DE19943059A1 - System zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom - Google Patents

Abstract

Ein System dient zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, wobei der Gasstrom die Flüssigkeit überwiegend als Flüssigkeitsdampf enthält. Insbesondere dient das System zur Auskondensation von Wasser aus den Abgasströmen eines Brennstoffzellensystems. Das System weist wenigstens eine Expansionseinrichtung auf. Der Gasstrom wird in der wenigstens einen Expansionseinrichtung entspannt, wobei in Strömungsrichtung des Gasstroms nach der Expansionseinrichtung zumindest ein Teil der Flüssigkeit auskondensiert wird. Danach wird der Gasstrom von wenigstens einer Kompressionseinrichtung wieder komprimiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom nach der im Ober­ begriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Auskondensati­ on von Wasser aus den Abgasströmen eines Brennstoff­ zellensystems und hier speziell aus den Abgasströmen eines Brennstoffzellenstacks und eines Reformers als Teil eines Gaserzeugungssystem des Brennstoffzellensy­ stems.

Bei der Verwendung von Brennstoffzellensystemen, ins­ besondere solchen mit Reformierungsreaktoren bzw. Re­ formern zur Erzeugung von Wasserstoff, ist es von ent­ scheidender Bedeutung, zur Sicherstellung der Befeuch­ tung von Zuluft und Brenngas bzw. Wasserstoff, genü­ gend Wasser zur Verfügung stellen zu können. Ein wei­ terer Punkt, welcher die Befeuchtung des zugeführten Brenngases bzw. der Zuluft erforderlich macht, ist, daß ausreichend befeuchtete Gase zur Verfügung ge­ stellt werden müssen, um ein Austrocknen des Festelek­ trolyten zu verhindern.

Um ein zusätzliches Tanken von Wasser zu verhindern, also einen geregelten Wasserkreislauf ohne erforderli­ ches Nachtanken sicherzustellen, kann das in den Ab­ gasströmen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzel­ lenstacks und des Reformers enthaltene Wasser wieder zurückgewonnen werden. Besonders interessant ist hier die Kathodenluft der Brennstoffzellenstacks, welche neben dem zur Befeuchtung eingebrachten Wasser auch das Produktwasser der elektrochemischen Reaktion des Brennstoffzellenstacks enthält.

Allgemein üblich und aus dem Stand der Technik bekannt ist es, hier eine Auskondensation des Wassers anzuwen­ den. Insbesondere in den Fahrzeuganwendungen wird da­ bei die flüssigkeitsdampfhaltige Kathodenluft durch einen allgemein bekannten und üblichen Fahrzeugkühler gekühlt. Dadurch kommt es zu einer teilweisen Auskon­ densation des Flüssigkeitsinhalts des Gasstroms der Kathodenluft.

Als besonderer Nachteil hat sich hierbei jedoch erwie­ sen, daß das zu erreichende Temperaturniveau in einem üblichen Fahrzeugkühler, welches je nach Umgebungsbe­ dingungen bis zu 55°C und höher betragen kann, nicht ausreicht, um eine ausgeglichene Wasserbilanz eines entsprechenden Brennstoffzellensystems sicherzustel­ len.

Aus dem Bereich der Kraftwerksanwendungen von Brenn­ stoffzellen, insbesondere bei Mitteltemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen, ist es bekannt, die in den Abgasen, insbesondere in der Kathodenluft der Brennstoffzelle enthaltene Energie mittels Expansions­ einrichtung, wie z. B. Turbinen oder Turbinen-Gene­ rator-Einheiten, nutzbar zu machen. Die Energie wird dabei überwiegend in elektrische Energie umgewandelt und hebt so den Wirkungsgrad des Gesamtsystems an.

