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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft sie einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, in dem Strukturen/Gebilde zum Puffern und Beabstanden/Anordnen mit Abstand einer Mehrzahl von Hohlfasermembranen jeweils zwischen benachbarten der Hohlfasermembranen eingefügt/eingeschoben sind, um die benachbarten Hohlfasermembranen zu beabstanden.
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HINTERGRUND
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Im Allgemeinen ist eine Befeuchtung einer Elektrolytmembran in einer Brennstoffzelle wichtig für den Betrieb der Brennstoffzelle. Zu diesem Zweck wird eine Befeuchtungsvorrichtung verwendet. Eine solche Befeuchtungsvorrichtung arbeitet derart, so dass trockenes Gas, das von der Atmosphäre an eine Brennstoffzelle zugeführt wird, Feuchtigkeit mit feuchtem Gas, das von der Brennstoffzelle ausgetragen wird, austauscht.
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Es existiert eine Vielzahl von Befeuchtungsvorrichtungen, zum Beispiel eine Ultraschallbefeuchtungsvorrichtung, eine Dampfbefeuchtungsvorrichtung, eine Verdunstungsbefeuchtungsvorrichtung usw. Jedoch ist ein Membranbefeuchter unter Verwendung von Hohlfasermembranen als eine geeignete Befeuchtungsvorrichtung verwendet worden, die für Brennstoffzellen nutzbar ist.
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Zu diesem Zweck schlug die Anmelderin ein Brennstoffzellen-Membranmodul-Herstellungsverfahren vor, wie es in einer Patentanmeldung offenbart ist, worauf ein
koreanisches Patent mit der Nr. 10-1382672 erteilt worden ist (1. April 2014). In diesem Verfahren wird ein Membranmodul für eine Verwendung in einem Membranbefeuchter hergestellt durch Implementierung einer neuen Hohlfasermembran-Modulstruktur, in der eine kleine Anzahl von Hohlfasermembranen in/an einem mittleren Abschnitt des Moduls angeordnet wird, und eine schrittweise erhöhte Anzahl von Hohlfasermembranen ist in Richtung eines Umfangsabschnitts des Moduls angeordnet. Als solches wird eine gleichmäßige Befeuchtungsleistung in den gesamten Hohlfasermembranen erhalten, indem von einem Luftgebläse eingeführte trockene Luft in Richtung des Umfangsabschnitts des Moduls, wo eine erhöhte Anzahl von Hohlfasermembranen angeordnet ist, verteilt werden kann.
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Jedoch weist das oben erwähnte Patent die folgenden Nachteile auf.
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Zuerst kann in einem System mit variablem Druck, in dem der Druck der in einen Befeuchter eingeführten Luft hoch ist, ein Biegephänomen auftreten, in dem in einem Membranbefeuchter angeordnete Hohlfasermembranen in Richtung einer Seite geneigt sind, oder es kann eine Bruchgefahr der Hohlfasermembranen vorhanden sein. In diesem Fall kann die Befeuchtungsleistung stark gesenkt werden.
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Zweitens können in einem Prozess zum Gießen/Vergießen für eine verteilte/dispergierte Anordnung von Hohlfasermembranen die Hohlfasermembranen verdreht werden.
