DE112012000477T5

DE112012000477T5 - Befeuchter für Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112012000477T5
Application number: DE112012000477T
Authority: DE
Inventors: Doug Vanderwees; Manaf Hasan; Jon Wilson; Jack Kummerow
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US8919746B2; CA2823225C; WO2012094764A1; CN103392097A; CN103392097B; US20120181712A1; JP2014505336A; CA2823225A1; JP6037314B2; KR20140015325A

Abstract

Ein Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf aus einem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom in einem Brennstoffzellensystem weist einen Stapel aus dünnen Platten mit ebenen Abdichtflächen an ihren Kanten, entlang deren sie gegeneinander abgedichtet sind, auf. Eine wasserdurchlässige Membran ist zwischen jedem Paar von Platten in dem Stapel vorgesehen. Jede Platte definiert einen Gasströmungsdurchgang entlang ihrer oberen und unteren Oberfläche, wobei ein Einlass und ein Auslass entlang Kanten der Platte definiert sind, und ein Strömungsfeld, das sich zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung erstreckt. Der Einlass- und der Auslassdurchgang verbinden die Einlass- und die Auslassöffnung mit dem Strömungsfeld, und die ebenen Abdichtflächen auf beiden Seiten der Platte enthalten Überbrückungsbereiche, die sich über den Einlass- und den Auslassdurchgang erstrecken. Stützstrukturen, wie Rippen, sind über das gesamte Strömungsfeld und den Einlass- und den Auslassdurchgang vorgesehen, um die Membran und Diffusionsmediumschicht(en) zu stützen. Die Stützstrukturen können wahlweise durch Stege miteinander verbunden sein, und die Stege sind mit Löchern versehen, um eine Strömungsverteilung zwischen der oberen Seite und der unteren Seite jeder Platte zu ermöglichen.

Description

Querverweis auf bezogene Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/432 429, die am 13. Januar 2011 eingereicht wurde, und der nichtprovisorischen US-Patentanmeldung Nr. 13/225 877, die am 6. September 2011 eingereicht wurde, deren jeweiliger Inhalt hier einbezogen wird
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Befeuchter zum Befeuchten eines Reaktandgases in einem Brennstoffzellensystem.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellensysteme erzeugen elektrische Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel. Viele Brennstoffzellensysteme verwenden einen gasförmigen Brennstoff, wie molekularen Wasserstoff, und ein gasförmiges Oxidationsmittel, wie in Luft enthaltenen, molekularen Sauerstoff. Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt Wasser, das in den Abgasen der Brennstoffzelle abgeführt wird.
Viele Brennstoffzelle, und insbesondere Brennstoffzellen, die für einen Automobilantrieb verwendet werden, basieren auf der Protonenaustauschmembran(PEM)-Technologie. Diese Brennstoffzellen enthalten PEM-Membranen, die bei etwa 80°C arbeiten und die für eine optimale Leistung und Dauerhaftigkeit der Brennstoffzelle feucht gehalten werden müssen. Dies kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass eines oder beide der Reaktandgase ausreichend Feuchtigkeit enthalten, um eine Dehydratisierung der Membranen zu verhindern. Beispielsweise ist es bekannt, Befeuchter in Brennstoffzellensysteme aufzunehmen, um zumindest eines der Reaktandgase durch Übertragung von Wasserdampf aus den Abgasen der Brennstoffzelle zu befeuchten. Befeuchter sind potentiell nützlich bei vielen Brennstoffzellenanwendungen, einschließlich stationärer und tragbarer Energieanwendungen, aber sind besonders nützlich bei Fahrzeuganwendungen, bei denen es wichtig ist, die Energiedichte und Dauerhaftigkeit der Brennstoffzelle zu maximieren, während die Kosten und die Größe minimiert werden.
Bei typischen Befeuchtern für Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik sind wasserdurchlässige Membranen, die durch Gasdiffusionsschichten gestützt werden, zwischen nassen und trockenen Gasströmen angeordnet, und Wasserdampf wird von dem nassen Gasstrom durch die wasserdurchlässige Membran und durch die Gasdiffusionsschichten in den trockenen Gasstrom übertragen. Auf Membranen basierende Befeuchter nach dem Stand der Technik enthalten sowohl rohrförmige als auch ebene Konfigurationen. Ebene Konfigurationen bieten den potentiellen Nutzen eines hohen Leistungswirkungsgrads, einer kompakten Größe und niedriger Herstellungskosten. Technische Herausforderungen bei ebenen Befeuchtern schließen die Erzielung großer den Austauschgasen bei kontrollierten Fluidströmungsraten ausgesetzter Oberflächen der Membranen ein, was bedeutet, dass eng gepackte und sehr kleine und sich beständig wiederholende Zellenabstände (Platte zu Membran) erforderlich sind; und in Verbindung mit zuverlässig abgedichteten Membran-zu-Platte- und Platte-zu-Platte-Verbindungen. Um dicht gepackte Zellenabstände aufrechtzuerhalten, müssen die Platten sehr dünn sein, jedoch auch wirksame Strömungskanäle für die Austauschgase vorsehen, um mit den dazwischen angeordneten Membranen und Gasdiffusionsschichten zu kommunizieren. Darüber hinaus müssen die Druckkräfte und Mittel zum Zusammensetzen und Zusammenhalten der Plattenströmungskanäle und Membranen niedrig genug sein, um entweder eine Beschädigung der zerbrechlichen Membran/Diffusionsschicht-Medien zu vermeiden oder eine Veränderbarkeit des Abstands der Platten/Membranen-Zellen zu induzieren.
Es verbleibt eine Notwendigkeit einer Verbesserung der Struktur von Brennstoffzellen-Befeuchtern, um den vorgenannten Herausforderungen in einer wirksamen und kosteneffizienten Weise zu begegnen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf aus einem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom vorgesehen. Der Befeuchter weist auf: (a) eine Vielzahl von Platten, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei jede der Platten einen Gasströmungsdurchgang für entweder den ersten Gasstrom oder den zweiten Gasstrom definiert. Jede der Platten weist auf: (i) eine Oberseite, eine Unterseite und eine zwischen der Oberseite und der Unterseite gemessene Dicke; (ii) eine Einlassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iii) eine Auslassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iv) ein Strömungsfeld, das in einem mittleren Bereich der Platte definiert ist, wobei das Strömungsfeld eine offene Oberseite entlang der Oberseite der Platte und eine offene Unterseite entlang der Unterseite der Platte hat; (v) einen Einlassdurchgang, der die Einlassöffnung mit der offenen Oberseite und der offenen Unterseite des Strömungsfelds verbindet; (vi) einen Auslassdurchgang, der die offene Oberseite und die offene Unterseite des Strömungsfelds mit der Auslassöffnung verbindet; (vii) eine ebene obere Abdichtfläche, die sich entlang der Oberseite der Platte erstreckt, wobei die obere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (viii) eine ebene untere Abdichtfläche, die sich entlang der Unterseite der Platte erstreckt, wobei die untere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (ix) mehrere Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds befinden und sich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Platte erstrecken. Paare dieser Platten sind in dem Stapel zusammen dichtend verbunden, wobei die obere Abdichtfläche einer Platte mit der unteren Abdichtfläche einer benachbarten Platte dichtend verbunden ist. Der Befeuchter weist weiterhin auf: (b) eine Vielzahl von wasserdurchlässigen Membranen, wobei eine dieser Membranen zwischen jedem Paar von benachbarten Platten in dem Stapel vorgesehen ist und zu dem Paar von benachbarten Platten dichtend verbunden ist und wobei die Stützstrukturen eine Stützung für die wasserdurchlässigen Membranen innerhalb der Strömungsfelder vorsehen; (c) ein Paar von Verteilern für den ersten Gasstrom und ein Paar von Verteilern für den zweiten Gasstrom, wobei ein erstes Paar der Verteiler in Strömungsverbindung mit einer ersten Vielzahl der Platten, die die Gasströmungsdurchgänge für den ersten Gasstrom definieren, ist und wobei ein zweites Paar der Verteiler in Strömungsverbindung mit einer zweiten Vielzahl der Platten, die die Gasströmungsdurchgänge für den zweiten Gasstrom definieren, ist, wobei die Platten gestapelt sind und die Verteiler derart angeordnet sind, dass die Gasströmungsdurchgänge für den ersten Gasstrom mit den Gasströmungsdurchgängen für den zweiten Gasstrom durchgehend in dem Stapel einander abwechseln, und derart, dass jede der wasserdurchlässigen Membranen einen der Gasströmungsdurchgänge für den ersten Gasstrom von einem der Gasströmungsdurchgänge für den zweiten Gasstrom trennt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Befeuchter weiterhin eine Vielzahl von Gasdiffusionsschichten auf, wobei jede der Gasdiffusionsschichten sich zwischen einer der Membranen und dem Strömungsfeld von einer der Platten befindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Gasdiffusionsschichten auf beiden Seiten von jeder der Membranen vorgesehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Gasdiffusionsschichten nur auf einer Seite von jeder der Membranen vorgesehen, und diese Seite dieser Membran ist die Seite, die einem Strömungsfeld des ersten Gasstroms zugewandt ist, derart, dass jede Gasdiffusionsschicht in Kontakt mit dem ersten Gasstrom ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere Rippen auf, die sich durch das Strömungsfeld zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang erstrecken. Die Rippen können eine Höhe haben, die im Wesentlichen dieselbe wie die Dicke der Platte ist. Wenn der Befeuchter eine Vielzahl von Gasdiffusionsschichten enthält, ist die Höhe der Rippen um einen Betrag entsprechend der Dicke der Gasdiffusionsschicht verringert. Die Rippen weisen einen gegenseitigen Abstand auf, der ausreichend ist, die Membran zu stützen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat das Strömungsfeld vier Seiten, wobei der Einlass- und der Auslassdurchgang auf entgegengesetzten Seiten des Strömungsfelds vorgesehen sind und wobei die Rippen sich gerade über das Strömungsfeld zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang erstrecken. Benachbarte Platten in diesem Stapel können in einer Querströmungskonfiguration angeordnet sein, wobei die Rippen benachbarter Platten um 90 Grad gegeneinander angeordnet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können benachbarte Rippen innerhalb jeder der Platten durch mehrere Stege miteinander verbunden sein, wobei jeder der Stege eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche hat. Die Stege können in einer Ebene ausgebildet sein, die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Platte befindet. Die Stege können sich kontinuierlich über die gesamte Länge der Rippe erstrecken, mit der Ausnahme, dass Öffnungen an den Enden der Rippen vorgesehen sind, um eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang entlang sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche der Stege zu ermöglichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die obere und die untere Abdichtfläche gegeneinander versetzt sein. Die obere und die untere Abdichtfläche können jeweils verschiedene Bereiche des Einlass- und des Auslassdurchgangs abdecken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich eine Durchtauchöffnung durch die Platte zwischen Bereichen der oberen und der unteren Abdichtfläche, die sich über den Einlass- und den Auslassdurchgang erstrecken, erstrecken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann jede der Platten mit zumindest einer integralen Verteileröffnung versehen sein, derart, dass zumindest einer der Verteiler integral mit den Platten ausgebildet ist. Jede der Platten kann mit vier integralen Verteileröffnungen versehen sein, derart, dass das erste Paar von Verteilern und das zweite Paar von Verteilern integral mit den Platten ausgebildet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Platten vierseitig, und die Einlass- und die Auslassöffnung sind entlang Umfangskanten der Platten ausgebildet. Die Platten können quadratisch oder rechteckig sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jedes Paar der benachbarten Rippen mit mehreren Stegen verbunden, wobei die Stege einen gegenseitigen Abstand entlang der Länge der Rippen derart haben, dass mehrere Öffnungen durch die Platte zwischen jedem Paar der benachbarten Rippen vorgesehen sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Platte für einen Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf aus einem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom vorgesehen. Die Platte weist auf: (i) eine Oberseite, eine Unterseite und eine zwischen der Oberseite und der Unterseite gemessene Dicke; (ii) eine Einlassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iii) eine Auslassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iv) ein Strömungsfeld, das in einem mittleren Bereich der Platte definiert ist, welches Strömungsfeld eine offene Oberseite entlang der Oberseite der Platte und eine offene Unterseite entlang der Unterseite der Platte hat; (v) einen Einlassdurchgang, der die Einlassöffnung mit der offenen Oberseite und der offenen Unterseite des Strömungsfelds verbindet; (vi) einen Auslassdurchgang, der die offene Oberseite und die offene Unterseite des Strömungsfelds mit der Auslassöffnung verbindet; (vii) eine ebene obere Abdichtfläche, die sich entlang der Oberseite der Platte erstreckt, wobei die obere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (viii) eine ebene untere Abdichtfläche, die sich entlang der Unterseite der Platte erstreckt, wobei die untere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; und (ix) mehrere Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds befinden und sich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Platte erstrecken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Befeuchters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist;
2A eine Draufsicht auf eine nasse Platte des Befeuchters nach 1 ist;
2B eine Unteransicht der nassen Platte ist;
3A eine Draufsicht auf eine trockene Platte des Befeuchters nach 1 ist;
3B eine Unteransicht der trockenen Platte ist;
4 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ecke der in den 2A und 2B gezeigten nassen Platte ist, die die Einlassöffnung und den Durchgang zeigt;
5 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ecke der in den 3A und 3B gezeigten trockenen Platte ist, die die Einlassöffnung und den Durchgang zeigt;
6 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ecke des Kerns des Befeuchters nach 1 ist;
7 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Bereichs des Kerns des Befeuchters nach 1 zwischen zwei Endplatten ist;
8 ein Querschnitt durch einen Bereich des Kerns des Befeuchters nach 1 ist, der Bereiche von zwei nassen Platten und einer trockenen Platte zeigt;
9 eine Draufsicht auf eine nasse Platte eines Befeuchters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist;
10 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ecke der nassen Platte nach 9 ist;
11 eine perspektivische Draufsicht auf eine nasse Platte eines Befeuchters nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist;
12 eine perspektivische Unteransicht der nassen Platte ist;
13 eine perspektivische Draufsicht auf eine trockene Platte eines Befeuchters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist;
14 eine perspektivische Unteransicht der trockenen Platte ist;
15 eine Ansicht ist, die das Stapeln von Platten in dem Befeuchter gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
16A und 16B Bereiche von Platten mit Einrastelementen an ihren Ecken illustrieren;
17A und 17B Draufsichten sind, die die Oberseite und die Unterseite der nassen Platte eines Befeuchters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen;
18A und 18B Draufsichten sind, die die Oberseite und die Unterseite der trockenen Platte des Befeuchters gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen;
19 ein modifiziertes Rippenmuster für den Befeuchter gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
20 bis 22 Variationen der Strömungsfeldkonfiguration in Befeuchtern gemäß der Erfindung zeigen;
23 eine Draufsicht auf die nasse oder trockene Platte eines Befeuchters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
24 eine vergrößerte Ansicht der Oberseite der Befeuchterplatte nach 23 ist, die eine Ecke zeigt;
25 eine Ansicht derselben Ecke wie der in 24 gezeigten entlang der Unterseite der Platte ist;
26 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs des Kerns eines Befeuchters gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
27 eine perspektivische Unteransicht einer nassen Befeuchterplatte in dem Befeuchterkern nach 26 ist; und
28 eine vergrößerte Ansicht des Rippenmusters in dem Strömungsfeld der Platte nach 26 ist.
Detaillierte Beschreibung
Es folgt eine Beschreibung einer Anzahl von Ausführungsbeispielen eines Befeuchters zum Übertragen von Wasserdampf von einem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom. Der erste Gasstrom tritt mit einem relativ Wasserdampfgehalt in den Befeuchter ein und wird nachfolgend manchmal als der ”nasse Gasstrom” bezeichnet. Der zweite Gasstrom tritt mit einem relativ niedrigen Wasserdampfgehalt in den Befeuchter ein und wird nachfolgend manchmal als der ”trockene Gasstrom” bezeichnet.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in den angefügten Zeichnungen viele der Komponenten der hier beschriebenen Befeuchter nicht notwendigerweise maßstabsgereich gezeigt sind und dass bestimmte Abmessungen, wie die Dicke, aus Gründen der Einfachheit oder Klarheit vergrößert wiedergegeben sind.
