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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Befeuchterblocks für einen Befeuchter zum Befeuchten eines Gases. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Befeuchter mit einem solchen Befeuchterblock.
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Zahlreiche Anwendungen erfordern das Bereitstellen eines Gases. Dabei ist es häufig erforderlich, dass dieses Gas eine gewisse Feuchtigkeit, also einen gewissen Anteil an Wasser und/oder einer anderen Flüssigkeit, aufweist. Um solche Gase mit der gewünschten Feuchtigkeit zur Verfügung zu stellen und/oder die Feuchtigkeit in dem Gas zu erhöhen, kommen gewöhnlich Befeuchter zum Einsatz. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist ein Brennstoffzellensystem, in dem ein einer Kathode einer Brennstoffzelle zuzuführendes Kathodengas zur Optimierung des Betriebs des Brennstoffzellensystems und/oder zur Vermeidung von Beschädigungen der Brennstoffzelle mit Wasser oder Wasserdampf befeuchtet wird.
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Ein entsprechender Befeuchter ist aus der
DE 10 2012 022 349 A1 bekannt. Der darin vorgeschlagene Befeuchter weist einen Befeuchterblock mit einer Vielzahl von feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen auf. Der Befeuchterblock wird innerhalb der Membran von einem ersten Gas und außerhalb der Membran von einem zweiten Gas durchströmt, wobei die feuchtigkeitsdurchlässige Ausgestaltung der Membranen einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Gasen erlaubt. Zur Fixierung der Membranen im Befeuchterblock ist ein Abstandshalter vorgesehen, der den Befeuchterblock außerhalb der Membranen gänzlich ausfüllt oder zwischen den Membranen lagen- bzw. schichtartig angeordnet ist.
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In der
DE 600 33 125 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Membranblocks beschrieben, bei dem Membranen auf Träger aufgebracht und die mit Membranen bestückten Träger anschließend zum Membranblock geformt werden. Die Membranen sind im Membranblock in einer Längsrichtung, einer Querrichtung und einer Höhenrichtung nebeneinander angeordnet sind. Weiterer Stand der Technik ist
DE 28 39 937 A1 ,
DE 35 86 677 T2 und
US 2010/0 224 548 A1 entnehmbar.
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Nachteilig bei einer solchen Realisierung des Befeuchterblocks ist insbesondere die aufwändige Herstellung des Befeuchterblocks. So muss beispielsweise bei den schichtartig ausgestalteten Abstandhaltern der Befeuchterblock Lage für Lage aufgeschichtet werden, um die gewünschte Anordnung der Membranen im Befeuchterblock zu realisieren. Des Weiteren reduziert sowohl die ausfüllende als auch die lagenförmige Ausgestaltung des Abstandshalters die Durchströmbarkeit des Befeuchterblocks, insbesondere vom außerhalb der Membran strömenden Gas, was zu einem entsprechend reduzierten Austausch von Feuchtigkeit zwischen den Gasen führt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren zum Herstellen eines Befeuchterblocks der eingangs genannten Art sowie für einen solchen Befeuchterblock und einen zugehörigen Befeuchter verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache und/oder kostengünstige Herstellung und/oder durch eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, zum Herstellen eines Befeuchterblocks einen quasi endlosen, bandartigen Träger zu verwenden, der mit Membranen bestückt und anschließend zum Ausbilden des Befeuchterblocks geformt wird. Hierdurch entfällt insbesondere ein Aufeinanderschichten der Membranen sowie die Verwendung entsprechender Abstandshalter, was die Herstellung des Befeuchterblocks schneller und/oder kostengünstiger macht. Zudem kann der Befeuchterblock auf diese Weise reproduzierbar und/oder mit einer erwünschten Qualität reproduzierbar, hergestellt werden. Durch den Einsatz des bandartigen Trägers, der nicht zwangsläufig entlang der gesamten Länge der Membranen verläuft, wird ferner eine Durchströmbarkeit des Befeuchterblocks außerhalb der Membranen verbessert, so dass die Effizienz des Befeuchterblocks verbessert wird.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend, weist der Befeuchterblock wenigstens einen solchen Träger sowie eine Vielzahl von Membranen auf. Die Membranen weisen einen durchströmbaren Hohlraum auf, der von einem Mantel eingefasst ist. Das heißt, dass die Membranen insbesondere rohrförmig ausgebildet sind. Dabei ist der Mantel der Membranen zum Feuchtigkeitsaustausch feuchtigkeitsdurchlässig. Zum Herstellen des Befeuchterblocks wird wenigstens einer der Träger des Befeuchterblocks mit einer Vielzahl von Membranen bestückt. Das Bestücken des Trägers erfolgt dabei derart, dass die Membranen in einer Längsrichtung im Wesentlichen parallel zueinander und auf dem Träger nebeneinander angeordnet werden. Danach wird der Träger mit den Membranen, das heißt der mit den Membranen bestückte Träger, zum Befeuchterblock geformt. Dabei erfolgt das Formen des Trägers mit den Membranen zum Befeuchterblock derart, dass die Membranen im Befeuchterblock in einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung sowie in einer quer zur Längsrichtung und quer zur Querrichtung verlaufenden Höhenrichtung nebeneinander angeordnet sind.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere solche Befeuchterblöcke zu einer Befeuchtereinheit eines Befeuchters zusammenzusetzen. Dabei ist wenigstens ein solcher Befeuchterblock durch das Formen eines solchen mit Membranen bestückten Trägers gemäß dem Erfindungsgedanken hergestellt.
