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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Transportieren einer
Fluidkomponente zwischen Fluiden mittels Hohlfasermembranen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Ein
Hohlfasermembranmodul ist ein Modul für den Transport einer
Fluidkomponente zwischen einem Fluid, das im hohlen Teil der Hohlfasermembran
strömt, und einem Fluid, das außerhalb der Hohlfasermembran
strömt.
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JP-2005-224719 offenbart
eine Technik zur Bereitstellung einer Dichtungsbeilage, mit der
eine Undichtigkeit zwischen den beiden Fluiden verhindert wird.
Bei dieser Technik werden vorstehende Kopfstücke in der
Nähe beider Enden eines Hohlfasermembranbündels
bereitgestellt, eine Dichtungsbeilage wird bereitgestellt, um für
eine Abdichtung zwischen dem ersten Rahmen bzw. Gehäuse,
der bzw. das den in Bezug auf das Kopfstück mittleren Teil
umgibt, und dem Kopfstück zu sorgen, eine andere Dichtungsbeilage
wird bereitgestellt, um für eine Abdichtung zwischen dem
zweiten Rahmen bzw. Gehäuse, der bzw. das die in Bezug
auf das Kopfstück äußere Seite umgibt,
und dem Kopfstück zu sorgen. Die Schrift offenbart, dass
das Gehäuse eine rechteckige Querschnittsform aufweisen
kann, damit es mit den Dichtungsbeilagen einen Abschluss herstellen kann.
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JP-A-2004-202478 offenbart
eine Technik zum Herstellen eines Hohlfasermembranmoduls mit einem
sechsflächigen zylindrischen Rahmen bzw. Gehäuse
(mit rechtwinkligem Querschnitt). Bei dieser Technik wird eine Isoliervergussschicht
in dem Gehäuse bereitgestellt, um für eine Abdichtung
zwischen den Fluiden zu sorgen.
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JP-2001-201122 und
JP-A-2002-219339 offenbaren
jeweils eine Technik, mit der ein Fluid, das außerhalb
der Hohlfasermembran strömt, homogenisiert wird. In der
in
JP-A-2001-201122 offenbarten Technik
wird ein Rahmen bzw. ein Gehäuse bereitgestellt, der bzw.
das die Hohlfasermembran umschließt, um das Fluid, das
außerhalb der Hohlfasermembran strömt, so zu lenken,
dass es in senkrechter Richtung zur Hohlfasermembran strömt.
Bei der in
JP-A-2002-219339 offenbarten
Technik wird die Hohlfasermembran von der Seite her mit einem Rahmen
bzw. einem Gehäuse umgeben, und man lässt ein
Fluid diagonal strömen, wonach das Verhältnis der
Breite und der Länge des Hohlfasermembranbündels
auf einen geeigneten Wert eingestellt wird.
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Bei
der Technik in
JP-A-2005-224719 ist
es für den Abschluss mit einer Dichtungsbeilage notwendig,
Kopfstücke bereitzustellen und die Kopfstücke
mit separaten Gehäusen zu halten. Bei der Technik in
JP-A-2004-202478 ist
es nötig, eine Abdichtung in einem Gehäuse durch
Bereitstellen eines großflächigen Isoliervergusses
zu schaffen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist die Vereinfachung einer Struktur für
die Einschließung bzw. Abdichtung von Fluiden in einem
Hohlfasermembranmodul.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist das Erreichen eines Einschlusses
bzw. einer Abdichtung von Fluiden durch eine Ausführungsform,
die sich von herkömmlichen Fällen unterscheidet,
nämlich in einem Fall, wo ein Hohlfasermembranbündel
eine rechteckige Querschnittsform aufweist.
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Das
Hohlfasermembranmodul der Erfindung weist auf: einen Körper
aus gebündelten Hohlfasermembranen, der ein Hohlfasermembranbündel
mit einer Vielzahl gebündelter Hohlfasermembranen aufweist
und dessen Außenumfang über seiner gesamten Länge
zylindrisch geformt ist; einen äußeren Rahmen
bzw. ein äußeres Gehäuse, der bzw. das
einen den Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
umschließenden zylindrischen Teil aufweist, wobei ein Innenumfang
des zylindrischen Teils über seine gesamte Länge
zylindrisch geformt ist; einen ersten Strömungsweg, der
unter Verwendung des äußeren Gehäuses
gebildet wird und der an einem Ende des Körpers aus gebündelten
Hohlfasemembranen ein erstes Fluid in einen hohlen Teil der Hohlfasermembranen
einführt und das erste Fluid am anderen Ende des Körpers
aus gebündelten Hohlfasemembranen aus dem hohlen Teil des
Hohlfasermembranen ausführt; einen zweiten Strömungsweg,
der unter Verwendung des äußeren Gehäuses
gebildet wird und der an einer Seitenfläche des Körpers
aus gebündelten Hohlfasermembranen ein zweites Fluid in einen
Raum zwischen den Hohlfasermembranen einführt und an einer
Seitenfläche des Körpers aus gebündelten
Hohlfasemembranen das zweite Fluid aus dem Raum zwischen den Hohlfasermembranen
ausführt; und ein ringförmiges Dichtungselement,
das zwischen dem Außenumfang der zylindrischen Form des
Körpers aus gebündelten Hohlfasemembranen und
dem Innenumfang des zylindrischen Teils des äußeren
Gehäuses gebildet wird, um eine Abdichtung zwischen einer
Seite des ersten Strömungswegs und einer Seite des zweiten
Strömungswegs zu schaffen, wobei eine Fluidkomponente durch
die Hohlfasermembranen zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten
Fluid transportiert wird.
