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Die Erfindung betrifft ein Membranmodul nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Membranmoduls nach der im Oberbegriff des Anspruchs 6 näher definierten Art. Abschließend betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung eines derartigen Membranmoduls.
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Aus dem Bereich der Belüftungstechnik sind Vorrichtungen zum Konditionieren von Gasen bekannt, bei welchen über Membranen ein Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gasen stattfindet. Hierzu sei beispielsweise auf die
DE 195 45 335 A1 verwiesen. Die Membranen sind dabei flächig ausgebildet und weisen den Nachteil auf, dass vergleichsweise große Flächen für den Austausch der Feuchtigkeit benötigt werden.
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In der
DE 100 45 482 A1 sowie der
DE 100 59 910 A1 sind darüber hinaus für den o. g. Einsatzzweck Hohlfasern als Membranen beschrieben, welche den Vorteil sehr viel größerer Oberflächen im Vergleich zu flächigen Membranen bieten. Derartige Ausbauten lassen sich daher weitaus kleiner bei vergleichbarer Austauschleistung bauen.
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Üblicherweise sind derartige Aufbauten so ausgebildet, dass die Hohlfasern zu einem Bündel zusammengefasst sind, welches einen von einem der Gasströme durchströmten Raum durchdringt. Die Hohlfasern selbst sind gegenüber diesem Raum abgedichtet und werden ihrerseits von dem anderen der Gasströme durchströmt. Bei einem vergleichsweise kleinen Aufbau lässt sich so ein Membranmodul für den Feuchtigkeitsaustausch erzielen, welches relativ große Mengen an Feuchtigkeit zwischen relativ großen Volumenströmen des Gases austauschen kann.
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Bei üblichen Aufbauten, welche z. B. Massenströme in der Größenordnung von mehr als 100 kg/h aufnehmen können, stellt sich hier jedoch der massive Nachteil ein, dass die einzelnen Hohlfasern ungleichmäßig von dem in dem Raum befindlichen Gasstrom angeströmt werden. So wird beispielsweise in den außen im Bündel liegenden Hohlfasern eine weitaus größere Menge an Feuchtigkeit ausgetauscht als an den weiter innen liegenden Hohlfasern. Da sich der durch die Hohlfasern strömende Gasanteil nicht zwischen den einzelnen Hohlfasern austauschen kann, kommt es so zu einer sehr ungleichmäßigen Trocknung bzw. Befeuchtung dieses Gasstroms. Wird ein derartig aufgebautes Membranmodul nun als Wasserrückgewinnungsmoduleingesetzt, so ist in nachteiliger Weise entweder ein vergrößertes Bauvolumen notwendig oder es kann nur ein Teil des Wassers zurückgewonnen werden.
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Außerdem kennt der Stand der Technik aus der
US 6,007,931 A derartige auf Basis einer Membran arbeitende Befeuchtungsmodule zur Befeuchtung eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms einerseits und zur Wasserrückgewinnung aus einem feuchten Abgasstrom der Brennstoffzelle andererseits. Neben einer möglichst homogenen Befeuchtung, welche die Polymerelektrolytmembran der üblicherweise eingesetzten Brennstoffzellen zum reibungslosen Betrieb der Brennstoffzelle benötigt, spielt hierbei auch die möglichst vollständige Rückgewinnung des Wassers aus dem Abgas eine entscheidende Rolle, da insbesondere bei mobilen Systemen auf ein Nachtanken von Wasser verzichtet werden soll.
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Die Aufbauten der oben genannten Art können die Anforderungen an derartige Wasserrückgewinnung bzw. Befeuchtungsmodule also nicht oder nur unzureichend erfüllen.
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Ein weiterer Lösungsvorschlag findet sich in der ebenfalls nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 23 113 . Darin sind sehr effiziente Hohlfasern beschreiben, welche eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Ein Membranmodul aus zumindest teilweise derartigen Hohlfasern kann einen sehr guten Stoffaustausch bewirken. Allerdings sind die derartigen Hohlfasern gegenüber glatten Hohlfasern vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv in der Herstellung.
