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Die Erfindung betrifft einen Befeuchter zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft mittels einer feuchten Kathoden-Abluft in einem Brennstoffzellensystem sowie ein solches Brennstoffzellensystem.
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Herkömmliche Einrichtungen zum Befeuchten eines Fluids, im Folgenden als Befeuchter bezeichnet, sind seit geraumer Zeit bekannt. Üblicherweise umfassen solche Befeuchter einen Membranstapel mit Membranen, welche für Gas undurchlässig und für Feuchtigkeit bzw. Wasser oder Wasserdampf durchlässig sind. Eine derart ausgebildete Membran des Membranstapels wird im Befeuchter jeweils auf einer Seite von einem zu befeuchtenden Gas und auf der anderen Seite von einem feuchten Gas überströmt. Die beiden Gase sind hierbei durch die Membran fluidisch voneinander getrennt. Somit kommt es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden den Befeuchter und den Membranstapel durchströmenden Gase. Allerdings kann die Feuchtigkeit des feuchteren Fluids durch die Membran treten und vom trockeneren Gas zu dessen Befeuchtung aufgenommen werden. Die Feuchtigkeit der beiden Gase gleicht sich folglich beim Durchströmen des Membranstapels an.
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Einsatz finden solche Befeuchter häufig in Brennstoffzellensystemen, wo eine trockene Kathoden-Zuluft befeuchtet werden muss, bevor diese der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kathoden-Zuluft ist zu befeuchten, um eine Austrocknung der typischerweise in einer Brennstoffzelle eingesetzten Polymerelektrolytmembranen zu vermeiden oder zumindest zu verzögern. Ein solches Austrocken, welches mittels des Befeuchters zu vermeiden ist, wirkt sich insbesondere auf die Haltbarkeit der Polymerelektrolytmembranen sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ aus.
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Aus der
DE 20 2013 003 566 U1 ist ein Befeuchter bekannt, welcher zur Befeuchtung von Prozessgasen für Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. Dieser Befeuchter umfasst eine wasserdurchlässige und im Wesentlichen gasundurchlässige Wassertransferschicht. Außerdem weist der Befeuchter eine zumindest bereichsweise wasser- und gasdurchlässige thermoplastische Schutzschicht auf. Die Wassertransferschicht ist durch ein Thermopressverfahren zu ihrer Ober- und Unterseite hin mit einer besagten thermoplastischen Schutzschicht fest verbunden, so dass ein dreischichtiges Sandwich ausgebildet wird. Die Wassertransferschicht und die Schutzschicht sind in einem Membranstapel sich zumindest teilweise gegenseitig überlappend angeordnet. Zum Befeuchten eines Prozessgases für eine Brennstoffzelle wird dieses Prozessgas auf einer Seite der Wassertransferschicht vorbeigeführt und ein weiteres feuchtes Gas auf der anderen Seite der Wassertransferschicht. Durch die Wassertransferschicht kann ein Feuchtigkeitsausgleich zwischen den beiden Gasen erfolgen, so dass sich die Feuchtigkeiten des Prozessgases sowie des zweiten Gases angleichen. Auf ein den Stapel einhausendes Gehäuse des Befeuchters ist dabei verzichtet.
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Als nachteilig bei einem solchen Befeuchter erweist es sich jedoch, dass der Membranstapel anfällig gegen mechanische Beschädigung von außen ist und dass die Membranen nicht ohne den Befeuchter komplett zu zerlegen ausgetauscht werden können, falls diese in ihrer Funktion beeinträchtigt oder beschädigt sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung - insbesondere im Hinblick auf die voranstehend aufgezeigten Nachteile - für Befeuchter sowie für Brennstoffzellensysteme mit einem solchen Befeuchter neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, einen Befeuchter zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft mittels einer feuchten Kathoden-Abluft mit einem einen Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäuse auszustatten, wobei in den Gehäuseinnenraum ein Membranstapel einschiebbar bzw. eingeschoben ist. Dabei sind im Gehäuseinnenraum zwischen Membranstapel und Gehäuse mehrere luftdicht voneinander getrennte Luftkammern vorhanden, über welche die Kathoden-Abluft bzw. -Zuluft dem Membranstapel zu seiner Durchströmung zugeführt bzw. vom Membranstapel nach seiner Durchströmung abgeführt werden kann. Der Membranstapel weist hierbei Führungsleisten auf, mittels welcher der Membranstapel am Gehäuse geführt ist.
