EP4240519A2

EP4240519A2 - Membrankontaktor zur übertragung von wasserdampf zwischen zwei gasströmen

Info

Publication number: EP4240519A2
Application number: EP21802603.7A
Authority: EP
Inventors: Thomas Beeskow; Klaus Ohlrogge; Klaus-Viktor Peinemann; Rudolf Waldemann
Original assignee: Gmt Membrantechnik GmbH
Current assignee: Gmt Membrantechnik GmbH
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-09-13
Also published as: WO2022096287A2; WO2022096287A3; CA3201325A1; DE102020129403A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen. Der Membrankontaktor kann insbesondere Teil einer Klimaanlage oder Brennstoffzelle sein. Der Flachmembrankontaktor umfasst: a) einen in einem Gehäuse angeordneten Stapel von Membrantaschen, wobei jede Membrantasche zwei an ihren Rändern gasdicht verschweißte Membranen aufweist, die selektiv für Wasserdampf durchlässig sind; b) Leitstrukturen für einen ersten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die über Öffnungen in den Membrantaschen in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen stehen; und c) Leitstrukturen für einen zweiten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die ausgelegt sind den zweiten Gasstrom außen an den Membrantaschen vorbeizuführen. Die Membrantaschen sind im Stapel so angeordnet, dass ihre Öffnungen übereinander liegen. Die Öffnungen der Membrantaschen sind mit Gasringen versehen und der erste Gasstrom steht über die Gasringe in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen.

Description

Membrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen

Die Erfindung betrifft einen Membrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen. Der Membrankontaktor kann insbesondere Teil einer Klimaanlage oder Brennstoffzelle sein.

Technologischer Hintergrund

In einer Vielzahl von technischen Prozessen müssen Gasströme kontrolliert be- oder entfeuchtet werden.

Ein Beispiel ist die Luftklimatisierung in stationären oder mobilen Räumen. In konventionellen Klimaanlagen wird in warmen Jahreszeiten feuchte Außenluft zum Beispiel auf 15° C abgekühlt, um die Feuchtigkeit auf einen gewünschten Wert zu reduzieren. Die überschüssige Feuchtigkeit kondensiert dabei als flüssiges Wasser. Die dabei entstehende Kondensationswärme erhöht den für die Kühlung notwendigen Energiebedarf. Wird die überschüssige Feuchtigkeit reduziert bevor der Luftstrom gekühlt wird, erfordert die Klimatisierung deutlich weniger Energie. Diese Aufgabe kann vorteilhaft mit Hilfe eines Membrankontaktors gelöst werden.

Herzstück des Kontaktors ist eine Membran, die idealerweise nur für Wasserdampf, nicht aber für Sauerstoff, Stickstoff und weiteren Komponenten wie zum Beispiel Geruchsstoffen durchlässig ist. Die feuchte Außenluft überströmt eine Seite der Membran und wird dabei getrocknet, da Wasserdampf aufgrund eines Partialdruckgefälles durch die Membran permeiert. Das Partialdruckgefälle wird aufrechterhalten, indem die trockenere Raumluft als Abluft im Gegen- oder Kreuzstrom über die Rückseite der Membran geleitet wird. In den kalten Jahreszeiten wird hingegen die trockene, kalte Außenluft durch den feuchten, warmen Abluftstrom aus den Innenräumen befeuchtet. Über die dünne Membran findet gleichzeitig ein Wärmeaustausch statt, was weiter den Energieaufwand reduziert. Diese Verfahrensweise ist im Prinzip bekannt. Der Fertigungsaufwand, die Fertigungszeit, die Kosten und die Baugröße für konventionelle Flachmembrankontaktoren für die Be- und Entfeuchtung sind allerdings hoch.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Membrankontaktoren sind Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen. Brennstoffzellen, die zum Beispiel zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden, nutzen eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie. Herzstück der Brennstoffzelle ist eine Polymermembran, welche eine hohe Leitfähigkeit für Protonen hat; für Wasserstoff und Sauerstoff soll die Membran aber undurchlässig sein. Ebenso muss die Membran ein elektrischer Isolator sein. Auf der Anodenseite wird der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, ein Katalysator bewirkt die Aufspaltung in Protonen und Elektronen. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathodenseite und reagieren dort mit zugeführtem Sauerstoff zu Wasser. Die dafür erforderlichen Elektronen werden von der Anodenseite über eine externe Leitung zugeführt. Sie erzeugen so einen elektrischen Strom, der zum Beispiel zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden kann.