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Drittens, obwohl ein Raum für eine Beibehaltung des Abstandes zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen durch eine verteilte Anordnung der Hohlfasermembranen sichergestellt werden kann, besteht ein Nachteil einer Zunahme von unnötigem Raum/Platz.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung ist im Bestreben gemacht worden, um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, in dem separate Strukturen zum Puffern und Beabstanden einer Mehrzahl von Hohlfasermembranen in einem Membranbefeuchter jeweils zwischen benachbarten der Hohlfasermembranen eingefügt sind, nicht nur um die Hohlfasermembranen, die einer Luft mit hohem Druck ausgesetzt sind, zu puffern, sondern auch um einen gewünschten Abstand zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen beizubehalten, und als solches wird feuchte Luft zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen gleichmäßig zugeführt und trockene Luft wird in den Hohlfasermembranen gleichmäßig verteilt, wodurch eine Verbesserung der Befeuchtungsleistung erzielt wird.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Offenbarung bereit einen Membranbefeuchter mit Puffer- und Abstandsstrukturen, die jeweils eingefügt sind zwischen benachbarten einer Mehrzahl von Hohlfasermembranen, die in einem Gehäuse des Membranbefeuchters angeordnet sind, nicht nur um einen Druck der von einem Luftgebläse zugeführten Luft zu puffern, sondern auch um einen Abstand zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen beizubehalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können die Puffer- und Abstandsstrukturen derart angeordnet sein, so dass eine größte Anzahl von Puffer- und Abstandsstrukturen an einer mittleren/zentralen Seite angeordnet ist, und eine schrittweise/graduell reduzierte Anzahl von Puffer- und Abstandsstrukturen in Richtung einer Umfangsseite/Peripherieseite angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Puffer- und Abstandsstrukturen aus einem hydrophilen Material hergestellt sein.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Puffer- und Abstandsstrukturen einen größeren Durchmesser als die Hohlfasermembranen und eine Länge, die einer Länge der Hohlfasermembranen entspricht, aufweisen.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Puffer- und Abstandsstrukturen eine Form aufweisen, die ausgewählt wird aus einer geraden Form, einer Zick-Zack-Form, einer Vorsprung-/Nut-Form, einer Spiralfeder-Form, einer Crimp-Form und einer Maschenroll-Form.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können gegenüberliegende Enden der Puffer- und Abstandsstrukturen zusammen mit gegenüberliegenden Enden der Hohlfasermembranen unter Verwendung eines Vergussmaterials bzw. einer Vergussmasse vergossen sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können Öffnungen/Löcher/Bohrungen oder Nuten/Rillen zum Führen von feuchter Luft an jeder der Puffer- und Abstandsstrukturen in einer radialen Richtung der Puffer- und Abstandsstruktur gebildet sein.
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Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung werden nachfolgend erläutert.
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Die obigen und weiteren Merkmale der Offenbarung werden nachfolgend erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
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1 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Luftversorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem darstellt;
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2 eine Schnittdarstellung, die kurz eine Konfiguration eines herkömmlichen Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle darstellt;
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3 eine Schnittdarstellung, die einen Membranbefeuchter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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4 eine Schnittdarstellung, die einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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5 eine vertikale Schnittdarstellung, die kurz einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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6a bis 6e Ansichten, die Ausführungsformen einer Struktur zum Puffern und Beabstanden von Hohlfasermembranen in dem Membranbefeuchter gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen; und
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7 eine Ansicht, die ein Verfahren zum Vergießen/Gießen des Membranbefeuchters gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Offenbarung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Offenbarung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Offenbarung in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Offenbarung auf jene Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Offenbarung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Offenbarung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche beschrieben ist.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung werden eine Konfiguration und ein Betrieb eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle beschrieben.
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1 stellt ein Luftversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems dar. 2 stellt eine Konfiguration eines herkömmlichen Membranbefeuchters, der in dem Luftversorgungssystem umfasst ist, dar.
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Das Brennstoffzellensystem kann umfassen ein Brennstoffversorgungssystem zum Zuführen von Brennstoff (Wasserstoff) an einen Brennstoffzellenstapel, ein Luftversorgungssystem zum Zuführen, an den Brennstoffzellenstapel, von Sauerstoff, der in Luft enthalten ist, als ein Oxidationsmittel für eine elektrochemische Reaktion, eine Wärme- und Wasser-Management-System zum Steuern/Regeln einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, und einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von elektrischer Energie, im Wesentlichen unter Verwendung von Wasserstoff und Luft.