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Die Druckschrift
DE 696 28 101 T2 offenbart ein Gewebe aus Hohlfasermembranen. Die Hohlfasern sind miteinander verwoben und bilden eine netzartige Struktur. Dabei liegen die Hohlfasermembranen an den Kreuzungsstellen zwischen Kett-Hohlfasermembranen und Schuss-Hohlfasermembranen direkt aufeinander auf, haben also direkten Kontakt zueinander.
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Die Druckschrift
DE 43 22 278 A1 offenbart Kapillarmembranbündel, also Membranmodule, bei denen die Kapillaren bzw. Hohlfasermembranen in exakt definierbaren Abständen zueinander, also beabstandet, auf Streifen z. B. aus Papier befestigt sind.
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Die Druckschrift
DE 43 08 850 A1 offenbart Hohlfadenmatten, bei denen Hohlfäden – diese entsprechen Hohlfasermembranen – mit Hilfe von üblichen Kettfäden miteinander verwoben werden. Die Hohlfasermembranen sind als Endlosfäden ausgebildet und werden in Form von Schleifen verwoben.
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In dem Patent
DE 195 08 895 C1 sind Hohlfadenbündel, also ein Hohlfasermembranbündel, beschrieben, welches mehrere Teilbündel enthält, wobei jedes Teilbündel mindestens drei Hohlfäden enthält, welche um einen Stützfaden herum angeordnet und mit mindestens einem Wickelfaden umwickelt sind. Die Teilbündel sind durch die Dicke des Wickelfadens voneinander beabstandet.
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Die Druckschrift
DE 44 12 756 A1 zeigt Schläuche, die über Stege miteinander verbunden sind.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 28 25 065 A1 geht eine Matte aus Hohlfasern hervor, bei der die Hohlfasern mittels Kettfäden oder Webfäden zusammengehalten sind. Die Hohlfasermatte kann bei der Herstellung eines Hohlfaserdialysators oder Hämofilters auf einen Kern aufgerollt werden.
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Angesichts des o. g. Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Membranmodul sowie die Herstellung eines Membranmoduls gemäß der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Baugröße des Membranmoduls bei gleichem möglichen Stoffaustausch unter der Möglichkeit der Verwendung kostengünstiger Herstellungsmethoden und Materialien (Hohlfasern) miniert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 näher definierten Merkmale gelöst.
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Durch die beabstandete Anordnung auf dem Matrixmaterial wird sichergestellt, dass die einzelnen Hohlfasern am wenigstens annähernd größten Teil ihrer äußeren Oberfläche von einem Medium angeströmt werden können, welches das gasförmige Wasser entweder abgibt oder aufnimmt. Für den Wasseraustausch mit dem anderen in den Hohlfasern strömenden Medium, welches das gasförmige Wasser dementsprechend entweder aufnimmt oder abgibt, wird somit die größtmögliche Oberfläche bereitgestellt. Die Effizienz des Wasseraustauschs wird dadurch bei kleiner Baugröße des Membranmoduls sehr groß, während sich bei herkömmlichen Membranmodulen die einzelnen Hohlfasern über große Teile berühren und dadurch die anströmbare äußere Oberfläche der einzelnen Hohlfasern reduziert ist.
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Gegenüber Strukturen, welche als ”Abstandshalter” zwischen den Hohlfasern unmittelbar in oder auf die Oberfläche der Hohlfasern integriert sind, bietet die erfindungsgemäße Lösung zusätzlich den Vorteil einfacherer und kostengünstigerer Hohlfasern.
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Das Matrixmaterial selbst, welches gemäß der erfindungsgemäßen Idee als eine netzartige Struktur ausgebildet ist, sollte dabei die Durchströmbarkeit mit dem einen der Medienströme wie einen Abstand zwischen den einzelnen Hohlfasern ebenso sicherstellen. Das Matrixmaterial wird sich aber in jedem Falle, diesem Medienstrom zumindest geringfügig entgegenstellen, so dass es in diesem zu einer turbulenten Strömung kommt. Mit einer derartigen turbulenten Strömung lässt sich jedoch ein deutlich besserer Stoffaustausch erzielen, als dies mit einer laminaren Strömung der Fall wäre. Das Matrixmaterial stellt für den verbesserten Stoffaustausch und damit für die bei gleicher Austauschrate zu erzielenden Baugröße einen weiteren Vorteil der Erfindung dar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Hohlfasern eine strukturierte Oberfläche aufweist.