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Zur Realisierung einer erwünschten Größe des Befeuchterblocks weist der Träger eine entsprechende Größe, insbesondere eine quer zur Längsrichtung verlaufende Länge auf. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Träger vor dem Formen auf die gewünschte Länge zugeschnitten wird. Vorstellbar ist es auch, den Träger nach dem Formen beim Erreichen einer erwünschten Größe des Befeuchterblocks aufzutrennen bzw. zu schneiden.
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Bei bevorzugten Varianten sind die Membranen auf dem zugehörigen Träger fixiert. Eine solche Fixierung der Membranen ist beispielsweise dadurch realisiert, dass der Träger klebend ist. Das heißt, dass die Membranen beim Bestücken des Trägers klebend mit dem Träger verbunden werden. Hierzu kann der Träger eine entsprechende Klebeschicht aufweisen. Das Fixieren der Membranen auf dem Träger gewährleistet dabei eine, vorgegebene Position der jeweiligen Membran innerhalb des Befeuchterblocks und/oder eine vereinfachtes Formen des mit den Membranen bestückten Trägers.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Träger streifenartig ausgebildet. Das heißt, dass der Träger als ein Streifen ausgestaltet sein kann. Bei einer klebenden Ausgestaltung des Trägers kann der Träger also als ein Klebestreifen realisiert sein.
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Das Formen des Trägers mit den Membranen zum Befeuchterblock ist prinzipiell auf beliebige Weise vorstellbar, sofern die Membranen anschließend in Querrichtung und in Höhenrichtung nebeneinander angeordnet sind.
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Vorstellbar ist beispielsweise eine Ausführungsform, bei der der Träger mit den Membranen zu einer Wicklung gewickelt wird. Dabei erfolgt das Wickeln des Trägers mit den Membranen vorzugsweise parallel zur Längsrichtung. Das heißt, dass der Träger zusammen mit den Membranen quer zur Längsrichtung, insbesondere in Querrichtung aufgerollt werden kann. Hierbei kann ein Wickelkern zum Einsatz kommen, um den der zumindest eine mit den Membranen bestückte Träger gewickelt wird.
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Eine erste erfindungsgemäße Variante zur Realisierung der erwünschten Anordnung der Membranen ist das Falten des zumindest einen mit den Membranen bestückten Trägers. Das heißt insbesondere, dass der Träger mit den Membranen in Querrichtung gefaltet wird. Durch ein einmaliges Falten des Trägers mit den Membranen entsteht dabei ein Befeuchterblock, bei dem quer zur Faltrichtung, also insbesondere in Höhenrichtung, zwei Lagen von Membranen angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt sind hierbei Varianten, bei denen der wenigstens eine Träger mit dem Membranen quer zur Längsrichtung alternierend gefaltet wird. Das heißt, dass der Träger mit den Membranen, insbesondere in Querrichtung nach jeweils einem ersten Abstand in eine Richtung und einem zweiten Abstand in die entgegengesetzte Richtung gefaltet wird. Dabei kann der jeweilige erste Abstand und der jeweilige zweite Abstand beliebig lang sein. Bevorzugt sind Varianten, bei denen die Abstände gleich lang sind, um eine gleichmäßige Ausgestaltung des Befeuchterblocks zu erreichen.
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Das Falten des Trägers mit den Membranen erfolgt zweckmäßig derart, dass eine durch das Falten entstehende Falte in einem Bereich angeordnet ist, in dem keine Membran vorhanden ist.
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Prinzipiell kann der jeweilige Träger auf beliebige Weise mit Membranen bestückt werden. Vorstellbar ist es beispielsweise, sämtliche Membranen auf einer ersten Trägerseite des Trägers anzuordnen und anschließend den Träger mit den Membranen zum Befeuchterblock zu formen.
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Vorstellbar ist es ferner, den Träger auf der ersten Trägerseite und auf einer von der ersten Trägerseite abgewandten zweiten Trägerseite mit Membranen zu bestücken. Dabei können auf der jeweiligen Trägerseite eine beliebige Anzahl von Membranen, die jeweils in einem beliebigen Abstand zueinander angeordnet sind, aufgebracht werden. Zu denken ist auch an einer Ausgestaltung, bei der auf der ersten Trägerseite und auf der zweiten Trägerseite die gleiche Anzahl von Membranen angeordnet ist, wobei diese abwechselnd und/oder in gleichen Abständen auf den Trägerseiten angeordnet werden.
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Wie bereits erläutert, kann der Befeuchterblock eine beliebige Anzahl solcher Träger aufweisen, sofern zumindest ein solcher Träger mit den Membranen bestückt und anschließend zum Befeuchterblock geformt wird.
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Bei bevorzugten Varianten sind zwei in Längsrichtung beabstandete Träger vorgesehen, die mit den Membranen bestückt werden. Besonders vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen zwei solche Träger vorgesehen sind, die derart bestückt werden, dass sie an Endseiten der Membranen angeordnet sind. Auf diese Weise kann der jeweilige Träger in Längsrichtung kleiner ausfallen, wodurch der Feuchtigkeitsaustausch zwischen einem durch die Membranen strömenden ersten Gases und einem außerhalb der Membranen strömenden zweiten Gas verbessert wird. Des Weiteren wird hierdurch die Stabilität und/oder die Fixierung der Membranen im Befeuchterblock verbessert.
