Bahnen 10 und 20. Somit kann beispielsweise ein Fluid durch die ersten drei Bahnen 10, 20 und 30 durch die jeweiligen Durchströmungsöffnungen des dritten Perforationsmusters bzw. die Portöffnungen 33 und 33‘ hindurch geleitet werden und gelangt so zum zweiten Fluidverteilungsmuster, da die Portöffnungen 41 und 42 bzw. 51 und 52 dann mit den Durchströmungsöffnungen 33 und 33‘ der dritten Bahn in fluidischem Kontakt stehen.
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In 5 werden die fünf Bahnen 10 bis 50 von zwei Bahnen eingerahmt, die eine Gasdiffusionslage 75 (GDL) umfassen. Die GDL 75 ist dabei beispielsweise über einen Rahmen 70 bzw. 80 eingefasst. Die GDL 75 deckt vorzugsweise den Bereich der jeweiligen Bahnen 10 bzw. 50 ab, in dem das zweite Perforationsmuster II ausgebildet ist, d.h. das aktive Fluidverteilungsfeld. Die jeweiligen Bahnen, die die GDL 75 umfassen, weisen dabei ebenso entsprechende Durchströmöffnungen 74, 84 auf, über die die entsprechenden Fluide den jeweiligen Bahnen 10 bis 50 zugeleitet werden können. Diese Öffnungen 74, 84 sind insbesondere an gleicher Position angeordnet, wie die entsprechenden Portöffnungen bzw. Durchströmungsöffnungen des ersten und dritten Perforationsmusters I bzw. III der übrigen Bahnen.
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Ein weiteres Konstruktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte ist in 6a dargestellt. Die dort dargestellte Befeuchterplatte ist dreilagig aufgebaut und besteht aus den Bahnen 10, 30 und 50. Die beiden Bahnen 10 und 50 weisen ein kanalförmig ausgebildetes zweites Perforationsmuster II auf, das unmittelbar an das erste Perforationsmuster I angeschlossen ist, d.h. mit den Portöffnungen 11 bzw. 51 in fluidischer Verbindung steht. Diese Kanäle des zweiten Perforationsmusters II enden sämtlich in dem Bereich, in dem zwar in der ersten und dritten Bahn 10, 50 kein erstes Perforationsmuster I ausgebildet ist, aber in der mittleren Bahn 30 eine vergrößerte Durchtrittsöffnung 34 vorhanden ist. Somit stehen sämtliche Kanäle dieser Bahn 10 bzw. 50 mit einer jeweiligen Durchströmungsöffnung der mittleren Bahn 30 auch am Ende der Kanäle in fluidischer Kommunikation. Somit können beispielsweise Fluide in das erste Perforationsmuster der ersten Bahn 10 über die Portöffnung 11 eingeleitet werden und über die Bereiche II-34 mit den weiteren Bahnen 30 und 50 über die jeweiligen Durchströmungsöffnungen 34 in fluidische Kommunikation treten. Das in den Bahnen 10 und 50 eingebrachte Fluidverteilungsmuster kann über einfache Stanzprozesse, beispielsweise über Rolle-zu-Rolle-Prozesse, in die jeweiligen Bahnen eingebracht werden.
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Eine alternative Ausführungsform dieses konstruktiven Konzeptes ist in 6b dargestellt, die im Wesentlichen auf 6a basiert. Auch hier weisen die dort dargestellten äußeren Bahnen 10 und 50 ein zweites Fluidverteilungsmuster II auf, wobei die Kanäle dieses Fluidverteilungsmusters ebenso Aussparungen in den jeweiligen Bahnen darstellen. Diese Bahnen weisen allerdings keine separaten Portöffnungen, d.h. kein separates erstes Fluidverteilungsmuster auf. Die Kommunikationsmöglichkeit der Bahnen untereinander wird lediglich dadurch gewährleistet, dass die Kanäle an einer Stelle beginnen bzw. enden, an der in der mittleren Bahn 30 eine jeweilige Durchtrittsöffnung 34 vorhanden ist, die ausreichend dimensioniert ist, um jeweils die Kommunikation II-34 bzw. II‘-34 zu gewährleisten. Die beiden äußeren Bahnen 10 und 50 weisen daneben noch ein drittes Perforationsmuster III, d.h. Durchtrittsöffnungen 13, 13‘ bzw. 53 und 53‘ auf. Wie auch in 6a ist die dort dargestellte Befeuchterplatte nach Auflaminieren der einzelnen Bahnen bipolar ausgebildet.
