DE102019217301A1

DE102019217301A1 - Befeuchtungsmodul zum Befeuchten eines Fluids

Info

Publication number: DE102019217301A1
Application number: DE102019217301.2A
Authority: DE
Inventors: Swen-Juri Bauer; Winfried Brand; Samuel Kohler; Aleksandar Radlovic; Lukas Schikora
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN111200139A; US20200161678A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtungsmodul (1) zum Befeuchten eines Fluids (2),insbesondere zum Befeuchten eines Betriebsfluids einer Brennstoffzelle (27), insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle (27), umfassend einen Befeuchterblock (23), in welchem von einem ersten Fluid (2a) durchströmbare erste Fluidpfade (5a) und von einem zweiten Fluid (2b) durchströmbare zweite Fluidpfade (5b) vorhanden sind, wobei die ersten und die zweiten Fluidpfade (5a, 5b) in dem Befeuchterblock (23) mittels gasdichter und feuchtigkeitsdurchlässiger Membranen (7) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Befeuchtungsmodul (1) außerdem einen (ersten) Flüssigkeitsabscheider (20a) umfasst, welcher zum Durchströmen mit dem ersten oder dem zweiten Fluid (2a, 2b) fluidisch entweder mit den ersten oder den zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtungsmodul zum Befeuchten eines Fluids, insbesondere zum Befeuchten eines Betriebsfluids einer Brennstoffzelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, sowie eine Membraneinlage für ein solches Befeuchtungsmodul.
Herkömmliche Einrichtungen zum Befeuchten eines Fluids, im Folgenden als Befeuchtungsmodule bezeichnet, sind seit geraumer Zeit bekannt. Nach dem Stand der Technik umfassen solche Befeuchtungsmodule Membranen, welche für Gas undurchlässig und für Feuchtigkeit bzw. Wasser oder Wasserdampf durchlässig sind. Eine derart ausgebildete Membran wird im Befeuchtungsmodul jeweils auf einer Seite von einem zu befeuchtenden Fluid und auf der anderen Seite von einem feuchten Fluid überströmt. Die beiden Fluide sind hierbei durch die Membran fluidisch voneinander getrennt. Somit kommt es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden das Befeuchtungsmodul durchströmenden und die Membraneinlagen überströmenden Fluide.
Allerdings kann die Feuchtigkeit des eine größere Feuchtigkeit aufweisenden Fluids durch die Membran treten und vom eine geringere Feuchtigkeit aufweisenden Fluid zu dessen Befeuchtung aufgenommen werden. Die Feuchtigkeit der beiden Fluide gleicht sich folglich an. Insbesondere die Prozessfluide einer Brennstoffzelle müssen mit einem solchen Befeuchtungsmodul befeuchtet werden. Die in Brennstoffzellen eingesetzten Prozessfluide, beispielsweise molekularer Wasserstoff und Sauerstoff, müssen vor ihrem Einströmen in die Brennstoffzelle befeuchtet werden, da es sonst zu einer Austrocknung der typischerweise in einer Brennstoffzelle eingesetzten Polymerelektrolytmembranen kommt. Ein solches Austrocknen, welches mittels des Befeuchtungsmoduls zu vermeiden ist, wirkt sich insbesondere auf die Haltbarkeit der Polymerelektrolytmembranen sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ aus.
Aus der DE 20 2013 003 566 U1 ist ein Befeuchtungsmodul bekannt, welches zur Befeuchtung von Prozessgasen für Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. Dieses Befeuchtungsmodul umfasst eine wasserdurchlässige und im Wesentlichen gasundurchlässige Wassertransferschicht. Außerdem weist das Befeuchtungsmodul eine zumindest bereichsweise wasser- und gasdurchlässige thermoplastische Schutzschicht auf. Die Wassertransferschicht ist durch ein Thermopressverfahren zu ihrer Ober- und Unterseite hin mit einer besagten thermoplastischen Schutzschicht fest verbunden, so dass ein dreischichtiges Sandwich ausgebildet wird. Die Wassertransferschicht und die Schutzschicht sind in einem Stapel sich zumindest teilweise gegenseitig überlappend angeordnet. Zum Befeuchten eines Prozessgases für eine Brennstoffzelle wird dieses Prozessgas auf einer Seite der Wassertransferschicht vorbeigeführt und ein weiteres feuchtes Gas auf der anderen Seite der Wassertransferschicht. Durch die Wassertransferschicht kann ein Feuchtigkeitsausgleich zwischen den beiden Gasen erfolgen, so dass sich die Feuchtigkeiten des Prozessgases sowie des zweiten Gases angleichen.
Außerdem ist aus der DE 10 2008 034 407 A1 ein Befeuchtungsmodul bekannt, welches zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens eingesetzt werden kann. Dieses Befeuchtungsmodul weist zwei Gehäuseteile auf, zwischen welchen wenigstens eine gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran in einem dieselbe Membran umfassenden Gehäuse angeordnet ist. Dieses die Membran umfassende Gehäuse ist in Form einer Kartusche ausgebildet und dichtet die Membran gegenüber der Umwelt ab. Mit dem Befeuchtungsmodul kann zum Befeuchten eines der Brennstoffzelle zugeführten Prozessfluids, welches auf einer Seite der Membran an derselben vorbeiströmt, die Feuchtigkeit eines zweiten Fluids, welches auf der anderen Seite der Membran an derselben vorbeiströmt, durch die Membran treten und vom Prozessfluid der Brennstoffzelle aufgenommen werden, ohne dass es zu einer Vermischung der beiden Fluide im stofflichen Sinne kommt.
Als nachteilig bei den bekannten Lösungen ist hierbei anzusehen, dass die Membranen nur schwer gegenüber der Umwelt abgedichtet werden können, so dass zumeist ein die Membraneinlagen abdichtendes Gehäuse eingesetzt wird. Es existieren zwar auch Lösungen bei welchen auf ein solches Gehäuse verzichtet werden kann, jedoch erweisen sich bei besagten Lösungen eingesetzten Dichtkonzepte als vergleichsweise kostenintensiv. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass bei herkömmlichen Befeuchtungsmodulen die zum Feuchtigkeitsaustausch eingesetzten gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt werden, falls das feuchte Fluid eine derart große Feuchtigkeitsmenge mit sich führt, dass es zu einem Abscheiden von Flüssigkeit auf den Membranen kommt. Auch etwaige von dem Fluid mitgeführte Flüssigkeitströpfchen können sich auf den Membranen niederschlagen und damit die wirksame Fläche der Membranen in unerwünschter Weise vermindern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Befeuchtungsmodulen zum Befeuchten eines Fluids - insbesondere zur Beseitigung der oben genannten Nachteile - neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patenanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patenansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, ein Befeuchtungsmodul zum Befeuchten eines Fluids mit einem Befeuchterblock, in welchem zum Feuchtigkeitsaustausch zwischen einem ersten und einem zweiten Fluid von dem ersten Fluid durchströmbare erste Fluidpfade und von dem zweiten Fluid durchströmbare zweite Fluidpfade mittels gasdichter und feuchtigkeitsdurchlässiger Membranen fluidisch voneinander getrennt sind, und mit einem fluidisch entweder mit den ersten Fluidpfaden oder mit den zweiten Fluidpfaden verbundenen und somit von dem ersten oder dem zweiten Fluid durchströmbaren Flüssigkeitsabscheider auszuführen. Die Membranen begrenzen dabei fluidisch voneinander getrennte erste und zweite Fluidpfade, welche von zwei Fluiden durchströmbar sind, derart, dass ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Fluiden durch die Membranen erfolgen kann, ohne dass es zu einer stofflichen Vermischung der Fluide kommt. Mittels des Flüssigkeitsabscheiders wird außerdem eine zu hohe Feuchtigkeit bzw. ein zu großer Flüssigkeitsanteil des den Flüssigkeitsabscheiders durchströmenden ersten oder zweiten Fluides vermieden. Dabei fungiert der Flüssigkeitsabscheider entweder als Vorabscheider, so dass eine Verminderung der wirksamen und für den Feuchtigkeitsaustausch heranziehbaren Fläche der Membranen abgemindert oder sogar vollständig vermieden werden kann, oder als Nachabscheider, so dass vermieden oder zumindest vermindert werden kann, dass die mit dem ersten oder zweiten Fluid nach dem Durchströmen des Befeuchterblocks mitgeführte Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit in die Umwelt gelangt.
Ein erfindungsgemäßes Befeuchtungsmodul zum Befeuchten eines Fluids, vorzugsweise zum Befeuchten eines Betriebsfluids einer Brennstoffzelle, besonders bevorzugt in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, umfasst einen Befeuchterblock, in welchem von einem ersten Fluid durchströmbare erste Fluidpfade und von einem zweiten Fluid durchströmbare zweite Fluidpfade vorhanden sind. In dem Befeuchterblock sind die ersten und die zweiten Fluidpfade mittels gasdichter und feuchtigkeitsdurchlässiger Membranen fluidisch voneinander getrennt. Zweckmäßig erlauben die Membranen einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid, ohne dass es zu einer stofflichen Vermischung des ersten und des zweiten Fluides kommt. Das Befeuchtungsmodul umfasst außerdem einen (ersten) Flüssigkeitsabscheider, welcher zum Durchströmen mit dem ersten oder dem zweiten Fluid fluidisch entweder mit den ersten oder den zweiten Fluidpfaden verbunden ist. Vorteilhaft wird somit eine zu hohe Feuchtigkeit bzw. ein zu großer Flüssigkeitsanteil des den Flüssigkeitsabscheiders durchströmenden ersten oder zweiten Fluides vermieden, was - wie zuvor bereits aufgezeigt - einerseits die Wirksamkeit der Membranen gewährleisten oder anderseits dem Umweltschutz dienen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls ist der erste Flüssigkeitsabscheider an einem ersten Endbereich der ersten oder zweiten Fluidpfade fluidisch mit denselben ersten oder zweiten Fluidpfaden verbunden. Das Befeuchtungsmodul weist darüber hinaus einen zweiten Flüssigkeitsabscheider auf, welcher in einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich der mit dem ersten Flüssigkeitsabscheider verbundenen ersten oder zweiten Fluidpfade fluidisch mit diesen ersten oder zweiten Fluidpfaden verbunden ist. Je nach Durchströmungsrichtung fungiert der erste Flüssigkeitsabscheider dabei als Vorabscheider und der zweite Flüssigkeitsabscheider als Nachabscheider oder umgekehrt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass sowohl die Wirksamkeit der Membranen sichergestellt, als auch ein unerwünschtes einbringen von Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit in die Umwelt vermieden oder zumindest vermindert werden kann.
