DE102020207350A1

DE102020207350A1 - Membranverbund für eine Befeuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102020207350A1
Application number: DE102020207350.3A
Authority: DE
Inventors: Swen-Juri Bauer; Andreas Grüner; Stefan Kaiser; Aleksandar Radlovic; Lukas Schikora; Alexander Tuntukas
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-16
Also published as: KR20210155775A; CN113809363A; US20210391586A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranverbund (1) für eine Befeuchtungseinrichtung (2) zum Befeuchten von Luft, wobei der Membranverbund (1) eine wasserdurchlässige Membran (3) aufweist, welche sich in einer Erstreckungsebene (6) flach erstreckt. Eine verbesserte Effizienz und erhöhte Lebensdauer des Membranverbunds (1) werden dadurch erreicht, dass der Membranverbund (1) in der Erstreckungsebene (6) außen eine Einfassung (17) aufweist, die einen an einer Stirnfläche (13) der Membran (3) angrenzenden Spalt (20) ausbildet, wobei in dem Spalt (20) eine Dichtungsanordnung (21) des Membranverbunds (1) angeordnet ist, welche durch die Einfassung (17) mechanisch beaufschlagt ist und die Stirnfläche (13) abdichtet.Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Befeuchtungseinrichtung (2) mit zumindest zwei solchen Membranverbunden (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranverbund für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, der eine Membran aufweist, welche für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Befeuchtungseinrichtung mit zumindest zwei solchen Membranverbunden.
Eine Befeuchtungseinrichtung dient dem Befeuchten eines Gases. Zu diesem Zweck weist die Befeuchtungseinrichtung gewöhnlich mehrere Membranen auf, die auf der einen Seite vom zu befeuchtenden Gas, nachfolgend allgemein auch Luft genannt, und auf der anderen Seite von einem Gasgemisch mit erhöhter Feuchtigkeit durchströmt sind. Die jeweilige Membran ist für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig. Folglich wird das Wasser durch die Membran von dem Gasgemisch zur Luft transportiert und befeuchtet die Luft.
Um in der Befeuchtungseinrichtung die Strömung der Luft und des Gasgemischs auf gewünschte Weise trennen zu können, insbesondere eine Vermischung von Luft und Gasgemisch zu verhindern, ist es notwendig, die Membranen entsprechend abzudichten. Üblicherweise erfolgt dies durch das Anbringen einer Dichtungsanordnung an einer Stirnfläche der jeweiligen Membran.
Eine solche Befeuchtungseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2012 019 541 A1 bekannt. Die Befeuchtungseinrichtung weist mehrere Membranen auf, die sich in einer Erstreckungsebene flach erstrecken und außen einen Außenrand mit einer Stirnfläche aufweisen. Die Membranen sind quer zur Erstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, wobei zwischen benachbarten Membranen ein Abstandshalter angeordnet ist. Zwischen den Membranen und den Abstandshaltern sowie an Stirnflächen der Membranen ist jeweils ein Klebstoff als Dichtungsmasse angebracht, um die gewünschte Dichtung zu erzielen. Um mit einer Dichtungsanordnung, insbesondere einem Klebstoff, die gewünschte Dichtungswirkung zu erzielen, ist ein Verpressen der Dichtungsanordnung notwendig. Dies erfordert eine entsprechende Kraftausübung auf die Membranen. Die Kraftausübung auf die Membranen kann zu einer Beschädigung und/oder Deformation der Membranen führen.
Bei Membranen, die in Befeuchtungseinrichtungen zum Einsatz kommen, handelt es sich üblicherweise um solche mit einer porösen Struktur. Dementsprechend kann die für das Erzielen der Dichtwirkung benötigte Krafteinwirkung zu einer erhöhten Deformation und/oder Beschädigung der Membranen führen.
Die Beschädigung der Membranen führt zu einer entsprechenden Beschädigung der Befeuchtungseinrichtung, die zu einer Reduzierung der Effizienz der Befeuchtungseinrichtung führt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für einen Membranverbund für eine Befeuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art sowie für eine solche Befeuchtungseinrichtung verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Effizienz und/oder eine erhöhte Lebensdauer auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Membran für eine Befeuchtungseinrichtung in einem Membranverbund bereitzustellen, in welchem die Membran außenseitig eingefasst ist, wobei die Einfassung die Membran nach außen überragt und somit an einer äußeren Stirnfläche der Membran einen Spalt bildet, und wobei in diesem Spalt eine Dichtungsanordnung zum Abdichten der Stirnfläche der Membran angeordnet ist. Die zum Erzielen der gewünschten Dichtungswirkung benötigte Krafteinwirkung auf die Dichtungsanordnung erfolgt somit über die Einfassung, sodass eine entsprechende Kraftausübung auf die Membran entfällt oder zumindest reduziert ist. Folglich werden Beschädigungen und Deformationen der Membran verhindert oder zumindest reduziert. Das Verhindern oder zumindest Reduzieren der Deformationen und/oder Beschädigungen der Membran führt dazu, dass die Membran einen verbesserten Austausch von Wasser erlaubt, sodass die Effizienz des Membranverbunds und der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung verbessert ist. Zudem führt das Verhindern oder zumindest Reduzieren der Deformationen und Beschädigungen dazu, dass sich die Beschädigungen bzw. Deformationen während der Lebensdauer des Membranverbunds und der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung nicht fortsetzen. Folglich wird die Effizienz über einen längeren Zeitraum verbessert und/oder die Lebensdauer des Membranverbunds und der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung bei einer verbesserten Effizienz erhöht.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Membranverbund eine Membran auf, die für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig ist. Die Membran erstreckt sich in einer Erstreckungsebene flach, die in einer Längsrichtung und einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung verläuft. Dabei weist die Membran in einer quer zur Längsrichtung und quer zur Querrichtung verlaufenden Höhenrichtung eine Oberseite sowie eine von der Oberseite abgewandte Unterseite auf. In der Erstreckungsebene außen weist die Membran einen umlaufenden Außenrand auf, der an der Oberseite eine obere Kante und an der Unterseite eine untere Kante aufweist. Zwischen der oberen Kante und der unteren Kante erstreckt sich eine umlaufende Stirnfläche der Membran. Erfindungsgemäß weist der Membranverbund eine Einfassung auf, die in der Erstreckungsebene außen angeordnet ist. Die Einfassung weist zumindest einen auf der Oberseite aufliegenden oberen Steg und zumindest einen auf der Unterseite aufliegenden unteren Steg auf, welche jeweils den Außenrand nach außen überragen. Somit ist zwischen den Stegen ein Spalt ausgebildet, der von der Stirnfläche begrenzt ist. In dem Spalt ist erfindungsgemäß eine Dichtungsordnung zum Abdichten der Stirnseite angeordnet, wobei die Dichtungsanordnung von den Stegen in Höhenrichtung mechanisch beaufschlagt ist, um die Stirnfläche abzudichten. Zudem ist Membranverbund somit einfach in der Handhabung, lässt sich insbesondere über die Einfassung vereinfacht transportieren und stapeln. Zudem weist der Membranverbund eine integrierte Abdichtung der Membran auf. Folglich werden auch die Herstellung und Montage einer zugehörigen Befeuchtungseinrichtung erheblich vereinfacht.