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7a zeigt eine weitere Variation des bereits zuvor in 6b dargestellten Konzeptes, hier werden in analoger Weise zu beispielsweise 1b die jeweiligen äußeren Bahnen 10 bzw. 50 um Bahnen 70, 80 ergänzt, die eine Gasdiffusionslage 75 aufweisen. 70 und 80 bilden also Rahmen. Sämtliche Ausführungen zu 7a sind identisch mit den bereits zu 6b gemachten Ausführungen, der Übersichtlichkeit halber sind gleiche Bezugszeichen nicht an allen Stellen erneut aufgelistet.
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7b zeigt eine Variation des in 7a dargestellten Konzeptes. Hierbei ist ein anderes Segment der im Gesamtstack aufeinander folgenden Stapeleinheiten dargestellt, hierbei ist eine Membran 60 im Zentrum des gezeigten Segments angeordnet, die beispielsweise für Wasser oder Wasserdampf selektiv permeabel ist. Zu ihren beiden Seiten sind in Rahmen 70, 80 gefasste Gasdiffusionslagen 75 angeordnet. Die Ausdehnung der Membran 60 entspricht im Wesentlichen der Ausdehnung der Gasdiffusionslagen 75. Beim Laminieren wird die Membran zwischen den Gasdiffusionslagen zwischengefasst und gasdicht mit den beiden Rahmen verbunden. An die Gasdiffusionslagen angrenzend sind zwei weitere Bahnen 10, 50 gezeigt, die im Wesentlichen den Bahnen 10, 50 der 7a entsprechen. Der wesentliche Unterschied zwischen 7a und 7b besteht darin, dass in 7a bei der Bahn 30 die Ein- und Ausleitung der Betriebsgase auf der Oberfläche der Bahn 10 über die zusätzlich mit II-34 gekennzeichneten Öffnungen 34 und die Ein- und Ausleitung der Betriebsgase auf der Oberfläche der Bahn 50 über die zusätzlich mit II‘-34 gekennzeichneten Öffnungen 34 erfolgt, während in 7b die Rahmen 70 bzw. 80 vergrößerte Öffnungen 41 und 42 bzw. 21, 22 aufweisen, die die Ein- und Ausleitung der Betriebsgase auf der sichtbaren Oberfläche der die Bahn 10 enthaltenden Befeuchterplatte und auf der verdeckten Oberfläche der die Bahn 50 enthaltenden Befeuchterplatte ermöglichen.
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7c zeigt auf analoge Art und Weise eine mit 7a vergleichbare Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte. Anstelle der in 7a enthaltenen Bahnen 20 und 40 umfasst diese Ausführungsform jeweils Bahnen, wie sie bereits zu 1 beschrieben wurden (dort sind diese Bahnen mit Bezugszeichen 20 beschrieben). Die Kommunikation zwischen den Perforationsmustern I und II erfolgt dabei über die GDL 75, beispielsweise über den mit dem strichpunktierten Rahmen hervorgehobenen Bereich I-II.
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8 zeigt eine oben angesprochene fünfte Variante einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte. Die im Beispielsfall der 8 dargestellte Befeuchterplatte ist dabei vierlagig aufgebaut und besteht aus den Bahnen 10, 90 sowie den beiden die Bahnen 10 und 90 flankierenden Gasdiffusionslagen 75. Die erste Bahn 10 umfasst dabei ein zentrales Fluidverteilungsfeld F, das als mittige Aussparung in der Platte 10 angeordnet ist. Das erste Perforationsmuster I umfasst dabei die Portöffnungen 11 und 12, die in Strömungskanäle übergehen, die mit dem Fluidverteilungsfeld F in fluidischer Kommunikation stehen. Das Fluidverteilungsfeld F stellt dabei das zweite Perforationsmuster dar. Zudem sind in dieser Bahn als drittes Perforationsmuster Portöffnungen 13 eingebracht, die allerdings mit dem ersten, noch mit dem zweiten Fluidverteilungsmuster in Kommunikation stehen. Flächig auf die erste Bahn 10 aufgebracht ist die zweite Bahn 90, die vier Portöffnungen 94 umfasst. Die Bahn 90 weist im Beispielsfalle der 8 ein Beabstandungsmittel B auf, das im Falle der 8 ein wellenförmig gefaltetes Material der Bahn 90 darstellt, so dass dieses Wellenmuster eine Dreidimensionalität in diese flache Bahn 90 einbringt. Beim Aufeinanderlaminieren der Bahn 10 und Bahn 90 dringt dieses Beabstandungselement B der Bahn 90 in den Leerlauf, d.h. das Fluidverteilungsfeld F der Bahn 10 ein und ist insbesondere bei Auflaminieren der Gasdiffusionslagen 75 auf die beiden Bahnen 10 und 90 in der Lage, den vom Fluidverteilungsfeld F aufgespannten Hohlraum aufrechtzuerhalten. Das Beabstandungselement B beabstandet somit die beiden Gasdiffusionslagen 75 voneinander.