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Darüber hinaus sind Ausgestaltungen vorstellbar, bei denen wenigstens ein solcher Träger mit den Membranen bestückt wird und anschließend wenigstens ein weiterer Träger auf den Membranen angebracht wird. Das heißt insbesondere, dass die Membranen vor dem Formen zum Befeuchterblock zumindest teilweise zwischen zwei Trägern angeordnet sind. Auch eine solche Ausgestaltung trägt zu einer erhöhten Stabilität und/oder verbesserten Fixierung der Membranen im Befeuchterblock bei.
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Kennzeichnend für einen solchen erfindungsgemäß hergestellten Befeuchterblock ist insbesondere, dass der mit den Membranen bestückte Träger, insbesondere entlang der Faltung bzw. Wicklung, durchgehend ausgestaltet ist.
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Dabei ist es selbstverständlich vorstellbar, wenigstens einen solchen Träger nach dem Formen des Befeuchterblocks aufzutrennen. Das Auftrennen des Trägers kann insbesondere derart erfolgen, dass der Träger entlang der zumindest einen Faltung bzw. entlang der Wicklung unterbrochen ist. Eine solche Unterbrechung kann beispielsweise durch einen entsprechenden Schnitt des Trägers realisiert sein. Vorstellbar ist beispielsweise, den Träger im Bereich zumindest einer solchen Falte aufzuschneiden.
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Grundsätzlich können die Membranen auf der jeweiligen Trägerseite derart angeordnet werden, dass sie einander kontaktieren. Bevorzugt sind jedoch Varianten, bei denen nebeneinander angeordnete Membranen zueinander beabstandet angeordnet sind. Hierdurch wird eine verbesserte Umströmung der jeweiligen Membran vom außerhalb der Membranen strömenden zweiten Gas erzielt, so dass letztlich der Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas verbessert und die Effizienz des Befeuchterblocks bzw. des zugehörigen Befeuchters verbessert wird.
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Wird der Befeuchterblock durch eine Wicklung um einen Wickelkern realisiert, so ist es vorstellbar, den Wickelkern von zumindest einem der Gase durchströmbar auszugestalten. Eine solche Ausgestaltung kann beispielweise dadurch realisiert sein, dass der Wickelkern an seiner der Wicklung zugewandten Wandung wenigstens eine Öffnung aufweist, die fluidisch mit einem Fluideingang des Wickelkerns verbunden ist. Der Fluideingang des Wickelkerns kann im zugehörigen Befeuchter mit einem entsprechenden Anschluss für das zugehörige Gas verbunden werden, so dass dieses Gas durch den besagten Anschluss und den Fluideingang in den Wickelkern und durch die Öffnungen in die Wicklung gelangen kann, um die Membranen zu umströmen. Eine Strömung dieses Gases wird vorteilhaft beeinflusst, wenn der Kern derart ausgestaltet ist, dass das zugehörige Gas, dass durch den Fluideingang in den Kern gelangt, lediglich durch die Öffnungen aus dem Wickelkern strömen kann.
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Zur Verbesserung der Stabilität des Befeuchterblocks und/oder zur Verbesserung der Handhabung des Befeuchterblocks ist es vorstellbar, den Befeuchterblock mit einem Halter zu versehen. Der Halter ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er den Befeuchterblock außenseitig hält. Auf diese Weise wird die Strömung der Gase im Befeuchterblock durch den Halter nicht oder möglichst wenig beeinflusst.
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Dabei kann der Halter beispielsweise dadurch realisiert sein, dass er den Befeuchterblock umgreift. Eine solches Umgreifen des Befeuchterblocks ist nicht zwangsläufig um den gesamten Befeuchterblock realisiert. Das heißt, dass der Halter den Befeuchterblock lediglich teilweise umgreifen kann.
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Zur weiteren Verbesserung des Betriebs des Befeuchterblocks bzw. des zugehörigen Befeuchters ist es ferner bevorzugt, wenn der Halter wenigstens teilweise in wenigstens einem Träger benachbart angeordnet ist. Auch auf diese Weise wird der Betrieb des Befeuchterblocks bzw. des zugehörigen Befeuchters möglichst wenig beeinflusst. Hierzu kann der Halter Streben aufweisen, die außen am Befeuchterblock anliegen und an den am Befeuchterblock außen verlaufenden Träger verlaufen.
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Prinzipiell kann der Träger aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, sofern er sich für den Einsatz im Befeuchterblock bzw. im zugehörigen Befeuchter eignet. Dabei kann der Träger aus einem Werkstoff hergestellt sein, der in der Lage ist Feuchtigkeit zu speichern. Auf diese Weise kann auch die Fläche der Membranen, die mit dem Träger in Kontakt steht, zum Feuchtigkeitsaustausch eingesetzt werden. Ferner wird hierdurch eine Effizienz des Befeuchterblocks und somit des zugehörigen Befeuchters erhöht.
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In einem zugehörigen Befeuchter bilden die Membranen ein erstes Kanalsystem, das vom ersten Gas durchströmbar ist, während die Zwischenräume zwischen den Membranen ein zweites Kanalsystem bilden, das vom ersten Kanalsystem gasdicht getrennt und vom zweiten Gas durchströmbar ist. Hierbei ist es vorstellbar, dass das erste Gas durch das zweite Gas befeuchtet wird und umgekehrt.
