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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise für eine Brennstoffzelle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannte Befeuchtungseinrichtungen für Brennstoffzellen, die z. B. in der
DE 10 2009 034 095 A1 oder der
EP 1 261 992 B1 beschrieben werden, weisen mehrere Membranen auf, die in parallelen Ebenen liegen und zwischenliegende Strömungskanäle separieren, durch die feuchte bzw. trockene Luft geführt wird. Durch jede Membran dringen Wassermoleküle vom feuchten zum trockenen Luftstrom, der sich hierdurch mit Feuchtigkeit anreichert. Der befeuchtete Luftstrom wird einem Brennstoffzellensystem zugeführt, in welchem in einer elektrochemischen Reaktion Strom erzeugt wird.
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Gemäß der
DE 10 2009 034 095 A1 sind mehrere, übereinanderliegende Membrane in einem Stapel zusammengefasst. Die Membranen sind in ihrem Randbereich mit Rahmenteilen eines Gehäuses verbunden, wobei zwischen den Rahmenteilen benachbarter Membranen ein Dichtungselement für einen strömungsdichten Abschluss angeordnet ist. Übereinanderliegende Strömungskanäle, zwischen denen jeweils eine Membran angeordnet ist, werden über Kreuz von der trockenen bzw. feuchten Luft durchströmt. Die Rahmenteile und die zwischenliegenden Dichtungselemente dienen zugleich als Abstandshalter, um die parallel eingespannten Membranen auf Abstand zueinander zu fixieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kompakt aufgebaute Befeuchtungseinrichtung zu schaffen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, welche von einem trockenen bzw. feuchten Gasstrom durchströmt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung erlaubt es, Strömungsluft mit Feuchtigkeit anzureichern, so dass im Luftstrom ein geforderter Mindestfeuchtigkeitsgehalt erreicht wird. Die Befeuchtungseinrichtung wird beispielsweise für Brennstoffzellen eingesetzt, in denen in einer elektrochemischen Reaktion Strom erzeugt wird. Hierbei wird die mit Feuchtigkeit angereicherte Luft dem Eingang der Brennstoffzelle zugeführt. Ausgangsseitig verlässt Abluft mit einem verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt die Brennstoffzelle; die Abluft wird in die Befeuchtungseinrichtung eingeleitet, in der die Feuchtigkeit über die Membranen an den herangeführten Frischluftstrom abgegeben wird.
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Des Weiteren ist auch ein Einsatz der Befeuchtungseinrichtung in weiteren technischen Gebieten möglich. Beispielsweise kann die Befeuchtungseinrichtung für die Befeuchtung der Atemluft in geschlossenen Räumen bzw. Kabinen wie z. B. in Flugzeugen verwendet werden.
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Die Befeuchtungseinrichtung weist mindestens zwei übereinanderliegende, wasserdurchlässige Membranen auf, die in einem Gehäuse aufgenommen sind. An den gegenüberliegenden Seiten jeder Membran ist jeweils ein Gasstrom entlanggeführt, wobei die Gasströme einen unterschiedlich hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Durch die Membranen gelangt Wasser jeweils von dem Gasstrom mit höherem Feuchtigkeitsgehalt zum Gasstrom mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt.
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Bei der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung ist jede der mindestens zwei übereinanderliegenden Membranen faltenförmig im Gehäuse aufgenommen. Die verschiedenen Falten der Membran separieren die Strömungskanäle für die Gasströme mit höherem und niedrigerem Feuchtigkeitsanteil, der durch die Membranen hindurch zumindest teilweise ausgeglichen wird. Jede Membran kann in mehrere Falten gelegt werden, was eine signifikant konstruktive Vereinfachung im Vergleich zu konventionellen Befeuchtungseinrichtungen mit einer Stapeleinheit mit mehreren, jeweils in parallelen Ebenen angeordneten Membranen bedeutet. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung genügt grundsätzlich nur eine einzige Membran pro Lage für die Befeuchtungseinrichtung, die jedoch ggf. in eine Vielzahl einzelner Falten gelegt werden kann. Es ist aber auch möglich, mehrere Membranen pro Lage zu verwenden, die sich unmittelbar aneinander anschließen. Übereinanderliegend sind mindestens zwei, ggf. mehr als zwei Membranen in der Befeuchtungseinrichtung angeordnet.