In der folgenden Beschreibung sind die Befeuchter als Komponenten eines Brennstoffzellensystems beschrieben, bei dem der erste Gasstrom das Abgas der Brennstoffzellenkathode aufweist und der zweite Gasstrom Luft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems aufweist. Das Abgas der Kathode weist Luft auf, die in der Brennstoffzelle reagiert hat und die einen relativ niedrigen Sauerstoffgehalt und einen relativ hohen Wasserstoffgehalt hat, da durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle Sauerstoffverbraucht und Wasser erzeugt wurde. Die Luft in dem zweiten Gasstrom hat einen relativ niedrigen Wassergehalt und kann in einem Kathoden-(oder Ladungs-)Luftkühler einer Kompression und Abkühlung unterzogen werden, bevor er in den Befeuchter eintritt. Dies gilt insbesondere für Automobil-Brennstoffzellensysteme, bei denen die Kathodenluft vorzugsweise unter einen Druck von etwa 1,5 bis 2 bar gesetzt wird, bevor sie der Brennstoffzellenmaschine zugeführt wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der trockene Gasstrom stattdessen den hereingeführten, Wasserstoff enthaltenden Brennstoffstrom aufweisen kann; in diesem Fall weist der nasse Gasstrom typischerweise Anodenabgas auf, das einen höheren Gehalt an Wasserdampf hat als der hereingeführte, Wasserstoff enthaltende Gasstrom.
In den 1 bis 8 ist ein Befeuchter 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel illustriert. Der Befeuchter 10 besteht aus einem Kern 12, der einen Stapel aus Platten aufweist, die nachfolgend weiter beschrieben werden, und zwei Paaren von Verteilern, die sich außerhalb des Kerns 12 befinden. In der folgenden Beschreibung werden die Ausdrücke ”Kern” und ”Stapel” austauschbar verwendet.
Der Kern 12 hat insgesamt sechs Flächen, wobei der nasse Gasstrom in den Kern 12 durch eine seiner Flächen eintritt und durch eine gegenüberliegende Fläche aus dem Kern 12 austritt. In gleicher Weise tritt der trockene Gasstrom in den Kern 12 durch eine seiner Flächen ein und tritt aus dem Kern 12 durch eine gegenüberliegende Fläche aus. Die beiden verbleibenden Flächen werden nicht in den Wasseraustausch einbezogen, sondern dienen als mechanische Befestigungsflächen für die Kompressionsanordnung des Befeuchterstapels zwischen einem Paar von strukturellen Endplatten 72, 173, wie unten weiter beschrieben und in 7 illustriert ist.
Der Kern 12 des Befeuchters 10 weist eine Vielzahl von nassen Platten 14 und eine Vielzahl von trockenen Platten 16 auf, die in abwechselnder Reihenfolge durch den gesamten Stapel angeordnet sind. Die nassen Platten 14 und die trockenen Platten 16 sind flach und haben vier Seiten. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel haben alle vier Seiten jeder Platte 14, 16 eine gleiche Länge, so dass die Platten 14, 16 quadratisch sind. Es ist ersichtlich, dass mit Ausnahme des Ortes der Abdichtnuten 71, deren Funktion nachstehend beschrieben wird, die nassen und die trockenen Platten 14 und 16 identisch sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Nuten 71 entlang aller vier Seiten in Abhängigkeit von der Verteilerkonfiguration vorgesehen oder vollständig eliminiert sein; in diesem Fall sind die nassen und die trockenen Platten identisch. Die Platten 14, 16 können auch eine rechteckige Konfiguration, die zwei lange Seiten und zwei kurze Seiten enthält, haben; in diesem Fall sind zwei verschiedene Plattenkonfigurationen erforderlich.
Die nassen Platten 14 sind ausgebildet für eine Strömung des nassen Gasstroms (z. B. Kathodenabgas) parallel zu zwei Seiten von Platten 14 in der Richtung der Pfeile in den 2A und 2B, und die trockenen Platten sind ausgebildet für eine Strömung des trockenen Gasstroms (z. B. Luft) parallel zu zwei Seiten der Platten 16 in der Richtung der Pfeile in den 3A und 3B. Die nassen und trockenen Platten 14, 16 im Stapel 12 sind so orientiert, dass die jeweiligen nassen und trockenen Gasströme durch den Befeuchter 10 im rechten Winkel zueinander strömen, und daher ist der Befeuchter 10 ein Querströmungsbefeuchter. Da die nassen und die trockenen Platten 14 und 16 im Wesentlichen miteinander identisch sind, ist die folgende Beschreibung primär auf die nasse Platte 14 fokussiert, wobei festzustellen ist, dass die Beschreibung der nassen Platte 14 auch für die trockene Platte 16 gilt, sofern sie nicht als anders beschrieben wird. Auch sind in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung gleiche Elemente von nassen Platten 14 und trockenen Platten 16 durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet.
Für die Kompatibilität mit feuchter Luft sind die Platten 14, 16 aus Polymermaterialien gebildet. Um die genauen Dicken und erforderlichen Merkmale zu erzielen, können die Platten durch einen Formungsvorgang hergestellt werden, wie Kompressionsformen, Kompressions-/Injektionsformen, Spritzgießen, Blattformen oder Thermoformen.
Im Befeuchter 10 strömt der nasse Gasstrom über sowohl die obere als auch die untere Oberfläche jeder nassen Platte 14, während der trockene Gasstrom über sowohl die obere als auch die untere Oberfläche jeder trockenen Platte 16 strömt. Innerhalb des Kerns 12 sind wasserdurchlässige Membranen 18 zwischen benachbarten Platten in dem Stapel eingeklemmt und abgedichtet, wie in 6 gezeigt ist, um die nassen und die trockenen Gasströme körperlich voneinander zu trennen und eine Übertragung von Wasserdampf von dem nassen Gasstrom zu dem trockenen Gasstrom zu ermöglichen.
Die Membranen 18 sind extrem dünne Kunststofffilme und müssen gestützt werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Aus diesem Grund ist jede Membran 18 in dem Stapel normalerweise auf beiden Seiten durch eine Gasdiffusionsschicht 20 gestützt, wie in 6 gezeigt ist, die hier manchmal auch als ein ”Diffusionsmedium” bezeichnet wird. Im Befeuchter 10 sind Gasdiffusionsschichten 20 auf beiden Seiten jeder Membran 18 vorgesehen. Jede Gasdiffusionsschicht 20 kann eine hydrophile Kohlenstofffasermatte aufweisen, die beträchtlich dicker und starrer als die Membran 18 ist, die aber im Vergleich zu den Platten 14, 16 relativ dünn und flexibel ist. Die Gasdiffusionsschicht 20 hat typischerweise eine Dicke von etwa 0,10 mm, während die Membran 18 eine Dicke in der Größenordnung von weniger als etwa 100 Mikrometern haben kann.
Da der eintretende trockene Gasstrom komprimiert ist, hat er typischerweise einen Druck, der höher als der des nassen Gasstroms ist. Die Erfinder haben erkannt, dass der höhere Druck in dem trockenen Gasstrom die Neigung hat, die Membran 18 von der Oberfläche der trockenen Platte 16 wegzuschieben, und daher braucht es nicht erforderlich zu sein, eine Gasdiffusionsschicht 20 zwischen der Membran 18 und der trockenen Platte 16 vorzusehen. Die Erfinder haben auch festgestellt, dass die Leistung des Befeuchters durch die Entfernung der Gasdiffusionsschicht 20 auf der trockenen Seite nicht beeinträchtigt wird, vorausgesetzt, dass die Gasdiffusionsschicht 20 auf der nassen Seite ordnungsgemäß gestützt wird durch Verwendung zweckmäßiger Strömungsfeldausbildungen, wie sie hier beschrieben sind. Daher ist das Vorsehen einer Gasdiffusionsschicht 20 auf der trockenen Seite der Membran 18 optional, und bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine Gasdiffusionsschicht 20 nur auf der nassen Seite jeder Membran 18, d. h. zwischen der Membran 18 und der nassen Platte 14, vorgesehen.
Die Gasströme treten in den Kern 12 ein und verlassen diesen durch die äußeren Kanten der Platten 14, 16, und eine Wasserdampfübertragung findet zwischen den mittleren Bereichen der Platten (hier auch als ”Strömungsfelder” bezeichnet) statt. Um ein Vermischen der nassen und trockenen Gasströme zu verhindern, sind die nassen und trockenen Platten 14, 16 um die Peripherien der Strömungsfelder herum gegeneinander abgedichtet. Die Konstruktion der Platte 14 wird nun nachfolgend diskutiert.
Die nasse Platte 14 enthält eine Oberseite 22 und eine entgegengesetzte Unterseite 24 und hat eine Dicke T (4–5), die als der maximale Abstand zwischen der Oberseite 22 und der Unterseite 24 der Platte 14 definiert ist. Das Produktentwurfsziel besteht darin, die effektive Oberfläche der Membranen 18 zwischen den nassen und den trockenen Gasströmen zu maximieren, während die Dicke T relativ klein gehalten wird (in einem typischen Bereich von 0,75 bis 3 mm), um das Gesamtvolumen und die Höhe des Stapels zu minimieren. Die Dicke T der nassen Platten 14 kann sich von der Dicke T der trockenen Platten 16 in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Kanalgeometrien und den benötigten Druckabfällen unterscheiden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ausdrücke ”Oberseite” und ”Unterseite” hier nur zur Vereinfachung verwendet werden, und sie sollten nicht so gedeutet werden, dass sie die Orientierung der Platten oder der Befeuchter, die hier beschrieben und beansprucht werden, beschränken.
Die nassen Platten 14 werden nun nachfolgend mit Bezug auf die 2A und 2B beschrieben.
Ein Strömungsfeld 32 ist in einem mittleren Bereich der Platte 14 definiert. Das Strömungsfeld 32 definiert die Fläche, in der eine Übertragung von Wasserdampf zwischen dem nassen Gasstrom und dem trockenen Gasstrom durch die Membran 18 stattfindet, und daher wird die Fläche des Strömungsfelds 32 relativ zu der Gesamtfläche der Platte 14 vorzugsweise maximiert. Im Befeuchter 10 hat das Strömungsfeld 32 im Wesentlichen eine quadratische oder rechteckige Form und erstreckt sich bis nahe an die Umfangskanten der Platte 14 heran. Das Strömungsfeld 32 enthält auch mehrere Stützstrukturen, die die Membran 18 und die Gasdiffusionsschichten 20 stützen, um zu verhindern, dass die Membran 18 und die Gasdiffusionsschichten 20 durchhängen und die Strömung des nassen Gasstroms über die Platte 14 beschränken oder blockieren. Im Befeuchter 10 haben die Stützstrukturen die Form von Stützrippen 28, die sich über die gesamte Länge des Strömungsfelds 32 in Längsrichtung erstrecken.
Die Stützrippen 28 haben einen ausreichend engen Abstand voneinander, um die Membran 18 und die Gasdiffusionsschicht 20 zu stützen. Ein typischer Zwischenrippenabstand beträgt etwa 1,0 bis etwa 3,0 mm, beispielsweise etwa 1,5 mm. Die Rippen 28 sind relativ dünn und haben eine obere Gratbreite, die ausreichend groß ist, um die Membran 18 und die Gasdiffusionsschicht 20 zu stützen, ohne sie zu zerschneiden, aber nicht so groß, dass ein enger Pfad für den Wasserdampftransport in dem Zwischenbereich des Rippengrats zu der Membran 18 und/oder der Diffusionsschicht 20 geschaffen wird, und dünn genug, um eine übermäßige Beschränkung der für die Fluidströmung verwendeten Kanalöffnung zu vermeiden. Die Rippen 28 verlaufen auch parallel zueinander, um nicht den Druckabfall unnötig zu erhöhen. Die Rippen 28 haben typischerweise eine Breite von etwa 0,3 bis etwa 1,0 mm, zum Beispiel etwa 0,5 mm. Da die Gasdiffusionsschicht(en) 20 auch die Membran 18 stützt/stützen, ermöglicht die Verwendung einer dickeren Gasdiffusionsschicht einen größeren Rippenabstand und breitere Rippen 28, aber erhöht die Stapelhöhe. Die vorstehend offenbarten, beispielhaften Rippendicken und -abstände basieren auf einer typischen Dicke der Gasdiffusionsschicht 20 von etwa 0,1 mm. Da die Rippen 28 die Membran 18 und optional die Gasdiffusionsschicht 20 stützen, hat das Strömungsfeld 32 eine offene obere Seite und eine offene untere Seite.
Die sich durch das Strömungsfeld 32 erstreckenden Stützrippen 28 haben eine Höhe, die im Wesentlichen dieselbe wie die Dicke T der Platte 14 ist, aber die typischerweise etwas geringer als die Dicke T ist, da das Strömungsfeld 32 und die umgebenden Bereich der Platte 14 unmittelbar außerhalb des Strömungsfelds 32 in der Dicke verringert sind, um eine flache Tasche zu bilden, in der die Gasdiffusionsschicht 20 aufgenommen ist. Es ist ersichtlich, dass eine Schulter 23 auf der oberen Seite 22 der nassen Platte 14 vorgesehen ist, die den Bereich verringerter Dicke definiert und die die Fläche der Gasdiffusionsschicht 20 definiert. Eine entsprechende Schulter 25 ist auf der Unterseite 24 der Platte 14 vorgesehen. Daher ist bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel, wie es in dem Querschnitt der 8 gezeigt ist, die Höhe der Rippen 28 in dem Strömungsfeld 32 der Platte 14 gleich der Dicke T der Platte 14 minus der zweifachen Dicke der Gasdiffusionsschicht 20.
Die Gesamtdicke T der Platten 14, 16 sowie die Höhe, die Breite und der Abstand der Rippen 28 sind nicht notwendigerweise auf der nassen Platte 14 dieselben wie auf der trockenen Platte 16. Beispielsweise können diese Abmessungen variiert werden, um den Druckabfall in dem nassen und dem trockenen Gasstrom einzustellen, und sie können variiert werden, um die Druckdifferenz zwischen dem nassen und dem trockenen Gasstrom in Betracht zu ziehen. Auch können die Taschen 23, 25 für die Gasdiffusionsschicht 20 bei Ausführungsbeispielen, bei denen die optionale Gasdiffusionsschicht 20 auf der trockenen Seite der Membran 18 eliminiert ist, in der trockenen Platte 16 eliminiert sein, und dies hat einen Einfluss auf die Höhe der Rippen 28 in der trockenen Platte 16.
Anstelle der Verwendung von Stützrippen können Vertiefungen, längliche Vertiefungen, wellenförmige oder abgewinkelte diskontinuierliche Rippen oder andere Vorsprünge als Stützstrukturen vorgesehen sein.
Die nasse Platte 14 hat eine Einlassöffnung 26, die in einer Kantenfläche der Platte 14 vorgesehen ist, in diesem Fall eine Kantenfläche, die sich entlang der äußeren Umfangsfläche der Platte 14 auf einer Seite der Platte 14 erstreckt. Die Einlassöffnung 26 erstreckt sich entlang des größten Teils der Länge dieser Kantenfläche und endet nahe den Ecken der Platte 14. Die Einlassöffnung 26 ist an der oberen Seite 22 der Platte 14 offen und an der Unterseite 24 geschlossen.
Ein Einlassdurchgang 36 verbindet die Einlassöffnung 26 mit dem Strömungsfeld 32 und sieht eine Strömungskommunikation von der Einlassöffnung 26 zu der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds 32 vor. Die Stützrippen 28 des Strömungsfelds 32 erstrecken sich durch den Einlassdurchgang 36 zu der Kantenfläche, in der die Einlassöffnung 26 vorgesehen ist, wodurch sie die Einlassöffnung 26 und den Einlassdurchgang 36 teilen und Stützung für diese zur Verfügung stellen. Die nasse Platte 14 hat auch eine ähnlich ausgebildete Auslassöffnung 30, die in einer Kantenfläche der Platte 14 vorgesehen ist, wobei die Kantenfläche sich entlang der entgegengesetzten äußeren Umfangskante der Platte 14 erstreckt, die auch eine der Seiten der Platte 14 definiert. Die Auslassöffnung 30 erstreckt sich entlang des größten Teils der Länge der Kantenfläche, wobei sie nahe den Ecken der Platte 14 endet. Die Auslassöffnung 30 ist auch an der Oberseite 20 der Platte 14 geöffnet und an der Unterseite 24 geschlossen.
Ein Auslassdurchgang 38 verbindet die Auslassöffnung 30 mit der offenen Oberseite und der offenen Unterseite des Strömungsfelds 32 und sieht eine Strömungskommunikation von der Auslassöffnung 30 zu dem Strömungsfeld 32 vor. Die Stützrippen 28 des Strömungsfelds 32 erstrecken sich auch durch den Auslassdurchgang 38 zu der Kantenfläche, in der die Auslassöffnung 30 vorgesehen ist, wobei sie die Auslassöffnung 30 und den Auslassdurchgang 38 teilen und eine Stützung von diesen zur Verfügung stellen.