Die Membran kann prinzipiell eine beliebige Struktur aufweisen, sofern sie für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig ist. Insbesondere kann die Membran eine poröse Struktur aufweisen.
Unter Wasser ist im vorliegenden Sinne sowohl die flüssige Phase als auch die gasförmige Phase von Wasser, also insbesondere Dampf, zu verstehen.
Unter Luft ist vorliegend ein Gas oder ein Gasgemisch zu verstehen, das über die Membran im Betrieb befeuchtet wird. Zu diesem Zweck ist die Membran in einer zugehörigen Befeuchtungseinrichtung entlang der Oberseite von Luft und entlang der Unterseite von einem wasserhaltigen Gasgemisch durchströmt, wobei das Gasgemisch zweckmäßig eine höhere Wasserfeuchtigkeit aufweist als die Luft. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Membran in der Befeuchtungseinrichtung entlang der Oberseite von dem Gasgemisch und entlang der Unterseite von Luft umströmt ist. Die Dichtungsanordnung trennt hierbei die Strömung der Luft und des Gasgemischs. Insbesondere wird ein Durchmischen des Gasgemischs und der Luft über den Membranverbund mithilfe der Dichtungsanordnung verhindert.
Die Einfassung ist zweckmäßig gegenüber der Membran formstabil. Insbesondere ist die Einfassung gegenüber der Membran nicht porös. Bevorzugt ist die Einfassung ferner fluiddicht. Die Einfassung kann beispielsweise ein harter Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast wie Polyester, sein.
Die Dichtungsanordnung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie die Stirnfläche in dem Bereich, in dem sie angeordnet ist, abdichtet.
Bevorzugt ist es, wenn die Dichtungsanordnung den Spalt in dem Bereich, in dem die Dichtungsanordnung angeordnet ist, ausfüllt. Insbesondere füllt die Dichtungsanordnung den Spalt gänzlich aus. Somit ist eine verbesserte Dichtung mit der Dichtungsanordnung erzielt. Zudem ist auf diese Weise die benötigte Kraft zum mechanischen Beaufschlagen der Dichtungsanordnung reduziert, sodass das mechanische Beanspruchen der Einfassung reduziert ist. Auf diese Weise werden also Beschädigungen der Einfassung reduziert und/oder das Bereitstellen einer mechanisch weniger stabilen Einfassung ermöglicht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die Dichtungsanordnung einen dichtenden Klebstoff auf. Dies ermöglicht ein kostengünstiges und zuverlässiges Abdichten der Stirnfläche der Membran.
Vorstellbar sind Ausführungsformen, bei denen die Dichtungsanordnung aus dem dichtenden Klebstoff besteht. Das heißt, dass in dem Spalt zwischen den Stegen lediglich der dichtende Klebstoff angeordnet und mechanisch beaufschlagt ist. Dies erlaubt eine kostengünstige Umsetzung des Membranverbunds.
Vorstellbar ist es ebenso, dass die Dichtungsanordnung neben dem dichtenden Klebstoff eine Dichtungsfolie aufweist, die dichtend ist, wobei die Dichtungsfolie in Höhenrichtung zwischen zwei Klebstofflagen des Klebstoffs angeordnet ist. Somit wird eine verbesserte Dichtwirkung mit der Dichtungsanordnung erreicht. Zudem weist die Dichtungsanordnung auf diese Weise eine erhöhte mechanische Stabilität auf, sodass mechanische Belastungen der Einfassung und der Membran reduziert sind.
Bevorzugt ist es, wenn die Dichtungsfolie eine in Höhenrichtung verlaufende Höhe, nachfolgend auch als Dichtungsfolienhöhe bezeichnet, aufweist, die größer ist als eine in Höhenrichtung verlaufende Höhe der jeweiligen Klebstofflage, nachfolgend jeweils auch als Klebstofflagenhöhe bezeichnet.
Zweckmäßig ist die Dichtungsfolie gegenüber der Membran formstabil. Bei der Dichtungsfolie handelt es sich insbesondere um einen Kunststoff, insbesondere um einen harten Kunststoff, beispielsweise einen Thermoplast wie Polyester.
