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Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung zum Übertragen von Wasserdampf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchters sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Befeuchtungsvorrichtung.
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Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf von einem Fluidstrom auf einen anderen Fluidstrom sind im Automotivbereich seit langem bekannt und besonders im Zusammenhang mit der antriebsbezogenen Verwendung von Brennstoffzellen von Bedeutung. Um bei Brennstoffzellen eine optimale Leistungsausbeute bei gleichzeitig relativ hoher Standzeit/Lebensdauer bereitstellen zu können, werden für einen Automobilantrieb verwendete Brennstoffzellen in der Regel bei Temperaturen von bis zu 80°C betrieben.
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Infolge der relativ hohen Betriebstemperaturen müssen die Brennstoffzellen im Betrieb des Automobilantriebs funktionsbedingt relativ feucht gehalten werden, beispielsweise wenn es sich bei der Brennstoffzelle um eine Protonnenaustauschmembran (PEM) oder eine Polymerelektrolytmembran handelt. Ansonsten kann es zu einer Austrocknung der in der Brennstoffzelle eingesetzten Membran kommen. Ein solches Austrocken wirkt sich insbesondere auf die Standzeit/Lebensdauer der eingesetzten Membran sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ aus.
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Bekanntermaßen werden die Brennstoffzellen feucht gehalten, indem die durch die Brennstoffzelle geleiteten Reaktionsgase in ausreichendem Maße mit Feuchtigkeit angereichert werden, was beispielsweise mit einem in die Brennstoffzellen integrierten Befeuchter erreichbar ist. Typische aus dem Stand der Technik bekannte Befeuchter, wie beispielsweise ein Befeuchter für Brennstoffzellensysteme gemäß der Druckschrift
DE 11 2012 000 477 T5 , verfügen über einen aus einzelnen Platten aufgebauten Plattenstapel, der von zwei oder mehr Fluidkanälen eines Fluidkanalsystems durchsetzt ist. Die Fluidkanäle sind dabei innerhalb des Plattenstapel so geführt, dass Wasser und/oder Wasserdampf aus einem Fluidstrom auf einen anderen Fluidstrom übergehen kann; zweckmäßigerweise ist zwischen die Fluidkanäle eine luftundurchlässige allerdings wasser- und wasserdampfdurchlässige Membranplatte angeordnet, durch die hindurch Wasser und/oder Wasserdampf von dem einen Fluidstrom zum anderen Fluidstrom übergehen kann, beispielweise, wenn eine Seite der Membranplatte von einem zu befeuchtenden Fluidstrom und auf der anderen Seite von einem feuchten Fluidstrom überströmt wird. Die beiden Fluidströme sind durch die Membranplatte fluidisch voneinander getrennt, so dass es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden Fluidströme kommt.
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Als nachteilig bei den bekannten Lösungen ist anzusehen, dass die Plattenstapel gegenüber der Umgebung abgedichtet werden müssen. Da das durch die Fluidkanäle strömende Fluid in der Regel unter einem relativ hohen Betriebsdruck steht, beispielsweise bis zu 2,0 bar gegenüber einem Umgebungsdruck von 1013,25 hPa, müssen alle Platten des Plattenstapels zusätzlich mit relativ großer Spannkraft gegenseitig verspannt werden, um die Dichtwirkung der eingesetzten Dichtmittel zu gewährleisten oder zu verbessern. Dies führt bei den bekannten Befeuchtern zu einer Erhöhung des Durchströmungswiderstands, so dass deren Effizienz leidet.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform für eine Befeuchtungsvorrichtung bereitzustellen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Spannkraft zum gegenseitigen Verspannen der Platten zu verkleinern, um damit den Durchströmungswiderstand innerhalb des Plattenstapels positiv zu beeinflussen. Die Erfindung bedient sich dabei der innovativen Erkenntnis, dass die benötigte Spannkraft vom Betrag der im Betrieb des Befeuchters auftretenden Druckgradienten abhängig ist. Dabei gilt, je kleiner die Druckgradienten im Betrieb des Befeuchters sind, desto kleiner kann die Spannkraft zum gegenseitigen Verspannen der Platten gewählt werden.