Die heute bekannten Polymerelektrolytmembranen benötigen Feuchtigkeit, um eine hohe Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten. Der auf 2 bis 3 bar komprimierte Luftstrom, der der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird, enthält nur geringe Feuchtigkeit und führt zum Austrocknen der Membran, was einen starken Leistungsabfall der Brennstoffzelle zur Folge hätte. Daher muss dieser Zuluftstrom nach der Kompression und vor Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet werden.

Der Abluftstrom auf der Kathodenseite enthält große Mengen Wasserdampf, welcher durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wurde. Nun kann dieser wasserdampfhaltige Abluftstrom nicht einfach mit dem trockenen Zuluftstrom zwecks Befeuchtung gemischt werden, denn der Abluftstrom aus der Brennstoffzelle ist stark abgereichert in seinem Sauerstoffgehalt. Es muss also ein Weg gefunden werden, nur den Wasserdampf aus dem Abluftstrom in den Zuluftstrom zu übertragen, ohne den Sauerstoffgehalt der Zuluft zu verringern. Genau das ist die Aufgabe des Brennstoffzellen-Befeuchters.

Auch diese Aufgabe kann mit Hilfe eines Membrankontaktors gelöst werden. Herzstück des Kontaktors ist wiederum eine Membran, die idealerweise nur für Wasserdampf, nicht aber für Sauerstoff und Stickstoff durchlässig ist. Wird eine Seite der Membran mit feuchter und die andere mit trockener Luft überströmt, vorzugsweise im Gegenstrom, so fließt Wasserdampf aus dem feuchten Gasstrom zum trockenen Gasstrom. Das geschieht, obwohl normalerweise der komprimierte trockene Luftstrom unter einem höheren Druck steht als der feuchte Abluftstrom aus der Brennstoffzelle. Entscheidend für den Wassertransport ist die Wasserdampf-Partialdruckdifferenz. Solche Membrankontaktoren sind als Befeuchter für Brennstoffzellen seit längerer Zeit bekannt. Geeignete Membranen können als dünne hohle Röhren (Hohlfaden-Membranen) oder als Flachmembranen gefertigt werden. Im Falle der Hohlfadenmembranen ist zwar die Realisierung eines Gegenstromes relativ einfach, zum Beispiel feuchtes Gas außen, trockenes Gas in der Röhre, die Fertigung der Hohlfadenmodule ist jedoch aufwändig. Die zu Bündeln vereinigten Fäden werden an den Enden vergossen, üblicherweise mit einem Polyurethan- oder einem Epoxidharz. Der Vorgang ist arbeits- und zeitintensiv. Zudem sind große Verklebungsblöcke aufgrund der schlecht abzuführenden Reaktionswärme der aushärtenden Klebstoffkomponenten nur schwierig zu fertigen - Erwärmungen bis hin zur Schädigung der Hohlfäden sind möglich.

Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Hohlfaden-Membranmodulen in mobilen Systemen ist die Schnittstelle der starren Klebeeinbindung mit der flexiblen Hohlfadenmembran. Bei Stoßbelastungen ist die Gefahr des Membranbruchs an der Klebeeinbindung gegeben. Es gibt Anwendungen, bei denen aufgrund der Einsatzbedingungen Flachmembranmodule Vorteile haben.