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Vorteilhaft kann so der empfindliche Membranstapel mittels des Gehäuses vor mechanischer Beschädigung geschützt werden, wobei mittels der zwischen Membranstapel und Gehäuse im Gehäuseinnenraum ausgebildeten Luftkammern zugleich in technisch besonders einfach umzusetzende Weise die Kathoden-Abluft bzw. -Zuluft dem Membranstapel zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden kann. Die Führungsleisten des Membranstapels sorgen außerdem für einen verbesserten Zusammenhalt der Membranen des Membranstapels und andererseits für eine Begrenzung der Beweglichkeit des Membranstapels relativ zum Gehäuse. Dabei kann der Membranstapel mitsamt der Führungsleisten in vorteilhafterweise als Austauschbaugruppe realisiert werden, sodass im Falle einer Funktionsbeeinträchtigung oder eines Versagens einzelner oder aller Membranen des Membranstapels eine besonders schnelle Reparatur des Befeuchters durch Ersatz des gesamten Membranstapels erfolgen kann. Der ausgetauschte, defekte Membranstapel kann dann gesondert in Augenschein genommen und gegebenenfalls instandgesetzt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Befeuchter dient zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft mittels einer feuchten Kathoden-Abluft in einem Brennstoffzellensystem. Der Befeuchter umfasst ein einen Gehäuseinnenraum begrenzendes Gehäuse und einen, insbesondere quaderförmigen, sowohl von der Kathoden-Zuluft als auch der Kathoden-Abluft vermischungsfrei durchströmbaren Membranstapel. Dabei weist der Membranstapel zwei luftdicht ausgebildete und einander entlang einer Längsrichtung gegenüberliegende Stirnflächen und vier entlang einer senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Umfangsrichtung angeordnete Durchströmungsflächen auf. Der Membranstapel ist in den Gehäuseinnenraum so entlang der Längsrichtung einschiebbar oder eingeschoben, dass im Gehäuseinnenraum zwischen jeder Durchströmungsfläche des Membranstapels und dem Gehäuse jeweils eine Luftkammer zum Zuleiten oder Ableiten der Kathoden-Abluft oder der Kathoden-Zuluft zu/aus dem Membranstapel gebildet wird/ist.
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An wenigstens drei der Durchströmungsflächen ist erfindungsgemäß ein die betreffenden Durchströmungsfläche einfassender Dichtrahmen vorhanden, wobei mittels der Dichtrahmen je eine aller Durchströmungsflächen fluidisch mit einer der Luftkammern verbunden ist. Die Dichtrahmen können also ein direktes Strömen der Kathoden-Zuluft bzw. der Kathoden-Abluft von einer der Luftkammern in eine andere der Luftkammern unterbinden, sodass die Kathoden-Zuluft und die Kathoden-Abluft mittels der Dichtrahmen zur Durchströmung des Membranstapels gezwungen werden. Mit anderen Worten, ein jeweiliger Dichtrahmen unterbindet eine direkte Fluidverbindung zwischen zwei benachbarten Luftkammern. Es kann an jeder der vier Durchströmungsflächen ein solcher Dichtrahmen angeordnet sein. Dabei sind an entlang der Längsrichtung verlaufenden Längskanten des Membranstapels, welche von je zwei entlang der Umfangsrichtung benachbarten Durchströmungsflächen ausgebildet sind, sich entlang der Längsrichtung ersteckende Führungsleisten befestigt, die den Membranstapel entlang der Längsrichtung am Gehäuse führen.
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Wie bereits angesprochen lässt sich somit der empfindliche Membranstapel mittels des Gehäuses vor mechanischer Beschädigung schützen, wobei mittels der zwischen Membranstapel und Gehäuse im Gehäuseinnenraum ausgebildeten Luftkammern zugleich in technisch besonders einfach umzusetzende Weise die Kathoden-Abluft bzw. Zuluft dem Membranstapel zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden kann. Mittels der Führungsleisten des Membranstapels können dabei ein besonders stabiler Zusammenhalt der Membranen des Membranstapels und eine zuverlässige Begrenzung der Beweglichkeit des Membranstapels relativ zum erreicht werden. Die Dichtrahmen erlauben darüber hinaus eine besonders wirksame fluidische Trennung zwischen der Kathoden-Zuluft und der Kathoden-Abluft. Ferner baut ein solcher Befeuchter besonders kompakt.