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Die Struktur würde dabei die Oberfläche noch weiter vergrößern und den Stoffaustausch nochmals verbessern. Als Struktur müssten jedoch nicht die vergleichsweise aufwändigen oben genannten ”Abstandshalter” Verwendung finden, sondern es würde eine deutlich einfacher zu erzielenden Aufrauung der Oberfläche bereits ausreichen um den Effekt zu erzielen.
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In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial selbst eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
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Auch dies dient in vorteilhafter Weise der Erzeugung einer turbulenteren Strömung und unterstützt damit den Stoffaustausch je Oberflächeneinheit.
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Sofern, die Hohlfasern gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung fest mit dem Matrixmaterial verbunden werden, so dass ein leicht zu handhabender Matrix-Hohlfaserverbund als eine Art Halbzeug entsteht, dann können, im Falle einer Verklebung des Matrixmaterials mit den Hohlfasern die strukturierten/aufgerauten Oberflächen der Hohlfaser und/oder der Matrix außerdem hinsichtlich der Haftung des Klebers an den Oberflächen von Vorteil sein.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Membranmoduls, welches die oben genannte Aufgabe ebenfalls löst, wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird zuerst ein Verbund aus dem Matrixmaterial und den Hohlfasern hergestellt. Dieser kann dann als eine Art Halbzeug dienen. Aus einer, in Abhängigkeit von der gewünschten Größe des Membranmoduls zu bestimmenden Menge dieses Halbzeug wird dann das Membranmodul zusammengefasst. Dieses Zusammenfassen wird dabei typischerweise das Abdichten der Innenseiten der Hohlfasern gegenüber dem ihre Außenseiten umgebenden Raum sowie ggf. den Einbau in ein Gehäuse oder dergleichen umfassen.
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Der Verbund ist dabei in besonders vorteilhafter Weise sehr leicht zu handhaben. So kann beispielsweise durch die Fläche des Verbunds die Anzahl an einzelnen Fasern und damit die als Austauschfläche zur Verfügung stehenden Oberfläche festgelegt werden. Benötigt man nun ein Membranmodul mit einer vorgegebenen Austauschrate bzw. -leistung so kann sehr einfach auf die benötigte Fläche des Verbunds zurückgeschlossen werden. Für das Membranmodul wird dann also eine bestimmte festlegbare Fläche des Halbzeugs benötigt. Damit wird eine sehr flexible und dennoch sehr effiziente Herstellung verschiedener Membranmodul sehr einfach möglich.
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Durch die Verwendung des Halbzeuges ist außerdem immer sichergestellt, dass ohne zusätzlichen Aufwand oder Herstellungsschritt sowohl die einzelnen Hohlfasern, als auch die einzelnen Lagen des Halbzeuges immer ausreichend beabstandet zueinander verbleiben. Die Anströmung jeder einzelnen Hohlfaser ist damit in der eingangs schon beschriebene vorteilhaften Art nahezu über deren gesamte Oberfläche möglich.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften und effektiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird der Verbund aus Matrixmaterial und Hohlfasern beim Zusammenfassen aufgewickelt.
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Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Herstellung und die gezielt, für jedes Membranmodul individuelle Dimensionierung besonders einfach. Das Halbzeug kann beispielsweise auf einer Rolle bevorratet werden, von welcher dann ein der benötigten Fläche entsprechendes Stück abgewickelt, abgetrennt und dann wieder zu dem Membranmodul aufgewickelt wird.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgt das Aufwickeln um die Längsachse der Hohlfasern.