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Zur Realisierung des zweiten Kanalsystems und/oder zur gasdichten Trennung der Kanalsysteme ist der Befeuchter entsprechend ausgestaltet.
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Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Befeuchterblock, ggfs. samt dem Halter, zumindest an einer Stirnseite in Epoxidharz gegossen wird. Dabei werden insbesondere die Stirnseiten des Befeuchterblocks, an deren Endseiten Membranöffnungen der Membranen angeordnet sind, mit Epoxidharz vergossen. Anschließend wird überschüssiges Harz entfernt und die Membranöffnungen freigemacht, derart, dass die Membranen durchströmbar sind und im Bereich der Membranöffnungen eine gasdichte Trennung der Membranen realisiert ist. Somit kann die jeweilige Membran vom zugehörigen Gas durchströmt werden, ohne dass dieses Gas in den Zwischenräumen zwischen den Membranen gelangen kann. Dementsprechend ist eine gasdichte Trennung des ersten Kanals des Systems vom Kanalsystem realisiert.
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Zum gasdichten Trennen des zweiten Kanalsystems vom ersten Kanalsystem kann ferner eine entsprechende Dichtung, insbesondere ein Schaum, etwa ein PU-Schaum, zum Einsatz kommen.
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Der Befeuchter weist vorteilhaft einen ersten Eingang zum Einleiten des ersten Gases in das erste Kanalsystem und somit in die Membranen und einen ersten Ausgang zum Ausführen des durch die Membranen geströmten ersten Gases aus dem Befeuchterblock auf. Zudem weist der Befeuchter einen zweiten Eingang zum Einleiten des zweiten Gases in den Befeuchterblock, das heißt in das zweite Kanalsystem, und einen zweiten Ausgang zum Ausführen des zweiten Gases aus dem zweiten Kanalsystem auf.
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Dabei können die Kanalsysteme und/oder die Eingänge sowie die Ausgänge derart realisiert sein, dass das zweite Gas entlang der Membranen oder quer zu den Membranen strömt. Bevorzugt sind hierbei Varianten, bei denen die Eingänge und die Ausgänge auf gegenüberliegenden Befeuchterseiten des Befeuchters angeordnet sind. Hierdurch wird ein einfacher und/oder platzsparender Einsatz des Befeuchters möglich.
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Es versteht sich, dass neben dem Verfahren zum Herstellen des Befeuchterblocks und einem solchen Befeuchterblock auch ein Befeuchter mit einem solchen Befeuchterblock zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen Schnitt durch einen Befeuchter,
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2 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
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3 eine räumliche Darstellung einer Membran,
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4 bis 8 räumliche Darstellungen während der Herstellung eines Befeuchterblocks,
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9 bis 16 Querschnitte während unterschiedlicher Herstellungsschritte des Befeuchters, jeweils unterschiedlicher Ausführungsform,
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17 und 18 räumliche Ansichten des Befeuchterblocks,
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19 eine Frontansicht des Befeuchter bei einer weiteren Ausführungsform,
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20 einen Schnitt durch 19,
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21 eine räumliche Ansicht des Befeuchters, anderer Ausführungsform,
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22 einen Schnitt durch den Befeuchter aus 21.
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Entsprechend 1 weist ein Befeuchter 1 eine Vielzahl von Membranen 2 auf, die in einem Befeuchterblock 3 zusammengefasst sind. Die Membranen 2 sind in einer Längsrichtung 4 parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet. Die Membranen 2 sind von einem ersten Gas 5 durchströmbar und feuchtigkeitsdurchlässig. Der Befeuchter 1 weist einen ersten Einlass 6 auf, durch den das erste Gas 5 in den Befeuchter 1 und in die Membranen 2 gelangt, die ein erstes Kanalsystem 44 bilden. Das durch die Membranen 2 strömende erste Gas 5 strömt durch einen ersten Auslass 7 des Befeuchters 1 aus dem Befeuchter 1. Der Befeuchter 1 bzw. der Befeuchterblock 3 sind ferner von einem zweiten Gas 8 durchströmbar, das die Membranen 2 umströmt. Das heißt, dass Zwischenräume 59 zwischen den Membranen 2 ein zweites Kanalsystem 45 für das zweite Gas 8 bilden. Der Befeuchter 1 weist einen zweiten Einlass 9 auf, durch den das zweite Gas 8 in den Befeuchter 1 gelangt. Das zweite Gas 8 gelangt durch einen zweiten Auslass 10 des Befeuchters 1 aus dem Befeuchter 1. Hierbei sind der ersten Einlass 6 und der erste Auslass 7 an entlang der Längsrichtung 4 gegenüberliegenden Befeuchterseiten 60 des Befeuchters 1 angeordnet, während der zweite Einlass 9 und der zweite Auslass 10 an in einer quer zur Längsrichtung 4 verlaufenden Höhenrichtung 11 des Befeuchters 1 gegenüberliegenden Befeuchterseiten 60 angeordnet sind. Dabei strömt das erste Gas 5 entsprechend der Erstreckung der Membranen 2 entlang der Längsrichtung 4, während das zweite Gas 8 die Membranen 2 umströmt und somit eine Strömungsrichtung quer zur Längsrichtung 4, insbesondere in Höhenrichtung 11, aufweist. Die feuchtigkeitsdurchlässige Ausgestaltung der Membranen 2 erlaubt hierbei einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 8. Dabei ist es vorstellbar, dass das erste Gas 5 Feuchtigkeit vom zweiten Gas 8 aufnimmt. Vorstellbar ist es auch dass das zweite Gas 8 Feuchtigkeit vom ersten Gas 5 aufnimmt.