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Die
Hohlfasermembran ist aus einer Membran gebildet, die so gebildet
ist, dass sie innen hohl ist und an einer Außenwand feine
Poren aufweist und die in der Regel aus Harz besteht. Die Hohlfasermembran
weist eine Filterfunktion auf, so dass eine Substanz, die kleiner
ist als die Poren, zwischen dem hohlen Teil und der Außenseite übertragen
wird und eine Substanz, die größer ist als die
Poren, nicht übertragen wird. Das Hohlfasermembranbündel
enthält eine Vielzahl von gebündelten Hohlfasermembranen.
Der Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
enthält das Hohlfasermembranbündel und ist je
nach Bedarf mit einem anderen Element versehen. Beispielsweise kann
der Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
so gebildet werden, dass ein Isolierverguss aus einem Harz an beiden
Enden des Hohlfasermembranbündels bereitgestellt wird,
um zu verhindern, dass von den Enden her ein Fluid zwischen den
Hohlfasermembranen (zu den anderen Enden) strömt. In dem
Fall, wo der Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
dadurch hergestellt wird, dass das Hohlfasermembranbündel
bearbeitet wird, sind dessen Bearbeitungsverfahren nicht besonders
beschränkt, und es kann beispielsweise nach der Bearbeitung
in einem äußeren Gehäuse untergebracht
werden oder es kann nach der Unterbringung in einem äußeren
Gehäuse bearbeitet werden.
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Die
Hohlfasermembranen weisen einen Außenumfang auf, der über
ihre gesamte Länge zylindrisch geformt ist. Die Längsrichtung
bezeichnet die Richtung der Faserlänge der Hohlfasermembran. Demgemäß sind
die Hohlfasermembranen so gebildet, dass sie, wenn sie an einer
bestimmten Stelle in der Faserlängsrichtung oder an allen
Stellen in der Faserlängsrichtung durchgeschnitten werden,
einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Zylinder, auf
den hierin Bezug genommen wird, bedeutet einen säulenartigen
Körper mit einem im Wesentlichen perfekt kreisförmigen
Querschnitt.
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Das äußere
Gehäuse weist einen zylindrischen Teil auf, der den Körper
aus gebündelten Hohlfasermembranen umschließt.
Ein Innenumfang des zylindrischen Teils ist über dessen
ganze Länge zylindrisch geformt. Mindestens ein Teil des
ersten Strömungswegs wird unter Verwendung des äußeren Gehäuses
gebildet und das erste Fluid strömt darin. Genauer dient
der erste Strömungsweg der Einführung des ersten
Fluids in den hohlen Teil der Hohlfasermembranen von außen
her an einem Ende des Körpers aus gebündelten
Hohlfasermembranen und der Ausführung des ersten Fluids
aus dem hohlen Teil der Hohlfasermembranen nach außen am
anderen Ende des Körpers aus gebündelten Hohlfasermembranen.
Das erste Fluid kann ein gasförmiger Körper oder
ein flüssiger Körper sein oder kann eine Mischung
aus einem gasförmigen Körper und einem flüssigen
Körper sein. Zumindest ein Teil des ersten Strömungswegs
kann unter Verwendung eines inneren Rahmens bzw. Gehäuses
gebildet werden.
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Zumindest
ein Teil des zweiten Strömungswegs wird unter Verwendung
des äußeren Gehäuses gebildet. Der zweite
Strömungsweg dient der Einführung des zweiten Fluids
von außen her in den Raum zwischen den Hohlfasermembranen
an der Seitenfläche des Körpers aus gebündelten
Hohlfasermembranen und der Ausführung des zweiten Fluids
aus dem Raum zwischen den Hohlfasermembranen nach außen
an der gleichen Seitenfläche oder einer anderen Seitenfläche
des Körpers aus gebündelten Hohlfasermembranen.