Der Außenrand der Membran weist vorteilhaft zwei in Längsrichtung gegenüberliegende Abschnitte sowie zwei in Querrichtung gegenüberliegende Abschnitte auf, wobei der jeweilige Abschnitt eine zugehörige Stirnseite der Stirnfläche aufweist. Die beiden in Längsrichtung gegenüberliegenden Abschnitte des Außenrands werden nachfolgend zur besseren Unterscheidung als Querränder bezeichnet. Zudem werden die beiden in Querrichtung gegenüberliegenden Abschnitte des Außenrands zur besseren Unterscheidung als Längsränder bezeichnet. Dementsprechend weist die Einfassung in Querrichtung zwei gegenüberliegende und auf der Oberseite aufliegende Abschnitte, nachfolgend obere Längsstege genannt, sowie zwei in Querrichtung gegenüberliegende und auf der Unterseite aufliegende Abschnitte, nachfolgend untere Längsstege genannt, auf. Zudem weist die Einfassung in Längsrichtung zwei gegenüberliegende und auf der Oberseite aufliegende Abschnitte, nachfolgend obere Querstege genannt, sowie zwei gegenüberliegende und auf der Unterseite aufliegende Abschnitte, nachfolgend untere Querstege genannt, auf. Dabei ist zwischen den Längsstegen ein Abschnitt des Spalts und zwischen den Querstegen ein weiterer Abschnitt des Spalts ausgebildet. In zumindest einem dieser Spaltabschnitte ist wenigstens ein entsprechender Abschnitt der Dichtungsanordnung, nachfolgend auch Dichtungsanordnungsabschnitt genannt, angeordnet und von den zugehörigen Stegen in Höhenrichtung beaufschlagt, sodass der Dichtungsanordnungsabschnitt die zugehörige Stirnseite abdichtet. Mit anderen Worten, zwischen den Längsstegen kann ein Dichtungsanordnungsabschnitt der Dichtungsanordnung angeordnet sein, der von den Längsstegen in Höhenrichtung mechanisch beaufschlagt ist und die zugehörige Stirnseite der Stirnfläche abdichtet. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen den Querstegen ein Dichtungsanordnungsabschnitt der Dichtungsanordnung angeordnet, der von den Querstegen in Höhenrichtung mechanisch beaufschlagt ist und die zugehörige Stirnseite der Stirnfläche abdichtet.
Die Membran kann prinzipiell eine beliebige Grundform aufweisen. Entsprechendes gilt dann für die Einfassung. Insbesondere kann die Membran eine runde oder ovale Grundform aufweisen.
Bevorzugt weist die Membran eine Grundform in der Art eines Vierecks auf. Entsprechendes gilt für die Einfassung. In diesem Fall verlaufen die Querränder in Querrichtung und die Längsränder in Längsrichtung. Zudem verlaufen die Längsstege in Längsrichtung und die Querstege in Querrichtung. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung des Membranverbunds und erlaubt in der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung eine verbesserte Führung der Strömungspfade der Luft und des Gasgemischs.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen der zumindest eine obere Steg und der zumindest eine untere Steg jeweils als ein umlaufender Rahmen ausgebildet sind, zwischen denen ein umlaufender Spalt ausgebildet ist, der von der Stirnfläche begrenzt ist. Besonders bevorzugt sind der zumindest eine obere Steg und der zumindest eine untere Steg und somit die Einfassung umlaufend geschlossen ausgebildet und begrenzen somit einen umlaufend geschlossenen Spalt, der von der Stirnfläche begrenzt ist. Somit lässt sich der Membranverbund vereinfacht herstellen und eine mechanische Belastung der Membran weiter reduzieren.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist die Dichtungsanordnung umlaufend ausgebildet und dichtet die Stirnfläche der Membran umlaufend ab. Bevorzugt ist die Dichtungsanordnung umlaufend geschlossen und dichtet die gesamte Stirnfläche der Membran ab.
Bevorzugt sind sowohl die Dichtungsanordnung als auch die Einfassung umlaufend, besonders bevorzugt umlaufend geschlossen. Somit wird die gesamte Stirnfläche der Membran effizient und mit zumindest reduzierter mechanischer Beaufschlagung der Membran abgedichtet.
In einer zugehörigen Befeuchtungseinrichtung ist der Membranverbund an weiteren Bestandteilen der Befeuchtungseinrichtung angebracht.
Bevorzugt weist der Membranverbund zu diesem Zweck an zumindest einer vom Spalt abgewandten Seite der Einfassung wenigstens abschnittsweise einen Klebestreifen auf. Der Klebestreifen dient also dem Anbringen des Membranverbunds an weitere Bestandteile der Befeuchtungseinrichtung.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn auf der vom Spalt abgewandten Seite des jeweiligen oberen Längsstegs ein Klebestreifen angebracht ist, der sich entlang des Längsstegs erstreckt, wohingegen die vom Spalt abgewandten Seiten der unteren Längsstege frei von Klebestreifen sind. Zudem ist auf der vom Spalt abgewandten Seite des jeweiligen unteren Querstegs jeweils ein Klebestreifen angebracht, der sich entlang des Querstegs erstreckt, wohingegen die vom Spalt abgewandten Seiten der oberen Querstege frei von Klebestreifen sind. In einer alternativen Variante sind auf der vom Spalt abgewandten Seite des jeweiligen unteren Längsstegs ein Klebestreifen angebracht, der sich entlang des Längsstegs erstreckt, wohingegen die vom Spalt abgewandten Seiten der oberen Längsstege frei von Klebestreifen sind und wobei auf der vom Spalt abgewandten Seite des jeweiligen oberen Querstegs jeweils ein Klebestreifen angebracht ist, der sich entlang des Querstegs erstreckt, wohingegen die vom Spalt abgewandten Seiten der unteren Querstege frei von Klebestreifen sind. Das heißt bei einer ersten Variante, dass der Membranverbund an den oberen Querstegen mit jeweils einem Klebestreifen versehen ist, wohingegen die unteren Querstege frei von Klebestreifen sind und wobei die oberen Längsstege frei von Klebestreifen sind, wohingegen die unteren Längsstege mit Klebestreifen versehen sind, oder bei einer zweiten Variante umgekehrt.