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Zweckmäßig begrenzen die Führungsleisten eine Dichtungsverpressung der Dichtrahmen gegen das Gehäuse. Dies bedeutet, dass die Führungsleisten eine Verformung der Dichtrahmen, insbesondere eine Stauchung der Dichtrahmen senkrecht zur jeweiligen Durchströmungsfläche, limitieren. Mittels einer solchen Begrenzung der Dichtungsverpressung kann vorteilhaft eine zu starke Verformung des Dichtrahmens vermieden werden, die andernfalls zu einer Beschädigung des Dichtrahmens und einer damit einhergehenden Leckage führen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Befeuchters weist das Gehäuse eine innenliegende Stützstruktur auf, an welcher der Membranstapel geführt ist. Die Dichtrahmen sind zwischen den jeweiligen Durchströmungsflächen des Membranstapels und der Stützstruktur des Gehäuses beidseits anliegend und die Luftkammern gegeneinander abdichtend angeordnet. Die Führungsleisten sind je in einem entlang der Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Luftkammern vorhandenen Innenkantenkantenbereich der Stützstruktur angeordnet. Damit lässt sich eine Positionierung des Membranstapels relativ zum Gehäuse besonders präzise festlegen und sicherstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters weisen die Führungsleisten ein entlang der Längsrichtung ausgetragenes Profil auf. Das Profil umfasst zwei (erste) Schenkel, die mittels eines Kerns der Führungsleiste miteinander verbunden sind und die einen, vorzugsweise rechten, Innenwinkel einschließen, in welchem die der Führungsleiste zugeordnete Längskante des Membranstapels aufgenommen ist. Dabei liegt je einer der beiden (ersten) Schenkel an einer der beiden die betreffende Längskante ausbildenden benachbarten Durchströmungsflächen an. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige Befestigung der Führungsleisten am Membranstapel, insbesondere mittels Klebens.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters ist im Profil wenigstens einer, vorzugsweise jeder, der Führungsleisten den beiden (ersten) Schenkeln abgewandt ein (erster) Fortsatz dieser Führungsleiste vorhanden, der dem Innenwinkel der (ersten) Schenkel abgewandt vom Kern absteht. Damit kann die Beweglichkeit des Membranstapels quer zur Längsrichtung relativ zum Gehäuse mit besonders geringem Materialeinsatz der Führungsleisten begrenzt werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Befeuchters stützt sich der (erste) Fortsatz an einer im Innenkantenbereich vorhandenen Innenkante der Stützstruktur ab. Vorteilhaft kann so sowohl ein Verdrehen des Membranstapels relativ zum Gehäuse als auch gegen Verschieben relativ zum Gehäuse quer zur Längsrichtung verhindert bzw. begrenzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Befeuchters sieht vor, dass der (erste) Fortsatz sich in Verlängerung einer Winkelhalbierenden des Innenwinkels erstreckt. Alternativ ist der (erste) Fortsatz gegenüber der Winkelhalbierenden, insbesondere unter einem spitzen Winkel von 15°, angestellt. Im ersten Fall muss so bei der Montage der Führungsleisten am Membranstapel keine Ausrichtung der Führungsleisten berücksichtigt werden, wenn die Innenkante des Membranstapels in dem Innenwinkel angeordnet wird. Im zweiten Fall kann durch das Anstellen des (ersten) Fortsatzes eine Vorzugsverformungsrichtung des (ersten) Fortsatzes festgelegt werden, in welcher sich besagter Fortsatz unter geringerem Kraftaufwand verformen kann als quer zu dieser Vorzugsverformungsrichtung. Damit lassen sich Schwingungen des Membranstapels relativ zum Gehäuse in der Vorzugsverformungsrichtung besonders gut und sanft abfedern.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Befeuchters ist im Profil wenigstens einer, vorzugsweise jeder, der Führungsleisten den beiden (ersten) Schenkeln abgewandt ein zweiter Fortsatz dieser Führungsleiste vorhanden, der dem Innenwinkel der (ersten) Schenkel abgewandt vom Kern absteht. Die beiden Fortsätze stützen sich im Innenkantenbereich beidseits der Innenkante an der Stützstruktur ab. Dabei ist der zweite Fortsatz gegenüber dem ersten Fortsatz, insbesondere unter einem spitzen Winkel von 30°, angestellt. Damit lässt sich eine quer zur Längsrichtung allseits wirkende Abfederung des Membranstapels erzielen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters ist vorgesehen, dass im Profil wenigstens einer, vorzugsweise jeder, der Führungsleisten zwei zweite Schenkel vorhanden sind, die dem Innenwinkel der ersten Schenkel abgewandt vom Kern abstehen. Dabei erstreckt sich je einer der zweiten Schenkel in Verlängerung eines der beiden ersten Schenkel. Solche zweite Schenkel erlauben eine besonders präzise Führung des Membranstapels am Gehäuse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Befeuchters bilden die ersten und die zweiten Schenkel im Profil eine Kreuzgeometrie. Dabei stützen sich die beiden zweiten Schenkel im Innenkantenbereich beidseits der