Die hier vorliegende Erfindung befasst sich ausschließlich mit dem Einsatz von Flachmembranen. Flachmembrankontaktoren für die Befeuchtung von Brennstoffzellen sind bekannt. Allerdings werden in den meisten Konstruktionen auch hier in großem Umfang Verklebungen eingesetzt. Dieses bedeutet einen hohen Fertigungsaufwand, der Befeuchter kann nicht ohne Zerstörung demontiert werden und infolge dessen ist ein Austausch defekter Membranen oder anderer Komponenten nicht möglich. Die wenigen Kontaktorkonzepte für Befeuchter, die weitgehend auf Verklebungen verzichten, verwenden eine große Anzahl von Dichtungen.

Ein bekannter Membrankontaktor zur Be- oder Entfeuchtung von Gasströmen ist zum Beispiel in der DE102009034095 A1 beschrieben. Hier ist eine Vielzahl übereinanderliegender Membranen zu einem Stapel zusammengefasst. Zwischen jeweils 2 Membranen befinden sich abwechselnd Strömungskanäle und Dichtelemente für das trockene oder das feuchte Gas. Die Strömungskanäle für das feuchte oder das trockene Gas sind im rechten Winkel zueinander angeordnet. Die Anordnung besteht aus einer großen Zahl planarer Elemente, die durch Verklebung zusammengehalten werden.

Auch die DE102016224475 A1 beschreibt einen Membranbefeuchter, der mehrere aufeinandergesetzte Stapeleinheiten umfasst. Jede einzelne Stapeleinheit besteht aus einer Strömungsplatte und einer Diffusionseinheit. Die Diffusionseinheit besteht aus einer oder 2 Diffusionsschichten und einer wasserdampfdurchlässigen Membran. Jede Diffusionseinheit weist außerdem zwei gegenüberliegende Aufnahmeelemente auf. In einer bevorzugten Bauweise werden Diffusionsschicht und Membran an den Rändern so gefalzt, dass eine Nut gebildet wird, in welche die Strömungsplatte eingeführt wird.

DE102012008197 A1 beschreibt ein Austauschsystem zum Austausch von Stoffen zwischen zwei Fluiden, mit einem von einem ersten Fluid durchströmbaren ersten Raum. Ein Kanallabyrinth bildet einen zweiten Raum, der sich zumindest teilweise durch den ersten Raum erstreckt, mit einem zweiten Fluid durchströmbar ausgebildet ist. Das Kanallabyrinth wird aus einer ersten permeablen Membran und einem Membrangegenstück gebildet, wobei selbige an vorgegebenen Linien oder Flächen verbunden sind, so dass zwischen der ersten Membran und dem Membrangegenstück das Kanallabyrinth entsteht.

Zusammenfassung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Flachmembrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen nach Anspruch 1 behebt oder zumindest mindert die Nachteile des Standes der Technik. Dazu umfasst der Flachmembrankontaktor: a) einen in einem Gehäuse angeordneten Stapel von Membrantaschen, wobei jede Membrantasche zwei an ihren Rändern gasdicht verschweißte Membranen aufweist, die selektiv für Wasserdampf durchlässig sind; b) Leitstrukturen für einen ersten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die über Öffnungen in den Membrantaschen in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen stehen; und c) Leitstrukturen für einen zweiten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die ausgelegt sind den zweiten Gasstrom außen an den Membrantaschen vorbeizuführen.

Die Membrantaschen sind im Stapel so angeordnet, dass ihre Öffnungen übereinander liegen. Die Öffnungen der Membrantaschen sind mit Gasringen versehen und der erste Gasstrom steht über die Gasringe in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Klimaanlage oder eine Brennstoffzelle mit einem solchen Flachmembrankontaktor.

Bevorzugte Ausführungsformen lassen sich den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 zeigt in einer partiellen Explosionsdarstellung eine exemplarische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flachmembrankontaktors.

Figur 2 zeigt eine Membrantasche, die in dem Flachmembrankontaktor nach Figur 1 verbaut werden kann.

Figur 3 zeigt eine Verteilerplatte, die sich im Innern der Membrantasche aus Figur 2 befinden kann.