In einer zugehörigen Befeuchtungseinrichtung können Membranverbunde der ersten Variante und der zweiten Variante vorgesehen und abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sein. Dies führt zu einer vereinfachten Herstellung der Befeuchtungseinrichtung bei zugleich vereinfachter Trennung der Strömungspfade der Luft und des Gasgemischs.
Es versteht sich, dass neben dem Membranverbund auch eine zugehörige Befeuchtungseinrichtung zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Die Befeuchtungseinrichtung ist im Betrieb von der Luft und dem Gasgemisch durchströmt. Das heißt, dass ein Strömungspfad für Luft, nachfolgend auch erster Strömungspfad genannt, und ein vom ersten Strömungspfad unterschiedlicher Strömungspfad für das Gasgemisch, nachfolgend auch zweiter Strömungspfad genannt, durch die Befeuchtungseinrichtung verlaufen. Die Befeuchtungseinrichtung weist ferner zumindest zwei Membranverbunde auf, welche in Höhenrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind, sodass zwischen den in Höhenrichtung aufeinanderfolgenden Membranverbunden jeweils einer der Strömungspfade führt. Bevorzugt führt zwischen den in Höhenrichtung aufeinanderfolgenden Membranverbunden abwechselnd jeweils einer der Strömungspfade.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zwischen wenigstens zwei der in Höhenrichtung aufeinanderfolgenden Membranverbunden, bevorzugt zwischen jeweils zwei in Höhenrichtung aufeinanderfolgenden Membranverbunden, ein Abstandshalter angeordnet ist, durch welchen der zwischen den Membranverbunden verlaufende Strömungspfad verläuft. Mit dem Abstandshalter erfolgt ein definierter Abstand der Membranverbunde in Höhenrichtung und somit ein definierter Aufbau der Befeuchtungseinrichtung.
Bevorzugt ist es ferner, wenn der Abstandshalter zum Trennen der Strömungspfade in der Befeuchtungseinrichtung zum Einsatz kommt. Zu diesem Zweck weist der jeweilige Abstandshalter zwei in Längsrichtung oder in Querrichtung gegenüberliegende und fluiddichte Halter auf, zwischen denen eine Führungsstruktur des Abstandshalters zum Führen des zugehörigen Strömungspfads gehalten ist, wobei die Halter auf der vom Spalt abgewandten Seite der zugehörigen Einfassungen angeordnet und an den Einfassungen befestigt sind. Die fluidisch abdichtende Eigenschaft der Halter verhindert eine Strömung des Gasgemischs und der Luft durch die Halter, sodass die Abstandshalter auf diese Weise die Strömungspfade definieren und begrenzen.
Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Befeuchtungseinrichtung mehrere Membranverbunde aufweist, die in Höhenrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei zwischen den aufeinanderfolgenden Membranen abwechselnd ein Abstandshalter mit zwei in Längsrichtung gegenüberliegenden Haltern und zwei in Querrichtung gegenüberliegenden Haltern angeordnet ist. Somit wird die jeweilige Membran an der Oberseite von Luft in Querrichtung und entlang der Unterseite vom Gasgemisch in Längsrichtung durchströmt oder umgekehrt.
Zum Befestigen des jeweiligen Abstandshalters an den Membranverbunden und umgekehrt kommt vorteilhaft jeweils ein Klebestreifen zum Einsatz. Das heißt, dass der jeweilige Halter zwischen den zwei zugehörigen Einfassungen mit den zwei zugehörigen Membranverbunden angeordnet ist, wobei zwischen dem jeweiligen Halter und der jeweiligen Einfassung ein den Halter an der Einfassung befestigender Klebestreifen angeordnet ist, der entlang des Halters erstreckt. Zumindest ein Teil Klebestreifen können hierbei, wie vorstehend beschrieben, jeweils Bestandteil der Membranverbunde sein. Vorstellbar ist es auch, dass zumindest ein Teil der Klebestreifen Bestandteil der Abstandshalter sind und folglich in Höhenrichtung außenseitig am jeweiligen Halter angebracht sind.
Die Befeuchtungseinrichtung kann prinzipiell in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen.
Vorstellbar ist der Einsatz der Befeuchtungseinrichtung in einem Brennstoffzellensystem, in welchem die Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten des der Brennstoffzelle zugeführten, sauerstoffhaltigen Gases, insbesondere des Katodengases, als Luft eingesetzt wird. Beim Einsatz in einem Brennstoffzellensystem kann das wasserhaltige Gasgemisch das im Betrieb einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems erzeugte Abgas sein.
Die Befeuchtungseinrichtung kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Dabei kann das Brennstoffzellensystem Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 einen Schnitt durch einen Membranverbund,
2 den Schnitt aus 1 bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Membranverbunds,
3 eine Explosionsdarstellung des Membranverbunds aus 1,
4 eine isometrische Ansicht des Membranverbunds der 1 und 3,
5 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer Befeuchtungseinrichtung mit dem Membranverbund in einem Brennstoffzellensystem,
6 eine isometrische Innenansicht der Befeuchtungseinrichtung,
7 eine isometrische Ansicht eines Abstandshalters der Befeuchtungseinrichtung der 6,
8 eine innere isometrische Explosionsdarstellung der Befeuchtungseinrichtung bei einem anderen Ausführungsbeispiel.