Die Oberseite 22 der Platte 14 ist mit einer ebenen oberen Abdichtfläche 34 versehen, entlang der die Oberseite 22 der Platte 14 gegenüber der Membran 18, die sich zwischen der Platte 14 und der angrenzenden trockenen Platte 16 befindet, abgedichtet ist; und die trockene Platte 16 ist gegenüber derselben Membran 18 entlang der jeweiligen unteren Abdichtfläche 44 abgedichtet. Die ebene obere Abdichtfläche 34 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum, wodurch sie das Strömungsfeld 32 vollständig umgibt und auch die Gasdiffusionsschicht 20 und die Schulter 23 umgibt, wo dies anwendbar ist. Die obere Abdichtfläche 34 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 40, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 42, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 auf der Oberseite 22 der Platte 14 geschlossen und auf der Unterseite 24 geöffnet. Diese Überbrückungsbereiche 40, 42 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der Oberseite 22 der Platte 14, während ermöglicht wird, dass der nasse Gasstrom zwischen den äußeren Umfangskantenflächen der Platte 14 und dem mittleren Strömungsfeld 32 strömt.
Die Unterseite 24 der Platte 14 ist mit einer ebenen unteren Abdichtfläche 44 versehen, entlang der die Unterseite 24 der Platte 14 gegenüber einer benachbarten trockenen Platte 16 abgedichtet ist. Die ebene untere Abdichtfläche 44 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum, wodurch sie das Strömungsfeld 32 vollständig umgibt und auch die Gasdiffusionsschicht 20 und die Schulter 25 umgibt, wo dies anwendbar ist. Die untere Abdichtfläche 44 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 46, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 48, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 auf der Unterseite 24 der Platte 14 geschlossen und auf der oberen Seite 22 geöffnet. Diese Überbrückungsbereiche 46, 48 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der unteren Seite 24 der Platte 14, während sie ermöglichen, dass der nasse Gasstrom zwischen den äußeren Umfangskantenflächen der Platte 14 und dem mittleren Strömungsfeld 32 strömt.
Die trockenen Platten 16 werden nun nachfolgend mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben.
Ein Strömungsfeld 32 ist auch in einem mittleren Bereich der Platte 16 definiert. Das Strömungsfeld 32 enthält mehrere Stützstrukturen, die die Membran 18 und die Gasdiffusionsschichten 20 stützen, um zu verhindern, dass die Membran 18 und die Gasdiffusionsschichten 20 durchhängen und die Strömung des nassen Gasstroms über die Platte 16 einschränken oder blockieren. Im Befeuchter 10 haben diese Stützstrukturen die Form von Stützrippen 28, die sich über die gesamte Länge des Strömungsfelds 32 in Längsrichtung erstrecken. Die trockene Platte 16 hat eine obere Seite 22 und eine untere Seite 24. Auf der unteren Seite 24 der trockenen Platte 16 ist, wie in 3B gezeigt ist, eine Einlassöffnung 26 in einer Kantenfläche der Platte 16 vorgesehen, die in diesem Fall eine Kantenfläche ist, die sich entlang der äußeren Umfangskante der Platte 16 auf einer Seite der Platte 16 erstreckt. Die Einlassöffnung 26 erstreckt sich entlang des größten Teils der Länge dieser Kantenfläche und endet nahe den Ecken der Platte 16. Die Einlassöffnung 26 ist auf der unteren Seite 24 der Platte 16 offen und auf der oberen Seite 22 geschlossen. Die Platte 16 hat auch einen Einlassdurchgang 36, der die Einlassöffnung 26 mit dem Strömungsfeld 32 verbindet.
Die trockene Platte 16 hat auch eine Auslassöffnung 30, die in einer Kantenfläche der Platte 16 vorgesehen ist, welche Kantenfläche sich entlang der gegenüberliegenden äußeren Umfangsfläche der Platte 16, die auch eine der Seiten der Platte 16 definiert, erstreckt. Die Auslassöffnung 30 erstreckt sich entlang des größten Teils der Länge dieser Kantenfläche und endet nahe den Ecken der Platte 16. Die Auslassöffnung 30 ist auch auf der unteren Seite 24 der Platte 16 offen und auf der oberen Seite 22 geschlossen. Die Platte 16 hat auch einen Auslassdurchgang 38, der die Auslassöffnung 30 mit dem Strömungsfeld 32 verbindet.
Die obere Seite 22 der Platte 16 ist, wie in 3A gezeigt ist, mit einer ebenen oberen Abdichtfläche 34 versehen, entlang der die obere Seite 22 der Platte 16 gegenüber der Membran 18, die sich zwischen der Platte 16 und der angrenzenden unteren Seite 24 der nassen Platte 14 befindet, abgedichtet ist. Die ebene obere Abdichtfläche 34 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum, wodurch sie das Strömungsfeld 32 vollständig umgibt und auch die Gasdiffusionsschicht 20 und die Schulter 23 umgibt, wo dies anwendbar ist. Die obere Abdichtfläche 34 der Platte 16 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 46, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 48, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 auf der oberen Seite 22 der Platte 16 geschlossen und auf der unteren Seite 24 offen. Diese Überbrückungsbereiche 46, 48 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der oberen Seite 22 der Platte 16, während dem nassen Gasstrom ermöglicht wird, zwischen den äußeren Umfangskantenflächen der Platte 16 und dem mittleren Strömungsfeld 32 zu strömen.
Wie in 3B gezeigt ist, ist die untere Seite 24 der Platte 16 mit einer ebenen unteren Abdichtfläche 44 versehen, entlang der die untere Seite 24 der Platte 16 gegenüber der oberen Seite 22 einer angrenzenden trockenen Platte 16 durch die Membran 18 abgedichtet ist. Die ebene untere Abdichtfläche 44 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum, wodurch sie das Strömungsfeld 32 vollständig umgibt und auch die Gasdiffusionsschicht 20 und die Schulter 25 umgibt, wo dies anwendbar ist. Die untere Abdichtfläche 44 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 40, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 42, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 auf der unteren Seite 24 der Platte 16 geschlossen und auf der oberen Seite 22 offen. Diese Überbrückungsbereiche 40, 42 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der unteren Seite 24 der Platte 16, während dem nassen Gasstrom ermöglicht wird, zwischen den äußeren Umfangskantenflächen der Platte 16 und dem mittleren Strömungsfeld 32 zu strömen.
Die folgende Beschreibung gilt für beide Platten 14 und 16.
Die oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 definieren Bereiche, in denen die Dicke der Platte 14, 16 gleich ihrer maximalen Dicke ist. Abdichtmittel sind innerhalb der oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 vorgesehen, entlang deren benachbarte Platten 14, 16 und Membranen 18 in dem Stapel gegeneinander abgedichtet sind. Beispielsweise können, wie in den 4 und 5 gezeigt ist, sowohl die oberen als auch die unteren Abdichtflächen 34, 44 jeweils mit einer flachen Nut 68 versehen sein, die eine ähnliche Tiefe wie die Tasche für die Gasdiffusionsschicht 20 hat. Innerhalb dieser Nut 68 ist ein Abdichtmaterial 70 mit vorbestimmter Komprimierbarkeit vorgesehen. Das Abdichtmaterial 70 kann durch einen Druckvorgang, wie Siebdrucken, Tintenstrahldrucken oder Schablonendrucken, auf die Platten 14, 16 aufgebracht werden. Alternativ kann das Abdichtmaterial 70 durch flüssiges Spritzgießen auf die Platten 14, 16 aufgebracht werden. Es ist auch möglich, das Abdichtmaterial 70 in der Form einer ungehärteten Flüssigkeit oder Paste, beispielsweise unter Verwendung eines Roboters, auf die Platten aufzubringen und nachfolgend das Abdichtmaterial an diesem Ort auszuhärten. Diese Aufbringungsverfahren sehen eine integrale Abdichtung zwischen dem Abdichtmaterial 70 und der Platte 14, 16 vor der Montage des Entfeuchters vor. Diese Aufbringungsverfahren ermöglichen auch eine genaue Steuerung der Dicke des Abdichtmaterials 70, wodurch sich weitere, nachfolgend diskutierte Vorteile ergeben.
Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, kann das Abdichtmaterial 70 anfänglich als eine dünne Perle erscheinen, die schmaler und höher als die Nut 68 ist, derart, dass sie über die Nut 68 hinausragt. Jedoch werden, wie in 8 gezeigt ist, während der Montage des Kerns 12 benachbarte Platten 14, 16 zusammengedrückt, wobei das komprimierbare Abdichtmaterial 70 an den oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 durch den Kontakt mit dem komprimierbaren Abdichtmaterial 70 an den oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 von benachbarten Platten 14, 16 zusammengedrückt wird (mit ”Kontakt” ist gemeint, dass die Schichten von komprimierbarem Abdichtmaterial 70 an benachbarten Platten 14, 16 in direktem Kontakt oder die Membran 18 getrennt sein können). Das komprimierbare Abdichtmaterial 70 wird in einem Ausmaß zusammengedrückt, dass es sich in die Nut 68 ausbreitet, während es gegenüber der Membran 18 und/oder dem komprimierbaren Material 70 an einer benachbarten Platte 14, 16 abdichtet, und derart, dass die Bereiche von Abdichtflächen 34, 44 auf jeder der Seite der Nut 68 in Kontakt miteinander gelangen, wodurch ein ”harter Anschlag” und eine Begrenzung der Kompression der Platten erhalten werden. Dieses Abdichtmerkmal des ”harten Anschlags” trägt dazu bei, einen beständig wiederholbaren Zellenabstand in der folgenden Weise zu erzielen. Wenn sich die Platten 14, 16 einander nähern, um in Kontakt miteinander zu gelangen, haben die Zusammendrückkräfte die Tendenz, bei allen Platten 14, 16 in dem Stapel gleich zu werden, um übereinstimmende Kompressionsabstände und somit gleiche Zellenabstände zu erzielen. Darüber hinaus haben die Eckenkompressionslast-Übertragungspunkte (Ecklöcher 64) einen engen Abstand zu der Umfangsabdichtung 68, 70, insbesondere in dem Bereich der Überbrückungsbereiche 40, 42, 46, 48, und sind selbst durch dieselbe Abdichtstruktur nahezu umgeben – so dass relativ leichte Kompressionslasten ausreichend sind, um eine Stapelmontage zu erreichen, und lokale Biegeauslenkungen absolut minimiert sind, selbst bei Verwendung einer relativ leichten oberen (End-) und unteren (End-)Befestigungsstruktur. Es ist ersichtlich, dass eine genaue Steuerung der Dicke jeder Schicht aus komprimierbarem Material 70 benötigt wird, um den harten Anschlag zu erzielen, während eine Abdichtung zwischen den Platten erhalten wird.
Obgleich die vorstehende Beschreibung des Abdichtens Bezug auf den Kontakt zwischen den Platten 14, 16 nimmt, ist ersichtlich, dass die Membran 18 zwischen jedem Paar von Platten 14, 16 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vollständig zumindest die aktive Abdichtfläche bedeckt, d. h. die Flächen der Platten 14, 16, in denen die Membran 18 die nassen und trockenen Gasströme trennt, zusammen mit solchen Bereichen der Abdichtflächen 34, 44, die die Kanten dieser Flächen abdichten. Beispielsweise bedeckt im Befeuchter 10 die Membran 18 das gesamte Strömungsfeld 32 sowie solche Bereiche der oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 der Platten 14, 16, die die Kanten des Strömungsfelds 32 abdichten. Daher sind in diesen Bereichen die Platten 14, 16 und spezieller das Elastomer-Abdichtmaterial 70 in den Abdichtflächen 34, 44 mit gegenüberliegenden Seiten einer Membran 18 abgedichtet, anstatt direkt miteinander abgedichtet zu sein. Zusätzlich zu den vorbeschriebenen Vorteilen stellt diese Anordnung auch sicher, dass eine nachgiebige Abdichtung auf beiden Seiten der Membran vorgesehen ist, wodurch eine Beschädigung der Membran vermieden wird. Wie in 6 gezeigt ist, erstreckt sich die Membran 18 des Befeuchters 10 über die gesamten Abdichtflächen 34, 44 einschließlich der die Löcher 64 umgebenden Flächen. Die Gasdiffusionsschichten 20 andererseits haben eine kleinere Fläche als die Membranen 18, derart, dass sich die Gasdiffusionsschichten 20 nur über das Strömungsfeld 32 innerhalb der Schultern 23, 25 erstrecken und nicht die oberen und unteren Abdichtflächen 34, 44 überlappen. Daher sind die Gasdiffusionsschichten 20 nicht in den Bereichen der Platten 14, 16 vorhanden, die zusammen mit den Membranen 18 abgedichtet sind.
Die Überbrückungsbereiche 40, 42, 46, 48 müssen ausreichend dünn sein, um eine Strömungsbeschränkung in den Öffnungen 26, 30 und Strömungsdurchgängen 36, 38 zu vermeiden, während eine ausreichende Überbrückungsunterstützung innerhalb einer Einzelplattenstruktur von beschränkter Dicke erhalten wird. Die Dicke der Überbrückungsbereiche hängt von der Dicke der Platten 14, 16 ab und variiert typischerweise zwischen etwa 10 und etwa 50 Prozent der Plattendicke oder zwischen etwa 0,07 mm und etwa 1,5 mm in Abhängigkeit von der Plattendicke.
In den Platten 14, 16 ist der erste Überbrückungsbereich 40 zu dem Strömungsfeld 32 hin relativ zu dem ersten Überbrückungsbereich 46 auf der entgegengesetzten Seite der Platte 14, 16 so nach innen versetzt, dass keine Überlappung zwischen den ersten Überbrückungsbereichen 40, 46 stattfindet. Um die Strömung durch den Einlassdurchgang 36 zu vergrößern, kann der Betrag der Versetzung weiter so vergrößert werden, dass die äußere Kante des ersten Überbrückungsbereichs 40 (von dem Strömungsfeld 32 abgewandt) einen Abstand von der inneren Kante des ersten Überbrückungsbereichs 46 aufweist, wodurch ein Spalt 54 durch die Platte geschaffen wird, der durch Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. Es ist ersichtlich, dass sich der erste Überbrückungsbereich 46 zu der Kantenfläche erstreckt, in der die Einlassöffnung 26 vorgesehen ist, und daher die geschlossene untere Seite der Einlassöffnung 26 in der Platte 14 und die geschlossene obere Seite der Einlassöffnung 26 in der Platte 16 bildet.
In gleicher Weise ist auf den gegenüberliegenden Seiten der Platten 14, 16 der zweite Überbrückungsbereich 42 relativ zu dem zweiten Überbrückungsbereich 48 nach innen zu dem Strömungsfeld 32 hin derart versetzt, dass keine Überlappung zwischen den zweiten Überbrückungsbereichen 42, 48 stattfindet. Um die Strömung durch den Auslassdurchgang 38 zu erhöhen, kann die Versetzung weiter derart vergrößert werden, dass die äußere Kante des zweiten Überbrückungsbereichs 42 (dem Strömungsfeld 32 abgewandt) einen Abstand von der inneren Kante des zweiten Überbrückungsbereichs 48 aufweist, wodurch ein Spalt 56 durch die Platte 14 geschaffen wird, der durch Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist.
Das Versetzen der Überbrückungsbereiche 40, 46 und 42, 48 in der Weise, dass eine Überlappung eliminiert wird, ermöglicht den Einlass- und Auslassöffnungen 26, 30 und den Einlass- und Auslassdurchgängen 36, 38, als offene Nuten ausgebildet zu sein. Dies kann die Herstellbarkeit der Platten 14, 16 verbessern, ist jedoch nicht erforderlich. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die ersten Überbrückungsbereiche 40, 46 einander überlappen oder können direkt einander gegenüberliegen, so dass der Einlassdurchgang 36 entlang zumindest eines Teils seiner Länge durch die obere Seite 22 und die untere Seite 24 der Platte 14, 16 geschlossen ist. In gleicher Weise können die zweiten Überbrückungsbereiche 42, 48 einander überlappen oder können direkt einander gegenüberliegen, so dass der Auslassdurchgang 38 entlang zumindest eines Teils seiner Länge durch die obere Seite 22 und die untere Seite 24 der Platte 14, 16 geschlossen ist.
