WO2016020550A1 - Befeuchter - Google Patents

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WO2016020550A1
WO2016020550A1 PCT/EP2015/068395 EP2015068395W WO2016020550A1 WO 2016020550 A1 WO2016020550 A1 WO 2016020550A1 EP 2015068395 W EP2015068395 W EP 2015068395W WO 2016020550 A1 WO2016020550 A1 WO 2016020550A1
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channel
humidifier
channels
cross
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PCT/EP2015/068395
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Rainer Glück
André SPEIDEL
Thomas STÖHR
Werner Buntz
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Reinz-Dichtungs-Gmbh
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present application relates to a humidifier, preferably for the humidification of process gas for fuel cells.
  • Fuel cells use, among other things, process gases, for example, molecular hydrogen and / or oxygen for power generation. Such fuel cells typically use proton exchange membranes (PEM). In operation, such a PEM heats up to about 80 ° C to 90 ° C. It is important for the efficiency of the fuel cell as well as for the durability of the PEM, that in terms of temperature and humidity in the area of the PEM stationary conditions prevail as possible. In particular, drying out of the PEM can adversely affect the durability and efficiency of the fuel cell.
  • PEM proton exchange membranes
  • humidifiers are usually used in which a water transfer medium is arranged between two flow plates provided with channel structures, typically in the form of a water-permeable membrane.
  • the water permeable membrane is also referred to as a water transfer membrane or as a transfer membrane.
  • This transfer membrane separates a dry or humidified gas stream guided in the channel structures of the first flow plate from a humidified or dehumidified gas stream in the channel structures of the second flow plate, wherein a moisture level of the wet gas stream is higher than a moisture level of the dry gas stream.
  • the transfer membrane of the humidifier normally causes a significant proportion of the material costs incurred in the manufacture of the humidifier. There is therefore a need for reducing the material costs
  • the present invention is therefore based on the object, a
  • Process gas for fuel cells comprising:
  • first and second flow plates each have channels for gas guidance.
  • the proposed humidifier is distinguished from the known generic humidifiers in that the channels at least one of
  • the inventors of the humidifier proposed herein have recognized that the water transfer rate can be significantly increased if the channels on the wet side of the water transfer medium and / or the channels on the dry side of the water transfer medium with the mentioned
  • the guide geometries are normally distributed uniformly along the main extension direction of the channels, for. B. at regular intervals. Usually, one and the same channel along its main extension direction at least two, at least three, at least five or at least ten Leitgeometrien the manner described in more detail below.
  • the channels are usually bounded by channel walls. These typically include channel sidewalls oriented perpendicular or substantially perpendicular to the plane of plan plane of the respective flow plate are, and a canal floor.
  • the channel bottom is normally aligned parallel or substantially parallel to the plane plane of the respective flow plate.
  • substantially may include, for example, deviations from parallelism or orthogonality of up to 30 °, of up to 20 °, of up to 10 ° or of up to 5 ".
  • the channel walls bound the channel to the flow plate.
  • the channels are usually limited by the water transfer medium itself or by a support medium disposed between the water transfer medium and the respective flow plate.
  • the support medium can be, for example, a (graphite) fiber paper, a (graphite) fiber fabric, a nonwoven or other fabric or scrim of natural and / or synthetic fibers.
  • the support medium is usually gas permeable.
  • the water transfer medium may, for. As a porous medium, a coated or impregnated fabric (Texapore ®, Venturi ®), a
  • Membrane laminate (Goretex ® ), an ion - soaked membrane, a
  • a support medium is usually always required, but usually it is arranged on both sides of the water transfer medium.
  • the flow plates are usually at least partially formed of corrosion-resistant metallic materials, in particular stainless steel. Likewise, thermopiastic, elastomeric or thermosetting plastics can be used. Typically, the channel structures of the flow plates are stamped into the corresponding surfaces of the flow plates during manufacture. This makes it easy to produce large quantities. Alternatively, the flow plates can be made by injection molding, wherein the channels are mitgeformt directly.
  • the humidifier comprises a plurality of flow plates, wherein between each two of these plates a water transfer medium of the mentioned th kind is arranged.
  • the flow plates may have breakthroughs which stacking the flow plates at least one, preferably just a conduit for guiding wet gas, at least one, preferably exactly one line to Lead dehumidified gas, at least one, preferably exactly one line for guiding dry gas and at least one, preferably form a line for guiding humidified gas.
  • the channels of the first flow plate for guiding the moist gas and the channels of the second flow plate for guiding the dry gas may be at least partially parallel or substantially parallel to each other. They can each be flowed through in the same direction or in the opposite direction.
  • the channels for guiding the moist gas and the channels for guiding the dry gas may also be arranged obliquely to each other. This allows you to enclose an angle with each other that is essentially 0 °, 90 ° or 180 °. Here and in the following, all angles are given in the angular dimension. At 0 ° results in a DC arrangement, at 90 °, a cross-flow arrangement and at 180 °, which corresponds in terms of the channel guide as such, the 0 ° orientation, a countercurrent arrangement.
  • the channels may be formed such that the channel cross section changes continuously at least in sections along the main extension direction of the respective channel. Alternatively, it is also possible that the channel cross section along the main extension direction of the channel remains substantially constant.
  • the channels may each be formed such that a distance of a channel wall, i. at least one channel sidewall and / or the channel bottom, or at least a portion of a channel wall of a Kanalffenlachse continuously changes along the course of the channel.
  • the central channel axis is a connecting straight line connecting a first area center of gravity of the channel cross section at the beginning of the channel to a second area center of gravity of the channel cross section at the channel end.
  • the channel beginning and the channel end are given in each case by an entry of the channel into an active area of the humidifier and by an exit of the channel from the active area of the humidifier.
  • the channel beginning and the channel end respectively coincide with an edge of an active area of the humidifier membrane. In other words, the channel beginning and the channel end are often arranged within the edge of the active membrane surface.
  • the channels can also be designed such that a maximum distance of the channel side walls from the channel center axis along the channel course is at most a tenfold, preferably at most a fivefold, particularly preferably at most a double of the maximum channel width of the respective channel.
  • the guide geometries comprise at least one of the channel walls
  • the recesses and / or the projections are formed such that they in the flow direction at its end or at its from the
  • Flow remote end have no return.
  • the end facing away from the flow of the respective recess or of the respective projection may only have angles of up to and including 90 ° relative to the main flow direction.
  • the projections and / or the recesses have a continuous cross-section, in particular on their from the Flow away from the end.
  • This embodiment avoids a disruption of the laminar flow in the flow direction behind the respective guide geometry and turbulences caused by such a demolition. Such swirls can cause a large pressure drop along a short distance. This can significantly reduce efficient mass transport of the fluid through the channel and thus the efficiency of the humidifier, alternatively, an excessive energy input for the supply of the fluid must be applied.
  • the recesses and / or the projections are preferably each elongated.
  • the elongated recesses or the elongate projections preferably include an acute angle et with a center line of the respective channel wall extending along the main extension direction of the channel. For this z. Example: 45 degrees ⁇ ⁇ 70 degrees.
  • the channel wall with the recesses and / or projections may be one of the channel side walls or the channel bottom.
  • the elongated recesses or the elongated projections with the center line of the respective channel wall form an acute angle, they give the flow direction of the gas flowing in the channel, a velocity component perpendicular to the main flow direction of the gas in the channel. This causes the desired disruption of the ideally linear laminar flow of the gas, perpendicular to the plane of the plane of the flow plate, thereby improving water exchange across the water transfer medium.
  • the elongated recesses and / or projections may be arranged, for example, such that the flow of gas along the Hau terstreckungscardi the channel follows a spiral shape. Similar guide geometries are z. B.
  • the various recesses and / or projections in the channel are preferably to be arranged such that they each impart a twist to the gas flow with the same direction of rotation.
  • a cross-sectional area of the recesses which is perpendicular to the length or to the longitudinal direction of the recesses, can be between 2 and 12 percent, preferably between 2 and 10 percent of a cross section of the channel.
  • the cross-section of the channel to which the cross-sectional area of the recesses is related is the smallest cross-section along the entire passageway. With regard to this smallest cross section, the cross section of the channel in the region of the recesses is thus typically increased by between 2 and 12 percent, preferably by between 2 and 10 percent.
  • a cross-sectional area of the projections which is perpendicular to the length or to the longitudinal direction of the projections, can likewise each amount to between 2 and 12 percent, preferably between 2 and 10 percent, of the cross-section of the channel.
  • the cross-section of the channel to which the cross-sectional area of the projections is related is the largest cross-section along the entire passageway. With regard to this largest cross section, the cross section of the channel in the region of the projections is thus typically reduced by between 2 and 12 percent, preferably by between 2 and 10 percent.
  • a height of the projections and / or a depth of the recesses is preferably less than 40 percent of a depth of the channel defined perpendicular to the plane of the plane of the flow plate.
  • the height of the projections and / or the depth of the recesses are between 10 and 25 of the depth of the channel.
  • the depth of the channel, to which the depth of the recesses or the height of the projections is set is a smallest depth of the channel along the entire channel course.
  • the guiding geometries along the main extension direction of the channel comprise extending and merging channel sections of the channel, wherein a cross section of the channel is reduced or enlarged along the channel sections respectively in the same direction and wherein the transition between two of the merging channel sections each over a Edge takes place.
  • the cross-section continuously decreases along a first channel section to abruptly increase at a first edge.
  • the first channel section then merges into a second channel section.
  • the second channel portion is formed as well as the first channel portion.
  • the cross section of the second channel section thus typically decreases continuously, starting from the first edge, in order to abruptly increase again at a second edge, and so on.
  • Cross section of the channel changes discontinuously. It is even conceivable that the angle is slightly less than 90 °, but typically at least 80 ° or at least 85 °. After reduction of the cross-section, it is preferred that enlargement occurs, but it is also possible for the structure to always alternate two reductions and two magnifications. It is also conceivable that a channel section with decreasing or increasing cross section at a corresponding edge merges into a straight channel section with a constant cross section.
  • An edge is not necessarily to be understood in terms of a sharp edge, but preferably has a radius - also depending on the selected material - usually from 0.05 mm to 1 mm.
  • a mm and the largest cross-section A ma apply ( in the region of the edge normally (A max -A min ) / A m j n ⁇ 1, preferably 0, 75 ⁇ A ma! t -A min) / min A ⁇ 1, more preferably 0.8 ⁇ (A ma xA min) / A mjn ⁇ 1.
  • the sawtooth-like profile or sawtooth profiles of the channel side walls and / or the channel bottom may be periodic along the main direction of extension of the channel.
  • a s of the sawtooth-like profile and a board B of the channel determined parallel to the plane plane of the respective flow plate then preferably 5-B ⁇ A s ⁇ 20-B, more preferably 10-B ⁇ s ⁇ 15-B.
  • the width B can z. B. be a maximum width or a middle board of the channel.
  • Angle ß which changes along the main extension direction of the channel at least in sections.
  • the angle ⁇ in each case preferably: 90 ° ⁇ ⁇ 120 °.
  • the angle ⁇ is z. B. in each case to determine in the plane in which the cross-sectional area of the channel assumes the smallest value.
  • the angle ß can change at least in sections continuously.
  • the hint! ß discontinuously change at least one point, wherein in the channel side wall in turn creates an edge
  • Moisture transport in the direction of the water transfer medium is improved.
  • both of the channel side walls adjoining the channel bottom change their inclination described by angles i and ß 2 at least in sections at the same time relative to the channel bottom along the main extension direction of the channel.
  • the angle ß SSI and 2 at a given location along the main extension direction of the channel thereby z. B. in each case to determine in the plane in which the
  • the channel depth in this embodiment changes at least in sections wavelike, z. B. at least in sections periodically.
  • the change of the channel depth along the main extension direction of the channel and for a width B of the channel determined parallel to the plane plane of the respective flow plate may be: 5 B ⁇ ⁇ ⁇ 20-B, preferably 10-B ⁇ ⁇ ⁇ 15-B.
  • the width B can z. B. be a maximum or an average width of the channel.
  • the change usually associated with the channel depth change may lead to gas flowing in a first channel provided with a corresponding bottom wave, via a web which separates the first channel from a second channel of the same flow plate extending next to the first channel, into the latter Channel is pressed.
  • This is typically the case when the gas-permeable support medium described above is arranged between the flow plate and the water transfer medium.
  • the gas exchange between adjacent channels of the same flow plate is then usually via or through the support medium.
  • gas exchange between adjacent channels of the same flow plate will result in a particularly effective disturbance of the ideally linear laminar flow in these channels, acting perpendicular to the plane surface of the flow plate.
  • the straight webs and the corrugated webs are arranged alternately. are net.
  • the webs can then be arranged such that the sum of the cross sections of two immediately adjacent channels along the main extension direction of the channels is approximately constant. This then typically implies that the cross-section of a first of the immediately adjacent channels decreases precisely as the cross-section of the second of the immediately adjacent channels increases, and vice versa. Similar to the example described above, in which adjacent channels have periodic bumps with staggered periods, such an arrangement can promote the gas exchange between the immediately adjacent channels, which positively influences the water transfer rate of the water transfer medium as described.
  • the domed elevations may have different geometries. For example, they may have a round, oval or rounded-polygonal basic shape in plan view; the cross section can z. B. square, rounded-triangular, or otherwise be rounded, the rounded side has at least partially in the direction of the water transfer medium.
  • these dome-like elevations or at least one of them in its extension in the main extension direction of the channel in question and / or transversely to this has a changing height, as a result, the gas carried can particularly effectively impart a twist.
  • the dome - like elevations in combination with bars between the Channels used they may all have a lower height than the webs, which is not available to the support structure or - if the water transfer medium rich, they may differ in height with each other and the height of a domarttgen survey on the entire area must remain the same.
  • the height of the dome-like elevations is preferably between 20 and 50 percent of the height of the webs. However, if the dome-like elevations are used on a flow plate without additional elongated webs, at least a portion of the dome-like elevations to the support structure, or if such is not present, must reach the water transfer medium.
  • the guide geometries can also comprise different heights of channel-limiting webs, in particular on the high-pressure side of the water-transfer medium, ie on its dry side.
  • webs may, for example, have a wave-shaped course of their heights, sections may even be reduced to a height of 0.
  • One and the same channel can therefore have guide geometries of different types.
  • one and the same channel may have an at least partially wave-like channel bottom as well as channel side walls with at least partially changing inclination relative to the channel bottom.
  • channel side walls with at least sections of varying inclination simultaneously have a sawtooth-like profile parallel to the planar surface plane of the flow plate.
  • recesses and / or projections for at least partially redirecting the gas flowing in the channel can be provided in or on the channel walls, as described above. Also, side by side on a surface of a flow plate arranged channels different Leitgeometrien exhibit.
  • Embodiments of the humidifier proposed here are shown in the figures and will be explained in more detail with reference to the following description.
  • the figures are not to scale, in particular with regard to the ratios of widths, wavelengths and depths.
  • the channel geometries are shown in the figures partly as embossed structures with constant wall thickness, partly as sprayed structures with massive intermediate areas or as their negatives. Independent of this are all channel geometries for embossed metal plates as well as for sprayed ones
  • FIG. 1 shows schematically an electrochemical system with a compressor, a humidifier and a fuel cell unit
  • Fig. 3a in perspective one of the humidifier modules of Fig. 2;
  • FIG. 3b shows the humidifier module from FIG. 3a in an exploded view
  • FIG. 3c shows a further embodiment of the humidifier module from FIG.
  • Fig. 4 is a sectional view of channels of a flow plate of
  • Humidifier module according to FIG 3c, wherein the cutting plane is aligned perpendicular to the plane plane of the flow plate;
  • FIG. 5b perspective view of one of the channels of FIG. 4 with and without projections according to the invention, wherein in each case a resulting flow profile is shown;
  • FIG. 6b shows a detail of one of the channels from FIG. 6a in a plan view
  • FIG. Fig. 6c one of the channels of Fig. 6a in perspective, once with and once without a resulting flow profile in the channel.
  • FIG. 7a shows one of the channels from FIG. 4 in a plan view with guide geometries according to the invention in the form of channel side walls with a slope which changes with respect to the channel bottom;
  • FIGS. Figures 7d-e show variations of the channel of Figure 7a in perspective with and without a resulting flow profile
  • FIGS. 10a shows a guide geometry according to the invention in the form of an on a
  • Channel wall formed projection which has a continuous cross-section throughout; 10b shows a non-inventive guide geometry, which at its end facing away from the flow has no coherent transverse has cut and thus cause Verwirbeiept and a flow separation; such as
  • Fig. 11 a wave-shaped channel, wherein distances of the channel walls of a channel center axis change steadily.
  • Fig. 1 shows schematically an electrochemical system 1 with a compressor 2, a ßefeuchter 3 and a fuel cell unit 4, the z. B. has a plurality of hydrogen-oxygen fuel cells.
  • the humidifier 3 is supplied via a first input 5 of the humidifier 3, a dry, to be humidified process gas, for. For example, molecular hydrogen or molecular oxygen.
  • the humidified in the humidifier 3 process gas is then discharged via a first output 6 of the humidifier 3 to the Brennstoffzelienmaschine.
  • the chemical energy of different process gases is converted into electrical energy by means of a large number of membrane electrode units (MEA).
  • MEA membrane electrode units
  • the water vapor produced in the reaction of the process gases in the fuel cell unit 4 is supplied to the humidifier 3 via a second input 7 where it serves to humidify the dry process gas, which is supplied to the humidifier 3 via the first input 5.
  • the dehumidified water vapor is supplied via a second outlet 8 of the humidifier 3 z. B. delivered to the environment.
  • Fig. 2 shows the humidifier 3 of Fig. 1 with a plurality of layered humidifier 9, which are layered and braced between two end plates 10 and 11. Shown again are the inputs 5 and 7 and the
  • FIG. 3a shows one of the humidifier modules 9 of the humidifier 3, which is reproduced in an exploded illustration in FIG. 3b.
  • 3b has a first flow plate 12 with a plurality of channels 13.
  • the humidifier module 9 also includes a second flow plate 14.
  • a water transfer medium 15 is arranged in the form of a membrane.
  • this membrane support media 16a, 16b in the form of on both sides Graphite fiber paper applied.
  • channels 17 are arranged in the manner of the channels 3 of the first flow plate 12, which are hidden in Fig. 3b, however. Not shown are beads and / or elastomer seals that seal the approximately rectangular areas of the flow plates 12 and 14, in which the channels 13 and 17 are arranged, gas-tight against the environment.