Zweckmäßig umfasst das Befeuchtungsmodul weitere Flüssigkeitsabscheider, welche bevorzugt fluidisch mit den jeweils anderen der ersten und zweiten Fluidpfade verbunden sind, welche nicht bereits mit den ersten und/oder den zweiten Fluidpfaden fluidisch verbunden sind. Vorteilhaft lassen sich somit die Feuchtigkeiten bzw. die Flüssigkeitsanteile sowohl des ersten als auch der zweiten Fluids auf einen optimalen Wert begrenzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls weist zumindest einer der Flüssigkeitsabscheider in seinem Abscheiderinnenraum eine Rippenstruktur auf. Diese Rippenstruktur dient zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem ersten bzw. dem zweiten Fluid. Die Rippenstruktur umfasst eine Mehrzahl zueinander beabstandeter Rippen. An den Rippen wird das den Flüssigkeitsabscheider durchströmende Fluid umgelenkt und in Folge der Massenträgheit der von diesem Fluid mitgeführten Flüssigkeitströpfchen werden besagte Tröpfchen aus dem Fluidstrom abgeschieden. Somit kann mittels einer vergleichsweise einfachen Konstruktion Flüssigkeit aus dem jeweiligen Fluid abgeschieden werden. Hiermit kann vorteilhaft auch unter Kostengesichtspunkten eine geeignete Abscheidung von Flüssigkeit aus dem jeweiligen Fluid zum Schutze der Umwelt oder zum Schutze der Funktionalität der Membranen der Membraneinlagen gewährleistet werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist im Abscheiderinnenraum eines der Flüssigkeitsabscheider eine Düsenplatte mit einer ersten Beschleunigungsöffnung angeordnet. Diese Düsenplatte teilt den Abscheiderinnenraum in zwei Teilräume. Durch die erste Beschleunigungsöffnung der Düsenplatte wird das erste oder das zweite Fluid, je nachdem welches den Flüssigkeitsabscheider durchströmt, beschleunigt und auf eine ebenfalls im Abscheiderinnenraum angeordnete Prallplatte gelenkt. Das beschleunigte erste oder zweite Fluid trifft somit auf die Prallplatte. In Folge der abrupten Richtungsänderung der Strömung des ersten oder zweiten Fluids und in Folge der Massenträgheit von etwaigen in diesem ersten oder zweiten Fluid mitgeführten Flüssigkeitströpfchen werden besagte Tröpfchen aus dem Fluid abgeschieden. Vorteilhaft kann hiermit eine besonders wirksame Flüssigkeitsabscheidung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist die Düsenplatte mit wenigstens einer zweiten Beschleunigungsöffnung ausgeführt. Diese zweite Beschleunigungsöffnung ist mittels eines einstellbaren Verschlusselements zumindest teilweise verschließbar. Die zweite Beschleunigungsöffnung kann somit zu- oder abgeschaltet werden. Durch dieses Zu- oder Abschalten der zweiten Beschleunigungsöffnung ist der den jeweiligen Flüssigkeitsabscheider durchströmende Volumenstrom des ersten oder zweiten Fluids einstellbar. Ebenso ist damit der Abscheidegrad beeinflussbar. Somit lässt sich vorteilhaft sicherstellen, dass eine möglichst optimale Menge an Flüssigkeit aus dem jeweiligen Fluid abgeschieden wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls umfasst zumindest einer der Flüssigkeitsabscheider ein Einschubteil, welches besonders bevorzugt einen Flüssigkeitsablass aufweist. Mittels dieses Einschubteils wird vorteilhaft eine besonders gute Zugänglichkeit des jeweiligen Flüssigkeitsabscheiders bzw. seines Innenraumes beispielsweise zu Wartungszwecken erreicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls sind die Membranen des Befeuchterblocks im Wesentlichen flach ausgebildet und in einem Membranstapel angeordnet. Derartige Membranen bieten eine besonders kostengünstige Möglichkeit zum Aufbau des Befeuchterblocks.
Zweckmäßig weist der Befeuchterblock des Befeuchtungsmoduls mehrere entlang einer Stapelrichtung abwechselnd im Abstand zueinander angeordnete erste und zweite Membraneinlagen auf. Zwei dieser in Stapelrichtung benachbarten Membraneinlagen begrenzen jeweils abwechselnd einen der ersten Fluidpfade und einen der zweiten Fluidpfade, wobei der erste Fluidpfad fluidisch getrennt vom zweiten Fluidpfad angeordnet ist. Der erste Fluidpfad ist so ausgebildet, dass er von einem ersten Fluid durchströmt werden kann. Der zweite Fluidpfad ist so ausgebildet, dass er von einem zweiten Fluid durchströmt werden kann. Die Membraneinlagen umfassen jeweils ein Halteteil, wobei die ersten Membraneinlagen jeweils ein erstes Halteteil und die zweite Membraneinlagen jeweils ein zweites Halteteil aufweisen. An diesem Halteteil einer jeden Membraneinlage ist eine der gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen angeordnet. Durch diese Membran wird jeweils auf der einen Seite besagter Membran der erste Fluidpfad begrenzt und auf der anderen Seite der zweite Fluidpfad. Erster und zweiter Fluidpfad sind also durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran voneinander getrennt. Weist das erste Fluid eine höhere Feuchtigkeit auf als das zweite Fluid, so kann beim Durchströmen des Befeuchtungsmoduls ein Übergang der Feuchtigkeit des ersten Fluids zum Befeuchten des zweiten Fluids durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran hindurch erfolgen. In den Membraneinlagen bzw. im Stapel der Membraneinlagen sind ein erster Fluidverteilerkanal zum Verteilen des ersten Fluids auf die ersten Fluidpfade und ein erster Fluidsammlerkanal zum Sammeln des ersten Fluids nach dem Durchströmen der ersten Fluidpfade ausgebildet. Analog hierzu sind in den Membraneinlagen bzw. im Stapel der Membraneinlagen ein zweiter Fluidverteilerkanal zum Verteilen des zweiten Fluids auf die zweiten Fluidpfade und ein zweiter Fluidsammlerkanal zum Sammeln des zweiten Fluids nach dem Durchströmen der zweiten Fluidpfade ausgebildet. Als vorteilhaft hierbei erweist sich, dass sowohl die Fluidverteiler als auch Sammler ebenso wie die Fluidpfade in den Membraneinlagen bzw. im Stapel der Membraneinlagen angeordnet sind, womit insbesondere die Anzahl an nötigen Bauteilen für das Befeuchtungsmodul und damit auch die zu erwartenden Herstellungskosten reduziert werden.
Zweckmäßig sind die Membraneinlagen des Befeuchterblocks in dem Stapel der Membraneinlagen aneinander fluiddicht angelegt. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass auf ein gesondertes, den Membranstapel einfassendes und diesen gegenüber einer den Befeuchterblock umgebenden äußeren Umgebung abdichtendes Gehäuse vollständig verzichtet werden kann. Selbstverständlich kann ein solches Gehäuse jedoch vorgesehen sein, um den Membranstapel und die typischerweise fragilen Membranen vor äußeren Störeinflüssen zu schützen bzw. die erforderliche Abdichtung der Membraneinlagen gegenüber dieser Umgebung zu verbessern.