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2 zeigt den Einsatz des Befeuchters 1 in einem Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 weist eine Brennstoffzelle 13 auf, die eine Anodenseite 14 und eine Kathodenseite 15 aufweist. Die Anodenseite 14 der Brennstoffzelle 13 wird mit einem Anodengas 16 versorgt, während die Kathodenseite 15 mit einem Kathodengas 17 versorgt wird. Im Betrieb der Brennstoffzelle 13 entsteht flüssiges und/oder gasförmiges Wasser, das zusammen mit einem Brennstoffzellenabgas 18 von der Brennstoffzelle 13 abgeführt wird. Das wasserhaltige Brennstoffzellenabgas 18 wird mit Hilfe des Befeuchters 1 dazu eingesetzt, das Kathodengas 17 zu befeuchten. Im gezeigten Beispiel strömt das Kathodengas 17 als erstes Gas 5 durch die Membranen 2 des Befeuchters 1, während das Brennstoffzellenabgas 18 als zweites Gas 8 die Membranen 2 umströmt. Dementsprechend gibt das Brennstoffzellenabgas 18 über die Membranen 2 Feuchtigkeit in Form von Wasser bzw. Wasserdampf an das Kathodengas 17 ab. Hiermit wird eine Beschädigung der Brennstoffzelle 13 vermieden und/oder der Betrieb der Brennstoffzelle 13 verbessert.
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Prinzipiell ist es auch möglich, bei zu feuchtem Kathodengas 17 den Befeuchter 1 umgekehrt, quasi als Entfeuchter, zu nutzen. Hierbei wird überschüssige Feuchte vom Kathodengas 17 an das weniger feuchte Brennstoffzellenabgas 18 abgegeben. In diesem Fall erfolgt also eine Feuchtigkeitsübertragung vom ersten Gas 5, also vom Kathodengas 17, auf das zweite Gas 8, also auf das Brennstoffzellenabgas 18. Vorstellbar ist es ferner, den Befeuchter 1 vor einem hier nicht gezeigten Reformer des Brennstoffzellensystems 12 zum Erzeugen des Anodengases 16 einzusetzen, um ein dem Reformer zuzuführendes Gas, beispielsweise Luft, zu befeuchten.
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3 zeigt eine räumliche Ansicht einer solchen Membran 2. Die gezeigte Membran 2 ist rohrförmig ausgebildet und weist einen länglichen Hohlraum 19 auf, durch den das zugehörige Gas 5, 8 strömen kann. Die feuchtigkeitsdurchlässige Eigenschaft der Membran 2 ist durch einen den Hohlraum 19 einfassenden Mantel 20 der Membran 2 gewährleistet, der feuchtigkeitsdurchlässig ist.
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Die Membran 2 weist auf gegenüberliegenden Seiten Öffnungen 21 auf, die nachfolgend als Membranöffnungen 21 bezeichnet werden. Durch die jeweilige Membranöffnung 21 kann das zugehörige Gas 5, 8 in die Membran 2 einströmen bzw. aus der Membran 2 ausströmen.
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Wie in 4 gezeigt, kommt zum Herstellen des Befeuchterblocks 3 wenigstens ein bandförmiger Träger 22 zum Einsatz, wobei im gezeigten Beispiel zwei solche bandförmige Träger 22 Verwendung finden, die in Längsrichtung 4 beabstandet angeordnet sind. Bei den Trägern 22 handelt es sich um im Prinzip in einer quer zur Längsrichtung 4 und quer zur Höhenrichtung 11 verlaufenden Querrichtung 23 endlosen Trägern 22. Wie in 4 zu sehen ist, werden die Membranen 2 in Längsrichtung 4 parallel und in Querrichtung 23 nebeneinander und in Querrichtung 23 voneinander beabstandet auf den Trägern 22 angeordnet. Dabei sind die Träger 22 identisch ausgebildet und in Längsrichtung 4 derart beabstandet, dass die Membranöffnungen 21 in Längsrichtung 4 bündig an den Trägern 22 anliegen. Die Träger 22 sind streifenartig ausgebildet und klebend ausgestaltet, so dass es sich bei den Trägern 22 um Klebestreifen 24 oder mit Klebemittel versehenen Trägern 22 handeln kann. Durch die klebende Eigenschaft der Träger 22 sind die Membranen 2 auf den Trägern 22 fixiert. In 4 ist ferner zu erkennen, dass die Membranen 2 identisch ausgebildet und in Querrichtung 23 äquidistant angeordnet sind.
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5 zeigt eine Möglichkeit des Bestückens der Träger 22 mit den Membranen 2. Hierzu kommt eine Bestückungseinrichtung 25 zum Einsatz, die einen Membranbehälter 26 zum Bevorraten von Membranen 2 und eine Rolle 27 zum Bestücken des Trägers 22 mit Membranen 2 auf. Die Rolle 27 weist an ihrem Außenumfang komplementär zu den Membranen 2 ausgebildete Aufnahmen 28 auf, die Membranen 2 aus dem Membranbehälter 26 aufnehmen und durch eine Rollbewegung der Rolle 27 auf den Träger 22 anordnen. Die gleichmäßige, äquidistante Verteilung der Aufnahmen 28 führt dabei zu einer gleichmäßigen äquidistanten Anordnung der Membranen 2 auf den Träger 22.