Wie vorstehend erwähnt ist, erstrecken sich die Stützrippen 28 durch das gesamte Strömungsfeld 32, um die Membran 18 und die Gasdiffusionsschichten 20 zu stützen. Um die Strömung und die Wasserdampfübertragung zu maximieren, sind die Stützrippen 28 sehr dünn und müssen seitlich gestützt werden, um zu verhindern, dass sie sich neigen (kippen) oder entlang ihrer Länge biegen. Daher sind Stege 58 zwischen benachbarten Rippen 28 vorgesehen, um die Rippen 28 in ihrer Lage zu halten. Die Stege 58 sind sehr dünn und können so dünn wie innerhalb der Grenzen der Herstellbarkeit möglich gemacht werden. Die Stege haben typischerweise eine Dicke von etwa 0,07 bis etwa 0,5 mm und können beispielsweise eine Dicke von etwa 0,11 mm haben. Die Stege 58 im Befeuchter 10 befinden sich in einer Ebene, die zwischen der oberen Seite 22 und der unteren Seite 24 der Platte 14 liegt und die beispielsweise in einer mittleren Ebene angeordnet sein kann, die sich in der Mitte zwischen der oberen Seite 22 und der unteren Seite 24 der Platte 14, 16 befindet. In dem Befeuchter 10 erstreckt sich jeder Steg 58 parallel zu den Rippen 28 über das Strömungsfeld 32 und endet in einem kurzen Abstand von dem ersten Überbrückungsbereich 40, um einen Spalt 60 zu bilden, der durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern, die sich durch die Platte 14 erstrecken, geteilt ist. In gleicher Weise endet jeder Steg 58 in einem kurzen Abstand von dem zweiten Überbrückungsbereich 42, um einen Spalt 62 zu bilden, der durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen, sich durch die Platte 14 erstreckenden Löchern geteilt ist. Die Spalte 60 und 62 werden hier auch als ”Durchtauchöffnungen” bezeichnet, da sie sich durch die Platte 14, 16 erstrecken und eine Strömungskommunikation zwischen der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds 32 und dem Einlass- und Auslassdurchgang 36, 38 vorsehen.
Das Vorsehen des Spalts 60 ermöglicht eine Strömung des nassen Gasstroms von dem Einlassdurchgang 36 zu beiden Seiten der Platte 14, 16 im Strömungsfeld 32 derart, dass die Strömung des nassen Gasstroms im Wesentlichen gleichmäßig oberhalb und unterhalb der Stege 58 geteilt ist, d. h. zu der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds 32. In gleicher Weise ermöglicht das Vorsehen des Spalts 62 einer Strömung von oberhalb und unterhalb der Stege 58, d. h. von der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds 32, in den Auslassdurchgang 38 einzutreten.
Die nassen und trockenen Platten 14, 16 sind mit Löchern 64 an ihren Ecken versehen, um längliche Befestigungsteile, wie Bolzen, Stangen, Zapfen oder Kabel, aufzunehmen, wobei ein Bolzen 66 und eine Mutter 67 in 7 gezeigt sind. Auch ist in 7 gezeigt, dass der Kern 12 zwischen einem Paar von strukturellen Endplatten 72, 173 durch abwechselndes Stapeln von nassen Platten 14 und trockenen Platten 16 zusammengesetzt werden kann, wobei Membranen 18 und Gasdiffusionsschicht(en) 20 zwischen jedem Paar von benachbarten nassen Platten 14 und trockenen Platten 16 vorgesehen sind. Nachdem der Stapel gebildet ist, wird der Kern 12 zusammengedrückt, um die Platten 14 und 16 mit jeder Seite ihrer geteilten Membran 18 abzudichten, wie vorstehend beschrieben ist, derart, dass die Membran 18 zwischen den Platten 14 und 16 eingeklemmt ist und durch die Befestigungsteile, wie die Bolzen 66 und Muttern 67, unter Druck gehalten wird.
Da eine Steifheit nur entlang der Abdichtpfade an den Kanten der Platten 14, 16 erforderlich ist, ist ersichtlich, dass die relativ dicken Endplatten 72, 173 durch eine leichtere Befestigungsvorrichtung ersetzt werden können. Zum Beispiel können die mittleren Bereiche der Endplatten 72, 173 entfernt werden, so dass ein dicker, starrer Umfangsrahmen erhalten wird, der Rippen kleinerer Größe oder eine gitterartige Struktur aufnehmen kann.
Wie in 7 gezeigt ist, sind die Abdichtnuten 71 in den gestapelten Platten 14, 16 so ausgerichtet, dass sie eine kontinuierliche Nut 73 bilden, die sich über die gesamte Höhe des Kerns 12 erstreckt. Die Nuten 71 kommunizieren mit den Abdichtnuten 68 und dem darin enthaltenen Abdichtmaterial 70, um eine kontinuierliche Abdichtung zu der Kante der Nut 71 vorzusehen. Wie gezeigt ist, hat die obere Endplatte 72 eine Nut 75, enthaltend einen Abschnitt 77, das mit der Nut 73 ausgerichtet ist, und einen länglichen Bereich 79, der sich über eine Kante der Platte 72 erstreckt. Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist die Nut 75 kontinuierlich, wobei sich der längliche Bereich 79 zu dem anderen Ende der Platte 72 erstreckt und ein anderer Abschnitt 77 (nicht gezeigt) mit einer an dem anderen Ende des Kerns 12 gebildeten Nut 73 kommuniziert. In gleicher Weise ist die untere Endplatte 173 mit einer Nut 81 versehen, die einen Abschnitt 83, der mit der Nut 73 ausgerichtet ist, und einen länglichen Bereich 85, der sich über eine Kante der Platte 173 erstreckt, enthält. Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist die Nut 81 kontinuierlich, wobei sich der längliche Bereich 85 zu dem anderen Ende der Platte 173 erstreckt und ein anderer Abschnitt 83 mit einer Nut 73, die an dem anderen Ende des Kerns 12 gebildet ist, kommuniziert. Daher ist entlang zumindest einer Fläche der den Kern 12 und die Endplatten 72, 173 aufweisenden Anordnung eine kontinuierliche, rechteckige Nut zur Aufnahme eines Abdichtelements wie eines O-Rings zum Abdichten eines Verteilers gegenüber dem Kern 12 vorgesehen.
Gemäß den 16A und 16B können, um das Zusammensetzen und das Aufrechterhalten der Ausrichtung der Platten 14, 16 während der Montage zu unterstützen, die Platten 14, 16 mit stecker- und buchsenförmigen Einrastelementen versehen sein. Diese Einrastelemente können zweckmäßig an den Löchern 64 vorgesehen sein. Beispielsweise kann, wie in den 16A und 16B gezeigt ist, die obere Seite 22 jeder Platte 14, 16 mit ringförmigen Vorsprüngen 120, die die Löcher 64 umgeben, versehen sein, und die untere Seite 24 jeder Platte 14, 16 kann mit ringförmigen Vertiefungen 122, die die Löcher 64 umgeben, versehen sein, wobei die ringförmigen Vertiefungen 122 eine ausreichende Größe und Tiefe haben, um die ringförmigen Vorsprünge 120 einer benachbarten Platte 14, 16 einrastend aufzunehmen. Es ist ersichtlich, dass die Einrastelemente selbst nicht ausreichende Stapelkompressionslasten ausüben, obgleich individuelle Paare von Platten 14, 16 auf diese Weise vormontiert werden können, beispielsweise durch Anwenden eines Verkerbungsschritts. Daher erfordert der Stapel typischerweise ein längliches Befestigungsteil, um eine Stapelkompression und -montage zu erzielen, selbst wenn Einrastelemente vorgesehen sind.
Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, können die Einlass- und Auslassöffnungen der nassen und trockenen Platten 14, 16 entlang vier der Flächen des Kerns 12 gesehen werden. Diese vier Flächen des Kerns 12 sind abgedichtet gegenüber und bedeckt durch Verteiler, die eine Strömungskommunikation zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen der Platten 14, 16 und anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems vorsehen.
Insbesondere bedeckt, wie in 1 gezeigt ist, ein Einlassverteiler 74 für den nassen Gasstrom die Fläche des Kerns 12, entlang deren die Einlassöffnungen 26 der nassen Platten 14 vorgesehen sind. Der Einlassverteiler 74 für den nassen Gasstrom ist an einem Ende gegenüber dem Kern 12 abgedichtet und an seinem anderen Ende gegenüber einer Leitung (nicht gezeigt) abgedichtet, die den Verteiler 74 mit der Abgasöffnung der Brennstoffzellenkathode (nicht gezeigt) verbindet.
Ein Auslassverteiler 76 für den nassen Gasstrom bedeckt die Fläche des Kerns 12, entlang deren die Auslassöffnungen 30 der nassen Platten 14 vorgesehen sind und die sich direkt entgegengesetzt zu der Fläche befindet, entlang deren die Einlassöffnungen 26 vorgesehen sind. Der Auslassverteiler 76 für den nassen Gasstrom ist an einem Ende des Kerns 12 abgedichtet und an seinem anderen Ende gegenüber einer Leitung (nicht gezeigt) abgedichtet, die entweder das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem abführt oder die zu einer anderen Komponente des Brennstoffzellensystems führt, in der das Kathodenabgas zurückgeführt oder einer weiteren Verarbeitung unterzogen wird, bevor es aus dem System herausgeführt wird.
Ein Einlassverteiler 78 für den trockenen Gasstrom bedeckt die Fläche des Kerns 12, entlang deren die Einlassöffnungen 26 der trockenen Platten 16 vorgesehen sind. Der Einlassverteiler 78 für den trockenen Gasstrom ist an einem Ende gegenüber dem Kern 12 abgedichtet und an seinem anderen Ende gegenüber einer Leitung (nicht gezeigt) abgedichtet, die den Verteiler 74 mit einer Quelle für Umgebungsluft verbindet. Wie vorstehend erläutert ist, kann die Umgebungsluft zuerst verdichtet und gekühlt werden, bevor sie in den Befeuchter 10 eintritt, und daher kann der Verteiler 78 mit einer Leitung (nicht gezeigt) verbunden sein, die mit dem Auslass eines Luftkompressors (nicht gezeigt) oder mit dem Auslass eines Ladungsluftkühlers (nicht gezeigt), der sich stromabwärts des Kompressors befindet, verbunden ist.
Ein Auslassverteiler 80 für den trockenen Gasstrom bedeckt die Fläche des Kerns 12, entlang deren die Auslassöffnungen 30 der trockenen Platten vorgesehen sind und die direkt entgegengesetzt zu der Fläche ist, entlang deren die Einlassöffnungen 26 von trockenen Platten 16 vorgesehen sind. Der Auslassverteiler 80 für den trockenen Gasstrom ist an einem Ende gegenüber dem Kern 12 abgedichtet und an seinem anderen Ende gegenüber einer Leitung (nicht gezeigt) abgedichtet, die die angefeuchtete Luft zu der Brennstoffzelle (nicht gezeigt) trägt, wo sie mit dem Brennstoff reagiert.
Die Verteiler 74, 76, 78, 80 können entweder direkt an dem Kern 12 angebracht sein, oder sie können an einem Gehäuse (nicht gezeigt) angebracht sein, in welchem der Kern 12 eingeschlossen ist.
Ein Befeuchter 110 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird nun nachfolgend mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben. Der Befeuchter 110 ist mit Ausnahme der nachfolgend aufgeführten Unterschiede in jeder Hinsicht mit dem vorbeschriebenen Befeuchter 10 identisch, und daher ist die Beschreibung der Elemente des Befeuchters 10 in gleicher Weise auf den Befeuchter 110 anwendbar, sofern dies nicht anders dargestellt wird. Auch sind in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung gleiche Elemente der Befeuchter 10 und 110 mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Der Befeuchter 110 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist einen Kern 12 auf, der aus nassen und trockenen Platten 14, 16, Membranen 18 und Gasdiffusionsschichten 20 gebildet ist. Die nassen und trockenen Platten 14, 16, die in dem Kern 12 des Befeuchters 110 verwendet werden, sind in jeder Hinsicht mit den nassen und trockenen Platten 14, 16 des Befeuchters 10 identisch mit Ausnahme der Ausbildung des Strömungsfelds 32. Im Befeuchter 110 werden die Strömungsfelder 32 der Platten 14, 16 von Stützrippen 28 durchquert, und benachbarte Rippen 28 sind durch Stege 82 verbunden. Im Gegensatz zu den länglichen Stegen 58 des Befeuchters 10, die im Wesentlichen das gesamte Strömungsfeld 32 im Befeuchter 10 bedecken, sind die Stege 82 kürzer und weisen einen gegenseitigen intermittierenden Abstand entlang der Länge der Rippen 28 auf, wobei zusätzliche Spalte 84 zwischen benachbarten Rippen 28 gebildet werden. Diese Spalte 84 stellen zusätzliche Kommunikationsbereiche zwischen Gasen, die entlang der oberen und unteren Bereiche jeder Platte 14, 16 strömen, zur Verfügung. Die jeweiligen von den Stegen 82 und den Spalten 84 bedeckten Bereiche sind variabel, und es ist ersichtlich, dass die Stege 82 verkürzt und die Spalte 84 bis zu dem Punkt vergrößert werden können, an dem das Strömungsfeld 32 ein maschenartiges Aussehen hat, derart, dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Kommunikation zwischen Gas, das entlang des oberen und des unteren Bereichs der Platte 14, 16 strömt, gegeben ist. Es ist ersichtlich, dass die Spalte 84 auch als ”Durchtauchöffnungen” wirken können, ähnlich den vorstehend beschriebenen Spalten 60, 62.
In dem illustrierten Befeuchter 110 sind mehrere relativ kurze Stege 82 entlang der Länge jeder das Strömungsfeld 32 durchquerenden Rippe 28 vorgesehen. Die Stege 82, die sich zwischen benachbarten Paaren von Rippen 28 befinden, können miteinander in einer Richtung ausgerichtet sein, die quer zu der Richtung der Rippen 28 ist, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall ist. Wie die Stege 58 können sich die Stege 82 jeweils in einer Ebene befinden, die zwischen den oberen Seiten 22 und den unteren Seiten 24 der Platten 14, 16 liegt, jedoch ist dies nicht erforderlich. Stattdessen kann jeder der Stege 82 mit der oberen Seite 22 oder der unteren Seite 24 der Platte 14, 16 ausgerichtet sein.
Ein Befeuchter 210 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird nun nachfolgend mit Bezug auf die 11–15 beschrieben. Der Befeuchter 210 ist ein Querströmungsbefeuchter und mit Ausnahme der nachfolgenden Unterschiede in jeder Hinsicht mit den Befeuchtern 10 und 110 identisch. Daher ist die Beschreibung der Elemente der Befeuchter 10, 110 in gleicher Weise auf den Befeuchter 210 anwendbar, sofern dies nicht anders dargestellt wird. Auch sind in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung gleiche Elemente der Befeuchter 10, 110 und 210 durch Bezugszahlen gekennzeichnet.
Der Befeuchter 210 unterscheidet sich dadurch von dem Befeuchter 10, dass der Einlass- und der Auslassverteiler für die nassen und die trockenen Gase integral als Teil des Kerns 12 ausgebildet sind. Dies vermeidet die Notwendigkeit, getrennt gebildete, externe Verteiler 74, 76, 78, 80 vorzusehen, die gegenüber dem Kern abgedichtet werden müssen. Um integrale Verteiler vorzusehen, enthält jede nasse und trockene Platte 14, 16, die den Befeuchter 210 bilden, Verteileröffnungen, die, wenn die Platten 14, 16 gestapelt werden, die jeweiligen Einlass- und Auslassverteiler für die nassen und trockenen Gasströme bilden. Die Platten 14, 16 des Befeuchters 210 werden nun nachfolgend beschrieben.
Zuerst enthalten, wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, die nassen und trockenen Platten 14, 16, die den Befeuchter 210 bilden, sämtliche derselben Elemente wie die nassen und trockenen Platten 14, 16 des Befeuchters 10. Zusätzlich enthält jede Platte 14, 16 Verlängerungen entlang ihrer vier Seiten, in denen die vier Verteileröffnungen vorgesehen sind.
Beispielsweise zeigen die 11 und jeweils die obere 12 Platte 14 des Befeuchters 210. Von den entgegengesetzten kurzen Seiten der Platte 14 weg erstreckt sich ein Paar von nassen Verteilerverlängerungen, nämlich eine nasse Einlassverteilerverlängerung 86, die eine nasse Einlassverteileröffnung 88 definiert, und eine nasse Auslassverteilerverlängerung 90, die eine nasse Auslassverteileröffnung 92 definiert. Die nasse Einlassverteileröffnung 88 ist in Strömungsverbindung mit der Einlassöffnung 26 der nassen Platte 14 entlang ihrer gesamten Länge, und daher erstreckt sich die nasse Einlassverteilerverlängerung 86 entlang im Wesentlichen der gesamten Länge der Seite der Platte 14, in der die Einlassöffnung 26 vorgesehen ist. Die nasse Einlassverteilerverlängerung 86 hat eine obere Abdichtfläche 94, die koplanar mit der oberen Abdichtfläche 34 der Platte 14 ist, und eine untere Abdichtfläche 96, die koplanar mit der unteren Abdichtfläche 44 der Platte 14 ist. Die obere und die untere Abdichtfläche 94, 96 werden gegenüber den nassen Verteilerverlängerungen von benachbarten trockenen Platten 16 während der Montage des Befeuchters 210 abgedichtet, wie nachfolgend diskutiert wird.
