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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Austausch von Feuchtigkeit, insbesondere Wasser oder Wasserdampf,
zwischen einem feuchten und einem trockenen Gasstrom, nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Aus dem Bereich der Belüftungstechnik
sind Vorrichtungen zum Konditionieren von Gasen bekannt, bei welchen über Membranen
ein Austausch von Feuchtigkeit zwischen den Gasen stattfindet. Hierzu
sei beispielsweise auf die
DE
195 45 335 A1 verwiesen. Die Membranen sind dabei flächig ausgebildet
und weisen den Nachteil auf, daß vergleichsweise
große
Flächen
für den
Austausch der Feuchtigkeit benötigt
werden.
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In der
DE 100 45 482 A1 sowie
der
DE 100 59 910
A1 sind darüber
hinaus für
den o.g. Einsatzzweck Hohlfasern als Membranen beschrieben, welche
den Vorteil sehr viel größerer Oberflächen im
Vergleich zu flächigen
Membranen bieten. Derartige Aufbauten lassen sich daher weitaus
kleiner bauen, bei vergleichbarer Austauschleistung.
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Üblicherweise
sind derartige Aufbauten so ausgebildet, daß die Hohlfasern zu einem Bündel zusammengefaßt sind,
welches einen von einem der Gasströme durchströmten Raum durchdringt. Die
Hohlfasern selbst sind gegenüber
diesem Raum abgedichtet und werden ihrerseits von dem anderen der
Gasströme durchströmt. Bei
einem vergleichsweise kleinen Aufbau läßt sich so ein Modul für den Feuchtigkeitsaustausch bauen,
welches relativ große
Mengen an Feuchtigkeit zwischen relativ großen Volumenströmen des
Gases austauschen kann.
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Bei üblichen Aufbauten, welche z.B.
Massenströme
in der Größenordnung
von mehr als 100 kg/h aufnehmen können, stellt sich hier jedoch
der massive Nachteil ein, daß die
einzelnen Hohlfasern ungleichmäßig von
dem in dem Raum befindlichen Gasstrom angeströmt werden. So wird beispielsweise
in den außen
im Bündel
liegenden Hohlfasern eine weitaus größere Menge an Feuchtigkeit
ausgetauscht als in den weiter innen liegenden Hohlfasern. Da sich
der durch die Hohlfasern strömende
Gasanteil nicht zwischen den einzelnen Hohlfasern austauschen kann,
kommt es so zu einer sehr ungleichmäßigen Trocknung bzw. Befeuchtung des
entsprechenden Gasstroms. Wird ein derartig aufgebautes Modul nun
als Wasserrückgewinnungsmodul eingesetzt,
so ist in nachteiliger weise entweder ein vergrößertes Bauvolumen notwendig
oder es kann nur eine Teil des Wassers zurückgewonnen werden.
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Außerdem kennt der Stand der
Technik aus der
US 6,007,931 derartige,
auf Basis einer Membran arbeitende Befeuchtungsmodule zur Befeuchtung
eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms einerseits
und zur Wasserrückgewinnung
aus einem feuchten Abgasstrom der Brennstoffzelle andererseits.
Neben einer möglichst
homogenen Befeuchtung, welche die Polymerelektrolytmembran der üblicherweise
eingesetzten Brennstoffzellen zum reibungslosen Betrieb der Brennstoffzelle
benötigt,
spielt hierbei auch die möglichst vollständige Rückgewinnung
des Wassers aus dem Abgas eine entscheidende Rolle, da insbesondere
bei mobilen Systemen auf ein Nachtanken von Wasser verzichtet werden
soll.