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6 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Bestückungseinrichtung 25, bei der der Membranbehälter 26 auf seiner dem Träger 22 zugewandten Seite eine Bestückungsöffnung 29 aufweist, durch die Membranen 2 einzeln aus dem Membranbehälter 26 gelangen können. Zum Bestücken des Trägers 22 mit Membranen 2 wird der Membranbehälter 26 über den Träger 22 geführt, wobei die Bestückungsöffnung 29 ein Anordnen der Membranen 2 auf den Träger 22 erlaubt. Hierbei kann die Bestückungsöffnung 29 schließbar ausgestaltet sein, so dass die Membranen 2 in beliebigen Abständen auf den Träger 22 aufgebracht werden können.
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Nach dem Bestücken der Träger 22 mit den Membranen 2 werden die mit den Membranen 2 bestückten Träger 22 derart geformt, dass sich hierdurch der Befeuchterblock 3 ergibt, bei dem die Membranen 2 in Querrichtung 23 und in Höhenrichtung 11 nebeneinander angeordnet sind.
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Die 7 und 8 zeigen ein Beispiel zur Realisierung eines solchen Formens der Träger 22 mit den Membranen 2. Hierzu kommt ein in 7 gezeigter Wickelkern 30 zum Einsatz, um den, wie in 8 gezeigt, die Träger 22 mit den Membranen 2 gewickelt werden. Die Wicklung erfolgt hierbei parallel zur Längsrichtung 4 um eine parallel zur Längsrichtung 4 verlaufende Wickelachse 61. Im gezeigten Beispiel werden die Träger 22 mit den Membranen 2 also in Höhenrichtung 11 um den Wickelkern 30 aufgerollt. Um die gewünschte Größe des Befeuchterblocks 3 zu erreichen, ist eine entsprechende Dimensionierung der Träger 22 in Querrichtung 23 notwendig. Dementsprechend können die Träger vor dem Formen, hier also vor dem Wickeln, bei der gewünschten Dimensionierung abgeschnitten werden. Alternativ ist es möglich, die Träger 22 nach dem Erreichen der erwünschten Größe des Befeuchterblocks 3 beim Wickeln abzutrennen bzw. abzuschneiden.
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Wie in 7 zu erkennen ist, weist der Wickelkern 30 einen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei ist der Wickelkern 30 in Längsrichtung 4 entsprechend der Dimensionierung der Membranen 2 dimensioniert, so dass die Membranen 2 bzw. der Befeuchterblock 3 nach dem Wickeln um den Wickelkern 30 in Längsrichtung 4 bündig am Wickelkern 30 abschließen. In 7 ist ferner zu erkennen, dass der Wickelkern 30 fünf Wandungen 31 oder kurz Wände 31 aufweist. Dabei liegen sich in Querrichtung 23 sowie in Höhenrichtung 11 jeweils zwei solche Wände 31 gegenüber, während in Längsrichtung 4 lediglich eine solche Wand 31 vorgesehen ist. Die in Höhenrichtung 11 gegenüberliegenden Wände 31, welche der Wicklung 32 zugewandt sind, weisen gemäß einer erfindungsgemäßen Variante jeweils eine Vielzahl von gleichmäßig angeordneten Kernöffnungen 33 auf. Hierbei sind die Kernöffnungen 33 mit dem Inneren des Wickelkerns 30 verbunden. Durch die in Längsrichtung 4 fehlende Wand 31 weist der Wickelkern 30 einen Fluideingang 34 auf, der fluidisch mit den Kernöffnungen 33 verbunden ist. Der Fluideingang 34 kann dabei mit dem zweiten Einlass 9 des Befeuchters 1 fluidisch verbunden werden, um das zweite Gas 8 durch den Fluideingang 34 und die Kernöffnungen 33 in den Befeuchterblock 3 einzubringen und die Membranen 2 umströmen zu lassen, wie dies in 8 angedeutet ist. Die den Fluideingang 34 in Längsrichtung 4 gegenüberliegende Wand 31 des Mittelkerns 30 sorgt dabei dafür, dass das zweite Gas 8 gänzlich durch die Kernöffnungen 33 strömt.
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In den 9 und 10 ist ein weiteres Beispiel für ein solches Formen der Träger 22 mit den Membranen 2 dargestellt. Dabei zeigt 9 einen Schnitt in Querrichtung 23 durch 4. Hierbei ist zu erkennen, dass die Membranen 2 in Querrichtung 23 äquidistant auf dem Träger 22 angeordnet sind. Das Formen des mit den Membranen 2 bestückten Trägers 22 erfolgt gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, wie mit einem geschwungenen Pfeil 35 angedeutet, dadurch, dass der mit dem Membranen 2 bestückte Träger 22 alternierend gefaltet wird. Im gezeigten Beispiel erfolgt die alternierende Faltung in Querrichtung 23. Das heißt, dass der mit den Membranen 2 bestückte Träger 22, wie mit dem Pfeil 35 angedeutet und in 10 gezeigt, in Querrichtung 23 hin und her gefaltet wird. Hierdurch entstehen in Querrichtung 23 beabstandet Falten 36 des Trägers 22, wobei der Träger 22 in regelmäßigen Abständen gefaltet wird, so dass die Falten 36 in Querrichtung 23 einen in etwa gleichen Abstand aufweisen. Auf diese Weise wird eine in Querrichtung 23 gleichmäßige Ausbildung des Befeuchterblocks 3 erreicht. Dabei sind die Falten 36 in einem Bereich des Trägers 22 angeordnet, in dem keine solche Membran 2 vorhanden ist.