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Demzufolge, wenn Wasserstoff von dem Brennstoffversorgungssystem an eine Anode des Stapels zugeführt wird, und Sauerstoff von dem Luftversorgungssystem an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, findet eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode statt und als solches werden Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeug. Die erzeugten Wasserstoffionen und Elektronen bewegen sich an die Kathode durch eine Elektrolytmembran und eine Trennplatte. An der Kathode wird eine elektrochemische Reaktion durch die Protonen und Elektronen, die von der Anode bewegt werden, und dem zugeführten Sauerstoff erzeugt, und als solches wird Wasser erzeugt und elektrische Energie wird durch den Fluss von Elektronen erzeugt.
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Wie in 1 dargestellt, kann das Luftversorgungssystem einen Membranbefeuchter 100 und ein Luftgebläse 202 umfassen, um befeuchtete Luft (Sauerstoff) an den Brennstoffzellenstapel 200 zuzuführen.
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Demzufolge wird trockene Umgebungsluft an eine Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 gemäß einem Ansaugvorgang des Luftgebläses 202 zugeführt. Zur gleichen Zeit strömt Abgas (feuchte Luft), das von dem Brennstoffzellenstapel 200 nach der Reaktion abgeführt wird, durch den Membranbefeuchter 100 und als solches durchdringt die in dem Abgas enthaltene Feuchtigkeit die Hohlfasermembran, wodurch die trockene Luft befeuchtet wird.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst der herkömmliche Membranbefeuchter 100 ein Gehäuse 101, wobei an einem Ende desselben ein Versorgungsanschluss 102, in den trockene Luft von dem Luftgebläse 202 eingeführt wird, gebildet ist, und wobei an dem anderen Ende desselben eine Auslassöffnung 103, von der befeuchtete Luft abgeführt wird, gebildet ist. Ein Hohlfasermembranbündel mit einer Mehrzahl von dichten Hohlfasermembranen 106 ist in dem Gehäuse 101 gemäß einem typischen Gießverfahren aufgenommen.
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Ein Einlass 104 ist an der einer Seite eines Umfangsabschnitts des Gehäuses 101 zur Einführung/Einleitung von feuchter Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, gebildet. Ein Auslass 105 ist ebenfalls an einer gegenüberliegenden Seite des Umfangsabschnitts des Gehäuses 101 zur Abführung der Luft, die gemäß der Entfernung von Feuchtigkeit von der eingeführten feuchten Luft erzeugt wird, gebildet.
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Demzufolge, wenn von dem Brennstoffzellenstapel nach der Reaktion abgeführtes Abgas, nämlich feuchte Luft, von dem Einlass 104 des Gehäuses 101 an die Hohlfasermembranen 106 zugeführt wird, wird Feuchtigkeit der feuchten Luft von der feuchten Luft gemäß der Kapillarwirkung von jeder der Hohlfasermembranen 106 abgeschieden. Die abgeschiedene Feuchtigkeit wird kondensiert, während sie Kapillarröhrchen der Hohlfasermembranen 106 durchdringt und bewegt sich als solche durch das Innere der Hohlfasermembranen 106.
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Anschließend wird Luft, die gemäß der Abscheidung von Feuchtigkeit von feuchter Luft erzeugt wird, durch den Auslass 105 des Gehäuses 101 nach einem Bewegen entlang der Außenseiten der Hohlfasermembranen 106 direkt abgeführt.
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Zur gleichen Zeit wird Umgebungsluft (trockene Luft) durch den Versorgungsanschluss 102 des Gehäuses 101 gemäß dem Antreiben des Luftgebläses 202 zugeführt. Die trockene Luft, die durch den Versorgungsanschluss 102 zugeführt wird, bewegt sich durch das Innere der Hohlfasermembranen 106. Zu diesem Zeitpunkt ist die von der feuchten Luft abgeschiedene Feuchtigkeit bereits an das Innere der Hohlfasermembranen 106 bewegt worden und als solche wird die trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet. Die befeuchtete Luft wird an die Kathode des Brennstoffzellenstapels durch die Auslassöffnung 103 zugeführt.