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Die Aufbauten der o.g. Art können die
Anforderungen an derartige Wasserrückgewinnungs- bzw. Befeuchtungsmodule
also nicht oder nur unzureichend erfüllen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ergibt sich für
die vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Austauschen
von Feuchtigkeit zwischen zwei Gasströmen zu schaffen, welche die
o.g. Nachteile vermeidet, und welche eine zumindest annähernd homogene
Befeuchtung des einen Gasstroms bei weitgehend homogener und nahezu
vollständiger
Trocknung des anderen Gasstroms ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die Anordnung der Hohlfasern
in dem Raum derart, daß in
einigen Bereichen jeweils mehrere Hohlfasern angeordnet sind und
andere Bereiche frei von Hohlfasern sind, ergeben sich verbesserte
Möglichkeit
für die
Anströmung
der einzelnen Hohlfasern durch den in dem Raum strömenden Gasstrom.
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Jede einzelne der Hohlfasern wird
damit besser ausgenutzt. Die Homogenität der Feuchtigkeitsübertragung
und die übertragenen
Menge an Feuchtigkeit je Volumenstrom der Gase läßt sich damit in vorteilhafter Weise
verbessern. Insgesamt kann bei gleicher Befeuchtung damit auch die
Größe der Vorrichtung
verringert werden. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen
ein entscheidender Vorteil, insbesondere hinsichtlich erleichtertem
Packaging, Gewichteinsparungen und dergleichen.
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Gemäß einer sehr günstigen
Weiterbildung der Erfindung ist jeweils eine Vielzahl von Hohlfasern
zu einer Schicht mit einer Dicke von mehreren Hohlfasern zusammengefaßt, wobei
in dem Raum wenigstens zwei Schichten abwechselnd mit von Hohlfasern
freien Bereichen angeordnet sind.
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Diese Schichten in der Dicke von
jeweils mehreren Hohlfasern können
so von dem in dem Raum befindlichen Gasstrom von beiden Seiten der
Schicht angeströmt
werden. Bei entsprechend lockerer Anordnung der Hohlfasern in der
Schicht entsteht so die Möglichkeit,
daß annähernd alle
Hohlfasern gleichmäßig angeströmt werden.
Die Schichten können
jeweils abwechselnd mit freien Bereichen in verschiedensten Formen angeordnet
werden, so daß unter
Wahrung der o.g. Vorteile sehr flexible Aufbauten der Vorrichtung
möglich werden.
Die Schichten können
dabei aus nebeneinander gelegten einzelnen Hohlfasern oder aus nebeneinander
gelegten Hohlfaserbündeln
bestehen. Auch ein verweben der Fasern einer Schicht untereinander
ist denkbar.
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In einer sehr vorteilhaften weiteren
Ausgestaltung dieser Ausführung
der Erfindung sind zumindest in einem Teil der von den Hohlfasern
freien Bereiche von dem Gas durchströmbare Abstandskalter angeordnet.
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Als Abstandskalter könnten beispielsweise
Drahtgestricke oder im Querschnitt sägezahnartig oder wellenförmig ausgebildete
Platten oder dergleichen dienen. Sie ermöglichen, abwechselnd mit den
Schichten gestapelt, einen sehr einfachen und effizienten Aufbau
der Vorrichtung, da die Bereiche der Abstandshalter ohne weitere
Maßnahmen
immer von den in dem Raum strömenden
Gas, in zumindest einer Richtung, durchströmbar bleiben. Die homogene
Anströmung
der Schichten und damit der Hohlfasern kann also auch bei minimiertem
Montageaufwand leicht sichergestellt werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung sind die Schichten und die freien Bereiche jeweils
flächig
ausgebildet und abwechselnd in einem wenigstens annähernd rechteckigen
Raum angeordnet.
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Die Vorrichtung erhält dadurch
einen modularen Aufbau, vergleichbar zu dem eines Plattenreaktors bzw.
Plattenwärmetauschers.
Sie kann in besonders vorteilhafter Weise durch eine Änderung
der Anzahl an Schichten an die gegebenen Verhältnisse angepaßt werden,
so daß mit
nur einem Bauprinzip und vergleichbaren bzw. zumindest teilweise
gleichen Bauteilen Vorrichtungen für beliebige Leistungen realisiert
werden können.