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Vor diesem Hintergrund sieht die Erfindung vor, die Druckgradienten innerhalb einer Befeuchtungsvorrichtung zu reduzieren. Die Befeuchtungsvorrichtung umfasst hierzu einen Befeuchter. Der Befeuchter hat einen Plattenstapel, zwei jeweils stirnseitig an Plattenstapel-Bestückungsflächen des Plattenstapels angeordnete Gehäusestutzen und ein Fluidkanalsystem. Ferner definiert der Plattenstapel entlang seiner Hauptausdehnungsrichtung eine Längsachse. Die Längsachse kann beispielsweise eine Aufreihungsrichtung definieren, in der eine oder mehrere oder eine Vielzahl von berührend aufeinandergestapelten Platten oder Stapelgruppen vorgesehen sind, die den Plattenstapel bilden. Jedenfalls ist ferner vorgesehen, dass der Plattenstapel innerhalb, insbesondere vollständig innerhalb, eines Fluidkanalgehäuses des Befeuchters angeordnet ist. Das Fluidkanalgehäuse ist zweckmäßigerweise druckbeaufschlagbar oder evakuierbar, so dass eine Druckdifferenz bzw. ein Druckgradient zwischen dem Fluidkanalgehäuse und dem übrigen Fluidkanalsystem frei eingestellt werden kann. Beispielsweise kann dadurch eine relativ kleine Druckdifferenz bzw. ein relativ kleiner Druckgradient eingestellt werden, so dass die Spannkraft zum Verspannen des Plattenstapels kleiner gewählt werden kann, um somit im Ergebnis den Durchströmungswiderstand innerhalb des Plattenstapels positiv zu beeinflussen. Das hat den Vorteil, dass die Befeuchtungsvorrichtung im Gesamten Energieeffizienter und daher kosten- und umweltgünstiger betrieben werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist das Fluidkanalgehäuse an den beiden Gehäusestutzen lösbar oder unlösbar berührend angeordnet. Das Fluidkanalgehäuse kann dabei selbstverständlich integraler Bestandteil der Gehäusestutzen sein, also sozusagen einstückig mit den Gehäusestutzen ausgebildet sein, so dass insgesamt ein Fluidkanalgehäuse- Gehäusestutzen-Bauteil gebildet ist. Zweckmäßigerweise kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das Fluidkanalgehäuse als separates Teil gestaltet ist und beispielsweise mittels Befestigungsmitteln, wie Befestigungsschrauben und/oder einem Klebstoff jeweils an einem Gehäusestutzen angeordnet ist. Beispielsweise kann das Fluidkanalgehäuse als Einlegeteil zwischen die Gehäusestutzen gelegt und axial entlang der Längsachse zwischen den Gehäusestutzen fest gespannt sein, um das Fluidkanalgehäuse an den Gehäusestutzen dauerhaft zu fixieren. Das hat den Vorteil, dass der Befeuchter günstig herzustellen ist. Weiter zweckmäßig ist das Fluidkanalgehäuse zur Beeinflussung von Druckdifferenzen innerhalb des Fluidkanalsystems mittels des Fluidkanalsystems oder einer Druckversorgungseinrichtung der Befeuchtungsvorrichtung mit Fluiddruck beaufschlagbar. Das hat den Vorteil, dass die Druckdifferenz bzw. ein Druckgradient zwischen dem Fluidkanalgehäuse und dem übrigen Fluidkanalsystem eingestellt werden können.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Fluidkanalsystem einen oder mehrere zwischen dem Plattenstapel einerseits und dem Fluidkanalgehäuse andererseits ausgebildeten und von dem ersten Fluidstrom oder von dem zweiten Fluidstrom durchströmbaren Fluidkanal. Dadurch kann Fluid durch das Fluidkanalgehäuse strömen, beispielsweise ein kompressibles und mit Flüssigkeit beladenes Prozessgas. Weiter zweckmäßig ist zwischen dem Plattenstapel einerseits und dem Fluidkanalgehäuse andererseits ein bezogen auf die Längsachse quer angeordneter lichter Strömungs-Querschnitt des Fluidkanals begrenzt. Insbesondere ist der Strömungs-Querschnitt so ausgebildet, dass er den Plattenstapel quer zur Längsachse zu allen Seiten hin, also rundherum, vollständig umrahmt. Das hat den Vorteil, dass der Plattenstapel gleichmäßig von allen Seiten her mit Druck beaufschlagbar ist, wodurch die Energieeffizienz der Befeuchtungsvorrichtung weiter verbessert ist. Zudem kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass zwischen dem Plattenstapel und dem Fluidkanalgehäuse quer zur Längsachse rundherum ein konstanter Abstand definiert ist. Das hat den Vorteil, dass der Plattenstapel nicht mit dem Fluidkanalgehäuse in Kontakt kommt.