Bevorzugt sind in jedem ersten Halteteil zur Ausbildung des ersten Fluidverteilerkanals und zur Ausbildung des ersten Fluidsammlerkanals jeweils zwei erste Durchbrüche vorhanden. Außerdem umfasst jedes erste Halteteil zwei zweite Durchbrüche zur Ausbildung des zweiten Fluidverteilerkanals und zur Ausbildung des zweiten Fluidsammlerkanals. Hiermit ist gemeint, dass die Fluidverteiler- und Fluidsammlerkanäle abschnittsweise je durch die ersten bzw. zweiten Durchbrüche gebildet werden. Die zweiten Halteteile weisen allesamt zur Ausbildung des zweiten Fluidverteilerkanals und zur Ausbildung des zweiten Fluidsammlerkanals jeweils zwei erste Durchbrüche auf. Außerdem sind in jedem zweiten Halteteil zur Ausbildung des ersten Fluidsammlerkanals und des ersten Fluidverteilerkanals jeweils zwei zweite Durchbrüche angeordnet. Somit bilden die ersten und zweiten Durchbrüche der ersten und zweiten Halteteile jeweils Abschnitte der Fluidverteilerkanäle bzw. der Fluidsammlerkanäle. Diese Ausbildung der Membraneinlagen bzw. der Halteteile bietet vorteilhaft eine besonders bauraumsparende Möglichkeit der Gestaltung des Befeuchtungsmoduls, da sämtliche fluidführenden Kavitäten in den Membraneinlagen bzw. dem Stapel der Membraneinlagen ausgebildet sind. Ebenso ergeben sich Kostenvorteile da auf zusätzliche Bauteile, welche die Fluidverteilerkanäle bzw. die Fluidsammlerkanäle beinhalten, verzichtet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchtungsmoduls sind die Membraneinlagen bzw. der Stapel aus Membraneinlagen zwischen einem ersten und einem zweiten Abschlussteil angeordnet. Sowohl das erste als auch das zweite Abschlussteil weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Fluidanschluss für das erste bzw. das zweite Fluid auf. Der erste Fluidanschluss des ersten Abschlussteils ist dabei fluidisch mit dem ersten Fluidverteilerkanal verbunden. Der zweite Fluidanschluss des ersten Abschlussteils ist fluidisch kommunizierend mit dem zweiten Fluidverteilerkanal verbunden. Vice versa ist der erste Fluidanschluss des zweiten Abschlussteils fluidisch kommunizierend mit dem zweiten Fluidsammlerkanal und der zweite Fluidanschluss des zweiten Abschlussteils fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidsammlerkanal verbunden. Die Fluidanschlüsse des ersten oder des zweiten Abschlussteils können vorteilhaft mit gleichen Außendurchmessern bzw. mit genormten Kupplungen ausgestattet sein, wodurch das Befeuchtungsmodul mit vergleichsweise geringem Aufwand in übergeordnete Systeme eingegliedert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sind zumindest zwei in Stapelrichtung benachbarte Membraneinlagen dicht miteinander verbunden. Damit einhergehend sind auch der erste und der zweite Fluidsammlerkanal sowie der erste und der zweite Fluidverteilerkanal gegenüber der äußeren Umgebung des Befeuchtungsmoduls abgedichtet. Vorteilhaft kann hierdurch auf ein gesondertes die Membraneinlagen bzw. den ersten und den zweiten Fluidsammlerkanal sowie den ersten und den zweiten Fluidverteilerkanal abdichtendes Gehäuse verzichtet werden. Aus diesem Verzicht auf ein gesondertes Gehäuse lassen sich direkt Kostenvorteile ableiten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sieht vor, dass zumindest zwei in Stapelrichtung benachbarte Halteteile der jeweiligen Membraneinlagen durch eine Pressverbindung dicht miteinander verbunden sind. Vorteilhaft ist somit kein zusätzliches Dichtmedium, wie beispielsweise ein Klebstoff nötig, um die Halteteile bzw. die Membraneinlagen, welche die Fluidpfade sowie die Fluidsammler und Fluidverteiler beinhalten, gegenüber der Umwelt abzudichten. Außerdem ist eine solche Pressverbindung lösbar, womit vorteilhaft einhergeht, dass die abgedichteten Bauteile gegebenenfalls voneinander getrennt werden können, ohne dass besagte Bauteile zerstört werden müssen. Dies dient einerseits der Kostenersparnis, da erstens auf das Dichtmedium verzichtet werden kann, und zweitens nach einem möglichen Zerlegen des Befeuchtungsmoduls beispielsweise zu Wartungszwecken die Membraneinlagen ohne weiteres wieder verwendbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sind die Membraneinlagen zwischen den beiden Abschlussteilen mittels einer Schraubverbindung verpresst. Die Schraubverbindung ist dabei zwischen den zwei Abschlussteilen ausgebildet. Beispielsweise weisen die Abschlussteile zur Ausbildung dieser Schraubverbindung eine Durchgangsbohrung auf, durch welche eine Gewindestange geführt wird. Die Membraneinlagen können ebenfalls Durchgangsbohrungen aufweisen, welche nach einem zum Abschlussteil deckungsgleichen Lochbild ausgeführt bzw. angeordnet sind. Die Verpresskraft zum Abdichten der Halteteile bzw. der Membraneinlagen bzw. des Befeuchtungsmoduls wird durch konterndes Verschrauben von Schraubenmuttern ausgehend von den beiden Enden der Gewindestangen erreicht. Ebenso ist es möglich, die Schraubverbindung beispielsweise durch den Einsatz einer langen Schraube, welche auf einer Seite einen Schraubenkopf aufweist, dessen Auflagefläche einen größeren Durchmesser aufweist, als der der Durchgangsbohrung. Auf diese Schraube wird dann zum Aufbringen der abdichtenden Verpresskraft nur eine Mutter aufgeschraubt. Ebenso kann eines der Abschlussteile statt einer Durchgangsbohrung eine Gewindebohrung oder ein ein Gewinde umfassendes Insert aufweisen. Dem einschlägigen Fachmann sind vielfältige weitere Möglichkeiten zur Ausbildung einer solchen Schraubverbindung bekannt, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Erläuterung verzichtet wird. Das Erzeugen der Pressverbindung zur Abdichtung der benachbarten Halteteile bzw. Membraneinlagen kann durch den Einsatz einer solchen Schraubverbindung besonders kostengünstig und einfach herstellbar realisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sind die beiden Abschlussteile als Gleichteile ausgebildet. Ebenso können die ersten und zweiten Membraneinlagen als Gleichteile ausgeführt sein. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile, da die Gleichteile jeweils mit gleichen Fertigungsprozessen und auch auf gleichen Fertigungsanlagen bspw. serienmäßig hergestellt werden können.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sind die ersten und die zweiten Fluidpfade des Befeuchtungsmoduls so ausgebildet, dass sie im Betrieb des Befeuchtungsmoduls von dem ersten und dem zweiten Fluid im Kreuzstrom durchströmt sind. Hierunter ist zu verstehen, dass in einer Stapelrichtung betrachtet die Strömungsrichtung des ersten Fluids durch die ersten Fluidpfade eine Strömungsrichtung des zweiten Fluids durch die zweiten Fluidpfade schneidet. Hierdurch wird vorteilhaft ein besonders guter Feuchtigkeitsaustausch zwischen den beiden Fluiden durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls sieht vor, dass das Halteteil zumindest einer Membraneinlage als plattenartiger Halterahmen ausgebildet ist. Besagter plattenartiger Halterahmen weist einen zentralen Durchbruch auf. Dieser zentrale Durchbruch im plattenartigen Halterahmen ist durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran verschlossen. Der zentrale Durchbruch ist lateral zwischen den zwei ersten Durchbrüchen angeordnet. Hierbei sind die zwei ersten Durchbrüche entlang einer ersten Querrichtung im Abstand zueinander angeordnet. Diese erste Querrichtung verläuft orthogonal zur Stapelrichtung. Durch die plattenartige Ausbildung des Halterahmens des Halteteils einer Membraneinlage ergibt sich eine besonders gute Stapelfähigkeit der Membraneinlagen, wodurch diese auch besonders gut mittels der bereits beschriebenen Pressverbindung dicht verbunden werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist dieser zentrale Durchbruch lateral zwischen den zwei zweiten Durchbrüchen angeordnet. Die zwei zweiten Durchbrüche sind entlang einer zweiten Querrichtung im Abstand zueinander angeordnet. Die zweite Querrichtung verläuft ebenfalls orthogonal, nicht jedoch kongruent zur ersten Querrichtung, zur Stapelrichtung. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran auf einer möglichst großen wirksamen Länge überströmt wird. Somit kann der Feuchtigkeitsaustausch durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran besonders gut realisiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Durchbrüche im Halteteil jeweils mittels eines ersten Verbindungsabschnitts fluidisch mit dem zentralen Durchbruch kommunizierend verbunden. Ebenso können die beiden zweiten Durchbrüche jeweils mittels eines Verbindungsabschnitts fluidisch mit dem zentralen Durchbruch kommunizierend verbunden sein. Durch diese Verbindungsabschnitte kann besonders einfach ein Verteilen des ersten bzw. des zweiten Fluids auf die ersten bzw. zweiten Fluidpfade erfolgen, ebenso wie ein Sammeln des ersten bzw. zweiten Fluids aus den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden, nachdem die Fluidpfade von den Fluiden durchströmt wurden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls sind die beiden ersten Verbindungsabschnitte zu einer Oberseite des Halteteils hin offen ausgebildet. Analog können die beiden zweiten Verbindungsabschnitte zu einer Unterseite des Halteteils hin offen ausgebildet sein. Diese Ausführung der Verbindungsabschnitte bzw. der Halteteile ist unter besonders geringem Aufwand herstellbar, womit Fertigungskostenvorteile einhergehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls weisen eine Dichtfläche des ersten Abschlussteils sowie eine Dichtfläche des zweiten Abschlussteils und ein in Stapelrichtung gesehener Querschnitt zumindest einer der Membraneinlagen einen im Wesentlichen gleichen äußeren Umriss auf. Besonders bevorzugt weisen alle Membraneinlagen einen solchen in Stapelrichtung betrachtet im Wesentlichen gleichen äußeren Umriss auf. Vorteilhaft kann somit eine besonders kompakte äußere Form des Befeuchtungsmoduls erreicht werden, womit dieses besonders gut und bauraumsparend in ein übergeordnetes System eingegliedert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist dieser Umriss achsen- oder punktsymmetrisch. Damit wird vorteilhaft sichergestellt, dass die Kraft, welche durch die Schraubverbindung zum abdichtenden Verpressen der Membraneinlagen zwischen den Abschlussteilen aufgebracht wird, möglichst gleichmäßig auf alle Membraneinlagen sowie die Abschlussteile bzw. deren Dichtflächen verteilt wird. Ebenso können damit als Gleichteile ausgeführte Membraneinlagen so gegeneinander verdreht im Stapel angeordnet werden, dass sie je nach ihrer Ausrichtung entweder eine erste Membraneinlage oder eine zweite Membraneinlage bilden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls weist das erste Abschlussteil einen zumindest teilweise verschließbaren Bypass-Fluidkanal auf. Dieser Bypass-Fluidkanal ist mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung zumindest teilweise verschließbar. Der Bypass-Fluidkanal verbindet entweder den ersten oder den zweiten Fluidanschluss des ersten Abschlussteils mit dem ersten oder dem zweiten Fluidsammlerkanal an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden vorbei fluidisch kommunizierend. Ebenso kann das zweite Abschlussteil einen solchen Bypass-Fluidkanal mit einer verstellbaren Ventileinrichtung, welche besagten Bypass-Fluidkanal zumindest teilweise verschließen kann, umfassen. Dieser Bypass-Fluidkanal des zweiten Abschlussteils verbindet entweder den ersten oder den zweiten Fluidanschluss des zweiten Abschlussteils an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden vorbei mit entweder dem ersten oder dem zweiten Fluidverteilerkanal fluidisch kommunizierend. Der Bypass-Fluidkanal des ersten Abschlussteils bzw. der Bypass-Fluidkanal des zweiten Abschlussteils dient also zum Überbrücken der ersten bzw. zweiten Fluidpfade. Für den Fall, dass die verstellbare Ventileinrichtung geöffnet ist, unterbleibt somit ein Durchströmen der Fluidpfade und damit auch ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid. Als Vorteil ergibt sich hieraus, dass der Grad der Befeuchtung eines des ersten oder des zweiten Fluids, je nach dem welches das zu befeuchtende Fluid ist, durch das zumindest teilweise Verschließen des jeweiligen Bypass-Fluidkanals mittels der verstellbaren Ventileinrichtung einstellbar ist. Das Einstellen der Ventileinrichtung kann während des Betriebs des Befeuchtungsmoduls und stufenlos erfolgen. Hiermit kann sichergestellt werden, dass das zu befeuchtende Fluid stets einen optimalen Feuchtigkeitsgrad aufweist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist zwischen der Dichtfläche eines des ersten oder des zweiten Abschlussteils sowie der demselben ersten oder zweiten Abschlussteil zugewandten Ober- oder Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage ein erster Flüssigkeitsabscheider angeordnet. Dieser erste Flüssigkeitsabscheider weist einen Abscheiderinnenraum auf, welcher den ersten Fluidanschluss des ersten oder zweiten Abschlussteils fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidverteilerkanal verbindet. Der erste Flüssigkeitsabscheider kann auch integraler Bestandteil des jeweiligen ersten oder zweiten Abschlussteils sein. Zwischen der Dichtfläche des jeweiligen anderen des ersten oder zweiten Abschlussteils sowie der demselben anderen ersten oder zweiten Abschlussteil zugewandten Ober- oder Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage kann ein zweiter Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein. Dieser zweite Flüssigkeitsabscheider weist einen Abscheiderinnenraum auf, welcher den zweiten Fluidanschluss dieses anderen des ersten oder zweiten Abschlussteils kommunizierend mit dem ersten Fluidsammlerkanal verbindet. Der zweite Flüssigkeitsabscheider kann auch integraler Bestandteil dieses anderen des ersten oder des zweiten Abschlussteils sein. Vorteilhaft kann so verhindert werden, dass zu große Flüssigkeitstropfen mit dem feuchten Fluid in die ersten bzw. zweiten Fluidpfade gelangt und dort die Membranen der Membraneinlagen benetzten, wodurch deren Wirksamkeit beeinträchtigt würde. Mittels des ersten Flüssigkeitsabscheiders kann somit sichergestellt werden, dass die Funktion des Befeuchtungsmoduls auch dann sichergestellt ist, wenn das feuchte Fluid Flüssigkeit mit einer zu großen Tröpfchengröße mit sich führt. Der zweite Flüssigkeitsabscheider dient vorteilhaft dazu, dass vor dem Austritt des feuchten Fluids die von diesem Fluid mitgeführte Flüssigkeit abgeschieden werden kann. Somit wird verhindert, dass in unerwünschter Weise Flüssigkeit in die Umgebung gelangt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls sind die in dem Befeuchterblock des Befeuchtungsmoduls angeordneten gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen als Hohlfasermembranen ausgebildet. Solche Hohlfasermembranen ermöglichen einen besonders wirksamen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid.