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Besondere Vorteile bietet diese Ausgestaltung
der Erfindung dann, wenn Sie mit einer sehr vorteilhaften Verwendung
der Vorrichtung als kombiniertes Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul
für eine Brennstoffzelle,
insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle und hier insbesondere in einem
mobilen System, wie z.B. einem Fahrzeug zu Wasser, zu Lande und
in der Luft, verwendet wird.
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Die Vorrichtung kann in ihrem einem
Plattenwärmetauscher
vergleichbaren Aufbau unmittelbar an einen üblicherweise ebenfalls rechteckigen
Brennstoffzellenstack angepaßt
oder, in einer Weiterbildung, darin integriert werden.
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Dies bietet entscheidende Vorteile
bei der Anordnung der Vorrichtung und beim Packaging des Brennstoffzellensystems.
Besonders günstig
ist dies z.B. bei Brennstoffzellensystemen, welche als Hilfsenergieerzeuger
(auxiliary power unit, kurz APU) eingesetzt werden, also beispielsweise
Energie für
vom Antrieb unabhängig
zu betreibende elektrische Verbraucher in einem Fahrzeug liefern,
da hier eine leichte, robuste, wartungsarme und vor allem kompakte
Bauweise von besonderer Bedeutung ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und
aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Dabei zeigen:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul;
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2 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine
weitere alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine
Explosionsdarstellung eines Ausschnitts aus einem Aufbau der Vorrichtung
gemäß 3;
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6 eine
Explosionsdarstellung der Vorrichtung zusammen mit einem Brennstoffzellenstack.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 erkennbar, welche als kombiniertes Befeuchtungs-
und Wasserrückgewinnungsmodul 1 für eine Brennstoffzelle 2 benutzt
wird. Dieser Einsatz der Vorrichtung 1 als Befeuchtungs- und
Wasserrückgewinnungsmodul
zusammen mit der Brennstoffzelle 2 ist beispielhaft für die hier
dargestellte Erfindung zu sehen. Zwar handelt es sich um den bevorzugten
Einsatzzweck, doch soll die Erfindung durch dieses Ausführungsbeispiel
nicht auf genau diesen Einsatzzweck eingeschränkt werden.
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Die Verwendung der Vorrichtung 1 als
Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul 1 ist
dabei prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Ein der Brennstoffzelle 2 zugeführter Gasstrom, üblicherweise handelt
es sich dabei um den einem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luftstrom,
durchströmt die
Vorrichtung 1. Gleichzeitig durchströmt ein feuchter Abgasstrom
der Brennstoffzelle 2 die Vorrichtung 1. Dieser
ist durch eine Membran 3 von dem Zuluftstrom zu der Brennstoffzelle 2 getrennt.
Auch hier handelt es sich üblicherweise
wieder um den aus dem Bereich des Kathodenraums stammenden Abgas-
bzw. Abluft-Strom. Der Abgasstrom der Brennstoffzelle 2 führt dabei
eine vergleichsweise große
Menge an Wasser mit sich, welches einerseits aus der Befeuchtung
des in den Kathodenraum einströmenden
Zuluftstroms und andererseits von dem in der Brennstoffzelle 2 entstehenden
Produktwasser stammt. Diese Feuchtigkeit wird durch die Membran 3 hindurch
auf den Zuluftstrom übertragen,
so daß dieser
be feuchtet in die Brennstoffzelle 2 einströmt. Diese
Befeuchtung ist notwendig, um die Elemente der Brennstoffzelle 2,
insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) ausreichend feucht
zu halten, um ihren Betrieb sicherzustellen und Sie vor Austrocknung
zu schützen.
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Die Effizienz und die Feuchtigkeitsübertragungsleistung
einer derartigen Membran 3 hängt insbesondere von ihrer
Oberfläche
ab. Um die Oberfläche
zu optimieren werden daher neben flachen Membranen insbesondere
Hohlfasermembranen eingesetzt, bei denen einer der Gasströme, z.B.
der feuchte Gasstrom, im Inneren der aus einem für Wasserdampf durchlässigen Material
gefertigten Hohlfasern 4 strömt. Der Wasserdampf durchdringt
dann die Hohlfasern 4 und kann von einem die Hohlfasern 4 umströmenden Gasstrom,
welcher beispielsweise in einem Raum 5 strömt, welcher
von den Hohlfasern 4 durchdrungen wird, aufgenommen werden.