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Zweckmäßigerweise kann am Fluidkanalgehäuse ein oder mehrere Drainagekanäle vorgesehen sein, die jeweils zum Abführen von Fluid dienen, beispielsweise aus dem Plattenstapel stammendes Leckage-Fluid oder sonstiges Fluid. Der Drainagekanal kann sich dabei bevorzugt entlang am Fluidkanalgehäuse erstrecken, beispielsweise entlang der Längsachse des Fluidkanalgehäuses. Dabei kann der Drainagekanal quer bezüglich der Längsachse über das Fluidkanalgehäuse hervorstehen und einen Drainagekanal-Vorsprung bilden. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass der Drainagekanal entlang seiner Hauptausdehnungsrichtung eine Drainagekanal-Längsachse definiert, wobei der Drainagekanal winkelig am Fluidkanalgehäuse angeordnet ist. Beispielsweise ist dabei zwischen der Längsachse und der Drainagekanal-Längsachse ein Drainagewinkel gebildet, beispielsweise ein Drainagewinkel zwischen 0,1° bis 5°, insbesondere ein Drainagewinkel von 0,1°; 0,5°; 1,0°; 1,5°; 2,0°; 2,5°; 3,0°; 3,5°; 4,0°; 4,5°; 5,0°. Das hat den Vorteil, dass das Leckage-Fluid selbsttätig aus dem Befeuchter abströmen kann, beispielsweise in ein am Fluidkanalgehäuse angeordnetes Leckage-Fluid-Reservoir. Hierbei kann auch das gesamte Gehäuse in einem Winkel, bezogen auf die Schwerkraftrichtung, angeordnet sein, insbesondere 0,1°; 0,5°; 1,0°; 1,5°; 2,0°; 2,5°; 3,0°; 3,5°; 4,0°; 4,5°; 5,0°. Ferner können an einem oder beiden Gehäusestutzen ein oder mehrere Drainageanschlüsse vorhanden sein, durch die das Leckage-Fluid abführbar ist. Die Drainageanschlüsse erlauben das Abführen von Fluid, beispielsweise Drainagefluid, dass beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas umfassen kann. Es ist vorstellbar, dass ein Drainageanschluss beispielsweise von stutzenartiger Gestalt ist, so dass beispielsweise ein Schlauch oder dergleichen an ihm festgemacht werden kann.
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Alternativ kann der Drainageanschluss auch direkt, insbesondere berührend, an dem Gehäuse angeordnet sein.
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Zweckmäßigerweise hat das Fluidkanalsystem ferner eine erste und eine zweite Fluidkanalanordnung, die sich beide jeweils durch den Plattenstapel erstrecken, insbesondere vollständig durch den Plattenstapel. Dabei können die erste Fluidkanalanordnung und die zweite Fluidkanalanordnung innerhalb des Plattenstapels zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf vom einem ersten Fluidstrom auf einen zweiten Fluidstrom miteinander kommunizierend in Verbindung stehen, beispielsweise über eine nachfolgend beschriebene Membranplatte. Die erste Fluidkanalanordnung oder alternativ die zweite Fluidkanalanordnung ist zweckmäßigerweise mit einem Fluidkanal kommunizierend verbunden, um eine Druckbeaufschlagung des Fluidkanalgehäuses zu realisieren.
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Ferner kann die erste Fluidkanalanordnung einen oder mehrere sich in Richtung der Längsachse durch den Plattenstapel hindurch erstreckende erste und zweite Plattenstapel-Fluidkanäle umfassen, wobei die ersten Plattenstapel-Fluidkanäle mit den zweiten Plattenstapel-Fluidkanälen über mindestens eine erste Querströmpassage hindurch miteinander kommunizierend verbunden sind. Ferner ist zweckmäßig, wenn die zweite Fluidkanalanordnung eine oder mehrere sich in Richtung der Längsachse durch den Plattenstapel erstreckende erste und zweite Funktions-Fluidkanäle umfasst, wobei die ersten Funktions-Fluidkanäle mit den zweiten Funktions-Fluidkanälen über mindestens eine zweite Querströmpassage hindurch miteinander kommunizierend verbunden sind. Auf diese Weise kann ein erster und/oder zweiter Fluidstrom durch den Befeuchter geführt werden. Zudem können die ersten Funktions-Fluidkanäle jeweils oder gemeinsam durch mindestens eine Mündungsöffnung im Plattenstapel hindurch mit einem zwischen dem Fluidkanalgehäuse und dem Plattenstapel begrenzten Fluidkanal des Fluidkanalsystems miteinander kommunizierend verbunden werden, um das Fluidkanalgehäuse mit Druck, insbesondere Innendruck, zu beaufschlagen.
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Der erwähnte Plattenstapel kann insbesondere mehrere in einer Aufreihungsrichtung berührend aufeinandergestapelte Stapelgruppen umfassen. Jede Stapelgruppe hat dabei zweckmäßigerweise mehrere aneinander berührend anliegende Platten, nämlich mindestens eine Querströmplatte, mindestens eine luft- oder gasdichte, wasser- und wasserdampfdurchlässige Membranplatte sowie mindestens eine Mündungsplatte. Beispielsweise kann im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Stapelgruppe genau aus einer Querströmplatte, eine an die Querströmplatte berührend angeordnete Membranplatte, eine an die Membranplatte berührend angeordnete Mündungsplatte und eine an die Mündungsplatte berührend angeordnete Membranplatte umfasst. Hierdurch ist eine relativ effiziente Stapelgruppe angegeben, mit der der Fluidkanal relativ gut mit Druck beaufschlagt werden und Fluid durch den Plattenstapel geführt werden kann.