Figur 4 zeigt eine Verteilerplatte, die nach einer weiteren Ausführungsform des Flachmembrankontaktors zwischen den einzelnen Membrantaschen angeordnet ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Generelles Konzept

Der erfindungsgemäße Flachmembrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen umfasst: a) einen in einem Gehäuse angeordneten Stapel von Membrantaschen, wobei jede Membrantasche zwei an ihren Rändern verschweißte Membranen aufweist, die selektiv für Wasserdampf durchlässig sind; b) Leitstrukturen für einen ersten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die über Öffnungen in den Membrantaschen in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen stehen; und c) Leitstrukturen für einen zweiten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor, die ausgelegt sind den zweiten Gasstrom außen an den Membrantaschen vorbeizuführen.

Der Flachmembrankontaktor weist demnach als Kernkomponente einen Stapel aus Membrantaschen auf. Die Membrantaschen werden im Inneren von einem ersten Gas durchströmt, während an der Außenseite, vorzugsweise im Gegenstrom, das zweite Gas an den Membranen der Membrantasche entlangströmt. Durch die selektiv für Wasserdampf durchlässigen Membranen wird der gewünschte Wasserdampfaustausch ermöglicht.

Der Flachmembrankontaktor umfasst die zur Führung der beiden Gasströme durch den Stapel der Membrantaschen notwendigen Leitstrukturen. Eine erste Leitstruktur führt dabei ein erstes Gas durch einen Strömungspfad, der durch das Innere der Membrantaschen verläuft. Das zweite Gas folgt dagegen einem Strömungspfad, der durch die zweite Leitstruktur vorgegeben ist und außen an den Membrantaschen entlangführt. Im Stapel liegen die Membranen benachbarter Membrantaschen also nicht direkt aneinander, sondern ermöglichen die Durchleitung des zweiten Gases.

Der sich ergebende, sehr kompakte, aus wenigen Komponenten bestehende Aufbau mindert den Fertigungsaufwand und die Fertigungszeit erheblich. Insbesondere kann auf Verklebungen ganz oder weitgehend verzichtet werden.

Besonders vorteilhaft ist, dass durch den modularen Aufbau der Flachmembrankontaktor hinsichtlich der Verfahrensparameter Volumenstrom, Druck, Druckverlust über die Verfahrensstrecke, Überströmgeschwindigkeit der Membran, Selektivität und Permeabilität der Membran angepasst werden kann.

Die einzelnen Membrantaschen können parallel, in Reihe oder in einer definierten Stapelformation angeströmt werden. Zum Beispiel können im Fall der Reihenschaltung von Membrantaschen die Membranen in Mäanderform nacheinander durchströmt werden. Die einzelnen Kompartimente einer Stapelformation können mit einer unterschiedlichen Anzahl von Membrantaschen bestückt werden. Damit kann beispielsweise in Abhängigkeit der Volumenstromabnahme, bedingt durch die Membranpermeabilität, gegebenenfalls auch eine gleichförmige Überströmung der Membranoberfläche erzielt werden.

Die zur Herstellung der Membrantaschen verwendete wasserdampf-selektive Membran ist vorzugsweise eine Mehrschichtenmembran. Die Membran kann zum Beispiel aus einem Polymer-Vlies wie Polyester oder Polyphenylensulfid und in der zweiten Schicht aus einem porösen Polymer wie Polysulfon oder Polyimid bestehen. Die typischerweise 10 bis 100 pm dicke Polymerschicht kann Poren aufweisen, deren Porendurchmesser sich von einer Seite zur anderen Seite verringert, wobei sich die kleineren Porendurchmesser an der Membranoberseite befinden. Die wasserdampf-permeable Membran kann auch aus drei oder mehr Schichten bestehen. In diesem Fall befindet sich auf dem Vlies eine makroporöse Polymerschicht, zum Beispiel aus Polysulfon, die mit einer weiteren, weitgehend porenfreien Schicht versehen ist. Diese porenfreie Schicht kann aus einer oder aus einem Komposit aus mehreren Polymer-Schichten bestehen.

