WO2004028671A1 - Vorrichtung zum austausch von feuchtigkeit zwischen einem feuchten und einem trockenen gasstrom - Google Patents

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Sven Schnetzler
Peter Waitkat
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a device for exchanging moisture, in particular water or water vapor, between a moist and a dry gas stream, according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • Devices for conditioning gases are known from the field of ventilation technology, in which moisture is exchanged between the gases via membranes.
  • the membranes are flat and have the disadvantage that comparatively large areas are required for the exchange of moisture.
  • Such structures are usually designed in such a way that the hollow fibers are combined to form a bundle which penetrates a space through which one of the gas streams flows.
  • the hollow fibers themselves are sealed off from this space and in turn are flowed through by the other of the gas streams. With a comparatively small structure, this can be done build a module for moisture exchange, which can exchange relatively large amounts of moisture between relatively large volume flows of the gas.
  • the object of the present invention is to provide a device for exchanging moisture between two gas streams which avoids the disadvantages mentioned above and which humidifies the one gas stream at least approximately homogeneously with a largely homogeneous and almost allows complete drying of the other gas flow.
  • the arrangement of the hollow fibers in the room in such a way that several hollow fibers are arranged in some areas and other areas are free of hollow fibers results in an improved possibility for the flow of the individual hollow fibers by the gas stream flowing in the room.
  • Every single one of the hollow fibers is thus better utilized.
  • the homogeneity of the moisture transfer and the amount of moisture transferred per volume flow of the gases can thus be improved in an advantageous manner.
  • the size of the device can thus be reduced with the same humidification. This is a decisive advantage particularly in the case of mobile applications, in particular with regard to easier packaging, weight savings and the like.
  • a multiplicity of hollow fibers are combined to form a layer with a thickness of a plurality of hollow fibers, with at least two layers being arranged alternately in the space with regions free of hollow fibers.
  • the layers can be flowed against from both sides of the layer by the gas flow in the room. With a correspondingly looser arrangement of the hollow fibers in the layer, the possibility arises that almost all of the hollow fibers are uniform be flown to.
  • the layers can be arranged alternately with free areas in a wide variety of shapes, so that very flexible structures of the device are possible while maintaining the advantages mentioned above.
  • the layers can consist of individual hollow fibers placed next to one another or of hollow fiber bundles placed next to one another. Interweaving the fibers of a layer with one another is also conceivable.
  • Embodiments of the invention are arranged at least in part of the spacers through which the gas can flow, which are free of the hollow fibers.
  • Wire spacers or sawtooth-like or wave-shaped plates or the like could serve as spacers, for example.
  • they enable the device to be constructed in a very simple and efficient manner, since the areas of the spacers can always be flowed through in at least one direction by the gas flowing in the space without further measures. The homogeneous flow to the layers and thus to the hollow fibers can therefore be easily ensured even with minimal assembly effort.
  • the layers and the free areas are each flat and alternately arranged in an at least approximately rectangular space.
  • the device gives the device a modular structure, comparable to that of a plate reactor or plate heat exchanger. It can be adapted to the given conditions in a particularly advantageous manner by changing the number of layers, so that devices for any desired performance can be realized with only one construction principle and comparable or at least partially identical components.
  • This embodiment of the invention offers particular advantages if, with a very advantageous use of the device as a combined humidification and water recovery module for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, and here in particular in a mobile system, such as a vehicle for water, on land and in the air.
  • the device In its construction, which is comparable to a plate heat exchanger, the device can be adapted directly to a usually likewise rectangular fuel cell stack or, in a further development, can be integrated therein.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device according to the invention as a humidification and water recovery module.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the device according to the invention
  • 3 shows an alternative embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 4 shows a further alternative embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 5 shows an exploded view of a detail from a construction of the device according to FIG. 3;
  • Fig. 6 is an exploded view of the device together with a fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows a device 1 which is used as a combined humidification and water recovery module 1 for a fuel cell 2.
  • This use of the device 1 as a humidification and water recovery module together with the fuel cell 2 can be seen as an example of the invention shown here. Although this is the preferred application, the exemplary embodiment is not intended to restrict the invention to precisely this application.