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Die Querströmplatte ist beispielsweise durch einen Flachkörper gebildet, der eine ebene Vordergroßfläche und eine dazu entgegengesetzt orientierte ebene Rückgroßfläche umfasst. Der Flachkörper weist eine die erste Querströmpassage bildende Ausnehmung auf, die den Flachkörper ausgehend von der Vordergroßfläche bis zur Rückgroßfläche vollständig durchsetzt, so dass im Gesamten ein Flachkörperrahmen gebildet ist. Der Flachkörperrahmen hat dabei zweckmäßigerweise eine erste und eine zweite Durchgangsanordnung, die den Flachkörperrahmen unter Ausbildung der ersten und der zweiten Plattenstapel-Fluidkanäle jeweils von der Vordergroßfläche bis zur Rückgroßfläche durchsetzen, insbesondere vollständig. Jedenfalls umfasst der Flachkörperrahmen praktischerweise eine dritte Durchgangsanordnung, die den Flachkörperrahmen unter Ausbildung der ersten Funktions-Fluidkanäle jeweils von der Vordergroßfläche bis zur Rückgroßfläche vollständig durchsetzt. Dabei sind die erste und die zweite Durchgangsanordnung durch die erste Querströmpassage hindurch miteinander kommunizierend verbunden, so dass im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung der erste oder zweite Fluidstrom von den ersten Plattenstapel-Fluidkanälen zu den zweiten Plattenstapel-Fluidkanälen strömen kann oder umgekehrt.
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Die Mündungsplatte ist zweckmäßigerweise durch einen Mündungsflachkörper gebildet. Dieser verfügt über eine ebene Vordergroßfläche und eine dazu entgegengesetzt orientierte ebene Rückgroßfläche. Der Mündungsflachkörper kann ferner eine die zweite Querströmpassage bildende Ausnehmung aufweisen, die den Mündungsflachkörper ausgehend von der Vordergroßfläche bis zur Rückgroßfläche durchsetzt, insbesondere vollständig. Dadurch wird ein Mündungsflachkörperrahmen gebildet. Jedenfalls kann der Mündungsflachkörperrahmen eine erste und eine zweite Durchgangsanordnung umfassen, die jeweils den Mündungsflachkörperrahmen unter Ausbildung der ersten und der zweiten Plattenstapel-Fluidkanäle jeweils von der Vordergroßfläche bis zur Rückgroßfläche vollständig durchsetzen. Der Mündungsflachkörperrahmen kann eine dritte Durchgangsanordnung und mindestens eine Mündungsöffnung umfassen. Die dritte Durchgangsanordnung durchsetzt dabei den Mündungsflachkörperrahmen unter Ausbildung der ersten Funktions-Fluidkanäle. Die Mündungsöffnung bricht den Mündungsflachkörperrahmen sozusagen zu wenigstens einer Seite hin unter Ausbildung eines Durchbruchs zum Fluidkanal auf. Dadurch kann der erste oder der zweite Fluidstrom von der dritten Durchgangsanordnung zum Fluidkanal oder umgekehrt strömen.
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Die erste, die zweite und die dritte Durchgangsanordnung können jeweils von mindestens einer Ausnehmung gebildet sein. Jede einzelne Ausnehmung hat einen runden, ovalen oder rechteckigen lichten Strömungs-Querschnitt, so dass Fluid durch sie hindurch strömen kann.
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Die Gehäusestutzen haben zweckmäßigerweise jeweils einen ersten und einen zweiten Fluidanschluss. Der erste Fluidanschluss des ersten Gehäusestutzens und der erste Fluidanschluss des zweiten Gehäusestutzens sind praktischerweise fluidisch mit der ersten Fluidkanalanordnung verbunden, wobei der zweite Fluidanschluss des ersten Gehäusestutzens und der zweite Fluidanschluss des zweiten Gehäusestutzens fluidisch mit der zweiten Fluidkanalanordnung verbunden sind.
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Dabei ist vorstellbar, dass das Fluidkanalgehäuse an den Gehäusestutzen mittels Befestigungsschrauben oder Klebstoffen lösbar oder unlösbar befestigt wird. Alternativ kann der eine oder beide Gehäusestutzen auch einstückig an das Fluidkanalgehäuse angeformt sein. Jedenfalls kann das Fluidkanalgehäuse die Funktion eines festen Anschlages übernehmen, weil ein im Fluidkanalgehäuse angeordneter Plattenstapel durch die am Fluidkanalgehäuse angeordneten Gehäusestutzen nur eine durch das Fluidkanalgehäuse vorgegebene Verspannung ermöglichen.
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Die Erfindung umfasst den weiteren Gedanken, ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchters bereitzustellen, insbesondere ein Befeuchter, der die vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist. Im Rahmen des Verfahrens ist zunächst das Bereitstellen und Einleiten eines ersten und zweiten Fluidstroms in den Befeuchter vorgesehen. Es schließt sich das Bereitstellen eines ersten Druckniveaus in der ersten Fluidkanalanordnung, das Bereitstellen eines zweiten Druckniveaus in der zweiten Fluidkanalanordnung und das Bereitstellen eines dritten Druckniveaus innerhalb des Fluidkanalgehäuses an, wobei vorgesehen ist, dass das dritte Druckniveau entweder zwischen einem Standard-Atmosphärendruck von 1013,25 hPa und dem ersten oder dem zweiten Druckniveau liegt, oder dass das dritte Druckniveau zwischen dem ersten und dem zweiten Druckniveaus liegt, oder dass das dritte Druckniveau oberhalb des Standard-Atmosphärendrucks von 1013,25 hPa und oberhalb dem ersten und/oder oberhalb dem zweiten Druckniveau liegt. Dadurch wird jeweils erreicht, dass die Druckdifferenzen zwischen der ersten Fluidkanalanordnung und der zweiten Fluidkanalanordnung und dem Fluidkanalgehäuse minimal werden, so dass sich ein Befeuchter relativ Energieeffizient betreiben lässt. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass die Druckdifferenzen im Befeuchter verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Befeuchter geringer sind.