Alternativ dazu kann die von der Turbine erzeugte Energie auch dazu eingesetzt werden, eine Kompressi­ onseinrichtung zu betreiben, welche den für den Be­ trieb der Brennstoffzelle erforderlichen Vordruck der Zuluft bzw. der Brenngase erzeugt. Beispielhaft sei hier auf die EP 0 629 013 B und auf die US 3,982,962 verwiesen, welche derartige Anwendungen beschreiben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein System zu schaffen, welches in der Lage ist, einen großen Teil einer in einem Gasstrom enthaltenen Flüssigkeit aus diesem auszukondensieren und die so zurückgewonnene Flüssigkeit dem System wieder zur Verfügung zu stel­ len.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Kombination aus Expansions­ einrichtung und Verdichtereinheit kann dabei sowohl die Auskondensation von verhältnismäßig großen Flüs­ sigkeitsmengen aus einem Gasstrom als auch eine Abküh­ lung eines Gasstroms unter ein durch die Umgebungsbe­ dingungen vorgegebenes Temperaturniveau realisiert werden. In der Expansionseinrichtung kühlt sich der Gasstrom durch eine z. B. polytrope Entspannung erheb­ lich ab. Hierdurch wird eine weitere Auskondensation aus dem ursprünglich mit Flüssigkeitsdampf gesättigten Gasstrom erreicht. Der in der Expansionseinrichtung in mechanische Energie umgesetzte Energieinhalt des Gas­ stroms, welcher zuvor in Form von Temperatur und Druck vorlag, wird anschließend in der Verdichtereinheit dazu genutzt, den Gasstrom wieder zu komprimieren und an die Umgebung abzugeben.

Durch die Expansion und den damit verbundenen Rückgang der Temperatur des flüssigkeitshaltigen Gasstroms kann erreicht werden, daß gegenüber dem Stand der Technik eine weitaus größere Menge an Flüssigkeit aus dem Gasstrom auskondensiert wird, wobei die Flüssigkeit einem Flüssigkeitskreislaufsystem zugeführt wird, so daß z. B. in der Anwendung in einem Brennstoffzellensy­ stem auf ein Nachtanken von Wasser zur Befeuchtung der Zuluft- bzw. Brenngasströme für den Brennstoffzellen­ stack und den Reformer verzichtet werden kann.

In einer sehr günstigen Ausführungsform der Erfindung weisen die Expansionseinrichtungen und die Verdich­ tereinheit eine gemeinsame Antriebswelle auf, so daß die in der Expansionseinrichtung erzeugte mechanische Energie direkt der Verdichtereinheit zur Verfügung gestellt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist der Einsatz in einem Antriebssystem für ein Fahr­ zeug mit einem Gaserzeugungssystem und einer Nieder­ temperatur-Brennstoffzelle. Dabei wird der Wasserdampf aus dem Reformerabgas, der Kathodenabluft und gegebe­ nenfalls auch der Anodenabluft einer Brennstoffzelle auskondensiert und das so zurückgewonnene Wasser einem Wasserkreislaufsystem zur Verfügung gestellt. Aus dem Wasserkreislaufsystem kann dann das von der Anlage benötigte Wasser z. B. für die Befeuchtung der Zuluft- und der Brenngasströme sowie das Wasser für die Refor­ mierungsreaktion entnommen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfol­ gend anhand der Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Brennstoffzellensystems mit einer Auskondensation von Wasser aus der Ka­ thodenluft gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung zur Auskondensation von Wasser aus der Kathodenluft einer Brennstoffzelle bei Betrieb der Brennstoffzelle mit Vordruck; und

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung zur Auskondensation von Wasser aus der Kathodenluft einer Brennstoffzelle bei Betrieb der Brennstoffzelle ohne Vordruck.