Innenkante an der Stützstruktur ab. Eine Führungsleiste mit einer solchen Kreuzgeometrie ist besonders kostengünstig herstellbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters ist wenigstens eine, vorzugsweise jede, der Führungsleisten dem Membranstapel abgewandt und dem Gehäuse zugewandt an wenigstens einem, vorzugsweise an beiden, ihrer Längsenden angefast. Damit lassen sich vorteilhaft Einführschrägen des Membranstapels realisieren, die das Einschieben des Membranstapels in den Gehäuseinnenraum vereinfachen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Befeuchters ist das Gehäuse topfartig mit einem Topfboden und mit einem entlang der Längsrichtung vom Topfboden abstehenden Topfkragen ausgebildet. Dabei weisen - in einem Schnitt senkrecht zur Längsrichtung - der Topfkragen eine Ellipsenring-Geometrie, insbesondere eine Kreisring-Geometrie, und der Gehäuseinnenraum eine von der Ellipsenring-Geometrie passgenau eingefasste Ellipsen-Geometrie, insbesondere Kreis-Geometrie, auf. Im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung weist der Membranstapel eine Parallelogramm-Geometrie, vorzugsweise Rechteck-Geometrie, besonders bevorzugt Quadrat-Geometrie, auf, die von der Ellipsen-Geometrie des Gehäuseinnenraums einbeschrieben ist. Dabei umfassen die im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung von der Parallelogramm-Geometrie nicht überdeckten Bereiche der Ellipsen-Geometrie die Luftkammern. Ein derart weitergebildeter Befeuchter baut besonders kompakt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters fasst der Topfkragen dem Topfboden abgewandt eine Topföffnung ein. Diese Topföffnung ist fluiddicht mittels eines Deckels lösbar verschlossen oder verschließbar, wobei bevorzugt zwischen Deckel und Topfkragen eine Dichtung vorhanden ist. Zwischen Deckel und Topfboden sind der Membranstapel und ein Vorspannelement angeordnet, das den Membranstapel bei mittels des Deckels verschlossener Topföffnung entlang der Längsrichtung vorspannt, insbesondere komprimiert. Das Vorspannelement dient vorteilhaft auch zum Abfedern von Schwingungen des Membranstapels entlang der Längsrichtung relativ zum Gehäuse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Kathoden-Zuluft-Einlass und einen Kathoden-Zuluft-Auslass sowie einen Kathoden-Abluft-Einlass und einen Kathoden-Abluft-Auslass aufweist. Dabei ist je einer der vier Zu- bzw. Auslässe des Gehäuses fluidisch direkt mit einer der Luftkammern verbunden. Kathoden-Zuluft-Einlass und Kathoden-Zuluft-Auslass sind über einen von den zugehörigen Luftkammern und dem Membranstapel ausgebildeten ersten Luftpfad fluidisch kommunizierend miteinander verbunden. Dabei sind der Kathoden-Abluft-Einlass und der Kathoden-Abluft-Auslass über einen von den zugehörigen Luftkammern und dem Membranstapel ausgebildeten zweiten Luftpfad fluidisch kommunizierend miteinander verbunden. Die beiden Luftpfade sind so voneinander getrennt, dass die Kathoden-Zuluft mittels der Kathoden-Abluft im Membranstapel ohne Vermischung der Kathoden-Zuluft und der Kathoden-Abluft befeuchtet werden kann oder wird. Dies erlaubt eine besonders gute Befeuchtung der trockenen Kathoden-Zuluft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchters ist eine senkrecht zu einer jeweiligen Durchströmungsfläche von dieser weg gemessene Höhe des an dieser Durchströmungsfläche anliegenden Dichtrahmens größer als eine parallel zur Höhe von derselben Durchströmungsfläche weg gemessene Erstreckung der an dieser Durchströmungsfläche befestigten Führungsleiste(n). Vorteilhaft kann so mittels der Führungsleisten eine maximale Deformation der Dichtrahmen begrenzt werden. Dies gilt insbesondere, wenn der Membranstapel relativ zum Gehäuse in Schwingung versetzt ist. Zugleich wird damit aber auch sichergestellt, dass eine gewisse Deformation der Dichtrahmen für alle Dichtrahmen stets vorhanden ist, wie eine solche Deformation der Dichtrahmen zur wirksamen Abdichtung der Luftkammern gegeneinander per se erforderlich ist. Mit anderen Worten kann somit also vermieden werden, dass einzelne der Dichtrahmen so stark deformiert werden, dass es zu einem Abheben des gegenüberliegenden Dichtrahmens und einer damit einhergehenden Leckage kommen kann.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, das eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung umfasst, wobei infolge dieser kalten Verbrennung an einer Kathode der Brennstoffzelle feuchte Kathoden-Abluft erzeugt wird. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen der voranstehenden Beschreibung entsprechenden erfindungsgemäßen Befeuchter, der mit der feuchten Kathoden-Abluft zum Befeuchten trockener Kathoden-Zuluft versorgbar ist. Die befeuchtete Kathoden-Zuluft kann dann der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Die voranstehend aufgezeigten Vorteile des erfindungsgemäßen Befeuchters übertragen sich auch auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter.