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Der so entstehende ”Wickel” entspricht in seiner Außenkontur und der Anordnung der einzelnen Hohlfasern im Wesentlichen einem herkömmlichen Hohlfaserbündel. Er kann daher in derselben Art und Weise wie herkömmliche Aufbauten abgedichtet, z. B. durch Vergießen des Bereichs unterhalb der Faserenden mit einem aushärtenden Kunststoff oder Harz, und montiert werden, so dass hierfür keine eigenen Techniken/Maschinen etc. notwendig werden. Die bestehende Infrastruktur kann weitergenutzt werden, wobei sich die eingangs genannten Vorteile des Membranmoduls zusätzlich ergeben.
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Eine besonders günstige Verwendung für ein derartiges Membranmodul ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Die eingangs beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Membranmoduls mit hoher Austauschrate bei kleinstem Bauraum bieten entscheidende Vorteile bei der Anordnung des Membranmoduls und beim Packaging des Brennstoffzellensystems. Besonders günstig ist dies z. B. bei Brennstoffzellensystemen, welche als Hilfsenergieerzeuger (APU/auxiliary power unit) eingesetzt werden, also beispielsweise Energie für vom Antrieb unabhängig zu betreibende elektrische Verbraucher in einem Fahrzeug liefern, da hier eine leichte, robuste, wartungsarme und vor allem kompakte Bauweise von besonderer Bedeutung ist.
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Das oben genannte Herstellungsverfahren ist bei derartigen in ihrer Leistung über einen großen Bereich variierenden Brennstoffzellensystemen sehr günstig, da der Verbund aus Matrixmaterial und Hohlfasern sehr einfach, kostengünstig und schnell die Herstellung unterschiedlicher Membranmodule, welche in ihrer Austauschrate jeweils exakt an die jeweilige Leistung des Brennstoffzellensystems angepasst sind, erlaubt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßige Darstellung eines Membranmoduls als Befeuchtungs- und Wasserrückgewinnungsmodul in einem Brennstoffzellensystem;
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2 eine Darstellung des Verbunds aus Hohlfasern und Matrixmaterial;
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3 ein dreidimensionale Ansicht eines Bereich des zu einem Membranmodul komplettierten Verbunds;
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4 eine weitere Möglichkeit den Verbund zu einem Membranmodul zusammenzufassen; und
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5 eine weitere alternative Möglichkeit den Verbund zu einem Membranmodul zusammenzufassen.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 erkennbar, welches zumindest einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 bestehen jeweils aus einem Anodenraum 3 und einem im Wesentlichen durch eine PEM (Polymer Elektrolyt Membran) und geeignete Elektroden, welche zusammen eine sogenannte MEA 4 (Membran Elektroden Anordnung) bilden davon abgetrennten Kathodenraum 5.
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Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 1 ein sogenanntes Membranmodul 6 auf, in welchem ein erster Gasstrom, hier der über eine Kompressionseinrichtung 7 geförderte Zuluftstrom 8 zu dem Kathodenraum 5, durch Membranen 9 von einem zweiten Gasstrom, hier einem Abgasstrom 10 aus dem Brennstoffzellenstapel 2, getrennt ist. Die Membranen 9, welche hier insbesondere als Hohlfasermembranen bzw. Hohlfasern 9 ausgebildet sind, sind dabei für gasförmiges Wasser selektiv durchlässig. Es kommt deshalb durch die Hohlfasern 9 hindurch zu einem Stoffaustausch zwischen den beiden Gasströmen 8, 10, wobei es sich hierbei insbesondere um einen Feuchtigkeitsaustausch handelt. Der Abgasstrom 10 des Brennstoffzellenstapels 2 wird dabei insbesondere das Abgas aus dem Bereich des Kathodenraums 5 beinhalten, welches das in dem Brennstoffzellenstapel 2 anfallende Produktwasser mit sich führt und sich daher besonders gut zur Befeuchtung des Gasstroms 8 eignet. Zusätzlich zu dem Abgas aus dem Bereich des Kathodenraums 5 könnte theoretisch auch der Abgasstrom 10 außerdem das Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 3, wie es in 1 optional angedeutet ist, beinhaltet sein. Je nach Ausführung des Brennstoffzellensystems 1 wird der durch das Membranmodul 6 getrocknete Abgasstrom 10 dann einer weiteren Komponente, wie beispielsweise einem katalytischen Brenner 11 zur thermischen Energiegewinnung oder dergleichen, zugeführt.