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Eine alternative Ausführungsform dieses Konzeptes ist in 9 dargestellt. Die hier vorgestellte Befeuchterplatte ist dabei fünflagig aufgebaut, die mittlere Bahn 90 ist dabei im Gegensatz zu den Ausführungen gemäß 8 von zwei identischen Bahnen 10 mit jeweiligem Fluidverteilungsfeld flankiert. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass eine entsprechende Ausgestaltung auch bei der 8 vorgesehen sein kann, d.h. auch bei der Ausführungsform gemäß 8 kann es gegeben sein, dass die mittlere Bahn 90 von einer zweiten Bahn 10 flankiert wird. Umgekehrt ist es ebenso möglich, dass die Befeuchterplatte gemäß 9 gemäß den konstruktiven Prinzipien nach 8 ausgestaltet ist, d.h. vierlagig gemäß den konstruktiven Vorgaben nach 8 ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 8 im Wesentlichen darin, dass das Beabstandungselement B der Bahn 90 anders ausgestaltet ist als in 8. Das Beabstandungselement besteht dabei aus einer Vielzahl von Noppen, die beidseitig der Ebene der Bahn 90 ausgebildet sind. Die dunkel dargestellten Noppen stellen dabei Ausstülpungen aus der Zeichenebene heraus dar, die hellgrau gezeichneten Noppen ragen in die Zeichenebene hinein und stellen somit Vertiefungen in die Zeichenebene dar. Durch diese Noppen können ebenso, wie bereits in 8 vorgestellt, die beiden Gasdiffusionslagen 75 voneinander beabstandet werden und somit das Fluidverteilungsfeld den jeweiligen Bahnen 10 aufgespannt werden.
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10 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Befeuchterplatte in Schnittbildern. Darstellung a) zeigt dabei eine Aufsicht auf die Befeuchterplatte, Darstellung b) mehrere Schnitte entlang den in Ansicht a) dargestellten Schnittlinien A-A, B-B, C-C und D-D. Fig. c) zeigt entsprechende Schnitte entlang der in Darstellung a) dargestellten Schnittlinien E-E, F-F, G-G und H-H.
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Der in 10 näher dargestellte Ausschnitt aus einer Befeuchterplatte weist dabei drei Bahnen auf, die in Darstellung b) mit Bezugszeichen 10, 20 und 50 bezeichnet sind. Sämtliche der Bahnen 10, 20 und 50 weisen dabei ein erstes und drittes Perforationsmuster I und III auf, das die Portöffnungen 11, 31 bzw. Durchtrittsöffnungen 13, 33 darstellt. Die jeweiligen Portöffnungen des ersten Perforationsmusters I sind in der ersten Bahn 10 (Bezugszeichen 11), in der zweiten Bahn 20 (Bezugszeichen 21) sowie in der dritten Bahn 50 (Bezugszeichen 51) enthalten und liegen kongruent übereinander. Die Portöffnung 21 der zweiten Bahn 20 weist dabei rechteckig ausgebildete Aussparungen auf, die eine Kommunikation des ersten Perforationsmusters I mit dem zweiten Perforationsmuster II ermöglichen, dies ist in den Darstellungen a) und b) mit Bezugszeichen I-II markiert. In den jeweiligen Bahnen 10, 20 und 50 sind nunmehr versetzt rechteckige Aussparungen ausgestanzt, die bei Übereinanderlagerung der einzelnen Bahnen 10, 20 und 50 das komplette Fluidverteilungsmuster ergeben. Die Aussparungen in den Bahnen 10, 20 und 50 sind dabei jeweils in Längsrichtung (d.h. in Darstellung a) und b) von links nach rechts dargestellt) versetzt angeordnet und überlappen partiell. Dadurch ist eine fluidische Kommunikation unter den einzelnen Bahnen 10, 20 und 50 möglich. Die einzelnen versetzten Aussparungen sind beispielsweise in Darstellung a) erkenntlich und insbesondere in Darstellung b), Schnitt B-B eindeutig ersichtlich. Die erste Bahn 10 weist dabei Aussparungen 10-1, 10-2, 10-3 bzw. 10-4 auf, die entsprechend versetzt angeordneten Aussparungen sind in der zweiten Bahn 20 mit 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 und 20-5 angegeben. In der dritten Bahn 50 sind erneut Aussparungen, die