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Im Kern zusammenfassend:
- Die Erfindung betrifft einen Befeuchter zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft mittels einer feuchten Kathoden-Abluft, mit einem einen Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäuse und mit einem durchströmbaren Membranstapel , wobei der Membranstapel vier umlaufend angeordnete Durchströmungsflächen aufweist, wobei der Membranstapel in den Gehäuseinnenraum so eingeschoben ist, dass im Gehäuseinnenraum zwischen jeder Durchströmungsfläche des Membranstapels und dem Gehäuse jeweils eine Luftkammer zum Zuleiten oder Ableiten der Kathoden-Abluft oder der Kathoden-Zuluft zu/aus dem Membranstapel gebildet ist, wobei an wenigstens drei der Durchströmungsflächen jeweils ein die betreffenden Durchströmungsfläche einfassender Dichtrahmen vorhanden ist, wobei die Dichtrahmen die Luftkammern luftdicht voneinander trennen, wobei an Längskanten des Membranstapels Führungsleisten befestigt sind, die den Membranstapel am Gehäuse führen.
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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 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Befeuchters,
- 2 in einer Perspektivendarstellung das Beispiel der 1 mit abgenommenem Deckel,
- 3 in einem Schnitt senkrecht zu einer Längsrichtung das Beispiel der 1 und 2,
- 4 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Membranstapels für den Befeuchter der 1-3,
- 5 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Gehäuses für den Befeuchter der 1-3,
- 6A-6H in eine Führungsleiste einhaltenden Teilschnitten senkrecht zur Längsrichtung verschiedene Beispiele des erfindungsgemäßen Befeuchters.
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In der 1 ist in einer perspektivischen Darstellung ein erfindungsgemäßer Befeuchter 1 gezeigt, der zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft LZ mittels einer feuchten Kathoden-Abluft LA eingerichtet ist. Der Befeuchter 1 kann Bestandteil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sein, das in den Figuren aber nicht gezeigt ist. Ein solches erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst beispielsweise eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung. Dabei wird infolge der kalten Verbrennung an einer Kathode der Brennstoffzelle feuchte Kathoden-Abluft LA erzeugt. Dabei ist der Befeuchter 1 im Brennstoffzellensystem zum Befeuchten trockener Kathoden-Zuluft LZ mit der feuchten Kathoden-Abluft LA versorgbar, wobei diese Kathoden-Zuluft LZ nach ihrer Befeuchtung mittels des Befeuchters 1 der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden kann.
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Die 2 illustriert das Beispiel der 1 in einer anderen perspektivischen Darstellung, wobei im Vergleich zur 1 ein Deckel 34 des Befeuchters 1 von einem Gehäuse 3 des Befeuchters 1 abgenommen ist. Das Gehäuse 3 begrenzt einen Gehäuseinnenraum 2. Das Gehäuse 3 kann aus Kunststoff bestehen. Der Befeuchter 1 umfasst einen Membranstapel 4, der beispielsweise quaderförmige ausgebildet ist. Der Membranstapel 4 ist sowohl von der Kathoden-Zuluft LZ als auch von der Kathoden-Abluft LA vermischungsfrei durchströmbar, wobei beim Durchströmen des Membranstapels 4 mit Kathoden-Zuluft LZ und Kathoden-Abluft LA Feuchtigkeit von der feuchten Kathoden-Abluft LA an die trockenen Kathoden-Zuluft LZ übertragen werden kann, sodass die Kathoden-Zuluft LZ nach dem Durchströmen des Membranstapels 4 befeuchtet ist. Der Membranstapel 4 kann mehrere luftundurchlässige aber feuchtigkeitsdurchlässige Flach- oder Holmembranen oder sonstige Membranen umfassen.
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In der 4 ist in einer perspektivischen Darstellung der Membranstapel 4 des Befeuchters 1 der 1 und 2 gesondert, d. h. ohne Gehäuse 3, dargestellt. Demnach weist der Membranstapel 4 zwei luftdicht ausgebildete und einander entlang einer Längsrichtung L gegenüberliegende Stirnflächen 5 auf. Außerdem weist der Membranstapel 4 vier entlang einer senkrecht zur Längsrichtung L verlaufenden Umfangsrichtung U angeordnete Durchströmungsflächen 6 auf. An diesen Durchströmungsflächen 6 bzw. durch diese Durchströmungsflächen 6 können die Kathoden-Abluft LA und die Kathoden Zuluft LZ den Membranstapel 4 durchströmen.
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Die 3 zeigt den Befeuchter 1 der 1 und 2 in einem Schnitt 25 senkrecht zur Längsrichtung L. Gemäß den 2 und 3 ist der Membranstapel 4 in den Gehäuseinnenraum 2 entlang der Längsrichtung L eingeschoben. Dabei ist der Membranstapel 4 in den Gehäuseinnenraum 2 derart eingeschoben, dass im Gehäuseinnenraum 2 zwischen jeder Durchströmungsfläche 6 des Membranstapels 4 und dem Gehäuse 3 jeweils eine Luftkammer 7 zum Zu- oder Ableiten der Kathoden-Abluft LA oder der Kathoden-Zuluft LZ zu bzw. aus dem Membranstapel 4 gebildet ist.