Das zweite Fluid kann ein gasförmiger Körper oder
ein flüssiger Körper sein oder kann eine Mischung
aus einem gasförmigen Körper und einem flüssigen
Körper sein. Das zweite Fluid kann das gleiche sein wie
das erste Fluid oder kann sich vom ersten Fluid unterscheiden. Zumindest
ein Teil des zweiten Strömungswegs kann unter Verwendung
eines inneren Gehäuses gebildet werden.
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Das
Dichtungselement ist ein ringförmiges Element, das für
eine Abdichtung zwischen der Seite des ersten Strömungswegs
und der Seite des zweiten Strömungswegs sorgt. Genauer
sorgt das Dichtungselement für eine Abdichtung zwischen
der Seite des ersten Strömungswegs, der sich auf der Stirnseite
des Körpers aus gebündelten Hohlfasermembranen
befindet, und der Seite des zweiten Strömungswegs, der
sich auf der mittleren Seite des Körpers aus gebündelten
Hohlfasermembranen befindet, wodurch verhindert wird, dass sich
das erste Fluid und das zweite Fluid mischen. Das Dichtungselement
ist zwischen dem Außenumfang des Zylinders des Körpers
aus gebündelten Hohlfasermembranen und dem Innenumfang
des Zylinders des äußeren Gehäuses angeordnet,
um die Lücke zwischen ihnen zu füllen, wodurch
die Dichtfunktion erfüllt wird. Somit sind vorzugsweise
die zylindrische Form des Außenumfangs des Körpers
aus gebündelten Hohlfasermembranen und die zylindrische
Form des Innenumfangs des äußeren Gehäuses
einander ähnlich und der Abstand zwischen dem Innenumfang
und dem Außenumfang ist in Umfangsrichtung (in dem Bereich,
wo das Dichtungselement verformt werden kann) vorzugsweise im Wesentlichen
konstant, wodurch die Dichtungsstabilität verbessert wird.
Das ringförmige Dichtungselement ist in der Regel so geformt,
dass es dem Innenumfang oder dem Außenumfang entspricht.
In dem Fall, wo das Dichtungselement aus einem Harz gebildet ist,
das leicht elastisch zu verformen ist (z. B. Gummi). Jedoch kann
die Dichtfunktion auch dann gewährleistet werden, wenn seine
Form sich vom Innenumfang und vom Außenumfang unterscheidet.
Der Ringquerschnitt des Dichtungselements ist im Allgemeinen kreisförmig
oder elliptisch geformt, wodurch eine lineare Abdichtung erreicht
wird. Jedoch kann der Querschnitt auch andere Formen haben, wie
eine rechtwinklige Form oder dergleichen, solange die Dichtfunktion
gewährleistet ist.
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In
dem Hohlfasermembranmodul wird eine Fluidkomponente zwischen dem
ersten Fluid und dem zweiten Fluid durch die Hohlrasermembranen hindurch
transportiert. Die Fluidkomponente ist in der Regel ein gasförmiger
Körper oder ein flüssiger Körper, der
im Wesentlichen aus einem Fluid besteht, und kann einen Feststoff
enthalten, der mit dem Fluid gemischt ist. Das erste Fluid und das
zweite Fluid werden nicht miteinander vermischt, obwohl ihre Strömungswege
beide unter Verwendung des äußeren Gehäuses
gebildet werden, da sie von dem Dichtungselement eingeschlossen
werden. Ferner können sie auf relativ einfache Weise eingeschlossen werden,
da keine Notwendigkeit für eine Abdichtung mit einer Dichtungsbeilage
oder einem Isolierverguss besteht. Das Dichtungselement kann den
ersten Strömungsweg und den zweiten Strömungsweg
direkt gegeneinander isolieren oder kann, wenn es keine Wand des
ersten Strömungswegs und/oder des zweiten Strömungswegs
darstellt, zusätzlich oder hilfsweise vorgesehen sein.
Es kann eine Vielzahl von den Dichtungselementen vorgesehen sein.
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In
einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
weist der erste Strömungsweg einen ersten Einlassströmungsweg
auf, der an einem Ende des Hohlfasermembranbündels ausgebildet
ist und der das erste Fluid in das eine Ende des Hohlfasermembranbündels
einführt, sowie einen ersten Auslassströmungsweg,
der am anderen Ende des Hohlfasermembranbündels ausgebildet
ist und der das erste Fluid aus dem anderen Ende des Hohlfasermembranbündels
ausführt, und das Dichtungselement sorgt für eine
Abdichtung zwischen der Seite des ersten Einlassströmungswegs
und der Seite des zweiten Einlassströmungswegs oder für
eine Abdichtung zwischen der Seite des ersten Auslassströmungswegs
und der Seite des zweiten Auslassströmungswegs. Natürlich
können sowohl das Dichtungselement, das für eine
Abdichtung zwischen der Seite des ersten Einlassströmungswegs
und der Seite des zweiten Strömungswegs sorgt, als auch
das Dichtungselement, das für eine Abdichtung zwischen der
Seite des ersten Auslassströmungswegs und der Seite des
zweiten Strömungswegs sorgt, vorgesehen sein.