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Bei dem Gasstrom 8, welcher in diesem Falle befeuchtet wird, also das gasförmige Wasser aus dem Abgasstrom 10 durch die Hohlfasern 9 hindurch aufnimmt, handelt es sich, wie bereits oben ausgeführt, zumindest um den Zuluftstrom 8 zu dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 2. Zusätzlich kann von diesem nach dem Membranmodul 6 befeuchteten Luftstrom 8 ein Eduktstrom 8a abgezweigt werden, welcher dann als Ausgangsstoff für weitere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Gaserzeugungssystem 12, verwendet werden kann.
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In einem derartigen Gaserzeugungssystem 12, welches bei dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 als optionale Ausgestaltungsvariante zu sehen ist, wird beispielsweise aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffderivat, wie z. B. Benzin, Diesel oder Methanol, aus Wasser und gegebenenfalls aus Luft ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt, welches dann zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt werden kann. Wie oben bereits erläutert, kann dabei zumindest ein Teil des benötigten Wassers über den Eduktstrom 8a aus dem Membranmodul 6 stammen.
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Alternativ zu dieser Ausgestaltung mit dem aus dem Stand der Technik an sich bekannten Gaserzeugungssystem 12 wäre selbstverständlich auch der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff aus anderen Quellen, beispielsweise aus einer Speichereinrichtung, denkbar. Dann würde der zusätzliche Eduktstrom 8a sowie gegebenenfalls die optionale Verbindung des Abgasstroms des Anodenraums 3 mit dem des Kathodenraums 5 entfallen, da derartige, mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme 1 üblicherweise im Dead-End-Betrieb oder mit einem Anodenkreislauf betrieben werden.
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Das Membranmodul 6 wird hier also am Beispiel des Brennstoffzellensystems 1 erläutert. Das Brennstoffzellensystem 1 soll jedoch nur ein beispielhafter – wenn auch der bevorzugte – Einsatzzweck des beschriebenen Membranmoduls 6 sein, es sind auch andere Einsätze, beispielsweise im Bereich der Konditionierung von Zuluftströmen in Fahrzeuge, Fertigungshallen oder dergleichen denkbar.
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Außerdem kann mittels eines weiteren Membranmoduls, welches hier nicht dargestellt ist, auch der zu dem Brennstoffzellenstapel 2 strömende Wasserstoff oder ein stattdessen eingesetztes wasserstoffhaltiges Gas befeuchtet werden. Hierfür geeignete Membranen müssten dann für Wasserdampf selektiv durchlässig und für Wasserstoff undurchlässig sein. Ein derartiges Verhalten kann z. B. mittels durchgehend befeuchteter Membranen, beispielsweise auf Basis vergleichbarer Materialien, wie sie im Rahmen der PEM eingesetzt sind, erzielt werden. Der Aufbau eines derartigen weiteren Membranmoduls kann dann in idealer Weise vergleichbar zu dem Membranmodul 6 ausgebildet sein.
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Die Besonderheit des Membranmoduls 6 liegt nun in der Art und Weise seines Aufbaus. Als Membranen sind dabei Hohlfasern 9 eingesetzt, von welchen einige in 2 exemplarisch dargestellt sind. Die Hohlfasern 9 werden dabei so verwendet, dass einer der Gasströme, hier beispielhaft der feuchte Abgasstrom 10 das Innere der Hohlfasern 9 durchströmt. Durch das Wandmaterial der Hohlfasern 9, die eigentliche Membran, gelangt dann die Feuchtigkeit in den Bereich des anderen Gasstroms, welcher die äußeren Oberflächen der Hohlfasern 9 umströmt, und bei welchem es sich hier exemplarisch um den zu befeuchtenden Zuluftstrom 8 handeln soll. Die genannte exemplarische Darstellung der 2 zeigt aufgrund der leichteren Darstellbarkeit eine Kreuzstromanordnung der Gasströme 8 und 10. Um bei kleinem Bauraum dennoch eine möglichst große Austauschrate für die Feuchtigkeit zu erreichen, wird in Gegensatz zu der Darstellung aber in vielen Fällen eine Gegenstromanordnung gewählt werden.
