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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befeuchten
eines Prozessgasstroms sowie die Verwendung der Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Aus
der
EP 0 629 014 B1 ist
ein Verfahren zur Befeuchtung von Prozeßgas für den Betrieb von Brennstoffzellen
bekannt, bei dem fein zerstäubtes Wasser
in einer vorgegebenen Menge mit Hilfe einer Einspritzdüse aus einer
Versorgungsleitung in eine Gaszuführungsleitung der Brennstoffzelle
eingespritzt wird. Dabei wird ein Sollwert für die zuzuführende Wassermenge in Abhängigkeit
von Betriebsparametern ermittelt und die Wassermenge wird über eine
Regelung exakt so dosiert, daß sich
die gewünschte
Feuchtigkeit der Prozeßgase
einstellt.
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Die
direkte Zufuhr von Wasser in den Gasstrom erfolgt dabei durch eine
Zerstäubung
mittels einer Einspritzdüse.
Die maximal zulässige
Tröpfchengröße muß dabei
aufgrund der Geometrie der Gasführungskanäle der Brennstoffzelle
so bestimmt werden, daß die
Tröpfchen
keine Querschnitte im Bereich der Brennstoffzelle verstopfen können.
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Neben
dieser Problematik der zulässigen Tröpfchengröße, welche
eine spezielle Anpassung des Brennstoffzellensystems an die Zerstäubung erforderlich
macht, ist außerdem
auch der Aufwand bezüglich
der Regelung bzw. der Ermittlung der Sollgrößen für die Regelung bzw. Steuerung
der Wasserdosierung aufwendig.
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Neben
dieser direkten Einspritzung von Wasser in die Gasströme sind
weitere Vorrichtungen und Verfahren zur Befeuchtung von Gasströmen aus dem
Stand der Technik bekannt. Diese Systeme nutzen dabei verschiedenartige
Membranen, welche den Gasstrom von einem Flüssigkeitsstrom oder einer Flüssigkeitsvorratskammer
trennen. Die Membranen lassen es dabei zu, dass Flüssigkeitsteilchen durch
die Membran hindurch in den Gasstrom eintreten und von diesem aufgenommen
und mit transportiert werden. Als exemplarisches Beispiel sei hierzu die
US 4,973,530 genannt.
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Die
bekannten Vorrichtungen zur Befeuchtung von Prozessgasen wie Luft
oder Wasserstoff sind üblicherweise
schwer and groß. Üblicherweise müssen die
Medien vor dem Eintritt in den Befeuchter gekühlt werden. Friert ein Medium
dagegen im Befeuchter aus, wird der Befeuchter beschädigt.
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Aus
der
DE 195 19 511
A1 ist eine zur Verwendung in einer Klimaanlage zur Kühlung eines
Gebäuderaums
vorgesehene Kühlereinheit
bekannt, die durch eine in einer ersten Hohlprofilplatte ausgebildete
Einlassöffnung
mit einem zu kühlenden
Medienstrom, beispielsweise dem trockenen Abluftstrom aus einem
Gebäuderaum
beaufschlagt wird. Der zu kühlende
Medienstrom gelangt durch eine Vielzahl von Strömungskanälen in den Bereich einer Strömungsumkehrkammer.
Um eine Abkühlung
des aus den Strömungskanälen austretenden
Medienstroms zu bewirken, sind in der Strömungsumkehrkammer mehrere Wassersprühdüsen angeordnet,
die den aus den Strömungskanälen austretenden
Medienstrom befeuchten. Das Befeuchten des Medienstroms führt zu einer
adiabatischen Abkühlung des
Medienstroms, da dem Medienstrom durch die Verdampfung der versprühten Wassertropfen
Wärme entzogen
wird. Um eine ausreichende Beladung des Medienstroms mit Feuchtigkeit
sicherzustellen, ist in der Strömungsumkehrkammer
ein von dem Medienstrom durchströmbares
und durch die Wassersprühdüsen befeuchtetes
Wasserspeicherelement vorgesehen. Der in der Strömungsumkehrkammer durch Ausnutzung
der Verdampfungsenthalpie des Wassers abgekühlte Medienstrom wird in Gegenstromkanäle geleitet,
die in einer benachbart zu der ersten Hohlprofilplatte angeordneten
zweiten Hohlprofilplatte ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite
Hohlprofilplatte und somit die Strömungskanäle und die Gegenströmungskanäle über eine
Wärmeübertragungsfläche in wärmeleitende
Verbindung stehen. Dadurch kann der durch die Gegenstromkanäle strömende, in
der Strömungsumkehrkammer abgekühlte Medienstrom
Wärme aus
dem durch die Strömungskanäle strömenden Medienstrom
aufnehmen, so dass der durch Strömungskanäle strömende Medienstrom
bereits vorgekühlt
in die Strömungsumkehrkammer
eintritt. Der Medienstrom in den Gegenstromkanälen nimmt die Wärme ohne
wesentliche Temperaturerhöhung überwiegend
zum Verdampfen eines Wasserüberschusses
auf.