In gleicher Weise ist die nasse Auslassverteileröffnung 92 der Platte 14 in Strömungsverbindung mit der Auslassöffnung 30 der nassen Platte 14 entlang ihrer gesamten Länge, und die nasse Auslassverteilerverlängerung 90 erstreckt sich entlang im Wesentlichen der gesamten Länge der Seite der Platte 14, in der die Auslassöffnung 30 vorgesehen ist. Die nasse Auslassverteilerverlängerung 90 hat eine obere Abdichtfläche 98, die koplanar mit der oberen Abdichtfläche 34 der Platte 14 ist, und eine untere Abdichtfläche 100, die koplanar mit der unteren Abdichtfläche 44 der Platte 14 ist. Die obere und die untere Abdichtfläche 98, 100 werden gegenüber den nassen Verteilerverlängerungen von benachbarten trockenen Platten 16 während der Montage des Befeuchters 210 abgedichtet, wie nachfolgend diskutiert wird.
Daher sind in der nassen Platte 14 des Befeuchters 210 die Einlassöffnung 26 und die Auslassöffnung 30 in Kantenflächen der Platte 14 ausgebildet, die sich in die jeweilige nasse Einlassverteileröffnung 88 und die nasse Auslassverteileröffnung 92 öffnen. Dies steht in Gegensatz zu der nassen Platte 14 des Befeuchters 10, in der die Einlass- und die Auslassöffnung 26, 30 in Kantenflächen ausgebildet sind, die sich entlang der äußeren Umfangsflächen der Platte 14 befinden.
Die nasse Platte 14 des Befeuchters 210 ist auch mit einem Paar von trockenen Verteilerverlängerungen entlang entgegengesetzter langer Seiten der Platte 14 versehen, nämlich einer trockenen Einlassverteilerverlängerung 102, die eine trockene Einlassverteileröffnung 104 definiert, und einer trockenen Auslassverteilerverlängerung 106, die eine trockene Auslassverteileröffnung 108 definiert. Die trockenen Einlass- und Auslassverteileröffnungen 104, 108 sind nicht in Strömungsverbindung mit dem Strömungsfeld 32 der nassen Platte 14. Vielmehr wirken die trockenen Verteilerverlängerungen 102, 106 lediglich als Füllstücke in der Ausbildung der nachfolgend diskutierten trockenen Einlass- und Auslassverteiler. Die trockene Einlassverteilerverlängerung 102 hat eine obere Abdichtfläche 112, die koplanar mit der oberen Abdichtfläche 34 der Platte 14 ist, und eine untere Abdichtfläche 114, die koplanar mit der unteren Abdichtfläche 44 der Platte 14 ist. Die obere und die untere Abdichtfläche 112, 114 werden gegenüber den trockenen Verteilerverlängerungen von benachbarten trockenen Platten 16 während der Montage des Befeuchters 210 abgedichtet, wie nachfolgend diskutiert wird.
Die trockene Auslassverteilerverlängerung 106 hat in gleicher Weise eine obere Abdichtfläche 116, die koplanar mit der oberen Abdichtfläche 34 der Platte 14 ist, und eine untere Abdichtfläche 118, die koplanar mit der unteren Abdichtfläche 44 der Platte 14 ist. Die obere und die untere Abdichtfläche 116, 118 werden gegenüber den trockenen Verteilerverlängerungen der benachbarten trockenen Platten 16 während der Montage des Befeuchters 210 abgedichtet, wie nachfolgend diskutiert wird.
Die Verteilerverlängerungen 86, 90, 102 und 106 können jeweils mit einer oder mehreren Verstärkungsrippen 99 versehen sein, um die Form der jeweiligen Öffnungen 88, 92, 104, 108 unter dem inneren Betriebsdruck beizubehalten. Es ist ersichtlich, dass die Abdichtflächen 34, 44 der Verteilerverlängerungen mit Nuten 68 und Abdichtmaterial 70 versehen sein können, wie in den verbleibenden Bereichen der oberen und der unteren Abdichtfläche 34, 44 der Platte 14.
Die 13 und 14 zeigen jeweils die obere Seite 22 und die untere Seite 24 einer trockenen Platte 16 des Befeuchters 210. Die trockenen Platten 16 sind auch mit Verteilerverlängerungen und Öffnungen, die dieselbe Konfiguration wie diejenigen der nassen Platten 14 haben, versehen, mit den nachfolgend dargestellten Ausnahmen. Daher werden gleiche Elemente von trockenen Platten 16 des Befeuchters 210, enthaltend die Verteilerverlängerungen, in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Jede der trockenen Platten 16 enthält eine trockene Einlass- und Auslassverteilerverlängerung 102, 106, die sich entlang entgegengesetzter langer Seiten der Platte 16 erstrecken und die jeweilige trockene Einlass- und Auslassverteileröffnung 104, 108 in der Platte 16 definieren. Die trockene Einlassverteileröffnung 104 der Platte 16 ist in Strömungsverbindung mit der Einlassöffnung 26, und die trockene Auslassverteileröffnung 108 ist in Strömungsverbindung mit der Auslassöffnung 30.
Wenn die nassen und trockenen Platten 14, 16 gestapelt werden, um den Befeuchter 210 zu bilden, werden die nassen Verteilerverlängerungen 86, 90 der nassen und trockenen Platten entlang der Abdichtflächen gegeneinander abgedichtet. Die nassen Einlassverteileröffnungen 88 der nassen und trockenen Platten 14, 16 werden kombiniert, um einen nassen Einlassverteilerraum zu bilden, der sich über die gesamte Höhe des Befeuchters 210 erstreckt, wobei sämtliche nassen Einlassöffnungen 26 der nassen Platten 14 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des nassen Einlassverteilerraums sind. In gleicher Weise sind die nassen Auslassverteileröffnungen 92 der nassen und trockenen Platten 14, 16 kombiniert, um einen nassen Auslassverteilerraum zu bilden, der sich über die gesamte Höhe des Befeuchters 210 erstreckt, wobei sämtliche nassen Auslassöffnungen 30 der nassen Platten 14 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des nassen Auslassverteilerraums sind.
Auch werden im Befeuchter 210 die trockenen Einlassverteileröffnungen 104 der nassen und trockenen Platten 14, 16 kombiniert, um einen trockenen Einlassverteilerraum zu bilden, der sich über die gesamte Höhe des Befeuchters 210 erstreckt, wobei sämtliche Trockeneinlassöffnungen 26 der trockenen Platten 16 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des Trockeneinlassverteilerraums sind. In gleicher Weise werden die Trockenauslassverteileröffnungen 108 der nassen und trockenen Platten 14, 16 kombiniert, um einen Trockenauslassverteilerraum zu bilden, der sich über die gesamte Höhe des Befeuchters 210 erstreckt, wobei sämtliche Trockenauslassöffnungen 30 der trockenen Platten 16 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des Trockenauslassverteilerraums sind. Wie bei dem vorbeschriebenen Befeuchter 10 wird der Kern 12 des Befeuchters 210 zwischen Endplatten zusammengedrückt, die sich in ihrem Aussehen von den vorbeschriebenen Endplatten 72, 173 etwas dadurch unterscheiden, dass Öffnungen in den Endplatten vorgesehen sind, die mit den Verteilerräumen kommunizieren, und Anschlüsse über diesen Öffnungen für eine Verbindung mit anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind. Eines oder beide Enden jedes Verteilerraums ist offen durch die Endplatten. Wie bei den vorbeschriebenen Befeuchtern 10, 110 sind eine Membran 18 (nicht gezeigt) und Gasdiffusionsschicht(en) 20 (nicht gezeigt) zwischen benachbarten nassen und trockenen Platten 14, 16 des Befeuchters 210 vorgesehen. Wie vorbeschrieben ist, ist die Membran 18 zumindest in dem aktiven Abdichtbereich vorhanden, d. h. in dem Strömungsfeld 32 und in den Bereichen der oberen und der unteren Abdichtfläche 34, 44, die sich um die Peripherie des Strömungsfelds 32 herum erstrecken. Die Membran 18 braucht nicht zwischen den Bereichen der Abdichtflächen 34, 44, die sich nach außen in den Bereich der Verteiler erstrecken, d. h. den oberen und unteren Abdichtflächen 112, 114, 116, 118, vorhanden zu sein. In diesen Bereichen besteht ein direkter Kontakt zwischen den Abdichtflächen und zwischen dem Elastomer-Abdichtmaterial 70, das auf den Abdichtflächen 112, 114, 116, 118 von benachbarten Platten vorhanden ist.
Alle vorbeschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Querströmungsbefeuchter. Es kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung vorteilhaft sein, Befeuchter vorzusehen, in denen die nassen und trockenen Gasströme in einer Gegenstromorientierung (Strömen in entgegengesetzten Richtungen) oder in einer Gleichstromorientierung (Strömen in derselben Richtung) sind, und derartige Konfigurationen können erhalten werden, indem die Orientierung und/oder die Strömungsrichtung in den nassen Platten 14 oder den trockenen Platten 16 geändert wird.
Ein Befeuchter 310 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die 17A, 17B, 18A und 18B beschrieben, bei dem die nassen und trockenen Gasströme in einer Gegenströmungs- oder einer Gleichstromorientierung relativ zueinander sind.
Sofern dies nachfolgend nicht anders beschrieben wird, sind die Elemente des Befeuchters 310 identisch mit den Elementen der vorbeschriebenen Befeuchter 10, 110 und/oder 210. Daher ist die Beschreibung der Elemente der Befeuchter 10, 110 und 210 in gleicher Weise auf den Befeuchter 310 anwendbar, sofern dies nicht anders dargestellt wird, und gleiche Elemente des Befeuchters 310 sind durch gleiche Bezugszahlen in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung gekennzeichnet. Auch sind die 17A, 17B, 18A und 18B etwas vereinfacht, indem Einzelheiten weggelassen sind, die für die Erläuterung der Merkmale dieses Ausführungsbeispiels nicht erforderlich sind. Beispielsweise sind in den Zeichnungen die flache Nut 68 und das komprimierbare Dichtmittel 70, die Schultern 23, 25 zur Aufnahme der Diffusionsschichten 20 und die Öffnungen 64, durch die die Platten miteinander verbunden sind, weggelassen. Es ist augenscheinlich, dass diese Elemente in den Platten, die den Befeuchter 310 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel bilden, vorhanden sein können.
Der Befeuchter 310 weist einen Kern auf, der aus einem Stapel aus nassen Platten 314 und trockenen Platten 316 in abwechselnder Reihenfolge gebildet ist. Wie im Befeuchter 210 sind die Einlass- und Auslassverteiler für die nassen und trockenen Gase im Befeuchter 310 integral mit dem Kern ausgebildet, wobei jede Platte 314, 316 eine Nasseinlassverteileröffnung 88, eine Nassauslassverteileröffnung 92, eine Trockeneinlassverteileröffnung 104 und eine Trockenauslassverteileröffnung 108 enthält. Um eine Gegen- oder Gleichströmung der Gasströme zu ermöglichen, ist jedes Ende der Platte 314, 316 mit einer Nassverteileröffnung neben einer Trockenverteileröffnung versehen. Eine Draufsicht und eine Unteransicht der nassen Platte 314 sind in den 17A und 17B gezeigt, und eine Draufsicht und eine Unteransicht der trockenen Platte 316 sind in den 18A und 18B gezeigt.
Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Gegenströmung der nassen und der trockenen Gasströme erzeugt wird, befindet sich die Nasseinlassverteileröffnung 88 an demselben Ende der Platte 314, 316 wie die Trockenauslassverteileröffnung 108, und die Nassauslassverteileröffnung 92 befindet sich an dem entgegengesetzten Ende der Platte, benachbart der Trockeneinlassverteileröffnung 104. Um in den Gleichstrombetrieb zu wechseln, wird die Strömung entweder des nassen oder des trockenen Gasstroms aus der in den Zeichnungen gezeigten Richtung umgekehrt.
Auch bei den Platten 314 und 316 des Befeuchters 310, die in den Zeichnungen illustriert sind, befinden sich die Einlass- und Auslassverteileröffnungen 88, 92 für den nassen Gasstrom an direkt entgegengesetzten Enden der Platten 314, 316, und die Einlass- und Auslassverteileröffnungen 104, 108 für die trockenen Gasströme befinden sich in gleicher Weise an direkt entgegengesetzten Enden der Platten 314, 316. Anstelle dieser Anordnung ist es möglich, die Lage der Öffnungen so zu ändern, dass die Einlass- und Auslassverteileröffnungen 88, 92 für den nassen Gasstrom an diagonal entgegengesetzten Ecken relativ zueinander angeordnet sind, und so, dass die Einlass- und Auslassverteileröffnungen 104, 108 für den trockenen Gasstrom in gleicher Weise an diagonal entgegengesetzten Ecken angeordnet sind. Die Lage der Einlass- und Auslassverteileröffnungen an diagonal entgegengesetzten Ecken kann Totbereiche nahe den Ecken der Platten verringern und kann einen gleichmäßigeren Druckabfall über die Platte ergeben.
Wie in den 17A und 17B gezeigt ist, befindet sich die Einlassöffnung 26 für den nassen Gasstrom in einer Kantenfläche der Platte 314, die sich in die Nasseinlassverteileröffnung 88 öffnet. Die Einlassöffnung 26 ist durch mehrere Stützrippen 28 geteilt, die die Einlassöffnung 26 teilen und stützen und die strahlenförmig von der Einlassöffnung zu dem Strömungsfeld 32 nach außen verlaufen und die den Einlassdurchgang 36, der die Einlassöffnung 26 mit dem Strömungsfeld 32 verbindet, definieren. In gleicher Weise befindet sich die Auslassöffnung 30 für den nassen Gasstrom in einer Kantenfläche der Platte 314, die sich in die Nassauslassverteileröffnung 92 öffnet. Die Auslassöffnung 30 ist durch mehrere Stützrippen 28 geteilt, die die Auslassöffnung 30 teilen und stützen und die strahlenförmig von der Auslassöffnung weg zu dem Strömungsfeld 32 hin verlaufen, um den Auslassdurchgang 38, der die Auslassöffnung 30 mit dem Strömungsfeld 32 verbindet, zu definieren. Dies ist dieselbe wie die Anordnung in der nassen Platte 14 des Befeuchters 10 mit der Ausnahme, dass die Einlass- und Auslassöffnung 26, 30 entlang der gekrümmten Oberflächen der Öffnungen 88 und 92 angeordnet sind und die Stützrippen 28 und Durchgänge 36, 38 strahlenförmig von diesen nach außen zu dem Strömungsfeld 32 hin verlaufen. Es ist augenscheinlich, dass die Öffnungen 88, 92, 104, 108 der Platten 314, 316 nicht notwendigerweise kreisförmig sind, sondern jede geeignete Form haben können, die durch die Anforderungen jeder spezifischen Anwendung bestimmt wird.
Wie bei den Befeuchtern 10 und 210 wird das Strömungsfeld 32 in jeder Platte 314, 316 des Befeuchters 310 durch Stützrippen 28 durchquert, um eine Stützung für die Membran 18 (nicht gezeigt) und die Gasdiffusionsschicht(en) 20 (nicht gezeigt) vorzusehen. Jedoch erstrecken sich anstelle von Rippen 28, die das Strömungsfeld gerade durchqueren, die Rippen 28 unter einem Winkel zu der Richtung der Fluidströmung über das Strömungsfeld 32 mit abgewinkelten strahlenförmigen Bereichen, die sich von den an die Enden der Platten 314, 316 angrenzenden Verteileröffnungen 88, 92 weg erstrecken und ein wellenartiges Muster in den mittleren Bereichen der Platten 314, 316 haben. Der Einfachheit halber sind die Rippen 28 des Befeuchters 310 nicht maßstabsgerecht gezeigt. Die Rippen 28 können eine ähnliche Dicke und eine ähnliche Anzahl wie die Rippen 28 des vorbeschriebenen Befeuchters 10 haben. Jede der Rippen 28 ist so gezeigt, dass sie sich kontinuierlich zwischen Nassverteileröffnungen 88, 92 (17A, 17B) oder Trockenverteileröffnungen 104, 108 (18A, 18B) erstreckt.