Der Raum 5 ist beispielsweise ein Behälter oder ein Gehäuse.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeigt einen derartigen
Aufbau. Die Hohlfasern 4 selbst, welche hier zu einzelnen
Bündeln 6 zusammengefaßt sind,
durchdringen den Raum 5. Der Aufbau ist dabei so ausgestaltet,
daß die
Hohlfasern 4 gegenüber
dem Raum 5 derart abgedichtet sind, daß der eine Gasstrom lediglich
durch die Hohlfasern 4 und der andere Gasstrom lediglich
durch den Raum 5 strömen
kann, ohne daß sich die
Gasströme
vermischen können.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Hohlfasern 4 an
ihren Enden mit einem Kunststoffmaterial oder einem Harz miteinander
vergossen werden, und daß diese vergossenen
Enden, welche lediglich Eintrittsöffnungen in die jeweiligen
Hohlfasern offen lassen, dann gegenüber dem Raum 5 abgedichtet
werden.
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Der Aufbau gemäß 2 ist so ausgeführt, daß jedes der Bündel 6 mehrere
der Hohlfasern 4 aufweist. Die Zahl der Hohlfasern 4 je
Bündel
ist dabei jedoch vergleichsweise klein, z.B. in der Größenordnung von
einigen zehn bis einigen hundert Hohlfasern 4, Abhängig von
den Massenströmen
des Gases und von der zu übertragenden
Feuchtigkeit. Jedes einzelne Bündel 6 der
Hohlfasern 4 ist in Raum 5 so angeordnet, daß zwischen
den Bündeln
von Hohlfasern 4 freie Bereiche 7 verbleiben,
so daß das
durch den Raum 5 strömende Gas
jedes einzelne Bündel 6 allseitig
anströmen
kann. Durch eine Ausführung
der Bündel 6 mit
bis zu einigen hundert einzelnen Hohlfasern 4 ist es dann
möglich,
daß praktisch
alle in der Vorrichtung 1 befindliche Hohlfasern 4 wenigstens
annähernd
gleichmäßig und
homogen angeströmt
werden. Mit der Vorrichtung 1 gemäß diesem Aufbau ist es also
möglich,
daß feuchte,
aus der Brennstoffzelle 2 kommende Abgase wenigstens annähernd vollständig zu
trocknen und damit wenigstens annähernd den gesamten Wassergehalt
in dem Abgas zurückzugewinnen.
Die Feuchtigkeit wird dabei direkt genutzt, um den in der Brennstoffzelle 2 zuströmenden Gasstrom,
welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Raum 5 strömt, gut
zu befeuchten, so daß ein
Austrocknen der PEM der Brennstoffzelle 2 und damit Betriebsstörungen und
Schädigungen
der Brennstoffzelle 2 vermieden werden können. Selbstverständlich kann
durch die Hohlfasern 4 überwiegend dampfförmiges Wasser übertragen
werden, so daß in
dem Abgasstrom der Brennstoffzelle 2 anfallendes flüssiges Wasser über herkömmliche
Wasserabscheider abgeschieden und zurückgewonnen werden muß, was jedoch
für die
Erfindung nicht von Bedeutung ist und ohnehin dem Stand der Technik
zuzurechnen ist.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung
dargestellt. Anstatt der Bündel 6 mit
den Hohlfasern 4 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Hohlfasern 4 in
einzelnen Schichten 8 angeordnet, welche jeweils eine Dicke
von mehreren Hohlfasern 4 aufweisen. Diese Dicke sollte dabei
so ausgestaltet sein, daß eine
Anströmung
des durch den Raum 5 strömenden Gases aus den freien Bereichen 7 in
den Bereich sämtlicher
Hohlfasern 4 der Schichten 8 möglich ist. Die Dicken der Schichten 8 bewegen
sich daher im Bereich von wenigen einzelnen bis zu einigen hundert
einzel nen Hohlfasern 4, je nach eingesetztem Volumenstrom.