Zweckmäßig fassen die als Hohlfasermembranen ausgebildeten und feuchtigkeitsdurchlässigen sowie gasdichten Membranen des Befeuchterblocks jeweils einen Hohlraum ein. Dabei bilden die Hohlräume der Membranen jeweils einen der ersten Fluidpfade. Die Hohlräume der Hohlfasermembranen sind also entlang der ersten Fluidpfade von dem ersten Fluid durchströmbar. An den Hohlräumen jeweils abgewandten Außenseiten der Hohlfasermembranen begrenzen die Hohlfasermembranen die zweiten Fluidpfade. Dies bedeutet, dass die zweiten Fluidpfade durch zwischen den Hohlfasermembranen vorhandene Zwischenräume festgelegt sind. Beim durchströmen der zweiten Fluidpfade werden somit die Außenseiten der Hohlfasermembranen von dem zweiten Fluid umströmt. Dies bietet vorteilhaft eine konstruktiv besonders einfach umzusetzende Möglichkeit, die ersten und die zweiten Fluidpfade in dem Befeuchterblock des Befeuchtungsmoduls mittels der Hohlfasermembranen fluidisch voneinander zu trennen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls erstrecken sich die Hohlfasermembranen des Befeuchterblocks entlang einer gemeinsamen Längsrichtung und sind im Wesentlichen parallel und zueinander in einem Abstand angeordnet. Vorteilhaft ergibt sich hieraus eine besonders gleichmäßige Anordnung der Hohlfasermembranen, was sich auf Grund der damit einhergehenden besonders gleichmäßigen Ausbildung der zweiten Fluidpfade positiv auf die Wirksamkeit des Befeuchtungsmoduls auswirkt.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls sieht vor, dass der Befeuchterblock des Befeuchtungsmoduls ein Gehäuse aufweist, welches sich einen Gehäuseinnenraum begrenzend in Längsrichtung erstreckt. Der Gehäuseinnenraum umfasst einen Mittelraum sowie einen Fluidverteilerraum und einen Fluidsammlerraum. Dabei ist der Mittelraum des Gehäuseinnenraums mittels zweier einander in Längsrichtung gegenüberliegender Dichtplatten von dem Fluidverteilerraum des Gehäuseinnenraums und dem Fluidsammlerraum des Gehäuseinnenraums fluidisch abgetrennt. Dies bedeutet, dass der Mittelraum des Gehäuseinnenraums in Längsrichtung zwischen dem Fluidsammlerraum des Gehäuseinnenraums und dem Fluidverteilerraum des Gehäuseinnenraums angeordnet ist. Die Hohlfasermembranen weisen jeweils zwei Endabschnitte auf, welche einander in Längsrichtung gegenüberliegen und welche je in einen zwischen den Endabschnitten angeordneten Mittenbereich der betreffenden Hohlfasermembranen übergehen. Die Hohlfasermembranen sind in dem Gehäuseinnenraum derart angeordnet, dass der Mittenbereich der Hohlfasermembranen die zweiten Fluidpfade an den Außenseiten der Hohlfasermembranen begrenzend in dem Mittelraum des Gehäuseinnenraums vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die zweiten Fluidpfade in dem Mittelraum des Gehäuseinnenraums vorhanden sind. Zweckmäßig begrenzen das Gehäuse sowie die beiden Dichtplatten und die Außenseiten der Hohlfasermembranen die zweiten Fluidpfade fluiddicht. Die beiden Endabschnitte je einer der Hohlfasermembranen durchstoßen dabei je eine der Dichtplatten, so dass der Fluidverteilerraum und der Fluidsammlerraum über die Hohlräume der Hohlfasermembranen, welche die ersten Fluidpfade bilden, fluidisch miteinander verbunden sind. Das erste Fluid kann also mittels des Fluidverteilerraums auf die die ersten Fluidpfade bildenden Hohlräume der Hohlfasermembranen verteilt und nach dem Durchströmen der ersten Fluidpfade mittels des Fluidsammlerraums wieder gesammelt werden. Der Feuchtigkeitsaustausch durch die feuchtigkeitsdurchlässigen und gasdichten Hohlfasermembranen erfolgt dabei zweckmäßig in dem Mittenbereich des Gehäuseinnenraums. Ein derartiger Aufbau des Befeuchterblocks des Befeuchtungsmoduls erlaubt einen besonders effizienten Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Befeuchtungsmoduls ist auf der Membran einer Membraneinlage eine Abstandshalteeinrichtung angebracht. Diese Abstandshalteeinrichtung stellt sicher, dass die Membran auch im Betrieb des Befeuchtungsmoduls in ihrer Lage fixiert ist. Die Membran sowie die Abstandshalteeinrichtung dieser Membraneinlage können fest mit dem Halteteil verbunden sein. Besonders bevorzugt wird diese feste Verbindung durch ein Siebdruckverfahren oder durch Hochfrequenzschweißen erreicht. Vorteilhaft wird hierbei durch die Abstandshalteeinrichtung die Position der typischerweise biegeschlaffen Membran auch im Betrieb des Befeuchtungsmoduls sichergestellt. Somit wird vermieden, dass beispielsweise die Membran, welche mit der Abstandshalteeinrichtung versehen ist, im Kontakt mit der Membran der nächstgelegenen Membraneinlage kommt. Ein solcher Kontakt würde einerseits möglicherweise die Membranen beschädigen und andererseits die wirksame Fläche zum Feuchtigkeitsaustausch über die Membran vermindern.
Der Rahmen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich außerdem auf eine Membraneinlage für ein Befeuchtungsmodul, vorzugsweise für ein Befeuchtungsmodul wie bereits vorangehend beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Membraneinlage umfasst demnach ein Halteteil, an welchem eine gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet ist. Außerdem weist das Halteteil zwei erste Durchbrüche sowie zwei zweite Durchbrüche auf. Das Halteteil ist als plattenartiger Halterrahmen ausgebildet, welcher einen zentralen Durchbruch aufweist. Die Membran verschließt besagten zentralen Durchbruch gasdicht und feuchtigkeitsdurchlässig. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Membraneinlage kann das Halteteil auf Grund seiner plattenförmigen Gestalt besonders kostengünstig hergestellt werden, da auf verbreitete Halbzeuge zurückgegriffen werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Membraneinlage sieht vor, dass der zentrale Durchbruch lateral zwischen den zwei ersten Durchbrüchen angeordnet ist. Diese beiden ersten Durchbrüche sind zum zentralen Durchbruch beabstandet. Die zwei ersten Durchbrüche und der zentrale Durchbruch sind entlang einer ersten Querrichtung des plattenförmigen Halteteils angeordnet. Analog ist der zentrale Durchbruch lateral zwischen den zwei zweiten Durchbrüchen angeordnet. Die zwei zweiten Durchbrüche sind zum zentralen Durchbruch beabstandet angeordnet. Die zwei zweiten Durchbrüche sowie der zentrale Durchbruch sind entlang einer zweiten Querrichtung des plattenförmigen Halteteils angeordnet. Durch die plattenartige Ausbildung des Halterahmens des Halteteils einer Membraneinlage ergibt sich eine besonders gute Stapelfähigkeit der Membraneinlagen, wodurch diese auch besonders gut mittels der bereits beschriebenen Pressverbindung dicht verbunden werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Membraneinlage verläuft die erste Querrichtung orthogonal zur zweiten Querrichtung. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran auf einer möglichst großen wirksamen Länge überströmt wird. Somit kann der Feuchtigkeitsaustausch durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran besonders gut realisiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Membraneinlage sind die beiden ersten Durchbrüche im Halteteil jeweils mittels eines Verbindungsabschnitts fluidisch mit dem zentralen Durchbruch kommunizierend verbunden. Ebenso können die beiden zweiten Durchbrüche jeweils mittels eines zweiten Verbindungsabschnitts fluidisch mit dem zentralen Durchbruch kommunizierend verbunden sein. Durch diese Verbindungsabschnitte kann besonders einfach ein Verteilen des ersten bzw. des zweiten Fluids zum Überströmen der Membran einer Membraneinlage erfolgen, ebenso wie ein Sammeln des ersten bzw. zweiten Fluids, nachdem die Membran von den Fluiden überströmt wurde.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Membraneinlage sieht vor, dass die ersten Verbindungsabschnitte jeweils zur Oberseite des Halteteils hin offen ausgebildet sind. Analog können die beiden zweiten Verbindungsabschnitte zur Unterseite des Halteteils hin offen ausgebildet sein. Diese Ausführung der Verbindungsabschnitte bzw. der Halteteile ist unter besonders geringem Aufwand herstellbar, womit Fertigungskostenvorteile einhergehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der Membran einer Membraneinlage eine Abstandhaltevorrichtung angebracht. Die Membran bzw. die Abstandshalteeinrichtung ist fest mit dem Halteteil verbunden. Diese feste Verbindung der Membran bzw. der Abstandhalteeinrichtung mit dem Halteteil wird bevorzugt durch ein Siebdruckverfahren oder durch Hochfrequenzschweißen erreicht. Vorteilhaft wird hierbei durch die Abstandshalteeinrichtung die Position der typischerweise biegeschlaffen Membran auch im Betrieb des Befeuchtungsmoduls sichergestellt. Somit wird vermieden, dass beispielsweise die Membran, welche mit der Abstandshalteeinrichtung versehen ist, im Kontakt mit der Membran der nächstgelegenen Membraneinlage kommt. Ein solcher Kontakt würde einerseits möglicherweise die Membranen beschädigen und andererseits die wirksame Fläche zum Feuchtigkeitsaustausch über die Membran vermindern.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Befeuchtungsmoduls,
2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Befeuchtungsmoduls entlang einer Stapelrichtung von Membraneinlagen eines solchen Befeuchtungsmoduls,
3 ein Beispiel einer Membraneinlage eines erfindungsgemäßen Befeuchtungsmoduls,
4a bis 4c weitere beispielhafte Ausführungsformen der Membraneinlagen,
5a und 5b Beispiele eines Abschlussteils der Befeuchtungsmodul,
6 eine beispielhafte Variante des Befeuchtungsmoduls mit zwei Feuchtigkeitsabscheidern,
7 beispielhaft einen Schnitt eines erfindungsgemäßes Befeuchtungsmodul mit Hohlfasermembranen,
8 beispielhaft eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Befeuchtungsmodul.