  • the channels 13 and 17 are respectively arranged on the water transfer medium 15 side facing the Strömungspiatten 12 and 14. At the upper side of the channels 13 and 17 facing the water transfer medium, the channels 13 and 17 in the present case are thus in each case separated by those along the
  • the plane planes of the flow plates 12 and 14 are in Fig. 3b parallel to the plane defined by the axis 20 and the y-axis 21 xy plane aligned.
  • the x-axis 20, the y-axis 21 and the z-axis 18 form a right-handed Cartesian coordinate system.
  • the apertures 19 provide conduits for carrying dry gas, humidified gas, wet gas, and dehumidified gas.
  • the gases in the lines formed by the openings 19 are supplied to the channels 13 and 17 and discharged from the channels 13 and 17, as indicated in Fig. 3b.
  • water vapor passes via the second input 7 into the channels 13 of the first flow plate 12. There, the water vapor releases its moisture partially via the water transfer medium 15 to the guided in the channels 17 of the second flow plate 14 dry process gas.
  • the partially dehumidified water vapor in the channels 13 is then discharged via the second output 8 to the environment.
  • the dry process gas passes from the compressor 2 via the input 5 in the channels 17 and there takes on the water transfer medium 15 moisture of the guided in the channels 13 water vapor.
  • the thus-humidified process gas in the channels 17 is then supplied via the output 6 of the fuel cell unit 4.
  • the individual flow plates or the humidifier modules of the Humidifier 3 may be glued or potted together and / or connected by mechanical connection structures such as hooks or clips (not shown).
  • the flow plates 12 and 14 are one-piece flow plates made of a non-corrosive metallic material into which the channels 13 and 17 are respectively impressed.
  • the surfaces of the flow plates 12 and 14 are optionally hydrophilic or hydrophobic coated in the region of the channels 13 and 17.
  • the present structure is particularly easy to produce, because the individual flow plates are substantially identical in construction.
  • the channels 13 on the moist side of the water transfer medium 15 are traversed by water vapor in the positive x-direction 20.
  • the channels 17 are traversed on the dry side of the water transfer medium 15 in the negative x-direction 20 of dry process gas.
  • the humidifier 3 shown in FIG. 3b is thus a countercurrent humidifier.
  • Fig. 3c shows a modified embodiment of the humidifier 3 of Fig. 3b.
  • the embodiment according to FIG. 3c differs from the embodiment according to FIG. 3b with respect to the alignment of the channels 13 of the first one
  • the channels 13 and the channels 17 or their main directions of extension or main flow directions in FIG. 3 c are arranged perpendicularly or substantially perpendicular to one another.
  • the channels 13 in FIG. 3 c run essentially parallel to the y-axis 21, while the channels 17 are aligned substantially parallel to the x-axis 20.
  • the channels 13 and 17 have a length of about 30 cm in Figs. 3b and 3c.
  • FIGS. 3 b and 3 c also differ in the arrangement of the openings 19 in the flow plates 12 and
  • the apertures 19 of the first flow plate 12 in fluid communication with the channels 13 are arranged in FIG. 3 c at the upper and lower edges of the flow plate 12, respectively. They are parallel to the x-axis 20, that is perpendicular to the main extension direction of the channels 13.
  • the openings 19 of the second flow plate 14 in FIG. 3c, which are in fluid communication with the channels 17, are respectively at the left and at the right edge the flow plate 14 is arranged. They run parallel to the y-axis 21, ie in turn perpendicular to the main extension direction of the channels 17th
  • the channels 13 and 17 in Fig. 3 are all wave-like, the amplitude of the wave being approximately equal to twice the channel width of a channel 13 and 17, respectively.
  • FIG. 4 shows a section of two adjacent channels 13a and 13b of the first flow plate 12, comparable to FIG. 3c.
  • FIG. 4 differs from FIG. 3c in that the flow plate 12 here is made of a thermoplastic material
  • the sectional plane 22 of Fig. 4 is aligned parallel to the x-z plane and shown schematically in Fig. 3c.
  • the sectional plane 22 is thus arranged perpendicular to the main extension directions of the channels 13a and 13b extending substantially parallel to the y-axis 21.
  • the cutting plane 22 is arranged perpendicular to the plane of the plane of the flow plate 12, which is aligned parallel to the x-y plane.
  • the channels 13 a, 13 b bounded on their upper sides 23 a, 23 b by the disposed between the first flow plate 12 and the water transfer medium 15 support medium 16 a.
  • the channels 13a, 13b are delimited by channel bottoms 24a, 24b.
  • the channels 13a, 13b are bounded by channel side walls 25a, 26a and 25b, 26b, respectively.
  • the channel side walls 25a, 26a and 25b, 26b adjoin the channel bottoms 24a, 24b on both sides of the channel bottoms 24a, 24b.
  • the channel side walls 25a, 26a and 25b, 26b relative to the channel bottoms 24a, 24b are each inclined slightly outwardly.
  • the channel bottom 24a and the channel side walls close 25a, 26a in the sectional plane 22 inclination angle i and ß 2, each about 92 °.
  • the channels 13a, 13b thus have a substantially rectangular cross-section in the sectional plane 22. A perpendicular to the plane plane of the
  • Flow plate 12 certain channel depth T of the channel 13a extends from the channel bottom 24a to the support medium 16a at the top 23a of the channel 13a.
  • a channel width B determined parallel to the plane of plan plane extends from the first channel side wall 25a of the channel 13a to the second channel side wall 26a of the channel 13a.
  • the width B of the channel 13a is approximately twice the depth T of the channel 13a.
  • the channel depth T is z. B. between 0.2 mm and 4 mm, typically between 0.4 mm and 2 mm.
  • the channel width B is z. B. between 0.5 mm and 5 mm, typically between 0.5 mm and 2 mm.
  • channels 13a, 13b may also apply to some or all further channels 13 of the first flow plate 12 and / or to at least one of the channels 17 or to all of the channels 17 the second flow plate 14 apply.
  • channels of different embodiments can also be arranged on a surface of the same flow plate.
  • FIG. 5a shows a particular embodiment of the channels 13a, 13b of the humidifier 3 proposed here.
  • the channels 13a, 13b extend substantially straight in the positive y-direction 21.
  • the channels 13a, 13b are here as blocks, whereas the flow plate 12 into which the channels 13a, 13b are impressed is not explicitly shown.
  • the web 27 between the channels 13a, 13b is not shown. In this sense, the representation of FIG. 5a is a "negative".
  • Fig. 5a the orientation of the channels 13a, 13b relative to the remaining components of the humidifier module 9 substantially corresponds to that shown in Fig. 3c.
  • all of the embodiments of channels 13 and 17 shown in FIG. 3c shown here and in the following are also transferable to an arrangement according to FIG. 3b, that is to say direct current or countercurrent.
  • the channels 13a, 13b are delimited on their upper sides 23a, 23b facing the water transfer medium 15 (not shown in FIG. 5a), as in FIG. 4, by the support medium 16a.
  • the example according to FIG. 5 a differs from that according to FIG. 3 c only in that the channels 13 in FIG. 3 c extend in a wave-like manner in the y-direction 21, while the channels
  • 13a, 13b have a straight course in the y-direction 21 in FIG. 5a.
  • the specific embodiments of the channels described here and hereinafter can be readily realized in both straight and wavy or otherwise curvilinear channels.
  • the channels 13a, 13b have elongated projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b, which project partially into the channels 13a, 13b.
  • elongated recesses may be provided in the channel bottoms 24a, 24b.
  • corresponding elongated projections and / or recesses may also be provided on the channel side walls 25a, 25b, 26a, 26b.
  • the proportion of the projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b at a projected in the lowest level of the channels 13a, 13b surface of the channel bottom is here about 12 percent.
  • the oblong projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b are arranged obliquely relative to the main direction of extension of the channels 13a, 13b.
  • the elongated projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b are thus arranged obliquely relative to the y-direction 21 in FIG. 5a.
  • the center line 31a connects z.
  • the centerline 31b can be defined in an analogous manner.
  • the elongate protrusions 28a, 29a in the channel 13a and the elongated protrusions 28b, 29b, 30b in the channel 13b are each aligned parallel or substantially parallel to each other. Protuberances following one another along the main extension direction of the respective channel 13a, 13b are arranged in such a way that their mutually facing ones are arranged
  • the protrusions 28a, 29a, 28b, 29b, 30b so protrude perpendicular to the planar surface plane of the flow plate 12 by about 15 percent of the Kanaitiefe T from the channel bottom 24a, 24b in the channel 13a, 13b.
  • the projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b each have a constant maximum height h in a constant triangular profile.
  • a cross-sectional area of the projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b, which is determined perpendicular to the longitudinal direction of the projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b, in each case amounts to approximately 4% of the cross section A of the respective channel.
  • Flow plate 12 cause disturbance along the main extension direction of the channels 13a, 13b through the channels 13a, 13b flowing ideally linear laminar gas flow.
  • the projections 28a, 29a, 28b, 29b, 30b are suitable for an approximately spiral flow profile in the gas flow flowing through the channels 13a, 13b in the positive y-direction 21 along the main extension direction of the channels 13a, 13b impress.
  • This is indicated in FIG. 5 a by arrows 42 a, 42 b, which in each case have the same direction of rotation with respect to channel center axes 40 a, 40 b. Only for a better representation of the course of the channel center axes 40a, 40b are additional points 41a, 41b shown, on which the
  • the representation according to Fig. 5b is thus a "positive" representation of the channel.
  • a section 40 of the channel 13b is shown, in which no protrusions according to the invention are arranged, so that an ideal linear laminar flow results, here represented by straight and parallel flow lines 42.
  • a portion 41 of the channel 13b is shown in which a projection 28b according to the invention is arranged on the channel bottom 24b runs obliquely to the main extension direction of the channel 13b, it rises at an angle slightly larger than
  • the channel side walls 25b, 26b thus have along the main extension direction of the channel 13b, here along the y-direction 21, a multiplicity of edges K1, K2, K3, K4, etc., and LI, L2, L3, L4, etc. at which the cross section A of the channel 13b changes abruptly but steadily.
  • the edges K1, K2, K3, K4, etc. of the first channel side wall 25b are located opposite the edges LI, L2, L3, L4, etc. of the second channel side wall 26b.
  • channel sections Ml, M2, M3, etc. which are each formed the same.
  • the sawtooth profiles of the channel side walls 25b, 26b thus each have a periodic structure along the main extension direction of the channel 13b.
  • the channel sections Ml, M2, M3, etc. merge into one another at the edges.
  • the channel sections Ml and M2 merge into one another on the mutually opposite edges K2 and L2.
  • the cross-section A of the channel 13b decreases in each case in the positive y-direction 21.
  • the cross-section A of the channel 13b in the positive y-direction 21 thus decreases abruptly but steadily, ie without Return, too.
  • FIG. 6a shows a plan view of the channel 13b from FIG. 6a, in particular the channel 13b in the region of the edges K2 and L2 between the channel sections M1 and M2. The remaining edges of the
  • FIGS. 7a-c clearly shown coordinate systems.
  • the cutting planes or image planes of FIGS. 7b and 7c are highlighted in Fig. 7a by dashed lines AA and BB.
  • the basis of FIGS. 7a-c illustrated embodiment is characterized in that inclination angles ßi and ß 2 , which include the channel side walls 25b and 26b respectively with the channel bottom 24b, at least partially change along the Hauptterstre- ckungscardi of the channel 13b. Here they change in particular continuously.
  • the changes of the channel side walls 25b and 26b are shown hatched.
  • FIG. 7b shows a cross section of the channel 13b from FIG. 7a along a plane AA, which is oriented perpendicular to the plane of the plane of the flow plate 12.
  • the first channel side wall 25b includes a first inclination angle ⁇ i of about 90 ° with the channel bottom 24b.
  • the second channel side wall 26b includes with the channel bottom 24b in the same plane AA a second inclination angle ß 2 of about 105 °.
  • FIG. 7 c shows a cross section of the channel 13 b from FIG. 7 a along a further plane BB, which is aligned perpendicular to the plane plane of the flow plate 12.
  • the first channel side wall 25b with the Kanaiboden 24b includes a first inclination angle i of about 105 °.
  • the second channel side wall 26b with the channel bottom 24b in the same plane BB includes a second angle of inclination ⁇ 2 of approximately 90 °.
  • the inclination angles ⁇ i and / or ⁇ 2 typically vary along the main extension direction of the channel 13b such that the cross-section A of the channel 13b remains constant or remains nearly constant. This means that the inclination angle ⁇ i increases along the main extension direction of the channel 13b when the inclination angle ⁇ 2 in the same portion of the channel
  • angles of inclination ⁇ i and / or ⁇ 2 in each case vary in such a way that the cross-section A of the channel 13b varies along the main extension direction of the channel 13b by at most 60 percent, preferably by at most 30 percent, preferably by at least 5 percent. most preferably at least 10 percent.
  • Figs. 7d and 7e show perspective views of modified embodiments of the channel 13b of Figs. 7a-c, and again in a "positive" representation, that is, as a stamping or other shaping in the flow plate 12. Shown are respective cross-sections 50, 51, 52 (FIG. 7d ⁇ and 53, 54 (Fig. 7e) of the channel 13b at different positions along the main extension direction of the channel 13b. It can be seen here that the inclination angles ⁇ j, ⁇ 2 of the channel side walls 25b, 26b change relative to the channel bottom 24b along the main extension direction of the channel 13b.
  • the channels 13a, 13b are shown as blocks for ease of illustration. Not shown, however, is the flow plate 12, in which the channels 13a, 13b are impressed. In particular, the web 27 between the channels 13a, 13b is not shown.
  • FIGS. 8a-c again parallel to the y-axis 21.
  • the channel depth T is determined perpendicular to the plane plane of the flow plate 12, in the Fign. 8a-c in each case along the z-direction 18.
  • the channel depth T extends z. B. from the channel bottom 24a, 24b to the support medium 16a, which limits the channels 13a, 13b to WaS5ertransfermedäum 15 out.
  • the channel depth modulation need not be periodic or continuous, as shown in Figs. 8a-c shown. It is also conceivable that the change in the channel depth along the main extension direction of the channels 13a, 13b is at least partially discontinuous, z. B. in stages, but without recesses. Also, the channel bottom 24a and / or 24b perpendicular to the plane plane of the flow plate 12 may have a sawtooth profile, for example in the manner of the side walls 25b or 26b as shown in FIGS. 6a, 6b.
  • a modulation of the channel depth T according to FIGS. 8a-c and concomitant change in the distance of the channel bottom of the channel center axis directly causes a directed perpendicular to the plane of the plane disturbance of an out in the channels 13a, 13b conducted ideally linear laminar flow.
  • the two adjacent channels 13a, 13b each have a modulation of the channel depth T with the same period length ⁇ .
  • the immediately adjacent and mutually parallel channels 13a, 13b arranged along their main extension direction such that the periods of their respective channel depth modulation are shifted by a half period length ⁇ ⁇ / 2 against each other.
  • the web 27 arranged between the straight webs 55, 56 extends in a wave-like manner along the main directions of extension of the channels 13a, 13b.
  • the web 27 has a periodic waveform.
  • a wavelength w of the wave-like structure of the ridge 27 is slightly less than twice the maximum width B max of the channels 13a, 13b, which is determined perpendicular to the main extension direction of the channels 13a, 13b.
  • dome-like structures 60 Arranged on the channel bottoms 24a, 24b are dome-like structures 60, which project partially into the channels 13a, 13b, in particular having a height of 20-50% of the height of the webs 55, 56, and 27, respectively.
  • another dome-like structure 61 protrudes from the channel side wall 25a of the channel 13a in FIG. 9a into the channel 13a, which also has a lower height than the web 55, as illustrated by the edge 70. Comparable dome-like structures projecting from the channel wall are given in FIG. 9b.
  • the dome-like elevations 60, 61 may have in plan view round or polygonal-rounded shapes, as shown in the channel 13a of FIG. 9a.
  • the dome-like elevations 60 are arranged, for example, at approximately uniform intervals. In the flow direction - in Fig. 9 this is the positive y-direction 21 - are these dome-like elevations 60, in channel 13b of Fig. 9a, all just behind the areas of the channel in which this has a locally maximum cross-section.
  • the dome-like elevations 60 in channel 13b of FIG. 9a are all arranged approximately centrally with respect to the cross section determined perpendicular to the main extension direction of the channel 13b.
  • Fig. 9b illustrates that also several dome-like elevations can cooperate, which can be arranged at the same height in the main extension direction of the channels 13a, 13b or offset from each other. It can be a whole group of smaller domed surveys or a pair of domed surveys.
  • the dome-like elevations can protrude from the channel bottom or projecting from the channel wall sections, ie in particular with respect to the web reduced height.
  • the gas flowing in the passages 13a, 13b may be given a twist, so that gas exchange occurs within a passage.
  • FIGS. 9a-b respectively show the courses of channel center axes 40a, 40b of the channels 13a, 13b.
  • the arrangement of the Kanaiffenachsen 40a, 40b relative to the channels 13a, 13b will be explained in more detail in connection with FIG. It can be clearly seen that the distance between the channel wall 26a and the channel central axis 40a of the channel 13a changes continuously at least in sections. It can also be seen that the distance of the channel wall 25b from the channel central axis 40b of the channel 13b changes continuously at least in sections. This also contributes to the disturbance of the ideal laminar flow of the fluid in the channels 13 a, 13 b perpendicular to the plane of the plane of the flow plate 12.
  • FIG. 10a shows an embodiment of one of the channels 13 of the flow plate 12, a channel limiting web 27 and channel walls 25, 26.
  • a rounded, elongated projection 60 is arranged, which projects partially into the channel 13 and the interference of the ideal laminar flow of the flowing fluid in the channel 13 47 perpendicular to the plane plane of the flow plate 12 causes.
  • the fluid 47 flows in the positive x-direction 20 in FIG. 10 a. This is illustrated by arrows arranged on the flow lines 47.
  • the flow cross section of the channel 13 changes continuously along the oval projection 60. On its side facing away from the flow, the two side edges 62, 63 merge tangentially into one another.