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In den 11 und 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der der Träger 22 in Querrichtung 23 lediglich bereichsweise mit Membranen 2 bestückt ist. Das heißt, dass der Träger 22 in Querrichtung 23 einen ersten Bereich 37 aufweist, der mit Membranen 2 bestückt ist, während ein in Querrichtung 23 verlaufender, benachbarter zweiter Bereich 38 frei von Membranen 2 ist. Hierbei kann der jeweilige erste Bereich 37 und/oder der jeweilige zweite Bereich 38 in Querrichtung 23 beliebig lang sein. Bei einer entsprechend Pfeil 35 erfolgenden Faltung des mit den Membranen 2 bestückten Trägers 22 sind dabei die späteren Falten 36 in einem solchen zweiten Bereich 38 angeordnet, wobei ein so hergestellter Befeuchter 3 in 12 gezeigt ist.
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In den 9 bis 12 sind die Membranen 2 auf einer ersten Trägerseite 39 des jeweiligen Trägers 22 angeordnet.
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In den 13 und 14 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der sowohl die erste Trägerseite 39 als auch eine von der ersten Trägerseite 39 abgewandte zweite Trägerseite 40 des Trägers 22 mit Membranen 2 bestückt ist. Im in 13 gezeigten Beispiel ist die erste Trägerseite 39 im ersten Bereich 37 mit Membranen 2 bestückt und in dem dem ersten Bereich 37 benachbarten zweiten Bereich 38 frei von Membranen 2. Demgegenüber ist die zweite Trägerseite 40 im ersten Bereich 37 frei von Membranen 2 und im zweiten Bereich 38 mit Membranen bestückt. Dabei sind im gezeigten Beispiel die ersten Bereiche 37 und die zweiten Bereiche 38 in Querrichtung 23 jeweils gleich lang und mit der gleichen Anzahl von Membranen 2 bestückt. Dabei wird der mit den Membranen 2 bestückte Träger 22 entsprechend 14 derart gefaltet, dass die späteren Falten 36 zwischen benachbarten ersten Bereichen 37 und zweiten Bereichen 38 angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine höhere Dichte der Anzahl von Membranen 2.
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Ein weiteres Beispiel ist in den 15 und 16 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass auf den Membranen 2 die auf dem Träger 22 angeordnet sind, in Höhenrichtung 11 ein weiterer Träger 22 angeordnet wird. Das heißt, dass die Membranen 2 in Höhenrichtung 11 von zwei einander gegenüberliegenden Trägern 22 umgeben sind. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine erhöhte Stabilität der Membranen 2. Durch die Faltung des mit den Membranen 2 bestückten Trägern 22 ergibt sich ein in 16 dargestellter Befeuchterblock 3.
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Auch bei den in den 9 bis 16 gezeigten Varianten weist der jeweilige Befeuchterblock 3 in Querrichtung 23 und in Höhenrichtung 11 benachbarte Membranen 2 auf.
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Ein solcher, durch Falten realisierter Befeuchterblock 3 ist in 17 dargestellt. Der gezeigte Befeuchterblock 3 weist zwei in Längsrichtung 4 beabstandete Träger 22 auf, wobei die Membranen 2 die Träger 22 in Längsrichtung 4 überragen. Der Befeuchterblock 3 weist insgesamt eine quaderartige Form auf und ist in Längsrichtung 4 größer als in Querrichtung 23 und in Querrichtung 23 größer als in Höhenrichtung 11 ausgebildet. Hierbei wäre es möglich, die Träger 22 abzutrennen. Eine solche Trennung könnte hierbei insbesondere im Bereich der außenliegenden Falten 36 erfolgen.
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Entsprechend 18 ist ein Halter 41 vorgesehen, der den Befeuchterblock 3 außenseitig umgreift und somit stabilisiert und/oder handlicher macht. Hierzu weist der Halter 41 mehrere Streben 42 auf, die in der Art von quer zueinander angeordneten Rahmen zusammengesetzt sind. Dabei verlaufen in Höhenrichtung 11 und Querrichtung 23 angeordnete Streben 42 außenseitig auf den Trägern 22, während in Längsrichtung 4 verlaufende Streben 42 entlang von in Längsrichtung 4 verlaufenden Kanten 43 des Befeuchterblocks 3 verlaufen.
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Entsprechend 19 ist zur gasdichten Trennung des ersten Kanalsystems 44 vom zweiten Kanalsystem 45 an in Längsrichtung 4 liegende Endseiten des Befeuchterblocks 3 jeweils eine Epoxidharzplatte 46 vorgesehen. Die jeweilige Epoxidharzplatte 46 kann dabei durch das Vergießen von Epoxidharz an dem Halter 41 realisiert sein. Anschließend erfolgt ein Freilegen der Membranöffnungen 21 der Membranen 2.