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Jedoch weist das Hohlfasermembranbündel eine dichte Struktur der Mehrzahl von Hohlfasermembranen 106 auf und als solches kann es für die feuchte Luft, die durch den Einlass 104 eingeführt wird, schwierig sein, in das Innere des Hohlfasermembranbündels einzudringen. Weiterhin, da die Diffusionsrate von feuchter Luft, die durch die Hohlfasermembranen 106 diffundiert, sehr niedrig ist, hat die feuchte Luft große Schwierigkeiten, in das Innere der Hohlfasermembranen 106 einzudringen.
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Insbesondere strömt in dem Innenraum des Gehäuses 101 feuchte Luft, die durch das Äußere des Bündels der Hohlfasermembranen 106 strömt, hauptsächlich entlang der Hohlfasermembranen 106, die an einem Umfangsabschnitt des Hohlfasermembranbündels angeordnet sind, ohne gleichmäßig in den zentralen/mittleren Abschnitt des Hohlfasermembranbündels einzudringen. Als ein Ergebnis wird die Befeuchtungsleistung der trockenen Luft verringert.
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Im Folgenden wird eine Konfiguration eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung, die einen Membranbefeuchter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 4 zeigt eine Schnittdarstellung, die einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Wie in 3 und 4 dargestellt, kann der Membranbefeuchter 100 umfassen ein Gehäuse 101, wobei an einem Ende desselben ein Versorgungsanschluss 102, in den trockene Luft von dem Luftgebläse 202 eingeführt wird, gebildet ist, und wobei an dem anderen Ende desselben eine Auslassöffnung 103, von der befeuchtete Luft abgeführt wird, gebildet ist. Ein Hohlfasermembranbündel mit einer Mehrzahl von dichten Hohlfasermembranen 106 ist in dem Gehäuse 101 aufgenommen.
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Ein Einlass 104 ist an einer Seite eines Umfangsabschnitts des Gehäuses 101 zur Einführung/Einleitung von feuchter Luft, die von einem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, gebildet. Ein Auslass 105 ist ebenfalls an einer gegenüberliegenden Seite des Umfangsabschnitts des Gehäuses 101 zur Abführung der Luft, die gemäß der Entfernung von Feuchtigkeit von der eingeführten feuchten Luft erzeugt wird, gebildet.
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Die vorliegende Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass Strukturen 110 zum Puffern und Beabstanden von Hohlfasermembranen jeweils zwischen benachbarten der Mehrzahl von in dem Gehäuse 101 angeordneten Hohlfasermembranen 106 eingefügt sind.
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Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in 3 dargestellt ist, sind jeweils gerade Strukturen 110 zum Puffern und Beabstanden der Hohlfasermembranen, die einen größeren Durchmesser als jede Hohlfasermembran 106 aufweisen, während sie die gleiche Länge wie jede Hohlfasermembran 106 aufweisen, zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106 eingefügt.
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Alternativ sind gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung Crimp-förmige Strukturen 110 zum Puffern und Beabstanden der Hohlfasermembranen, die eine größere vertikale Breite als der Durchmesser von jeder Hohlfasermembran 106 aufweisen, während sie die gleiche Länge wie jede Hohlfasermembran 106 aufweisen, jeweils zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106 eingefügt.
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Andererseits, wie in 6 dargestellt, können die jeweils zwischen die benachbarten Hohlfasermembranen 106 eingefügten Puffer- und Abstandsstrukturen 110 außer einer geraden Form (6(a)) eine Form aufweisen, die ausgewählt wird aus einer Zick-Zack-Form (6(b)), einer Vorsprung-/Nut-Form (6(c)), einer Schraubenfeder-Form (6(d)) und einer zylindrischen Maschenroll-Form (6(e)).
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Die Puffer- und Abstandsstrukturen 110, die wie oben beschrieben verschiedene Formen aufweisen können, sind jeweils zwischen benachbarten der gebündelten Hohlfasermembranen 106 eingefügt, und arbeiten/wirken als solche nicht nur zum Puffern und Stützen/Lagern der benachbarten Hohlfasermembranen 106, um zu verhindern, dass die benachbarten Hohlfasermembranen 106 durch den Druck der von dem Luftgebläse zugeführten Luft gebogen oder gebrochen werden, sondern arbeiten/wirken auch, um einen gewünschten Abstand zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106 beizubehalten, um einen Strömungskanal für feuchte Luft zu bilden.