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Anhand der 1 bis 4 ist erkennbar, dass an wenigstens drei - im gezeigten Beispiel an genau drei - der Durchströmungsflächen 6 jeweils ein Dichtrahmen 8 vorhanden ist, der die betreffende Durchströmungsfläche 6 einfasst. Der Dichtrahmen 8 kann am Membranstapel 4 oder am Gehäuse 3 befestigt sein, wobei eine Befestigung an dem jeweils anderen Dichtpartner nicht vorgesehen ist, um die Einschiebbarkeit des Membranstapels 4 in den Gehäuseinnenraum 2 zu erlauben. Mittels der Dichtrahmen 8 ist je eine aller Durchströmungsflächen 6 fluidisch mit einer der Luftkammern 7 verbunden. Die Dichtrahmen 8 verhindern also ein direktes Strömen der Kathoden-Zuluft LZ bzw. Kathoden-Abluft LA von einer der der Luftkammern 7 in eine andere der Luftkammern 7, ohne dass der Membranstapel 4 durchströmt wird. Der Membranstapel 4 weist entlang der Längsrichtung L verlaufenden Längskanten 9 auf, welche von je zwei entlang der Umfangsrichtung U direkt benachbarten Durchströmungsflächen 6 ausgebildet sind. Im Beispiel der 1-4 sind vier solcher Längskanten 9 vorhanden. An den Längskanten 9 sind Führungsleisten 10 befestigt, die sich entlang der Längsrichtung L erstrecken. Beispielsweise ist an jeder Längskanten 9 eine solche Führungsleiste 10 befestigt, sodass im Beispiel der 1 bis 4 insgesamt vier Führungsleisten 10 vorhanden sind. Mittels der Führungsleisten 10 ist der Membranstapel 4 entlang der Längsrichtung L am Gehäuse 3 geführt, sodass der Membranstapel 4 mitsamt seiner Führungsleisten 10 entlang der Längsrichtung L in den Gehäuseinnenraum 2 eingeschoben werden kann bzw. in den 1-3 eingeschoben ist. Die Führungsleisten 10 begrenzen beispielsweise eine Dichtungsverpressung der Dichtrahmen 8 gegen das Gehäuse 3. Dies bedeutet, dass die Führungsleisten 10 eine Verformung der Dichtrahmen 8, insbesondere eine Stauchung der Dichtrahmen 8 senkrecht zur jeweiligen Durchströmungsfläche 6, limitieren.
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In der 5 ist das Gehäuse 3 des Befeuchters 1 der 1-3 gesondert, d. h. mit abgenommenem Deckel 34 und mit herausgenommenem Membranstapel 4, gezeigt. Die 2, 3 und 5 lassen erkennen, dass das Gehäuse 3 eine innenliegende Stützstruktur 11 aufweist. An dieser Stützstruktur 11 ist der Membranstapel 4 mittels seiner Führungsleisten 10 geführt. Die Dichtrahmen 8 sind zwischen den jeweiligen Durchströmungsflächen 6 des Membranstapels 4 und der Stützstruktur 11 des Gehäuses 3 beidseits anliegend und die Luftkammern 7 gegeneinander abdichtend angeordnet (vergleiche vor 2 und 3). Zwischen zwei entlang der Umfangsrichtung U direkt benachbarten Luftkammern 7 ist ein Innenkantenbereich 12 der Stützstruktur 11 vorhanden. In diesem Innenkantenbereich 12 sind die Führungsleisten 10 geführt bzw. angeordnet.
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Die 6A bis 6H veranschaulichen jeweils in einem eine der Führungsleisten 10 enthaltenden Teilschnitt senkrecht zur Längsrichtung L unterschiedliche Beispiele des erfindungsgemäßen Befeuchters 1, der sich vom Beispiel der 1-5 in einer Ausgestaltung eines entlang der Längsrichtung L ausgetragenen Profils 13 der Führungsleisten 10 unterscheidet.
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Dabei lassen die 2 sowie 6B bis 6H erkennen, dass das Profil 3 der Führungsleisten 10 zwei erste Schenkel 14 aufweist, die mittels eines Kerns 15 der Führungsleiste 10 miteinander verbunden sind. Die beiden ersten Schenkel 14 schließen einen Innenwinkel α ein, der in den Beispielen der 2 sowie 6B bis 6H 90° beträgt. In diesem Innenwinkel α der beiden ersten Schenkel 14 ist jeweils die der Führungsleiste 10 zugeordnete Längskante 9 des Membranstapels 4 aufgenommen. Dabei liegt je einer der beiden ersten Schenkel 14 an einer der beiden Durchströmungsflächen 6 an, die gemeinsam die betreffende Längskante 9 ausbilden.