Fig. 1 zeigt einen Brennstoffzellenstack 1 bzw. eine Brennstoffzelle 1 mit einem Anodenraum 2 und einem Kathodenraum 3. In der prinzipmäßigen Darstellung ge­ mäß dem Stand der Technik ist erkennbar, daß die Zu­ luft für den Kathodenraum 3 über eine Kompressionsein­ richtung 4, insbesondere einen Kompressor 4, auf einen Vordruck verdichtet wird. Nach dem Verlassen des Ka­ thodenraums 3 gelangt die feuchte Kathodenabluft, wel­ che sowohl die Flüssigkeit aus einer in Strömungsrich­ tung der Zuluft vor dem dargestellten Teilbereich er­ folgenden Befeuchtung als auch das Produktwasser aus der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 1 mit sich führt, in einen Kühler bzw. Kondensator 5. Falls es sich um ein Brennstoffzellensystem für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug handelt, kann dies der allgemein übliche Fahrzeugkühler 5 sein.

In dem Kühler 5, welcher z. B. von anströmender Luft umströmt wird und dabei die ihn durchströmende Flüs­ sigkeit kühlt, wird ein Teil des in der Kathodenabluft enthaltenen Wassers (H₂O) auskondensiert. Um ein zu schnelles Durchströmen des Kühlers 5 zu verhindern und um in dem System nach dem Kompressor 4 den erforderli­ chen Druck aufrecht zu erhalten, durchströmt die Ka­ thodenluft nach dem Kühler 5 ein einstellbares Dros­ selventil 6.

Mit diesem Aufbau gemäß dem Stand der Technik, welcher in Fig. 1 dargestellt und erläutert ist, kann zwar ein Teil des Wassers aus der Kathodenabluft auskondensiert werden, dieser Anteil an Wasser ist jedoch nicht aus­ reichend den Wasserbedarf des Brennstoffzellensystems für die Befeuchtung und die Reformierungsreaktion ohne ein Nachtanken von Wasser zu decken.

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Teil des Brennstoffzel­ lensystems, wobei auch hier analog zu Fig. 1 die Brennstoffzelle 1 mit dem Anodenraum 2 und dem Katho­ denraum 3 erkennbar ist, und wobei auch hier die Zu­ luft der Brennstoffzelle 1 durch den Kompressor 4 vor dem Eintritt in den Kathodenraum 3 auf einen Vordruck komprimiert wird. Die Kathodenabluft aus dem Kathoden­ raum 3 gelangt dann jedoch in ein System zur Auskon­ densation des in ihr enthaltenen Wassers also des Pro­ duktwassers aus der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 1 und des aus der Befeuchtung (nicht dargestellt) der Zuluft vor dem Kompressor 4 bedingten Wasseranteils.

Der Kern des Systems zur Auskondensation des Wassers liegt dabei in einer Expansionseinrichtung 7 und einer Verdichtereinheit 8. Der Gasstrom, also hier die Ka­ thodenabluft, wird dabei in der Turbineneinheit 7 po­ lyprop entspannt.

Der Gasstrom wird dabei auf einen Druck unterhalb des die Anlage umgebenden Umgebungsdrucks entspannt, so daß hier ein Druckniveau von üblicherweise unter 1 bar vorliegt. Durch diese Entspannung des wasser- bzw. wasserdampfhaltigen Gasstroms wird dieser stark abge­ kühlt, wodurch es zu der Auskondensation wenigstens eines Teils des in dem Gasstrom enthaltenen Wassers bzw. Wasserdampfs kommt.

Nach dieser polypropen Entspannung, im theoretischen Grenzfall auch einer isentropen Entspannung, wird die entspannte Kathodenabluft durch einen Kondensatab­ scheider 9 geleitet, in welchem ein Abscheiden des nach der Turbineneinheit 7 aus der Kathodenabluft aus­ kondensierten Wassers erfolgt. Aufgrund des durch die Expansion in der Turbineneinheit 7 bedingten Tempera­ turrückgangs der feuchten Kathodenabluft können hier relativ große Mengen an Wasser (H₂O) auskondensiert werden. Das dort auskondensierte Wasser wird gesammelt und einem Wasserkreislaufsystem 10 der gesamten Anlage zugeführt. Dazu muß natürlich das Druckniveau des ge­ sammelten Wassers wieder auf den Umgebungsdruck oder den durch die Kompressionseinrichtung 4 gegebenen Vor­ druck angehoben werden, dazu kann z. B. eine kleine Pumpeinrichtung (nicht dargestellt) zwischen dem Kon­ densatabscheider und dem Wasserkreislaufsystem 10 die­ nen.