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Vorzugsweise, wie in 5 dargestellt, sind die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 derart angeordnet, so dass eine größte Anzahl von Puffer- und Abstandsstrukturen 110 dicht an einem zentralen/mittleren Abschnitt des Hohlfasermembranbündels angeordnet ist, und eine allmählich/schrittweise verringerte Anzahl von Puffer- und Abstandsstrukturen 110 ist in Richtung eines Umfangabschnitts des Hohlfasermembranbündels angeordnet. Dies beruht darauf, weil feuchte Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel nach der Reaktion ausgestoßen wird, nicht gleichmäßig in den zentralen Abschnitt des Hohlfasermembranbündels eindringen kann, nachdem sie an den Umfangsabschnitt des Hohlfasermembranbündels zugeführt wird.
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Gemäß einer solchen Anordnung der Puffer- und Abstandsstrukturen 110 sind die an dem zentralen Abschnitt des Hohlfasermembranbündels angeordneten Hohlfasermembranen 106 zur Bildung von Strömungskanälen für feuchte Luft durch einen vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet. Demzufolge kann feuchte Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel nach der Reaktion ausgestoßen wird, gleichmäßig in den zentralen Abschnitt des Hohlfasermembranbündels eindringen, nachdem sie an den Umfangsabschnitt des Hohlfasermembranbündels zugeführt wird.
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Unterdessen, wenn die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 aus einem hydrophilen Material hergestellt sind (zum Beispiel das gleiche Material wie die Hohlfasermembranen), kann die Feuchtigkeit der feuchten Luft einfacher an die Hohlfasermembranen 106 neben jeder Struktur 110 gleichzeitig unter Bildung von Tautropfen auf der Struktur 110 übertragen werden. Demzufolge können die Befeuchtungswirkungen der Hohlfasermembranen für trockene Luft weiter verbessert werden.
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Wenn die oben beschriebenen Puffer- und Abstandsstrukturen jeweils zwischen benachbarte Hohlfasermembranen 106 eingefügt werden, kann es eine Einschränkung in der Sicherstellung eines größeren Strömungskanals für feuchte Luft geben, nämlich einen größeren Raum zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106, weil eine Kontaktoberfläche zwischen jeder Struktur 110 und jeder Hohlfasermembran 106, die neben der Struktur 110 angeordnet ist, vorhanden ist.
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Unter Berücksichtigung einer solchen Einschränkung sind Löcher/Bohrungen/Öffnungen oder Nuten/Rillen 112 zum Führen von feuchter Luft zusätzlich an jeder Struktur 110 in einer radialen Richtung der Struktur 110 gebildet und als solches kann es möglich sein, die Kontaktoberfläche zwischen der Struktur 110 und jeder der entsprechenden Hohlfasermembranen 106 zu reduzieren. Demzufolge, wenn feuchte Luft an den Raum zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106 geführt wird, wird die Fläche der feuchten Luft, mit der die Hohlfasermembranen in Kontakt stehen, erhöht, und als solches können Befeuchtungseffekte der Hohlfasermembranen für trockene Luft weiter verbessert werden.
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Indessen kann ein Befestigen/Fixieren der Puffer- und Abstandsstrukturen 110 zwischen den Hohlfasermembranen 106 durch Vergießen der Strukturen 110 unter Verwendung eines Vergussmaterials zusammen mit den Hohlfasermembranen 106 nach einem Vergießen der Hohlfasermembranen 106 erreicht werden.