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20 zeigt einen Querschnitt durch den Befeuchter 1 aus 19 entlang einer der mit 47 bezeichneten Linien. Dabei ist zu erkennen, dass der Zwischenraum 59 zwischen den Membranen 2 von der Epoxidharzplatte 46 gefüllt ist, während die Membranöffnung 21 der jeweiligen Membran 2 frei ist. Somit kann das erste Gas 5 in die Membranen 2 strömen bzw. aus den Membranen 2 ausströmen, ohne dass es in den Zwischenraum 59 zwischen den Membranen 2 gelangen kann. Somit ist eine gasdichte Trennung zwischen dem von den Membranen 2 ausgebildeten ersten Kanalsystem 44 und dem zwischen den Membranen 2 ausgebildeten zweiten Kanalsystem 45 realisiert.
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In 21 ist ein solcher Befeuchter 1 gezeigt, der ein Gehäuse 48 aufweist, das den Befeuchterblock 3 umgibt. Das Gehäuse 48 weist einen Hauptabschnitt 49 sowie zwei in Längsrichtung 4 gegenüberliegende Anschlussabschnitte 50 auf, von denen einer im geöffneten Zustand dargestellt ist. Der Hauptabschnitt 49 weist zwei miteinander verbindbare Gehäusehälften 51 auf, die in Höhenrichtung 11 gegenüberliegend angeordnet und miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise kann der Befeuchterblock 3 aus dem Gehäuse 48 herausgenommen und ins Gehäuse 48 eingebracht werden und ist somit austauschbar. Die Gehäusehälften 51 weisen außenliegende Rippen 52 auf, welche die Gehäusehälften 51 und somit das Gehäuse 48 stabilisieren. Der Hauptabschnitt 49 weist auf seiner den Verbindungsabschnitten 50 zugewandten Seiten Raststrukturen 53 auf, die in zugehörigen Rastöffnungen 54 der Anschlussabschnitte 50 greifen, um die Abschlussabschnitte 50 lösbar mit dem Hauptabschnitt 49 zu verbinden.
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Der in 21 gezeigte Befeuchter 1 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Befeuchter 1 insbesondere dadurch, dass die Einlässe 6, 9 sowie die Auslässe 7, 10 an den Anschlussabschnitten 50 und somit an in Längsrichtung 4 gegenüberliegenden Befeuchterseiten 60 realisiert sind. Das heißt, dass der jeweilige Anschlussabschnitt 50 einen fluidischen Anschluss für das erste Kanalsystem 44 und einen fluidischen Anschluss für das zweite Kanalsystem 45 aufweist. Im gezeigten Beispiel sind der erste Einlass 6 und der zweite Einlass 9 an einem der Anschlussabschnitte 50 und der erste Auslass 7 sowie der zweite Auslass 10 an gegenüberliegenden Anschlussabschnitt 50 ausgebildet. Zudem weisen der erste Einlass 6 und der erste Auslass 7 die gleiche Form auf, während der zweite Einlass 9 und der zweite Auslass 10 die gleiche aber vom ersten Einlass 6 und ersten Auslass 7 unterschiedliche Form aufweisen, um eine Verwechslung beim Anschließen des Befeuchters 1 zu vermeiden. Insgesamt ist hierdurch eine möglichst kompakte, bauraumsparende und einfache Verwendung des Befeuchter 1 möglich.
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Um den zweiten Einlass 9 sowie den zweiten Auslass 10 fluidisch mit dem zweiten Kanalsystem 45 zu verbinden, weist der Hauptabschnitt 49 auf seinen den Anschlussabschnitten 50 zugewandten Seiten zwei in Höhenrichtung 11 voneinander getrennte Fluidverbindungen 55, 56 auf, die fluidisch voneinander getrennt sind. Zur Verbesserung der fluidischen Trennung zwischen der ersten fluidischen Verbindung 55 und der zweiten fluidischen Verbindung 56 ist die fluidische Verbindung 55 zusätzlich von einer Dichtung 57, vorliegend in Form eines PU-Schaums 57', umgeben und abgedichtet. Dabei ist die von der Dichtung 57 umgebene Fluidverbindung 55 mit dem ersten Einlass 6 bzw. dem ersten Auslass 7 verbunden, während die andere fluidische Verbindung 56 mit dem zweiten Einlass 9 bzw. dem zweiten Auslass 10 verbunden ist.
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In 21 ist ferner zu erkennen, dass der zweite Einlass 9 und der zweite Auslass 10 auf in Höhenrichtung 10 gegenüberliegenden Seiten der Anschlussabschnitte 50 angeordnet sind. Somit wird eine möglichst effektive Durchströmung des Befeuchterblocks 3 vom durch den zweiten Einlass 9 und den zweiten Auslass 10 strömenden zweiten Gas 8 erreicht.
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22 zeigt einen Schnitt durch den in 21 gezeigten Befeuchter 1. Darin ist zu erkennen, dass die an der Kante 43 der Anordnung 3 verlaufende Strebe 42 des Halters 41 L-förmig ausgebildet ist, so dass die Strebe 42 in Höhenrichtung 11 und Querrichtung 23 verlaufende Seiten des Befeuchterblocks 3 im Bereich der Kante 43 umgibt. Zudem liegt die Strebe 42 im Gehäuse 48 an und wird in Höhenrichtung 11 von einer Führungsschiene 58 gehalten, die parallel zur Strebe 42 in Längsrichtung 4 verläuft. Somit wird eine verbesserte gasdichte Trennung des ersten Kanalsystems 44 vom zweiten Kanalsystem 45 erreicht.