versetzt zur zweiten Bahn 20 angeordnet sind (dies sind die Aussparungen 50-1 bis 50-4) enthalten. Die Bahn 10 ist dabei identisch ausgebildet wie Bahn 50. Bei Aufeinanderlaminieren der drei Bahnen entstehen Strömungsmöglichkeiten für ein Fluid, das über die Portöffnung 11 über das erste Perforationsmuster I in die Befeuchterplatte aufgegeben wird. Eine Verteilung des Fluides auf sämtliche der bahnförmig angeordneten Aussparungen, d.h. auch in die Aussparungen, die nicht direkt an die Portöffnung 11 angeschlossen sind, kann dabei über die Ebene 20 erfolgen.
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11 zeigt eine schematische Ansicht einer fertig laminierten Befeuchterplatte, die ein erstes Perforationsmuster I, ein zweites Perforationsmuster II sowie ein drittes Perforationsmuster III beinhaltet. Die Platte ist dabei fünflagig ausgebildet und kann beispielsweise konstruiert sein wie in 4a dargestellt. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass das zweite Perforationsmuster II, das das Fluidverteilungsfeld ausbildet, dabei lediglich schematisch abgebildet ist, dies wird durch die ovale, freigelassene Fläche in der Mitte der Befeuchterplatte symbolisiert. Der Aufbau über fünf Bahnen ist durch die entsprechenden Bezugszeichen (10 + 20, 30 und 40 + 50) symbolisch angegeben. Der Aufbau kann beispielsweise wie in 4a ausgestaltet sein, in diesem Fall ist ein identisches Fluidverteilungsfeld auf der Vorder- und der Rückseite der in 9 dargestellten Fluidverteilerplatte umfasst. Auch auf der in 9 nicht dargestellten Rückseite ist somit eine Versorgung des Fluidverteilungsfeldes, das durch das zweite Perforationsmuster II gebildet ist, über die Portöffnungen 11 bzw. 12 möglich, während die dritten Perforationsmuster III, d.h. die Durchströmungsöffnungen 13 und 13‘ keine Kommunikation mit dem Fluidverteilungsfeld, weder auf der Vor- noch auf der Rückseite dieser Platte, ermöglichen. Es handelt sich also um eine Monopolarplatte.
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12 deutet eine Einbausituation des in 9 dargestellten Prinzips in Form einer Explosionszeichnung an; wie in 9 sind die Befeuchterplatten, hier mit 100 und 300 bezeichnet, auch monopolar ausgebildet. Die Befeuchterplatten 100, 300 sind somit untereinander unterschiedlich ausgebildet. Die mittlere Lage 200 ist dabei als Membranverbund ausgebildet, der zwei GDLs aufweist, von denen nur die dem Betrachter zugewandte GDL 202 sichtbar ist, die von einem Rahmen 201 eingefasst wird. Die eigentliche Membran liegt zwischen den beiden GDLs. Die GDL 202 ist dabei insbesondere in dem Bereich ausgebildet, in dem in den diese Lage 200 einrahmenden Befeuchterplatten 100 und 300 auf den zum Membranverbund weisenden Oberfläche das jeweiligen hier unterschiedliche zweite Perforationsmuster, das die Fluidverteilungsstruktur ausbildet, ausgebildet ist. Die Befeuchterplatten 100 und 300 können dabei insbesondere zweilagig ausgebildet sein, d.h. jeweils aus zwei Bahnen gebildet sein. In diesem Fall entspricht die Ausführungsform dann jeweils im Wesentlichen den in 1 bzw. 4a dargestellten Ausführungsformen. Wird nunmehr beispielsweise das vorder- und rückseitig ausgebildete Fluidverteilungsmuster der Befeuchterplatte 100 über die Portöffnungen C bzw. B versorgt, so tritt dieses Fluid weiter durch die entsprechenden Portöffnungen der mittleren Lage 200 bzw. auch der dritten Lage, also der Befeuchterplatte 300 hindurch, ohne dort die Portöffnungen B bzw. C zu verlassen. Das über die Portöffnungen A bzw. D durch die erste Befeuchterplatte 100 hindurchströmende Fluid tritt allerdings mit dem in der hinteren Befeuchterplatte 300 ausgebildeten Fluidverteilungsmuster auf beiden Oberflächen der Befeuchterplatte 300 in fluidische Kommunikation.