Die Membrantaschen werden gefertigt, indem zwei Membran-Ausschnitte an den Rändern verschweißt werden. Diese Verschweißung kann thermisch, durch Ultraschall oder mit Hilfe von Laserstrahlen erfolgen. Dabei kann das Membranvlies innen in der Tasche liegen oder, wenn gewünscht, außen liegen. Im Falle einer zweischichtigen Membran bestehend aus einem Vlies und einer nanoporösen Membran ist die bevorzugte Konfiguration ein außenliegendes Vlies. Die Verschweißung der Membranen, sei es thermisch, durch Ultraschall oder mittels Laserstrahlen, ist gasdicht. Der Schweißvorgang kann leicht automatisiert werden, ist schnell und daher für eine Massenproduktion geeignet. In vielen Fällen dauert die Verschweißung einer Tasche weniger als 30 Sekunden.

Die Membrantaschen sind im Stapel so angeordnet, dass ihre Öffnungen übereinander liegen. Auf diese Weise lassen sich die notwendigen Leitstrukturen für das erste Gas besonders einfach realisieren. Die Öffnungen in den einzelnen Membrantaschen werden möglichst so zueinander beabstandet, dass das Gas über die gesamte Breite und Länge der Membrantasche geführt werden kann. In der Regel liegen die Öffnungen für den Eintritt und Austritt des Gases daher an gegenüberliegenden Rändern der Membrantasche.

Die Öffnungen der Membrantaschen sind mit Gasringen versehen und der erste Gasstrom steht über die Gasringe in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen. Mit anderen Worten, die Öffnungen für den Ein- und Austritt des Gases in die Membrantasche weisen eine den Öffnungsrand einfassende und umlaufende ringförmige Struktur auf, die Strömungskanäle besitzt, durch die in radialer Richtung das Gas strömen kann. Eine Höhe der übereinanderliegenden Gasringe gibt dabei vorzugsweise einen Abstand der Membrantaschen untereinander vor. Auf diese Weise kann in besonders einfacher Weise ein Stapel mit definiertem Abstand zwischen den einzelnen Membrantaschen hergestellt werden. Die einzelnen Membrantaschen müssen dazu nur noch mit ihren Gasringen übereinanderliegend gestapelt und verspannt werden. Vorzugsweise bilden die übereinanderliegenden Gasringe Verteilerkanäle aus, die den Teil der Leitstruktur für den ersten Gasstrom im Stapel darstellen, der die Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen herstellt. Die Gasringe der Eingangsbeziehungsweise Ausgangsöffnungen der gestapelten Membrantaschen ergeben also einen Verteilerkanal, über den das erste Gas zu- und abgeführt wird. Die Gasringe liegen dabei gasdicht aneinander, sodass das erste Gas nicht seitlich austreten kann. Die Verteilerkanäle der ersten Leitstruktur münden in der Regel in Anschlussstellen, die in einem Deckel des Gehäuses untergebracht sind.

Besonders bevorzugt sind die vorgenannten Verteilerkanäle durchgehend geöffnet oder der Strömungspfad des ersten Gasstroms durch die Membrantaschen ist durch Umlenkplatten in den Verteilerkanälen vorgegeben. Nach der ersten Alternative werden alle Membrantaschen parallel durchströmt, was eine sehr einfache Realisation des Flachmembrankontaktors ermöglicht. Die zweite Alternative sieht ein Umlenken des Gasstroms vor, sodass alle Membrantaschen zum Beispiel in Reihe durchströmt werden. Die Umlenkstrukturen können jedoch auch so beschaffen sein, dass sich einzelne Blöcke aus mehreren Membrantaschen ergeben, die zwar parallel angeströmt werden, innerhalb derer jedoch die Membrantaschen in Reihe durchlaufen werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass im Inneren der Membrantaschen eine Verteilerplatte vorhanden ist und diese Verteilerplatte auf ihrer Ober- und Unterseite Stege aufweist, die einen Strömungspfad für den ersten Gasstrom vorgeben. Die innere Verteilerplatte dient nicht nur einer mechanischen Stabilisierung der Membrantasche. Vielmehr dienen die Stege auf der Oberfläche der gleichmäßigeren Verteilung des Gasstroms im Inneren der Membrantasche und zur Ausbildung von Turbulenzen. Letzteres führt zu einer Reduzierung der durch laminare Strömung entstehenden Grenzschicht an der Membran, die den Austausch von Wasserdampf behindert. Alternativ zur inneren Verteilerplatte können in der Membrantasche abstandshaltende und strömungsbeeinflussende Elemente, wie polymere Abstandshalter, vorhanden sein, zum Beispiel netzartige Abstandshalter aus Polypropylen.