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Bei herkömmlichen Membranmodulen 6 auf der Basis von Hohlfasern 9 werden diese zu einem Bündel zusammengefasst und kurz unterhalb ihrer offenen Enden mit einem Vergussmaterial, beispielsweise einem Harz oder dergleichen, miteinander vergossen. Dieses Vergussmaterial dient dann gleichzeitig dazu, in einem Gehäuse einen Bereich, welcher mit den offenen Enden verbunden ist, gegenüber einem Bereich, der lediglich Kontakt zu den äußeren Oberflächen der Hohlfasern 9 aufweist, abzudichten. Wenn nun in den beiden Bereichen des Gehäuses die unterschiedlichen Gasströme 8, 10 eingeleitet werden, so wird der eine Gasstrom 10 die Hohlfasern 9 von diesem einen offenen Ende zu ihrem anderen offenen Ende durchströmen, während der andere Gasstrom 8 die Außenflächen der Hohlfasern 9 umströmt und so ein Stoffaustausch zwischen den beiden Gasströmen 8, 10 durch die Hohlfasern 9 hindurch stattfinden kann.
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Wie eingangs bereits erläutert, haben derartige herkömmliche Membranmodule das Problem, dass die Hohlfasern sehr dicht gepackt sind und daher vergleichsweise unzureichend angeströmt bzw. umströmt werden können. Um dennoch einen entsprechenden Feuchtigkeits- bzw. Stoffaustausch realisieren zu können, muss dementsprechend die insgesamt zur Verfügung gestellte Fläche der Hohlfasern vergrößert werden, um eine ausreichend große anströmbare Membranfläche der Hohlfasern sicherzustellen. In Folge dessen muss das herkömmliche Membranmodul deutlich größer gebaut werden, als es eigentlich notwendig wäre.
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Bei dem dargestellten Aufbau des Membranmoduls 6 wurde hier Abhilfe geschaffen. Die Hohlfasern 9 sind, wie es in 2 exemplarisch dargestellt ist, auf einem Matrixmaterial 13 beabstandet zueinander angeordnet. In der Darstellung gemäß 2 ist das Matrixmaterial 13 als netzartige Struktur ausgeführt, auf welcher die Hohlfasern 9 beabstandet zueinander angeordnet und typischerweise auf dem Matrixmaterial 13 befestigt sind. Diese Befestigung der Hohlfasern 9 auf dem Matrixmaterial 13 kann beispielsweise durch Kleben erfolgen. Die Verbindung muss lediglich so zustande kommen, dass das Matrixmaterial 13 mit den Hohlfasern 9 eine wenigstens annähernd feste Verbindung eingeht, so dass sichergestellt werden kann, dass bei der Herstellung des Membranmoduls 6 die Hohlfasern 9 auch weiterhin beabstandet zueinander gehalten werden. Auf diese Art und Weise entsteht praktisch ein Verbund 14 aus dem Matrixmaterial 13 und den Hohlfasern 9 in der Art eines zur Herstellung des Membranmoduls 6 verwendbaren Halbzeugs 14.
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Der Verbund bzw. das Halbzeug 14, wie es in 2 prinzipmäßig dargestellt ist, kann dabei unabhängig von dem eigentlichen Membranmodul 6 hergestellt werden, so dass bereits vor der Herstellung des Membranmoduls 6 das Halbzeug 14 existiert und bei der Herstellung des Membranmoduls 6 lediglich in der gewünschten Menge zu diesem verarbeitet wird.
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Da die Austauschleistung bzw. der Stoffaustausch in dem Membranmodul 6 primär, selbstverständlich neben den Eigenschaften der beiden Gasströme, von der zur Verfügung stehenden Oberfläche der Membran, hier also Länge und Anzahl der Hohlfasern 9, abhängt, kann, wie eingangs bereits erläutert, die Dimensionierung des Membranmoduls 6 sehr einfach über die Verwendung eines entsprechend großen Abschnitts des Halbzeugs 14 erfolgen.