  • the use of the device 1 as a humidification and water recovery module 1 is known in principle from the prior art.
  • a moist exhaust gas flow from the fuel cell 2 flows through the device 1.
  • the exhaust gas flow from the fuel cell 2 carries with it a comparatively large amount of water, which on the one hand comes from the humidification of the supply air flow flowing into the cathode compartment and on the other hand from the product water formed in the fuel cell 2.
  • This moisture is transmitted through the membrane 3 to the supply air flow, so that this flows wet into the fuel cell 2.
  • This moistening is necessary in order to keep the elements of the fuel cell 2, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM), sufficiently moist to ensure their operation and to protect them from drying out.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • hollow fiber membranes are used in addition to flat membranes, in which one of the gas streams, e.g. the moist gas stream flows inside the hollow fibers 4 made of a material permeable to water vapor. The water vapor then penetrates the hollow fibers 4 and can be taken up by a gas stream which flows around the hollow fibers 4 and which flows, for example, in a space 5 which is penetrated by the hollow fibers 4.
  • the space 5 is, for example, a container or a housing.
  • FIG. 2 shows such an embodiment
  • the hollow fibers 4 themselves, which are combined here into individual bundles 6, penetrate the space 5.
  • the structure is designed so that the hollow fibers 4 are sealed off from the space 5 in such a way that the one gas flow only through the hollow fibers 4 and the other gas flow can only flow through space 5 without the gas flows being able to mix.
  • This can be achieved, for example, in that the ends of the hollow fibers 4 are molded together with a plastic material or a resin, and that these molded ends, which only leave inlet openings in the respective hollow fibers open, are then sealed off from the space 5.
  • each of the bundles 6 has several of the hollow fibers 4.
  • the number of hollow fibers 4 per bundle is comparatively small, for example in the order of a few tens to a few hundred Hollow fibers 4, depending on the mass flows of the gas and the moisture to be transferred.
  • Each individual bundle 6 of the hollow fibers 4 is arranged in space 5 such that free areas 7 remain between the bundles of hollow fibers 4, so that the gas flowing through the space 5 can flow onto each individual bundle 6 on all sides.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the bundle 6 with the hollow fibers 4 are in the embodiment of FIG.
  • the thicknesses of the layers 8 therefore range from a few individual to a few hundred individual NEN hollow fibers 4, depending on the volume flow used.
  • the individual layers 8 are arranged alternately with the free areas 7, so that a structure is created which is in principle comparable to that of a plate heat exchanger or reactor.
  • additional spacers 9 are provided which keep the free areas 7 "open".
  • wire mesh or the like can be used as the spacer 9.
  • sawtooth or corrugated sheet-like configurations of the spacers 9 are also conceivable, which likewise ensure an approximately homogeneous flow to the individual hollow fibers 4 in the device 1.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment, in which in principle the same applies as has already been explained for FIG. 3.
  • the structure according to FIG. 4 has only been "wound up” compared to the structure described in FIG. 3 in the manner of a plate heat exchanger or plate reactor.
  • the structure is now implemented in the manner of layers 8 and free areas 7 arranged concentrically one inside the other.
  • a structure would of course also be conceivable which does not show a concentric structure of the individual layers 8, as shown in FIG. 4, but instead, in which the layers 8 and the free areas 7 provided with a corresponding spacer 9 in the manner of a Spiral are wound.
  • a structure with a rectangular cross section is particularly favorable. On the one hand, such a structure has advantages with regard to packaging. On the other hand, such a structure can easily be attached to a fuel cell stack 10. On At this point it should be mentioned that individual fuel cells 2 are usually stacked to form a fuel cell stack 10. The device according to the invention is therefore not only intended for a single fuel cell, but in particular for fuel cell stacks.
  • Such a construction in the manner of a plate heat exchanger or plate reactor also offers the advantage that, as already mentioned at the beginning, a modular construction is possible which allows the device 1 to be scaled to predetermined conditions, e.g. the size of the fuel cell 2 and thus the expected volume flow, very easily.
