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Die
Erfindung betrifft ein Membranmodul nach der im Oberbegriff von
Anspruch 1 näher
definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen eines Membranmoduls nach der im Oberbegriff des Anspruchs
8 näher
definierten Art. Abschließend
betrifft die Erfindung außerdem
die Verwendung eines derartigen Membranmoduls.
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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 Gasen stattfindet. Hierzu sein
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 Ausbauten lassen sich daher weitaus
kleiner bei vergleichbarer Austauschleistung bauen.
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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.
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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 Membranmodul
für den
Feuchtigkeitsaustausch erzielen, 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 Großenordnung
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 an 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 dieses Gasstroms. Wird ein derartig aufgebautes
Membranmodul nun als Wasserrückgewinnungsmodul
eingesetzt, so ist in nachteiliger Weise entweder ein vergrößertes Bauvolumen
notwenig oder es kann nur ein 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 oben genannten Art können die Anforderungen an derartige
Wasserrückgewinnung
bzw. Befeuchtungsmodule also nicht oder nur unzureichend erfüllen.
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Durch
die nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102 44 707 wird eine
Lösung
beschrieben, welche allerdings den Nachteil aufweist, dass ein derart
aufgebautes Membranmodul vergleichsweise viel Bauraum benötigt.
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Ein
weiterer Lösungsvorschlag
findet sich in der ebenfalls nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
mit dem Aktenzeichen 103 23 113. Darin sind sehr effiziente Hohlfasern
beschreiben, welche eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Ein Membranmodul
aus zumindest teilweise derartigen Hohlfasern kann einen sehr guten
Stoffaustausch bewirken. Allerdings sind die derartige Hohlfasern
gegenüber
glatten Hohlfasern vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv in
der Herstellung.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Membranmodul
sowie die Herstellung eines Membranmoduls gemäß der oben genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass die Baugröße des Membranmoduls
bei gleichem möglichen
Stoffaustausch unter der Möglichkeit
der Verwendung kostengünstiger
Herstellungsmethoden und Materialien (Hohlfasern) miniert werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 näher definierten
Merkmale gelöst.
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Durch
die beabstandete Anordnung auf dem Matrixmaterial wird sichergestellt,
dass die einzelnen Hohlfasern am wenigstens annähernd größten Teil ihrer äußeren Oberfläche von
einem Medium angeströmt
werden können,
welches das gasförmige Wasser
entweder abgibt oder aufnimmt. Für
den Wasseraustausch mit dem anderen in den Hohlfasern strömenden Medium,
welches das gasförmige Wasser
dementsprechend entweder aufnimmt oder abgibt, wird somit die größtmögliche Oberfläche bereitgestellt.
Die Effizienz des Wasseraustauschs wird dadurch bei kleiner Baugröße des Membranmoduls sehr
groß,
während
sich bei herkömmlichen
Membranmodulen die einzelnen Hohlfasern über große Teile berühren und
dadurch die anströmbare äußere Oberfläche der
einzelnen Hohlfasern reduziert ist.
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Gegenüber Strukturen,
welche als "Abstandshalter" zwischen den Hohlfasern
unmittelbar in oder auf die Oberfläche der Hohlfasern integriert sind,
bietet die erfindungsgemäße Lösung zusätzlich den
Vorteil einfacherer und kostengünstigerer
Hohlfasern.
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Das
Matrixmaterial selbst, welches gemäß einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee
als eine netzartige Struktur ausgebildet ist, sollte dabei die Durchströmbarkeit
mit dem einen der Medienströme
wie einen Abstand zwischen den einzelnen Hohlfasern ebenso sicherstellen.
Das Matrixmaterial wird sich aber in jedem Falle, diesem Medienstrom
zumindest geringfügig
entgegenstellen, so dass es in diesem zu einer turbulenten Strömung kommt.
Mit einer derartigen turbulenten Strömung lässt sich jedoch ein deutlich
besserer Stoffaustausch erzielen, als dies mit einer laminaren Strömung der
Fall wäre.
Das Matrixmaterial stellt für den
verbesserten Stoffaustausch und damit die bei gleicher Austauschrate
zu erzielenden Baugröße einen
weiteren Vorteil der Erfindung dar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein,
dass zumindest ein Teil der Hohlfasern eine strukturierte Oberfläche aufweist.