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Um den Materialeinsatz des Matrixmaterials 13 zu optimieren, kann bei der Verwendung eines netzartigen Matrixmaterials 13, wie hier dargestellt, die Maschengröße mit der Größe des Membranmoduls 6 variiert werden. Insbesondere kann die Maschengröße bei der Verwendung von Hohlfasern 9 in verschiedenen Längen an diese Länge der Hohlfasern angepasst werden. Optimal für die Maschengröße ist es dabei, wenn diese so groß ist, dass das Matrixmaterial selber möglichst wenig Oberfläche an den Hohlfasern 9 in Anspruch nimmt und damit für den Stoffaustausch blockiert und wenn dennoch durch das Matrixmaterial 13 eine möglichst gleichmäßige Anströmung der Hohlfasern 9 über deren gesamte Oberfläche ermöglicht wird. Um zu vermeiden, dass Teile des Matrixmaterials 13 die Hohlfasern 9 über große Bereich hinweg berühren, kann es, entgegen der hier gewählten Darstellung, besonders sinnvoll sein, wenn sich die einzelnen Stege des netzartigen Matrixmaterials 13 nicht parallel, sondern in einem Winkel, welcher beispielsweise im Bereich zwischen 20° und 70° liegen kann, zu der Längsachse der Hohlfasern 9 erstrecken.
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Bei entsprechend großen bzw. kleinen Winkeln der einzelnen Stege zu den Längsachsen der Hohlfasern 9 wird sich außerdem eine spiralförmige/rotierende Strömung des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms 8 einstellen. Trotz des kleinen Bauraum und des bauraumbedingt zu bevorzugenden Gegenstromprinzips wird sich so eine vergleichsweise lange Verweilzeit des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms 8 und eine Art Kreuz-Gegenstrom einstellen. Der Stoffaustausch kann so nochmals verbessert werden.
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Beim Aufbau eines Membranmoduls 6 werden dann die einzelnen Lagen des Verbunds 14 übereinander gelegt, wie dies in 3 exemplarisch dargestellt ist. In der Darstellung gemäß 3 sind zwei Lagen des Verbunds 14 übereinander gelegt, wobei die Lagen so übereinander gelegt sind, dass die einzelnen Hohlfasern 9 der jeweiligen Lage in idealer Weise versetzt zu den Hohlfasern 9 der nächsten Lage des Verbunds 14 angeordnet sind. Des Weiteren ist in der Darstellung eine dritte Lage des Matrixmaterials 13 erkennbar. Dadurch wird eine sehr gute Anströmung der einzelnen Hohlfasern 9 gewährleistet. Zudem wird durch die Stege des netzartigen Matrixmaterials 13, welche wie bereits ausgeführt auch in einem Winkel zu den Längsachsen der Hohlfasern 9 verlaufen können, für eine entsprechende Turbulenz in dem die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstrom gesorgt, so dass die Übertragung von Feuchtigkeit zwischen den Gasströmen durch die Membran der Hohlfasern 9 hindurch verbessert wird.
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Zusätzlich dazu kann außerdem sowohl das Matrixmaterial 13 als auch die äußere und/oder innere Oberfläche der Hohlfasern 9 eine Struktur aufweisen, so dass die Oberfläche vergrößert wird. Zusätzlich werden dadurch die Turbulenzen und damit der Stoffaustausch weiter begünstigt. Diese Struktur kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Oberflächen entsprechend aufgeraut sind. Die gerauten Oberflächen sowohl des Matrixmaterials 13 als auch der Hohlfasern 9 haben darüber hinaus den Vorteil, dass im Falle des Verklebens der Hohlfasern 9 mit dem Matrixmaterial zu deren Befestigung eine bessere Haftung des Klebers zu erzielen ist.
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Das Zusammenfassen des Verbunds 14 zu dem Membranmodul 6 bzw. dessen eigentlichen Membranaufbau kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Eine Anordnung der einzelnen Schichten des Verbunds 14 in der in 3 dargestellten Art kann beispielsweise durch Stapeln von einzelnen Abschnitten des Halbzeugs 14 übereinander oder durch ein Übereinanderlegen eines einzigen Abschnitts, welcher dazu mehrfach gefaltet wird, erzielt werden.