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In
einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
weist der Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
ein inneres Gehäuse mit einem zylindrischen Teil auf, der
den Körper aus gebündelten Hohlfasermembranen
von der Seite her umschließt, wobei der zylindrische Teil
des inneren Gehäuses entlang seiner gesamten Länge so
ausgebildet ist, dass er einen zylindrischen Außenumfang
aufweist. Das innere Gehäuse kann das Hohlfasermembranbündel
lösbar aufnehmen oder es kann mit dem Hohlfasermembranbündel
zu einer Einheit verbunden sein. Entsprechend der Struktur kann
die Form der Hohlfasermembranen dadurch geändert werden,
dass die Form des inneren Gehäuses in eine vorgegebene
Form gebracht wird.
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In
einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
weist der zweite Strömungsweg einen zweiten Einlassströmungsweg
auf, der an einer bestimmten Stelle in Längsrichtung des inneren
Gehäuses durch dessen Seitenwand hindurchgeht und der das
zweite Fluid in die Seitenfläche des Hohlfasermembranbündels
einführt, sowie einen zweiten Auslassströmungsweg,
der an einer anderen Stelle in Längsrichtung des inneren
Gehäuses durch dessen Seitenwand hindurchgeht und der das
zweite Fluid aus der Seitenfläche des Hohlfasermembranbündels
ausführt, und weist ferner ein ringförmiges Dichtungselement
auf, das zwischen dem Außenumfang des zylindrischen Teils
des inneren Gehäuses und dem Innenumfang des zylindrischen Teils
des äußeren Gehäuses vorgesehen ist und
für eine Abdichtung zwischen der Seite des zweiten Einlassströmungswegs
und der Seite des zweiten Auslassströmungswegs sorgt.
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In
einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
werden die Hohlfasermembranen und das innere Gehäuse unter
Verwendung des gleichen Harzes oder unterschiedlicher Harze hergestellt,
die jeglichen Unterschied der Wärmeausdehnung zwischen
jenen absorbieren können, wird das äußere
Gehäuse unter Verwendung eines Metalls gefertigt und wird
das ringförmige Dichtungselement unter Verwendung eines
komprimierbaren Materials gefertigt, das jeglichen Unterschied der Wärmeausdehnung
zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren
Gehäuse absorbieren kann. Das äußere
Gehäuse ist im Hinblick auf den Schutz des Inneren vorzugsweise
robust und es wird ein metallischer Werkstoff verwendet. Im Allgemeinen
ist ein Metall anfällig für eine Wärmeausdehnung
und der Abstand zum inneren Gehäuse, das aus einem Harz gefertigt
ist, das nur wenig Wärmeausdehnung durchmacht, schwankt.
Somit wird ein Material, das in einem solchen Umfang elastisch verformt
werden kann, dass es jeglichen Unterschied in der Wärmeausdehnung
absorbieren kann, als Dichtungselement verwendet.
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In
einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
ist eine perforierte Teilungsplatte, die das zweite Fluid sich in
der Zylinderachsenrichtung ausbreiten lässt und es zur
Seitenfläche des Hohlfasermembranbündels lenkt,
zwischen dem inneren Gehäuse und dem Hohlfasermembranbündel
im zweiten Einlassströmungsweg vorgesehen. Eine perforierte
Teilungsplatte kann ebenso im zweiten Auslassströmungsweg
vorgesehen sein. In einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls
der Erfindung sind in einem Bereich der Teilungsplatte, der direkt
von dem in das innere Gehäuse eingeführten zweiten
Fluid getroffen wird, keine Löcher in der perforierten
Teilungsplatte vorgesehen. Alternativ dazu sind die Löcher
in dem Bereich so vorgesehen, dass die Lochfläche kleiner
ist als die anderen Stellen. Die Lochfläche bedeutet hierin
die Fläche der Löcher pro Einheitsfläche.
Auch wenn die Lochgröße konstant ist, nimmt die
Lochfläche ab, wenn die Zahl der Löcher klein
ist, und wenn die Zahl der Löcher konstant ist, nimmt die
Lochfläche auch ab, wenn die Löcher klein sind.