  • the elevation 60 is further designed such that it has a continuous cross-section throughout, in particular perpendicular to the main extension direction of the channel 13 in the region of the elevation 60, namely parallel to the y-z plane in Fig. 10a and in particular in the flow direction at the end of the survey 60th
  • FIG. 10b shows a channel 113, a web 127 delimiting the channel 113, channel walls 125, 126, and a raised portion 160 arranged at the bottom of the channel 113, wherein the raised portion 160 of FIG. 10b is not designed according to the invention.
  • a fluid 147 flows in the positive x-direction 20 through the channel 113.
  • the end facing away from the flow of the elevation 160 has two recessed legs 164, 165, each having an angle ⁇ 'of about 145 ° with the main extension direction of the channel 113th span and thus with the parallel running channel walls 125, 126th This Angle is thus greater than 90 ° and thus characteristic of a return jump on the end of the projection 160 facing away from the flow or, analogously, also for a recess, not shown here.
  • a turbulence and a demolition of the elevation 160 is still ideally laminar flow. This swirl causes a large pressure drop over a short distance in the direction of flow. This affects the efficient mass transport of the fluid 147 through the channel 113 and the efficiency of the humidifier,
  • the elevation 160 according to FIG. 10b also has a cross-section which is not contiguous at the end facing away from the flow, at least parallel to the y-z plane, because it has the already mentioned recess there.
  • FIG. 11 shows a highly schematic representation of a further embodiment according to the invention of one of the channels 13 of the flow plate 12.
  • the channel 13 according to FIG. 11 has wave-shaped, mutually opposite channel walls 25, 26.
  • a first centroid S1 of the channel cross-section F1 at the channel beginning and by a second Centroid S2 of the channel cross section F2 at the channel end is a channel centerline 40 fixed.
  • the channel 13 according to FIG. 11 is designed such that the distances between the channel walls 25, 26 from the central channel axis 40 change continuously at least in sections along the main extension direction of the channel 13. This may also be the case if the channel 13 has a constant cross section along its course.
  • a first channel cross section Aa and a second channel cross section Ab are emphasized in FIG. 11.
  • the distance of the channel wall 25 from the channel central axis 40 from the distance between the channel wall 25 and the channel central axis 40 at the channel start is reduced.
  • the distance of the channel wall 26 from the central channel axis 40 in the region of the cross section Aa with respect to the distance of the channel wall 26 from the central channel axis 40 at the beginning of the channel is increased.
  • the cross section Ab is the distance of the channel wall 25 of the channel center axis
  • the distance of the channel wall 26 is reduced by the channel central axis 40 in the region of the cross section Ab with respect to the distance of the channel wall 26 of the channel central axis 40 at the beginning of the channel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter (3), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, umfassend: einen ersten Eingang (5) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (6) zum Abgeben befeuchteten Gases, einen zweiten Eingang (7) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (8) zum Abgeben entfeuchteten Gases, mindestens eine erste (12) und eine zweite (14) Strömungsplatte, ein zwischen der ersten (12) und der zweiten Strömungsplatte (14) angeordnetes Wassertransfermedium (15), das im Betrieb gasundurchlässig oder im Wesentlichen gasundurchlässig ist, wobei die erste (12) und die zweite Strömungsplatte (14) jeweils Kanäle (13, 17) zur Gasführung aufweisen. Die Kanäle (13, 17) weisen entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl von Leitgeometrien auf, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12, 14) eine Störung der ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal (13, 17) geführten Gases bewirken.

Description

Befeuchter
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen verwenden unter anderem Prozessgase, beispielsweise molekularen Wasserstoff und/oder Sauerstoff zur Stromerzeugung. Solche Brennstoffzellen verwenden üblicherweise Protonenaustauschmembranen {PEM). Im Betrieb erhitzt sich eine solche PEM auf etwa 80°C bis 90°C. Es ist für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie für die Haltbarkeit der PEM wichtig, dass bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit im Bereich der PEM möglichst stationäre Verhältnisse herrschen. Insbesondere ein Austrocknen der PEM kann sich nachteilig auf die Haltbarkeit und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auswirken.
Zur gezielten Einstellung des Feuchtegrades der der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgase ist es daher üblich, bestimmte Prozessgase zu befeuchten, bevor diese der Brennstoffzelie zugeführt werden. Dazu werden üblicherweise Befeuchter verwendet, bei denen zwischen zwei mit Kanalstrukturen versehenen Strömungsplatten ein Wassertransfermedtum angeordnet ist, typischerweise in Form einer wasserdurchlässigen Membran. Die wasserdurchlässige Membran wird auch als Wassertransfermembran oder als Transfermembran bezeichnet. Diese Transfermembran trennt einen in den Kanalstrukturen der ersten Strömungsplatte geführten trockenen bzw. zu befeuchtenden Gasstrom von einem in den Kanalstrukturen der zweiten Strömungsplatte geführten feuchten bzw. zu entfeuchtenden Gasstrom, wobei ein Feuchtigkeitsgrad des feuchten Gasstromes höher ist als ein Feuchtigkeitsgrad des trockenen Gasstromes. Über die Transfermembran findet dann ein Wassertransfer vom feuchten Gasstrom zum trockenen Gas statt, so dass sich die Feuchtigkeitsgrade der Gase beiderseits der Membran einander angleichen. Dadurch, dass die Transfermembran (zumindest bei einer Mindestbefeuchtung) im Wesentlichen gasdicht ist, kommt es in dem Befeuchter zu einer Annäherung des Feuchtigkeitsgrades der beiden Gase bzw. Gasströme, ohne dass es dabei zu einer Vermischung der Gase selbst kommt.
Die Transfermembran des Befeuchters verursacht normalerweise einen wesentlichen Anteil der bei der Herstellung des Befeuchters anfallenden Materialkosten. Zur Senkung der Materialkosten besteht daher Bedarf nach
Befeuchtern mit einer Transfermembran verringerter Fläche bei möglichst gleichbleibender Leistungsfähigkeit des Befeuchters.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen
Befeuchter zu schaffen, bei dem der Wassertransfer über eine gegebene Fläche der Transfermembran gegenüber bekannten Befeuchtern erhöht ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Befeuchter gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsausformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also ein Befeuchter, insbesondere zum Befeuchten von
Prozessgas für Brennstoffzellen, umfassend:
einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases,
einen zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases,
mindestens eine erste und eine zweite Strömungsplatte,
ein zwischen der ersten und der zweiten Strömungsplatte angeordnetes Wassertransfermedium, das im Betrieb gasundurchlässig oder im Wesentlichen gasundurchlässig ist,
wobei die erste und die zweite Strömungsplatte jeweils Kanäle zur Gasführung aufweisen.
Der vorgeschlagene Befeuchter zeichnet sich gegenüber gattungsgemäßen bekannten Befeuchtern dadurch aus, dass die Kanäle wenigstens einer der
Strömungsplatten entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl von Leitgeometrien aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Pianflächenebene der jeweiligen Strömungspiatte eine Störung einer ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal geführten Gases bewirken.
Bei der ideal linearen laminaren Strömung sind die Strömungslinien entlang der Strömungsrichtung ideal geschichtet und ungestört. Infolge der durch die Leitgeometrien bewirkten Störung kann im jeweiligen Kanal z. B. eine parallel laminare Strömung oder eine gestört laminare Strömung entstehen, insbe- sondere im Bereich der jeweiligen Leitgeometrie. Bei der parallel laminaren
Strömung sind die Strömungslinien entlang der Strömungsrichtung parallel ausgerichtet und folgen ggfs. der Kontur des Kanals, falls dieser beispielsweise gewellt ist. Bei der gestört laminaren Strömung bleiben die Strömungslinien zwar typischerweise ausgerichtet, jedoch wird die ideale Schichtung gestört. In diesem Fall erfolgt z. B. eine schraubenförmige Drehung oder eine Verdichtung der Gase im Kanal.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Wassertransfer über das Wassertransfermedium bei bekannten Befeuchtern vor al- lern dadurch beeinträchtigt wird, dass die beiderseits des Wassertransfermediums in den Kanälen der Strömungsplatten geführten Gasströme im Wesentlichen linear laminar, das heißt in Schichten strömen. Typischerweise sind diese Strömungsschichten parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatten bzw. parallel zur Planflächenebene des zwischen den Strömungsplatten ange- ordneten Wassertransfermediums ausgerichtet. Im Folgenden wird eine erste Seite der Planflächenebene des Wassertransfermediums, an der Kanäle zum Führen von feuchtem bzw. zu entfeuchtendem Gas angeordnet sind, auch feuchte Seite des Wassertransfermediums genannt. Entsprechend soll die der feuchten Seite des Wassertransfermedi- ums gegenüberliegende zweite Seite der Planflächenebene des Wassertransfermediums, an der Kanäle zum Führen von trockenem bzw. zu befeuchtendem Gas angeordnet sind, als trockene Seite des Wassertransfermediums bezeichnet werden. Die Wassertransferrate des Wassertransfermediums, d. h. die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit des Wassertransfermediums von der feuchten Seite des Wassertransfermediums zur trockenen Seite des Wassertransfermediums transferierte Wassermenge, erhöht sich gewöhnlich mit zunehmendem Feuchtigkeitsgradienten zwischen der feuchten und der trockenen Seite des Wassertransfermediums, insbesondere mit zunehmendem Feuchtigkeitsgradienten zwischen den Oberseiten der beiderseits des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle bzw. dem darin jeweils geführten Gas. Die Oberseiten der Kanäle sollen die dem Wassertransfermedium jeweils zugewandten Seiten oder Bereiche der Kanäle sein, egal ob sie in der konkreten Anordnung ober- oder unterhalb liegen.
Bei bekannten Befeuchtern erfolgt ein vergleichsweise guter Feuchtigkeitsaustausch in der Regel nur zwischen den Oberseiten der Kanäle beiderseits des Wassertransfermediums bzw. zwischen den an den Oberseiten der Kanäle geführten Strömungsschichten an der feuchten Seite des Wassertransfermediums einerseits und an der trockenen Seite des Wassertransfermediums andererseits. Aufgrund der laminaren Strömungsprofile in den einzelnen Kanälen findet jedoch in ein und demselben Kanal zum Führen von feuchtem Gas oder in ein und demselben Kanal zum Führen von trockenem Gas kaum ein Feuchtigkeitsausgleich senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatten statt. Dies hat typischerweise zur Folge, dass sich die Feuchtigkeitsgrade in den Strömungsschichten an der Oberseite der Kanäle beiderseits des Wassertransfermediums schnell angleichen. Dadurch verringert sich der Feuchtigkeitsgradient zwischen der feuchten und der trockenen Seite des Wasser- transfermediums. Damit einher geht eine Verringerung der Wassertransferrate. Die Erfinder des hier vorgeschlagenen Befeuchters haben erkannt, dass die Wassertransferrate in erheblichem Maße erhöht werden kann, wenn die Kanäle an der feuchten Seite des Wassertransfermediums und/oder die Kanäle an der trockenen Seite des Wassertransfermediums mit den genannten
Leitgeometrien versehen werden. Aus dem zuvor Gesagten erschließt sich dem Fachmann unmittelbar, dass eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung eine Verbesserung des Feuchtigkettstransfers innerhalb ein und desselben Kanals bewirkt. Damit kann ein hinreichend großer Feuchtigkeitsgradient zwischen den nahe beim Wassertransfermedium liegenden Bereichen der feuchten und der trockenen Seite des Wassertransfermediums aufrecht erhalten werden. Auf diese Weise wird die Wassertransferrate auf einfache und effiziente Weise dauerhaft erhöht. Wesentlich für die Erfindung und somit den optimalen Betrieb des Befeuchters ist, dass die ideal lineare laminare Strömung zwar gestört ist, aber nicht in dem Maße, dass eine turbulente Strömung resultieren würde.
Die Haupterstreckungsrichtung des Kanals bezeichnet die Richtung, entlang derer im zeitlichen Mittel ein makroskopischer Massentransport des im Kanal geführten Gases durch den Kanal erfolgt. Die Haupterstreckungsrichtung des Kanals ist nicht notwendigerweise durch eine Gerade gegeben. Die Kanäle können sich parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte sowohl gerade als auch wellenförmig oder in anderer Weise krummlinig er- strecken, typischerweise jeweils über eine Länge von etwa 10 bis 45 cm.
Die Leitgeometrien sind entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle normalerweise jeweils gleichmäßig verteilt angeordnet, z. B. in gleichmäßigen Abständen. Üblicherweise weist ein und derselbe Kanal entlang seiner Haupt- erstreckungsrichtung wenigstens zwei, wenigstens drei, wenigstens fünf oder wenigstens zehn Leitgeometrien der unten ausführlicher beschriebenen Art auf.
Die Kanäle werden üblicherweise durch Kanalwände begrenzt. Diese umfassen typischerweise Kanalseitenwände, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ausgerichtet sind, und einen Kanalboden. Der Kanalboden ist normalerweise parallel oder im Wesentlichen parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ausgerichtet. Die Formulierung„im Wesentlichen" kann dabei z. B. Abweichungen von der Parallelität bzw. Orthogonalität von bis zu 30°, von bis zu 20°, von bis zu 10° oder von bis zu 5" umfassen. Die Kanalwände begrenzen den Kanal zur Strömungsplatte hin.
Zum Wassertransfermedium hin werden die Kanäle üblicherweise durch das Wassertransfermedium selbst oder durch ein zwischen dem Wassertransfermedium und der jeweiligen Strömungsplatte angeordnetes Stützmedium begrenzt. Das Stützmedium kann beispielsweise ein (Graphit-)Faserpapier, ein (Graphit-)Fasergelege, ein Vlies oder ein sonstiges Gewebe oder Gelege aus Natur- und/oder Kunstfasern sein. Das Stützmedium ist gewöhnlich gasdurchlässig. Das Wassertransfermedium kann z. B. ein poröses Medium, ein beschichtetes oder imprägniertes Gewebe (Texapore®, Venturi®), ein
Membranlaminat (Goretex®), eine ionengetränkte Membran, eine
lonomermembran {Nafion®} oder ein Diaphragma sein. Zumindest auf der Niederdruckseite des Wassertransfermediums, also auf der Seite mit höherem Feuchtigkeitsgehalt, ist ein Stützmedium gewöhnlich immer erforderlich, meist wird es aber auf beiden Seiten des Wassertransfermediums angeordnet.
Die Strömungsplatten sind gewöhnlich zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen gebildet, insbesondere aus Edelstahl. Ebenso können thermopiastische, elastomere oder duroplastische Kunststoffe verwendet werden. Typischerweise werden die Kanalstrukturen der Strömungsplatten bei der Herstellung in die entsprechenden Oberflächen der Strömungspiatten eingeprägt. So können auf einfache Weise große Stückzahlen produziert werden. Alternativ können die Strömungsplatten mittels Spritz- guss hergestellt werden, wobei die Kanäle unmittelbar mitgeformt werden.
Dies bietet mehr Freiheitsgrade bei der Kanalgestaltung. Bei
Polymerwerkstoffen bietet sich als Sonderform des Spritzgusses ein Spritz- Präge-Prozess an.
Normalerweise umfasst der Befeuchter eine Vielzahl von Strömungsplatten, wobei zwischen je zwei dieser Platten ein Wassertransfermedium der genann- ten Art angeordnet ist. Zur Führung von flüssigen oder gasförmigen Medien in Stapeirichtung, typischerweise zum Führen von Prozessgas für einen Brennstoffzellenstapel, können die Strömungsplatten Durchbrüche aufweisen, die beim Stapeln der Strömungsplatten mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen feuchten Gases, mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen entfeuchteten Gases, mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen trockenen Gases und mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen befeuchteten Gases bilden. Gewöhnlich ist der erste Eingang des Befeuchters zum Zuführen trockenen Gases über eine der Leitungen zum Führen trockenen Gases, über die an der trockenen Seite des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle und über eine der Leitungen zum Führen befeuchteten Gases mit dem ersten Ausgang des Befeuchters zum Abgeben befeuchteten Gases verbunden. In entsprechender Weise ist der zweite Eingang des Befeuchters zum Zuführen feuchten Gases gewöhnlich über eine der Leitungen zum Führen feuchten Gases, über die an der feuchten Seite des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle und über eine der Leitungen zum Führen entfeuchteten Gases mit dem zweiten Ausgang des Befeuchters zum Abgeben entfeuchteten Gases verbunden.
Die Kanäle der ersten Strömungspiatte zum Führen des feuchten Gases und die Kanäle der zweiten Strömungsplatte zum Führen des trockenen Gases können wenigstens teilweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Sie können jeweils in der gleichen Richtung oder auch in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Die Kanäle zum Führen des feuchten Gases und die Kanäle zum Führen des trockenen Gases können auch schräg zueinander angeordnet sein. So können Sie miteinander einen Winkel einschließen, der im Wesentlichen 0°, 90° oder 180° beträgt. Dabei sind hier und im Folgenden alle Winkel im Winkelmaß angegeben. Bei 0° resultiert eine Gleichstrom-Anordnung, bei 90° eine Kreuzstrom-Anordnung und bei 180°, was in Bezug auf die Kanalführung als solche der 0° Ausrichtung entspricht, eine Gegenstrom-Anordnung.
Die Kanäle können derart ausgebildet sein, dass sich der Kanalquerschnitt entlang der Haupterstreckungsrichtung des jeweiligen Kanals wenigstens abschnittsweise stetig ändert. Alternativ ist es auch möglich, dass der Kanal- querschnitt entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Kanäle können jeweils derart ausgebildet sein, dass sich ein Abstand einer Kanalwand, d.h. mindestens einer Kanalseitenwand und/oder des Kanalbodens, oder wenigstens eines Abschnitts einer Kanalwand von einer Kanalmittellachse entlang des Kanalverlaufs stetig ändert. Die Kanalmittellachse ist eine Verbindungsgerade, die einen ersten Flächenschschwerpunkt des Kanalquerschnitts am Kanalanfang mit einem zweiten Flächenschwerpunkt des Kanalquerschnitts am Kanalende verbindet. Dabei sind der Kanalanfang und das Kanalende jeweils durch einen Eintritt des Kanals in einen aktiven Bereich des Befeuchters und durch einen Austritt des Kanals aus dem aktiven Bereich des Befeuchters gegeben. Typischerweise fallen der Kanalanfang und das Kanalende jeweils mit einem Rand einer aktiven Fläche der Befeuchtermembran zusammen. Mit anderen Worten sind der Kanalanfang und das Kanalende oft innerhalb des Randes der aktiven Membranfläche angeordnet.