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Die
Struktur würde
dabei die Oberfläche noch
weiter vergrößern und
den Stoffaustausch nochmals verbessern. Als Struktur müssten jedoch nicht
die vergleichsweise aufwändigen
oben genannten "Abstandshalter" Verwendung finden,
sondern es würde
eine deutlich einfacher zu erzielenden Aufrauung der Oberfläche bereits
ausreichen um den Effekt zu erzielen.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial
selbst eine aufgeraute Oberfläche
aufweist.
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Auch
dies dient in vorteilhafter Weise der Erzeugung einer turbulenteren
Strömung
und unterstützt
damit den Stoffaustausch je Oberflächeneinheit.
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Sofern,
die Hohlfasern gemäß einer
sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung fest mit dem Matrixmaterial
verbunden werden, so dass ein leicht zu handhabender Matrix-Hohlfaserverbund
als eine Art Halbzeug entsteht, dann können, im Falle einer Verklebung
des Matrixmaterials mit den Hohlfasern die strukturierten/aufgerauten
Oberflächen
der Hohlfaser und/oder der Matrix außerdem hinsichtlich der Haftung
des Klebers an den Oberflächen
von Vorteil sein.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Membranmoduls, welches die
oben genannte Aufgabe ebenfalls löst, wird durch die Merkmale
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird zuerst
ein Verbund aus dem Matrixmaterial und den Hohlfasern hergestellt.
Dieser kann dann als eine Art Halbzeug dienen. Aus einer, in Abhängigkeit
von der gewünschten
Größe des Membranmoduls
zu bestimmenden Menge dieses Halbzeug wird dann das Membranmodul
zusammengefasst. Die ses Zusammenfassen wird dabei typischerweise
das Abdichten der Innenseiten der Hohlfasern gegenüber dem
ihre Außenseiten umgebenden
Raum sowie ggf. den Einbau in ein Gehäuse oder dergleichen umfassen.
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Der
Verbund ist dabei in besonders vorteilhafter Weise sehr leicht zu
handhaben. So kann beispielsweise durch die Fläche des Verbunds die Anzahl
an einzelnen Fasern und damit die als Austauschfläche zur
Verfügung
stehenden Oberfläche festgelegt
werden. Benötigt
man nun ein Membranmodul mit einer vorgegebnen Austauschrate bzw. -leistung
so kann sehr einfach auf die benötigte
Fläche
des Verbunds zurückgeschlossen
werden. Für das
Membranmodule wird dann also eine bestimmte festlegbare Fläche des
Halbzeugs benötigt.
Damit wird eine sehr flexible und dennoch sehr effiziente Herstellung
verschiedener Membranmodul sehr einfach möglich.
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Durch
die Verwendung des Halbzeuges ist außerdem immer sichergestellt,
dass ohne zusätzlichen
Aufwand oder Herstellungsschritt sowohl die einzelnen Hohlfasern,
als auch die einzelnen Lagen des Halbzeuges immer ausreichend beabstandet
zueinander verbleiben. Die Anströmung
jeder einzelnen Hohlfaser ist damit in der eingangs schon beschriebene
vorteilhaften Art nahezu über
deren gesamte Oberfläche
möglich.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften und effektiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird der Verbund aus Matrixmaterial und Hohlfasern beim Zusammenfassen
aufgewickelt.
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Bei
dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Herstellung
und die gezielt, für
jedes Membranmodul individuelle Dimensionierung besonders einfach.
Das Halbzeug kann beispielsweise auf einer Rolle bevorratet werden,
von welcher dann ein der benötigten
Fläche
entsprechendes Stück
abgewickelt, abgetrennt und dann wieder zu dem Membranmodul aufgewickelt
wird.
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In
einer sehr günstigen
Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgt
das Aufwickeln um die Längsachse
der Hohlfasern.
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Der
so entstehende "Wickel" entspricht in seiner
Außenkontur
und der Anordnung der einzelnen Hohlfasern im wesentlichen einem
herkömmlichen
Hohlfaserbündel.