Die Oberseite 22 der Platte 314 ist mit einer ebenen oberen Abdichtfläche 34 versehen, entlang deren die obere Seite 22 der Platte 314 gegenüber einer Membran 18, die sich zwischen den Platten 314 und 316 befindet, abgedichtet ist, und die trockene Platte 316 ist gegenüber derselben Membran 18 entlang ihrer jeweiligen unteren Abdichtfläche 44 abgedichtet. Wie bei dem vorbeschriebenen Befeuchter 210 ist die Membran 18 zumindest in dem aktiven Abdichtbereich vorhanden, d. h. in dem Strömungsfeld 32 und in den Bereichen der oberen und der unteren Abdichtfläche 34, 44, die sich um die Peripherie des Strömungsfelds 32 herum erstrecken. Die Membran 18 braucht nicht zwischen den Bereichen der Abdichtflächen 34, 44, die sich um die äußeren Kanten der Verteileröffnungen 88, 92, 104, 108 herum erstrecken, vorhanden zu sein. Die ebene obere Abdichtfläche 34 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und umgibt auch die Gasdiffusionsschicht 20 (nicht gezeigt), wenn dies anwendbar ist. Die obere Abdichtfläche 34 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 40, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 42, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 an der oberen Seite 22 der Platte 314 geschlossen und an der unteren Seite 24 offen. Diese Überbrückungsbereiche 40, 42 ermöglichen, dass entlang der oberen Seite 22 der Platte 314 eine kontinuierlichen Abdichtung zur Verfügung gestellt wird, während sie dem nassen Gasstrom ermöglichen, von der Einlassöffnung und dem Durchgang 26, 36 durch das Strömungsfeld 32 zu dem Auslassdurchgang und der Öffnung 38, 30 zu strömen. Es ist zu sehen, dass die obere Abdichtfläche jede der Verteileröffnungen 88, 92, 104 und 108 vollständig umgibt. Somit sind die Verteileröffnungen 104, 108 für den trockenen Gasstrom gegenüber der Strömungsverbindung mit dem Strömungsfeld 32 der Platte 314 abgedichtet, während eine Strömungsverbindung zwischen den Verteileröffnungen 88, 92 für den nassen Gasstrom und dem Strömungsfeld nur durch die jeweilige Einlass- und Auslassöffnung 26, 30 zugelassen wird.
Die untere Seite 24 der nassen Platte 314, die in 17B gezeigt ist, ist mit einer unteren Abdichtfläche 44 versehen, entlang deren die untere Seite 24 der nassen Platte 314 gegenüber der oberen Seite 22 einer benachbarten trockenen Platte 316 durch eine Membran 18 hindurch abgedichtet ist. Die ebene untere Abdichtfläche 44 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und umgibt auch die Verteileröffnungen 88, 92, 104, 108. Die untere Abdichtfläche 44 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 46, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 48, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlass- und der Auslassdurchgang 36, 38 an der unteren Seite 24 der Platte 314 geschlossen und an der oberen Seite 22 offen. Diese Überbrückungsbereiche 46, 48 ermöglichen, dass entlang der unteren Seite 24 der Platte 314 eine kontinuierlichen Abdichtung zur Verfügung gestellt wird.
Nachdem die obere Seite und die untere Seite 22, 24 der nassen Platte 314 beschrieben wurde, ist eine detaillierte Beschreibung der oberen Seite und der unteren Seite der trockenen Platte 316, die in den 18A und 18B gezeigt ist, nicht erforderlich.
In den Platten 314, 316 ist der erste Überbrückungsbereich 46 relativ zu dem ersten Überbrückungsbereich 40 zu dem Strömungsfeld 32 hin nach innen derart versetzt, dass keine Überlappung zwischen den Überbrückungsbereichen 40, 46 auftritt, und er kann in einem solchen Ausmaß versetzt sein, dass ein Spalt 54 durch die Platte 314 oder 316 hindurch gebildet ist, welcher Spalt 54 durch Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. In gleicher Weise kann der zweite Überbrückungsbereich 48 relativ zu dem zweiten Überbrückungsbereich 42 nach innen zu dem Strömungsfeld 32 hin versetzt sein, und er kann in einem solchen Ausmaß versetzt sein, dass ein Spalt 56 durch die Platte 314 oder 316 hindurch gebildet ist, welcher Spalt 56 durch Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. In einem radialen Querschnitt, der sich von einer Kante von einer der Öffnungen 88, 92 in 17A oder B oder radial von einer Kante von einer der Öffnungen 104, 108 in 18A oder B in das Strömungsfeld 32 erstreckt, haben die Platten im Wesentlichen dasselbe Aussehen wie die in 8 im Querschnitt gezeigten Platten 14 und 16.
Die folgende Diskussion der Rippen 28 in dem Strömungsfeld 32 der trockenen Platte 316 ist in gleicher Weise auf die nasse Platte 314 anwendbar. Die in dem Strömungsfeld 32 der trockenen Platte 316 gezeigten, wellenartigen Rippen 28 können eine Höhe haben, die im Wesentlichen dieselbe wie die Dicke der Platte 314 ist, die aber typischerweise kleiner als die Dicke der Platte 314 ist, um die Dicke der Gasdiffusionsschicht(en) 20 aufzunehmen. Aus Zweckmäßigkeitsgründen sind die Taschen für die Aufnahme der Gasdiffusionsschicht(en) 20 nicht in den sich auf den Befeuchter 310 beziehenden Zeichnungen gezeigt. Um eine seitliche Stützung der Rippen 28 vorzusehen, können kontinuierliche Stege 58 vorgesehen sein, um sie in ihrer Position relativ zueinander zu halten. Die Stege 58 sind sehr dünn, wie vorstehend mit Bezug auf den Befeuchter 10 beschrieben ist, und erstrecken sich zwischen den Rippen 28 über das gesamte Strömungsfeld 32, wobei sie in kurzem Abstand von den Überbrückungsbereichen 40 und 42 enden, um Spalte 60 und 62 oder ”Durchtauchöffnungen” zu bilden, die eine Strömungsverbindung zwischen der offenen oberen und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds 32 und den Einlass- und Auslassdurchgängen 36, 38 zur Verfügung stellen.
Anstelle der kontinuierlichen Stege 58 kann die Platte 314 mit Stegen 82 wie in den 9 und 10 gezeigt versehen sein, wobei die Stege 82 kürzer sind und intermittierende Abstände entlang der Längen der Rippen 28 aufweisen, wodurch zusätzliche Spalte 84 zwischen benachbarten Rippen 28 erhalten werden. Diese Spalte 84 ergeben zusätzliche Verbindungsflächen zwischen den entlang des oberen und des unteren Bereichs der Platte 314 strömenden Gasen und funktionieren auch als ”Durchtauchöffnungen”.
Wie bei den vorbeschriebenen Querströmungs-Ausführungsbeispielen ist festzustellen, dass die Rippen 28 der nassen Platte 314 ein Kreuzmuster mit den Rippen 28 der benachbarten trockenen Platten 316 bilden. Wie durch Vergleich der Rippenmuster der nassen und der trockenen Platte 314, 316 ersichtlich ist, bilden die strahlenförmigen, vorherrschend geraden Bereiche der Rippen 28, die an die Verteileröffnungen 88, 92 angrenzen, in der nassen Platte 314 ein kreuzschraffiertes Kreuzmuster mit den vorherrschend geraden Bereichen der Rippen 28, die an die Verteileröffnungen 104, 108 angrenzen, in der trockenen Platte 316, wenn die Platten 314, 316 in abwechselnder Reihenfolge mit ausgerichteten Verteileröffnungen 88, 92, 104, 108 gestapelt sind. Auch ist ersichtlich, dass das wellenartige Muster in dem mittleren Bereich des Strömungsfelds 32 der nassen Platte 314 um etwa 90 Grad ”außer Phase” mit dem Muster in dem Strömungsfeld 32 der trockenen Platte 316 ist, wodurch eine Kreuzanordnung gebildet wird. Das Kreuzen der Rippen 28 ist wünschenswert, um eine Stützung der Rippen 28, der Membran 18 und der Diffusionsschichten 20 zur Verfügung zu stellen und eine Verschachtelung der Rippen 28 in benachbarten Platten zu verhindern, die potentiell eine Beschädigung der Membran 18 und der Diffusionsschichten 20 bewirken könnte.
Es ist auch festzustellen, dass es möglich ist, den Befeuchter 310 nach dem dritten Ausführungsbeispiel durch vollständiges Eliminieren der Stege 54 oder 82 zwischen den Rippen 28, zumindest innerhalb des Bereichs des Strömungsfelds 32, in welchem die Rippen 28 eine wellenartige Form haben, zu modifizieren. In diesem Fall wird das Kreuzmuster innerhalb jeder Platte durch Vorsehen eines ersten Wellenmusters, ähnlich dem in 17A gezeigten, in dem oberen Bereich der Platte 314 und eines zweiten Wellenmusters, ähnlich dem in 18A gezeigten, das außer Phase ist, in dem unteren Bereich der Platte 314, gebildet. Somit kreuzen die oberen Bereiche der Rippen 28 die unteren Bereiche der Rippen 28, wobei sie ein Muster wie in 19 gezeigt bilden, die eine Teildraufsicht auf das Strömungsfeld 32 einer nassen oder trockenen Befeuchterplatte 314 oder 316 ist. In 19 sind die Rippen in dem oberen Bereich der Platte durch ausgezogene Linien gezeigt und durch die Bezugszahlen 28a gekennzeichnet, und die Rippen in dem unteren Bereich der Platte sind durch strichlierte Linien gezeigt und durch die Bezugszahl 28b gekennzeichnet.
Es ist festzustellen, dass es zahlreiche Möglichkeiten für die Veränderung der Richtungen der Gasströmung gibt, um eine Querströmung, Gleichströmung oder Gegenströmung von Gasen zu erhalten. Auch gibt es zahlreiche mögliche Anordnungen von Rippen sowie zahlreiche mögliche Anordnungen von Einlass- und Auslassöffnungen, entweder mit oder ohne integrale Verteileröffnungen. Eine Anzahl dieser Variationen wurde vorstehend im Einzelnen beschrieben, und einige wenige zusätzliche Beispiele werden nachfolgend kürzer beschrieben.
20 zeigt eine Variation des Strömungsfelds 32 einer nassen oder trockenen Befeuchterplatte, die bei jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden kann. Jedes der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele hat mehrere längliche, kontinuierliche Stützrippen 28. Jedoch ist die Verwendung von kontinuierlichen Stützrippen 28 bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung nicht erforderlich. Zum Beispiel können, wie in 20 gezeigt ist, die Rippen teilweise oder vollständig durch Reihen von in gegenseitigem Abstand angeordneten Vertiefungen 280 ersetzt werden. Die Vertiefungen 280 können durch einen Steg 58 wie vorstehend beschrieben verbunden werden, der in 20 so gezeigt ist, dass er sich in einer Ebene befindet, die angenähert in der Mitte zwischen der Oberseite und der Unterseite der Vertiefungen 280 angeordnet ist. Der Steg 58 kann entweder kontinuierlich oder durch Perforationen mit regelmäßigen oder unregelmäßigen gegenseitigen Abständen unterbrochen sein, wie die in 20 gezeigte Perforation 282. Die Vertiefungen 280 sind in 20 so gezeigt, dass sie einen regelmäßigen gegenseitigen Abstand in Reihen aufweisen und eine Blockform haben, aber es ist darauf hinzuweisen, dass die Abstände und die Form der Vertiefungen 280 variiert werden können, solange sie eine Stützung der Membran 18 und der Diffusionsschichten 20 vorsehen.
21 zeigt eine andere Variation, bei der das Strömungsfeld 32 einer nassen oder trockenen Platte mit durch einen kontinuierlichen Steg 58 verbundenen Vertiefungen versehen ist. Im Gegensatz zu den Vertiefungen 280 nach 20 ist das Strömungsfeld 32 nach 21 mit in gegenseitigem Abstand angeordneten Vertiefungen 284 versehen, die sich von der Ebene des Stegs 58 aufwärts erstrecken, sowie mit in gegenseitigem Abstand angeordneten Vertiefungen 286, die sich von der Ebene des Stegs 58 abwärts erstrecken. Die Beschreibung betreffend die Stegkonfiguration und den Abstand und die Form der Vertiefungen hinsichtlich der 20 ist auch für die 21 anwendbar.
22 zeigt noch eine andere Variation der Konfiguration eines Strömungsfelds für eine nasse oder trockene Befeuchterplatte. Die Variation nach 22 ist ähnlich der nach 20, wobei das Strömungsfeld 32 mehrere Reihen von in gegenseitigem Abstand angeordneten Vertiefungen 280 enthält. Der Steg 58 in 22 hat das Aussehen eines erweiterten Metallnetzes und hat mehrere in regelmäßigem gegenseitigem Abstand angeordnete Öffnungen 282, um eine Strömungsverbindung zwischen der oberen Seite und der unteren Seite der Platte zu erhalten. Der das Netz aufweisende Steg 58 ist so gezeigt, dass er an den Seiten jeder Vertiefung 280 angebracht ist, wodurch die Reihen der Vertiefungen 280 miteinander verbunden sind. Es ist festzustellen, dass die Verwendung eines netzartigen Stegs 58 nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern bei den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen, bei denen das Strömungsfeld 32 mit kontinuierlichen Rippen versehen ist, verwendet werden kann.
Ein Befeuchter 410 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die 23 bis 25 beschrieben. Der Befeuchter 410 ist dahingehend dem Befeuchter 310 ähnlich, dass nasse und trockene Gasströme in einer Gegenströmungs- oder Gleichströmungsorientierung relativ zueinander sind.
Mit Ausnahme der nachfolgenden Feststellungen sind die Elemente des Befeuchters 410 identisch mit den Elementen der vorstehend beschriebenen Befeuchter 10, 110, 210 und 310. Daher ist die Beschreibung der Elemente der Befeuchter 10, 110, 210 und 310 in gleicher Weise auf den Befeuchter 410 anwendbar, sofern nichts anderes gesagt wird, und gleiche Elemente des Befeuchters 410 werden in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet. Auch sind die 23 bis 25 etwas vereinfacht durch Weglassen von Einzelheiten, die für die Erläuterung der Merkmale dieses Ausführungsbeispiels nicht erforderlich sind. Beispielsweise sind die flache Nut 68 und das komprimierbare Dichtmittel 70 sowie die Schultern 23, 25 zur Aufnahme der Diffusionsschicht(en) 20 in den Zeichnungen weggelassen. Es ist festzustellen, dass diese Elemente in den Platten, die den Befeuchter nach dem fünften Ausführungsbeispiel bilden, vorhanden sein können.
Der Befeuchter 410 weist einen Kern auf, der aus einem Stapel aus nassen Platten und trockenen Platten in abwechselnder Reihenfolge gebildet ist. Die 23 bis 25 zeigen eine nasse Platte 415 des Befeuchters 410, wobei die 23 und 24 die untere Seite 24 der nassen Platte 415 illustrieren und 25 die obere Seite 22 der nassen Platte 415 illustriert.
Wie bei den Gegenstrom-/Gleichstrom-Befeuchtern 210 und 310 sind die Einlass- und Auslassverteiler für die nassen und trockenen Gase im Befeuchter 410 integral mit dem Kern ausgebildet, wobei jede nasse Platte 415 eine Nasseinlassverteileröffnung 88, eine Nassauslassverteileröffnung 92, eine Trockeneinlassverteileröffnung 104 und eine Trockenauslassverteileröffnung 108 enthält. Um eine Gegenströmung oder Gleichströmung der Gasströme zu ermöglichen, ist jedes Ende der Platte 415 mit einer Nassverteileröffnung neben einer Trockenverteileröffnung versehen. Die Verteileröffnungen der Platte 415 sind im allgemeinen dreieckig. Die nasse Platte 415 ist für den Gegenstrom der nassen und trockenen Gasströme ausgebildet, und daher befinden sich die Trockeneinlassverteileröffnung 104 und die Nasseinlassverteileröffnung 88 an entgegengesetzten Enden der Platte 415, so wie die Trockenauslassverteileröffnung 108 und die Nassauslassverteileröffnung 92.
In der Platte 415 befinden sich die Einlass- und Auslassverteileröffnungen 88, 92 für den nassen Gasstrom an diagonal entgegengesetzten Enden der Platte 415, und die Trockeneinlass- und -auslassverteileröffnungen 104, 108 sind ebenfalls diagonal angeordnet. Die Platte 415 ist strukturell ähnlich der in 17A gezeigten nassen Platte 314. Beispielsweise hat die Platte 415 eine Einlassöffnung 26 für den nassen Gasstrom, die sich in einer Kantenfläche der Platte 415 befindet und die sich in die Nasseinlassverteileröffnung 88 öffnet. Die Einlassöffnung 26 ist durch mehrere Stützrippen 28, die sich von der Öffnung 88 auswärts zu dem Strömungsfeld 32 hin erstrecken, geteilt. Die Kantenfläche, entlang deren die Einlassöffnung 26 ausgebildet ist, ist relativ zu den Seiten der Platte 415 diagonal, und die Stützrippen 28, die die Einlassöffnung 26 teilen, erstrecken sich auch diagonal von der Kante der Öffnung 26. In gleicher Weise befindet sich die Auslassöffnung 30 für den nassen Gasstrom in einer sich diagonal erstreckenden Kantenfläche der Platte 415, die sich in die Nassauslassverteileröffnung 92 hinein öffnet. Die Auslassöffnung 30 ist durch mehrere Stützrippen 28, die sich auswärts von der Öffnung 92 weg zu dem Strömungsfeld 32 hin erstrecken, geteilt.