Die Kanäle können ferner derart ausgebildet sein, dass ein maximaler Abstand der Kanalseitenwände von der Kanalmittellachse entlang des Kanalverlaufs jeweils höchstens ein Zehnfaches, vorzugsweise höchstens ein Fünffaches, besonders vorzugsweise höchstens ein Doppeltes der maximalen Kanalbreite des jeweiligen Kanals beträgt.
Bei einer speziellen Ausführungsform des vorgeschlagenen Befeuchters um- fassen die Leitgeometrien in wenigstens einer der Kanalwände ausgebildete
Ausnehmungen und/oder an wenigstens einer der Kanalwände angeordnete und in den jeweiligen Kanal hinein ragende Vorsprünge.
Vorzugsweise sind die Ausnehmungen und/oder die Vorsprünge derart aus- gebildet, dass sie in Strömungsrichtung an ihrem Ende bzw. an ihrem von der
Strömung abgewandten Ende keinen Rücksprung aufweisen. Dies beinhaltet insbesondere, dass das der Strömung abgewandte Ende der jeweiligen Ausnehmung bzw. des jeweiligen Vorsprungs relativ zur Hauptströmungsrichtung nur Winkel bis zu einschließlich 90° aufweisen darf. Dies beinhaltet vorzugs- weise, dass die Vorsprünge und/oder die Ausnehmungen einen zusammenhängenden Querschnitt haben, und zwar insbesondere an ihrem von der Strömung abgewandten Ende. Durch diese Ausgestaltung werden ein Abriss der laminaren Strömung in Strömungsrichtung hinter der jeweiligen Leitgeometrie und durch einen solchen Abriss hervorgerufene Verwirbelungen vermieden. Solche Verwirbelungen können entlang einer kurzen Distanz einen starken Druckabfall bewirken. Dies kann einen effizienten Massentransport des Fluids durch den Kanal und somit die Effizienz des Befeuchters erheblich verringern, alternativ muss ein übermäßiger Energieaufwand für die Zufuhr des Fluids aufgebracht werden.
Die Ausnehmungen und/oder die Vorsprünge sind vorzugsweise jeweils länglich ausgebildet. Die länglichen Ausnehmungen oder die länglichen Vorsprünge schließen mit einer sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals erstreckenden Mittellinie der jeweiligen Kanalwand vorzugsweise einen spitzen Winkel et ein. Für diesen kann z. B. gelten: 45 Grad < α < 70 Grad. Die Kanalwand mit den Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen kann eine der Kanalseitenwände oder der Kanalboden sein.
Dadurch, dass die länglichen Ausnehmungen oder die länglichen Vorsprünge mit der Mittellinie der jeweiligen Kanalwand einen spitzen Winkel einschließen, verleihen sie der Strömungsrichtung des in dem Kanal strömenden Gases eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gases in dem Kanal. Dies ruft die gewünschte senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung des Gases hervor und verbessert damit den Wasseraustausch über das Wassertransfermedium. Die länglichen Ausnehmungen und/oder Vorsprünge können zum Beispiel derart angeordnet sein, dass die Strömung des Gases entlang der Hau terstreckungsrichtung des Kanals einem spiralförmigen Verlauf folgt. Ähnliche Leitgeometrien sind z. B. von Gewehrläufen bekannt, die einer im Gewehrlauf beschleunigten Patrone einen parallel zum Gewehrlauf ausgerichteten Drehimpuls oder Drall verleihen. Die verschiedenen Ausnehmungen und/oder Vorsprünge sind im Kanal dabei vorzugsweise derart anzuordnen, dass sie dem Gasstrom jeweils einen Drall mit demselben Drehsinn verleihen.
Eine senkrecht zur Länge oder zur Längsrichtung der Ausnehmungen bestimmte Querschnittsfläche der Ausnehmungen kann jeweils zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent eines Querschnitts des Kanals betragen. Vorzugsweise handelt es sich beim Querschnitt des Kanals, zu dem die Querschnittsfläche der Ausnehmungen ins Verhältnis gesetzt wird, um den kleinsten Querschnitt entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf diesen kleinsten Querschnitt wird der Querschnitt des Kanals im Bereich der Ausnehmungen also typischerweise um zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise um zwischen 2 und 10 Prozent vergrößert. Eine senkrecht zur Länge oder zur Längsrichtung der Vorsprünge bestimmte Querschnittsfläche der Vorsprünge kann jeweils ebenfalls zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent des Querschnitts des Kanals betragen. Vorzugsweise handelt es sich beim Querschnitt des Kanals, zu dem die Querschnittsfläche der Vorsprünge ins Verhältnis gesetzt wird, um den größten Querschnitt entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf diesen größten Querschnitt wird der Querschnitt des Kanals im Bereich der Vorsprünge also typischerwei- se um zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise um zwischen 2 und 10 Prozent verringert.
Es hat sich gezeigt, dass Ausnehmungen bzw. Vorsprünge mit diesen Abmessungen geeignet sind, die gewünschte senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren
Strömung zu erzielen, ohne die Hauptströmung des Gases im Kanal entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals zu sehr zu beeinträchtigen.
Senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte beträgt eine Höhe der Vorsprünge und/oder eine Tiefe der Ausnehmungen vorzugsweise weniger als 40 Prozent einer senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte bestimmten Tiefe des Kanals. Besonders bevorzugt betragen die Höhe der Vorsprünge und/oder die Tiefe der Ausnehmungen zwischen 10 und 25 der Tiefe des Kanals. Vorzugsweise ist die Tiefe des Kanals, zu der die Tiefe der Ausnehmungen bzw. die Höhe der Vorsprünge ins Verhältnis gesetzt wird, eine kleinste Tiefe des Kanals entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf die durch die Ausnehmungen und/oder die Vorsprünge bewirkte Änderung des Querschnitts im Bereich der Ausnehmungen bzw. im Bereich der Vorsprünge gilt das zuvor Gesagte.
Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals unmittelbar aufeinander folgende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge sind vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre einander zugewandten Enden parallel zum Querschnitt des Kanals nicht überlappen und bevorzugt beabstandet sind. Bevorzugt sind entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals unmittelbar aufeinander folgende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge derart ausgerichtet und angeordnet, dass sie dem im Kanal strömenden Gas jeweils einen Drall mit demselben Drehsinn in Bezug auf eine Mittelachse des Kanals verleihen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leitgeometrien entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals sich erstreckende und ineinander übergehende Kanalabschnitte des Kanals, wobei ein Querschnitt des Kanals sich entlang der Kanaiabschnitte jeweils in derselben Richtung verringert oder vergrößert und wobei der Übergang zwischen zwei der ineinander übergehenden Kanalabschnitte jeweils über eine Kante erfolgt. Z. B. verringert sich der Querschnitt entlang eines ersten Kanalabschnitts kontinuierlich, um sich an einer ersten Kante schlagartig zu vergrößern. An der ersten Kante geht der erste Kanalabschnitt dann in einen zweiten Kanalabschnitt über. Normalerweise ist der zweite Kanalabschnitt ebenso ausgebildet wie der erste Kanalabschnitt. Der Querschnitt des zweiten Kanalabschnitts verringert sich also typi- scherweise ausgehend von der ersten Kante wieder kontinuierlich, um sich an einer zweiten Kante erneut schlagartig zu vergrößern und so fort. Durch die schlagartige Vergrößerung des Querschnitts an den Kanten zwischen aufeinander folgenden Kanalabschnitten wird also normalerweise die zuvor erfolgte langsamere Verringerung des Querschnitts entlang der Kanalabschnitte kompensiert. Selbstverständlich kann entlang der Kanalabschnitte auch eine langsame Vergrößerung des Querschnitts erfolgen, die dann durch eine entsprechende schlagartige Verkleinerung des Querschnitts im Bereich der zwischen den Kanalquerschnitten angeordneten Kanten kompensiert wird. Mit anderen Worten umfassen die Leitgeometrien bei dieser Ausführungsform eine Vielzahl von in wenigstens einer der Kanalseitenwände und/oder im Kanalboden ausgebildeten Kanten, wobei der Querschnitt des Kanals zwischen zwei entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals aufeinander folgenden Kanten normalerweise in derselben Richtung jeweils entweder ab- nimmt oder zunimmt. Bei der Kante kann es sich um eine stumpfe Kante handeln, die einen Winkel von mehr als 90° bildet, insbesondere wenn der zur Kante führende Schenkel von der Haupterstreckungsrichtung des Kanals abweicht. Gewöhnlich beträgt der durch die Kante gebildete Winkel jedoch höchstens 110° oder höchstens 100°. Die Kante kann auch einen rechten Winkel bilden, an dem sich der
Querschnitt des Kanals diskontinuierlich ändert. Es ist sogar denkbar, dass der Winkel etwas weniger als 90° beträgt, typischerweise jedoch wenigstens 80° oder wenigstens 85°. Nach der Verringerung des Querschnitts folgt vorzugsweise eine Vergrößerung, es ist aber auch möglich, dass die Struktur immer zwei Verkleinerungen und zwei Vergrößerungen abwechsein lässt. Ebenso ist es denkbar, dass ein Kanalabschnitt mit abnehmendem oder mit zunehmendem Querschnitt an einer entsprechenden Kante in einen geraden Kanalabschnitt mit konstantem Querschnitt übergeht. Eine Kante ist dabei nicht notwendigerweise im Sinne einer scharfen Kante zu verstehen, sondern weist vorzugsweise einen Radius auf - auch in Abhängigkeit vom gewählten Werkstoff - üblicherweise von 0,05 mm bis 1 mm.
Entscheidend ist jeweils, dass sich der Querschnitt an der Kante zwischen zwei der ineinander übergehenden Abschnitte möglichst schlagartig ändert, also vergrößert oder verringert. Dadurch wird an der Kante die gewünschte, senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal hervorgerufen. Durch den Verzicht auf Rücksprünge auf dem der Strömung entgegengesetzten Ende der Vorsprünge und/oder Ausnehmungen werden Verwirbelungen und damit einhergehender übermäßiger Druckverlust vermieden.
Für die Änderung des Querschnitts des Kanals an den genannten Kanten gilt bezogen auf den kleinsten Querschnitt Amm und den größten Querschnitt Ama)( im Bereich der Kante normalerweise (Amax-Amin}/Amjn < 1, vorzugsweise 0,75 < {Ama!t-Amin)/Amin < 1, besonders vorzugsweise 0,8 < (Amax-Amin)/Amjn < 1. Alternativ oder zusätzlich gilt normalerweise {Amax-Amin)/Amjn 5 0,98. Der kleinste bzw. größte Querschnitt Amin und Amax im Bereich der Kante sind dabei vorzugsweise so zu verstehen, dass einer dieser beiden Querschnitte, also z.B. der kleinste Querschnitt Amin (der größte Querschnitt Amax) sich unmittelbar an der Kante befindet, während der zugehörige andere Querschnitt also hier der größte Querschnitt Amax (der kleinste Querschnitt Amir1) der nächstgelegene größte bzw. kleinste Querschnitt im positiven oder negativen Kanalverlauf ist. Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals beträgt der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Kanten typischerweise wenigstens 100 Prozent oder wenigstens 200 einer mittleren oder maximalen Tiefe des Kanals oder einer mittleren oder maximalen Breite des Kanals. Ein maximaler Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Kanten kann bis zu einem Fünffachen oder bis zu einem Zehnfachen der mittleren Tiefe oder der mittleren Breite des Kanals betragen. Wie zuvor werden die mittlere Tiefe und die mittlere Breite des Kanals dabei senkrecht bzw. parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmt.
Die Kanalabschnitte werden typischerweise wenigstens bereichsweise durch wenigstens eine Kanalseitenwand gebildet, die parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ein sägezahnartiges Profil aufweist. Vorzugs- weise werden die Kanalabschnitte wenigstens bereichsweise auf beiden Seiten durch Kanalseitenwände mit einem entsprechenden Sägezahnprofil gebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Kanalabschnitte wenigstens bereichsweise durch einen Kanalboden gebildet werden, der senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ein sägezahnartiges Profil auf- weist. Die steilen oder steileren Flanken des sägezahnartigen Profils oder der sägezahnartigen Profile der Kanalseitenwände und/oder des Kanalbodens bilden dann typischerweise die Kanten zwischen den Kanalabschnitten. Die Ecken des„sägezahnartigen Profils" oder der„sägezahnartigen Profile" müssen nicht notwendigerweise spitz sein. Sie können durchaus wenigstens teil- weise abgerundet sein. Entscheidend ist wiederum, dass sich der Querschnitt des Kanals im Bereich der durch die„Sägezähne" gebildeten Kanten wie zuvor beschrieben möglichst schlagartig ändert, so dass an den Kanten die gewünschten, senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkenden Störungen der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal auftre- ten.
Das sägezahnartige Profil oder die sägezahnartigen Profile der Kanalseitenwände und/oder des Kanalbodens können entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals periodisch sein. Für eine Periodenlänge As des sägezahnarti- gen Profils und eine parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmte Brette B des Kanals gilt dann vorzugsweise 5-B < As < 20-B, besonders vorzugsweise 10-B < s ί 15-B. Die Breite B kann z. B. eine maximale Breite oder eine mittlere Brette des Kanals sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließen der Kanalboden des Kanals und eine der an den Kanalboden sich anschließenden Kanalseitenwände einen
Winkel ß ein, der sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals wenigstens abschnittweise ändert. Für den Winkel ß gilt dabei jeweils vorzugsweise: 90° < ß < 120°. An einer gegebenen Stelle entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals ist der Winkel ß dabei z. B. jeweils in der Ebene zu bestimmen, in der die Querschnittsfläche des Kanals den kleinsten Wert annimmt. Der Winkel ß kann sich wenigstens abschnittweise kontinuierlich ändern. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Winke! ß an wenigstens einer Stelle diskontinuierlich ändern, wobei in der Kanalseitenwand wiederum eine Kante entsteht,
Die Leitgeometrien umfassen bei dieser Ausführungsform also eine durch die Änderung des Winkels ß beschriebene Änderung der Neigung der Kanalseitenwand gegenüber dem Kanalboden entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals. Dadurch wird die Strömung des Gases im Kanal entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals normalerweise sowohl parallel als auch senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte abgelenkt und verändert. Dadurch wird auch bei dieser Ausführungsform senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte wiederum die beabsichtigte Störung der ideal linearen laminaren Strömung des Gases im Kanal hervorgerufen, die den Gasaustausch im Kanal entlang dieser Richtung verbessert, so dass der
Feuchtigkeitstransport in Richtung des Wassertransfermediums verbessert wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass beide der sich an den Kanalboden anschiie- ßenden Kanalseitenwände ihre durch Winkel i und ß2 beschriebene Neigung relativ zum Kanalboden entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals wenigstens abschnittweise gleichzeitig ändern. Wie zuvor sind die Winkel ßi und ß2 an einer gegebenen Stelle entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals dabei z. B. jeweils in der Ebene zu bestimmen, in der die
Querschnittsfläche des Kanals den kleinsten Wert annimmt. Der Abschnitt, in dem sich die Neigungen der Kanalsettenwände gegenüber dem Kanalboden durchgehend ändern, erstreckt sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals z. B. über wenigstens 25 Prozent, über wenigstens 50 Prozent, über wenigstens 2/3 oder über wenigstens 75 Prozent einer Gesamtlänge des Kanals. Die Neigungswinkel ßi und ß2 können sich dabei kontinuierlich und/oder diskontinuierlich ändern. Bevorzugt ändern sich die Neigungswinkel βχ und ß2 dabei derart, dass sich der Querschnitt des Kanals in diesem Abschnitt um weniger als 60 Prozent ändert, besonders vorzugsweise um weniger als 30 Prozent. Andererseits ändern sich die Neigungswinkel ßl und ß2 vorzugsweise derart, dass sich der Querschnitt des Kanals in diesem Abschnitt um mehr als 5 Prozent ändert, besonders vorzugsweise um mehr als 10 Prozent.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leitgeometrien eine entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals sich ändernde Tiefe des Kanals. Wie zuvor wird die Tiefe des Kanals dabei senkrecht zur Planflächenebe- ne der jeweiligen Ström ungs platte bestimmt. Z. B. ist sie durch den Abstand vom Kanalboden zum Wassertransfermedium gegeben. Die Kanaltiefe kann auch durch den Abstand vom Kanaiboden zu einem Stützmedium gegeben sein, das zwischen der Strömungsplatte und dem Wassertransfermedium angeordnet ist. Eine Differenz zwischen einer maximalen Kanaltiefe und einer minimalen Kanaltiefe desselben Kanals beträgt dabei vorzugsweise weniger als 40 Prozent der maximalen Kanaltiefe, besonders vorzugsweise zwischen 10 und 25 Prozent der maximalen Kanaltiefe. Die Änderung der Kanaitiefe kann wenigstens abschnittweise kontinuierlich erfolgen. Dem Fachmann erschließt sich unmittelbar, dass auch dies eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal hervorruft.
Vorzugsweise ändert sich die Kanaltiefe bei dieser Ausführungsform wenigstens abschnittweise wellenartig, z. B. wenigstens abschnittweise periodisch. Beispielsweise kann für eine Periodenlänge λτ der Änderung der Kanaltiefe entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals und für eine parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmte Breite B des Kanals gelten: 5 B < λτ < 20-B, vorzugsweise 10-B < λτ < 15-B. Die Breite B kann z. B. eine maximale oder eine mittlere Breite des Kanals sein.
Die normalerweise mit der Änderung der Kanaltiefe einhergehende Änderung des Querschnitts des Kanals kann insbesondere dazu führen, dass Gas, das in einem mit einer entsprechenden Bodenwelle versehenden ersten Kanal strömt, über einen Steg, der den ersten Kanal von einem neben dem ersten Kanal verlaufenden zweiten Kanal derselben Strömungsplatte trennt, in die- sen zweiten Kanal gedrückt wird. Dies ist typischerweise dann der Fall, wenn zwischen der Strömungsplatte und dem Wassertransfermedium das oben beschriebene gasdurchlässige Stützmedium angeordnet ist. Der Gasaustausch zwischen benachbarten Kanälen derselben Strömungsplatte erfolgt dann gewöhnlich über bzw. durch das Stützmedium. Ein Gasaustausch zwischen be- nachbarten Kanälen derselben Strömungsplatte führt natürlich zu einer ganz besonders effektiven senkrecht zur Pianflächenebene der Strömungsplatte wirkenden Störung der ideal linearen laminaren Strömung in diesen Kanälen.