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Die
DE 693 02 902 T2 beschreibt
ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Leistung,
bei dem ein aus einem Brennstoffzellenstapel austretender, befeuchteter
Oxidationsmittelstrom durch einen Koaleszenz-Filter geleitet wird,
um absorbiertes und mitgeführtes
Wasser aus dem Oxidationsmittelstrom zu entfernen.
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Die
DE 34 41 860 A1 offenbart
einen Rieselfilmbefeuchter, bei dem ein zu befeuchtender Gasstrom
von einem Einlass in ein Rohr geleitet wird, an dessen innere Oberfläche ein
Flüssigkeitsfilm
aus durch eine Sprühdüse eingespeistem
Wasser gebildet ist. Das Rohr wird von einem Heizmedium umströmt, wobei
ein Einlass für
das Heizmedium bezogen auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit
in dem Rohr stromabwärts
von einem Auslass für
das Heizmedium angeordnet ist.
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Die
US 5,845,505 offenbart eine
Wärmetauscheranordnung,
der durch einen Einlass warme, feuchte Luft zugeführt wird.
Die warme, feuchte Luft durchströmt
eine Vorkühlzone
sowie eine von einem Kühlmittel
gekühlte
Kühlzone
und wird nach dem Austritt aus der Kühlzone in die Vorkühlzone zurückgeführt, um
die in die Vorkühlzone
geleitete warme, feuchte Luft vorzukühlen. In von der zu kühlenden Luft
durchströmten
Kanälen
der Wärmetauscheranordnung
sind parallel und versetzt zueinander angeordnete Kühlrippen
vorgesehen. Während
des Abkühlens
der Luft auskondensierende Wassertröpfchen fließen aufgrund der Schwerkraft
in Richtung einer Bodenplatte der Kühlzone und werden durch eine Wasserauslassöffnung aus
der Wärmetauscheranordnung
abgeführt.
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Die
DE 198 23 499 A1 beschreibt
eine zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene
Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung, bei der ein Oxidationsmittel
oder eine Mischung des Oxidationsmittels und eines Kohlenwasserstoffenergieträgers durch
eine Befeuchtungseinheit befeuchtet wird.
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Aus
der
DE 197 27 841
A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur autothermen
Reformierung von Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Erdgas, Benzin, Methanol
etc. bekannt. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst
einen Reformierungsreaktor, einen Eindüsungs-Mischungsraum sowie einen
den Reformierungsreaktor und den Eindüsungs-Mischungsraum konzentrisch
umgebenden Wärmetauscher.
Zur Beheizung des Wärmetauschers
dient das in dem Reformierungs reaktor erzeugte Reformat, das durch
einen ersten Strömungskanal
des Wärmetauschers
zu einem Reformatauslass geleitet wird. Darüber hinaus umfasst der Wärmetauscher
einen zweiten Strömungskanal,
durch den über
einen Einlass zugeführte
Ausgangsstoffe, wie z.B. Luft, Sauerstoff, Wasser und/oder Wasserdampf,
geleitet und durch Wärmekontakt
mit dem Reformat erwärmt
werden. Ein dritter Strömungskanal des
Wärmetauschers
dient schließlich
der Vorwärmung
der Ausgangsstoffe. Im Betrieb der Vorrichtung werden die Ausgangsstoffe
in dem zweiten und dem dritten Strömungskanal des Wärmetauschers
vorgewärmt
bzw. erwärmt
und anschließend
entweder unmittelbar in den Eindüsungs-Mischungsraum
geleitet oder zunächst
einer Zuführvorrichtung
für Brennstoff zugeführt, die
die Ausgangsstoffe gemeinsam mit dem Brennstoff in den Eindüsungs-Mischungsraum verdüst.