Die 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Befeuchtungsmodul 1 zum Befeuchten eines Fluids 2. Das Befeuchtungsmodul 1 umfasst einen Befeuchterblock 23 mit mehreren Membraneinlagen 4. Die Membraneinlagen 4 weisen jeweils ein Halteteil 6 auf. An den Halteteilen 6 der Membraneinlagen 4 ist jeweils eine gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran 7 angeordnet. Bei den Membraneinlagen 4 ist zwischen ersten Membraneinlagen 4a mit jeweils einem ersten Halteteil 6a und zweiten Membraneinlagen 4b mit jeweils einem zweiten Halteteil 6b zu unterscheiden, welche entlang einer Stapelrichtung 3 im Abstand zueinander abwechselnd angeordnet sind. Im Beispiel der 1 sind die ersten Membraneinlagen 4a mit den ersten Halteteilen 6a und die zweiten Membraneinlagen 4b mit den zweiten Halteteilen 6b allesamt als Gleichteile ausgeführt. Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Ausrichtung relativ zueinander, wonach die ersten Membraneinlagen 4a mit den ersten Halteteilen 6a um 90 Grad gegenüber den zweiten Membraneinlagen 4b mit den zweiten Halteteilen 6b verdreht angeordnet sind. Zwei in der Stapelrichtung 3 benachbarte Membraneinlagen 4a und 4b begrenzen abwechselnd jeweils einen ersten Fluidpfad 5a zum Durchströmen mit einem ersten Fluid 2a und einen zweiten Fluidpfad 5b zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid 2b. Die gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 7 der Membraneinlagen 4 trennen im Befeuchterblock 23 des Befeuchtungsmoduls 1 die ersten Fluidpfade 5a von den in der Stapelrichtung 3 benachbarten zweiten Fluidpfaden 5b. Strömen nun das erste Fluid 2a und das zweite Fluid 2b durch die fluidisch voneinander getrennten Fluidpfade 5a und 5b, so kann durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran 7 ein Feuchtigkeitsausgleich zwischen den beiden Fluiden 2a und 2b erfolgen, ohne dass es zu einer stofflichen Vermischung der beiden Fluide 2a und 2b kommt. Das eine geringere Feuchtigkeit aufweisende der Fluide 2a und 2b wird demnach durch Aufnahme der durch die gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran 7 getretenen Feuchtigkeit des anderen der Fluide 2a und 2b befeuchtet. Hierbei sind die ersten Fluidpfade 5a und die zweiten Fluidpfade 5b des Befeuchtungsmoduls 1 so ausgebildet, dass sie im Betrieb des Befeuchtungsmoduls 1 von dem ersten Fluid 2a und dem zweiten Fluid 2b im Kreuzstrom durchströmt sind.
In der 1 sind die sich kreuzenden Strömungsrichtungen der beiden Fluide 2a und 2b mit Fließpfeilen veranschaulicht. In jeder Membraneinlage 4 ist ein erster Fluidverteilerkanal 8a zum Verteilen des ersten Fluids 2a auf die ersten Fluidpfade 5a ausgebildet. Ebenso ist ein erster Fluidsammlerkanal 9a zum Sammeln des ersten Fluids 2a nach dem Durchströmen der ersten Fluidpfade 5a in den Membraneinlagen 4 ausgebildet. Zum Verteilen des zweiten Fluids 2b ist in den Membraneinlagen 4 außerdem ein zweiter Fluidverteilerkanal 8b zum Verteilen des zweiten Fluids 2b auf die zweiten Fluidpfade 5b vorhanden. Ein zweiter Fluidsammlerkanal 9b zum Sammeln des zweiten Fluids 2b nach dem Durchströmen der zweiten Fluidpfade 5b ist ebenfalls in den Membraneinlagen 4 angeordnet. Zweckmäßig weist jedes erste Halteteile 6a zwei erste Durchbrüche 10 und zwei zweite Durchbrüche 11 auf. Jedes zweite Halteteile 6b umfasst ebenfalls zwei erste Durchbrüche 10 und zwei zweite Durchbrüche 11. Wie im folgenden Abschnitt näher beschrieben, bilden die ersten und zweiten Durchbrüche 10 und 11 im Befeuchterblock 23 des Befeuchtungsmoduls 1 jeweils Teilabschnitte des ersten und des zweiten Fluidverteilerkanals 8a und 8b sowie des ersten und des zweiten Fluidsammlerkanals 9a und 9b.
Wie in 2 erkennbar sind im Befeuchterblock 23 des Befeuchtungsmoduls 1 der erste Fluidverteilerkanal 8a und der erste Fluidsammlerkanal 9a durch die beiden ersten Durchbrüche 10 der ersten Halteteile 6a und den beiden zweiten Durchbrüchen 11 der zweiten Halteteile 6b gebildet. Analog sind der zweite Fluidverteilerkanal 8b und der zweite Fluidsammlerkanal 9b durch die beiden zweiten Durchbrüche 11 der ersten Halteteile 6a und die beiden ersten Durchbrüche 10 der zweiten Halteteile 6b gebildet. Die Membraneinlagen 4 sind zwischen einem ersten Abschlussteil 13a und einem zweiten Abschlussteil 13b angeordnet. Jedes der Abschlussteile 13 weist dabei einen ersten Fluidanschluss 14a und einen zweiten Fluidanschluss 14b auf. Der erste Fluidanschluss 14a des ersten Abschlussteils 13a kommuniziert im Befeuchtungsmodul 1 fluidisch mit dem ersten Fluidverteilerkanal 8a. Der zweite Fluidanschluss 14b des ersten Abschlussteils 13a ist fluidisch kommunizierend mit dem zweiten Fluidverteilerkanal 8b verbunden. Der erste Fluidanschluss 14a des zweiten Abschlussteils 13b kommuniziert im Befeuchtungsmodul 1 fluidisch mit dem zweiten Fluidsammlerkanal 9b. Der zweite Fluidanschluss 14b des zweiten Abschlussteils 13b ist fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidsammlerkanal 9a verbunden. Gemäß einer Variante des Befeuchtungsmoduls 1 sind zumindest zwei in der Stapelrichtung 3 benachbarte Membraneinlagen 4 dicht miteinander verbunden. Hierdurch sind der erste und zweite Fluidsammlerkanal 9a und 9b sowie erste und der zweite Fluidverteilerkanal 8a und 8b gegenüber der äußeren Umgebung des Befeuchtungsmoduls 1 abgedichtet. In einer Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls 1 können zwei in der Stapelrichtung 3 benachbarte Membraneinlagen 4 mittels einer Pressverbindung dicht miteinander verbunden sein. Die Pressverbindung ist zweckmäßig mittels einer Schraubverbindung erzeugt, welche die beiden Abschlussteile 13a und 13b verbindet und die Membraneinlagen 4 zwischen den Abschlussteilen 13a und 13b verpresst. In 1 ist diese Schraubverbindung beispielhaft mit Gewindestangen 29 realisiert, welche durch hierfür vorgesehen Durchgangsbohrungen in den beiden Abschlussteilen 13 und den Membraneinlagen 4 aufgenommen sind. Durch konterndes Aufschrauben von Muttern 28 auf die Enden der in besagten Durchgangsbohrungen aufgenommenen Gewindestangen 29 werden die Membraneinlagen 4 zwischen den beiden Abschlussteilen 13a und 13b verpresst. Selbstredend sind alternativ dazu auch andere Möglichkeiten denkbar, die Schraubverbindung fachmännisch auszuführen. Gemäß einer Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls 1 sind die beiden Abschlussteile 13 als Gleichteile ausgeführt. Außerdem können auch die Membraneinlagen 4 durch Gleichteile gebildet sein. Das Halteteil 6 einer Membraneinlage 4 ist im in der 1 veranschaulichten Beispiel als plattenartiger Halterahmen ausgeführt.