Wie bei der Platte 314 wird das Strömungsfeld 32 der Platte 415 durch Stützrippen 28 durchquert, um eine Stützung der Membran 18 (nicht gezeigt) und der Gasdiffusionsschicht(en) 20 (nicht gezeigt) zu erhalten. In dem Strömungsfeld 32 sind die Bereiche der Rippen 28, die an die Nasseinlass- und -auslassverteileröffnungen 88, 92 angrenzen, gerade und im Allgemeinen parallel zueinander, wobei sie sich diagonal über die Platte 415 erstrecken. In dem mittleren Bereich der Platte 415 haben die Rippen 28 ein wellenartiges Aussehen. Es ist aus den Zeichnungen ersichtlich, dass mehrere Rippen 28 der Platte 415 sich kontinuierlich über das gesamte Strömungsfeld erstrecken und dabei gerade, diagonale Endbereiche und wellenartige mittlere Bereiche enthalten. Diese längeren Rippen sind in den Zeichnungen durch das Bezugszeichen 28c gekennzeichnet. Zwischen jedem Paar von längeren Rippen 28c befindet sich eine kürzere Rippe, die nur den wellenartigen mittleren Bereich hat, ohne die geraden Endbereiche. Diese kürzeren Rippen werden in den Zeichnungen durch das Bezugszeichen 28d gekennzeichnet. Aufgrund des Einschluss von kürzeren Rippen 28d ist ersichtlich, dass jeder zwischen den geraden Endbereichen der längeren Rippen 28c gebildete Kanal in Strömungsverbindung mit einem Paar von benachbarten Kanälen ist, die zwischen den wellenartigen Bereichen der Rippen 28c, 28d in dem mittleren Bereich des Strömungsfelds 32 gebildet sind. Mit anderen Worten, das Verhältnis von geraden Kanälen zu wellenartigen Kanälen in dem Strömungsfeld beträgt etwa 1:2. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Verhältnis stattdessen kleiner oder größer als 1:2 sein kann und beispielsweise 1:1 sein kann, wie bei dem Ausführungsbeispiel der 17 und 18.
Die obere Seite 22 der Platte 415, von der ein Teil in 25 gezeigt ist, ist mit einer ebenen oberen Abdichtfläche 34 versehen, entlang deren die obere Seite 22 der Platte 415 gegenüber einer benachbarten trockenen Platte abgedichtet ist. Die ebene obere Abdichtfläche 34 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und enthält einen ersten Überbrückungsbereich 40, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 42, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlassdurchgang 36 und der Auslassdurchgang 38 an der oberen Seite 22 der Platte 415 geschlossen und an der unteren Seite 24 offen. Diese Überbrückungsbereiche 40, 42 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der oberen Seite 22 der Platte 415, während sie ermöglichen, dass der nasse Gasstrom von der Einlassöffnung 26 und dem Einlassdurchgang 36 über das Strömungsfeld 32 zu dem Auslassdurchgang 38 und der Auslassöffnung 30 strömt. Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen umgibt die obere Abdichtfläche 34 vollständig jede der Verteileröffnungen 88, 92, 104 und 108. Somit sind die Verteileröffnung 104, 108 für den trockenen Gasstrom gegenüber der Strömungsverbindung mit dem Strömungsfeld 32 der Platte 415 abgedichtet, während die Strömungsverbindung zwischen den Verteileröffnungen 88, 92 für den nassen Gasstrom und dem Strömungsfeld 32 nur durch die jeweilige Einlass- und Auslassöffnung 26, 30 zugelassen ist.
Die in den 23 und 24 gezeigte untere Seite 24 der nassen Platte 415 ist mit einer unteren Abdichtfläche 44 versehen, entlang deren die untere Seite 24 der nassen Platte 415 gegenüber der oberen Seite 22 einer benachbarten trockenen Platte 415 abgedichtet ist. Die ebene untere Abdichtfläche 44 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und umgibt auch die Verteileröffnungen 88, 92, 104, 108. Die untere Abdichtfläche 44 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 46, der sich über den Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 48, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlass- und der Auslassdurchgang 36, 38 an der unteren Seite 24 der Platte 415 geschlossen und an der oberen Seite 22 offen. Diese Überbrückungsbereiche 46, 48 ermöglichen eine kontinuierliche Abdichtung entlang der unteren Seite 24 der Platte 415.
Der erste Überbrückungsbereich 46 auf der unteren Seite 24 der Platte 415 ist relativ zu dem ersten Überbrückungsbereich 40 auf der oberen Seite 22 der Platte 415 nach innen zu dem Strömungsfeld 32 hin derart versetzt, dass keine Überlappung zwischen den Überbrückungsbereichen 40, 46 besteht, und die Versetzung kann derart vergrößert werden, dass ein Spalt 54 durch die Platte 415 hindurch gebildet ist, wobei der Spalt 54 durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. Der zweite Überbrückungsbereich 48 auf der unteren Seite 24 der Platte 415 kann in gleicher Weise relativ zu dem zweiten Überbrückungsbereich 42 auf der oberen Seite 22 der Platte 415 versetzt sein und kann in einem solchen Ausmaß versetzt sein, dass ein Spalt 56 durch die Platte 415 hindurch gebildet ist, welcher Spalt 56 durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. Die Spalte 54, 56 sind Durchtauchöffnungen, da sie eine Strömungsverbindung zwischen der oberen Seite 22 und der unteren Seite 24 der Platte 415 vorsehen. Ein Querschnitt durch einen Stapel aus Platten 415, der sich von der Kante einer Öffnung 88, 92 erstreckt, hat im Wesentlichen dasselbe Aussehen wie der in 8 gezeigte.
Um eine seitliche Stützung der Rippen 28 vorzusehen, können kontinuierliche Stege 58 vorgesehen sein, um sie in ihrer Position relativ zueinander zu halten. Die Stege 58 bei dem Ausführungsbeispiel der 23 bis 25 erstrecken sich durch das gesamte Strömungsfeld 32 und enden in kurzem Abstand von den Überbrückungsbereichen 40, 42, um Spalte 60, 62 zu bilden, die durch Rippen 28c in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt sind. Die Spalte 60, 62 sind Durchtauchöffnungen, da sie eine Strömungsverbindung zwischen der oberen Seite 22 und der unteren Seite 24 der Platte 415 vorsehen. Die Stege 58 in der Platte 415 sind in einer Ebene gebildet, die sich zwischen der oberen und der unteren Seite 22, 24 der Platte 415 befindet, ähnlich den in 8 gezeigten Stegen 58.
Anstatt mit kontinuierlichen Stegen 58 kann die Platte 415 mit in intermittierendem gegenseitigen Abstand angeordneten Stegen 82 versehen sein, wie vorstehend beschrieben und in den 9 und 10 gezeigt ist. Bei noch einer anderen alternativen Ausbildung kann festgestellt werden, dass die Stege 54 vollständig eliminiert sein können, zumindest innerhalb des mittleren Bereichs des Strömungsfelds 32, in welchem die Rippen 28 eine wellenartige Form haben. Wie vorstehend mit Bezug auf 19 beschrieben ist, kann ein kreuzartiges Rippenmuster in dem mittleren Bereich des Strömungsfelds 32 der Platte 415 vorgesehen sein, indem wellenartige Rippen 28a in dem oberen Bereich des Strömungsfelds 32, die außer Phase mit wellenartigen Rippen 28b in dem unteren Bereich des Strömungsfelds 32 sind, vorgesehen werden. Dieses Kreuzmuster verleiht den Rippen 28 Starrheit und ermöglicht den Stegen 54, über den gesamten mittleren Bereich des Strömungsfelds eliminiert zu werden.
Der Befeuchter 410 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann auch mit jeder der alternativen Strömungsfeldausbildungen modifiziert sein, die vorstehend mit Bezug auf die 20 bis 22 beschrieben wurden.
Da der Platte 415 eine Symmetrieebene fehlt, haben die trockenen Platten des Befeuchters 410 ein leicht unterschiedliches Aussehen gegenüber den nassen Platten 415. In dieser Hinsicht ist die untere Seite der trockenen Platte ein Spiegelbild der unteren Seite der nassen Platte 415, wobei aber die Lage der Verteileröffnungen 88 und 108 umgekehrt ist und die Lage der Verteileröffnungen 92 und 104 umgekehrt ist. Die gleiche Beziehung zwischen der nassen und der trockenen Platte gilt auch für die obere Seite der Platten. Da das Aussehen der trockenen Platte leicht von der nassen Platte 415 abgeleitet werden kann, sind separate Zeichnungen für die trockene Platte nicht vorgesehen.
Ein Befeuchter 510 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die 26 bis 28 beschrieben. Der Befeuchter 510 ist ein Gegenstrom- oder Gleichstrom-Befeuchter. Mit Ausnahme der nachfolgend geschilderten Unterschiede sind die Elemente des Befeuchters 510 identisch mit den Elementen der vorstehend beschriebenen Befeuchter. Daher ist die Beschreibung der Elemente der Befeuchter 10, 110, 210, 310 und 410 in gleicher Weise auf den Befeuchter 510 anwendbar, sofern dies nicht anders dargestellt wird, und gleiche Elemente des Befeuchters 510 sind durch gleiche Bezugszahlen in den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung gekennzeichnet. Auch sind in den 26 bis 28 unnötige Einzelheiten weggelassen, einschließlich der flachen Nut 68, des komprimierbaren Dichtmittels 70 und der Schultern 23, 25. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Elemente in den Platten, die den Befeuchter 510 bilden, vorhanden sein können.
Der Befeuchter 510 weist einen Kern 512 auf, der aus einem Stapel aus nassen Platten und trockenen Platten in abwechselnder Reihenfolge gebildet ist. Die nassen und die trockenen Platten sind identisch und sind entweder für die Gegenströmung oder die Gleichströmung der nassen und trockenen Gasströme ausgebildet. Für den Zweck der folgenden Diskussion sind die nassen Platten und die trockenen Platten durch die Bezugszahl 515 und die trockenen Platten durch die Bezugszahl 515' gekennzeichnet.
Die Einlass- und Auslassverteiler für die nassen und trockenen Gase in dem Befeuchter 510 sind integral mit dem Kern 512 ausgebildet, wobei jede Platte 515 oder 515' insgesamt sechs Verteileröffnungen für den nassen und den trockenen Gasstrom enthält. In dem Kern 512 ist entweder der Einlassverteiler oder der Auslassverteiler für jeweils den trockenen Gasstrom und den nassen Gasstrom ein ”geteilter” Verteiler. Genauer gesagt, es gibt zwei getrennte Einlass- oder Auslassverteiler für den trockenen Gasstrom und zwei getrennte Einlass- oder Auslassverteiler für den nassen Gasstrom. Der Kern 512 ist in 26 willkürlich so gezeigt, dass er einen geteilten Einlassverteiler 74 für den nassen Gasstrom hat, aufweisend zwei getrennte Einlassverteiler 74a, 74b für den nassen Gasstrom (aufweisend die Nasseinlassverteileröffnungen 88a, 88b der Platten 515, 515'), die sich in entgegengesetzten Ecken an einem Ende des Kerns 512 befinden, auf entgegengesetzten Seiten eines sich in der Mitte befindenden Auslassverteilers 80 für den trockenen Gasstrom (aufweisend die Trockenauslassverteileröffnungen 108 der Platten 515, 515). An dem entgegengesetzten Ende des Kerns 512 ist ein Auslassverteiler 76 für den nassen Gasstrom (aufweisend die Nassauslassverteileröffnungen 92 der Platten 515, 515), der sich zwischen einem geteilten Einlassverteiler 78 für den trockenen Gasstrom befindet, aufweisend zwei getrennte Einlassverteiler 78a, 78b für den trockenen Gasstrom (aufweisend die Trockenauslassverteileröffnungen 104a, 104b der Platten 515, 515'). Diese Anordnung von Verteilern ist vorteilhaft, da sie Stagnationspunkte innerhalb des Strömungsfelds eliminiert, d. h. Bereiche, in denen die Strömung des Fluids über die Platte relativ träge ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Positionen der Einlass- und Auslassverteiler für die nassen und/oder trockenen Gasströme ausgetauscht werden können, so dass der Auslassverteiler für den trockenen und/oder nassen Gasstrom der geteilte Verteiler ist. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die Platten 515, 515' so modifiziert werden können, dass sie mehr als sechs Verteiler haben, beispielsweise wenn alle Verteiler als geteilte Verteiler vorgesehen sind und/oder wenn die geteilten Verteiler mehr als zwei Teile haben.
Die symmetrische Anordnung der nassen und trockenen Gasverteiler in der Platte 515 ermöglicht, dass dieselbe Platte 515 sowohl als die nasse als auch die trockene Platte des Befeuchters 510 verwendet werden kann. Die obere Seite 22 einer nassen Platte 515 ist in 26 auf der Oberseite des Kerns 512 gezeigt, und die untere Seite 24 der nassen Platte 515 ist isoliert in 27 gezeigt. Die trockene Platte 515 ist dieselbe wie die nasse Platte 515, um 180 Grad um ihre Längsachse gedreht und dann der Länge nach gewendet.
Die Platte 515 hat ein Paar von Einlassöffnungen 26 für den nassen Gasstrom, die sich jeweils in einer Kantenfläche der Platte 415 befinden, die sich in eine Nasseinlassverteileröffnungen 88a, 88b öffnet. Jede Einlassöffnung 26 ist durch mehrere Stützrippen 28 geteilt, die sich von der Öffnung 88 weg zu dem Strömungsfeld 32 hin nach außen erstrecken. Die Kantenflächen, entlang deren die Einlassöffnungen 26 ausgebildet sind, sind diagonal relativ zu den Seiten der Platte 515, und die die Einlassöffnungen 26 teilenden Stützrippen 28 erstrecken sich auch diagonal von den Kanten der Öffnungen 26.
Die Auslassöffnung 30 für den nassen Gasstrom befindet sich in einer Kantenfläche der Platte 515, die sich in die Nassauslassverteileröffnung 92 öffnet, wobei die Kantenfläche parallel zu den kürzeren Seiten der Platte 515 verläuft. Die Auslassöffnung 30 ist durch mehrere Stützrippen 28 geteilt, die sich von der Öffnung 92 weg zu dem Strömungsfeld 32 hin nach außen erstrecken.
Das Strömungsfeld 32 der Platte 515 wird durch Stützrippen 28 durchquert, um eine Stützung der Membran 18 (nicht gezeigt) und der Gasdiffusionsschicht(en) 20 (nicht gezeigt) zu erhalten. Die Rippen 28 sind in der Struktur analog zu den in 19 gezeigten, sich kreuzenden Rippen dahingehend, dass eine obere Schicht von Rippen 28a in dem oberen Bereich des Strömungsfelds 32 vorgesehen ist und eine untere Schicht von Rippen 28b in dem unteren Bereich des Strömungsfelds 32 vorgesehen ist, und dahingehend, dass die Stege zwischen den Rippen 28 eliminiert sind. Jedoch sind die Rippen der oberen und der unteren Schicht 28a und 28b gerade und kreuzen einander mit etwa 90 Grad, wodurch sie ein kreuzschraffiertes Muster über das gesamte Strömungsfeld bilden. Dieses Muster liefert nicht nur eine Stützung für die Membran 18 und die Gasdiffusionsschicht(en) 20, sondern erhöht auch die Turbulenzen in der Strömung des nassen und des trockenen Gasstroms, wodurch die Übertragung von Wasser durch die Membran 18 verbessert wird.
In anderen Merkmalen als den vorbeschriebenen Unterschieden ist der Befeuchter 510 ähnlich den anderen vorbeschriebenen Gegenstrom-/Gleichstrom-Befeuchtern.
Die obere Seite 22 der Platte 515 ist mit einer ebenen, oberen Abdichtfläche 34 versehen, entlang deren die obere Seite 22 der Platte 515 gegenüber einer benachbarten trockenen Platte, die in der Struktur identisch mit der Platte 515 ist, abgedichtet. Die ebene, obere Abdichtfläche 34 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und enthält einen ersten Überbrückungsbereich 40, der sich über jeden Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 42, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind die Einlassdurchgänge 36 und der Auslassdurchgang 38 an der oberen Seite 22 der Platte 515 geschlossen und an der unteren Seite 24 offen. Diese Überbrückungsbereiche 40, 42 ermöglichen, dass eine kontinuierliche Abdichtung entlang der oberen Seite der Platte 515 zur Verfügung gestellt wird, während dem nassen Gasstrom ermöglicht wird, von der Einlassöffnung und dem Einlassdurchgang 26, 36 über das Strömungsfeld 32 zu dem Auslassdurchgang und der Auslassöffnung 38, 30 zu strömen. Es ist ersichtlich, dass die obere Abdichtfläche 34 jede der Verteileröffnungen 88a, 88b, 92, 104a, 104b und 108 vollständig umgibt. Somit sind die Verteileröffnungen 104a, 104b, 108 für den trockenen Gasstrom gegenüber einer Strömungsverbindung mit dem Strömungsfeld 32 der Platte 515 abgedichtet, während eine Strömungsverbindung zwischen den Verteileröffnungen 88a, 88b, 92 für den nassen Gasstrom und dem Strömungsfeld 32 nur durch die jeweilige Einlass- und Auslassöffnung 26, 30 zugelassen ist.