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Die Erfindung umfasst den weiteren Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einer Befeuchtungsvorrichtung zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf von einem ersten Fluidstrom auf einen zweiten Fluidstrom auszurüsten. Hierzu ist ein Befeuchter vorgeschlagen, der einen Plattenstapel, zwei jeweils stirnseitig an Plattenstapel-Bestückungsflächen des Plattenstapels angeordnete Gehäusestutzen und ein Fluidkanalsystem umfasst. Der Plattenstapel umfasst mehrere in einer eine Längsachse definierenden Aufreihungsrichtung berührend aufeinandergestapelte Stapelplatten. Das Fluidkanalsystem umfasst mindestens zwei Fluidkanalanordnungen, wobei eine erste Fluidkanalanordnung einen sich längs in Richtung der Längsachse durch die Stapelplatten hindurch erstreckenden Plattenstapel-Fluidkanal umfasst. Eine zweite Fluidkanalanordnung hat einen Funktions-Fluidkanal, der eine sich längs in Richtung der Längsachse durch die Stapelplatten hindurch erstreckende Funktions-Fluidkanal-Plattenstapel-Passage und eine mit der Funktions-Fluidkanal-Plattenstapel-Passage verbundene Funktions-Fluidkanal-Gehäuse-Passage umfasst. Dabei stehen die Funktions-Fluidkanal-Plattenstapel-Passage und der Plattenstapel-Fluidkanal innerhalb der Stapelplatten miteinander zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf miteinander kommunizierend in Verbindung. Wesentlich ist nun, dass die Stapelplatten innerhalb oder vollständig innerhalb der Funktions-Fluidkanal-Gehäuse-Passage angeordnet sind und dass mindestens eine Stapelplatte zur Funktions-Fluidkanal-Gehäuse-Passage hin offen ist, um eine fluidische Verbindung zwischen der Funktions-Fluidkanal-Plattenstapel-Passage und der Funktions-Fluidkanal-Gehäuse-Passage zu schaffen.
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Zweckmäßigerweise ist die Membranplatte von einem, insbesondere luftdichten, wasser- und wasserdampfdurchlässigen und/oder runden, ovalen oder vieleckigen Membranflachkörper gebildet. Der Membranflachkörper hat eine ebene Vordergroßfläche und eine dazu entgegengesetzt angeordnete ebene Rückgroßfläche. Beispielsweise ist die Membranplatte im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf von einem durch die erste Fluidkanalanordnung strömenden ersten Fluidstrom auf einen durch die zweite Fluidkanalanordnung strömenden zweiten Fluidstrom zwischen einer Querströmpassage und einer Mündungs-Querströmpassage angeordnet.
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Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf von einem ersten Fluidstrom auf einen zweiten Fluidstrom. Sie umfasst dazu einen Befeuchter, der einen entlang seiner Hauptausdehnungsrichtung eine Längsachse definierenden Plattenstapel, zwei jeweils stirnseitig an Plattenstapel-Bestückungsflächen des Plattenstapels angeordnete Gehäusestutzen und ein Fluidkanalsystem umfasst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Plattenstapel innerhalb eines Fluidkanalgehäuses angeordnet ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine perspektivische Ansicht der Befeuchtungsvorrichtung,
- 2 die Befeuchtungsvorrichtung aus 1, wobei zu Gunsten der Erkennbarkeit eines zwischen zwei Gehäusestutzen eingespannten Plattenstapels ein Fluidkanalgehäuse entfernt ist,
- 3 in einer Schnittansicht der Befeuchtungsvorrichtung aus 1 gemäß Schnittlinie III-III aus 1, eine Platte eines Plattenstapels der Befeuchtungsvorrichtung, nämlich eine Mündungsplatte,
- 4 in einer Draufsicht eine weitere Platte eines Plattenstapels der Befeuchtungsvorrichtung aus 1, nämlich eine Querströmplatte,
- 5 in einer Draufsicht eine weitere Platte eines Plattenstapels der Befeuchtungsvorrichtung aus 1, nämlich eine Membranplatte.
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Die 1 bis 5 zeigen im Gesamten eine Befeuchtungsvorrichtung 1, die zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf von einem ersten Fluidstrom 2 auf einen zweiten Fluidstrom 3 dient. Hierzu umfasst die Befeuchtungsvorrichtung 1 einen Befeuchter 4 und eine in der Zeichnung nicht dargestellte mit dem Befeuchter 4 verbindbare Fluid-Versorgungseinrichtung zum Versorgen des Befeuchters 4 mit Fluid. Befeuchtervorrichtungen 1 dienen beispielsweise im Automotivbereich dazu, durch Brennstoffzellen geleitetes Fluid relativ feucht zu halten. Im Folgenden wird zu den einzelnen Figuren Bezug genommen.