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Die
US 4,954,148 offenbart eine
Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms, die stromaufwärts von
einer Sprühkammer
angeordnete Umlenkbleche umfasst.
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Die
US 3,522,000 beschreibt
eine Vorrichtung zur Reinigung und Kühlung von Verbrennungsgasen,
bei der in eine Sprühkammer
Umlenkbleche angeordnet sind.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
anzugeben, die auf besonders einfache Art und Weise eine besonders
effiziente Beladung eines Prozessgases mit Feuchtigkeit ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
die Befeuchtung durch Verdampfung bei niedrigen Temperaturen durch
direkte Wärmeleitung
ohne aufwendige Prozesskontrolle. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
liegt darin, dass das zu verdampfende Medium in einem Befeuchter
sehr fein und gleichmäßig verteilt
wird, wodurch der Verdampfungsprozess effizienter wird. Die Vorrichtung
kann sowohl mit Medien mit hohen Temperaturen betrieben werden als
auch ohne Probleme beim Gefrierpunkt arbeiten. Der Druckverlust
in der Vorrichtung ist vorteilhaft niedrig.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren
Ansprüchen
und der Beschreibung hervor.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben,
wobei
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1 eine
Prinzipdarstellung einer bevorzugten Vorrichtung in verschiedenen
Ansichten, wobei 1a die Vorrichtung
von der Seite, 1b die Vorrichtung
von oben, d.h. vom Wassereinlaß her
gesehen, 1c eine Ausschnittsvergrößerung aus dem
Innern der Vorrichtung zum Verdeutlichen der Verdampfungsvorgänge im Innern, 1d eine Ansicht der Seite der Vorrichtung
mit den Zufuhr- und Abfuhranschlüssen
des Wärmeträgermediums
zeigt und
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2 ein
Detail des Wärmetauschers
mit Strömungskanälen für den zu
befeuchtenden Gasstrom und das Wärmetauschermedium,
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3 einen
Vergleich von Meßdaten
für einen
bevorzugten Befeuchter und einem bekannten Membran-Befeuchter zeigt.
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Die
Erfindung ist besonders dafür
geeignet, einen Gasstrom zu befeuchten. Besonders bevorzugt wird
eine erfindungsgemäße Befeuchter-Vorrichtung
in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt, um Prozeßgase zu
befeuchten. Eine derartige Befeuchtung ist z.B. für die Kathodenzuluft
oder auch für
ein der Anode zugeführtes
Medium notwendig, um den Wasserbedarf einer Membran einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle sicherzustellen,
oder auch zur Befeuchtung eines Edukts, um eine Reformierungsreaktion
zur Gewinnung eines wasserstoffhaltigen Reformats in einem Gaserzeugungssystem eines
Brennstoffzellensystems zu unterstützen. Die Erfindung wird nachfolgend
anhand eines bevorzugten Brennstoffzellensystems beschrieben, ist
jedoch auf diese Verwendung nicht beschränkt.
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In 1 ist
eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in mehreren Ansichten dargestellt. Die Befeuchter-Vorrichtung 1 in 1a besteht aus drei Sektionen, einer Sprühkammer 2,
einem Wärmetauscherbereich 3 und
einem Flüssigkeitsabscheider-Bereich
bzw. Wasserabscheider-Bereich 4. Im Gegensatz zu bekannten
Befeuchter-Vorrichtungen wird jedoch direkt Wärme von einem Wärmeträgermedium
zu der zu verdampfenden Flüssigkeit,
vorzugsweise Wasser, transportiert. Die Flüssigkeit bedeckt dabei eine
relativ große
Oberfläche
eines Wärmetauschers
im Innern der Vorrichtung.