Um die Anströmung
im Bereich des gesamten Raums 5 zu ermöglichen, sind die einzelnen
Schichten 8 dabei abwechselnd mit den freien Bereichen 7 angeordnet,
so daß ein
Aufbau entsteht, welcher prinzipiell dem eines Plattenwärmetauschers
bzw. -reaktors vergleichbar ist.
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Um bei der Montage sicherzustellen,
daß die
freien Bereiche durch das den Raum 5 durchströmende Gas
immer und kontinuierlich durchströmbar sind, sind in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 zusätzlich Abstandskalter 9 vorgesehen,
welche die freien Bereiche 7 "offen" halten. Als Abstandskalter 9 können beispielsweise
Drahtgestricke oder dergleichen eingesetzt werden. Daneben sind
auch, wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erkennbar, sägezahn-
oder wellblechartige Ausgestaltungen der Abstandskalter 9 denkbar,
welche ebenfalls eine annähernd
homogene Anströmung
der einzelnen Hohlfasern 4 in der Vorrichtung 1 sicherstellen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem im Prinzip dasselbe gilt, was zu 3 bereits ausgeführt wurde.
Der Aufbau gemäß 4 ist lediglich gegenüber dem
in 3 beschriebenen Aufbau
in der Art eines Plattenwärmetauschers
oder Plattenreaktors "aufgewickelt" worden. Der Aufbau
ist jetzt also in der Art von konzentrisch ineinander angeordneten
Schichten 8 und freien Bereichen 7 ausgeführt. Prinzipiell
wäre dabei
selbstverständlich
auch ein Aufbau denkbar, welcher nicht, wie in 4 dargestellt, einen konzentrischen Aufbau
der einzelnen Schichten 8 zeigt, sondern, bei welchem die
Schichten 8 und die mit einem entsprechenden Abstandskalter 9 versehenen
freien Bereiche 7 in der Art einer Spirale aufgewickelt sind.
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Besonders günstig ist ein Aufbau mit rechteckigem
Querschnitt. Ein solcher Aufbau besitzt zum einen Vorteile hinsichtlich
des Packagings. Zum anderen läßt sich
ein solcher Aufbau leicht an einen Brennstoffzellenstack 10 anbringen.
An dieser Stelle sei erwähnt,
daß einzelne
Brennstoffzellen 2 üblicherweise
zu einem Brennstoffzellenstack 10 gestapelt werden.. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist daher nicht nur für
eine einzelne Brennstoffzelle vorgesehen, sondern insbesondere für Brennstoffzellenstacks.
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Ein derartiger Aufbau in der Art
eines Plattenwärmetauschers
bzw. Plattenreaktors bietet außerdem den
Vorteil, daß,
wie eingangs bereits erwähnt,
ein modularer Aufbau möglich
wird, welcher eine Skalierung der Vorrichtung 1 an vorgegebene
Verhältnisse,
z.B. die Größe der Brennstoffzelle 2 und
damit den zu erwartenden Volumenstrom, sehr leicht ermöglicht.