Dieser Halterahmen weist, wie zusätzlich anhand 3 nachvollziehbar ist, einen zentralen Durchbruch 15 auf. Der zentrale Durchbruch 15 ist mit der Membran 7 gasdicht und feuchtigkeitsdurchlässig verschlossen. Der zentrale Durchbruch 15 ist lateral zwischen den beiden ersten Durchbrüchen 10 angeordnet. Die zwei ersten Durchbrüche 10 sind hierbei entlang einer ersten Querrichtung 30a des plattenförmigen Halteteils 6 im Abstand zueinander und im Abstand zu dem zentralen Durchbruch 15 angeordnet. Die erste Querrichtung 30a verläuft orthogonal zur Stapelrichtung 3. Der zentrale Durchbruch 15 des als plattenartiger Halterahmen ausgeführten Halteteils 6 ist darüber hinaus lateral zwischen den beiden zweiten Durchbrüchen 11 angeordnet. Die zwei zweiten Durchbrüche 11 sind hierbei entlang einer zweiten Querrichtung 30b des plattenförmigen Halteteils 6 im Abstand zueinander und im Abstand zu dem zentralen Durchbruch 15 angeordnet. Die erste Querrichtung 30b verläuft orthogonal zur Stapelrichtung 3. In einer Variante des Befeuchtungsmoduls 1 verlaufen die erste Querrichtung 30a und die zweite Querrichtung 30b orthogonal zueinander. Beide der ersten zwei Durchbrüche 10 im Halteteil 6 sind über je einen ersten Verbindungsabschnitt 16 mit dem zentralen Durchbruch 15 fluidisch kommunizierend verbunden. Auch die beiden zweiten Durchbrüche 11 können jeweils über einen zweiten Verbindungsabschnitt fluidisch kommunizierend mit dem zentralen Durchbruch 15 verbunden sein, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Die beiden ersten Verbindungsabschnitte 16 sind zu einer Oberseite des als plattenartiger Halterahmen ausgeführten Halteteils 6 hin offen ausgebildet. Die beiden zweiten Verbindungsabschnitte können zu einer Unterseite des als plattenartiger Halterahmen ausgeführten Halteteils 6 hin offen ausgebildet sein, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Das erste Abschlussteil 13a und das zweite Abschlussteil 13b weisen je eine Dichtfläche 17 auf. Diese Dichtflächen 17 und der Querschnitt mindestens einer Membraneinlage 4 in der Stapelrichtung 3 betrachtet sind mit einem im Wesentlichen gleichen Umriss ausgeführt.
In den 1, 2 und 6 sind sämtliche Membraneinlagen 4 mit einem untereinander deckungsgleichen und im Wesentlichen in der Stapelrichtung 3 betrachtet gleichen Umriss wie jener der Dichtflächen 17 der beiden Abschlussteile 13a und 13b realisiert. Zweckmäßig ist dieser im Wesentlichen gleiche Umriss der Dichtflächen 17 der Abschlussteile 13 und des in Stapelrichtung 3 gesehenen Querschnitts der Membraneinlage 4 achsen- oder punktsymmetrisch. Damit ergeben sich unter anderen die in der 3 und 4a bis 4c dargestellten Gestaltungsmöglichkeiten der Membraneinlage 4. Es versteht sich, dass dem Fachmann eine Vielfalt weiterer Formen bekannt sind, mit welchen der Querschnitt der Membraneinlage 4 in Stapelrichtung 3 betrachtet sowie die Dichtflächen 17 der Abschlussteile 13a und 13b ausgeführt werden können.
In einer Variante des Befeuchtungsmoduls 1 weist das erste Abschlussteil 13a, wie in den 5a und 5b gezeigt, einen Bypass-Fluidkanal 19 auf. Der Bypass-Fluidkanal 19 ist mit einer verstellbaren Ventileinrichtung 18 zumindest teilweise verschließbar. Der Bypass-Fluidkanal 19 verbindet den ersten bzw. zweiten Fluidanschluss 14a bzw. 14b des ersten Abschlussteils 13a fluidisch kommunizierend an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden 5a bzw. 5b vorbei mit dem ersten bzw. zweiten Fluidsammlerkanal 9a bzw. 9b. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ auch das zweite Abschlussteil 13b einen solchen mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung 18 zumindest teilweise verschließbaren Bypass-Fluidkanal 19 umfassen. Dieser Bypass-Fluidkanal 19 verbindet dann den ersten bzw. zweiten Fluidanschluss 14a bzw. 14b des zweiten Abschlussteils 13b an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden 5a bzw. 5b vorbei fluidisch kommunizierend mit dem ersten bzw. zweiten Fluidverteilerkanal 8a bzw. 8b.
In 6 ist eine Weiterbildung des Befeuchtungsmoduls 1 beispielhaft dargestellt, welche vorsieht, dass das Befeuchtungsmodul 1 einen zusätzlichen ersten Flüssigkeitsabscheider 20a umfasst. Dieser erste Flüssigkeitsabscheider 20a, welcher als Vorabscheider zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem ersten bzw. zweiten Fluid 2a bzw. 2b eingesetzt werden kann, ist zwischen der Dichtfläche 17 des entweder ersten oder zweiten Abschlussteils 13a oder 13b und der demselben Abschlussteil 13a oder 13b zugewandten Ober- bzw. Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage 4 angeordnet. Der erste Flüssigkeitsabscheider 20a weist einen Abscheider-Innenraum 21 auf. Der Abscheider-Innenraum 21 des ersten Flüssigkeitsabscheiders 20a verbindet den ersten Fluidanschluss 14a des jeweiligen ersten oder zweiten Abschlussteils 13a bzw. 13b, zu welchem der erste Flüssigkeitsabscheider 20a benachbart angeordnet ist, fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidverteilerkanal 8a. Der erste Flüssigkeitsabscheider 20a kann auch in das jeweilige Abschlussteil 13a oder 13b integriert sein. Zusätzlich zum ersten Flüssigkeitsabscheider 20a kann das Befeuchtungsmodul, wie in 6 veranschaulicht, einen zweiten Flüssigkeitsabscheider 20b umfassen. Dieser kann in dem Fall, dass der erste Flüssigkeitsabscheider 20a die Funktion eines Vorabscheiders erfüllt, zur Endabscheidung von in dem ersten bzw. zweiten Fluid 2a bzw. 2b vorhandener Flüssigkeit eingesetzt werden. Der zweite Flüssigkeitsabscheider 20b ist zwischen der Dichtfläche 17 des jeweils anderen des ersten oder zweiten Abschlussteils 13a oder 13b und der demselben jeweiligen anderen des ersten oder zweiten Abschlussteil 13a oder 13b zugewandten Ober- bzw. Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage 4 angeordnet. Der zweite Flüssigkeitsabscheider 20b weist einen Abscheider-Innenraum 21 auf. Der Abscheider-Innenraum 21 des zweiten Flüssigkeitsabscheiders 20b verbindet den zweiten Fluidanschluss 14b des jeweiligen Abschlussteils 13a bzw. 13b zu welchem der zweite Flüssigkeitsabscheider 20b benachbart angeordnet ist, fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidsammlerkanal 9a. Der zweite Flüssigkeitsabscheider 20b kann auch im besagten Abschlussteil 13a oder 13b integriert sein. Einer der Flüssigkeitsabscheider 20a bzw. 20b kann in seinem Abscheider-Innenraum 21 eine Rippenstruktur 22 zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem ersten bzw. zweiten Fluid 2a bzw. 2b aufweisen, wie in 6 für den ersten Flüssigkeitsabscheider 20a exemplarisch gezeigt. Die Rippenstruktur 22 umfasst eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Rippen. Im Beispiel der 6 sind diese Rippen der Rippenstruktur 22 zueinander parallel verlaufend und quer zu einer Strömungsrichtung des ersten bzw. zweiten Fluids 2a bzw. 2b angeordnet. Diese Strömungsrichtung ist mittels Fließpfeilen verdeutlicht. Es versteht sich, dass auch weitere Anordnungsmöglichkeiten der Rippen möglich sind, so beispielsweise nicht parallel zueinander verlaufend bzw. winklig zur Strömungsrichtung angeordnet. Einer der Flüssigkeitsabscheider 20a oder 20b kann in seinem Abscheider-Innenraum 21 eine Düsenplatte 24 aufweisen, welche den Abscheider-Innenraum 21 teilt. Die Düsenplatte 24 weist wenigstens eine erste Beschleunigungsöffnung auf, durch welche das erste bzw. zweite Fluid 2a bzw. 2b beschleunigt wird. Außerdem umfasst besagter Flüssigkeitsabscheider 20a oder 20b in seinem Abscheider-Innenraum 21 eine Prallplatte 26, welche im Abstand zur Düsenplatte 24 so angeordnet ist, dass das beschleunigte erste bzw. zweite Fluid 2a bzw. 2b im Betrieb des Befeuchtungsmoduls 1 auf dieser Prallplatte 26 auftrifft. Die Düsenplatte 24 kann zusätzlich wenigstens eine zweite Beschleunigungsöffnung umfassen, welche mit einem einstellbaren Verschlusselement zumindest teilweise verschließbar ist. Eine solche zweite Beschleunigungsöffnung mit einem solchen einstellbaren Verschlusselement ist in den Figuren nicht gezeigt. Zweckmäßig weist zumindest einer der Flüssigkeitsabscheider 20a oder 20b ein Einschubteil 31 auf. Das Einschubteil 31 kann einen Flüssigkeitsablass 32 aufweisen. In einer Variante des Befeuchtungsmoduls 1 ist auf der Membran 7 zumindest einer der Membraneinlagen 4 eine Abstandhalteeinrichtung 33 angebracht. Diese Abstandhalteeinrichtung 33 stellt stabilisierend sicher, dass die Membran 7 im Betrieb des Befeuchtungsmoduls 1 in ihrer Position verbleibt. Die Abstandhalteeinrichtung 33 und/ oder die Membran 7 können fest mit dem Halteteil 6 besagter Membraneinlage 4 verbunden sein. Die feste Verbindung der Abstandhalteeinrichtung 33 und/ oder der Membran 7 mit dem Halteteil 6 kann durch ein Siebdruckverfahren oder Hochfrequenzschweißen erreicht sein.