Er kann daher in der selben Art und Weise wie herkömmliche
Aufbauten abgedichtet, z.B. durch Vergießen des Bereichs unterhalb der
Faserenden mit einem aushärtenden
Kunststoff oder Harz, und montiert werden, so dass hierfür keine
eigenen Techniken/Maschinen etc. notwendig werden. Die bestehende
Infrastruktur kann weitergenutzt werden, wobei sich die eingangs
genannten Vorteile des Membranmoduls zusätzlich ergeben.
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Eine
besonders günstige
Verwendung für
ein derartiges Membranmodul ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs
14.
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Die
eingangs beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Membranmoduls
mit hoher Austauschrate bei kleinstem Bauraum bieten entscheidende
Vorteile bei der Anordnung des Membranmoduls und beim Packaging
des Brennstoffzellensystems. Besonders günstig ist dies z.B. bei Brennstoffzellensystemen,
welche als Hilfsenergieerzeuger (APU/ auxiliary power unit) 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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Das
oben genannte Herstellungsverfahren ist bei derartigen in ihrer
Leistung über
einen großen Bereich
variierenden Brennstoffzellensystemen sehr günstig, da der Verbund aus Matrixmaterial
und Hohlfasern sehr einfach, kostengünstig und schnell die Herstellung
unterschiedlicher Membranmodule, welche in ihrer Austauschrate jeweils
exakt an die jeweilige Leistung des Brennstoffzellensystems angepasst sind,
erlaubt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen
und aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine prinzipmäßige Darstellung
eines Membranmoduls als Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul
in einem Brennstoffzellensystem;
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2 eine Darstellung des Verbunds
aus Hohlfasern und Matrixmaterial;
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3 ein dreidimensionale Ansicht
eines Bereich des zu einem Membranmodul komplettierten Verbunds;
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4 eine weitere Möglichkeit
den Verbund zu einem Membranmodul zusammenzufassen; und
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5 eine weitere alternative
Möglichkeit den
Verbund zu einem Membranmodul zusammenzufassen.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 erkennbar,
welches zumindest einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren
Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 bestehen
jeweils aus einem Anodenraum 3 und einem im wesentlichen
durch eine PEM (Polymer Elektrolyt Membran) und geeignete Elektroden,
welche zusammen eine sogenann te MEA 4 (Membran Elektroden Anordnung)
bilden davon abgetrennten Kathodenraum 5.
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Außerdem weist
das Brennstoffzellensystem 1 ein sogenanntes Membranmodul 6 auf,
in welchem ein erster Gasstrom, hier der über eine Kompressionseinrichtung 7 geförderte Zuluftstrom 8 zu
dem Kathodenraum 5, durch Membranen 9 von einem
zweiten Gasstrom, hier einem Abgasstrom 10 aus dem Brennstoffzellenstapel 2,
getrennt ist. Die Membranen 9, welche hier insbesondere
als Hohlfasermembranen bzw. Hohlfasern 9 ausgebildet sind,
sind dabei für
gasförmiges
Wasser selektiv durchlässig.
Es kommt deshalb durch die Hohlfasern 9 hindurch zu einem
Stoffaustausch zwischen den beiden Gasströmen 8, 10,
wobei es sich hierbei insbesondere um einen Feuchtigkeitsaustausch
handelt. Der Abgasstrom 10 des Brennstoffzellenstapels 2 wird
dabei insbesondere das Abgas aus dem Bereich des Kathodenraums 5 beinhalten,
welches das in dem Brennstoffzellenstapel 2 anfallende
Produktwasser mit sich führt
und sich daher besonders gut zur Befeuchtung des Gasstroms 8 eignet.
Zusätzlich
zu dem Abgas aus dem Bereich des Kathodenraums 5 könnte theoretisch
auch der Abgasstrom 10 außerdem das Abgas aus dem Bereich
des Anodenraums 3, wie es in 1 optional
angedeutet ist, beinhaltet sein. Je nach Ausführung des Brennstoffzellensystems 1 wird
der durch das Membranmodul 6 getrocknete Abgasstrom 10 dann
einer weiteren Komponente, wie beispielsweise einem katalytischen
Brenner 11 zur thermischen Energiegewinnung oder dergleichen,
zugeführt.