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Durch die übereinanderliegende Stapelung der Membranen in der Befeuchtungseinrichtung, wobei jede Membran faltenförmig ausgebildet ist, kann eine weitere Effizienzsteigerung erreicht werden. Die Membranen können in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sein. Vorteilhafterweise ist jedoch jede Membran in einem separaten Befeuchtungsmodul mit einem Modulgehäuse angeordnet, wobei die Modulgehäuse stapelbar sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Membranen in ihrem jeweiligen Modulgehäuse fest aufgenommen sind und die Abdichtung zwischen den verschiedenen Seiten der Membran innerhalb eines Modulgehäuses erfolgt.
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Jeweils zwei Befeuchtungsmodule sind vorteilhafterweise spiegelsymmetrisch gestapelt. Beispielsweise können zwei Befeuchtungsmodule Boden an Boden zusammengefügt werden, was den Vorteil hat, dass ein seitlich zuzuführender Gasstrom über eine gemeinsame Einströmöffnung in die jeweiligen Strömungskanäle der Membranen eingeführt werden kann. In entsprechender Weise erfolgt die Ableitung dieses Gasstroms über eine gemeinsame Abströmöffnung auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite. Insgesamt wird hierdurch die Zahl der Anschlüsse für die Zufuhr und Ableitung des Gasstroms reduziert.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden die spiegelsymmetrisch gestapelten Befeuchtungsmodule ohne Boden- bzw. Deckelplatte im aneinandergrenzenden Bereich aufeinandergesetzt. Damit erhält man im Inneren der Befeuchtungseinrichtung einen gemeinsamen Strömungsraum für den zuzuführenden Gasstrom, der sich auf die Strömungskanäle der oben liegenden und der unten liegenden Membran verteilt. Der gemeinsame Strömungsraum liegt in der Mitte zwischen der oben liegenden und der unten liegenden Membran. In diesen Strömungsraum wird beispielsweise Frischluft mit reduzierter Feuchtigkeit eingeleitet, wohingegen der Gasstrom mit erhöhtem Feuchtigkeitsanteil auf der jeweils dem mittigen Strömungsraum abgewandten Seite jeder Membran verläuft.
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Es kann vorteilhaft sein, den gemeinsamen Strömungsraum zwischen den Membranen über ein zusätzliches Trennelement zu separieren, um zu gewährleisten, dass der eingeleitete Gasstrom unmittelbar in Kontakt mit jeder Membranseite gelangt und somit ein effizienter Feuchtigkeitsaustausch über die Membran stattfinden kann. Das zwischenliegende Trennelement verhindert ein geradliniges Durchströmen der Befeuchtungseinrichtung zwischen Einström- und Abströmöffnung. Das Trennelement besteht beispielsweise aus Vlies, wobei auch ein sonstiges Gewebematerial oder ein Superabsorptionsmaterial in Betracht kommt.
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Es kann zweckmäßig sein, Abstandselemente in die Falten der Membran einzusetzen, welche die Falten stabilisieren und ein Kollabieren der Falten verhindern. Insbesondere im Falle eines Druckunterschieds zwischen den Gasströmen mit höherem und niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt dienen die Abstandselemente zur Stabilisierung der Falten. Hierbei kann es aber ausreichend sein, die Abstandselemente nur in die Falten des Gasstroms mit niedrigerem Druck einzusetzen, da ein Kollabieren der Falten im anderen Gasstrom durch den höheren Druck verhindert wird.