Entsprechend 7, welche in einem Schnitt ein erfindungsgemäßes Befeuchtungsmodul 1 mit einem gegenüber der vorstehenden Beschreibung alternativen Bauform des Befeuchterblocks 23 zeigt, können die in dem Befeuchterblock 23 vorhandenen gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 7 als Hohlfasermembranen 34 ausgebildet sein. Die Hohlfasermembranen 34 können jeweils einen Hohlraum 25 einfassen. Die Hohlräume 35 können je einen der ersten Fluidpfade 5a bilden bzw. begrenzen. die Hohlräume 35 können demnach entlang der ersten Fluidpfade 5a von dem ersten Fluid 2a durchströmt werden. Die Hohlfasermembranen 34 können jeweils an ihren Außenseiten 36, welche von den Hohlräumen 35 abgewandt sind, die zweiten Fluidpfade 5b begrenzen. Dies bedeutet, dass die zweiten Fluidpfade 5b durch Zwischenräume zwischen den Hohlfasermembranen 34 gebildet sein können. Die zweiten Fluidpfade 5b können also von dem zweiten Fluid 2b derart durchströmbar sein, dass das zweite Fluid 2b entlang der zweiten Fluidpfade 5b durch die zwischen den Hohlfasermembranen 34 vorhandenen Zwischenräume strömt und dabei die Außenseiten 36 der Hohlfasermembranen 34 überströmt. Die Hohlfasermembranen 34 können sich entlang einer gemeinsamen Längsrichtung 25 erstrecken. Die Hohlfasermembranen 34 können im Wesentlichen parallel zueinander im Abstand angeordnet sein. Die Hohlfasermembranen 34 können in einer Höhenrichtung 45 des Befeuchterblocks 23 zueinander im Abstand angeordnet sein. Zwischen den Hohlfasermembranen 34 kann eine Abstandhalteeinrichtung vorgesehen sein, welche den Abstand zwischen den Hohlfasermembranen 34 sicherstellt, was aus Gründen der Übersichtlichkeit in 7 jedoch nicht gezeigt ist. Jede der Hohlfasern 34 kann in Längsrichtung 25 betrachtet einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Der Befeuchterblock 23 des Befeuchtungsmoduls 1 kann ein sich in Längsrichtung 25 erstreckendes Gehäuse 37 umfasst. Das Gehäuse 37 kann einen Gehäuseinnenraum 38 begrenzen und zumindest teilweise umgeben. Der Gehäuseinnenraum 38 kann einen Mittelraum 39 sowie einen Fluidverteilerraum 41 und einen Fluidsammlerraum 42 umfassen. In dem Gehäuseinnenraum 38 können zwei Dichtpatten 40 angeordnet sein. Die Dichtplatten 40 können in Längsrichtung 25 zueinander im Abstand angeordnet sein. Die Dichtplatten 40 können den Gehäuseinnenraum 38 in den Fluidverteilerraum 41, den Mittelraum 39 sowie den Fluidsammlerraum 42 aufteilen. Von dem Mittelraum 39 können einander in Längsrichtung 25 gegenüberliegend der Fluidverteilerraum 41 und der Fluidsammlerraum 42 mittels der beiden Dichtplatten 40 fluiddicht abgetrennt sein. Die Hohlfasermembranen 34 können in dem Gehäuseinnenraum 38 angeordnet sein. Die Hohlfasermembranen 34 können in dem Gehäuseinnenraum 38 derart angeordnet sein, dass ein Mittenbereich 43 der Hohlfasermembranen 34 jeweils in dem Mittelraum 39 des Gehäuseinnenraums 38 vorhanden ist. In dem Mittelraum 39 können die zweiten Fluidpfade 2b mittels der Außenseiten 36 in den Mittenbereichen 43 der Hohlfasermembranen 34 begrenzt sein. Die Hohlfasermembranen 34 können je zwei einander in Längsrichtung 25 gegenüberliegende Endabschnitte 44 aufweisen. Die Endabschnitte 44 können jeweils entlang der Längsrichtung in den Mittenbereich 43 übergehen. Die beiden Endabschnitte 44 können je eine der Dichtplatten 40 derart durchstoßen, dass der Fluidverteilerraum 41 und der Fluidsammlerraum 42 mittels des Hohlraums 35 der betreffenden Hohlfasermembran 34 fluidisch miteinander verbunden sind. Das erste Fluid 2a kann somit von dem Fluidverteilerraum 41 auf die mittels der Hohlräume 35 festgelegten ersten Fluidpfade 5a verteilt und nach dem Durchströmen der ersten Fluidpfade 5a mittels des Fluidsammlerraums 42 wieder gesammelt werden, ohne dass das erste Fluid 2a in den Mittelraum 39 des Gehäuseinnenraums 38 und somit in die zweiten Fluidpfade 5b gelangt. Das Gehäuse 37 kann zwei Endplatten 46 aufweisen, von welchen je eine den Fluidverteilerraum 41 und eine den Fluidsammlerraum 42 fluiddicht gegenüber einer den Befeuchterblock 23 umgebenden äußeren Umgebung verschließt.
Das Gehäuse 37 kann einen Flüssigkeitsablass 47 aufweisen, mittels welchem etwaige Flüssigkeit aus dem Gehäuseinnenraum 38 abgelassen werden kann. Das Befeuchtungsmodul 1 kann einen ersten ersten Fluidanschluss 14a aufweisen, durch den das erste Fluid 2a im Betrieb des Befeuchtungsmoduls 1 in das Befeuchtungsmodul 1 bzw. den Befeuchterblock 23 und in die Hohlräume 35 der Membranen 7 gelangt. Das über die ersten Fluidpfade 5a durch die Hohlräume 35 strömende erste Fluid 2a kann durch einen zweiten ersten Fluidanschluss 14a' des Befeuchtungsmoduls 1 aus dem Befeuchtungsmodul 1 strömen. Das Befeuchtungsmodul 1 bzw. der Befeuchterblock 3 können ferner von einem zweiten Fluid 2b durchströmbar sein, das die Hohlfasermembranen 35 an ihren Außenseiten 36 umströmt. Das heißt, dass Zwischenräume zwischen den Hohlfasermembranen 34 die zweiten Fluidpfade 5b für das zweite Fluid 2b bilden können. Das Befeuchtungsmodul 1 kann einen ersten zweiten Fluidanschluss 14b aufweisen, durch den das zweite Fluid 2b in das Befeuchtungsmodul 1 gelangt. Das zweite Fluid 2b kann durch einen zweiten zweiten Fluidanschluss 14b' des Befeuchtungsmoduls 1 aus dem Befeuchtungsmodul 1 strömen. Hierbei können der erste erste Fluidanschluss 14a und der zweite erste Fluidanschluss 14a' an entlang der Längsrichtung 4 gegenüberliegenden Befeuchterseiten des Befeuchtungsmoduls 1 angeordnet sein, während der erste zweite Fluidanschluss 14b und der zweite zweite Fluidanschluss 14b' an in einer quer zur Längsrichtung 25 verlaufenden Höhenrichtung 45 des Befeuchtungsmoduls 1 gegenüberliegenden Befeuchterseiten angeordnet sein können. Dabei kann das erste Fluid 2a entsprechend der Erstreckung der Hohlfasermembranen 34 entlang der Längsrichtung 25 strömen, während das zweite Fluid 2b die Hohlfasermembranen 34 außenseitig umströmt und somit eine Strömungsrichtung quer zur Längsrichtung 25, insbesondere in Höhenrichtung 45, aufweist. Die feuchtigkeitsdurchlässige Ausgestaltung der als Hohlfasermembranen 34 ausgebildeten Membranen 7 erlaubt hierbei einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten Fluid 2a und dem zweiten Fluid 2b. Dabei ist es vorstellbar, dass das erste Fluid 2a Feuchtigkeit vom zweiten Fluid 2b aufnimmt. Vorstellbar ist es auch, dass das zweite Fluid 2b Feuchtigkeit vom ersten Fluid 2a aufnimmt. 7 zeigt außerdem, dass das Befeuchtungsmodul 1 mit dem Hohlfasermembranen 34 umfassenden Befeuchterblock 23 einen ersten Flüssigkeitsabscheider 20a aufweisen kann. Außerdem kann das Befeuchtungsmodul 1 einen zweiten Flüssigkeitsabscheider 20b umfassen. Die Flüssigkeitsabscheider 20a und 20b können analog zum vorstehend beschriebenen und in 6 illustrierten Beispiel eingerichtet und angeordnet sein.
In 8 ist beispielhaft eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems 48 mit einem erfindungsgemäßen Befeuchtungsmodul 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 48 kann eine Brennstoffzelle 27 aufweisen, die eine Anodenseite 49 und eine Kathodenseite 50 aufweist. Die Anodenseite 49 der Brennstoffzelle 27 kann mit einem Anodengas 53 versorgt werden, während die Kathodenseite 50 mit einem Kathodengas 52 versorgt werden kann. Im Betrieb der Brennstoffzelle 27 kann flüssiges und/oder gasförmiges Wasser entstehen, das zusammen mit einem Brennstoffzellenabgas 51 von der Brennstoffzelle 27 abgeführt wird. Das wasserhaltige Brennstoffzellenabgas 51 kann mit Hilfe des Befeuchtungsmoduls 1 dazu eingesetzt werden, das Kathodengas 52 zu befeuchten. Im gezeigten Beispiel kann das Kathodengas 52 als erstes Fluid 2a durch entlang der ersten Fluidpfade 5a durch das Befeuchtungsmodul 1 strömen, während das Brennstoffzellenabgas 51 als zweites Fluid 2b über die zweiten Fluidpfade 5b durch das Befeuchtungsmodul 1 strömen kann. Dementsprechend kann das Brennstoffzellenabgas 1 über die Membranen 7 Feuchtigkeit in Form von Wasser bzw. Wasserdampf an das Kathodengas 52 abgeben. Hiermit wird eine Beschädigung der Brennstoffzelle 27 vermieden und/oder der Betrieb der Brennstoffzelle 27 verbessert.