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Um
einen direkten Wärmetransfer
zu erreichen, wird flüssiges
Wasser (H2O) über Mittel 5, 6 zum
Verdüsen
einer Flüssigkeit,
bevorzugt über
eine oder mehrere Zuleitungen 5 mittels Düsen 6 in
der Sprühkammer 2 in
eine Vielzahl von Tröpfchen
T zerstäubt.
Die Zerstäubung
findet vorzugsweise im Zentrum der Sprühkammer 2 oder möglichst
nahe des Eingangs zum Wärmetauscherbereich 3 statt,
in dem auch die Mischung mit dem Strom des zu befeuchtenden Prozeßgases 7 stattfindet.
Die Sprühkammer 2 bildet
die Gaszuführungsleitung
für das
Prozeßgas 7 in
die Befeuchter-Vorrichtung 1. Das Prozeßgas 7 wird durch
eine Prozeßgaszuführung 8 im
Bereich der Sprühkammer 2 dem
Befeuchter 1 zugeführt
und im Bereich des Wärmeträgerbereichs 3 durch
einen Prozeßgasauslaß 9 aus
dem Befeuchter 1 abgeführt.
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Im
Wärmetauscherbereich 3 sind
Mittel 10, 11, 12, 14, 15 zum
Heizen der Flüssigkeit
vorgesehen. Dabei wird ein Wärmeträgermedium 10 über eine
Wärmeträgermedien-Zuführung 11 zugeführt und über einen
Wärmeträgermedien-Auslaß 12 aus dem
Wärmetauscherbereich 3 abgeführt. Bezogen auf
die Strömungsrichtung
des Wassers befindet sich die Wärmeträgermedien-Zuführung 11 stromab
des Wärmeträgermedien-Auslasses 12.
Im Wärmetauscherbereich 3 wird
die Flüssigkeit
zumindest teilweise verdampft.
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Im
Bereich des Wasserabscheiders 4 wird überschüssiges Wasser gesammelt und
durch einen Wasser-Auslaß 13 abgeführt. Das
Wasser bewegt sich dabei durch den Befeuchter 1 im wesentlichen entlang
einer Strömungsrichtung
R von oben nach unten.
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Bevorzugt
erfolgt eine Zufuhr der Flüssigkeit bzw.
des Wassers zur Befeuchtung des Gasstroms in den Gasstrom des Prozeßgases.
Die Flüssigkeit
wird dabei in einer Menge zugeführt,
welche größer ist
als die theoretisch notwendige Menge, um eine relative Feuchte von
100 % zu erreichen. Eine Wegstrecke in Strömungsrichtung R nach der Zufuhr
der Flüssigkeit wird
die in ihrer flüssigen
Phase verbleibende Restflüssigkeit
wieder aus den Gasströmen
abgeschieden.
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In
besonders vorteilhafter Art und Weise wird damit erreicht, daß durch
diese überstöchiometrische Zufuhr
von Flüssigkeit
eine möglichst
vollständige Verdampfung
der eingebrachten Flüssigkeit
erfolgen kann, wobei die für
die Verdampfung erforderliche Energie aus dem thermischen Energieinhalt
sowohl einem Wärmetauschermedium,
welches zum Beheizen des Wärmetauschers 3 zugeführt werden
kann, aus der zu verdampfenden Flüssigkeit als auch des Gases
stammt. Dies bedingt eine annähernd
ideale Kühlung
und Befeuchtung der Gasströme.
Durch eine Abscheidung der Restflüssigkeit, also der in dem Gasstrom
verbleibenden Flüssigkeitströpfchen, kann zumindest
weitgehend vermieden werden, daß flüssige Bestandteile
in dem Gasstrom verbleiben. So gelangen praktisch keine Flüssigkeitströpfchen in die
nachfolgenden Einrichtungen, in welchen diese gegebenenfalls Probleme
bereiten könnten.
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Der
Wärmetauscherbereich 3 weist
eine Vielzahl von Strömungskanälen für den zu
befeuchtenden Gasstrom auf. Die Strömungskanäle werden zumindest teilweise
von Kühlrippen 14 mit
Wärmetauscherflächen 15 zum
zumindest teilweisen Verdampfen der Flüssigkeit gebildet.