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Bei
dem Gasstrom 8, welcher in diesem Falle befeuchtet wird,
also das gasförmige
Wasser aus dem Abgasstrom 10 durch die Hohlfasern 9 hindurch aufnimmt,
handelt es sich, wie bereits oben ausgeführt, zumindest um den Zuluftstrom 8 zu
dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 2.
Zusätzlich kann
von diesem nach dem Membranmodul 6 befeuchteten Luftstrom 8 ein Eduktstrom 8a abgezweigt werden,
welcher dann als Ausgangsstoff für
weitere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Gaserzeugungssystem 12,
verwendet werden kann.
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In
einem derartigen Gaserzeugungssystem 12, welches bei dem
Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 als optionale Ausgestaltungsvariante
zu sehen ist, wird beispielsweise aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff oder
Kohlenwasserstoffderivat, wie z.B. Benzin, Diesel oder Methanol,
aus Wasser und gegebenenfalls aus Luft ein wasserstoffhaltiges Gas
erzeugt, welches dann zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt
werden kann. Wie oben bereits erläutert, kann dabei zumindest
ein Teil des benötigten
Wassers über
den Eduktstrom 8a aus dem Membranmodul 6 stammen.
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Alternativ
zu dieser Ausgestaltung mit dem aus dem Stand der Technik an sich
bekannten Gaserzeugungssystem 12 wäre selbstverständlich auch
der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff
aus anderen Quellen, beispielsweise aus einer Speichereinrichtung,
denkbar. Dann würde der
zusätzliche
Eduktstrom 8a sowie gegebenenfalls die optionale Verbindung
des Abgasstroms des Anodenraums 3 mit dem des Kathodenraums 5 entfallen, da
derartige, mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme 1 üblicherweise
im Dead-End-Betrieb oder mit einem Anodenkreislauf betrieben werden.
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Das
Membranmodul 6 wird hier also am Beispiel des Brennstoffzellensystems 1 erläutert. Das Brennstoffzellensystem 1 soll
jedoch nur ein beispielhafter – wenn
auch der bevorzugte – Einsatzzweck des
beschriebenen Membranmoduls 6 sein, es sind auch andere
Einsätze,
beispielsweise im Bereich der Konditionierung von Zuluftströmen in Fahrzeuge, Fertigungshallen
oder dergleichen denkbar.
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Außerdem kann
mittels eines weiteren Membranmoduls, welches hier nicht dargestellt
ist, auch der zu dem Brennstoffzellenstapel 2 strömende Wasserstoff
oder ein stattdessen eingesetztes wasserstoffhaltiges Gas befeuchtet
werden. Hierfür
geeignete Membranen müssten
dann für
Wasserdampf selektiv durchlässig
und für
Wasserstoff undurchlässig sein.
Ein derartiges Verhalten kann z.B. mittels durchgehend befeuchteter
Membranen, beispielsweise auf Basis vergleichbarer Materialien,
wie sie im Rahmen der PEM eingesetzt sind, erzielt werden. Der Aufbau
eines derartigen weitren Membranmoduls kann dann in idealer Weise
vergleichbar zu dem Membranmodul 6 ausgebildet sein.
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Die
Besonderheit des Membranmoduls 6 liegt nun in der Art und
Weise seines Aufbaus. Als Membranen sind dabei Hohlfasern 9 eingesetzt,
von welchen einige in 2 exemplarisch
dargestellt sind. Die Hohlfasern 9 werden dabei so verwendet, dass
einer der Gasströme,
hier beispielhaft der feuchte Abgasstrom 10 das Innere
der Hohlfasern 9 durchströmt. Durch das Wandmaterial
der Hohlfasern 9, die eigentliche Membran, gelangt dann
die Feuchtigkeit in den Bereich des anderen Gasstroms, welcher die äußeren Oberflächen der
Hohlfasern 9 umströmt,
und bei welchem es sich hier exemplarisch um den zu befeuchtenden
Zuluftstrom 8 handeln soll. Die genannten exemplarische
Darstellung der 2 zeigt
aufgrund der leichteren Darstellbarkeit eine Kreuzstromanordnung
der Gasströme 8 und 10.
Um bei kleinem Bauraum dennoch eine möglichst große Austauschrate für die Feuchtigkeit
zu erreichen, wird in Gegensatz zu der Darstellung aber in vielen
Fällen eine
Gegenstromanordnung gewählt
werden.