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Bei Membranmodulen 6, welche beispielhaft für den hier dargelegten Verwendungszeck eingesetzt werden, liegen die Abmessungen des in 3 dargestellten Teils des Membranmoduls 6 bzw. des Halbzeugs 13 beispielhaft bei ca. 0,3 bis 5 mm für den Durchmesser der Hohlfasern 9. Daraus ergeben sich dann die weiteren Abmessungen mit ca. 0,1 bis 5 mm für den Abstand der Hohlfasern untereinander sowie mit ca. 0,2 bis 2 mm für die Dicke der Stege des Matrixmaterials 13.
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In 4 ist eine weitere Variante der Herstellung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt das Zusammenfügen in der Art, dass der Verbund 14 zu einem Wickel 15 aufgewickelt wird. Hier ist der Einsatz des Halbzeugs 14 besonders günstig, da dieses beispielsweise auf einer Rolle bevorratet werden kann. Eine der gewünschten Austauschleistung und damit der geforderten Membranfläche entsprechende Länge des Verbunds 14 wird von der Rolle abgelängt und danach aufgewickelt. Die Weiterverarbeitung eines derartigen Wickels 15 ist dabei sehr einfach und effizient möglich, da dieser in der gleichen Art weiterverarbeitet werden kann, wie dies bisher bei den herkömmlichen Hohlfaserbündeln, welche im Wesentlichen eine vergleichbare Außenkontur aufweisen, erfolgt ist. Zusätzlich dazu weist der Wickel 15, wie er hier beschrieben ist, jedoch die oben bereits genannten, besonders günstigen Eigenschaften hinsichtlich der kompletten Anströmbarkeit und des größtmöglichen Stoffaustauschs je Volumeneinheit auf.
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Als Alternative zu dem in 4 dargestellten Wickel 15 ist der gemäß 5 dargestellt Wickel 15 um einen zentralen Hohlkörper 16 gewickelt. Dieser zentrale Hohlkörper 16 kann beispielsweise als Rohrleitung mit diversen Öffnungen ausgebildet sein. Der zentrale Hohlkörper 16 kann dabei zum Ein- oder Ableiten des die Hohlfasern 9 umströmenden Gasstroms dienen, so dass die Baugröße eines derart aufgebauten Membranmoduls 6, insbesondere hinsichtlich des Gehäuses weiter optimiert werden kann. Außerdem lässt sich die möglichst gleichmäßige – oder in anderer Art und Weise gezielte – Verteilung des Gasstroms durch die Wahl der Größe und Anordnung der Öffnungen in dem zentralen Hohlkörper 16 leicht beeinflussen. Insbesondere bietet der Wickel 15 die Gelegenheit, das Membranmodul in ein zylindrisches Gehäuse zu integrieren, welches sich typischerweise besonders gut eignet, um in Rohrleitungen oder dergleichen eingesetzt zu werden.
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Neben dem hier dargestellten, besonders günstigen Aufwickeln des Verbunds 14 um die Längsachsen der jeweiligen Hohlfasern 9 wäre selbstverständlich auch ein Aufbau denkbar, bei dem jede einzelne der Hohlfasern, in der Art einer Spirale, aufgewickelt wird. Ein derartiger Aufbau würde dann jedoch eine dichte Verbindung der einzelnen Hohlfasern mit beispielsweise einem zentralen Hohlkörper zur Zufuhr oder Abfuhr von Gas, dieses Mal jedoch durch die Hohlfasern 9 hindurch, und ein entsprechendes Gegenstück auf der anderen Seite der Hohlfasern aufweisen. Dann können sie jedoch in der oben genannten Art ebenfalls zu einem Membranmodul 6 aufgewickelt werden, wobei wiederum die Länge der einzelnen Hohlfasern bzw. die Höhe des gesamten Membranmoduls 6, und damit die Stoffaustauschleistung, anhand der Verwendung eines entsprechend großen Abschnitts des Halbzeugs 14 variiert werden könnte.