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Beim
Verdüsen
des Wassers bilden sich eine Vielzahl von Wassertröpfchen T.
Die Tröpfchen
T werden vom Prozeßgas
mitgerissen und von der Sprühkammer 2 in
den Wärmetauscherbereich 3 transportiert.
In dem Wärmetauscherbereich 3 sind eine
Vielzahl von Kühlrippen 14 angeordnet.
Die Oberflächen 15 der
Kühlrippen 14 bilden
Wärmetauscherflächen 15 und
unterteilen den Gasstrom in eine Mehrzahl von parallelen Strömungskanälen mit
einer Strömungsrichtung
R.
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Die
Kühlrippen 14 werden
dabei bevorzugt mittels Wärmeleitung
durch ein Wärmeträgermedium 10 beheizt.
Dies ist in 2 anhand eines Details des Wärmetauscherbereichs 3 dargestellt.
Versetzt angeordnete Kühlrippen 14 sind
schichtweise angeordnet. Eine Mehrzahl von solchen Schichten sind übereinander
angeordnet. Zwischen diesen Schichten kann ein Wärmeträgermedium 10 strömen. Wärme kann
durch Wärmeleitung über die
Kühlrippen 14 und
die Begrenzungen 18 der Kühlrippen-Schichten abgegeben werden.
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In 1c sind die Strömungskanäle zwischen den Kühlrippen 14 im
Wärmetauscherbereich 3 als
Ausschnittsvergrößerung der 1a detailliert dargestellt. Der Übersichtlichkeit
wegen sind nur wenige Kühlrippen 14 sowie
der Oberflächen 15 der Kühlrippen 14 mit
einem Bezugszeichen versehen. Die Ansicht entspricht einer Draufsicht
auf eine Schicht von Kühlrippen 14.
Die Kühlrippen 14 sind bevorzugt
in mehreren, in Strömungsrichtung
des Wassers aufeinander folgenden, zueinander versetzten Reihen
R1, R2, ... angeordnet. In jeder Reihe R1, R2, ... sind eine Vielzahl
von Kühlrippen 14 mit
einer Höhe
h mit einem Abstand s eng beabstandet. Die in Strömungsrichtung
R des Wassers bzw. der Tröpfchen
T aufeinander folgenden Reihen R1, R2, ... sind vorzugsweise so
gegeneinander versetzt, daß Kühlrippen 14 in
einer ersten Reihe R1 Lücken
zwischen Kühlrippen 14 einer
direkt folgenden Reihe R2 gegenüber
stehen. Die Kühlrippen 14 führen zu
einer sehr großen
inneren Oberfläche
des Wärmetauscherbereichs 3.
Vorzugsweise sind die Kanäle
mit den versetzt angeordneten Kühlrippen 14 in
mehreren parallel zueinander verlaufenden Schichten angeordnet.
Zwischen den Schichten sind alternierend Ebenen mit Strömungskanälen für ein Wärmetauschermedium
angeordnet, so daß Wärme aus
dem Wärmetauschermedium
auf die Kühlrippen 14 und damit
in den Gasstrom eingetragen werden kann. Die Anordnung ist in 2 schematisch
dargestellt. Es können
anstatt Kühlrippen 14 auch
andere Arten von Wärmetauscheranordungen
im Wärmetauscherbereich 3 vorgesehen
sein, wie Platten, Rohrbündel
etc.
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Für eine optimale
Arbeitsweise des Befeuchters 1 werden zweckmäßigerweise
die Geometrie der Kühlrippen 14 und
die Größe der Tröpfchen geeignet aufeinander
abgestimmt. In einer bevorzugten Ausbildung beträgt eine bevorzugte Höhe h der
Kühlrippen 14 bzw.
der Reihen R1, R2, ... einige Millimeter, vorzugsweise 5 mm. Ein
bevorzugter Abstand s zwischen benachbarten Kühlrippen 14 beträgt weniger als
1 mm, besonders bevorzugt 0,9 mm. Eine bevorzugte Tröpfchengröße liegt
dabei bei etwa 50 μm Durchmesser.