Ein Membranverbund 1, wie er beispielhaft in den 1 bis 4 sowie 6 und 8 gezeigt ist, kommt in einer Befeuchtungseinrichtung 2 zum Einsatz, welche beispielsweise in den 5 und 6 sowie 8 gezeigt ist.
Der Membranverbund 1 weist eine Membran 3 auf, die für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig ist. Die Membran 3 ist zu diesem Zweck vorzugsweise porös. Die Membran 3 erstreckt sich in einer Längsrichtung 4 und einer quer zur Längsrichtung 4 verlaufenden Querrichtung 5 flach in einer Erstreckungsebene 6. In einer quer zur Längsrichtung 4 und quer zur Querrichtung 5 verlaufenden Höhenrichtung 7 weist die Membran 3 eine Oberseite 8 und eine von der Oberseite 8 abgewandte Unterseite 9 auf. Die Membran 3 weist zudem in der Erstreckungsebene 6 außen einen umlaufenden Außenrand 10 auf, der an der Oberseite 8 eine obere Kante 11 und an der Unterseite 9 eine untere Kante 12 aufweist. Zwischen der oberen Kante 11 und der unteren Kante 12 weist der Außenrand 10 eine umlaufende Stirnfläche 13 der Membran 3 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Membran 3 eine Grundform in der Art eines Rechtecks auf. Der Außenrand 10 weist somit zwei in Längsrichtung 4 gegenüberliegende und in Querrichtung 5 verlaufende Querränder 14 sowie zwei in Querrichtung 5 gegenüberliegende und in Längsrichtung 4 verlaufende Längsränder 15 auf. Der jeweilige Querrand 14 und Längsrand 15 weist dabei eine zugehörige Stirnseite 16 der Stirnfläche 13 auf.
Der Membranverbund 1 weist ferner eine Einfassung 17 auf, welche in der Erstreckungsebene 6 außen angeordnet ist. Die Einfassung 17 weist zumindest einen auf der Oberseite 8 aufliegenden oberen Steg 18 sowie zumindest einen auf der Unterseite 9 aufliegenden unteren Steg 19 auf. Der jeweilige Steg 18, 19 überragt hierbei den Außenrand 10 nach außen, sodass zwischen den Stegen 18, 19 ein Spalt 20 ausgebildet ist, der von der Stirnfläche 13 der Membran 3 begrenzt ist. In dem Spalt 20 ist eine Dichtungsanordnung 21 des Membranverbunds 1 angeordnet. Die Dichtungsanordnung 21 wird von dem zumindest einen oberen Steg 18 und dem zumindest einen unteren Steg 19 in Höhenrichtung 7 mechanisch beaufschlagt und dichtet somit die Stirnfläche 13 der Membran 3 ab. Die Dichtungsanordnung 21 liegt hierbei an der Stirnfläche 13 an. Die Einfassung 17 und somit die Stege 18, 19 sind hierbei gegenüber der Membran 3 formstabil. Bevorzugt und wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen zu sehen ist, füllt die Dichtungsanordnung 21 den Spalt 20 zumindest in Höhenrichtung 7 und entlang der Stirnfläche 13 gänzlich aus. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Spalt 20 von der Dichtungsanordnung 21 gänzlich ausgefüllt. Durch das mechanische Beaufschlagen der Dichtungsanordnung 21 mit der Einfassung 17 erfolgt ein zuverlässiges Abdichten der Stirnfläche 13 der Membran 3. Zugleich entfällt eine mechanische Belastung der Membran 3 zum Beaufschlagen der Dichtungsanordnung 21 zumindest im Wesentlichen. Das heißt, dass die mechanische Belastung entfällt oder zumindest reduziert wird. Darüber hinaus ist somit ist Handhabung der Membran 3 erheblich vereinfacht.
Die Dichtungsanordnung 21 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen Klebstoff 22 auf. Dabei kann die Dichtungsanordnung 21, wie im Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt, aus dem Klebstoff 22 bestehen. Die Dichtungsanordnung 21 kann also dem Klebstoff 22 entsprechen. Alternativ kann die Dichtungsanordnung 21, wie beispielsweise im Ausführungsbeispiel der 1 und 3, neben dem Klebstoff 22 eine fluiddichte Dichtungsfolie 23 aufweisen. Die Dichtungsfolie 23 liegt an der Stirnfläche 13 an. Dabei ist die Dichtungsfolie 23 in Höhenrichtung 7 zwischen zwei Lagen 24 des Klebstoffs 22, nachfolgend auch Klebstofflagen 24 genannt, angeordnet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Dichtungsfolie 23 eine in Höhenrichtung 7 verlaufende Höhe 25, nachfolgend auch Dichtungsfolienhöhe 25 genannt, auf, die größer ist, insbesondere zumindest doppelt so groß ist, wie eine in Höhenrichtung 7 verlaufende Höhe 26 der jeweiligen Klebstofflage 24, nachfolgend auch Klebstofflagenhöhe 26 genannt.