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In der 1 ist eine Befeuchtungsvorrichtung 1 zu erkennen, die zweckmäßigerweise einen Befeuchter 4 umfasst. Der Befeuchter 4 umfasst exemplarisch einen in 2 dargestellten Plattenstapel 7, zwei jeweils stirnseitig an Plattenstapel-Bestückungsflächen 8 des Plattenstapels 7 angeordnete Gehäusestutzen 9, 10 und ein Fluidkanalsystem 11, das in 2 angedeutet ist. Der Befeuchter 4 erstreckt sich entlang einer Hauptausdehnungsrichtung 5, entlang der eine Längsachse 6 sowie eine quer zur Längsachse 6 orientierte Querachse 55 definiert ist. Die Längsachse 6 und die Querachse 55 sind in der 1 und 2 jeweils mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Der Befeuchter 4 hat ein Fluidkanalgehäuse 12 das den Plattenstapel 7 vollständig einfasst. Das Fluidkanalgehäuse 12 ist bevorzugt ein dünnwandiges Bauteil, das entweder einstückig oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Das Fluidkanalgehäuse 12 ist dabei bevorzugt aus Kunststoffmaterial oder alternativ aus Metallmaterial oder aus Verbundmaterial hergestellt.
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In der 1 ist ferner zu erkennen, dass an den Plattenstapel-Bestückungsflächen 8 des Plattenstapels 7 ein erster Gehäusestutzen 9 und ein zweiter Gehäusestutzen 10 angeordnet sind. Jeder Gehäusestutzen 9, 10 hat exemplarisch einen quaderförmigen Grundkörper und ist bevorzugt aus Kunststoffmaterial oder alternativ aus Metallmaterial oder aus Verbundmaterial hergestellt. Ferner ist jeder Gehäusestutzen 9, 10 insbesondere mit Versteifungen zum Versteifen des jeweiligen Grundkörpers, mit Verbindungsmitteln zum Verbinden des jeweiligen Grundkörpers mit einem Fluidkanalgehäuse 12 und/oder einem anderen Grundkörper sowie Anschlüssen zum Anschließen von fluidführenden Fluidleitungen ausgestattet. Der erste Gehäusestutzen 9 und der zweite Gehäusestutzen 10 weisen gemäß 1 jeweils zwei Anschlüsse auf, die als erster und zweiter Fluidanschluss 53, 54 bezeichnet sind und zum Einleiten oder Ausleiten eines ersten Fluidstroms 2 und eines zweiten Fluidstroms 3 dienen. In der 1 sind die Fluidströme 2, 3 jeweils durch einen Pfeil angedeutet; die dargestellten Strömungsrichtungen können natürlich auch umgekehrt oder gleichorientiert realisiert sein.
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In der 1 ist ferner ein am Fluidkanalgehäuse 12 angeordneter Drainagekanal-Vorsprung 17 zu erkennen, durch den ein Drainage-Fluid bzw. ein Leckage-Fluid aus der Befeuchtungsvorrichtung 1 abgeführt werden kann. Der Drainagekanal-Vorsprung 17 oder ein vom Drainagekanal-Vorsprung 17 begrenzter, in 3 zu erkennender, Drainagekanal 16 definiert entlang seiner Hauptausdehnungsrichtung eine Drainagekanal-Längsachse 18. Die Drainagekanal-Längsachse 18 ist in der 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Zwischen der Drainagekanal-Längsachse 18 und der Längsachse 6 ist ein Drainage-Winkel 19 begrenzt, so dass der Drainagekanal-Vorsprung 17 sozusagen winkelig am Fluidkanalgehäuse 12 angeordnet ist. Der Drainage-Winkel 19 beträgt beispielsweise 1° oder beliebige andere spitze Winkel. Das hat den Effekt, dass Drainage-Fluid bzw. ein Leckage-Fluid selbsttätig aus dem Drainagekanal-Vorsprung 17 abfließt und beispielsweise durch einen am ersten und/oder zweiten Gehäusestutzen 9, 10 angeordneten Drainageanschluss 56 abgepumpt werden oder abtropfen kann.
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In 2 ist das Fluidkanalgehäuse 12 entfernt, so dass der Plattenstapel 7 des Befeuchters 4 zu erkennen ist. Der Plattenstapel 7 erstreckt sich entlang der Längsachse 6, wobei er eine Vielzahl von Platten 31 aufweist, die in einer parallel zur Längsachse 6 orientierten Aufreihungsrichtung 29 berührend und beispielsweise unter Zwischenschaltung einer nicht dargestellten Dichtung und/oder einer Dichtpaste aufeinandergestapelt sind. Der Plattenstapel 7 definiert, wie erwähnt, an seinen freien Stirnflächenenden insgesamt zwei Plattenstapel-Bestückungsflächen 8 an die die beschriebenen Gehäusestutzen 9, 10 angeordnet sind. Die Platten 31 des Plattenstapels 7 können beispielsweise eine Vielzahl von Stapelgruppen 30 bilden, die jeweils aus unterschiedlichen Platten-Typen 31 aufgebaut sind. Exemplarisch ist eine oder eine Vielzahl von Stapelgruppen 30 vorgesehen, die jeweils aus nachfolgend detaillierter beschriebenen Querströmplatten 32, Membranplatten 33, Mündungsplatten 34 und/oder sonstigen Platten aufgebaut sind.