In einer Ausführungsform des Hohlfasermembranmoduls der Erfindung
nimmt die Lochfläche der perforierten Teilungsplatte in
der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand von dem Bereich
der Teilungsplatte, der direkt von dem durch das innere Gehäuse
eingeführten Fluid getroffen wird, zu. Entsprechend diesem
Aufbau kann das zweite Fluid an weit entfernte Stellen gebracht
werden.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung weist
eine Brennstoffzelle auf, die durch die Durchführung einer
chemischen Reaktion, mit der aus zugeführtem Wasserstoff
und Sauerstoff Wasser erzeugt wird, elektrische Energie erzeugt.
Eines von den ersten und zweiten Fluiden ist ein Fluid, das Sauerstoff
enthält, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird,
das andere ist ein Fluid, das Wasser enthält, das in der
Brennstoffzelle erzeugt wird, und das Hohlfasermembranmodul transportiert
zumindest einen Teil des Wassers, das in der Brennstoffzelle erzeugt wird,
zu dem sauerstoffhaltigen Fluid, das der Brennstoffzelle zugeführt
wird, um das Fluid zu befeuchten. In einer typischen Ausführungsform
ist das sauerstoffhaltige Fluid, das der Brennstoffzelle zugeführt wird,
Luft und wird der Kathode zugeführt. Das Fluid, das in
der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser enthält (welches als
Wasserdampf vorliegen kann), ist ein Gas, das aus der Kathode ausgeführt
wird (ein Abgas). Wasser im Abgas wird durch das Hohlfasermembranmodul
zu dem Gas transportiert, das der Kathode zugeführt wird,
wodurch der Kathode ein befeuchtetes Gas zugeführt wird,
was die Leistung der Brennstoffzelle verbessert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Skizze, die ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem
zeigt.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung eines Befeuchtungsmembranmoduls.
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3 zeigt
ein Beispiel für eine perforierte Platte.
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4 zeigt
ein Beispiel für eine Durchgangsöffnung mit einem
Ausrichtungsgitter.
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5 ist
eine Skizze, welche die Strömung eines Abgases zeigt.
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BESTE WEISE ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Darstellung des schematischen Aufbaus eines Brennstoffzellensystems 10. Das
Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug
installiert und dient als Antriebsquelle des Brennstoffzellen-Fahrzeugs. Das
Brennstoffzellensystem 10 enthält als Hauptbestandteile
eine Brennstoffzelle 12 und ein Befeuchtungsmembranmodul 22.
Wasserstoffgas wird der Anode der Brennstoffzelle 12 auf
einem Wasserstoff-Zufuhrweg 14 zugeführt und ein
gebrauchtes Gas wird auf einem Wasserstoff-Ausfuhrweg 16 ausgeführt.
Luft wird einer Kathode der Brennstoffzelle 12 vom Befeuchtungsmembranmodul 22 auf
einem Luft-Zufuhrweg 18 zugeführt, und ein gebrauchtes Gas
(Abgas) wird auf einem Luft-Ausfuhrweg 20 ausgeführt.
Die Brennstoffzelle 12 erzeugt elektrische Leistung mittels
einer chemischen Reaktion von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas und
liefert die elektrische Leistung zu einem Elektromotor oder dergleichen,
der in der Figur nicht dargestellt ist. Wasser (flüssiges
Wasser oder Wasserdampf) wird in der chemischen Reaktion gebildet.
Wasser wird zusammen mit dem Abgas auf dem Luft-Ausfuhrweg 20 ausgeführt.
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Das
im Querschnitt dargestellte Befeuchtungsmembranmodul 22 ist
eine Einrichtung, die aus einem Hohlfasermembranmodul besteht, das
Luft, die der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird,
mit dem stark befeuchteten (viel Wasser enthaltenden) Abgas, das
aus der Brennstoffzelle 12 ausgeführt wird, befeuchtet.
Das Befeuchtungsmembranmodul 22 ist mit einem Baugruppenrahmen
bzw. -gehäuse 24 umschlossen, der bzw. das aus
Aluminium oder dergleichen besteht. Das Baugruppengehäuse 24 weist Öffnungen
auf, die eine Auslassöffnung 26 und eine Einlassöffnung 28 für
die Luft und eine Einlassöffnung 30 und eine Auslassöffnung 32 für
das Abgas einschließen.
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2 zeigt
einen Querschnitt entlang einer Linie A-A' von 1 und
zeigt das Befeuchtungsmembranmodul 22. Aus der Figur geht
hervor, dass das Baugruppengehäuse 24 einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Das heißt, das Baugruppengehäuse 24 ist
zylindrisch geformt.