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In 5 ist
dementsprechend eine Ausgestaltung der Vorrichtung 1 in
einer Explosionsdarstellung abgebildet. Die Vorrichtung 1 ist
in rechteckiger Bauweise ausgeführt
und weist einige der Schichten 8 mit den Hohlfasern 4 auf,
welche übereinander
angeordnet sind, so daß die
Hohlfasern 4 den Raum 5 durchdringen. Über die
Eintrittsöffnung 11 tritt
im Betrieb trockenes, d.h. zu befeuchtendes frisches Gas (kurz:
Frischgas) in die Vorrichtung ein und strömt in Verteiler 20 die
Hohfasern 4 bzw. Hohlfaserschichten 8 seitlich
an. Das Frischgas durchströmt
dann Raum 5 durch den hohlfaserfreien Bereich 7,
der durch die Rbstandshalter 9 abgestützt ist. Das trockene Frischgas
wird dabei befeuchtet, tritt dann in eine Brennstoffzelle ein, reagiert
dort wenigstens teilweise ab, wird dann als feuchtes bzw. zu trocknendes
Abgas aus der Brennstoffzelle heraus geführt und in die Hohlfasern 4 eingespeist
(der Übersichtlichkeit
halber hier nicht dargestellt, vgl. aber 6). Das Abgas durchströmt dann
in den Hohlfasern 4 den Raum 5, wobei es durch
die Wände
der Hohlfasern 4 hindurch Feuchtigkeit an das zu befeuchtende
Frischgas überträgt. Die
Hohlfasern 4 sind stirnseitig offen und enden in Sammler 21,
wo das getrocknete Abgas gesammelt und durch die Austrittsöffnung 17 die
Vorrichtung verläßt. Stellvertretend
für alle
Hohlfasern sind hier der Übersichtlichkeit
halber nur zwei Hohlfasern 4 verlängert dargestellt, während die üb rigen Hohlfasern
an der linken Stirnseite von Raum 5 zu enden scheinen.
Es sei jedoch noch einmal betont, daß alle Hohlfasern 4 aus
Raum 5 herausragen, Verteiler 29 und Rahmen 18 durchlaufen und
schließlich
in Sammler 21 stirnseitig offen enden.
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Zwischen Verteiler 20 für das zu
befeuchtende Frischgas und Sammler 21 für das getrocknete Abgas ist
der Rahmen für
die Vergußmasse 18 angeordnet.
Der Rahmen 18 ist so ausgebildet, daß er sich für das Vergießen der
Hohlfasern 4 bzw. Hohlfaserschichten 8 mit einer
Vergußmasse,
z.B. ein Kunststoff oder ein Harz, eignet. Dafür besitzt der Rahmen 18 Öffnungen,
durch die die Hohlfasern 4 bzw. Hohlfaserschichten 8 durchgeführt werden
können
(in 5 sind vier dieser Öffnungen übereinander
angeordnet eingezeichnet), sowie eine Eintrittsöffnung 19 für die Vergußmasse.
Der Rahmen 18 hat die Funktion, die Hohlfasern bzw. Hohlfaserbündel in
einer für
die Vergießung
geeigneten Anordnung zu präpositionieren.
Mit der Vergießung werden
die Hohlfasern 4 bzw. Hohlfaserschichten 8 zum
einen in einer geeigneten Position fixiert, zum anderen wird Verteiler 20 gegenüber Sammler 21 abgedichtet,
damit sich das durch die Eintrittsöffnung 11 eintretende
Frischgas nicht mit dem durch die Austrittsöffnung 17 austretende
Abgas vermischt. Zusätzlich
können weitere
Dichtungselemente vorgesehen sein (nicht abgebildet).
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Die Schichten 8 aus den
einzelnen Hohlfasern 4 weisen beispielsweise bei einem
Einsatz der Vorrichtung 1 in einem 70 kW Brennstoffzellensystem
und bei einem Luftmassenstrom von ca. 200 bis 300 kg/h eine Schichtstärke von
1 bis 40 mm auf. Dazwischen liegen die freien Bereiche 7,
welche hier mit einem wellblechartigen Abstandshalter 9 versehen
sind. Die Höhe
der einzelnen freien Bereiche variiert je nach Dicke der Schichten 8 zwischen
ca. 0,5 mm und 10 mm. Die Hohlfasern 4 selbst sind durch
den Raum 5 entsprechend hindurch geführt und z.B. mit einem Harz 12 miteinander
vergossen. Neben diesem Vergießen
der Enden aller Hohlfasern 4 aller Schichten 8 wäre es auch
denkbar, daß jede
der Schichten 8 einzeln vergossen wird, so daß ein modularer
Aufbau der Vorrichtung 1 entsteht, welcher nicht nur bei
der ursprünglichen
Montage, sondern auch später
bei Wartungsarbeiten oder dergleichen problemlos veränderbar
ist. Des weiteren bietet ein derartiger modularer Aufbau der einzelnen
Schichten 8 oder aller eingesetzten Schichten 8 zusammen
den entschiedenen Vorteil, daß diese
zu Wartungszwecken sehr einfach ausgebaut und/oder ausgetauscht
werden können,
z.B. wenn die Hohlfasern 4 durch Verunreinigungen oder
dergleichen verstopft sein sollten.