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Bei
herkömmlichen
Membranmodulen 6 auf der Basis von Hohlfasern 9 werden
diese zu einem Bündel
zusammengefasst und kurz unterhalb ihrer offenen Enden mit einem
Vergussmaterial, bei spielsweise einem Harz oder dergleichen, miteinander
vergossen. Dieses Vergussmaterial dient dann gleichzeitig dazu,
in einem Gehäuse
einen Bereich, welcher mit den offenen Enden verbunden ist, gegenüber einem
Bereich, der lediglich Kontakt zu den äußeren Oberflächen der
Hohlfasern 9 aufweist, abzudichten. Wenn nun in den beiden
Bereichen des Gehäuses
die unterschiedlichen Gasströme 8, 10 eingeleitet
werden, so wird der eine Gasstrom 10 die Hohlfasern 9 von
diesem einen offenen Ende zu ihrem anderen offenen Ende durchströmen, während der
andere Gasstrom 8 die Außenflächen der Hohlfasern 9 umströmt und so
ein Stoffaustausch zwischen den beiden Gasströmen 8, 10 durch
die Hohlfasern 9 hindurch stattfinden kann.
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Wie
eingangs bereits erläutert,
haben derartige herkömmliche
Membranmodule das Problem, dass die Hohlfasern sehr dicht gepackt
sind und daher vergleichsweise unzureichend angeströmt bzw. umströmt werden
können.
Um dennoch einen entsprechenden Feuchtigkeits- bzw. Stoffaustausch
realisieren zu können,
muss dementsprechend die insgesamt zur Verfügung gestellte Fläche der
Hohlfasern vergrößert werden,
um eine ausreichend große anströmbare Membranfläche der
Hohlfasern sicherzustellen. In Folge dessen muss das herkömmliche Membranmodul
deutlich größer gebaut
werden, als es eigentlich notwendig wäre.
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Bei
dem dargestellten Aufbau des Membranmoduls 6 wurde hier
Abhilfe geschaffen. Die Hohlfasern 9 sind, wie es in 2 exemplarisch dargestellt ist,
auf einem Matrixmaterial 13 beabstandet zueinander angeordnet.
In der Darstellung gemäß 2 ist das Matrixmaterial 13 als
netzartige Struktur ausgeführt,
auf welcher die Hohlfasern 9 beabstandet zueinander angeordnet
und typischerweise auf dem Matrixmaterial 13 befestigt
sind. Diese Befestigung der Hohlfasern 9 auf dem Matrixmaterial 13 kann
beispielsweise durch Kleben erfolgen. Die Verbindung muss lediglich
so zustande kommen, dass das Mat rixmaterial 13 mit den
Hohlfasern 9 eine wenigstens annähernd feste Verbindung eingeht,
so dass sichergestellt werden kann, dass bei der Herstellung des Membranmoduls 6 die
Hohlfasern 9 auch weiterhin beabstandet zueinander gehalten
werden. Auf diese Art und Weise entsteht praktisch ein Verbund 14 aus dem
Matrixmaterial 13 und den Hohlfasern 9 in der Art
eines zur Herstellung des Membranmoduls 6 verwendbaren
Halbzeugs 14.
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Der
Verbund bzw. das Halbzeug 14, wie es in 2 prinzipmäßig dargestellt ist, kann dabei
unabhängig
von dem eigentlichen Membranmodul 6 hergestellt werden,
so dass bereits vor der Herstellung des Membranmoduls 6 das
Halbzeug 14 existiert und bei der Herstellung des Membranmoduls 6 lediglich in
der gewünschten
Menge zu diesem verarbeitet wird.
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Da
die Austauschleistung bzw. der Stoffaustausch in dem Membranmodul 6 primär, selbstverständlich neben
den Eigenschaften der beiden Gasströme, von der zur Verfügung stehenden
Oberfläche der
Membran, hier also Länge
und Anzahl der Hohlfasern 9, abhängt, kann, wie eingangs bereits
erläutert,
die Dimensionierung des Membranmoduls 6 sehr einfach über die
Verwendung eines entsprechend großen Abschnitts des Halbzeugs 14 erfolgen.