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In
dem Baugruppengehäuse 24 ist ein Befeuchtungsmembranrahmen
bzw. -gehäuse 34 aus Harz mit einem zylindrisch
geformten Außenumfang untergebracht. Rohrförmige
Dichtungselemente 36, 38, 40 und 42 aus
Gummi sind zwischen dem Außenumfang des Befeuchtungsmembrangehäuses 34 und dem
Innenumfang des Baugruppengehäuses 42 vorgesehen,
wodurch eine lineare Abdichtung erreicht wird. Die Abdichtung wird
geschaffen, um die Luft und das Abgas in den vorgegebenen Regionen
im Baugruppengehäuse 24 zu halten.
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Aus 1 und 2 geht
hervor, dass im Befeuchtungsmembrangehäuse 34 eine
Durchgangsöffnung 44 mit einem Ausrichtungsgitter
in dem auf die Einlassöffnung 30 des Baugruppengehäuses 24 gerichteten
Bereich vorgesehen und mit einem niedrigen rechtwinkligen Parallelflachraum 48 im
Gehäuse verbunden ist. Die Durchgangsöffnung 44 mit dem
Ausrichtungsgitter ist abwärts zum Raum 48 hin geneigt.
Die Neigung wird vorgesehen, damit das zugeführte Abgas
leichter in den tieferen Teil des Raums 48 gelangen kann.
Im Befeuchtungsmembrangehäuse 34 ist eine Durchgangsöffnung 46 in dem
auf die Auslassöffnung 32 des Baugruppengehäuses 24 gerichteten
Bereich vorgesehen und mit einem dünnen rechtwinkligen
Parallelflachraum 50 innerhalb des Gehäuses verbunden.
Innerhalb der dünnen rechtwinkligen Parallelflachräume 48 und 50 sind
dünne rechtwinklige Platten 52 und 54 vorgesehen.
Eine rechtwinklige Parallelflach-Befeuchtungsmembran 56 wird
so vorgesehen, dass sie von den Platten 52 und 54 gehalten
wird. Die Befeuchtungsmembran 56 wird durch Bündeln
dünner und langer Hohlfasermembranen gefertigt, an deren
oberen und unteren Enden Lücken zwischen den Hohlfasermembranen
mit Klebstoff aufgefüllt werden. Das Befeuchtungsmembrangehäuse 34 und
die Platten 52 und 54 werden fest verklebt, um
Lücken zu vermeiden.
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Nun
wird der Aufbau der in 1 dargestellten Platte 52 mit
Bezug auf 3 beschrieben. Die Platte 52 besteht
aus einem Harz mit der gleichen Beschaffenheit wie das Befeuchtungsmembrangehäuse 34 und
dient als Gehäuse, das zusammen mit dem Befeuchtungsmembrangehäuse 34 die
Befeuchtungsmembran 56 umschließt. Die Platte 52 weist
fünf rechtwinklige Löcher 72, 74, 76, 78 und 80 auf,
durch die das Abgas strömen kann. Größe
und Verteilung der Löcher sind ungleichmäßig.
Genauer ist eine lochfreie Plattenregion 70 mit einem Ausrichtungsgitter
an dem Teil vorgesehen, der auf die Durchgangsöffnung 44 gerichtet
ist. Die Plattenregion 70 hat die Aufgabe, die Befeuchtungsmembran 56 abzuschirmen,
um zu verhindern, dass das durch die Durchgangsöffnung 44 strömende
Abgas direkt auf die Befeuchtungsmembran 56 trifft, und
die Funktion, das Abgas im Raum 48 zu verteilen. Die Löcher 72 und 74,
die oberhalb und unterhalb der Plattenregion 70 vorgesehen
sind, sind relativ klein. Der Grund dafür ist, dass das
Abgas in der Nähe der Löcher einen höheren
Druck aufweist als im Umgebungsabschnitt und dass somit die Strömungsrate
des Abgases, das in die Befeuchtungsmembran 56 strömt,
relativ hoch ist, obwohl die Löcher klein sind. Dagegen
sind die drei Löcher 76, 78 und 80 im
unteren Teil abseits von der Plattenregion 70 relativ groß und
sind so angeordnet, dass eine ausreichende Strömungsrate
zur Befeuchtungsmembran 56 auch bei niedrigem Druck gewährleistet
ist.
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Die
in 1 dargestellte Durchgangsöffnung 44 mit
dem Ausrichtungsgitter wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist
eine schematische Darstellung der mit einem Ausrichtungsgitter versehenen Durchgangsöffnung 44,
betrachtet in einem Winkel von der Außenseite des Befeuchtungsmembrangehäuses 34 aus.
Die mit einem Ausrichtungsgitter versehene Durchgangsöffnung 44 ist
mit einem Gitter versehen, das eine große Zahl an kleinen
Löchern 82, 84, 86 und dergleichen
aufweist. Das Gitter erstreckt sich in Tiefenrichtung der Figur
und richtet den Strom des hindurchströmenden Abgases aus.