Ferner ist bevorzugt, wenn die Leitstrukturen für den zweiten Gasstrom Verteilerplatten umfassen, die abwechselnd mit den Membrantaschen im Stapel angeordnet sind. Jede Verteilerplatte weist insbesondere auf der Ober- und Unterseite Stege auf, die einen Strömungspfad für den zweiten Gasstrom über die Verteilerplatte vorgeben. Mit anderen Worten, zwischen den Membrantaschen befinden sich die Verteilerplatten, über deren Ober- und Unterseite der zweite Gasstrom geleitet wird. Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Stapels weiter erhöht. Zudem ermöglichen die Verteilerplatten eine gleichmäßigere Verteilung des Gasstromes über die Außenseiten der Membrantaschen, sodass der Wasserdampfaustausch forciert wird. Das Trennergebnis einer Membraneinheit ist zudem auch davon abhängig, dass bei der Überströmung der Membranoberfläche die laminare Grenzschicht zwischen dem Gasstrom und der Membranoberfläche geringgehalten wird. Die Ausbildung von Turbulenzen und damit eine Reduzierung der Grenzschicht kann insbesondere durch die Geometrie der Stege unterstützt werden. Alternativ zur Verteilerplatte können zwischen den Membrantaschen abstandshaltende und strömungsbeeinflussende Elemente, wie polymere Abstandshalter, vorhanden sein, zum Beispiel netzartige Abstandshalter aus Polypropylen.

Der Stapel aus Membrantaschen und ggf. dazwischen angeordnete Verteilerplatten werden in einem Gehäuse untergebracht. Vorteilhafterweise weist dabei eine Deckplatte des Gehäuses die Anschlüsse für die Leitstrukturen des ersten Gasstroms sowie die Anschlüsse für die Leitstrukturen des zweiten Gasstroms auf, sodass der Fertigungsprozess stark vereinfacht und ein im Bauraum besonders kompakter Flachmembrankontaktor bereitgestellt wird. Der Stapel wird dabei insbesondere so in das Gehäuse eingebracht, dass sich zwei voneinander separierte Räume ergeben, die nur durch die zwischen den Membrantaschen bestehenden Freiräume verbunden sind. In der Deckplatte oberhalb des einen Raums ist ein Anschluss für den zweiten Gasstrom vorgesehen, wohingegen in der Deckplatte oberhalb des zweiten Raums ein entsprechender Auslass integriert ist. Bei diesem Aufbau kann die Leitstruktur für den zweiten Gasstrom demnach in großen Teilen bereits durch das Gehäuse selbst verwirklicht werden, sodass die Fertigungskosten besonders gering sind.

Besonders vorteilhaft aufgrund seiner kompakten Bauweise ist der Einsatz des zuvor beschriebenen Flachmembrankontaktors in Klimaanlagen oder Brennstoffzellen, zum Beispiel Polymerbrennstoffzellen für Kraftfahrzeuge.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ausführunqsbeispiel

Figur 1 zeigt in einer partiellen Explosionsdarstellung eine exemplarische Ausführungsform eines Flachmembrankontaktors 100. Der Flachmembrankontaktor 100 umfasst ein Modulgehäuse 10, das mit einer Deckplatte 20 verschlossen wird. Im Inneren des Gehäuses 10 ist ein Stapel 40 aus einzelnen Membrantaschen 50 untergebracht.