Um diesen Effekt zu verstärken, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass zwei benachbarte und parallel zueinander ausgerichtete Kanäle derselben
Strömu gsplatte jeweils mit einer periodischen Bodenwelle der oben beschriebenen Art ausgestattet sind. Z. B. können die Bodenwellen der benachbarten Kanäle dieselbe Periodenlänge λτ aufweisen. In diesem Fall wird zwischen den benachbarten Kanälen besonders viel Gas ausgetauscht, wenn die Perioden der Bodenwellen der benachbarten Kanäle gegeneinander verschoben sind, z. B. um eine Länge Δλγ, für die gilt: λτ/3 < Δλτ i 2·λτ/3, vorzugsweise
Typischerweise werden die Kanäle der Strömungsplatten quer zu ihrer jewei- ligen Haupterstreckungsrichtung durch Stege begrenzt. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Strömungsplatten sowohl gerade verlaufende Stege als auch gewellt verlaufende Stege aufweist. Gewöhnlich variiert eine Dicke dieser Stege entlang der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Steges um weniger als 50 Prozent, um weniger als 30 Prozent oder um weniger als 10 Prozent. Vorzugsweise ist die Dicke dieser Stege entlang ihrer Erstreckungsrichtung wenigstens bereichsweise konstant oder durchgehend konstant. Die gewellten Stege können periodisch gewellt sein. Eine Wellenlänge Xw dieser periodisch gewellten Stege kann beispielsweise in etwa durch die entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle bestimmte maximale Kanalbreite Bmax gegeben sein. So kann z. B. gelten : Bmax < Xw < 2-Bmax. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die geraden Stege und die gewellten Stege alternierend angeord- net sind. Beispielsweise können die Stege dann derart angeordnet sein, dass die Summe der Querschnitte zweier unmittelbar benachbarter Kanäle entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle in etwa konstant ist. Dies beinhaltet dann typischerweise, dass sich der Querschnitt eines ersten der unmittel- bar benachbarten Kanäle genau dann verringert, wenn sich der Querschnitt des zweiten der unmittelbar benachbarten Kanäle vergrößert und umgekehrt. Ähnlich wie im oben beschriebenen Beispiel, bei dem benachbarte Kanäle periodische Bodenwellen mit versetzter Periode aufweisen, kann eine solche Anordnung den Gasaustausch zwischen den unmittelbar benachbarten Kanä- len fördern, was die Wassertransferrate des Wassertransfermediums wie beschrieben positiv beeinflusst.
Die Leitgeometrien können auch domartige Erhebungen umfassen, die auf dem Kanalboden und/oder an den Kanalseitenwänden angeordnet sind. Diese können z. B. mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden, bei der gerade und gewellte Stege alternierend auf der Strömungsplatte angeordnet sind. Die domartigen Erhebungen können entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals in regelmäßigen Abständen angeordnet sein. Typischerweise sind auf dem Kanalboden angeordnete domartige Erhebungen bezüglich der Kanalbreite in etwa mittig angeordnet. Sie können jedoch auch von der Kanalmitte weg nahe einer der Kanalseitenwände angeordnet sein. Vorzugsweise sind die domartigen Erhebungen in Strömungsrichtung jeweils hinter dem Bereich maximaler Kanalbreite angeordnet, so dass sie eine besonders effektive Verringerung des Kanalquerschnitts bewirken. Die domarti- gen Erhebungen können unterschiedliche Geometrien aufweisen. Beispielsweise können sie in Draufsicht ein runde, ovale oder abgerundet-vieleckige Grundform haben; der Querschnitt kann z. B. viereckig, abgerundet-dreieckig , oder anderweitig abgerundet sein, wobei die abgerundete Seite zumindest abschnittsweise in Richtung des Wassertransfermediums weist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese domartigen Erhebungen oder zumindest eine von ihnen in ihrer Erstreckung in Haupterstreckungsrichtung des betreffenden Kanals und/oder quer zu dieser eine sich verändernde Höhe aufweist, da hierdurch dem durchgeführten Gas besonders effektiv ein Drall verliehen werden kann.
Werden die domartigen Erhebungen in Kombination mit Stegen zwischen den Kanälen eingesetzt, können sie sämtlich eine geringere Höhe als die Stege aufweisen, die bis zur Stützstruktur oder -falls eine solche nicht vorhanden ist - zum Wassertransfermedium reichen, wobei sie sich untereinander in ihrer Höhe unterscheiden können und auch die Höhe einer domarttgen Erhebung nicht über deren gesamte Fläche gleich bleiben muss. Die Höhe der domartigen Erhebungen beträgt dabei vorzugsweise zwischen 20 und 50 Prozent der Höhe der Stege. Werden die domartigen Erhebungen jedoch auf einer Strö- mungspiatte ohne zusätzliche langgestreckte Stege eingesetzt, muss zumindest ein Teil der domartigen Erhebungen bis zur Stützstruktur oder -falls eine solche nicht vorhanden ist - zum Wassertransfermedium reichen.
In einer weiteren Ausführungsform können die Leitgeometrien auch unterschiedliche Höhen von kanalbegrenzenden Stegen, insbesondere auf der Hochdruckseite des Wassertransfermediums, also auf dessen trockener Seite, umfassen. Hierzu können Stege beispielsweise einen wellenförmigen Verlauf ihrer Höhen aufweisen, abschnittsweise ggf. sogar auf eine Höhe von 0 reduziert sein. Grundsätzlich ist zwar vorstellbar, sämtliche kanalbegrenzenden Stege wellenförmig zu gestalten, insbesondere mit phasenverschobenen Weilen bei einander nächstliegenden Stegen, es ist jedoch aus Stabilitätsgründen und im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit der Membran bevorzugt, wenn nur ein Teil der Stege, beispielsweise jeder zweite Steg, eine über seinen Verlauf variierende Höhe aufweist.
Selbstverständlich können die verschiedenen hier beschriebenen
Leitgeometrien miteinander kombiniert werden. Ein und derselbe Kanal kann also Leitgeometrien unterschiedlicher Art aufweisen. Beispielsweise kann ein und derselbe Kanal sowohl einen wenigstens abschnittweise wellenartig ausgebildeten Kanalboden als auch Kanalseitenwände mit wenigstens abschnittweise sich ändernder Neigung gegenüber dem Kanalboden aufweisen. Ebenso Kanalseitenwände mit wenigstens abschnittweise sich ändernder Neigung gleichzeitig parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ein sägezahn- artiges Profil aufweisen. Ebenso können bei diesen Ausführungsformen in oder an den Kanalwänden Ausnehmungen und/oder Vorsprünge zum wenigstens teilweisen Umleiten des im Kanal strömenden Gases vorgesehen sein, wie oben beschrieben. Auch können nebeneinander auf einer Oberfläche einer Strömungsplatte angeordnete Kanäle unterschiedliche Leitgeometrien aufweisen.
Ausführungsbeispiele des hier vorgeschlagenen Befeuchters sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind dabei nicht maßstabgetreu, insbesondere bezüglich der Verhältnisse von Breiten, Wellenlängen und Tiefen. Die Kanalgeometrien sind in den Figuren teilweise als geprägte Strukturen mit gleichbleibender Wandstärke, teilweise als gespritzte Strukturen mit massiven Zwischenbereichen oder als deren Negative dargestellt. Hiervon unabhängig sind sämtliche Kanalgeometrien sowohl für geprägte Metallplatten als auch für gespritzte
Kunststoff platten anwendbar, wobei jedoch die Wandstärken variieren. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein elektrochemisches System mit einem Kom- pressor, einem Befeuchter und einer Brennstoffzelleneinheit;
Fig. 2 perspektivisch den Befeuchter aus Fig. 1 mit einer Vielzahl von
Befeuchtermodulen; Fig. 3a perspektivisch eines der Befeuchtermodule aus Fig. 2;
Fig. 3b das Befeuchtermodui aus Fig. 3a in einer Explosionsdarstellung;
Fig. 3c eine weitere Ausführungsform des Befeuchtermoduls aus Fig.
3a in einer Explosionsdarstellung;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung von Kanälen einer Strömungsplatte des
Befeuchtermoduls gemäß Fig. 3c, wobei die Schnittebene senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtet ist;
Fig. 5a perspektivisch die Kanäle aus Fig. 4 mit erfindungsgemäßen
Leitgeometrien in Form von Vorsprüngen auf einem Boden der Kanäle aus Fig. 4;
Fig. 5b perspektivisch einen der Kanäle aus Fig. 4 mit und ohne erfin- dungsgemäße Vorsprünge, wobei jeweils ein resultierendes Strömungprofil dargestellt ist;
Fig. 6a perspektivisch die Kanäle aus Fig. 4 mit erfindungsgemäßen
Leitgeometrien in Form von sägezahnartig geformten Kanalseitenwänden;
Fig. 6b ein Detail eines der Kanäle aus Fig. 6a in einer Draufsicht; Fig. 6c einen der Kanäle aus Fig. 6a in perspektivischer Darstellung, einmal mit und einmal ohne ein resultierendes Strömungsprofil im Kanal.
Fig. 7a einer der Kanäle aus Fig. 4 in einer Draufsicht mit erfindungs- gemäßen Leitgeometrien in Form von Kanalseitenwänden mit einer gegenüber dem Kanalboden sich ändernden Neigung;
Fign. 7b-c Querschnitte des Kanals aus Fig. 7a an unterschiedlichen Positionen entlang des Kanals;
Fign. 7d-e Abwandlungen des Kanals aus Fig. 7a in perspektivischer Darstellung mit und ohne ein resultierendes Strömungsprofii;
Fign. 8a-c perspektivisch die Kanäle aus Fig. 4 mit erfindungsgemäßen
Leitgeometrien in Form einer Kanalbodenwelle;
Fign. 9a-b benachbarte Kanäle, die durch einen gewellten Steg voneinander getrennt sind und in denen domartige Erhebungen angeordnet sind;
Fign. 10a eine erfindungsgemäße Leitgeometrie in Form eines an einer
Kanalwand ausgebildeten Vorsprungs, der durchgehend einen zusammenhängenden Querschnitt aufweist; Fig. 10b eine nicht erfindungsgemäße Leitgeometrie, die an ihrem strö- mungsabgewandten Ende keinen zusammenhängenden Quer- schnitt aufweist und damit Verwirbeiungen und einen Strö- mungsabriss verursacht; sowie
Fig. 11 einen wellenförmig verlaufenden Kanal, wobei sich Abstände der Kanalwände von einer Kanalmittelachse stetig ändern.
Fig. 1 zeigt schematisch ein elektrochemisches System 1 mit einem Kompressor 2, einem ßefeuchter 3 und einer Brennstoffzelleneinheit 4, die z. B. eine Vielzahl von Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen aufweist. Vom Kompres- sor 2 wird dem Befeuchter 3 über einen ersten Eingang 5 des Befeuchters 3 ein trockenes, zu befeuchtendes Prozessgas zugeführt, z. B. molekularer Wasserstoff oder molekularer Sauerstoff. Das im Befeuchter 3 befeuchtete Prozessgas wird dann über einen ersten Ausgang 6 des Befeuchters 3 an die Brennstoffzelieneinheit 4 abgegeben. Dort wird die chemische Energie unter- schiedlicher Prozessgase mittels einer Vielzahl von Membranelektrodeneinheiten (MEA) in elektrische Energie umgewandelt. Der bei der Reaktion der Prozessgase in der Brennstoffzelleneinheit 4 entstehende Wasserdampf wird dem Befeuchter 3 über einen zweiten Eingang 7 zugeführt und dient dort dem Befeuchten des trockenen Prozessgases, das dem Befeuchter 3 über den ers- ten Eingang 5 zugeführt wird. Der entfeuchtete Wasserdampf wird über einen zweiten Ausgang 8 des Befeuchters 3 z. B. an die Umgebung abgegeben.
Fig. 2 zeigt den Befeuchter 3 aus Fig. 1 mit einer Mehrzahl von geschichteten Befeuchtermodulen 9, die zwischen zwei Endplatten 10 und 11 geschichtet und verspannt sind. Gezeigt sind wiederum die Eingänge 5 und 7 sowie die
Ausgänge 6 und 8 an der Endplatte 10 des Befeuchters 3. Hier und im Folgenden sind wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 3a zeigt eines der Befeuchtermodule 9 des Befeuchters 3, das in Fig. 3b in einer Explosionsdarstel!ung wiedergegeben ist. Das Befeuchtermodul 9 in Fig.
3b weist eine erste Strömungspiatte 12 mit einer Vielzahl von Kanälen 13 auf.
Das Befeuchtermodul 9 enthält außerdem eine zweite Strömungsplatte 14.
Zwischen der ersten Strömungsplatte 12 und der zweiten Strömungsplatte 14 ist ein Wassertransfermedium 15 in Form einer Membran angeordnet. Auf diese Membran sind auf beiden Seiten Stützmedien 16a, 16b in Form von Graphitfaserpapier aufgelegt. Auch an der dem Wassertransfermedium zugewandten Seite der zweiten Strömungsplatte 14 sind Kanäle 17 nach Art der Kanäle 3 der ersten Strömungsplatte 12 angeordnet, die in Fig. 3b jedoch verdeckt sind. Nicht dargestellt sind Sicken und/oder Elastomerdichtungen, die die in etwa rechteckigen Bereiche der Strömungsplatten 12 und 14, in denen die Kanäle 13 und 17 angeordnet sind, gasdicht gegen die Umgebung abdichten. Die Kanäle 13 und 17 sind jeweils an der dem Wassertransfermedium 15 zugewandten Seite der Strömungspiatten 12 und 14 angeordnet. An der dem Wassertransfermedium zugewandten Oberseite der Kanäle 13 und 17 werden die Kanäle 13 und 17 im vorliegenden Fall somit jeweils durch die entlang der
Stapelrichtung (z-Richtung) 18 beiderseits des Wassertransfermediums 15 angeordneten Stützmedien 16a, 16b begrenzt.
Die Durchführung von Gasen in der Stapelrichtung 18 erfolgt über Durchbrü- che 19 in den Strömungsplatten 12 und 14. Die Planflächenebenen der Strömungsplatten 12 und 14 sind in Fig. 3b parallel zur von der -Achse 20 und der y-Achse 21 aufgespannten x-y-Ebene ausgerichtet. Die x-Achse 20, die y-Achse 21 und die z-Achse 18 bilden ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem. In einem Stapel mit einer Vielzahl von Befeuchermodulen nach Art des Befeuchtermoduls 9 bilden die Durchbrüche 19 Leitungen zum Führen von trockenem Gas, befeuchtetem Gas, feuchtem Gas und entfeuchtetem Gas. Die Gase in den von den Durchbrüchen 19 gebildeten Leitungen werden den Kanälen 13 und 17 zugeführt bzw. von den Kanälen 13 und 17 abgeführt, wie in Fig. 3b angedeutet. Beispielsweise gelangt Wasserdampf über den zweiten Eingang 7 in die Kanäle 13 der ersten Strömungsplatte 12. Dort gibt der Wasserdampf seine Feuchtigkeit teilweise über das Wassertransfermedium 15 an das in den Kanälen 17 der zweiten Strömungsplatte 14 geführte trockene Prozessgas ab. Der solcherart teilweise entfeuchtete Wasserdampf in den Kanälen 13 wird dann über den zweiten Ausgang 8 an die Umgebung abgegeben. in entsprechender Weise gelangt das trockene Prozessgas aus dem Kompressor 2 über den Eingang 5 in die Kanäle 17 und nimmt dort über das Wassertransfermedium 15 Feuchtigkeit des in den Kanälen 13 geführten Wasserdampfes auf. Das solcherart befeuchtete Prozessgas in den Kanälen 17 wird dann über den Ausgang 6 der Brennstoffzelleneinheit 4 zugeführt.
Die einzelnen Strömungsplatten bzw. auch die Befeuchtermodule des Befeuchters 3 können miteinander verklebt oder vergossen werden und/oder durch mechanische Verbindungsstrukturen wie Haken oder Clips verbunden werden (nicht dargestellt). Bei den Strömungsplatten 12 und 14 handelt es sich um einteilige Strömungsplatten aus einem korrosionsfreien metallischen Material, in welche die Kanäle 13 und 17 jeweils eingeprägt sind. Die Oberflächen der Strömungsplatten 12 und 14 sind im Bereich der Kanäle 13 und 17 ggf. hydrophil oder hydrophob beschichtet. Der vorliegende Aufbau ist großindustriell besonders einfach herstellbar, da die einzelnen Strömungsplatten im Wesentlichen baugleich sind.
Bei der in Fig. 3b gezeigten Ausführungsform werden die Kanäle 13 an der feuchten Seite des Wassertransfermediums 15 in der positiven x-Richtung 20 von Wasserdampf durchströmt. Dagegen werden die Kanäle 17 an der trockenen Seite des Wassertransfermediums 15 in der negativen x-Richtung 20 von trockenem Prozessgas durchströmt. Bei dem in Fig. 3b gezeigten Befeuchter 3 handelt es sich somit um einen Gegenstrombefeuchter.
Fig. 3c zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Befeuchters 3 aus Fig. 3b. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3c unterscheidet sich von der Ausfüh- rungsform gemäß Fig. 3b bezüglich der Ausrichtung der Kanäle 13 der ersten
Strömungsplatte 12 und der Kanäle 17 der zweiten Strömungsplatte 14 relativ zu einander. Anders als in Fig. 3b sind die Kanäle 13 und die Kanäle 17 bzw. deren Haupterstreckungsrichtungen oder Hauptströmungsrichtungen in Fig. 3c senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. So ver- laufen die Kanäle 13 in Fig. 3c im Wesentlichen parallel zur y-Achse 21, während die Kanäle 17 im Wesentlichen parallel zur x-Achse 20 ausgerichtet sind. Die Kanäle 13 und 17 haben in den Fig. 3b und 3c eine Länge von etwa 30 cm.