Somit wird das Abgas, das im Allgemeinen turbulent strömt, so
ausgerichtet, dass es in Schichten strömt, wodurch der
Strom des Abgases, das in den Raum 48 gelangt, stabilisiert
wird.
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Nun
wird wiederum mit Bezug auf 1 die Funktionsweise
des Befeuchtungsmembranmoduls 22 beschrieben. Im Befeuchtungsmembranmodul 22 wird
verdichtete Luft von der Einlassöffnung 28 in
das Baugruppengehäuse 24 geschickt. Der Raum,
wo die Luft eintritt, wird als Lufteinlass-Strömungsweg 58 bezeichnet.
Die unter hohem Druck stehende Luft, die in den Lufteinlass-Strömungsweg 58 geschickt wird,
gelangt vom unteren Ende der Befeuchtungsmembran 56 in
jeden der hohlen Teile der Hohlfasermembranen. Der Grund dafür
ist, dass es im Lufteinlass-Strömungsweg 58 keinen
Auslass gibt, durch den die Luft ausgeführt wird. Beispielsweise
ist das Dichtungselement 42 in der Lücke zwischen
dem Befeuchtungsmembrangehäuse 34 und dem Baugruppengehäuse 24 vorgesehen,
und daher tritt keine Luft über das Dichtungselement 42 aus.
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Die
Luft, die vom unteren Ende der Befeuchtungsmembran 56 her
eintritt, wird durch Absorbieren von Wasser (oder Wasserdampf),
das (bzw. der) durch die Membran entweicht, befeuchtet, während sie
in den Hohlfasermembranen fortströmt. Die Luft strömt
aus dem oberen Ende der Befeuchtungsmembran 56 und füllt
den Luftauslass-Strömungsweg 60, der zwischen
der oberen Stirnfläche des Befeuchtungsmembrangehäuses 34 und
der Unterseite der oberen Wand des Baugruppengehäuses 24 erzeugt wird.
Die Luft, die den Luftauslass-Strömungsweg 60 füllt,
tritt nicht über das Dichtungselement 36 aus,
da sie vom Dichtungselement 36 eingeschlossen wird, und
strömt vollständig von der oberen Auslassöffnung 26 aus.
Die Luft wird der Brennstoffzelle 12 dann auf dem Luftzufuhrweg 18 zugeführt.
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Das
stark befeuchtete Abgas, das aus der Brennstoffzelle 12 ausgeführt
wird, wird auf dem Luft-Ausfuhrweg 20 in die Einlassöffnung 30 des
Befeuchtungsmembranmoduls 22 eingeführt und füllt einen
Abgaseinlass-Strömungsweg 62, der von dort zur
Seitenfläche der Befeuchtungsmembran gebildet ist. Dabei
tritt das Abgas dank der Dichtungselemente 36 und 38,
die auf beiden Seiten vorgesehen sind, nicht aus und strömt
vollständig durch die mit einem Ausrichtungsgitter versehene
Durchgangsöffnung 44 in den Innenraum 48.
Das so strömende Abgas gelangt in die Plattenregion der
Platte 52 und wird im Raum 48 verteilt, so dass
es die Seitenfläche der Befeuchtungsmembran 56 durch
die Löcher der Platte 52 erreicht.
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Das
Abgas erreicht die gegenüberliegende Seitenfläche
der Befeuchtungsmembran 56 durch die Lücken zwischen
den vielen Hohlfasermembranen, die die Befeuchtungsmembran 56 bilden.
In diesem Verlauf wird Wasser durch die Membran in das Innere der
Hohlfasermembranen transportiert. Das Abgas, das solchermaßen
aus der Befeuchtungsmembran 56 strömt, strömt
in einem Abgasauslass-Strömungsweg 64, der die
Auslassöffnung 32 erreicht. Genauer strömt
es durch die Löcher der Platte 54 und erreicht
die Auslassöffnung 32 durch den Raum 50 und
die Durchgangsöffnung 46. In diesem Verlauf tritt
das Abgas wegen der Dichtungselemente 40 und 42 nicht
durch die Lücke zwischen dem Baugruppengehäuse 24 und
dem Befeuchtungsmembrangehäuse 34 aus dem Abgasauslass-Strömungsweg 64 aus.
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5 ist
ein Querschnitt, der schematisch den Zustand des Abgases zeigt,
das im Befeuchtungsmembrangehäuse 34 strömt.
Das Abgas 90, das durch die Einlassöffnung 30 eintritt,
durchquert den Raum 48, wie von einem Strömungspfeil 90 dargestellt,
und gelangt durch die jeweiligen Löcher auf relativ gleichmäßige
Weise in die Befeuchtungsmembran 56. Die Strömungspfeile 94, 96, 98, 100 und 102 zeigen
den Zustand der gleichmäßigen Strömung.