Eine Membrantasche 50 ist in Figur 2 näher dargestellt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die Membrantasche 50 eine hexagonal gestreckte Grundform, wobei die Breite so gewählt ist, dass der Stapel 40 weitgehend dichtend an den Seitenwandungen des Gehäuses 10 anliegt. Die Membrantasche 50 umfasst zwei Membranen 52, die an den Rändern 54 miteinander verschweißt sind. Die Membranen 52 sind selektiv durchlässig für Wasserdampf.

Jede Membrantasche 50 weist zwei Öffnungen 56, 58 auf, die den Ein- und Auslass eines Gasstromes ermöglichen. Die Einlass- und Auslassöffnungen 56, 58 sind mit Dichtungen 60 und Gasringen 62 versehen, die den Abstand zu benachbarten Membrantaschen 50 definieren, wobei die Dichtungen 60 und Gasringe 62 auch als ein Teil ausgeführt sein können. Das Gas kann durch eine Vielzahl radialer Bohrungen 64 der Gasringe 62 in das Innere der Membrantaschen 50 gelangen. Die Gasringe 62 können aus Metall oder Hartplastik geformt sein.

In das Innere der Membrantasche 50 kann eine Verteilerplatte 70, zum Beispiel aus Metall, eingebettet sein. Die Oberfläche der inneren Verteilerplatte 70 ist beidseitig durch eine Anzahl von Stegen 72 strukturiert. Die Stege 72 dienen der gleichmäßigen Verteilung des Gasstromes im Inneren der Membrantasche 50 und sollen gleichzeitig Turbulenzen erzeugen, die der Ausbildung eines laminaren Grenzfilms an den Membranen 52 entgegenwirken und so den Austausch von Wasserdampf durch die Membran 52 zu erleichtern.

Im Flachmembrankontaktor 100 gemäß Figur 1 sind eine Vielzahl von Membrantaschen 50 übereinandergestapelt, wobei die Öffnungen 56, 58 übereinanderliegen. Die Einlass- und Auslassöffnungen 56, 58 bilden dabei einen Einlass- und Auslassverteilerkanal entweder für das erste Gas oder das zweite Gas.

Der so aufgebaute Stapel 40 befindet sich in dem Modulgehäuse 10 mit der Deckplatte 20. Der Membranstapel 40 wird durch je zwei diagonal versetzte Zuganker - die jeweils eine Stange 90 und ein Endstück 92 umfassen - in den Verteilerkanälen gehalten. Die Deckplatte 20 besitzt eine umlaufende Dichtung und kann zusätzlich durch Schnappverschlüsse verstärkt werden. Sie ist mit einer Einlassöffnung 21 und einer Auslassöffnung 22 für das zweite Gas und einer Einlassöffnung 23 und einer Auslassöffnung 24 für das erste Gas versehen.

Bei dem exemplarisch dargestellten Flachmembrankontaktor 100 umfasst demnach eine erste Leitstruktur für einen ersten Gasstrom die beiden Ein- und Auslassöffnungen 23, 24 in der Deckelplatte 20, die sich aus dem übereinanderliegenden Öffnungen 56, 58 der Membrantaschen 50 ergebenden durchgehenden Verteilerkanäle sowie die inneren Wegstrecken in den einzelnen Membrantaschen 50. Eine zweite Leitstruktur für den zweiten Gasstrom umfasst die beiden Ein- und Auslassöffnungen 21 , 22 in der Deckelplatte 20 und die sich im Inneren des Modulgehäuses 10 anschließenden Räume, die in dem Beispiel durch Wandungen des Modulgehäuses 10 und den Stapel 40 begrenzt sind. Ferner stehen diese Räume untereinander in Strömungsverbindung über den Stapel 40, das heißt der durch die Öffnung 21 eintretende zweite Gasstrom wird zwischen den Modultaschen 50 entlang der Membranen 52 durch den Stapel 40 geleitet. Dementsprechend kann Wasserdampf zwischen den beiden Gasströmen ausgetauscht werden.