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Die Abstandselemente erstrecken sich vorteilhafterweise über die Länge der Falten. Sie sind beispielsweise als rechteckförmiges Einschubteil ausgebildet, das an einer Grundplatte gehalten ist. An der Grundplatte kann eine Vielzahl von derartigen Einschubteilen aufgenommen sein, die jeweils in eine Falte der Membran einragen. Die Abstandselemente sind vorteilhafterweise separat von der Grundplatte ausgeführt und werden in die Grundplatte eingesetzt. Ggf. sind in die Grundplatte Einschuböffnungen eingeführt, über die die Abstandselemente in ihre Einbauposition an der Grundplatte eingeführt werden können. Es kann zweckmäßig sein, einen Teil der Abstandselemente an die Grundplatte mit anzuspritzen und einen Teil der Abstandselemente durch die Einschuböffnung zu montieren. Beispielsweise ist für jedes zweite Abstandselement eine Einschuböffnung in die Grundplatte eingebracht.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Abstandselemente einen Grundträger auf, der ggf. als eine Platte ausgeführt sein kann und Träger von Querprofilen ist, die die Faltenbreite festlegen. Der Grundträger erstreckt sich vorzugsweise über die Faltenlänge, die Querprofile können an verschiedenen Positionen entlang der Höhe des Grundträgers angeordnet sein und je nach Höhenposition eine unterschiedliche Breite aufweisen. Hiermit kann der sich verjüngenden Faltenbreite in Richtung des Faltengrunds Rechnung getragen werden.
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Der Gasstrom entlang der Falte, in die ein Abstandselement eingesetzt ist, kann entlang beider Seiten der Grundplatte geführt werden. Die Querprofile, die die Membran abstützen, können hierbei einen mäanderförmigen Strömungskanal entlang des Grundträgers bilden, durch den das Gas geführt wird. Die Mäanderstruktur des Strömungskanals an einer oder ggf. an beiden Seiten des Grundträgers gewährleistet einen ausreichenden langen Kontakt des durch den Strömungskanal geführten Gasstroms mit der Membran für den gewünschten Feuchtigkeitsaustausch.
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Die Abstandselemente, insbesondere der Grundträger, kann im Bereich der Stirnseite ein Dichtungselement aufweisen, welches entweder an das Abstandselement angespritzt oder in sonstiger Weise mit dem Abstandselement verbunden ist. Das Dichtungselement sorgt für eine strömungsdichte Verbindung zwischen der Stirnkante des Abstandselementes und einem aufnehmenden Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung. Ggf. wirkt das Dichtungselement an dem Abstandselement mit einem weiteren Dichtungselement am Gehäuse nach einer Labyrinthdichtung zusammen.
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Zur Stützung der Membran, die aus einem sehr dünnen Material besteht, liegt an mindestens einer Seite der Membran vorteilhafterweise ein Stützgitter an, das beispielsweise aus Kunststoff oder Metall besteht und sich zumindest annähernd, vorzugsweise vollständig an einer Seite über die Oberfläche der Membran erstreckt. Die Strömungsöffnungen im Stützgitter erlauben einen ausreichenden Strömungsaustausch zwischen verschiedenen Seiten der Membran. Die Membran und das Stützgitter können miteinander verbunden sein. Ggf. liegt aber die Membran nur lose auf dem Stützgitter auf. Es sind sowohl Ausführungen möglich, bei denen nur an einer Seite der Membran ein Stützgitter vorgesehen ist als auch Ausführungen mit Stützgittern an beiden Membranseiten.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind an die Stirnseiten der Membran Dichtungselemente angespritzt. Auch über diese Dichtungselemente, die sich entlang der Stirnkanten der Falten der Membran erstrecken, werden Fehlluftströme zwischen den verschiedenen Seiten der Membran verhindert.