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In 6 ist
der Aufbau aus 5 nochmals
in einer montierten Fassung dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist
dabei zusammen in einer Explosionszeichnung mit dem Brennstoffzellenstack 10 zu
sehen. Die Vorrichtung 1 weist in diesem Beispiel (von
links nach rechts) einen Einspeiser für zu trocknendes Abgas 22 auf,
einen Verteiler für
zu befeuchtendes Frischgas 20, einen Raum 5, einen
Sammler für
befeuchtetes Frischgas 23 und einen Sammler für getrocknetes
Abgas 21. Die Trocknung, bzw. Befeuchtung erfolgt in diesem
Beispiel im Gleichstrom der beiden Gasströme, sie könnte aber auch, bei Einsatz
entsprechend ausgestalteter Verteiler bzw. Sammler, die die Gasströme entsprechend
umlenken, im Gegenstrom der beiden Gasströme erfolgen.
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Die Vorrichtung 1 weist
eine Eintrittsöffnung 11 für das zu
befeuchtende Frischgas auf. Nach dem Durchströmen der Vorrichtung 1 gelangt
das befeuchtete Frischgas durch eine Austrittsöffnung 13 und durch eine
Eintrittsöffnung 14 unmittelbar
in den Brennstoffzellenstack 10. Nach dem Durchströmen des
Brennstoffzellenstacks 10 und der dort erfolgten Reaktion
verläßt das Gas
den Brennstoffzellenstack 10 als feuchter bzw. zu trocknender
Abgasstrom durch die Austrittsöffnung 15 und
tritt durch die Eintrittsöffnung 16 wieder
in Vorrichtung 1 ein, wo es, im Einspeiser 22,
in die Hohlfasern 4 eingespeist wird. Beim Durchlaufen
der Hohlfasern 4 gibt der feuchte Abgasstrom in der oben
beschriebenen Art und Weise die in ihm enthaltene Feuchtigkeit 1 an
das trockene Frischgas ab. Nach Durchlaufen der Hohlfasern 4 gelangt
das Gas als getrocknetes Abgas in den Sammler 21, von wo
aus es die Vorrichtung 1 durch die Austrittsöffnung 17 verläßt.
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Durch den rechteckigen Aufbau der
Vorrichtung 1 und die hier dargestellte Anordnung der Öffnungen 13, 14, 15, 16 ist
es möglich,
diese unmittelbar an den Brennstoffzellenstack 10 anzuflanschen,
wobei die Darstellung gemäß 6 eine Explosionsdarstellung
dieses Aufbaus ist. Die dadurch zu erzielenden Vorteile hinsichtlich
des Packagings und dergleichen wurden eingangs bereits erläutert. Außerdem können durch
den Aufbau Leitungslängen
eingespart werden, wodurch wiederum Druckverluste und damit Energieverluste
in dem Gesamtsystem verhindert werden können. Bei der Ausführung gemäß 6 entsteht ein sehr kompakter
und vergleichsweise kleiner Aufbau, welcher ideal für mobile
Systeme geeignet ist, da diese aufgrund der meist sehr eingeschränkten Platzverhältnisse
besonders stark von kompakten Bauweisen profitieren.
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Neben dieser besonders günstigen
Verwendung der Vorrichtung 1 als Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul 1 für die Brennstoffzelle 2 sind
selbstverständlich
auch andere Verwendungen denkbar, wobei der Begriff Feuchtigkeit
nicht unbedingt auf Wasser bzw. Wasserdampf eingeschränkt ist.
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