Die in den Fig, 3b und 3c gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich ferner in der Anordnung der Durchbrüche 19 in den Strömungsplatten 12 und
14. Die mit den Kanälen 13 in Fluidverbindung stehenden Durchbrüche 19 der ersten Strömungsplatte 12 sind in Fig. 3c jeweils am oberen und am unteren Rand der Strömungsplatte 12 angeordnet. Sie verlaufen parallel zur x-Achse 20, also senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13. Dagegen sind die mit den Kanälen 17 in Fluidverbindung stehenden Durchbrüche 19 der zweiten Strömungsplatte 14 in Fig. 3c jeweils am linken und am rechten Rand der Strömungsplatte 14 angeordnet. Sie verlaufen parallel zur y-Achse 21, also wiederum senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 17.
Die Kanäle 13 bzw. 17 in Fig. 3 verlaufen alle wellenartig, wobei die Amplitude der Welle ungefähr dem Doppelten der Kanalbreite eines Kanals 13 bzw. 17 entspricht.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt zweier benachbarter Kanäle 13a und 13b der ersten Strömungsplatte 12 vergleichbar Fig. 3c. Fig. 4 unterscheidet sich von Fig. 3c dadurch, dass die Strömungsplatte 12 hier aus einem thermoplastischen
Polymerwerkstoff mittels Spritzprägens hergestellt ist. Die Querschnitte der Kanäle 13a, 13b sind in Fig. 4 jeweils von links oben nach rechts unten schraffiert. Die Kanäle 13a, 13b werden parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 durch einen Steg 27 voneinander getrennt. Der Steg 27 ist zwischen den Kanälen 13a, 13b angeordnet und erstreckt sich senkrecht zur
Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bis zum Stützmedium 16a. Die Schnittebene 22 der Fig. 4 ist parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet und in Fig. 3c schematisch wiedergegeben. Die Schnittebene 22 ist somit senkrecht zu den im Wesentlichen parallel zur y-Achse 21 verlaufenden Haupterstreckungsrich- tungen der Kanäle 13a und 13b angeordnet. Ebenso ist die Schnittebene 22 senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 angeordnet, die parallel zur x-y-Ebene ausgerichtet ist.
Zum Wassertransfermedium 15 hin und parallel zur Planflächenebene der Strömungs platte 12 werden die Kanäle 13a, 13b an ihren Oberseiten 23a, 23b durch das zwischen der ersten Strömungsplatte 12 und dem Wassertransfermedium 15 angeordnete Stützmedium 16a begrenzt. In der vom Wassertransfermedium 15 abgewandten negativen z-Richtung 18 und parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 werden die Kanäle 13a, 13b durch Kanal- böden 24a, 24b begrenzt. Senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 werden die Kanäle 13a, 13b durch Kanalseitenwände 25a, 26a bzw. 25b, 26b begrenzt. Die Kanalseitenwände 25a, 26a bzw. 25b, 26b schließen sich beiderseits der Kanalböden 24a, 24b an die Kanalböden 24a, 24b an. Hier sind die Kanalseitenwände 25a, 26a bzw. 25b, 26b gegenüber den Kanalböden 24a, 24b jeweils leicht nach außen hin geneigt. Beispielsweise schließen der Kanalboden 24a und die Kanalseitenwände 25a, 26a in der Schnittebene 22 Neigungswinkel i und ß2 von jeweils etwa 92° ein.
Die Kanäle 13a, 13b haben in der Schnittebene 22 somit einen im WesentÜ- chen rechteckigen Querschnitt. Eine senkrecht zur Planflächenebene der
Strömungsplatte 12 bestimmte Kanaltiefe T des Kanals 13a erstreckt sich vom Kanalboden 24a bis zum Stützmedium 16a an der Oberseite 23a des Kanals 13a. Eine parallel zur Planflächenebene bestimmte Kanalbreite B erstreckt sich von der ersten Kanalseitenwand 25a des Kanals 13a bis zur zweiten Ka- nalseitenwand 26a des Kanals 13a. Hier beträgt die Breite B des Kanals 13a in etwa das Doppelte der Tiefe T des Kanals 13a. Die Kanaltiefe T beträgt z. B. zwischen 0,2 mm und 4 mm, typischerweise zwischen 0,4 mm und 2 mm. Die Kanalbreite B beträgt z. B. zwischen 0,5 mm und 5 mm, typischerweise zwischen 0,5 mm und 2 mm.
Was bis hier und im Folgenden nur beispielhaft zur Ausgestaltung der Kanäle 13a, 13b gesagt worden ist oder gesagt wird, kann ebenso für einige oder alle weiteren Kanäle 13 der ersten Strömungsplatte 12 und/oder für wenigstens einen der Kanäle 17 oder für alle der Kanäle 17 der zweiten Strömungsplatte 14 gelten. Grundsätzlich lassen sich auch Kanäle unterschiedlicher Ausführungsform auf einer Oberfläche derselben Strömungsplatte anordnen.
Fig. 5a zeigt eine spezielle Ausführungsform der Kanäle 13a, 13b des hier vorgeschlagenen Befeuchters 3. Die Kanäle 13a, 13b erstrecken sich bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen gerade in der positiven y-Richtung 21. Nur der Übersichtlichkeit halber sind die Kanäle 13a, 13b hier als Blöcke dargestellt, wohingegen die Strömungsplatte 12, in die die Kanäle 13a, 13b eingeprägt sind, nicht explizit gezeigt ist. Z. B. ist auch der Steg 27 zwischen den Kanälen 13a, 13b nicht dargestellt. In diesem Sinne handelt es sich bei der Darstellung der Fig. 5a um ein„Negativ".
In Fig. 5a entspricht die Orientierung der Kanäle 13a, 13b relativ zu den übrigen Komponenten des Befeuchtermoduls 9 im Wesentlichen der in Fig. 3c gezeigten. Selbstverständlich sind aber alle hier und im Folgenden gezeigten Ausführungsformen der Kanäle 13 und 17 gemäß Fig. 3c ebenso auf eine Anordnung gemäß Fig. 3b, also Gleich- oder Gegenstrom, übertragbar. Bei- spieisweise werden die Kanäle 13a, 13b an ihren dem (in Fig. 5a nicht dargestellten) Wassertransfermedium 15 zugewandten Oberseiten 23a, 23b wie in Fig. 4 durch das Stützmedium 16a begrenzt. Das Beispiel gemäß Fig. 5a unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 3c lediglich dadurch, dass sich die Kanäle 13 in Fig. 3c wellenartig in der y-Richtung 21 erstrecken, während die Kanäle
13a, 13b in Fig. 5a einen geraden Verlauf in der y-Richtung 21 haben. Die hier und im Folgenden beschriebenen speziellen Ausgestaltungen der Kanäle können jedoch ohne Weiteres sowohl bei geraden als auch bei wellenartigen oder in anderer Weise krummlinigen Kanälen realisiert werden.
An den in Fig. 5a eng schraffierten Kanaiböden 24a, 24b weisen die Kanäle 13a, 13b längliche Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b auf, die teilweise in die Kanäle 13a, 13b hineinragen. Bei abgewandelten Ausführungsformen können alternativ oder zusätzlich auch längliche Ausnehmungen in den Kanalböden 24a, 24b vorgesehen sein. Ebenso können entsprechende längliche Vorsprünge und/oder Ausnehmungen auch an den Kanalseitenwänden 25a, 25b, 26a, 26b vorgesehen sein. Der Anteil der Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b an einer in die tiefste Ebene der Kanäle 13a, 13b projizierten Fläche des Kanalbodens beträgt hier etwa 12 Prozent.
Die länglichen Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b sind relativ zur Haupter- streckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b schräg angeordnet. Insbesondere sind die länglichen Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b in Fig. 5a also relativ zur y- Richtung 21 schräg angeordnet. Dies kommt z. B. dadurch zum Ausdruck, dass die länglichen Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b mit in Fig. 5a gestrichelt dargestellten Mittellinien 31a, 31b der Kanalböden 24a, 24b jeweils einen Winkel α von etwa 50° einschließen. Die Mittellinie 31a verbindet z. B. entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 31a all diejenigen Punkte des Kanalbodens 24a, die zu den an den Kanalboden 24a angrenzenden Seitenwän- den 25a, 26a jeweils denselben Abstand haben. Die Mittellinie 31b kann in analoger Weise definiert werden. Die länglichen Vorsprünge 28a, 29a im Kanal 13a und die länglichen Vorsprünge 28b, 29b, 30b im Kanal 13b sind jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Entlang der Haupterstreckungsrichtung des jeweiligen Kanals 13a, 13b aufeinander fol- gende Vorsprünge sind derart angeordnet, dass ihre einander zugewandten
Enden parallel zum Kanalquerschnitt, in Fig. 5a also insbesondere entlang der x-Richtung 20 beabstandet sind oder zumindest nicht überlappen.
Die Kanäle 13a, 13b weisen entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl derartiger Vorsprünge auf. Die Länge eines einzelnen der Vor- Sprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b entspricht in etwa der in Fig. 4 gezeigten Kanalbreite B. Entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b sind die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet. Eine hier nicht gesondert hervorgehobene senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmte Höhe h der Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b beträgt hier etwa 15 Prozent der in Fig. 4 gezeigten
Kanaltiefe T. Die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b ragen also senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 um etwa 15 Prozent der Kanaitiefe T vom Kanalboden 24a, 24b in den Kanal 13a, 13b hinein. Entlang ihrer Längsrichtung weisen die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b jeweils eine konstan- te maximale Höhe h in einem gleichbleibenden Dreiecksprofil auf. Eine senkrecht zur Längsrichtung der Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b bestimmte Querschnittsfläche der Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b beträgt in Fig. 5a jeweils etwa 4 Prozent des Querschnitts A des jeweiligen Kanals. Der Querschnitt A der Kanäle 13a, 13b ist jeweils in etwa durch Α=Τ·Β gegeben (Fig. 4). Durch die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b werden sowohl der Querschnitt
A der Kanäle 13a, 13b als auch die entsprechenden Kanaltiefen entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b verändert.
Die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b in den Kanälen 13a, 13b stellen Leitgeometrien dar, die jeweils eine senkrecht zur Pianflächenebene der
Strömungsplatte 12 wirkende Störung einer entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b durch die Kanäle 13a, 13b fließenden ideal linearen laminaren Gasströmung verursachen. Beispielsweise sind die Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b aufgrund ihrer Anordnung geeignet, einem in der po- sitiven y-Richtung 21 durch die Kanäle 13a, 13b fließenden Gasstrom entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b jeweils ein in etwa spiralförmiges Strömungsprofil aufzuprägen. Dies ist in Fig. 5a durch Pfeile 42a, 42b angedeutet, die in Bezug auf Kanalmittelachsen 40a, 40b jeweils denselben Drehsinn aufweisen. Nur zur besseren Darstellung des Verlaufs der Kanalmit- telachsen 40a, 40b sind zusätzlich Punkte 41a, 41b dargestellt, an denen die
Kanalmittelachsen 40a, 40b die von links unten nach rechts oben schraffierten Kanalquerschrtittsfiächen jeweils schneiden.
Diese Schnittpunkte liegen dabei im Flächenschwerpunkt des Eintritts des Kanals in den aktiven Bereich des Befeuchters, d.h. jenseits des der Abdich- tung des aktiven Bereichs dienenden Rahmens der Befeuchtermembran. Der
Austritt des Kanals aus dem aktiven Bereich des Befeuchters liegt ausserhalb des dargestellten Bereichs. Es ist offensichtlich, dass ein Abschnitt einer Kanalwand, nämlich des Kanalbodens, aufgrund der schräg verlaufenden Vorsprünge 28a, 29a, 28b, 29b, 30b seinen Abstand zur Kanalmittelachse 40a, 40b entlang des Kanalverlaufs zumindest abschnittsweise stetig ändert. Da zwischen dem Ende eines Vorsprungs, z.B. 28b, und dem Beginn des nächsten Vorsprungs, hier 29b, ein Abstand verbleibt, ergibt sich hier ein Abschnitt ohne Veränderung des Kanalquerschnitts. Durch die mittels der als Leitgeometrien dienenden Vorsprünge 28a, 29a, 28b,
29b, 30b erzeugte Störung der ideal linear laminaren Strömung wird der Gasaustausch und damit die Feuchtigkeitsleitung innerhalb der Kanäle 13a, 13b senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 entscheidend verbessert. Wie eingangs erklärt führt dies zu einer Erhöhung des Wassertrans- fers zwischen den Wasserdampf führenden Kanälen 13 der ersten Strömungsplatte 12 und den trockenes Prozessgas führenden Kanälen 17 der zweiten Strömungsplatte 14 über das Wassertransfermedium 15 (Fign. 3a, 3b).
Fig. 5b zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Kanals 13b der Strö- mungsplatte 12 aus Fig. 5a. Dargestellt ist jeweils ein Teil der Strömungsplatte
12, in den der Kanal 13b eingeprägt oder auf andere Weise eingeformt ist. Im Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 5a handelt es sich bei der Darstellung gemäß Fig. 5b also um eine„positive" Darstellung des Kanals. Oben in Fig. 5b ist ein Abschnitt 40 des Kanals 13b gezeigt, in dem keine erfindungsgemäßen Vorsprünge angeordnet sind, so dass eine ideal lineare laminare Strömung resultiert, hier dargestellt durch gerade und parallel verlaufende Strömungslinien 42. Unten in Fig. 5b ist ein Abschnitt 41 des Kanals 13b gezeigt, in dem ein erfindungsgemäßer Vorsprung 28b auf dem Kanalboden 24b angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Vorsprung 28b verläuft schräg zur Haupterstre- ckungsrichtung des Kanals 13b, er steigt mit einem Winkel etwas größer als
90° an, weist ein leicht verrundetes Dach auf und steigt wiederum mit einem Winkel, der größer als 90° ist, wieder auf sein ursprüngliches Bodenniveau ab. Der Strömungsquerschnitt des Kanals ändert sich dabei im angeschnitten gezeigten Abschnitt stetig. Dies resultiert entlang der z-Richtung 18, also senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12, in einer Störung der ideal linearen laminaren Strömung. Das resultierende, entlang der Haupterstre- ckungsrichtung des Kanals 13b spiralförmig sich windende Strömungsprofil ist durch entsprechende Strömungslinien 43 dargestellt. Es wird dabei deutlich, dass die ideal lineare laminare Strömung zwar gestört ist, aber nicht in dem Maße, dass eine turbulente Strömung resultieren würde. Insbesondere lässt sich die Störung der Schichtung erkennen, während keinerlei Wirbel oder entgegen der Hauptströmungsrichtung gerichtete Strömungslinien erkennbar sind.
Fign. 6a zeigt eine weitere Ausführungsform der Kanäle 13a, 13b der ersten Strömungsplatte 12 in perspektivischer Darstellung. Wie in Fig. 5a sind die
Kanäle 13a, 13b in Fig. 6a als Blöcke und damit als„Negativ" dargestellt. Die relative Anordnung der Kanäle 13a, 13b in Fig. 6a zu den übrigen Komponenten des Befeuchtermoduis 9 entspricht wieder beispielhaft derjenigen der Fig. 3c. Auch in Fig. 6a ist die Planflächenebene der Strömungsplatte 12 also paral- lel zur x-y-Ebene ausgerichtet. Die schraffiert dargestellten Kanalquerschnitte verlaufen parallel zur x-z-Ebene und damit senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12. Wiederum nicht explizit gezeigt äst die Strömungsplatte 12 selbst, in welche die Kanäle 13a, 13b eingeformt sind. Der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht gezeigt sind der Steg 27 zwischen den Kanälen 13a, 13b und das Stützmedium 16a, das die Kanäle 13a, 13b in der positiven z-
Richtung begrenzt. Im Folgenden wird beispielhaft die Struktur des Kanals 13b in Fig. 6a beschrieben. Der Kanal 13a weist in Fig. 6a die gleiche Struktur auf wie der Kanal 13b. Die Kanalseitenwände 25b, 26b des Kanals 13b sind auch in Fig. 6a im Wesentlichen parallel zur y-z-Ebene und damit im Wesentlichen senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 ausgerichtet. Parallel zur x-y-Ebene und damit parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 weisen die Kanalseitenwände 25b, 26b ein sägezahnartiges Profil auf. Die Kanalseiten- wände 25b, 26b weisen also entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b, hier entlang der y-Richtung 21, eine Vielzahl von Kanten Kl, K2, K3, K4 usw. beziehungsweise LI, L2, L3, L4 usw. auf, an denen sich der Querschnitt A des Kanals 13b abrupt aber stetig ändert. Dabei liegen die Kanten Kl, K2, K3, K4 usw. der ersten Kanalseitenwand 25b den Kanten LI, L2, L3, L4 usw. der zweiten Kanalseitenwand 26b einander jeweils gegenüber. Dadurch wird die Änderung des Querschnitts A des Kanals 13b an der entsprechenden Position entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b noch verstärkt. Die Kanten Kl, K2, K3, K4, LI, L2, L3, L4 usw. sind entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Hier beträgt der Abstand zweier aufeinander folgender Kanten derselben Kanalsei- tenwand jeweils in etwa 1,5-Bmax, wobei Bmax die parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmte maximale Breite des Kanals 13b ist.
Zwischen je zwei aufeinander folgenden Kanten befinden sich Kanalabschnitte Ml, M2, M3 usw., die jeweils gleich ausgebildet sind. Die Sägezahnprofile der Kanalseitenwände 25b, 26b weisen somit entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b jeweils eine periodische Struktur auf. Die Wellenlänge Xs dieser periodischen Struktur beträgt hier z. B. λ5 = 10 Bmax, wobei Bmax die parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmte maximale Breite des Kanals 13b ist. Die Kanalabschnitte Ml, M2, M3 usw. gehen an den Kanten ineinander über. Beispielsweise gehen die Kanalabschnitte Ml und M2 an den einander gegenüberliegenden Kanten K2 und L2 ineinander über. In den Kanalabschnitten Ml, M2, M3 verringert sich der Querschnitt A des Kanals 13b jeweils in der positiven y-Richtung 21. An den Kanten nimmt der Querschnitt A des Kanals 13b in der positiven y-Richtung 21 also jeweils abrupt aber stetig, d.h. ohne Rücksprung, zu.