Das in dem Wasserkreislaufsystem 10 gesammelte Wasser, also das zurückgewonnene Befeuchtungswasser sowie das Produktwasser aus der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 1, kann dann einem Sammelbehälter (nicht dargestellt) zugeführt werden, aus welchem das Wasser wiederum zur Befeuchtung der Gasströme vor der Brennstoffzelle 1 und/oder einem Gaserzeugungssystem (nicht dargestellt), insbesondere einem Reformer, zu­ geführt werden kann.

Nach der Auskondensation des Wassers aus dem wasser- bzw. wasserdampfhaltigen Gasstrom gelangt der Gasstrom zu der Verdichtereinheit 8 und wird dort wieder auf Umgebungsdruck verdichtet. Das die Verdichtereinheit 8 und damit die Anlage verlassende Abgas bzw. Abluft ist dann also ein warmes, trockenes Abgas.

Um die in der Turbineneinheit 7 anfallende mechanische Energie direkt für die Verdichtereinheit 8 zur Verfü­ gung zu stellen, sind die beiden Einheiten 7, 8 auf einer gemeinsamen Antriebswelle 11 angeordnet.

Wie in Fig. 2 ersichtlich, durchströmt das in der Tur­ bineneinheit 7 durch die Expansion stark abgekühlte Gas nach dem Verlassen des Kondensatabscheiders 9 eine Wärmeübertragungseinrichtung 12. Diese nicht unbedingt erforderliche, jedoch sehr sinnvolle Wärmeübertra­ gungseinrichtung 12 bewirkt dabei, daß die direkt aus dem Kathodenraum 3 zu der Turbineneinheit 7 strömende Kathodenabluft in der Wärmeübertragungseinrichtung 12 in einen wärmeübertragenden Kontakt mit dem sehr viel kühleren Gasstrom nach der Expansion in der Turbinen­ einheit 7 kommt.

Die technische Ausführung dieser Wärmeübertragungsein­ richtung 12 kann dabei ein einfacher Kreuzstrom- Wärmetauscher, Gegenstrom-Wärmetauscher oder eine ähn­ liche an sich bekannte Art von Wärmeübertragungsein­ richtung 12 sein, bei der die beiden Medien drucklich und räumlich voneinander getrennt bleiben, jedoch in dem wärmeübertragenden Kontakt zueinander stehen. Durch die Wärmeübertragungseinrichtung 12 wird die aus dem Kathodenraum 3 strömende Kathodenabluft bereits vor Erreichen der Turbineneinheit 7 abgekühlt, weshalb es auch hier bereits zu einer Auskondensation von Was­ ser kommt. Es ist sogar zu erwarten, daß im Bereich der Wärmeübertragungseinrichtung 12 ein sehr großer Anteil an Wasser auskondensiert. Dieses Wasser wird ebenfalls gesammelt und dem Wasserkreislaufsystem 10 zugeführt.

Zusätzlich zu einer direkten Auskondensation von Was­ ser bewirkt die Wärmeübertragungseinrichtung 12 ein Abkühlen des Gasstroms, so daß dieser nach der Ent­ spannung in der Expansionseinrichtung 7 ein niedrige­ res Temperaturniveau aufweisen wird, was die Auskon­ densation in dem Kondensatabscheider 9 verbessert.