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Zur randseitigen Abdichtung der Membran ist es auch möglich, dass zwei kammförmig ausgebildete, seitliche Rahmenteile ineinandergreifen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 ein Befeuchtungsmodul für eine Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise für eine Brennstoffzelle, mit einem Modulgehäuse, in dem eine wasserdurchlässige, zu Falten gelegte Membran aufgenommen ist, wobei in die Falten der Membran plattenförmige Abstandselemente eingeführt sind,
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2 einen Schnitt durch die Befeuchtungseinrichtung quer zur Längsebene der Abstandselemente, in vergrößerter Darstellung,
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3 die an einer Grundplatte gehaltenen Abstandselemente in stirnseitiger Ansicht,
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4 die an der Grundplatte gehaltenen Abstandselemente in perspektivischer Ansicht,
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5 in perspektivischer Ansicht die Befeuchtungseinrichtung mit zwei aufeinander gestapelten Befeuchtungsmodulen,
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6 einen Schnitt durch die Befeuchtungseinrichtung gemäß 5,
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7 eine weitere Schnittdarstellung analog zu 5, jedoch in einer parallel versetzten Ebene.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1 bis 4 ist ein Befeuchtungsmodul 1 dargestellt, das beispielsweise dazu verwendet werden kann, die Zuluft für eine Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit anzureichern. Das Befeuchtungsmodul 1 bildet einen Feuchtigkeitstauscher, bei dem ein erster Gasstrom mit hohem Feuchtigkeitsanteil gemäß den Pfeilen 5 in das Modulgehäuse 2 des Befeuchtungsmoduls 1 eingeführt bzw. aus diesem abgeleitet wird und zugleich senkrecht hierzu ein zweiter Gasstrom 6 mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt ebenfalls durch das Gehäuse 2 geleitet wird. Im Gehäuse 2 befindet sich eine faltenförmige Membran, die wasserdurchlässig ausgebildet ist, wobei der Gasstrom 5 mit hohem Feuchtigkeitsgehalt auf einer Seite der Membran und der Gasstrom 6 mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt auf der gegenüberliegenden Seite der Membran geführt wird. Durch die Membran findet ein Feuchtigkeitsaustausch von feuchtem Gasstrom 5 zu dem Gasstrom 6 mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt statt, so dass der Gasstrom 6 mit Feuchtigkeit angereichert wird. Bei dem Gasstrom 5 handelt es sich beispielsweise um den Abgasstrom der Brennstoffzelle, der einen verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, und bei dem Gasstrom 6 um einen aus der Umgebung herangeführten Frischluftstrom mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt, der als Eingangsstrom der Brennstoffzelle zugeführt wird und auf einen definierten, höheren Feuchtigkeitsgehalt gebracht werden muss.
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In das Modulgehäuse 2 ist eine Vielzahl von Abstandselementen 3 eingebracht, die plattenförmig ausgeführt sind und parallel zueinander verlaufen. Die plattenförmigen Abstandselemente 3 ragen, wie der vergrößerten Darstellung gemäß 2 zu entnehmen, in jede zweite Falte der Membran 7 ein. Jedes Abstandselement 3 ist an einer Grundplatte 4 gehalten, die Teil des Modulgehäuses 3 ist. Die Abstandselemente 3 befinden sich in denjenigen Falten, welche von dem feuchten Gasstrom 5 durchströmt werden, bei dem es sich um den Abgasstrom der Brennstoffzelle handelt. Da der Abgasstrom 5 einen geringeren Druck als der Frischluftstrom 6 aufweist, genügt die Abstützung der Falten der Membran 7 auf der Seite mit geringerem Druck. Auf der Frischluftseite, die einen höheren Druck aufweist, ist dagegen keine Abstützung der Falten der Membran 7 erforderlich.
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Zur Stabilisierung der Membran kann an einer Seite oder ggf. an beiden Membranseiten jeweils ein Stützgitter aus Kunststoff oder Metall angeordnet sein, das sich zumindest im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche der Membran erstreckt und in gleicher Weise wie die Membran faltenförmig ausgeführt ist.
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In die Grundplatte 4 des Gehäuses 2 sind Strömungsöffnungen 8 und 9 eingebracht, die sich über die Breite der Grundplatte 4 erstrecken und über die der Abgasstrom 5 ein- bzw. austritt. Die Strömungsöffnungen 8, 9 erstrecken sich über sämtliche Abstandselemente 3. Dadurch gelangt der Abgasstrom 5 in den Bereich der Falten der Membran 7, in die die Abstandselemente 3 einragen.
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Die Abstandselemene 3 weisen, wie 2 zu entnehmen, jeweils einen plattenförmigen Grundträger 10 und sich quer zur Ebene des Grundträgers 10 zu beiden Seiten erstreckende Querprofile 11 auf. Die am Grundträger 10 gehaltenen Querprofile 11 bilden eine Mäanderstruktur, so dass an den beiden Seitenflächen des Grundträgers 10 jeweils ein mäanderförmiger Strömungskanal gebildet ist, durch den der Abgasstrom 5 geführt ist (4). Die mäanderförmige Struktur an den Seitenflächen des Grundträgers 10 verlängert den Strömungsweg des Abgasstroms zwischen Ein- und Austritt und damit die Feuchtigkeitsaustauschrate.