Aus Fig. 6a wird weiter deutlich, dass die Kanälel3a, 13b jeweils im Wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen. Eine Gerade auf halber Höhe der jeweiligen Symmetrieebene entspricht der Kanalmittelachse 40 aus Fig. 5a, auf die Darstellung einer solchen Achse wurde hier aber zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet. Es ist offensichtlich, dass sich durch die stetige Änderung des Abstands der einander gegenüberliegenden Kanten Kl und LI, K2 und L2 usw. auch der Abstand der Kanalseitenwände zu einer solchen Kanalmitteiachse stetig ändert. Der Abstand des Kanalbodens zu dieser Kanalmittelachse bleibt in diesem Ausführungsbeispiel hingegen konstant. Die Ausgestaltung der Kanten zwischen den Kanalabschnitten Ml, M2, M3 usw. ist in Fig. 6b schematisch dargestellt. Fig. 6b zeigt eine Draufsicht auf den Kanal 13b aus Fig. 6a, insbesondere auf den Kanal 13b im Bereich der Kanten K2 und L2 zwischen den Kanalabschnitten Ml und M2. Die übrigen Kanten des
Kanals 13b sind in der gleichen Weise ausgebildet.
Deutlich zu erkennen ist, wie sich der senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmte Querschnitt A des Kanals 13b im Abschnitt Ml in der positiven y-Richtung verringert, bis er im Bereich der Kanten K2, L2 einen minimalen Wert Amjn annimmt. Die Kanten K2, L2 sind stumpf ausgebildet. An den Kanten K2, L2 bilden die Kanalseitenwände 25b, 26b in der x-y- Ebene und damit parallel zur Planflächenebene der Ström ungsplatte 12 also jeweils einen Winkel y, der etwas größer ist als 90°, hier z. B. etwa 95° zwi- sehen den beiden an die Kanten K2, L2 angrenzenden Abschnitte der kanalsei- tenwände. Hierdurch ändert sich der Kanalquerschnitt nicht nur in dem in Fig. 6b dargestellten Kanalabschnitt, sondern in allen in Fig. 6a dargestellten Kanalabschnitten stetig. Ausgehend von der Ebene des minimalen Querschnitts Amin nimmt der Querschnitt A des Kanals 13b sodann in der positiven y- Richtung 21 zu, bis er einen maximalen Wert Amax annimmt. Für Amin und Amax soll hier gelten: {Amax-Amin)/Amin = 0,9. Die entlang der Haupterstreckungsrich- tung des Kanals 13b bestimmte maximale Distanz d, innerhalb derer sich der Querschnitt A im Bereich der Kante K2, L2 von seinem kleinsten Wert Amin auf seinen größten Wert Amax vergrößert, beträgt hier weniger als 0,1· \s, wobei λ$ wie oben beschrieben definiert sein soll. Es gilt also: d < 0,1-XS. Ausgehend von
Amax nimmt der Querschnitt A im Kanalabschnitt M2 daraufhin wieder in der positiven y-Richtung 21 ab usw.
Durch die abrupte, aber gleichzeitig stetige Änderung des Querschnitts A im Bereich der Kanten Kl, LI, K2, L2 usw. entstehen im Bereich der Kanten wiederum jeweils senkrecht zur Planflächenebene der Strömungspiatte 12 wirkende Störungen der ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal 13b strömenden Gases, ohne dass es zu Verwirbelungen kommt. Die Kanten zwischen den Kanalabschnitten Ml, M2, M3 usw. bilden also wiederum
Leitgeometrien im Kanal 13b, die insbesondere senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12, in Fig. 6b also insbesondere senkrecht zur Zei- chenebene, jeweils Störungen der ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal 13b geführten Gasstromes bewirken. Wie zuvor beschrieben wird die Wassertransferrate des Befeuchters 3 dadurch erheblich verbessert. Fig. 6c zeigt eine perspektivische Ansicht des Kanals 13b aus Fig. 6a, und zwar im Gegensatz zur Darstellung der Fig. 6a wieder in einer„positiven" Darstellung, also als Einprägung oder anderweitig hergestellte Vertiefung in die Strömungsplatte 12 (vgl. Fig. 5b}. im oberen Teil der Figur ist der Kanal 13b ohne ein darin strömendes Gas gezeigt. Im unteren Teil der Figur sind Strö- mungslinien 44 eines im Kanal 13b strömenden Gases illustriert. Am wellenartigen Verlauf der Strömungslinien 44 ist die Störung der ideal linearen laminaren Strömung senkrecht zur Pianflächenebene der Strömungsplatte 12 erkennbar. Die Störung wirkt sich nur als wellenförmige Bewegung des Gases aus, es kommt jedoch zu keinen Verwirbelungen. Diese Störung wird hier durch die Kanten Kl, K2, K3, K4, LI, 12, 13, L4 usw. und durch die dazwischen liegenden Kanalabschnitte Ml, M2, 3 usw. mit sich in der positiven y- Richtung 21 jeweils verringerndem Querschnitt bewirkt. Die den Kanalquerschnitt verringernden Teilabschnitte wie beispielsweise la verlaufen dabei mit einem Winke! von ungefähr 45° zum Inneren des Kanals, während die den Kanalquerschnitt erweiternden Teilabschnitte wie beispielsweise der Teilabschnitt Mlb mit einem Winkel von ungefähr 20° in entgegengesetzter Richtung zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals verlaufen. Hierdurch ergeben sich ausschließlich stetige Änderungen des Kanalquerschnitts. Im Beispiel der Fig. 6c verbleiben auch keine Abschnitte ohne Änderung des Kanalquer- Schnitts.
Fign. 7a-c zeigen eine weitere Ausführungsform des Kanals 13b der ersten Strömungsplatte 12. Die relative Anordnung des Kanals 13b in den Fign. 7a-c zu den übrigen Komponenten des Befeuchtermoduls 9 entspricht beispielhaft wieder derjenigen der Fig. 3c. Die hier nur beispielhaft für den Kanal 13b gezeigte Ausführungsform ist natürlich ebenso auf die übrigen der Kanäle 13 der ersten Strömungsplatte 12 und/oder auf die Kanäle 17 der zweiten Strömungsplatte 14 übertragbar. Fig. 7a zeigt eine Draufsicht auf den Kanal 13b, die Blickrichtung ist in Fig. 7a also die negative z-Richtung 18. Die Fign. 7b und 7c zeigen Querschnitte des Kanals 13b aus Fig. 7a senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12. Die wird jeweils anhand der in den Fign. 7a-c dargestellten Koordinatensysteme deutlich. Die Schnittebenen bzw. Bildebenen der Fign. 7b und 7c sind in Fig. 7a durch gestrichelte Linien A-A und B-B hervorgehoben. Die anhand der Fign. 7a-c illustrierte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass Neigungswinkel ßi und ß2, die die Kanalseitenwände 25b und 26b jeweils mit dem Kanalboden 24b einschließen, sich entlang der Haupterstre- ckungsrichtung des Kanals 13b wenigstens abschnittsweise ändern. Hier ändern sie sich insbesondere kontinuierlich. In der Draufsicht der Fig. 7a sind die Veränderungen der Kanalseitenwände 25b und 26b schraffiert dargestellt. Die
Tatsache, dass sich die Neigungswinkel ßi und ß2 der Kanalseitenwände 25b, 26b relativ zum Kanalboden 24b entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b, hier also in der positiven y-Richtung 21, kontinuierlich ändern, kommt in Fig. 7a dadurch zum Ausdruck, dass die oberen Enden 32b, 33b der Kanalseitenwände 25b, 26b, die dem Wasseraustauschmedium 15 zugewandt sind, parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12, also parallel zur x- y-Ebene, wellenförmig oder sinusförmig verlaufen.
Fig. 7b zeigt einen Querschnitt des Kanals 13b aus Fig. 7a entlang einer Ebene A-A, die senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 ausgerichtet ist. In der Ebene A-A schließt die erste Kanalseitenwand 25b mit dem Kanalboden 24b einen ersten Neigungswinkel ßi von etwa 90° ein. Dagegen schließt die zweite Kanalseitenwand 26b mit dem Kanalboden 24b in derselben Ebene A-A einen zweiten Neigungswinkel ß2 von etwa 105° ein.
Fig. 7c zeigt einen Querschnitt des Kanals 13b aus Fig. 7a entlang einer weiteren Ebene B-B, die senkrecht zur Planfiächenebene der Strömungsplatte 12 ausgerichtet ist. In der Ebene B-B schließt die erste Kanalseitenwand 25b mit dem Kanaiboden 24b einen ersten Neigungswinkel i von etwa 105° ein. Da- gegen schließt die zweite Kanalseitenwand 26b mit dem Kanalboden 24b in derselben Ebene B-B einen zweiten Neigungswinkel ß2 von etwa 90° ein.
Den Darstellungen der Fign. 7b, 7c ist entnehmbar, dass sich infolge der sich ändernden Neigungswinkel ßi und ß2 auch die Abstände der Kanalwände 25b, 26b von einer Kanalmittelachse 40b stetig ändern. Die Anordnung der Kanalmittelachse 40b wird im Zusammenhang mit Fig. 11 näher erläutert. Selbstverständlich ist es ebenso denkbar, dass sich die Neigungswinkel ßi und/oder ß2 nicht oder nicht nur kontinuierlich ändern, wie in den Fign. 7a-c gezeigt, sondern auch diskontinuierlich. Auf diese Weise entstehen kantenar- tige Strukturen an den Kanalseitenwänden. Es ist auch denkbar, dass sich in einem gegebenen Abschnitt des Kanals 13b nur einer der Neigungswinkel ßx, ß2 ändert oder beide Neigungswinkel ßi, ß2 sich in unterschiedlichem Ausmaß ändern, was dann mit einer Änderung des Querschnitts A des Kanals 13b einhergeht.
Die Neigungswinkel ßi und/oder ß2 ändern sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b typischerweise derart, dass der Querschnitt A des Kanals 13b konstant bleibt oder nahezu konstant bleibt. Dies bedeutet, dass der Neigungswinkel ßi entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b zunimmt, wenn der Neigungswinkel ß2 in demselben Abschnitt des Kanals
13b und in derselben Richtung entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b abnimmt und umgekehrt. Vorzugsweise ändern sich die Neigungswinkel ßi und/oder ß2 bei abgewandelten Ausführungsformen jeweils derart, dass der Querschnitt A des Kanals 13b entlang der Haupterstreckungs- richtung des Kanals 13b um höchstens 60 Prozent variiert, vorzugsweise um höchstens 30 Prozent, vorzugsweise um mindestens 5 Prozent, besonders bevorzugt um mindestens 10 Prozent.
Die in den Fign. 7a-c beschriebene Änderung der Neigung der Kanalsetten- wände 25b, 26b relativ zum Kanalboden 24b lenkt das im Kanal 13b strömende Gas typischerweise sowohl parallel als auch senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 ab. Dies bewirkt insbesondere senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 die gewünschte Störung der ideal linearen laminaren Strömung des Gases im Kanal 13b mit den beschriebenen vor- teilhaften Auswirkungen auf die Wassertransferrate zwischen den Kanälen 13 und 17 beiderseits des Wassertransfermediums 15.
Die Fign. 7d und 7e zeigen perspektivische Ansichten von abgewandelten Ausführungsformen des Kanals 13b aus den Fign. 7a-c und zwar wiederum in einer„positiven" Darstellung, also als Einprägung oder sonstige Formgebung in die Strömungsplatte 12. Gezeigt sind jeweils Querschnitte 50, 51, 52 (Fig. 7d} bzw. 53, 54 (Fig. 7e) des Kanals 13b an verschiedenen Positionen entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b. Zu erkennen ist dabei, dass sich die Neigungswinkel ßj, ß2 der Kanalseitenwände 25b, 26b relativ zum Kanaiboden 24b entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b än- dem. Die dadurch bewirkte, entlang der z-Richtung 18 ausgerichtete Störung der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal 13b ist am gewellten Verlauf der entsprechenden Strömungslinien 45 (Fig. 7d) bzw. 46 (Fig. 7e) zu erkennen. Weitere Ausführungsformen der Kanäle 13a, 13b sind in den Fign. 8a-c beschrieben. Auch diese Ausführungsformen sind selbstverständlich ohne Weiteres auf die übrigen der Kanäle 13 der ersten Strömungsplatte 12 und/oder auf die Kanäle 17 der zweiten Strömungsplatte 14 übertragbar. Die relative Anordnung der Kanäle 13a, 13b in den Fign. 8a-c zu den übrigen Komponen- ten des Befeuchtermoduls 9 entspricht beispielhaft wieder derjenigen der Fig.
3c. Wie zuvor sind die Kanäle 13a, 13b der besseren Darstellbarkeit halber als Blöcke dargestellt. Nicht gezeigt ist dagegen die Strömungsplatte 12, in die die Kanäle 13a, 13b eingeprägt sind. Insbesondere ist der Steg 27 zwischen den Kanälen 13a, 13b nicht gezeigt.
Die in den Fign. 8a-c gezeigten Ausführungsformen der Kanäle 13a, 13b zeichnen sich durch eine entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b sich ändernde Kanaltiefe T aus, hierdurch ändert sich auch der Abstand des Kanalbodens 24a, 24b zu einer hier nicht explizit dargestellten Kanalmit- telachse. Die Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b verläuft in den
Fign. 8a-c wieder parallel zur y-Achse 21. Die Kanaltiefe T wird senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmt, in den Fign. 8a-c also jeweils entlang der z-Rtchtung 18. Die Kanaltiefe T erstreckt sich z. B. vom Kanalboden 24a, 24b bis zum Stützmedium 16a, das die Kanäle 13a, 13b zum WaS5ertransfermedäum 15 hin begrenzt. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fign. 8a-c beträgt eine Differenz zwischen einer entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b bestimmten minimalen Kanaltiefe Tmjn und einer entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b bestimmten maximalen Kanaltiefe Tmax jeweils zwischen 10 und 25 Prozent der maximalen Kanaltiefe. Es gilt also jeweils: 0,1-Tmax Tmax-Tmin < 0,25-Tmax. In den Beispielen der Fign. 8a-c erfolgt die Modulation der Kanaltiefe T der Kanäle 13a, 13b entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b jeweils periodisch mit einer Periodenlänge λτ. Für die Pertodenlänge λτ gilt dabei vorzugsweise: 10-B < λτ < 15-B, wobei B eine parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bestimmte Brette des jeweiligen Kanals 13a, 13b ist. In Fig. 8a erfolgt die Modulation der Kanaltiefe T z. B. in etwa sinusartig. Die Kanalböden 24a, 24b haben dort also jeweils einen weilenartigen Verlauf.
Natürlich muss die Modulation der Kanaltiefe nicht periodisch oder kontinuierlich erfolgen, wie in den Fign. 8a-c gezeigt. Ebenso ist es denkbar, dass die Änderung der Kanaltiefe entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b wenigstens teilweise diskontinuierlich erfolgt, z. B. in Stufen, jedoch ohne Rücksprünge. Auch kann der Kanalboden 24a und/oder 24b senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 ein Sägezahnprofil aufweisen, beispielsweise in der Art der Seitenwände 25b oder 26b gemäß den Fign. 6a, 6b.
Eine Modulation der Kanaltiefe T gemäß den Fign. 8a-c und damit einhergehende Änderung des Abstands des Kanalbodens von der Kanalmittelachse bewirkt unmittelbar eine senkrecht zur Planflächenebene gerichtete Störung einer in den Kanälen 13a, 13b geführten ideal linearen laminaren Strömung. in dem in Fig. 8c gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden benachbarten Kanäle 13a, 13b jeweils eine Modulation der Kanaltiefe T mit derselben Periodenlänge λγ auf. Dabei sind die unmittelbar benachbarten und parallel zueinander verlaufenden Kanäle 13a, 13b entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jedoch derart angeordnet, dass die Perioden ihrer jeweiligen Kanaltiefenmodulation gerade um eine halbe Periodenlänge λτ/2 gegeneinander verschoben sind. In senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 ausgerichteten Ebenen ist also ein Weilenberg der Kanalbodenwelle des Kanals 13a jeweils einem Wellental der Kanalbodenwelle des Kanals 13b unmittelbar benachbart und umgekehrt. Dies bewirkt einen Austausch und/oder eine teilweise Vermischung der in den benachbarten Kanälen 13a, 13b geführten Gasströme, wobei der Austausch über den Steg 27 und das gasdurchlässige Stützmedium 16a erfolgt. Die senkrecht zur Planflächenebene der Strö- mungsplatte 12 gerichtete Störung von in den Kanälen 13a, 13b geführten ideal linearen laminaren Gasströmungen erfolgt so auf besonders wirksame Weise.
Fign. 9a und 9b zeigen weitere Ausführungsformen der Kanäle 13a, 13b der Strömungsplatte 12. Die Kanäle 13a, 13b werden dabei quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung, in den Fign. 9a und 9b also entlang der -Richtung 20, durch Stege 55, 27, 56 begrenzt. Der Steg 27 ist zwischen den unmittelbar benachbarten Kanälen 13a, 13b angeordnet und trennt diese voneinander. Die Stege 55, 27 bilden Seitenwände 25a, 25b des Kanals 13a, Die Stege 27, 56 bilden Seitenwände 25b, 26b des Kanals 13b. Die Stege 55, 56 erstrecken sich gerade entlang der Haupterstreckungsrichtungen der parallelen Kanäle 13a, 13b. Der zwischen den geraden Stegen 55, 56 angeordnete Steg 27 erstreckt sich dagegen wellenartig entlang der Haupterstreckungsrichtungen der Kanäle 13a, 13b. Insbesondere hat der Steg 27 eine periodische Wellenform. Eine Wellenlänge w der wellenartigen Struktur des Stegs 27 beträgt etwas weniger als das Doppelte als die maximale Breite Bmax der Kanäle 13a, 13b, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b bestimmt wird.
Auf den Kanalböden 24a, 24b sind domartige Strukturen 60 angeordnet, die teilweise in die Kanäle 13a, 13b hineinragen, wobei sie insbesondere eine Höhe von 20-50% der Höhe der Stege 55, 56, bzw. 27 aufweisen. Ebenso ragt eine weitere domartige Struktur 61 von der Kanalseitenwand 25a des Kanals 13a in Fig. 9a in den Kanal 13a hinein, auch diese weist eine geringere Höhe als der Steg 55 auf, wie anhand der Kante 70 verdeutlicht ist. Vergleichbare aus der Kanalwand auskragende domartige Strukturen sind in Fig. 9b gegeben. Wie der wellenförmige Steg 27 so bewirken auch die domartigen Erhebungen 60, 61 senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12, an deren Oberfläche die Kanäle 13a, 13b angeordnet sind, Störungen einer in diesen Kanälen strömenden ideal linearen laminaren Strömung. Die domartigen Erhebungen 60, 61 können in Draufsicht runde oder vieleckig-abgerundet Formen aufweisen, wie im Kanal 13a der Fig. 9a dargestellt ist.
Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13b der Fig. 9a sind die domartigen Erhebungen 60, beispielhaft in etwa in gleichmäßigen Abständen angeordnet. In Strömungsrichtung - in Fig. 9 soll dies die positive y-Richtung 21 sein - befinden sich diese domartigen Erhebungen 60, in Kanal 13b der Fig. 9a alle kurz hinter den Bereichen des Kanals, in denen dieser jeweils einen lokal maximalen Querschnitt hat. Die domartigen Erhebungen 60 in Kanai 13b der Fig. 9a sind bezüglich des senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Kanals 13b bestimmten Querschnitts alle in etwa mittig angeordnet.
Fig. 9b verdeutlicht, dass auch mehrere domartige Erhebungen zusammenwirken können, wobei diese auf gleicher Höhe in Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 13a, 13b angeordnet sein können oder zueinander versetzt. Es kann sich um eine ganze Gruppe kleinerer domartiger Erhebungen handeln oder um ein Paar domartiger Erhebungen. Die domartigen Erhebungen können dabei aus dem Kanalboden vorspringen oder aus der Kanalwand abschnittweise, also insbesondere mit gegenüber dem Steg verringerter Höhe auskragen.
Je nach Ausgestaltung des weilenartigen Verlaufs des Stegs 27 und der Anordnung der domartigen Erhebungen 60, 61 kann eine unterschiedliche Störung der ideal linearen laminaren Strömung in den Kanälen 13a, 13b senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 erzielt werden. Einerseits kann das im Kanal 13a strömende Gas teilweise über den Steg 27 in den Kanal 13b gedrängt werden und umgekehrt, so dass es zwischen den Kanälen 13a, 13b zu einem Gasaustausch kommt. Dieser erfolgt über das gasdurchlässige Stützmedium 16a (siehe Fig. 3c), das zwischen der Strömungsplatte 12 und dem Wassertransfermedium 15 angeordnet ist, ggf. kann dies durch einen nicht konstanten Verlauf der Höhe eines oder mehrerer Stege erleichtert werden. Andererseits kann dem in den Kanälen 13a, 13b strömenden Gas ein Drall verliehen werden, so dass es innerhalb eines Kanals zu einem Gasaustausch kommt. In beiden Fällen ebenso wie bei gemischten Mechanismen kommt es zu einer Änderung des Feuchtigkeitsgradienten über den Höhenverlauf eines Kanals. Dadurch, dass keine der Leitgeometrien, d.h. weder die domartigen Erhebungen 60 noch die Fortsätze 61, 70 der Stege 55, 27, einen Rücksprung aufweist, kommt es jedoch nicht zu Verwirbelungen oder entgegen der Hauptströmungsrichtung gerichteten Strömungsanteilen.
In den Fign. 9a-b sind jeweils die Verläufe von Kanaimittelachsen 40a, 40b der Kanäle 13a, 13b dargestellt. Die Anordnung der Kanaimittelachsen 40a, 40b relativ zu den Kanälen 13a, 13b wird im Zusammenhang mit der Fig. 11 näher erläutert. Es ist deutlich erkennbar, dass sich der Abstand der Kanalwand 26a von der Kanalmittelachse 40a des Kanals 13a wenigstens abschnittsweise stetig ändert. Ebenso ist erkennbar, dass sich der Abstand der Kanalwand 25b von der Kanalmittelachse 40b des Kanals 13b wenigstens abschnittsweise stetig ändert. Dies trägt jeweils ebenfalls zur Störung der ideal laminaren Strömung des Fluids in den Kanälen 13a, 13b senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bei.
Fig. 10a zeigt eine Ausführungsform eines der Kanäle 13 der Strömungsplatte 12, einen den Kanal begrenzenden Steg 27 und Kanalwände 25, 26. Auf dem Kanalböden ist eine abgerundete, längliche Erhebung 60 angeordnet, die teilweise in den Kanal 13 hineinragt und die eine Störung der ideal laminaren Strömung des im Kanal 13 strömenden Fluids 47 senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 12 bewirkt. Das Fluid 47 strömt in Fig. 10a in der positiven x- ichtung 20. Dies ist durch an den Strömungslinien 47 angeordnete Pfeile illustriert. Der Strömungsquerschnitt des Kanals 13 ändert sich entlang des ovalen Vorsprungs 60 stetig. Auf seiner der Strömung abgewandten Seite gehen die beiden Seitenränder 62, 63 tangential ineinander über. Das der Strömung abgewandte Ende des Vorsprungs60 bildet daher mit der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13 und somit auch mit den hier parallel zueinander verlaufenden Kanalwänden 25, 26 einen Winkel 5= 90° ein. Die Erhebung 60 ist weiter derart ausgebildet, dass sie durchgehend einen zusammenhängenden Querschnitt aufweist, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13 im Bereich der Erhebung 60, nämlich parallel zur y-z-Ebene in Fig. 10a und insbesondere in Strömungsrichtung am Ende der Erhebung 60.
Fig. 10b zeigt einen Kanal 113, einen den Kanal 113 begrenzenden Steg 127, Kanalwände 125, 126 sowie eine am Boden des Kanals 113 angeordnete Erhebung 160, wobei die Erhebung 160 aus Fig. 10b nicht erfindungsgemäß ausgebildet ist. Ein Fluid 147 strömt in der positiven x-Richtung 20 durch den Kanal 113. Das der Strömung abgewandte Ende der Erhebung 160 weist zwei zurückspringende Schenkel 164, 165 auf, die jeweils einen Winkel δ' von ca. 145° mit der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 113 aufspannen und somit auch mit den hier parallel verlaufenden Kanalwänden 125, 126. Dieser Winkel ist somit größer als 90° und somit charakteristisch für einen Rück- sprung am strömungsabgewandten Ende des Vorsprungs 160 bzw. analog auch für eine hier nicht dargestellte Ausnehmung. Infolge dieser unvorteilhaften Ausgestaltung der Erhebung 160 gemäß Fig. 10b entsteht hinter der Erhebung 160 eine Verwirbelung und ein Abriss der vor der Erhebung 160 noch ideal laminaren Strömung. Diese Verwirbelung verursacht über eine kurze Distanz in Strömungsrichtung einen starken Druckabfall. Dies beeinträchtigt den effizienten Massentransport des Fluids 147 durch den Kanal 113 und die Effizienz des Befeuchters,
Im Gegensatz zur Erhebung 60 gemäß Fig. 10a weist die Erhebung 160 gemäß Fig. 10b zudem einen Querschnitt auf, der am strömungsabgewandten Ende wenigstens parallel zur y-z-Ebene nicht zusammenhängend ist, weil er dort den bereits erwähnten Rücksprung aufweist.
Fig. 11 zeigt stark schematisiert eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines der Kanäle 13 der Strömungsplatte 12. Der Kanal 13 gemäß Fig. 11 hat wellenförmige, einander gegenüber liegende Kanalwände 25, 26. Durch einen ersten Flächenschwerpunkt Sl des Kanalquerschnitts Fl am Kanalanfang und durch einen zweiten Flächenschwerpunkt S2 des Kanalquerschnitts F2 am Kanalende ist eine Kanalmittelachse 40 festgelegt. Der Kanal 13 gemäß Fig. 11 ist derart ausgebildet, dass die Abstände der Kanalwände 25, 26 von der Kanalmittelachse 40 sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals 13 wenigstens abschnittsweise stetig ändern. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn der Kanal 13 entlang seines Verlaufs einen konstanten Querschnitt aufweist.
Hervorgehoben sind in Fig. 11 insbesondere ein erster Kanalquerschnitt Aa und ein zweiter Kanalquerschnitt Ab. Im Bereich des Querschnitts Aa ist der Abstand der Kanalwand 25 von der Kanalmittelachse 40 gegenüber dem Abstand der Kanalwand 25 von der Kanalmittelachse 40 am Kanalanfang verringert. Dagegen ist der Abstand der Kanalwand 26 von der Kanalmittelachse 40 im Bereich des Querschnitts Aa gegenüber dem Abstand der Kanalwand 26 von der Kanalmittelachse 40 am Kanalanfang vergrößert. Im Bereich des Querschnitts Ab ist der Abstand der Kanalwand 25 von der Kanalmittelachse
40 gegenüber dem Abstand der Kanalwand 25 von der Kanalmittelachse 40 am Kanalanfang vergrößert. Dagegen ist der Abstand der Kanalwand 26 von der Kanalmittelachse 40 im Bereich des Querschnitts Ab gegenüber dem Abstand der Kanalwand 26 von der Kanalmittelachse 40 am Kanalanfang verringert.

Claims

Patentansprüche
1. Befeuchter (3), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, umfassend:
einen ersten Eingang (5) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (6) zum Abgeben befeuchteten Gases,
- einen zweiten Eingang (7) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (8) zum Abgeben entfeuchteten Gases,
mindestens eine erste (12) und eine zweite (14) Strömungsplatte, ein zwischen der ersten (12) und der zweiten Strömungsplatte (14) angeordnetes Wassertransfermedium (15), das im Betrieb gasundurch- lässig oder im Wesentlichen gasundurchlässig ist,
wobei die erste (12) und die zweite Strömungsplatte (14) jeweils Kanäle (13, 17) zur Gasführung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13, 17) entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl von Leitgeometrien aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12, 14) eine Störung der ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal (13, 17) geführ- ten Gases bewirken.
2. Befeuchter (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Kanalwände (24, 25, 26) Leitgeometrien als Vorsprünge und/oder Ausnehmungen ausgebildet sind, wobei die Vorsprünge und/oder die Ausnehmungen an ihren strömungsabgewandten Enden keine Rücksprün- ge aufweisen.
3. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kanalquerschnitt (A) entlang der Haupterstre- ckungsrächtung des Kanals (13, 17) zumindest abschnittsweise stetig ändert.
4. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalanfang (Fl) jeweils durch einen Eintritt des Kanals (13, 17) in einen aktiven Bereich des Befeuchters gegeben ist und ein Kanalende (F2) jeweils durch einen Austritt des Kanals (13, 17) aus dem aktiven Bereich des Befeuchters gegeben ist und dass eine Kanalmittelachse (40, 40a, 40b) jeweils durch eine Verbtndungsgerade gegeben ist, die einen ersten Flächenschwerpunkt (Sl) des Kanalquerschnitts am Kanalanfang (Fl) mit einem zweiten Flächenschwerpunkt (S2) des Kanalquerschnitts am Kanalende (F2) verbindet, wobei die Kanäle jeweils derart ausgebildet sind, dass sich ein
Abstand wenigstens eines Abschnitts einer Kanalwand (24, 25, 26) von der Kanalmitteiachse (40, 40a, 40b) entlang des Kanalverlaufs zumindest abschnittsweise stetig ändert.
5. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitgeometrien in den Kanalwänden ausgebildete längliche Ausnehmungen und/oder an den Kanalwänden angeordnete und in den Kanal hinein ragende längliche Vorsprünge (28a, 29a, 28b, 29b, 30b) umfassen, die mit einer sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals (13a, 13b) erstreckenden Mitteilinie (31a, 31b) der jeweiligen Kanalwand einen spitzen Winkel einschließen, wobei vorzugsweise gilt: 45 Grad < α < 70 Grad (Winkelmaß).
6. Befeuchter (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Länge der Ausnehmungen bestimmte Querschnittsfläche der
Ausnehmungen jeweils zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent des minimalen Querschnitts (Amin) des Kanals (13a, 13b) beträgt und/oder dass eine senkrecht zur Länge der Vorsprünge (28a, 29a, 28b, 29b, 30b) bestimmte Querschnittsfläche der Vorsprünge (28a, 29a, 28b, 29b, 30b) jeweils zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent des maximalen Querschnitts (Ama)<) des Kanals (13a, 13b) beträgt.
7. Befeuchter (3) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals (13a, 13b) unmittelbar aufeinander folgende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (28a, 29a, 28b, 29b, 30b) derart angeordnet sind, dass ihre einander zugewandten Enden parallel zum Querschnitt des Kanals (13a, 13b) beabstandet sind.
8. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitgeometrien entlang der Haupterstreckungsrich- tung des Kanals (13b) sich erstreckende und ineinander übergehende Kanalabschnitte (Ml, M2, M3) des Kanals (13b) umfassen, wobei ein Querschnitt (A) des Kanals sich entlang der Kanalabschnitte (Ml, M2, M3) jeweils in derselben Richtung verringert und wobei der Übergang zwischen zwei der ineinander übergehenden Kanalabschnitte (Ml, M2, M3) jeweils über eine stumpfe Kante (Kl, K2, K3, K4, LI, L2, L3, L4) erfolgt, an der sich der Querschnitt des Kanals (13b) ändert.
9. Befeuchter (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Änderung des Querschnitts (A) des Kanals (13b) an der stumpfen Kante (K2, L2) zwischen zwei der ineinander übergehenden Kanaiabschnitte (Ml, M2) bezogen auf den kleinsten Querschnitt Amin und den größten Querschnitt max im Bereich der Kante (K2, L2) gilt: (Amax-Amin)/Amin < 1, vorzugsweise 0,75 < (Amax-Amin)/ArT1in 1, besonders vorzugsweise 0,8 < (Am3x-Amjn)/Amjn < 1.
10. Befeuchter (3) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (Ml, M2, M3) des Kanals (13b) wenigstens bereichsweise durch wenigstens eine Kanalseitenwand (25b, 26b) des Kanals gebildet werden, die parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12) ein sägezahnartiges Profil aufweist, vorzugsweise durch zwei einander gegenüber liegende Kanalseitenwände (25b, 26b) der genannten Art, und/oder dass die Kanalabschnitte (Ml, M2, M3) des Kanals (13b) wenigstens bereichsweise durch wenigstens einen Kanalboden (24b) des Kanals (13b) gebildet werden, der senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12) ein sägezahnartiges Profil aufweist, wobei die Kanten (Kl, K2, K3, K4, LI, L2, L3, L4) zwischen den ineinander übergehenden Kanalabschnitten (Ml, M2, M3) durch die Flanken des sägezahnartigen Profils der Kanalseitenwände (25b, 26b) und/oder des Kanalbodens gegeben sind.
11. Befeuchter (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das sägezahnartige Profil entlang der Haupterstreckungsrächtung des Kanals (13b) periodisch ist, wobei für eine Periodenlänge \s des sägezahnartigen Profils und eine Brette B einer maximalen Querschnittsfläche des Kanals (13b) vorzugsweise gilt: S B < s < 20 B, besonders vorzugsweise 10 B < Ks ί 15-B.
12. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel ß, den ein Kanalboden (24b) des Kanals (13b) mit einer an den Kanalboden (24b) sich anschließenden Kanalseitenwand (25b, 26b) des Kanals (13b) einschließt, sich entlang der Haupterstreckungs- richtung des Kanalgrunds wenigstens abschnittweise ändert, wobei vorzugsweise gilt: 90° 5 ß < 120° (Winkelmaß).
13. Befeuchter (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel ß wenigstens abschnittweise kontinuierlich ändert.
14. Befeuchter (3) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel ß wenigstens einmal diskontinuierlich ändert.
15. Befeuchter (3) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalboden (24b) mit einer an den Kanalboden (24b) sich anschließenden ersten Kanalseitenwand (25b) einen Winkel ßi einschließt und mit einer an den Kanalboden (24b) sich anschließenden und der ersten Kanalseitenwand (25b) gegenüberliegenden zweiten Kanalseitenwand (26b) einen Winkel ß2 einschließt, wobei die Winkel ßi und ß2 jeweils in derselben Ebene bestimmt werden und wobei sich die Winkel ßi und ß2 entlang der Haupter- streckungsrichtung des Kanals (13b) wenigstens abschnittweise derart ändern, dass sich der Querschnitt (A) des Kanals in diesem Abschnitt um weniger als 60 Prozent ändert, vorzugsweise um weniger als 30 Prozent.
16. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (13b) entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals (13b) wenigstens abschnittweise eine konstante Kanaltiefe (T) aufweist, wobei die Kanaltiefe (T) senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12) bestimmt wird.
17. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Kanal {13a, 13b) eine entlang der Haupterstre- ckungsrichtung des Kanals wenigstens abschnittweise sich ändernde Kanaltiefe (T) aufweist.
18. Befeuchter (3) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen einer maximalen Kanaltiefe und einer minimalen Kanaltiefe desselben Kanals (13a, 13b) weniger als 40 Prozent der maximalen Kanaltiefe beträgt, vorzugsweise zwischen 10 und 25 Prozent der maximalen Kanaltiefe.
19. Befeuchter (3) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanaltiefe (T) entlang der Haupterstreckungsrich- tung des Kanals (13a, 13b) wenigstens abschnittweise periodisch ändert, vorzugsweise kontinuierlich.
20. Befeuchter (3) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die Periodenlänge λτ der Änderung der Kanaltiefe und eine Breite B einer senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals (13a, 13b) bestimmten Querschnittsfläche des Kanals (13a, 13b) gilt: 5-B < λτ < 20-B, vorzugsweise 10·Β < λτ 15-B.
21. Befeuchter (3) mit zwei in derselben Strömungsplatte (12) benachbarten, parallel zueinander verlaufenden Kanälen (13a, 13b), die jeweils gemäß Anspruch 20 ausgebildet sind, wobei die benachbarten Kanäle (13a, 13b) unterschiedliche Periodenlängen aufweisen oder wobei die benachbarten Kanäle (13a, 13b) dieselbe Periodenlänge λγ aufweisen und die Perioden der benachbarten Kanäle (13a, 13b) entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle (13a, 13b) gegeneinander verschoben sind, vorzugsweise um eine Länge Δλτ, für die gilt: λτ/3 < Δλγ ί 2·λτ/3, besonders vorzugsweise um Δλτ = λτ/2.
22. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Strömungsplatten gerade verlaufende Stege {55, 56) und gewellt verlaufende Stege (27) aufweist, die die Kanäle (13a, 13b) quer zur deren Haupterstreckungsrichtung begrenzen.
23. Befeuchter (3) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die gerade verlaufenden Stege {55, 56) und die geweilt verlaufenden Stege (27) alternierend angeordnet sind.
24. Befeuchter (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kanalboden (24a, 24b) der Kanäle (13a, 13b) domartige Erhebungen (60, 61) angeordnet sind.
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