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13 zeigt ein Befeuchtermodul gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Befeuchtermodul 1 umfasst dabei eine Vielzahl von Befeuchterplatten 100, 300, wie sie voranstehend beschrieben wurden. Die Befeuchterplatten sind dabei im Inneren des Befeuchtermoduls 1 wie anhand der vorhergehenden Figur erläutert, monopolar orientiert, d.h. auf einen ersten Membranverbund 200 folgt auf einer ihrer beiden Oberflächen eine erste Befeuchterplatte 100, auf deren beiden Oberflächen feuchtes Gas verteilt wird. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Befeuchterplatte 100 folgt ein zweiter Membranverbund, dem wiederum eine zweite Befeuchterplatte 300 folgt, die auf beiden Oberflächen trockenes, zu befeuchtendes Gas, verteilt. Das Befeuchtermodul wird von Endplatten 9 und 9‘ eingefasst, wobei die im Vordergrund dargestellte Endplatte 9 Portöffnungen A bis D aufweist und somit beispielsweise dem Aufbau der 3 entsprechen kann. Alternativ zu dem in 3 gezeigten mehrlagigen Aufbau des nur die Ports aufweisenden Anteils der Endplatte, wie er in 3 aus den Lagen 30, 30‘ und 30‘‘ gebildet ist, könnte auch eine dickere, nicht flexible Kunststoffplatte oder Aluminiumplatte eingesetzt werden. Beispielsweise kann über die Portöffnung A ein feuchtes, zu trocknendes Gas eingeströmt werden, das entsprechend nach Durchlaufen des Befeuchtermoduls getrocknete Gas wird dann am Port D entnommen. Ein trockenes, anzufeuchtendes Gas kann beispielsweise über Port B dem Befeuchtermodul zugeführt werden und als befeuchtetes Gas Port C entnommen werden. Die dem Betrachter abgewandte Endplatte 9‘ weist keine nach außen offenen Öffnungen auf, sondern dient nur, wie in 2 im Schichtaufbau gezeigt, der Umleitung der Gase. Alternativ könnten auch auf beiden Endplatten nach außen anschließbare Öffnungen ausgebildet sein.
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In 14 ist ein Schaltschema des in 13 dargestellten Befeuchtermoduls dargestellt. Dieses Befeuchtermodul ist in 14 mit Bezugszeichen H dargestellt. Mit S ist ein Brennstoffzellenstack beschrieben, der mit einem angefeuchteten Betriebsmedium versorgt werden soll. Mit K ist ein Vorratsgefäß für das Betriebsmedium für den Brennstoffzellenstack S bezeichnet. Das mit H bezeichnete Befeuchtermodul weist dabei das bereits in 13 dargestellte Funktionsprinzip auf und umfasst die Einlassports A bis D. Trockenes, zu befeuchtendes Betriebsmedium wird über den Port B dem Befeuchtermodul zugeführt und bei C als befeuchtetes Medium entnommen und dem Brennstoffzellenstack S zugeführt. Der Brennstoffzellenstack S generiert befeuchtetes Abgas, das als feuchtes, zu entwässerndes Medium bei A erneut dem Befeuchtermodul zugeführt werden kann. Aufgrund des Gegenstrom-Prinzips findet dabei ein Austausch der Feuchtigkeit zwischen dem Abgas aus dem Brennstoffzellenstack S und dem zu befeuchtenden Betriebsmedium statt. Das entfeuchtete Abgas aus dem Brennstoffzellenstack S wird bei D dem Befeuchtermodul wieder entnommen.