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Um
den Materialeinsatz des Matrixmaterials 13 zu optimieren,
kann bei der Verwendung eines netzartigen Matrixmaterials 13,
wie hier dargestellt, die Maschengröße mit der Größe des Membranmoduls 6 variiert
werden. Insbesondere kann die Maschengröße bei der Verwendung von Hohlfasern 9 in verschiedenen
Längen
an diese Länge
der Hohlfasern angepasst werden. Optimal für die Maschengröße ist es
dabei, wenn diese so groß ist,
dass das Matrixmaterial selber möglichst
wenig Oberfläche
an den Hohlfasern 9 in Anspruch nimmt und damit für den Stoffaustausch
blockiert und wenn dennoch durch das Matrixma terial 13 eine
möglichst
gleichmäßige Anströmung der
Hohlfasern 9 über
deren gesamte Oberfläche
ermöglicht
wird. Um zu vermeiden, dass Teile des Matrixmaterials 13 die
Hohlfasern 9 über
große
Bereich hinweg berühren,
kann es, entgegen der hier gewählten
Darstellung, besonders sinnvoll sein, wenn sich die einzelnen Stege
des netzartigen Matrixmaterials 13 nicht parallel, sondern
in einem Winkel, welcher beispielsweise im Bereich zwischen 20° und 70°liegen kann,
zu der Längsachse der
Hohlfasern 9 erstrecken.
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Bei
entsprechend großen
bzw. kleinen Winkeln der einzelnen Stege zu den Längsachsen
der Hohlfasern 9 wird sich außerdem eine spiralförmige/rotierende
Strömung
des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms 8 einstellen.
Trotz des kleinen Bauraum und des bauraumbedingt zu bevorzugenden
Gegenstromprinzips wird sich so eine vergleichsweise lange Verweilzeit
des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms 8 und
eine Art Kreuz-Gegenstrom einstellen. Der Stoffaustausch kann so nochmals
verbessert werden.
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Beim
Aufbau eines Membranmoduls 6 werden dann die einzelnen
Lagen des Verbunds 14 übereinander
gelegt, wie dies in 3 exemplarisch
dargestellt ist. In der Darstellung gemäß 3 sind zwei Lagen des Verbunds 14 übereinander
gelegt, wobei die Lagen so übereinander
gelegt sind, dass die einzelnen Hohlfasern 9 der jeweiligen
Lage in idealer Weise versetzt zu den Hohlfasern 9 der
nächsten Lage
des Verbunds 14 angeordnet sind. Des weitren ist in der
Darstellung eine dritte Lage des Matrixmaterials 13 erkennbar.
Dadurch wird eine sehr gute Anströmung der einzelnen Hohlfasern 9 gewährleistet. Zudem
wird durch die Stege des netzartigen Matrixmaterials 13,
welche wie bereits ausgeführt
auch in einem Winkel zu den Längsachsen
der Hohlfasern 9 verlaufen können, für eine entsprechende Turbulenz in
dem die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstrom ge sorgt, so
dass die Übertragung
von Feuchtigkeit zwischen den Gasströmen durch die Membran der Hohlfasern 9 hindurch
verbessert wird.
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Zusätzlich dazu
kann außerdem
sowohl das Matrixmaterial 13 als auch die äußere und/oder
innere Oberfläche
der Hohlfasern 9 eine Struktur aufweisen, so dass die Oberfläche vergrößert wird.
Zusätzlich
werden dadurch die Turbulenzen und damit der Stoffaustausch weiter
begünstigt.
Diese Struktur kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Oberflächen entsprechend
aufgeraut sind. Die gerauten Oberflächen sowohl des Matrixmaterials 13 als
auch der Hohlfasern 9 haben darüber hinaus den Vorteil, dass
im Falle des Verklebens der Hohlfasern 9 mit dem Matrixmaterial
zu deren Befestigung eine bessere Haftung des Klebers zu erzielen
ist.
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Das
Zusammenfassen des Verbunds 14 zu dem Membranmodul 6 bzw.
dessen eigentlichen Membranaufbau kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen.
Eine Anordnung der einzelnen Schichten des Verbunds 14 in
der in 3 dargestellten
Art kann beispielsweise durch Stapeln von einzelnen Abschnitten
des Halbzeugs 14 übereinander
oder durch ein Übereinanderlegen
eines einzigen Abschnitts, welcher dazu mehrfach gefaltet wird,
erzielt werden.