Die in 27 gezeigte untere Seite der Platte 515 ist mit einer unteren Abdichtfläche 44 versehen, entlang deren die untere Seite 24 der nassen Platte 515 gegenüber der oberen Seite 22 einer benachbarten trockenen Platte 515 abgedichtet ist. Die ebene, untere Abdichtfläche 44 erstreckt sich kontinuierlich um die äußeren Kanten des Strömungsfelds 32 herum und umgibt auch die Verteileröffnungen 88a, 88b, 92, 104a, 104b, 108. Die untere Abdichtfläche 44 enthält einen ersten Überbrückungsbereich 46, der sich über jeden Einlassdurchgang 36 erstreckt, und einen zweiten Überbrückungsbereich 48, der sich über den Auslassdurchgang 38 erstreckt. In diesen Bereichen sind der Einlass- und der Auslassdurchgang 36, 38 an der unteren Seite 24 der Platte 515 geschlossen und an der oberen Seite 22 geöffnet. Diese Überbrückungsbereiche 46, 48 ermöglichen, dass eine kontinuierliche Abdichtung entlang der unteren Seite 24 der Platte 515 zur Verfügung gestellt wird.
Die ersten Überbrückungsbereiche 46 an der unteren Seite 24 der Platte 515 sind relativ zu den ersten Überbrückungsbereichen 40 an der oberen Seite 22 der Platte 515 nach innen zu dem Strömungsfeld 32 hin so versetzt, dass keine Überlappung zwischen den Überbrückungsbereichen 40, 46 auftritt, und die Versetzung kann so vergrößert werden, dass ein Spalt 54 durch die Platte 515 gebildet ist, welcher Spalt 54 durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. Der zweite Überbrückungsbereich 48 an der unteren Seite 24 der Platte 515 kann in gleicher Weise relativ zu dem zweiten Überbrückungsbereich 42 an der oberen Seite 22 der Platte 515 versetzt sein und kann in einem derartigen Ausmaß versetzt sein, dass ein Spalt 56 durch die Platte 515 hindurch gebildet ist, welcher Spalt 56 durch die Rippen 28 in eine Reihe von kleinen Löchern geteilt ist. Die Spalte 54, 56 sind Durchtauchöffnungen, da sie eine Strömungsverbindung zwischen der oberen Seite 22 und der unteren Seite 24 der Platte 515 vorsehen.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt. Stattdessen enthält die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der folgenden Ansprüche fallen können.

Claims

Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf aus einem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom, welcher Befeuchter aufweist: (a) mehrere in einem Stapel angeordnete Platten, wobei jede der Platten einen Gasströmungsdurchgang für entweder den ersten Gasstrom oder den zweiten Gasstrom definiert und wobei jede der Platten aufweist: (i) eine obere Seite, eine untere Seite und eine zwischen der oberen Seite und der unteren Seite gemessene Dicke; (ii) eine Einlassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iii) eine Auslassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iv) ein in einem mittleren Bereich der Platte definiertes Strömungsfeld, welches Strömungsfeld eine offene obere Seite entlang der oberen Seite der Platte und eine offene untere Seite entlang der unteren Seite der Platte hat; (v) einen Einlassdurchgang, der die Einlassöffnung mit der offenen oberen und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds verbindet; (vi) einen Auslassdurchgang, der die offene obere Seite und die offene untere Seite des Strömungsfelds mit der Auslassöffnung verbindet; (vii) eine ebene, obere Abdichtfläche, die sich entlang der oberen Seite der Platte erstreckt, wobei die obere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (viii) eine ebene, untere Abdichtfläche, die sich entlang der unteren Seite der Platte erstreckt, wobei die untere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (ix) mehrere Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds befinden und sich zwischen der oberen Seite und der unteren Seite der Platte erstrecken; wobei Paare der Platten in dem Stapel gegeneinander so abgedichtet sind, dass die obere Abdichtfläche von einer Platte gegenüber der unteren Abdichtfläche einer benachbarten Platte abgedichtet ist; (b) mehrere wasserdurchlässige Membranen, wobei eine der Membranen zwischen jedem Paar von benachbarten Platten in dem Stapel vorgesehen ist und gegenüber dem Paar von benachbarten Platten abgedichtet ist und wobei die Stützstrukturen eine Stützung der wasserdurchlässigen Membranen innerhalb der Strömungsfelder vorsehen; (c) einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler für den ersten Gasstrom sowie einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler für den zweiten Gasstrom, wobei der Einlassverteiler und der Auslassverteiler für den ersten Gasstrom in Strömungsverbindung mit einer ersten Mehrheit der Platten, die die Gasströmungsdurchgänge für den ersten Gasstrom definieren, sind und wobei der Einlassverteiler und der Auslassverteiler für den zweiten Gasstrom in Strömungsverbindung mit einer zweiten Mehrheit der Platten, die die Gasströmungsdurchgänge für den zweiten Gasstrom definieren, sind, wobei die Platten gestapelt sind und die Verteiler so angeordnet sind, dass die Gasströmungsdurchgänge für den ersten Gasstrom mit den Gasströmungsdurchgängen für den zweiten Gasstrom über den ganzen Stapel einander abwechseln, und derart, dass jede der wasserdurchlässigen Membranen einen von den Gasströmungsdurchgängen für den ersten Gasstrom von einem von den Gasströmungsdurchgängen für den zweiten Gasstrom trennt; und wobei die obere und die untere Abdichtfläche der Platten, die die Überbrückungsbereiche enthalten, mit einem komprimierbaren Abdichtmaterial versehen sind.
Befeuchter nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend mehrere Gasdiffusionsschichten, wobei jede der Gasdiffusionsschichten sich zwischen einer von den Membranen und dem Strömungsfeld von einer der Platten befindet.
Befeuchter nach Anspruch 2, bei dem die Gasdiffusionsschichten nur auf einer Seite von jeder der Membranen vorgesehen sind und wobei diese Seite der Membran die Seite ist, die einem Strömungsfeld für den ersten Gasstrom zugewandt ist, derart, dass die Gasdiffusionsschicht jeweils in Kontakt mit dem ersten Gasstrom ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere Rippen aufweisen, die sich durch das Strömungsfeld zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang erstrecken, wobei die Rippen einen gegenseitigen Abstand aufweisen, der ausreichend ist, die Membran zu stützen, und wobei die Rippen von benachbarten Platten ein Kreuzmuster miteinander bilden.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere Rippen aufweisen, die sich durch das Strömungsfeld zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang erstrecken, welcher Befeuchter weiterhin mehrere Gasdiffusionsschichten aufweist, wobei sich jede der Gasdiffusionsschichten zwischen einer der Membranen und dem Strömungsfeld von einer der Platten befindet und wobei eine der Gasdiffusionsschichten entlang einer oberen Seite oder einer unteren Seite der Platte vorgesehen ist und die Höhe der Rippen um einen Betrag entsprechend der Dicke der Gasdiffusionsschicht verringert ist.
Befeuchter nach Anspruch 4 oder 5, bei dem jedes Paar von benachbarten Rippen innerhalb jeder der Platten durch mehrere in intermittierendem Abstand angeordnete Stege miteinander verbunden sind, wobei jeder der Stege eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche hat und wobei die intermittierenden Abstände mehrere Öffnungen durch die Platte hindurch zwischen jedem Paar von benachbarten Rippen zur Verfügung stellen.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die obere und die untere Abdichtfläche gegeneinander derart versetzt sind, dass eine Durchtauchöffnung durch die Platte zwischen Bereichen der oberen und der unteren Abdichtfläche, die sich über den Einlass- und den Auslassdurchgang erstrecken, vorgesehen ist, wobei die Durchtauchöffnung eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang und der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds zur Verfügung stellt.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Einlass- und der Auslassverteiler für den ersten und den zweiten Gasstrom integral mit den Platten ausgebildet sind, wobei jede der Platten mit integralen Verteileröffnungen versehen ist, die innerhalb äußerer Umfangskanten der Platten eingeschlossen sind, und wobei zwei der Verteileröffnungen in jeder Platte in Strömungsverbindung mit dem durch die Platte definierten Gasströmungsdurchgang sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem jede der Platten vier der integralen Verteileröffnungen hat, aufweisend eine Einlassverteileröffnung und eine Auslassverteileröffnung für den ersten Gasstrom und eine Einlassverteileröffnung und eine Auslassverteileröffnung für den zweiten Gasstrom.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem jeder der Platten sechs der integralen Verteileröffnungen hat, wobei zwei der Öffnungen Einlass- oder Auslassöffnungen für den ersten Gasstrom und zwei der Öffnungen Einlass- oder Auslassöffnungen für den zweiten Gasstrom sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem jede der Platten vier Ecken hat, wobei sich eine der Verteileröffnungen an jeder der Ecken von jeder Platte befindet und wobei die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere Rippen mit Endbereichen, die sich radial von entweder dem ersten Paar von Verteileröffnungen oder dem zweiten Paar von Verteileröffnungen erstrecken, aufweisen.
Befeuchter nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Rippen mittlere Bereiche haben, die die Form eines Wellenmusters haben, und wobei das Wellenmuster in einer der Platten außer Phase mit dem Wellenmuster in einer benachbarten der Platten ist, derart, dass die mittleren Bereiche der Rippen in den beiden Platten ein Kreuzmuster miteinander bilden.
Befeuchter nach Anspruch 12, bei dem die Endbereiche der Rippen in jeder Platte gerade sind und sich relativ zu zumindest zwei Seiten der Platte diagonal erstrecken, und wobei die Endbereiche der Rippen in benachbarten Platten ein Kreuzmuster miteinander bilden.
Befeuchter nach Anspruch 11, bei dem jede der Platten zwei der Wellenmuster, die durch die mittleren Bereiche der Rippen gebildet sind, hat, ein erstes Wellenmuster entlang der oberen Seite jeder Platte und ein zweites Wellenmuster entlang der unteren Seite jeder Platte, und wobei das erste und das zweite Wellenmuster außer Phase miteinander sind, derart, dass ein Kreuzmuster durch das erste und das zweite Wellenmuster innerhalb jeder der Platten gebildet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere Rippen aufweisen, die sich über das Strömungsfeld erstrecken, wobei die mehreren Rippen eine obere Schicht von Rippen, die sich entlang der oberen Seite von jeder Platte erstrecken, und eine untere Schicht von Rippen, die sich entlang der unteren Seite von jeder Platte erstrecken, aufweisen, wobei die Rippen der oberen Schicht die Rippen der unteren Schicht kreuzen.
Befeuchter nach Anspruch 15, bei dem die obere und die untere Schicht von Rippen in jeder Platte in einer Ebene, die sich etwa in der Mitte zwischen der oberen Seite und der unteren Seite der Platte befindet, miteinander in Kontakt sind.
Befeuchter nach Anspruch 16, bei dem die obere und die untere Schicht von Rippen in der Ebene miteinander verbunden sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die obere und die untere Schicht von Rippen im Wesentlichen gerade sind, wobei die Rippen von jeder der Schichten im Wesentlichen parallel zueinander sind, und wobei die obere und die untere Schicht von Rippen ein kreuzschraffiertes Muster in dem Strömungsfeld bilden.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die Rippen der oberen und der unteren Schicht relativ zu der Strömungsrichtung des ersten und des zweiten Gasstroms abgewinkelt sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die Rippen der oberen und der unteren Schicht von jeder der Platten relativ zu zumindest zwei Seiten der Platte diagonal sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 11 bis 20, bei dem die Rippen einen gegenseitigen Abstand aufweisen, der ausreichend ist, die Membran zu stützen, und bei dem die Rippen von benachbarten Platten ein Kreuzmuster miteinander bilden.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds von jeder der Platten befinden, mehrere im gegenseitigen Abstand angeordnete Vertiefungen aufweisen, die sich zwischen dem Einlass- und dem Auslassdurchgang durch das Strömungsfeld erstrecken.
Befeuchter nach Anspruch 22, bei dem die Vertiefungen in Reihen angeordnet sind und durch mehrere Stege miteinander verbunden sind, wobei jeder der Stege eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche hat.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die Platten Löcher zum Aufnehmen länglicher Befestigungsteile haben, und wobei die Löcher mit Einrastelementen versehen sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei jeder von der oberen und der unteren Abdichtfläche von jeder der Platten, die die Überbrückungsbereiche enthalten, mit einer Nut versehen ist, in der sich das komprimierbare Abdichtmaterial befindet.
Befeuchter nach Anspruch 25, bei dem das komprimierbare Abdichtmaterial in einem ausreichenden Ausmaß derart zusammengedrückt ist, dass das komprimierbare Abdichtmaterial auf der oberen Abdichtfläche von einer Platte gegenüber dem komprimierbaren Abdichtmaterial auf der unteren Abdichtfläche einer benachbarten Platte abgedichtet ist, und derart, dass Bereiche der oberen Abdichtfläche und der unteren Abdichtfläche in der Nähe der Nuten in Kontakt miteinander sind.
Befeuchter nach Anspruch 26, bei dem das komprimierbare Abdichtmaterial auf der oberen Abdichtfläche einer Platte gegenüber dem komprimierbaren Abdichtmaterial auf der unteren Abdichtfläche einer benachbarten Platte durch die Membran hindurch abgedichtet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei dem die Platten Löcher für die Aufnahme von länglichen Befestigungsteilen haben und bei dem sich die Löcher durch die obere und die untere Abdichtfläche erstrecken und sich in enger Nähe zu dem komprimierbaren Abdichtmaterial befinden.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, bei dem das komprimierbare Abdichtmaterial durch einen Druckvorgang, wie Siebdruck, Tintenstrahldruck oder Schablonendruck; durch Flüssigkeitsspritzdruck; oder in der Form einer ungehärteten Flüssigkeit oder Paste, die in ihrer Lage ausgehärtet wird, nachdem sie auf die Platten aufgebracht ist, aufgebracht ist.
Platte für einen Befeuchter zum Übertragen von Wasserdampf aus einem Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom, welche Platte aufweist: (i) eine obere Seite, eine untere Seite und eine zwischen der oberen Seite und der unteren Seite gemessene Dicke; (ii) eine Einlassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iii) eine Auslassöffnung entlang einer Kante der Platte; (iv) ein Strömungsfeld, das in einem mittleren Bereich der Platte definiert ist, wobei das Strömungsfeld eine offene obere Seite entlang der oberen Seite der Platte und eine offene untere Seite entlang der unteren Seite der Platte hat; (v) einen Einlassdurchgang, der die Einlassöffnung mit der offenen oberen Seite und der offenen unteren Seite des Strömungsfelds verbindet; (vi) einen Auslassdurchgang, der die offene obere Seite und die offene untere Seite des Strömungsfelds mit der Auslassöffnung verbindet; (vii) eine ebene, obere Abdichtfläche, die sich entlang der oberen Seite der Platte erstreckt, wobei die obere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt, und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; (viii) eine ebene, untere Abdichtfläche, die sich entlang der unteren Seite der Platte erstreckt, wobei die untere Abdichtfläche sich kontinuierlich um das Strömungsfeld herum erstreckt, und Überbrückungsbereiche enthält, die sich über den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang erstrecken; und (ix) mehrere Stützstrukturen, die sich innerhalb des Strömungsfelds befinden und sich zwischen der oberen Seite und der unteren Seite der Platte erstrecken; und wobei die obere und die untere Abdichtfläche der Platten, enthaltend die Überbrückungsbereiche, mit einem komprimierbaren Abdichtmaterial versehen sind.
Befeuchterplatte nach Anspruch 30, bei der die obere und die untere Abdichtfläche der Platte, enthaltend die Überbrückungsbereiche, jeweils mit einer Nut versehen sind, in der sich das komprimierbare Abdichtmaterial befindet; und bei der das komprimierbare Abdichtmaterial die Form einer dünnen Perle hat, die schmaler und höher als die Nut ist, derart, dass sie in einem unkomprimierten Zustand über die Nut und die obere und die untere Abdichtfläche hinausragt und in einem komprimierten Zustand koplanar mit der oberen und der unteren Abdichtfläche ist.