Als weitere optionale Einrichtung, welche in den Figu­ ren jeweils nur mit punktierten Linien dargestellt sind, kann außerdem in diesem Bereich des Gasstroms zwischen dem Kathodenraum 3 und der Wärmeübertragungs­ einrichtung 12 ein Kondensator 5, wie z. B. ein her­ kömmlicher Fahrzeugkühler 5, angeordnet sein. Auch in diesem Kondensator 5 kommt es bereits zu einer Auskon­ densation einer kleinen Menge von Wasser, wobei auch diese dem Wasserkreislaufsystem 10 zugeführt werden kann. Neben einem herkömmlichen Fahrzeugkühler 5 mit einer direkten Anströmung durch Kühlluft oder einer indirekten Übertragung von durch anströmende Kühlluft verursachte Abkühlung auf ein Wärmetransportmedium und Abkühlung des Gaststrom durch das Wärmetransportmedi­ um, sind auch weitere Ausführungsformen der Kühlein­ richtung denkbar. So könnte die Kühleinrichtung z. B. als einfacher Aufbau aus einem von dem Gasstrom durch­ flossenen Rohr mit einer durch ein Gebläse erzwungene Anströmung von Luft oder ein Kühlmedium sein, es sind jedoch auch Aufbauten in der Art von rekuperativen Wärmetauschern oder dergleichen verwendbar.

Neben der direkten Auskondensation von Wasser bewirkt auch dieser Kondensator 5 ein Abkühlen des Gasstroms, so daß dieser nach der Entspannung in der Expansions­ einrichtung 7 ein noch niedrigeres Temperaturniveau aufweisen wird, was wiederum die Auskondensation, in dem Kondensatabscheider 9 und in dem Bereich der Wär­ meübertragungseinrichtung 12, verbessert.

Außerdem läßt sich das durch die Expansion in der Tur­ bineneinheit 7 stark verringerte Temperaturniveau des Gasstroms durch weitere, optionale Wärmetauscher 13, 14 nutzen. Durch den Gasstrom mit der geringen Tempe­ ratur, welcher die Wärmetauscher 13 und 14 durch­ fließt, kann z. B. ein Wärmeübertragungsmedium wie Kühlwasser oder Kühlluft auf ein niedriges Temperatur­ niveau abgesenkt werden. Dieses Kühlwasser bzw. die Kühlluft kann dann weiteren Anwendungen im Bereich des Brennstoffzellensystems oder eines Gaserzeugungssy­ stems zur Verfügung gestellt werden. Somit ist man in der Lage z. B. in einem Fahrzeug ein Temperaturniveau unterhalb der Temperatur des Fahrzeugkühlers 5 zur Verfügung zu stellen.

Dabei können die Wärmetauscher 13, 14 in dem System zur Auskondensation so angeordnet werden, daß sie ver­ schiedene Temperaturniveaus für externe Anwendungen liefern. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird z. B. die Temperatur des Wärmetauschers 13, welcher in Strömungsrichtung vor der Wärmeübertragungseinrichtung 12 angeordnet ist, niedriger sein als dies bei dem Wärmetauscher 14, der in Strömungsrichtung hinter der Wärmeübertragungseinrichtung 12 angeordnet ist, der Fall sein wird. Dies ist dadurch bedingt, daß der Gasstrom nach der Expansion und nach dem Durchströmen jedes der Wärmetauscher 13, 14 bzw. der Wärmeübertra­ gungseinrichtung 12 erwärmt wird und so in dem in Strömungsrichtung des Gasstroms nachfolgenden Wärme­ tauscher 14 ein höheres Temperaturniveau aufweist als dies im Wärmetauscher 13 der Fall war.

Die Wärmeübertragungseinrichtung 12 und die Wärmetau­ scher 13, 14 erhöhen dabei das Temperaturniveau des Gasstroms, bevor dieser die Verdichtereinheit 8 er­ reicht. Am Ausgang der Verdichtereinheit 8 wird also ein vergleichsweise warmes, jedoch trockenes Abgas bzw. Kathodenabluft an die Umgebung abgegeben.