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Jedenfalls ist in 2 noch ein Fluidkanalsystem 11 angedeutet, das den Plattenstapel 7 durchsetzt. Das Fluidkanalsystem 11 umfasst exemplarisch eine erste und eine zweite Fluidkanalanordnung 20, 21, die zum Führen von Fluid von einem Fluidanschluss 53, 54 zum jeweils anderen Fluidanschluss 53, 54 dienen. Die erste Fluidkanalanordnung 20 umfasst beispielsweise einen oder mehrere sich in Richtung der Längsachse 6 durch den Plattenstapel 7 hindurch erstreckende Plattenstapel-Fluidkanäle 22, 23. Die zweite Fluidkanalanordnung 21 hat beispielsweise einen oder mehrere Funktions-Fluidkanäle 25, die sich ebenfalls in Richtung der Längsachse 6 durch den Plattenstapel 7 erstrecken. Die Plattenstapel-Fluidkanäle 22, 23 und die Funktions-Fluidkanäle 25 sind im Plattenstapel 7 relativ nahe und lediglich durch eine Membranplatte 33 voneinander getrennt angeordnet, so dass Wasser und/oder Wasserdampf von dem ersten Fluidstrom 2 auf den zweiten Fluidstrom 3 durch die Membranplatte 33 hindurch übertragen werden kann.
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In der 3 ist eine Schnittansicht der Befeuchtungsvorrichtung 1 bzw. des Befeuchters 4 aus 1 gemäß Schnittlinie III-III dargestellt. Die Schnittansicht zeigt dabei zwei Platten 31, nämlich eine Mündungsplatte 34 einer Stapelgruppe 30 und eine Membranplatte 33 derselben Stapelgruppe 30, und den erwähnten vom Fluidkanalgehäuse 12 begrenzten Drainagekanal 16. Weiterhin sind die in 1 eingeführte Querachse 55 und eine orthogonal dazu orientierte Hochachse 57 dargestellt. Am Fluidkanalgehäuse 12 ist der Drainagekanal-Vorsprung 17 zu erkennen, der in Richtung der Querachse 55 vom Plattenstapel 7 weg ragt und den Drainagekanal 16 definiert. Zwischen den Platten 31 und dem Fluidkanalgehäuse 12 ist ferner ein von dem ersten Fluidstrom 2 oder von dem zweiten Fluidstrom 3 durchströmbarer Fluidkanal 13 des Fluidkanalsystems 11 begrenzt, der einen lichten Strömungs-Querschnitt 14 definiert. Der Strömungs-Querschnitt 14 ist so gestaltet, dass er die Platten 31 in Richtung der Querachse 55 und der Hochachse 57, also zu allen Seiten hin, vollständig inselartig umrahmt. Dabei ist zwischen den Platten 31 und dem Fluidkanalgehäuse 12 rundherum ein konstanter Abstand 15 definiert, so dass das Fluidkanalgehäuse 12 nicht an den Platten 31 berührend anliegt oder im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung 1 durch Vibrationen anschlägt.
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Die Mündungsplatte 34 gemäß 3 hat einen Mündungsflachkörper 43, der eine ebene Vordergroßfläche 44 und eine dazu entgegengesetzt orientierte ebene Rückgroßfläche 45 umfasst. Der Mündungsflachkörper 43 hat ferner eine zentrale, insbesondere relativ großflächige, Ausnehmung 38, die eine sogenannte zweite Querströmpassage 27 bildet, die den Mündungsflachkörper 43 unter Ausbildung eines Mündungsflachkörperrahmens 46 ausgehend von der Vordergroßfläche 44 bis zur Rückgroßfläche 45 vollständig durchsetzt. Exemplarisch hat der Mündungsflachkörperrahmen 46 einen Basisabschnitt 60 und zwei daran angeordnete Schenkelabschnitte 58, 59. Der Mündungsflachkörperrahmen 46 hat ferner eine erste und eine zweite Durchgangsanordnung 47, 48, die den Mündungsflachkörperrahmen 46 unter Ausbildung eines ersten und eines zweiten Plattenstapel-Fluidkanals 22, 23 vollständig durchsetzen. Neben der ersten und zweiten Durchgangsanordnung 47, 48 verfügt der der Mündungsflachkörperrahmen46 noch über eine dritte Durchgangsanordnung 49 und mindestens eine Mündungsöffnung 28, wobei die dritte Durchgangsanordnung 49 den Mündungsflachkörperrahmen 46 unter Ausbildung eines ersten Funktions-Fluidkanals 25 vollständig durchsetzt. Die Mündungsöffnung 28 bricht den Mündungsflachkörperrahmen 46 zu wenigstens einer Seite hin unter Ausbildung eines Durchbruchs 51 zum Fluidkanal 13 auf, so dass der erste oder zweite Fluidstrom 2, 3 von der dritten Durchgangsanordnung 49 durch die zweite Querströmpassage 27 hindurch zum Fluidkanal 13 oder umgekehrt strömen kann. Beim Durchströmen der zweiten Querströmpassage 27 kann beispielsweise Wasser und/oder Wasserdampf durch die Membranplatte 33 hindurch übertragen werden. Die Durchgangsanordnungen 47, 48, 49 bzw. die Plattenstapel-Fluidkanäle 22, 23 und der Funktions-Fluidkanal 25 haben jeweils einen freien Strömungs-Querschnitt 52.