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Wie 2 des Weiteren zu entnehmen, weisen die Querprofile 11 am Grundträger 10 der Abstandselemente 3 in Richtung des Faltengrundes eine abnehmende Breite auf, die der sich verjüngenden Faltenbreite Rechnung trägt. Die Querprofile 11 erstrecken sich zu beiden Seiten des Grundträgers 10. Die freien Stirnseiten der Querprofile 11 halten die anliegende Membranseite 7 auf Abstand bzw. verleihen der Membran 7 die Faltenform.
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In den 5 bis 7 ist eine Befeuchtungseinrichtung 20 dargestellt, die aus zwei aufeinandergestapelten, separat ausgebildeten Befeuchtungsmodulen 1 zusammengesetzt ist, wobei jedes Befeuchtungsmodul 1 in der in den 1 bis 4 beschriebenen Weise aufgebaut ist und jeweils eine faltenförmige Membran aufweist. Die beiden Befeuchtungsmodule 1 können ggf. über Verbindungselemente verbunden werden und sind spiegelverkehrt aneinandergesetzt, so dass der Boden des oberen Befeuchtungsmoduls mit dem Deckel des unteren Befeuchtungsmoduls zusammenfällt. Die Modulgehäuse sind so aufeinandergesetzt, dass eine gemeinsame, glattflächige Seitenwand gebildet ist. Der Boden des oberen Befeuchtungsmoduls sowie der Deckel des unteren Befeuchtungsmoduls sind entfernt, so dass ein gemeinsamer Strömungsraum zwischen der oberen und der unteren Membran gebildet ist.
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Wie 5 in Verbindung mit den Schnittdarstellungen gemäß den 6 und 7 zu entnehmen, erfolgt die Zufuhr des feuchten Abgasstroms 5 über jeweils eine Strömungsöffnung 8 und die Ableitung über jeweils eine Strömungsöffnung 9 für die beiden Befeuchtungsmodule 1 separat. Das oben liegende Befeuchtungsmodul 1 wird von oben über die Strömungsöffnung 8 angeströmt, nach dem Durchlaufen des Befeuchtungsmoduls kann der Gasstrom über die Strömungsöffnung 9 das Modul wieder verlassen. In entsprechender Weise erfolgt die Anströmung und Ableitung des Abgasstroms 5 für das unten liegende Befeuchtungsmodul 1 über im Boden liegende, unten befindliche Strömungsöffnungen 8, 9.
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Die Anströmung und Ableitung des zweiten Gasstroms 6 – der Frischluftstrom – erfolgt dagegen jeweils über eine gemeinsame Seitenfläche der beiden Befeuchtungsmodule 1. Dies ermöglicht es, den Gasstrom 6 beispielsweise über einen gemeinsamen Zufuhrstutzen in die Befeuchtungseinrichtung 20 einzuleiten und über einen gemeinsamen Ableitungsstutzen aus der Befeuchtungseinrichtung 20 abzuleiten.
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Innerhalb der Befeuchtungseinrichtung 20 befindet sich ein als Vlies ausgeführtes Trennelement 21, das den gemeinsamen Strömungsraum in der Befeuchtungseinrichtung 20, in den der Gasstrom 6 eingeführt wird, in einen unteren und einen oberen Bereich unterteilt, der dem unteren bzw. oberen Befeuchtungsmodul 1 zugeordnet ist. Hierdurch wird der eingeleitete Gasstrom 6 in zwei Teilströme separiert, was den Vorteil hat, dass jeder Teilstrom 6 in Befeuchtungsmodulen 1 eine längere Verweildauer unmittelbar an jeder Membran 7 innerhalb der Befeuchtungsmodule besitzt. Hierdurch wird der Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Gasströmen 5 und 6 verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009034095 A1 [0002, 0003]
- EP 1261992 B1 [0002]