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Wassertröpfchen T,
die im Gasstrom des Prozeßgases 7 mitgerissen
werden, bleiben im Wärmetauscherbereich 3 zumindest
teilweise auf der Oberfläche 15 der
Kühlrippen 14 hängen. Tröpfchen T
werden vom Prozeßgas 7 in
den Wärmetauscherbereich 3 mitgerissen.
Beim Eintreten in den Bereich der Kühlrippen 14 bilden
sich Mikroturbulenzen M aus, die eine Haftung von Tröpfchen T
auf der Oberfläche 15 der
Kühlrippen 14 verstärken.
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An
der Oberfläche 15 der
Kühlrippen 14 findet
ein direkter Wärmeübertrag
von den Kühlrippen 14 zu
den Wassertröpfchen
T statt. Dabei kann die Temperaturdifferenz zwischen Wassertröpfchen T und
Wärmeträgermedium 10 bzw.
Kühlrippen 14 relativ
gering sein. Durch die strömungsunterstützte Haftung
der Tröpfchen
T auf der Oberfläche 15 kann das
Wärmeträgermedium 10 relativ
lange auf die Tröpfchen
T einwirken und Verdampfungsenergie zuführen. So gelingt es vorteilhaft,
viel Wasser in kurzer Zeit zu verdampfen. Überschüssiges Wasser, welches nicht
verdampft, tropft in Richtung R nach unten in tiefere Bereiche des
Wärmetauscherbereichs 3, wird
dort bei Kontakt mit Kühlrippenoberflächen 15 entweder
zumindest teilweise verdampft oder im Wasserabscheider 4 unterhalb
des Wärmetauscherbereichs 3 gesammelt
.
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Zusätzlich kann
ein Entfernen von Wassertröpfchen
T aus dem Gasstrom 7 durch einen Koaleszenz-Filter 17 stromauf
des Prozeßgasauslasses 9 unterstützt werden.
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Die
der Sprühkammer 2 zugeführte Wassermenge
ist zweckmäßigerweise
so groß,
daß das
Prozeßgas 7 gesättigt ist.
Vorteilhafterweise beträgt
die Wassermenge ein Vielfaches der minimal notwendigen Menge, so
daß eine
Regelung oder Steuerung der Wasserzufuhr entfallen kann. Überschüssiges Wasser
wird einfach in dem Wasserabscheider 4 aufgefangen, der
sich an den Wärmetauscherbereich 3 anschließt.
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Es
versteht sich, daß die
Wassertröpfchen
T mit verschiedenen geeigneten Mitteln erzeugt werden können, wie
etwa mittels Verdüsen
durch Druck, pneumatisch, mechanisch oder Unterdruck, ebenso kann
die Zahl der Düsen
und deren Anordnung variiert werden. Um die Kompatibilität zu den
zu befeuchtenden Prozeßgasen
zu verbessern, ist es zweckmäßig, das
Material für
den Wärmetauscherbereich
entsprechend auszuwählen,
etwa korrosionsresistente Stähle
oder Aluminiumlegierungen, vorzugsweise AL-3003, bei der Befeuchtung
von Wasserstoff und dergleichen.
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Im
Ausgangsbereich des Prozeßgases 7 ist es
günstig,
Mittel vorzusehen, um kleine Tröpfchen
T, die im Prozeßgas 7 verblieben
sind, zu dem im Wasserabscheider 4 aufgefangenen überschüssigen Wasser
zurückzuführen. Eine
Kontamination einer nachfolgend vom befeuchteten Prozeßgas 7 durchströmten Brennstoffzelle
mit Verunreinigungen, die in den Wassertröpfchen T enthalten waren, wird
damit weitgehend vermieden. Bevorzugt werden dazu Filter oder Separatoren,
wie etwa Cyclon-Separatoren, Chevron-Separatoren, Koaleszenz-Filter
oder ähnliche,
verwendet.
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Ein
Chevron-Separator kann dabei vorteilhaft zwei Funktionen erfüllen. Zum
einen ist er geeignet, die Tröpfchen
T mit einer überkritischen
Größe abzuseparieren,
zum anderen verhindert er eine unerwünschte Wasserbewegung im Bodenbereich 4 des
Befeuchters 1.