Entsprechend der Grundform der Membran 3 weist die Einfassung 17 an der Oberseite 8 und an der Unterseite 9 jeweils zwei in Längsrichtung 4 gegenüberliegende und in Querrichtung 5 verlaufende Querstege 27, nämlich zwei auf der Oberseite 8 aufliegende obere Querstege 27a und zwei auf der Unterseite 9 aufliegende untere Querstege 27b auf. Zudem weist die Einfassung 17 an der Oberseite 8 und an der Unterseite 9 jeweils zwei in Querrichtung 5 gegenüberliegende und in Längsrichtung 4 verlaufende Längsstege 28, nämlich zwei auf der Oberseite 8 aufliegende obere Längsstege 28a und zwei auf der Unterseite 9 aufliegende untere Längsstege 28b auf. Die oberen Stege 18, d. h., die oberen Querstege 27a und die oberen Längsstege 28a, bilden hierbei einen umlaufend geschlossenen Rahmen 29, der nachfolgend auch als oberer Rahmen 29a bezeichnet wird. Die unteren Stege 19, d. h., die unteren Querstege 27b und die unteren Längsstege 28b, bilden ebenfalls einen umlaufend geschlossenen Rahmen 29, der nachfolgend als unterer Rahmen 29b bezeichnet wird. Die Einfassung 17 verläuft also in den gezeigten Ausführungsbeispielen umlaufend geschlossen und bildet somit einen umlaufend geschlossenen Spalt 20. Zudem ist die Dichtungsanordnung 21 umlaufend geschlossen und dichtet somit die gesamte Stirnfläche 13, d. h. alle Stirnseiten 16, der Membran 3 ab. Das heißt, dass der Klebstoff 22 in 2 umlaufend geschlossen in der Art eines Rahmens vorliegt. Das heißt ferner, dass die Dichtungsfolie 23 sowie die Klebstofflagen 24 jeweils umlaufend geschlossen in der Art eines Rahmens ausgebildet sind. Zwischen den Längsstegen 28 und den Querstegen 27 ist dabei jeweils ein Abschnitt 38 der Dichtungsanordnung 21, nachfolgend auch Dichtungsabschnitt 38 genannt, angeordnet.
In der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung 2 sind, wie insbesondere 6 zu entnehmen ist, mehrere Membranverbunde 1 vorgesehen, welche in Höhenrichtung 7 aufeinanderfolgend und zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Befeuchtungseinrichtung 2 ist, wie beispielsweise 5 zu entnehmen ist, von Luft und einem wasserhaltigen Gasgemisch durchströmt. Dabei führen ein Strömungspfad 30 der Luft, nachfolgend auch erster Strömungspfad 30 genannt, und ein Strömungspfad 31 des Gasgemischs, nachfolgend auch zweiter Strömungspfad 31 genannt, durch die Befeuchtungseinrichtung 2. Hierbei führt einer der Strömungspfade 30 entlang der Oberseite 8 und der andere Strömungspfad 30, 31 entlang der Unterseite 9 der Membran 3 des jeweiligen Membranverbunds 1. In der Folge wird Feuchtigkeit vom Gasgemisch auf die Luft übertragen und die Luft somit befeuchtet.
Beim in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Befeuchtungseinrichtung 2 Bestandteil eines Brennstoffzellensystems 32, das zudem zumindest eine Brennstoffzelle 33, insbesondere ein Brennstoffzellenstack 33a, aufweist. Im Brennstoffzellensystem 32 wird die Luft der wenigstens einen Brennstoffzelle 33 zugeführt. Zudem wird der wenigstens einen Brennstoffzelle 33, wie mit einem gestrichelten Pfeil angedeutet, ein Brennstoff zugeführt. Im Betrieb der Brennstoffzelle 33 entsteht dabei wasserhaltiges Abgas, das als Gasgemisch der Befeuchtungseinrichtung 2 zugeführt wird, um die Luft zu befeuchten.
Wie beispielsweise 6 zu entnehmen ist, ist in der Befeuchtungseinrichtung 2 zwischen jeweils zwei in Höhenrichtung 7 aufeinanderfolgenden Membranverbunden 1 ein Abstandshalter 34, auch Spacer 34 genannt, angeordnet. Dabei führen zwischen den in Höhenrichtung 7 aufeinanderfolgenden Membranverbunden 1 und somit durch den zugehörigen Abstandshalter 34 abwechselnd jeweils der erste Strömungspfad 30 und der zweite Strömungspfad 31. 7 zeigt einen der in 6 eingesetzten Abstandshalter 34. Eine Zusammenschau der 6 und 7 zeigt, dass der jeweilige Abstandshalter 34 entweder in Längsrichtung 4 oder in Querrichtung 5 außen zwei gegenüberliegende Halter 35 aufweist, welche fluiddicht sind. Zwischen den Haltern 35 weist der jeweilige Abstandshalter 34 eine Führungsstruktur 36 auf, welche den zugehörigen Strömungspfad 30, 31 zwischen den zugehörigen Membranverbunden 1, insbesondere Membranen 3, führt. In 7 ist rein beispielhaft ein Abstandshalter 34 gezeigt, der zwei in Längsrichtung 4 gegenüberliegende Halter 35 aufweist. Wie den 6 und 7 ferner zu entnehmen ist, ist die jeweilige Führungsstruktur 36 parallel zu den zugehörigen Haltern 35 ausgerichtet. Somit die Führung den zugehörigen Strömungspfad 30 entlang der zugehörigen Halter 35, also entweder entlang der Längsrichtung 4 oder entlang der Querrichtung 5. Somit ergibt sich, wie in 6 angedeutet, an der jeweiligen Membran 3 an der Oberseite 8 und an der Unterseite 9 quer zueinander verlaufende Strömungspfade 30, 31.