In einer Ausführungsform fließt zum Beispiel das viel Wasserdampf enthaltende Gas durch das Innere der Membrantaschen 50. Der Strömungspfad für das feuchte Gas folgt also der ersten Leitstruktur. Wenig oder kein Wasserdampf enthaltendes Gas folgt dagegen im Gegenstrom einem Strömungspfad, der durch die zweite Leitstruktur vorgegeben ist. Dabei strömt das trockene Gas außen an den Membranen 52 der Membrantaschen 50 vorbei und nimmt Feuchtigkeit auf. Denkbar ist jedoch auch ein Betrieb, bei dem das trockene Gas durch das Innere der Membrantaschen 50 und das feuchte Gas im Gegenstrom zwischen den Membrantaschen 50 fließt.

In einer weiteren Ausführungsform kann zwischen den Membrantaschen 50 des Stapels 40 jeweils eine Verteilerplatte 80 angeordnet werden. Die Verteilerplatte 80 dient der gleichmäßigeren Verteilung des an den Membranen 52 der Membrantaschen 50 entlangströmenden Gasstroms. Dazu weisen Ober- und Unterseite der Verteilerplatte 80 eine Vielzahl von Stegen 82 auf, die Kanäle für den Gasstrom vorgeben. Die Kanäle erhöhen zugleich die Turbulenz und halten damit den Umfang der Konzentrationspolarisation an den Membranen 52 gering, sodass der Austausch von Wasserdampf verbessert wird. Weiterhin ist eine (beidseitige) Randdichtung 84 vorgesehen, welche potentielle Verluste durch eine Randströmung verhindert.

Claims

Patentansprüche

1. Flachmembrankontaktor (100) zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen, umfassend: a) einen in einem Gehäuse (10) angeordneten Stapel (40) von Membrantaschen (50), wobei jede Membrantasche (50) zwei an ihren Rändern gasdicht verschweißte Membranen (52) aufweist, die selektiv für Wasserdampf durchlässig sind; b) Leitstrukturen für einen ersten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor (100), die über Öffnungen (56, 58) in den Membrantaschen (50) in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen (50) stehen; und c) Leitstrukturen für einen zweiten Gasstrom durch den Flachmembrankontaktor (100), die ausgelegt sind den zweiten Gasstrom außen an den Membrantaschen (50) vorbeizuführen, wobei die Membrantaschen (50) im Stapel (40) so angeordnet sind, dass ihre Öffnungen (56, 58) übereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (56, 58) der Membrantaschen (50) mit Gasringen (62) versehen sind und der erste Gasstrom über die Gasringe (62) in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen (50) steht.

2. Flachmembrankontaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe der übereinanderliegenden Gasringe (62) einen Abstand der Membrantaschen (50) untereinander vorgibt.

3. Flachmembrankontaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinanderliegenden Gasringe (62) Verteilerkanäle ausbilden, die den Teil der Leitstruktur für den ersten Gasstrom im Stapel (40) darstellen, der die Strömungsverbindung mit dem Inneren der Membrantaschen (50) herstellt.

4. Flachmembrankontaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle durchgehend geöffnet sind oder der Strömungspfad des ersten Gasstroms durch die Membrantaschen (50) durch Umlenkplatten in den Verteilerkanälen vorgegeben ist. Flachmembrankontaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Membrantaschen (50) eine Verteilerplatte (70) vorhanden ist und diese Verteilerplatte (70) auf ihrer Ober- und Unterseite Stege (72) aufweist, die einen Strömungspfad für den ersten Gasstrom vorgeben. Flachmembrankontaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstrukturen für den zweiten Gasstrom Verteilerplatten (80) umfassen, die abwechselnd mit den Membrantaschen (50) im Stapel (40) angeordnet sind. Flachmembrankontaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verteilerplatte (80) auf der Ober- und Unterseite Stege (82) aufweist, die einen Strömungspfad für den zweiten Gasstrom über die Verteilerplatte (80) vorgeben. Klimaanlage oder Brennstoffzelle mit einem Flachmembrankontaktor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.