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In 1d ist ein Strömungsweg des Prozeßgases 7 innerhalb
der Vorrichtung 1 dargestellt. Der Strömungsweg verläuft zwischen
Prozeßgaszufuhr 8 und
Prozeßgasauslaß 9,
indem das Prozeßgas
erst durch die Sprühkammer 2,
dann durch den Wärmetauscherbereich 3,
dann in den Flüssigkeitsabscheider 4 und
vom Flüssigkeitsabscheider 4 zum
Prozeßgasauslaß 9 geführt wird.
Am Prozeßgasauslaß 9 kann
vorteilhaft ein Koaleszenz- Filter
zum Trennen von Gas und Tröpfchen
vorgesehen sein. Das befeuchtete Prozeßgas ist am Ausgang 9 der
Vorrichtung im wesentlichen frei von Wassertröpfchen T oberhalb einer kritischen
Größe.
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Bevorzugt
werden als Wärmeträger 10 Medien
verwendet, die als Kühlmittel überschüssige Wärme aus
dem nicht dargestellten Brennstoffzellensystem abführen. Die
Temperatur eines solchen Wärmeträgermediums 10 reicht
für die
Verdampfung im Wärmetauscherbereich 3 aus.
Werden jedoch Wärmeträgermedien 10 verwendet,
deren Temperaturen oberhalb der Temperaturen solcher Kühlmedien
im Brennstoffzellensystem liegen, kann der Befeuchter 1 in
seiner Baugröße kleiner
ausgeführt
werden. Dazu kann das Wärmeträgermedium 10 durch
elektrische oder thermische Mittel zusätzlich auf eine höhere Temperatur
erhitzt werden.
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Eine
weitere günstige
Maßnahme
besteht in der Optimierung der Dimensionen des Wärmetauscherbereichs 3,
indem auf der Gaseinlaßseite 8 des Prozeßgases 7 Mittel
vorgesehen werden, um die Gasverteilung zu homogenisieren. Dazu
sind Umlenkbleche 16 günstig,
die in der Sprühkammer 2 angeordnet
sind und die den Strom des Prozeßgases 7 so beeinflussen,
daß der
Gasstrom sich möglichst homogen
verteilen kann. Eine weitere günstige
Möglichkeit
ist die Optimierung der Dimensionen und Anordnung des Wärmeträgermedienkreises 11, 12.
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Günstig ist
es, die Geometrie des Wärmetauscherbereichs 3 möglichst
genau auf die Prozeßgasmenge
und verfügbare
Wärmeträgertemperaturen abzustimmen
und so ein optimales Verhältnis
von Länge
zu Breite zu Tiefe des Wärmetauscherbereichs 3 zu
erzielen. Ebenso ist es vorteilhaft, die Abstände s, Dimensionen h und auch
Anordnung der Kühlrippen 14 im
Innern des Wärmetauscherbereichs 3 aufeinander
abzustimmen.
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Vorteilhaft
ist, eine Vorrichtung zur Kontrolle der Wasserstandshöhe im Wasserabscheider 4 vorzusehen.
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Bei
bekannten Befeuchtersystemen wird die Wärme nur mittelbar an das zu
verdampfende Wasser abgegeben, indem die Wärme zuerst in das Prozeßgas oder
in Luft und dann erst aus diesen Medien an Wassertröpfchen abgegeben
wird. Damit ist der Energietransfer jedoch träge und wenig effizient. Gemäß der Erfindung
wird durch den Prozeßgasfluß die Adhäsion von
auf den Wärmetauscherflächen 15 des Wärmetauscherbereichs 3,
bevorzugt den Kühlrippen 14,
haftenden Wassertröpfchen
T unterstützt
und gefördert.
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Verglichen
mit einem üblichen
Membran-Befeuchter kann eine Verwendung des erfindungsgemäßen Befeuchters 1 erhebliche
Einsparungen an Volumen und an Gewicht eines Befeuchters bringen.