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Gemäß den 6B bis 6H ist im Profil 13 wenigstens einer, beispielsweise jeder, der Führungsleisten 10 den beiden ersten Schenkel 14 abgewandt ein erster Fortsatz 17 dieser Führungsleiste 10 vorhanden. Der erste Fortsatz 17 steht dem Innenwinkel α abgewandt vom Kern 15 des Profils 13 ab. Es ist ferner erkennbar, dass der erste Fortsatz 17 sich an einer im Innenkantenbereich 12 vorhandenen Innenkante 18 der Stützstruktur 11 abstützt.
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Den Beispielen der 6B und 6C entsprechend erstreckt sich der erste Fortsatz 17 in Verlängerung einer Winkelhalbierenden W des Innenwinkels α, d. h. der erste Fortsatz 17 verläuft auf der Winkelhalbierenden W. Demgegenüber ist der erste Fortsatz 17 bei den Beispielen der 6D bis 6H gegenüber der Winkelhalbierenden W des Innenwinkels α angestellt. Beispielsweise ist der erste Fortsatz 17 gegenüber der Winkelhalbierenden W unter einem spitzen Winkel β von 15° angestellt.
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Beim Beispiel der 6D ist im Profil 13 wenigstens einer, beispielsweise jeder, der Führungsleisten 10 den beiden ersten Schenkeln 14 bzw. deren Innenwinkel α abgewandt ein zweiter Fortsatz 19 der betreffenden Führungsleiste 10 vorhanden. Der zweite Fortsatz 19 steht dem Innenwinkel α abgewandt vom Kern 15 der jeweiligen Profilleisten 10 ab. Dabei ist der zweite Fortsatz 19 gegenüber dem ersten Fortsatz 17 im Profil 13 angestellt, beispielsweise unter einem spitzen Winkel γ von 30°. Die beiden Fortsätze 17, 19 stützen sich im Innenkantenbereich 12 beidseits der Innenkante 18 an der Stützstruktur 11 ab. Die Winkelhalbierende W kann bei diesem Beispiel eine Symmetrielinie bilden, zu welcher das Profil 13 spiegelsymmetrisch ist.
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Gemäß den Beispielen der 3, 4 sowie 6C und 6E bis 6G sind im Profil 13 wenigstens einer, beispielsweise jeder, der Führungsleisten 10 zwei zweite Schenkel 20 vorhanden. Diese beiden zweiten Schenkel 20 stehen dem Innenwinkel α der ersten Schenkel 14 abgewandt vom Kern 15 ab. Dabei erstreckt sich je einer dieser zweiten Schenkel 20 in Verlängerung eines der beiden ersten Schenkel 14. Die ersten und die zweiten Schenkel 14, 20 bilden im Profil 13 beispielsweise eine Kreuzgeometrie aus. Die beiden zweiten Schenkel 20 stützen sich beispielsweise im Innenkantenbereich 12 beidseits der Innenkante 18 an der Stützstruktur 11 ab.
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6A zeigt, dass die Führungsleiste 10 beispielsweise auch ausschließlich den ersten Fortsatz 17 umfassen bzw. aus dem ersten Fortsatz 17 bestehen kann, wobei auf erste bzw. zweite Schenkel 14, 20 verzichtet ist. Es ist auch denkbar, das Profil 13 mit einem ersten und einem zweiten Fortsatz 17, 19 zu realisieren, die V-förmig angeordnet sind, wobei auf erste bzw. zweite Schenkel 14, 20 verzichtet ist.
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Anhand der 4 ist erkennbar, dass wenigstens eine - im Beispiel der 4 jede - der Führungsleisten 10 dem Membranstapel 4 abgewandt und dem Gehäuse 3 (vgl. hierzu 3) zugewandt an wenigstens einem, insbesondere an beiden, ihrer Längsenden 22 angefast ist. Damit können Einführschrägen des Membranstapels 4 für das Einschieben des Membranstapels 4 in den Gehäuseinnenraum 2 des Gehäuses 3 realisiert werden.
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Gemäß den 1, 2, 3 und 5 ist das Gehäuse 3 topfartig ausgebildet. Demnach umfasst das Gehäuse 3 einen Topfboden 23 und einen entlang der Längsrichtung L vom Topfboden 23 abstehenden Topfkragen 24. In dem Schnitt 25 senkrecht zur Längsrichtung L (gezeigt in 3) weist der Topfkragen 24 eine Ellipsenring-Geometrie 26 auf. Im Beispiel der 3 weist der Topfkragen 24 im Schnitt 25 eine Kreisring-Geometrie 27 auf. Der Gehäuseinnenraum 2 weist eine Ellipsen-Geometrie 28 - im Beispiel der 3 eine Kreis-Geometrie 29 - auf, die von der Ellipsenring-Geometrie 26 des Topfkragen 24 passgenau eingefasst ist. Der Membranstapel 4 weist im Schnitt 25 eine Parallelogramm-Geometrie 30 auf. Die Parallelogramm-Geometrie 30 kann eine Rechteck-Geometrie 31 sein. Die Rechteckgeometrie 31 kann eine Quadrat-Geometrie 32 sein. Im Beispiel der 3 ist die Parallelogramm-Geometrie 30 des Membranstapels 4 als Quadrat-Geometrie 32 umgesetzt. Die Parallelogramm-Geometrie 30 des Membranstapels 4 ist im Schnitt 25 von der Ellipsen-Geometrie 28 des Gehäuseinnenraums 2 einbeschrieben. Dabei umfassen jene Bereiche der Ellipsen-Geometrie 28 des Gehäuseinnenraums 2, die im Schnitt 25 nicht von der Parallelogramm-Geometrie 30 des Membranstapels 4 überdeckt sind, die Luftkammern 7.