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Bei
Membranmodulen 6, welche beispielhaft für den hier dargelegten Verwendungszeck
eingesetzt werden, liegen die Abmessungen des in 3 dargestellten Teils des Membranmoduls 6 bzw.
des Halbzeugs 13 beispielhaft bei ca. 0,3 bis 5 mm für den Durchmesser
der Hohlfasern 9. Daraus ergeben sich dann die weitren
Abmessungen mit ca. 0,1 bis 5 mm für den Abstand der Hohlfasern
untereinander sowie mit ca. 0,2 bis 2 mm für die Dicke der Stege des Matrixmaterials 13.
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In 4 ist eine weitere Variante
der Herstellung dargestellt. Gemäß dieser
Ausführungsform
erfolgt das Zusammenfügen
in der Art, dass der Verbund 14 zu einem Wickel 15 aufgewickelt
wird. Hier ist der Einsatz des Halbzeugs 14 besonders günstig, da
dieses beispielsweise auf einer Rolle bevorratet werden kann. Eine
der gewünschten
Austauschleistung und damit der geforderten Membranfläche entsprechende
Länge des
Verbunds 14 wird von der Rolle abgelängt und danach aufgewickelt.
Die Weiterverarbeitung eines derartigen Wickels 15 ist
dabei sehr einfach und effizient möglich, da dieser in der gleichen
Art weiterverarbeitet werden kann, wie dies bisher bei den herkömmlichen
Hohlfaserbündeln, welche
im wesentlichen eine vergleichbare Außenkontur aufweisen, erfolgt
ist. Zusätzlich
dazu weist der Wickel 15, wie er hier beschrieben ist,
jedoch die oben bereits genannten, besonders günstigen Eigenschaften hinsichtlich
der kompletten Anströmbarkeit und
des größtmöglichen
Stoffaustauschs je Volumeneinheit auf.
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Als
Alternative zu dem in 4 dargestellten Wickel 15 ist
der gemnäß 5 dargestellt Wickel 15 um
einen zentralen Hohlkörper 16 gewickelt.
Dieser zentrale Hohlkörper 16 kann
beispielsweise als Rohrleitung mit diversen Öffnungen ausgebildet sein.
Der zentrale Hohlkörper 16 kann
dabei zum Ein- oder
Ableiten des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms dienen, so
dass die Baugröße eines
derart aufgebauten Membranmoduls 6, insbesondere hinsichtlich
des Gehäuses
weiter optimiert werden kann. Außerdem lässt sich die möglichst
gleichmäßige – oder in
anderer Art und Weise gezielte – Verteilung des
Gasstroms durch die Wahl der Größe und Anordnung
der Öffnungen
in dem zentralen Hohlkörper 16 leicht
beeinflussen. Insbesondere bietet der Wickel 15 die Gelegenheit,
das Membranmodul in ein zylindrisches Gehäuse zu integrieren, welches
sich typischerweise besonders gut eignet, um in Rohrleitungen oder
dergleichen eingesetzt zu werden.
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Neben
dem hier dargestellten, besonders günstigen Aufwickeln des Verbunds 14 um
die Längsachsen
der jeweiligen Hohlfasern 9 wäre selbstverständlich auch
ein Aufbau denkbar, bei dem jede einzelne der Hohlfasern, in der
Art einer Spirale, aufgewickelt wird. Ein derartiger Aufbau würde dann jedoch
eine dichte Verbindung der einzelnen Hohlfasern mit beispielsweise
einem zentralen Hohlkörper zur
Zufuhr oder Abfuhr von Gas, dieses Mal jedoch durch die Hohlfasern 9 hindurch,
und ein entsprechendes Gegenstück
auf der anderen Seite der Hohlfasern aufweisen. Dann können sie
jedoch in der oben genannten Art ebenfalls zu einem Membranmodul 6 aufgewickelt
werden, wobei wiederum die Länge
der einzelnen Hohlfasern bzw. die Höhe des gesamten Membranmoduls 6,
und damit die Stoffaustauschleistung, anhand der Verwendung eines
entsprechend großen
Abschnitts des Halbzeugs 14 variiert werden könnte.