Der jeweilige Abstandshalter ist derart ausgebildet, dass die Halter 35 mit den Einfassungen 17 der zugehörigen Membranverbunde 1 überlappen, sodass die jeweilige Führungsstruktur 36 im Wesentlichen mit der gesamten Oberseite 8 und Unterseite 9 der zugehörigen Membranen 3 fluchtet. Der jeweilige Abstandshalter 34 ist über die zugehörigen Halter 35 an den zugehörigen Einfassungen 17 der zugehörigen Membranverbunde 1 befestigt. Zu diesem Zweck ist zwischen dem jeweiligen Halter 35 und den Einfassungen 17 der zugehörigen Membranverbunde 1 jeweils eine Klebstofflage 37 angeordnet.
Wie insbesondere den 1 bis 4 entnommen werden kann, ist die Klebstofflage 37 der gezeigten Ausführungsbeispiele jeweils Bestandteil des Membranverbunds 1. Zu diesem Zweck ist, in einer ersten Alternative der Membranverbunde 1, die insbesondere in den 3 und 4 gezeigt ist, auf der vom Spalt 20 abgewandten Seite des jeweiligen oberen Längsstegs 28a ein Klebestreifen 37 angebracht, der sich entlang des Längsstegs 28a erstreckt, wohingegen die vom Spalt 20 abgewandten Seiten der unteren Längsstege 28b frei von Klebestreifen 37 sind. Zudem ist auf der vom Spalt 20 abgewandten Seite des jeweiligen unteren Querstegs 27b jeweils ein Klebestreifen 37 aufgebracht, der sich entlang des Querstegs 27b erstreckt, wohingegen die vom Spalt 20 abgewandten Seiten der oberen Querstege 27a frei von Klebestreifen 37 sind. Bei einer zweiten Alternative, die beispielsweise in 2 gezeigt ist, ist ein umgekehrtes Versehen der Querstege 27 und der Längsstege 28 mit Klebestreifen 37 vorgesehen. Die zweite Alternative kann auch dadurch erreicht werden, dass der in den 2 und 3 gezeigte Membranverbund 1 um eine in Längsrichtung 4 verlaufende Achse um 180° gedreht wird. Das heißt, dass in der Befeuchtungseinrichtung 2 die gleichen Membranverbunde 1 eingesetzt werden, wobei in Höhenrichtung 7 aufeinanderfolgende Membranverbunde 1 jeweils um die Längsrichtung 4 um 180° gedreht angeordnet sind.
Als eine Alternative ist es vorstellbar, an den in Höhenrichtung 7 äußeren Seiten der Halter 35 der Abstandshalter 34 jeweils einen Klebestreifen 37 anzubringen.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Befeuchtungseinrichtung 2 sowie der Membranverbunde 1 und der Abstandshalter 34 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den 1 bis 4 sowie 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen dadurch, dass der jeweilige Membranverbund 1 eine in der Erstreckungsebene 6 nach außen abstehende Ausrichtstruktur 39 aufweist, wobei an der jeweiligen Ecke der rechteckförmigen Membranverbunde 1 eine solche Ausrichtstruktur 39 absteht. Zudem weisen die Abstandshalter 34 an ihren Haltern 35 mit den Ausrichtstrukturen 39 der Membranverbunde 1 fluchtende und diesen entsprechende Ausrichtstrukturen 40 auf, derart, dass sich die Membranverbunde 1 und Abstandshalter 34 über die Ausrichtstrukturen 39, 40 relativ zueinander positionieren und ausrichten lassen.
Dies vereinfacht die Herstellung und Montage der Befeuchtungseinrichtung 2. Die Ausrichtstrukturen 39, 40 können eine Aufnahme, beispielsweise für eine nicht dargestellte Dichtung zwischen dem Stapel aus den Membranverbunden 1 und den Abstandhaltern 34 und einem nicht gezeigten Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung 2, in dem der Stapel aufgenommen ist, bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012019541 A1 [0004]

Claims

Membranverbund (1) für eine Befeuchtungseinrichtung (2), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (32), - mit einer Membran (3), welche für Wasser durchlässig und für Luft undurchlässig ist, - wobei sich die Membran (3) in einer Längsrichtung (4) und einer quer zur Längsrichtung (4) verlaufenden Querrichtung (5) in einer Erstreckungsebene (6) flach erstreckt, - wobei die Membran (3) in einer quer zur Längsrichtung (4) und quer zur Querrichtung (5) verlaufenden Höhenrichtung (7) eine Oberseite (8) und eine von der Oberseite (8) abgewandte Unterseite (9) aufweist, - wobei die Membran (3) in der Erstreckungsebene (6) außen einen umlaufenden Außenrand (10) aufweist, - wobei der Außenrand (10) an der Oberseite (8) eine obere Kante (11) und an der Unterseite (9) eine untere Kante (12) aufweist, zwischen denen sich eine umlaufende Stirnfläche (13) des Außenrands (10) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, - dass der Membranverbund (1) eine in der Erstreckungsebene (6) äußere Einfassung (17) aufweist, - dass die Einfassung (17) zumindest einen auf der Oberseite (8) aufliegenden oberen Steg (18) und zumindest einen auf der Unterseite (9) aufliegenden unteren Steg (19) aufweist, die jeweils den Außenrand (10) nach außen überragen, so dass zwischen den Stegen (18, 19) ein Spalt (20) ausgebildet ist, der von der Stirnfläche (13) begrenzt ist, - dass in dem Spalt (20) eine Dichtungsanordnung (21) angeordnet ist, welche von den Stegen (18, 19) in Höhenrichtung (7) mechanisch beaufschlagt ist und die Stirnfläche (13) abdichtet.
Membranverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (21) den Spalt (20) ausfüllt.
Membranverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (21) einen dichtenden Klebstoff (22) aufweist.
Membranverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass die Dichtungsanordnung (21) eine Dichtungsfolie (23) sowie zwei Klebstofflagen (24) des Klebstoffs (22) aufweist, - dass die Dichtungsfolie (23) in Höhenrichtung (7) zwischen den Klebstofflagen (24) angeordnet ist.
Membranverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - dass der Außenrand (10) in Längsrichtung (4) zwei gegenüberliegende Querränder (14) und in Querrichtung (5) zwei gegenüberliegende Längsränder (15) aufweist, die jeweils eine zugehörige Stirnseite (16) der Stirnfläche (13) aufweisen, - dass die Einfassung (17) in Querrichtung (5) zwei gegenüberliegende und auf der Oberseite (8) aufliegende obere Längsstege (18, 28a) sowie zwei gegenüberliegende und auf der Unterseite (9) aufliegende untere Längsstege (19, 28b) aufweist, - dass die Einfassung (17) in Längsrichtung (4) zwei gegenüberliegende und auf der Oberseite (8) aufliegende obere Querstege (18, 27a) sowie zwei gegenüberliegende und auf der Unterseite (9) aufliegende untere Querstege (19, 27b) aufweist, - dass im Spalt (20) zwischen den Längsstegen (28) und/oder den Querstegen (27) jeweils ein Dichtungsanordnungsabschnitt (38) der Dichtungsanordnung (21) angeordnet ist, der von den zugehörigen Längsstegen (28) oder Querstegen (27) in Höhenrichtung (7) mechanisch beaufschlagt ist und die zugehörige Stirnseite (16) abdichtet.
Membranverbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querränder (14) in Querrichtung (5) und die Längsränder (15) in Längsrichtung (4) verlaufen.
Membranverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine obere Steg (18) und der zumindest eine untere Steg (19) jeweils als ein umlaufender Rahmen (29) ausgebildet sind, zwischen denen ein umlaufender Spalt (20) ausgebildet ist, der von der Stirnfläche (13) begrenzt ist.
Membranverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (21) umlaufend ausgebildet ist und die Stirnfläche (13) umlaufend abdichtet.
Membranverbund nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, - dass auf der vom Spalt (20) abgewandten Seite des jeweiligen oberen Längsstegs (18, 28a) ein Klebsteifen (37) angebracht ist, der sich entlang des oberen Längsstegs (18, 28a) erstreckt, wohingegen die vom Spalt (20) abgewandten Seiten der unteren Längsstege (19, 28b) frei von Klebestreifen (37) sind, und - dass auf der vom Spalt (20) abgewandten Seite des jeweiligen unteren Querstegs (19, 27b) jeweils ein Klebesteifen (37) angebracht ist, der sich entlang des unteren Querstegs (19, 27b) erstreckt, wohingegen die vom Spalt (20) abgewandten Seiten der oberen Querstege (18, 27a) frei von Klebstreifen (37) sind, oder - dass auf der vom Spalt (20) abgewandten Seite des jeweiligen unteren Längssteg (19, 28b) ein Klebsteifen (37) angebracht ist, der sich entlang des unteren Längsstegs (19, 28b) erstreckt, wohingegen die vom Spalt (20) abgewandten Seiten der oberen Längsstege (18, 28a) frei von Klebestreifen (37) sind, und - dass auf der vom Spalt (20) abgewandten Seite des jeweiligen oberen Querstegs (18, 27a) jeweils ein Klebsteifen (37) angebracht ist, der sich entlang des oberen Querstegs (18, 27a) erstreckt, wohingegen die vom Spalt (20) abgewandten Seiten der unteren Querstege (19, 27b) frei von Klebestreifen (37) sind.
Befeuchtungseinrichtung (2) zum Befeuchten von Luft, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (32), - wobei ein erster Strömungspfad (30) für Luft und ein zweiter Strömungspfad (31) für ein wasserhaltiges Gasgemisch durch die Befeuchtungseinrichtung (2) verlaufen, - mit zumindest zwei Membranverbunden (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche in Höhenrichtung (7) zueinander beabstandet angeordnet sind, so dass zwischen den in Höhenrichtung (7) aufeinanderfolgenden Membranverbunden (1) jeweils einer der Strömungspfade (30, 31) führt.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei der in Höhenrichtung (7) aufeinanderfolgenden Membranverbunden (1) ein Abstandshalter (34) angeordnet ist, durch welchen der zwischen den Membranverbunden (1) verlaufende Strömungspfad (30, 31) verläuft.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass der jeweilige zumindest eine Abstandshalter (34) zwei in Längsrichtung (4) oder in Querrichtung (5) gegenüberliegende und fluiddichte Halter (35) aufweist, die eine zwischen den Haltern (35) angeordnete Führungsstruktur (36) des Abstandshalters (34) zur Führung des zugehörigen Strömungspfads (30, 31) halten, - dass die Halter (35) auf der vom Spalt (20) angewandten Seite der zugehörigen Einfassungen (17) angeordnet und an den Einfassungen (17) befestigt sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, - dass die Befeuchtungseinrichtung (2) mehrere Membranverbunde (1) aufweist, die in Höhenrichtung (7) aufeinanderfolgend angeordnet sind, - dass zwischen den aufeinanderfolgenden Membranverbunden (1) abwechselnd ein Abstandshalter (34) mit zwei in Längsrichtung (4) gegenüberliegenden Haltern (35) und zwei in Querrichtung (5) gegenüberliegenden Haltern (35) angeordnet ist, - dass der jeweilige Halter (35) zwischen den Einfassungen (17) der zwei zugehörigen Membranverbunden (1) angeordnet ist, wobei zwischen dem jeweiligen Halter (35) und der jeweiligen Einfassung (17) ein den Halter (35) an der Einfassung (17) befestigender Klebestreifen (37) angeordnet ist, der sich entlang des Halters (35) erstreckt.