Prinzipiell ist es auch möglich, bei zu feuchtem Kathodengas 52 das Befeuchtungsmodul 1 umgekehrt, quasi als Entfeuchter, zu nutzen. Hierbei kann überschüssige Feuchte vom Kathodengas 52 an das weniger feuchte Brennstoffzellenabgas 51 abgegeben werden. In diesem Fall kann also eine Feuchtigkeitsübertragung vom ersten Fluid 2a, also vom Kathodengas 52, auf das zweite Fluid 2b, also auf das Brennstoffzellenabgas 51, erfolgen. Vorstellbar ist es ferner, das Befeuchtungsmodul 1 vor einem hier nicht gezeigten Reformer des Brennstoffzellensystems 48 zum Erzeugen des Anodengases 53 einzusetzen, um ein dem Reformer zuzuführendes Fluid bzw. Gas, beispielsweise Luft, zu befeuchten.
Der Rahmen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich außerdem auf eine Membraneinlage 4 für ein Befeuchtungsmodul 1, wie sie in den 3 und 4a bis 4c beispielhaft dargestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202013003566 U1 [0004]
DE 102008034407 A1 [0005]

Claims

Befeuchtungsmodul (1) zum Befeuchten eines Fluids (2), insbesondere zum Befeuchten eines Betriebsfluids einer Brennstoffzelle (27), insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle (27), - mit einem Befeuchterblock (23), in welchem von einem ersten Fluid (2a) durchströmbare erste Fluidpfade (5a) und von einem zweiten Fluid (2b) durchströmbare zweite Fluidpfade (5b) vorhanden sind, - wobei die ersten und die zweiten Fluidpfade (5a, 5b) in dem Befeuchterblock (23) mittels gasdichter und feuchtigkeitsdurchlässiger Membranen (7) fluidisch voneinander getrennt sind; - mit einem (ersten) Flüssigkeitsabscheider (20a), welcher zum Durchströmen mit dem ersten oder dem zweiten Fluid (2a, 2b) fluidisch entweder mit den ersten oder den zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) verbunden ist.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Flüssigkeitsabscheider (20a) des Befeuchtungsmoduls (1) an einem ersten Endbereich (E1) der ersten oder zweiten Fluidpfade (5a, 5b) fluidisch mit diesen ersten oder zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) verbunden ist; - das Befeuchtungsmodul (1) einen zweiten Flüssigkeitsabscheider (20b) umfasst, welcher an einem dem ersten Endbereich (E1) gegenüberliegenden zweiten Endbereich (E2) der ersten oder zweiten Fluidpfade (5a, 5b) fluidisch mit diesen ersten oder zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) verbunden ist, - so dass der erste Flüssigkeitsabscheider (20a) als Vorabscheider und der zweite Flüssigkeitsabscheider (20b) als Nachabscheider fungiert, oder umgekehrt.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Flüssigkeitsabscheider (20a, 20b) in seinem Abscheider-Innenraum (21) zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem ersten oder zweiten Fluid (2a, 2b) eine Rippenstruktur (22) mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter Rippen aufweist.
Befeuchtungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider-Innenraum (21) eines der Flüssigkeitsabscheider (20a, 20b) durch eine mindestens eine erste Beschleunigungsöffnung aufweisende Düsenplatte (24) zum Beschleunigen des ersten oder zweiten Fluids (2a, 2b) geteilt ist und im Abscheider-Innenraum (21) eine Prallplatte (26) angeordnet ist, auf welche das beschleunigte erste oder zweite Fluid (2a, 2b) auftrifft.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (24) wenigstens eine zweite Beschleunigungsöffnung aufweist, welche mit einem einstellbaren Verschlusselement zur zumindest teilweise verschließbar ist.
Befeuchtungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen des Befeuchterblocks im Wesentlichen flach ausgebildet und in einem Membranstapel angeordnet sind.
Befeuchtungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Befeuchterblock (23) mehrere, entlang einer Stapelrichtung (3) abwechselnd im Abstand zueinander angeordnete erste und zweite Membraneinlagen (4a, 4b) umfasst, wobei zwei in Stapelrichtung (3) benachbarte Membraneinlagen (4) abwechselnd jeweils einen der ersten Fluidpfade (5a) zum Durchströmen mit dem ersten Fluid (2a) und fluidisch getrennt einen der zweiten Fluidpfade (5b) zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid (2b) begrenzen, - wobei die ersten und zweiten Membraneinlagen (4a, 4b) jeweils ein erstes bzw. zweites Halteteil (6a, 6b) aufweisen, an welchem eine der gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen (7) angeordnet ist, die den ersten Fluidpfad (5a) von dem in Stapelrichtung (3) benachbarten zweiten Fluidpfad (5b) trennt, - wobei in den Membraneinlagen (4) ein erster Fluidverteilerkanal (8a) zum Verteilen des ersten Fluids (2a) auf die ersten Fluidpfade (5a) und ein erster Fluidsammlerkanal (9a) zum Sammeln des ersten Fluids (2a) nach dem Durchströmen der ersten Fluidpfade (5a) ausgebildet sind, - wobei in den Membraneinlagen (4) ein zweiter Fluidverteilerkanal (8a) zum Verteilen des zweiten Fluids (2b) auf die zweiten Fluidpfade (5b) und ein zweiter Fluidsammlerkanal (9b) zum Sammeln des zweiten Fluids (2b) nach dem Durchströmen der zweiten Fluidpfade (5b) ausgebildet sind.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraneinlagen (4) zwischen einem ersten und einem zweiten Abschlussteil (13a, 13b) angeordnet sind, welches je einen ersten und einen zweiten Fluidanschluss (14a, 14b) aufweist, wobei - der erste Fluidanschluss (14a) des ersten Abschlussteils (13a) fluidisch mit dem ersten Fluidverteilerkanal (8a) und der zweite Fluidanschluss (14b) des ersten Abschlussteils (13a) fluidisch mit dem zweiten Fluidverteilerkanal (8b) kommuniziert; und wobei - der erste Fluidanschluss (14a) des zweiten Abschlussteils (13b) fluidisch mit dem zweiten Fluidsammlerkanal (9b) und der zweite Fluidanschluss (14b) des zweiten Abschlussteils (13b) fluidisch mit dem ersten Fluidsammlerkanal (9a) kommuniziert.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Abschlussteil (13a) einen mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung (18) zumindest teilweise verschließbaren Bypass-Fluidkanal (19) umfasst, welcher den ersten oder den zweiten Fluidanschluss (14a, 14b) des ersten Abschlussteils (13a) an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) vorbei mit dem ersten oder dem zweiten Fluidsammlerkanal (9a, 9b) fluidisch kommunizierend verbindet; oder/ und dass - das zweite Abschlussteil (13b) einen mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung (18) zumindest teilweise verschließbaren Bypass-Fluidkanal (19) umfasst, welcher den ersten oder den zweiten Fluidanschluss (14a, 14b) des zweiten Abschlussteils (13b) an den ersten bzw. zweiten Fluidpfaden (5a, 5b) vorbei mit dem ersten oder dem zweiten Fluidverteilerkanal (8a, 8b) fluidisch kommunizierend verbindet.
Befeuchtungsmodul (1) nach 9, dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen der Dichtfläche (17) des ersten Abschlussteils (13a, 13b) und der demselben ersten Abschlussteil (13a, 13b) zugewandten Ober- oder Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage (4) ein erster Flüssigkeitsabscheider (20a) mit einem den ersten Fluidanschluss (14a) des ersten Abschlussteils (13a, 13b) fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidverteilerkanal (8a) verbindenden Abscheider-Innenraum (21) angeordnet ist bzw. das erste oder das zweite Abschlussteil (13a, 13b) einen solchen ersten Flüssigkeitsabscheider (20a) umfasst; und/oder dass - zwischen der Dichtfläche (17) des zweiten Abschlussteils (13a, 13b) und der demselben zweiten Abschlussteil (13a, 13b) zugewandten Ober- oder Unterseite der nächstgelegenen Membraneinlage (4) ein zweiter Flüssigkeitsabscheider (20b) mit einem den zweiten Fluidanschluss (14b) dieses zweiten Abschlussteils (13a, 13b) fluidisch kommunizierend mit dem ersten Fluidsammlerkanal (9a) verbindenden Abscheider-Innenraum (21) angeordnet ist bzw. das jeweilige andere des ersten oder des zweiten Abschlussteils (13a, 13b) einen solchen zweiten Flüssigkeitsabscheider (20b) umfasst.
Befeuchtungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Befeuchterblock (23) vorhandenen gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen (7) als Hohlfasermembranen (34) ausgebildet sind
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - die Hohlfasermembranen (34) jeweils mantelartig einen Hohlraum (35) einfassen, - wobei die Hohlräume (35) je einen der ersten Fluidpfade (5a) bilden, welcher von dem ersten Fluid (2a) durchströmbar ist, - wobei die Hohlfasermembranen (34) jeweils an ihren den Hohlräumen (25) abgewandten Außenseiten (36) der Hohlfasermembranen (34) die zweiten Fluidpfade (5b) begrenzen, welche von dem zweiten Fluid (2b) durchströmbar sind.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen (34) sich entlang einer gemeinsamen Längsrichtung (L) erstrecken und im Wesentlichen parallel und zueinander im Abstand angeordnet sind.
Befeuchtungsmodul (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass - der Befeuchterblock (23) ein sich in Längsrichtung (L) erstreckendes Gehäuse (37) umfasst, welches einen Gehäuseinnenraum (38) begrenzt, - wobei von einem Mittelraum (39) des Gehäuseinnenraums (38) einander in der Längsrichtung (L) gegenüberliegend mittels zweier Dichtplatten (40) je ein Fluidverteilerraum (41) und ein Fluidsammlerraum (42) fluiddicht abgetrennt sind, - wobei die Hohlfasermembranen (34) in dem Gehäuseinnenraum (38) derart angeordnet sind, dass ein Mittenbereich (43) der Hohlfasermembranen (34) die zweiten Fluidpfade (5b) an den Außenseiten (36) der Hohlfasermembranen (34) begrenzend jeweils in dem Mittelraum (39) des Gehäuseinnenraums (38) vorhanden ist, - wobei die Hohlfasern (34) in einander entlang der Längsrichtung (L) gegenüberliegenden und jeweils entlang der Längsrichtung (L) in den Mittenbereich (43) übergehenden Endabschnitten (44) der Hohlfasermembranen (34) die Dichtplatten (40) derart durchstoßen, dass der Fluidverteilerraum (41) und der Fluidsammlerraum (42) mittels der die ersten Fluidpfade (5a) bildenden Hohlräume (35) der Hohlfasermembranen (34) fluidisch miteinander verbunden sind.