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In 15 bis 17 sind verschiedene Verfahrensführungen dargestellt, um eine Befeuchterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Dargestellt ist beispielsweise die Herstellung einer dreilagigen Befeuchterplatte aus drei Bahnen 10, 20 und 30. Die Bahnen 10, 20 und 30 können dabei aus einem Endlosmaterial gebildet sein, beispielsweise Kunststofffolien, die auf jeweiligen Rollen R1 bis R3 aufgewickelt sind. Die jeweiligen Perforationsmuster I-III können dabei mittels Stanzprozesse beispielsweise über Walzen in die jeweiligen Bahnen 10 bis 30 eingebracht werden.
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In 15 werden die drei Bahnen 10, 20, 30 von Rollen R1 bis R3 herangeführt und mittels der ersten beiden Führungswalzenpaare FW glatt und straff aufeinander aufgebracht. Die Station HP dient beispielsweise dem abschnittsweisen Warmverpressen der drei Bahnen 10 bis 30 miteinander. Die Station L1 stellt die erste Laserstation dar, die ebenfalls dem abschnittsweisen Verbinden der drei Bahnen 10 bis 30 untereinander dient. Die Stationen HP und L1 können ergänzend oder alternativ zueinander eingesetzt werden. Im erstgenannten Fall werden unterschiedliche Abschnitte des Folienverbundes durch beide Stationen verbunden. Die Station L2 stellt ebenfalls eine Laserstation dar, dient hier aber nicht zum Verbinden der Bahnen, sondern dem Außenrandbeschnitt des Folienverbundes, so dass fertige Befeuchterplatten entstehen, die auf dem Arbeitstisch AT zu einem Stapel ST aufgestapelt werden, die Rolle AR führt den Verschnitt kontinuierlich ab.
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Während der Rolle-zu-Rolle-Prozess in 15a mittels zweier Stanzwalzen SW1, SW2 durchgeführt wird, bei dem also von beiden Seiten fortlaufend das gewünschte Perforationsmuster in der betreffenden Bahn 10, 20, 30 freigeschnitten wird, wird der Rolle-zu-Rolle-Prozess in 15b mittels einer Stanzwalze SW und einer Gegenwalze GW geführt. Die Konturen werden also ausschließlich von der Stanzwalze SW eingebracht, die unstrukturierte Gegenwalze, die nicht nur aus Metall, sondern beispielsweise auch aus Gummi bestehen kann, dient nur als Gegenhalter.
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16 zeigt eine alternative Ausführungsform dieses Rolle-zu-Rolle-Prozesses, wobei die Zuführung der Bahnen 10, 20, 30 und die Herstellung der Perforationsmuster wie in 15b erfolgt. Nach Zusammenführen der drei Bahnen 10–30 über das erste Führungswalzenpaar FW erfolgt mittels des Walzenpaares RV die Randversiegelung, die im vorliegenden Beispiel zur Verbindung der drei Bahnen 10 bis 30 ausreichend ist, die rechts gezeigte Station SP stellt eine Stanzpresse dar, mittels der der Randbeschnitt erfolgt, die Befeuchterplatte also freigeschnitten wird. Die Abfuhr des Abfalls kann wie in den vorhergehenden Beispielen erfolgen, wird hier aber nicht näher betrachtet. Wird die Stanzpresse SP als heiße Presse eingesetzt, kann diese zugleich die Randversiegelung übernehmen, so dass die Station RV auch entfallen kann.
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17 entspricht bis nach dem Walzenpaar RV genau dem Aufbau aus 16, hier schließt sich jedoch eine erste Laserstation L1 für den Außenrandbeschnitt an. Von der Laserstation L1 werden die fertigen Befeuchterplatten mittels eines Greifers GR entfernt und zu einer anderen Arbeitsstation mit einem mit AT gekennzeichneten Arbeitstisch umgesetzt. Der Verschnitt wird vergleichbar 15 einer Abfallrolle AR zugeführt. Auf der äußerst rechts dargestellten Arbeitsstation werden die Befeuchterplatten mit anderen Platten, beispielsweise Membranverbundplatten verbunden.
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Die prinzipielle Abfolge gemäß 15 mit unmittelbarem Verbinden der fertigen Befeuchterplatten untereinander ist insbesondere bevorzugt, wenn auch die Membranverbünde etc. als flexible Folien im Folienverbund integriert sind, die Abfolge gemäß 17 ist hingegen vorteilhaft, wenn die Membranverbundplatten als gesonderte Bauteile zugeführt werden.