Sollte insbesondere aufgrund der optionalen Wärmetau­ scher 13, 14 für die Kühlvorgänge externer Einrichtun­ gen und auftretende Verluste, die in der Turbinenein­ heit 7 frei werdende mechanische Energie nicht ausrei­ chen, um die Verdichtereinheit 8 in der gewünschten Art und Weise zu betreiben, so kann hier optional mit­ tels einer externen Kraftmaschine 15, z. B. einer Elek­ tromaschine 15, die auftretende Verlustenergie ausge­ glichen werden.

Ohne den Einsatz der optionalen Wärmetauscher 13, 14 und gegebenenfalls der Wärmeübertragungseinrichtung 12 reicht die von der Turbineneinheit 7 gelieferte mecha­ nische Energie aus, um die Verdichtereinheit 8 in der gewünschten Art und Weise zu betreiben, da die auftre­ tenden Verluste bereits durch die Energiezufuhr durch den Kompressor 4 aufgebracht wurden.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Er­ findung ist es auch denkbar Kompressor 4, Verdich­ tereinheit 8, Turbineneinheit 7 und die Elektromaschi­ ne 15 auf einer gemeinsamen Antriebswelle 11 zu einer kompakten Baueinheit mit nur einem Antrieb durch die Elektromaschine zusammenzufassen.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, welche prinzipiell denselben Aufbau und dieselbe Funktions­ weise wie Fig. 2 darstellt. Lediglich wird hier die Brennstoffzelle 1 ohne Vordruck betrieben, was den Einsatz des Kompressors 4 unnötig macht. Die Kathoden­ abluft durchläuft nach dem Kathodenraum 3 den bereits in Fig. 2 beschriebenen Ablauf, wobei hier jedoch die externe Kraftmaschine 15 bzw. die Elektromaschine 15 keineswegs als Option zu sehen ist.

Dadurch, daß vor der Brennstoffzelle 1 die Kathoden­ luft lediglich durch ein Gebläse (nicht dargestellt) oder Vergleichbares praktisch ohne einen Vordruck ge­ genüber dem Umgebungsdruck in die Brennstoffzelle ein­ geblasen wird, erfolgt in der Turbineneinheit 7 eine Entspannung von der wenigstens annähernd Umgebungs­ druck aufweisenden Kathodenabluft auf ein Druckniveau deutlich unter dem des Umgebungsdrucks. Nachdem die so entspannte Kathodenabluft den Kondensatabscheider 9, die Wärmeübertragungseinrichtung 12 und die beiden optionalen Wärmetauscher 13, 14 durchlaufen hat, muß sie von der Verdichtereinheit 8 wieder auf Umgebungs­ druck verdichtet werden, um als erwärmtes und getrock­ netes Abgas an die Umgebung abgegeben werden zu kön­ nen. Die hierfür erforderliche Energie wird von der Elektromaschine 15 und der Turbineneinheit 7 aufge­ bracht.

Je nach Betrieb der Brennstoffzelle 1 mit oder ohne Vordruck, müssen die energetischen Verluste des Sy­ stems zur Auskondensation also durch den Kompressor 4 oder durch die Elektromaschine 15 aufgebracht werden.

Man könnte auch durch die Turbineneinheit 7 den Gas­ strom praktisch durch die Anlage "saugen", so daß au­ ßer für Turbineneinheit 7 und Verdichtereinheit 8 kein weiterer "Antrieb" für den Gasstrom benötigt wird. Insbesondere mit einer analog zu der unter Fig. 2 be­ schriebenen Baueinheit mit nur einem Antrieb, wäre eine vergleichbare Baueinheit, ohne Kompressor 4 und gegebenenfalls auch ohne das Gebläse, denkbar.

Die weiteren optionalen Wärmetauscher 13, 14, der op­ tionale Kühler 4 sowie das Wasserkreislaufsystem 10 und die Auskondensation in wenigstens einer Stufe, also nach der Turbineneinheit 7, sind mit dem unter Fig. 2 beschriebenen System vergleichbar. Auch der Einsatz der Wärmeübertragungseinrichtung 12 als weite­ re Stufe der Auskondensation ist hier natürlich sinn­ voll, analog zu Fig. 2 jedoch nicht zwingend erforder­ lich.