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Bei
vergleichbaren Umsätzen
und Prozeßgasmengen
ist ein optimierter Befeuchter 1 gemäß der Erfindung bis zu 70%
kleiner und bis zu 80% leichter als eine vergleichbarer Membran-Befeuchter. Dies
ist besonders bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Befeuchters 1 in
mobilen Brennstoffzellensystemen von Vorteil. Zusätzlich werden
erheblich Kosten für
teure Membranen eingespart, wenn ein erfindungsgemäßer Befeuchter 1 statt
eines Membran-Befeuchters verwendet wird; ein erfindungsgemäßer Befeuchter 1 kann
bis zu 90% billiger sein als ein Membran-Befeuchter.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß die Zuverlässigkeit
der Befeuchtungsvorrichtung verbessert ist, da weniger Komponenten
notwendig sind. Außerdem
kann die Vorrichtung, im Gegensatz zu Membran-Befeuchtern, auch mit
erheblichen Druckdifferenzen zwischen Wärmeträgermedium 10 und Prozeßgas 7 arbeiten.
Der erfindungsgemäße Befeuchter 1 ist
im wesentlichen leckagefrei bzw. einfach abzudichten und kann ohne weiteres
auch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ausgesetzt
werden, ohne Schaden zu nehmen.
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In 3 ist
ein Vergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Befeuchter 1 und
einem Membran-Befeuchter dargestellt. Der Taupunkt τ eines Prozeßgases 7 ist
in Abhängigkeit
des Durchflusses Φ des
Prozeßgases 7 aufgetragen.
Die Werte des Membran-Befeuchters werden durch die durchgezogene
Linie repräsentiert.
Die Punkte stellen Meßdaten
dar, die an einem Prozeßgas 7 gemessen
wurden, welches mit einem erfindungsgemäßen Befeuchter 1 befeuchtet
wurde. Für
beide Versuche wurden vergleichbare Prozeßparameter wie Wärmeträgertemperatur,
Prozeßgastemperatur,
Prozeßgasdruck
verwendet. Die Punkte streuen um die durchgezogene Kurve des Membran-Befeuchters
und zeigen, daß ein
erfindungsgemäßer Befeuchter 1 besonders
einfach in ein System eingebaut werden kann, welches mit einem üblichen
Membran-Befeuchter betrieben wird. Beide Befeuchtersysteme können vergleichbare
Niedertemperatur-Wärmeträger verwenden
und der Befeuchtungsgrad des Prozeßgases ist vergleichbar.
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Als
Wärmeträgermedium 10 läßt sich
vorteilhaft Wasser oder auch Wasser mit einem Frostschutz verwenden,
vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Das Kühlsystem für das Brennstoffzellensystem
kann kleiner ausgelegt werden, da Abwärme aus dem System beim Befeuchter 1 verwendet
werden kann. Für
das befeuchtete Prozeßgas 7 ist
keine weitere Nachkühlung
notwendig, da auch wegen des direkten Wärmetransfers vom Wärmeträgermedium 10 in
die Wassertröpfchen
T ein Wärmeträgermedium 10 mit
niedriger Temperatur effizient zur Befeuchtung beiträgt.
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Zur
Befeuchtung eines Prozeßgases 7 ist keine
weitere Steuerung oder Regelung notwendig, kann aber auch vorgesehen
sein. Besonders im Vergleich mit üblichen Membran-Befeuchtern
zeigen sich mehrere Vorteile des erfindungsgemäßen Befeuchters 1.
Theoretisch sind, bezogen auf dasselbe nutzbare Volumen eines Befeuchters,
erfindungsgemäß höhere Taupunkte τ erreichbar
als bei einem Membran-Befeuchter. Der Druckabfall im Befeuchter 1 ist
geringer als in einem vergleichbaren Membran-Befeuchter. Es wird
weniger Wärmeträgermedium 10 benötigt, um
ein Prozeßgas 7 mit
einem vergleichbaren Feuchtegrad zu erhalten.
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Der
erfindungsgemäße Befeuchter 1 eignet sich
besonders für
den Einsatz in Brennstoffzellensystemen, bei dem eine Befeuchtung
bei niedriger Prozeßgastemperatur
gefordert ist.