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Die 1 und 2 lassen ferner erkennen, dass der Topfkragen 24 dem Topfboden 23 abgewandt eine Topföffnung 33 einfasst. Diese Topföffnung 33 ist fluiddicht mittels des Deckels 34 lösbar verschlossen (siehe 1) oder verschließbar (ausgehend von 2). Dabei ist beispielsweise zwischen Deckel 34 und Topfkragen 24 eine Dichtung 35 vorhanden. Zwischen Deckel 34 und Topfboden 23 sind - bei geschlossenem Deckel 34 - der Membranstapels 4 und ein Vorspannelement 36 angeordnet. Dieses Vorspannelement 36 spannt den Membranstapel 4 bei mittels des Deckels 34 verschlossener Topföffnung 33 entlang der Längsrichtung L vor. Beispielsweise komprimiert das Vorspannelement 36 den Membranstapel 4 entlang der Längsrichtung L.
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Dem Beispiel der 1 bis 3 entsprechend weist das Gehäuse 3 einen Kathoden-Zuluft-Einlass 37 sowie einen Kathoden-Zuluft-Auslass 38 auf. Das Gehäuse 3 umfasst außerdem einen Kathoden-Abluft-Einlass 39 und einen Kathoden-Abluft-Auslass 40. Je einer dieser vier Zu- bzw. Auslässe 37, 38, 39, 40 des Gehäuses 3 ist fluidisch direkt mit einer der Luftkammern 7 verbunden, d.h. die Zu- bzw. Auslässe 37, 38, 39, 40 münden jeweils in eine (ausschließlich) ihnen zugeordnete der Luftkammern 7. Dabei kommunizieren der Kathoden-Zuluft-Einlass 37 und der Kathoden-Zuluft-Auslass 38 über einen von den zugehörigen Luftkammern 7 und dem Membranstapel 4 ausgebildeten ersten Luftpfad fluidisch miteinander. Der Kathoden-Abluft-Einlass 39 und der Kathoden-Abluft-Auslass 40 kommunizieren über einen von den zugehörigen Luftkammern 7 und dem Membranstapel 4 ausgebildeten zweiten Luftpfad fluidisch miteinander. Dabei sind diese beiden Luftpfade derart voneinander getrennt, dass die Kathoden-Zuluft LZ mittels der Kathoden-Abluft LA im Membranstapel 4 ohne Vermischung der Kathoden-Zuluft LZ und der Kathoden-Abluft LA befeuchtet werden kann bzw. befeuchtet wird.
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Gemäß den Beispielen der 2, 3, 4 sowie 6A bis 6H weisen die Dichtrahmen 8 jeweils eine senkrecht zu der Durchströmungsfläche 6, an welcher der betreffende Dichtrahmen 8 vorhanden ist, weg gemessene Höhe auf. Diese Höhe des jeweiligen Dichtrahmens 8 ist dabei beispielsweise größer als eine parallel zur Höhe von derselben Durchströmungsfläche 6 weg gemessene Erstreckung der an dieser Durchströmungsfläche 6 befestigten Führungsleiste(n) 10. Mit anderen Worten können die Dichtrahmen 8 also die Führungsleisten 10 nach außen hin überragen.
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Der Membranstapel 4 bzw. seine Führungsleisten 10 können gegenüber dem Gehäuseinnenraum 2 bzw. der Stützstruktur 11 mit einem Übermaß realisiert sein, sodass der Membranstapel 4 in der Art einer Presspassung im Gehäuseinnenraum aufgenommen bzw. aufnehmbar ist. Die Führungsleisten 10 können elastisch verformbar ausgebildet sein. Die Fortsätze 17, 19 oder/und die zweiten Schenkel 20 des Profils 13 der Führungsleisten 10 können quer zur Längsrichtung L verformbar, beispielsweise stauchbar, ausgebildet sein, sodass bei vorliegender elastische Verformung der Fortsätze 17, 19 oder/und der zweiten Schenkel 20 des Profils 13 eine Vorspannung des Membranstapels 4 quer zur Längsrichtung L erzeugt wird. Die Dichtrahmen 8 können an der Führungsleiste 10, beispielsweise an den zweiten Schenkeln 20 abgestützt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202013003566 U1 [0004]