Den bevorzugten Einsatz für die beschriebenen Systeme zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gas­ strom ist sicherlich im Bereich der Hybridantriebe auf Basis einer Brennstoffzelle mit einem Gaserzeugungssy­ stem zu sehen. Dabei ist überwiegend der Einsatz in mobilen Anwendungsbereichen, wie z. B. in Fahrzeugen, zu beachten, bei denen eine Methanolreformierung in der Kombination mit einer Niedertemperatur-Brennstoff­ zelle, wie z. B. einer Polymer-Membran-Brennstoffzelle, zum Einsatz kommt.

Claims (15)

1. System zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, wobei der Gasstrom die Flüssigkeit überwiegend als Flüssigkeitsdampf enthält, insbe­ sondere zur Auskondensation von Wasser aus den Ab­ gaströmen in einem Brennstoffzellensystem, mit we­ nigstens einer Expansionseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in der wenigstens einen Expansions­ einrichtung (7) entspannt wird, wobei in Strö­ mungsrichtung des Gasstroms nach der Expansions­ einrichtung (7) zumindest ein Teil der Flüssigkeit auskondensiert wird, wonach der Gasstrom von we­ nigstens einer Verdichtereinheit (8) komprimiert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in der wenigstens einen Expansions­ einrichtung (7) auf einen Druck unterhalb eines Umgebungsdrucks expandiert wird, und daß der Gas- Strom von der wenigstens einen Verdichtereinheit (8) auf Umgebungsdruck komprimiert wird.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Expansionseinrichtung (7) und die wenigstens eine Verdichtereinheit (8) eine ge­ meinsame Antriebswelle (11) aufweisen.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in Strömungsrichtung vor der Expansi­ onseinrichtung (7) in wärmeübertragendem Kontakt (12) mit dem Gasstrom in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung (7) steht, und wobei im Bereich des wärmeübertragenden Kontakts (12) Flüs­ sigkeit auskondensiert.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche auskondensierte Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislaufsytem (10) gesammelt wird.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in Strömungsrichtung vor wenigstens einer die Flüssigkeit einbringenden Einrichtung (1) durch wenigstens eine Kompressionseinrichtung (4) auf einen Vordruck verdichtet wird.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in der wenigstens einen Expansions­ einrichtung (7) polytrop entspannt wird.

8. System nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Antriebswelle (11) von einer Kraft­ maschine (15) antreibbar ist.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine als eine Elektromaschine (15) ausgebildet ist.

10. System nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in Strömungsrichtung vor der Expansi­ onseinrichtung (7) von einer externen Kühleinrich­ tung (5) kühlbar ist, wobei im Bereich dieser Kühleinrichtung (5) auskondensierte Flüssigkeit dem Flüssigkeitskreislaufsystem (10) zugeführt wird.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in Strömungsrichtung nach der Expan­ sionseinrichtung (7) wenigstens einen Wärmetau­ scher (13, 14) durchströmt, wobei dieser wenigstens eine Wärmetauscher (13, 14) für Kühlvorgänge exter­ ner Einrichtungen nutzbar ist.

12. System nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionseinrichtung (4) vor der wenigstens einen die Flüssigkeit einbringenden Einrichtung (1) durch die gemeinsame Antriebswelle (11) an­ treibbar ist.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung (7) in der Art einer Turbine ausgebildet ist.

14. System nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der wenigstens einen die Flüssigkeit einbringenden Einrichtung (1) um eine Einrichtun­ gen eines Brennstoffzellensystems handelt.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine die Flüssigkeit einbringende Einrichtung (1) ein Reformer und/oder eine Nieder­ temperaturbrennstoffzelle eines Brennstoffzellen­ systems mit Gaserzeugungssystem ist.