In dem Fall, wo das Abgas im Wesentlichen gleichmäßig durch
alle Lücken der Befeuchtungsmembran 56 strömt,
wie in diesem Fall, ist der Wirkungsgrad des Wasseraustausches durch
die Membran im Vergleich zu dem Fall, wo es ungleichmäßig
ist, verbessert. 5 zeigt den Abgasstrom im Querschnitt,
aber das Abgas strömt ähnlich gleichmäßig
vor und hinter der Zeichnung. Genauer sind die Wegstrecken des Abgases,
das vor und hinter der Zeichnung strömt, einander gleich,
da die Befeuchtungsmembran 56 in Form eines rechtwinkligen
Parallelflachs ausgebildet ist, und somit strömt das Abgas
vor und hinter der Zeichnung in gleichen Mengen. Das Abgas, das
aus der Befeuchtungsmembran 56 strömt, strömt
und mündet in den Raum 50, der vom Strömungsweg 104 dargestellt
ist, und strömt aus der Durchgangsöffnung 46 zur
Außenseite des Befeuchtungsmembrangehäuses 34.
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Wie
oben beschrieben, befeuchtet das Befeuchtungsmembranmodul 22 Luft,
indem es Luft, die der Brennstoffzelle 12 zugeführt
wird, durch die Befeuchtungsmembran 56 hindurch mit dem
Abgas in Kontakt bringt. Dabei strömen das Abgas und die
Luft in die Befeuchtungsmembran 56 und strömen
aus der Befeuchtungsmembran 56 aus, indem sie jeweils von
den Strömungswegen, die unter Verwendung des Befeuchtungsmembrangehäuses 34 und
des Baugruppengehäuses 24 gebildet werden, gelenkt werden.
Jedoch sind ihre Ströme dank der Dichtungselemente 36, 38, 40 und 42,
die zwischen dem Befeuchtungsmembrangehäuse 34 und
dem Baugruppengehäuse 24 vorgesehen sind, eingeschlossen
und mischen sich nicht miteinander.
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Das
Befeuchtungsmembranmodul 22 wird in der Regel durch Installieren
des Befeuchtungsmembrangehäuses 34, das mit den
Dichtungselementen 36, 38, 40 und 42 versehen
sind, im Baugruppengehäuse 24 gefertigt. Im Verlauf
der Installation sind Fälle denkbar, wo die Positionen
der Dichtungselemente 36, 28, 40 und 42 aufgrund
einer Reibung mit dem Baugruppengehäuse 24 abweichen.
Somit ist es empfehlenswert, die Dichtungselemente 36, 38, 40 und 42 durch
Bereitstellen flacher Nuten auf dem Befeuchtungsmembrangehäuse 34 an
den Befestigungspositionen der Dichtungselemente 36, 38, 40 und 42 zu
fixieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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HOHLFASERMEMBRANMODUL UND
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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In
einem Befeuchtungsmembranmodul (22) ist eine Befeuchtungsmembran
(56) mit einer Vielzahl von zusammengebündelten
Hohlfasermembranen in einem Befeuchtungsmembrangehäuse
(34) untergebracht, das einen zylindrischen Außenumfang
aufweist, und das Befeuchtungsmembrangehäuse (34)
ist in einem Baugruppengehäuse (24) untergebracht,
das einen zylindrischen Innenumfang aufweist. Das Baugruppengehäuse
(24) weist auf: eine Einlassöffnung (28),
um Luft hereinzuholen, die in die hohlen Teile der Befeuchtungsmembran 56 strömen
soll, eine Auslassöffnung (26), um die Luft auszuführen,
eine Einlassöffnung (30), um ein Abgas hereinzuholen,
das in Lücken in der Befeuchtungsmembran (56)
strömen soll, und eine Auslassöffnung (32),
um das Abgas auszuführen. Die Luft und das Abgas strömen
in Strömungswegen, die unter Verwendung des Befeuchtungsmembrangehäuses
(34) und des Baugruppengehäuses (24)
gebildet werden, werden aber dank der ringförmigen Dichtungselemente
(36, 38, 40 und 42), die zwischen
dem Befeuchtungsgehäuse (34) und dem Baugruppengehäuse
(24) vorgesehen sind, nicht an anderen Stellen als der
Befeuchtungsmembran (56) miteinander gemischt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-224719 [0003]
- - JP 2004-202478 A [0004, 0006]
- - JP 2001-201122 [0005]
- - JP 2002-219339 A [0005, 0005]
- - JP 2001-201122 A [0005]
- - JP 2005-224719 A [0006]