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Das heißt, wie in 7 dargestellt, sind die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 jeweils an einer gewünschten Position zwischen benachbarten der gebündelten Hohlfasermembranen 106 angeordnet und gegenüberliegende Enden jeder Struktur 110 und gegenüberliegende Enden jeder Hohlfasermembran 106 werden dann durch ein Vergussmaterial 108, nämlich ein Polymer-Spritzgussharz, in einer Gießvorrichtung unter Verwendung der Zentrifugalkraft vergossen. Somit werden die Hohlfasermembranen 106 und die Strukturen 110 leicht in einem Zustand befestigt, in dem jede Struktur 110 zwischen die benachbarten Hohlfasermembranen 106 eingefügt ist.
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Nachstehend wird ein Befeuchtungsvorgang gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
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Wenn Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und gleichzeitig Sauerstoff von dem Luftversorgungssystem an die Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, tritt eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode auf und als solches werden Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt. Die erzeugten Protonen und Elektronen bewegen sich zu der Kathode durch eine Elektrolytmembran und eine Trennplatte. An der Kathode wird eine elektrochemische Reaktion durch die Protonen und die Elektronen, die von der Anode bewegt werden, und dem zugeführten Sauerstoff erzeugt, und als solches wird Wasser erzeugt und gleichzeitig wird elektrische Energie durch einen Fluss von Elektronen erzeugt.
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Abgas wird von dem Stapel nach der oben beschriebenen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel abgeführt. Das Abgas ist feuchte Luft.
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Demzufolge, wenn von dem Brennstoffzellenstapel nach einer Reaktion abgeführtes Abgas, nämlich feuchte Luft, zuerst von dem Einlass 104 des Gehäuses 101 an die Hohlfasermembranen 106 an dem Umfangsabschnitt des Hohlfasermembranbündels zugeführt wird, kann die feuchte Luft gleichmäßig nicht nur die Umfangsseite der Hohlfasermembranen 106, sondern kann ebenfalls die Hohlfasermembranen 106 an dem zentralen/mittleren Abschnitt des Hohlfasermembranbündels durchdringen, weil die Hohlfasermembranen 106 an dem zentralen Abschnitt des Hohlfasermembranbündels gleichmäßig voneinander durch einen vorgegebenen Abstand durch die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 zur Bildung von Strömungskanälen für feuchte Luft beabstandet sind.
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Unterdessen sind die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 aus einem hydrophilen Material (zum Beispiel das gleiche Material wie die Hohlfasermembranen) hergestellt und als solches kann Feuchtigkeit von feuchter Luft einfacher an die Hohlfasermembranen 106 neben jeder Struktur 110 gleichzeitig unter Bildung von Tautropfen auf der Struktur 110 übertragen werden.
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Darüber hinaus kann feuchte Luft einfacher jede Hohlfasermembran 106 durch die Löcher/Bohrungen oder Nuten/Rillen 112 zum Führen von feuchter Luft, die an jeder Struktur 110 in einer radialen Richtung der Struktur 110 gebildet sind, durchdringen.
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Feuchtigkeit der feuchten Luft, die wie oben beschrieben eindringt/durchdringt, wird von der feuchten Luft zufolge der Kapillarwirkung von jeder Hohlfasermembran 106 abgeschieden. Die abgeschiedene Feuchtigkeit wird während eines Permeierens von Kapillarrohren/Kapillarröhrchen der Hohlfasermembranen 106 kondensiert und bewegt sich als solche durch das Innere der Hohlfasermembranen 106.
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Zur gleichen Zeit wird Umgebungsluft (trockene Luft) durch die Versorgungsöffnung 102 des Gehäuses 101 gemäß einem Antreiben des Luftgebläses 202 zugeführt. Die trockene Luft, die durch die Versorgungsöffnung 102 zugeführt wird, bewegt sich durch das Innere der Hohlfasermembranen 106. Zu diesem Zeitpunkt ist Feuchtigkeit, die von der feuchten Luft abgeschieden wird, bereits an das Innere der Hohlfasermembranen 106 bewegt worden und als solche wird die trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet. Die befeuchtete Luft wird an die Kathode des Brennstoffzellenstapels durch die Auslassöffnung 103 zugeführt.