  • the device 1 is of rectangular construction and has some of the layers 8 with the hollow fibers 4, which are arranged one above the other, so that the hollow fibers 4 penetrate the space 5.
  • dry gas that is, fresh gas to be humidified (in short: fresh gas)
  • the fresh gas then flows through space 5 through the hollow fiber-free area 7, which is supported by the spacers 9.
  • the dry fresh gas is humidified, then enters a fuel cell, reacts there at least partially, is then led out of the fuel cell as moist or to be dried exhaust gas and fed into the hollow fibers 4 (not shown here for the sake of clarity, cf. but Fig. 6).
  • the exhaust gas then flows through the space 5 in the hollow fibers 4, whereby it transmits moisture through the walls of the hollow fibers 4 to the fresh gas to be humidified.
  • the hollow fibers 4 are open at the end and end in the collector 21, where the dried exhaust gas is collected and leaves the device through the outlet opening 17.
  • only two hollow fibers 4 are shown as representative for all hollow fibers, while the usual hollow fibers on the left face of room 5 seem to end. However, it should be emphasized once again that all hollow fibers 4 protrude from space 5, pass through distributor 29 and frame 18 and finally end open at the front in collector 21.
  • a frame for the casting compound 18 is arranged between the distributor 20 for the fresh gas to be humidified and the collector 21 for the dried exhaust gas.
  • the frame 18 is designed such that it is suitable for casting the hollow fibers 4 or hollow fiber layers 8 with a casting compound, e.g. a plastic or a resin.
  • the frame 18 has openings through which the hollow fibers 4 or hollow fiber layers 8 can be passed (four of these openings are shown one above the other in FIG. 5), as well as an inlet opening 19 for the casting compound.
  • the frame 18 has the function of prepositioning the hollow fibers or hollow fiber bundles in an arrangement suitable for casting.
  • the hollow fibers 4 or hollow fiber layers 8 are fixed in a suitable position, on the one hand, and manifold 20 is sealed off from the collector 21 so that the fresh gas entering through the inlet opening 11 does not mix with the exhaust gas emerging through the outlet opening 17 . Additional sealing elements can also be provided (not shown).
  • the layers 8 of the individual hollow fibers 4 have a layer thickness of 1 to 40 mm, for example when the device 1 is used in a 70 kW fuel line system and with an air mass flow of approx. 200 to 300 kg / h. In between are the free areas 7, which are provided here with a corrugated sheet-like spacer 9. The height of the individual free areas varies depending on the thickness of the layers 8 between about 0.5 mm and 10 mm.
  • the hollow fibers 4 themselves are passed through the space 5 accordingly and are potted together with a resin 12, for example.
  • each of the layers 8 is cast individually, so that a modular structure of the device 1 is created, which can be easily changed not only during the original assembly but also later during maintenance work or the like. Furthermore, such a modular structure of the individual layers 8 or all of the layers 8 used together has the decisive advantage that they can be removed and / or exchanged very easily for maintenance purposes, for example if the hollow fibers 4 should be blocked by impurities or the like.
  • Fig. 6 the structure of Fig. 5 is shown again in an assembled version.
  • the device 1 can be seen together in an exploded view with the fuel cell stack 10.
  • the device 1 has (from left to right) a feeder for exhaust gas 22 to be dried, a distributor for fresh gas 20 to be humidified, a space 5, a collector for humidified fresh gas 23 and a collector for dried exhaust gas 21.
  • the drying , or humidification takes place in this example in
  • Direct current of the two gas flows, but it could also take place in countercurrent of the two gas flows if appropriately designed distributors or collectors which deflect the gas flows accordingly.
  • the device 1 has an inlet opening 11 for the fresh gas to be humidified. After flowing through the device 1, the humidified fresh gas passes through an outlet opening 13 and through an inlet opening 14 directly into the fuel cell stack 10. After flowing through the fuel cell stack 10 and the reaction taking place there, the gas leaves the fuel cell stack 10 as moist or Exhaust gas stream to be dried through the outlet opening 15 and re-enters the device 1 through the inlet opening 16, where it is fed into the hollow fibers 4 in the feeder 22. When passing through the hollow fibers 4, the moist exhaust gas flow gives in the manner described above the moisture contained in it from the dry fresh gas. After passing through the hollow fibers 4, the gas reaches the collector 21 as dried exhaust gas, from where it leaves the device 1 through the outlet opening 17.