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Die in 3 dargestellte Orientierung der Kanäle entspricht nicht in jedem Fall der tatsächlichen Einbaulage. Vorzugsweise weist der Drainagekanal 16 nach unten, insbesondere in Richtung einer Schwerkraftrichtung, so dass sich das ggf. darin abgeschiedene Fluid, insbesondere Wasser, darin sammeln und abfließen kann. Außerdem kann die Befeuchtungsvorrichtung 1 auch schräg, insbesondere bezüglich der Schwerkraftrichtung, eingebaut werden, so dass das Wasser in Schwerkraftrichtung abfließen kann.
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In der 4 sind zwei Platten 31 dargestellt, nämlich eine Querströmplatte 32 und eine dahinter angeordnete Membranplatte 33. Die Membranplatte 33 liegt berührend an der Querströmplatte 32 an. Die Querströmplatte 32 ist zweckmäßigerweise durch einen Flachkörper 35 gebildet, der, wie die Mündungsplatte 34, über eine ebene Vordergroßfläche 36 und eine dazu entgegengesetzt orientierte ebene Rückgroßfläche 37 verfügt. Auch der Flachkörper 35 hat eine zentrale, insbesondere relativ großflächige, Ausnehmung 38, die den Flachkörper 35 unter Ausbildung eines Flachkörperrahmens 39 ausgehend von der Vordergroßfläche 36 bis zur Rückgroßfläche 37 vollständig durchsetzt und eine sogenannte erste Querströmpassage 24 bildet. Der Flachkörperrahmen 39 ist ebenfalls von der ersten und der zweiten Durchgangsanordnung 47, 48 durchsetzt, so dass der Flachkörperrahmen 39 zwei Plattenstapel-Fluidkanäle 22, 23 aufweist. Der Flachkörperrahmen hat weiterhin eine dritte Durchgangsanordnung 49, die den Flachkörperrahmen 39 unter Ausbildung der Funktions-Fluidkanäle 25 durchsetzt. Jedenfalls können die erste und die zweite Durchgangsanordnung 47, 48 durch die erste Querströmpassage 24 hindurch miteinander kommunizieren; Fluid kann also von dem einen Plattenstapel-Fluidkanal 22 zum anderen Plattenstapel-Fluidkanal 23 strömen. Beim Durchströmen der ersten Querströmpassage 24 kann beispielsweise Wasser und/oder Wasserdampf durch die Membranplatte 33 hindurch übertragen werden.
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Gemäß 5 ist eine weitere Platte 31 zu erkennen, nämlich eine Membranplatte 33. Sie ist von einem, insbesondere luftdichten, wasser- und wasserdampfdurchlässigen und/oder runden, ovalen oder vieleckigen Membranflachkörper 61 gebildet. Der Membranflachkörper 61 hat eine ebene Vordergroßfläche 62 und eine dazu entgegengesetzt angeordnete ebene Rückgroßfläche 63. Beispielsweise ist die Membranplatte 33 im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung 1 zum Übertragen von Wasser und/oder Wasserdampf von einem durch die erste Fluidkanalanordnung 20 strömenden ersten Fluidstrom 2 auf einen durch die zweite Fluidkanalanordnung 21 strömenden zweiten Fluidstrom 3 zwischen einer Querströmplatte 32 und einer Mündungsplatte 34 angeordnet, wo sie eine erste und eine zweite Querströmpassage 24, 27 voneinander trennt. Die Membranplatte 33 umfasst ferner drei Durchgangsanordnungen 47, 48, 49.
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Im Betrieb der Befeuchtungsvorrichtung 1 sind die beschriebenen Platten 31 aneinander berührend und insbesondere deckungsgleich angeordnet, so dass sie einen Plattenstapel 7 bilden. Die Durchgangsanordnungen 47, 48, 49 der jeweiligen Platten 31 liegen dabei deckungsgleich aufeinander, so dass sie gemeinsam die Plattenstapel-Fluidkanäle 22, 23 der ersten Fluidkanalanordnung 20 und den Funktions-Fluidkanal 25 der zweiten Fluidkanalanordnung 21 bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012000477 T5 [0004]