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Unterdessen bewegt sich Luft, die zufolge der Abscheidung von Feuchtigkeit von der feuchten Luft erzeugt wird, entlang der Außenseiten der Hohlfasermembranen 106, um direkt an die Außenseite/nach außen durch den Auslass 105 des Gehäuses 101 ausgestoßen zu werden.
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Somit kann feuchte Luft leichter zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen 106 eindringen, so dass es möglich sein kann, auf einfache Weise einen Abstand zwischen den Hohlfasermembranen 106 (insbesondere zwischen den zentralen/mittleren Hohlfasermembranen 106), nämlich einen Strömungskanal für feuchte Luft durch die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 sicherzustellen, wobei die Strukturen 110 aus einem hydrophilen Material hergestellt sind und die Löcher/Bohrungen oder Nuten/Rillen 112 zum Führen/Leiten der feuchten Luft an jeder Struktur 110 in einer radialen Richtung der Struktur 110 gebildet sind. Als ein Ergebnis kann die Befeuchtungsleistung des Membranbefeuchter im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen verbessert werden.
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Unterdessen kann in einem System mit variablem Druck, in dem der Druck der in einen Befeuchter von dem Luftgebläse 202 eingeführten Luft hoch ist, ein Biegephänomen auftreten, in dem in einem Membranbefeuchter angeordnete Hohlfasermembranen in Richtung einer Seite geneigt sind, oder es kann eine Bruchgefahr der Hohlfasermembranen auftreten. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann es jedoch, auch wenn hoher Druck der Luft auf die Hohlfasermembranen 106 ausgeübt wird, möglich sein, ein Phänomen, in dem die Hohlfasermembranen 106 in Richtung einer Seite gebogen oder gebrochen werden, zu verhindern, weil die Puffer- und Abstandsstrukturen 110 die Hohlfasermembranen 106 stützen und puffern.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, stellt die vorliegende Offenbarung die folgenden Effekte/Wirkungen bereit.
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Erstens, wenn hoher Druck der Luft auf die Hohlfasermembranen zufolge einer Verwendung eines System mit variablem Druck, in dem der Druck der in den Befeuchter von einem Luftgebläse eingeführten Luft hoch ist, aufgebracht wird, kann es möglich sein, ein Phänomen, in dem die Hohlfasermembranen in Richtung einer Seite gebogen oder gebrochen werden, durch Stütz- und Pufferfunktionen der Strukturen zum Puffern und Beabstanden von Hohlfasermembranen, die zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen angeordnet sind, zu verhindern.
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Zweitens, da die Hohlfasermembranen durch einen vorgegebenen Abstand durch die Strukturen zum Puffern und Beabstanden von Hohlfasermembranen voneinander beabstandet sind, kann es möglich sein, feuchte Luft zwischen den benachbarten Hohlfasermembranen gleichmäßig zuzuführen und trockene Luft in das Innere der Hohlfasermembranen gleichmäßig zu verteilen. Demzufolge kann eine Verbesserung der Befeuchtungsleistung erreicht werden.
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Drittens, da die Strukturen zum Puffern und Beabstanden der Hohlfasermembranen zusammen mit den Hohlfasermembranen nach einem Vergießen von gegenüberliegenden Enden der Hohlfasermembranen unter Verwendung eines Vergussmaterials vergossen werden/sind, kann es möglich sein, ein Phänomen, in dem die Hohlfasermembranen während eines Prozesses zum Vergießen verdreht werden, durch die Stütz- und Pufferfunktionen der Strukturen zu verhindern.
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Viertens kann feuchte Luft gleichmäßiger zwischen benachbarten Hohlfasermembranen strömen, weil die Strukturen zum Puffern und Beabstanden der Hohlfasermembranen aus einem hydrophilen Material hergestellt sind und Löcher oder Rillen zum Führen/Leiten von feuchter Luft an jeder Struktur in einer radialen Richtung der Struktur gebildet sind. Demzufolge kann eine Befeuchtungsleistung weiter verbessert werden.
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Die Offenbarung ist unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben worden. Es versteht sich jedoch für einen Durchschnittsfachmann, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei der Umfang derselben in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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