  • FIG. 6 Due to the rectangular structure of the device 1 and the arrangement of the openings 11, 13, 16, 17 shown here, it is possible to flange it directly onto the fuel cell stack 10, the illustration according to FIG. 6 being an exploded illustration of this structure.
  • the advantages in terms of packaging and the like to be achieved in this way have already been explained at the beginning.
  • line lengths can be saved by the construction, which in turn can prevent pressure losses and thus energy losses in the overall system. 6 results in a very compact and comparatively small structure, which is ideally suited for mobile systems, since they benefit particularly greatly from compact designs due to the usually very limited space available.
  • the device 1 as a humidification and water recovery module 1 for the fuel cell 2
  • other uses are of course also conceivable, the term moisture not being limited to water or water vapor.

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Abstract

Eine Vorrichtung dient zum Austausch von Feuchtigkeit, insbesondere Wasser oder Wasserdampf, zwischen einem feuchten und einem trockenen Gasstrom. Dabei werden zum Trennen der beiden Gasströme voneinander Hohlfasern eingesetzt. Die Vorrichtung kann beispielsweise zum Befeuchten eines trockenen, zu einer Brennstoffzelle strömenden Frischgasstroms durch einen feuchten Abgasstrom der Brennstoffzelle genutzt werden. Prinzipiell durchströmt immer einer der beiden Gasströme die Hohlfasern selbst, während diese von dem anderen der Gasströme umströmt werden. Erfindungsgemäss ist die Anordnung der Hohlfasern so ausgebildet, dass sich in einem von dem einen der Gasströme durchströmten Raum mehrere Bereiche ergeben, in denen dieser von jeweils mehreren Hohlfasern durchdrungen ist, und dass sich in demselben Raum andere Bereiche ergeben, welche frei von Hohlfasern bleiben. Damit wird eine gute Anströmung der einzelnen Hohlfasern und eine homogene Übertragung von Feuchtigkeit erreicht.

Description

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

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Austausch von Feuchtigkeit, insbesondere Wasser oder Wasserdampf, zwischen einem feuchten und einem trockenen Gasstrom, welche durch Hohlfasern voneinander getrennt sind, insbesondere zum Befeuchten eines trockenen zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms durch einen feuchten Abgasstrom aus der Brennstoffzelle, wobei die von dem einen der Gasströme durchströmten Hohl- fasern einen von dem anderen der Gasströme durchströmten Raum durchdringen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anordnung der Hohlfasern (4) in dem Raum (5) so ausgebildet ist, daß sich in dem Raum (5) mehrere Bereiche ergeben, wobei in einigen Bereichen (6, 8) jeweils mehrere Hohlfasern (4) angeordnet sind und andere Bereiche (7) frei von Hohlfasern (4) sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hohlfasern (4) als mehrere Hohlfaserbündel (6) in dem ansonsten von Hohlfasern (4) freien Raum (5) angeord- net sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils eine Anzahl von Hohlfasern (4) zu einer Schicht (8) mit einer Dicke von mehreren Hohlfasern (4) zusammengefaßt sind, wobei in dem Raum (5) wenigstens zwei Schichten (8) abwechselnd mit von Hohlfasern (4) freien Bereichen (7) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest in einem Teil der von den Hohlfasern (4) freien Bereichen (7) von dem Gas durchströmbare Abstandshalter (9) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichten (8) und die freien Bereiche (7) jeweils flächig ausgebildet und abwechselnd in dem dann wenigsten annähernd rechteckig ausgebildeten Raum (5) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichten (8) und die freien Bereiche (7) jeweils zylinder- oder zylinderabschnittsförmig ausgebildet und abwechselnd in dem dann wenigstens annähernd zylinderför- mig ausgebildeten Raum (5) angeordnet sind.
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als kombiniertes Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul (1) für eine Brennstoffzelle (2) , insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle in einem mobilen System.
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