DE19953802A1 - Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Befeuchtung eines Gasstroms, insbesondere eines Prozeßgasstroms in einem PEM Brennstoffzellensystem, mit einem Behälter. Der Behälter weist wenigstens eine Gaseintrittsöffnung, wenigstens eine Gasaustrittsöffnung und wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr von Flüssigkeit auf. Die Flüssigkeit befindet sich in einem Teilbereich des Behälters, welcher in Richtung der Gravitation oberhalb der Gaseintrittsöffnung angeordnet ist. Ein anderer Teilbereich des Behälters weist ein gasdurchlässiges Trennelement auf, welches auf dem Weg des Gasstroms zu der Gasaustrittsöffnung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuch­ tung eines Gasstroms nach der im Oberbegriff von An­ spruch 1 näher definierten Art.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Ver­ fahren zur Befeuchtung von Gasströmen bekannt. Diese Systeme nutzen dabei überwiegend verschiedenartige Membranen, welche den Gasstrom von einem Flüssig­ keitsstrom oder einer Flüssigkeitsvorratskammer tren­ nen. Die Membranen lassen es dabei zu, daß Flüssig­ keitsteilchen durch die Membran hindurch in den Gas­ strom eintreten und von diesem aufgenommen und mit­ transportiert werden. Insbesondere im Bereich der Be­ feuchtung von Prozeßgasen für Brennstoffzellenanlagen sind derartige Befeuchter anzutreffen, wobei hier ex­ emplarisch auf die EP 0 831 543 A1 und die US 4,973,530 hingewiesen werden soll.

Aus der EP 0 629 014 B1 ist ein weiteres Verfahren zur Befeuchtung von Prozeßgas für den Betrieb von Brenn­ stoffzellen bekannt, bei dem feinzerstäubtes Wasser in einer vorgegebenen, geregelten 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.

Die Nachteile sämtlicher aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen zur Befeuchtung von Gasströmen liegen darin, daß diese sehr aufwendig sind und eine komplexe Steuerung bzw. Regelung erforderlich machen. Durch den Einsatz empfindlicher Bauteile, wie z. B. der Membranen, haben diese Befeuchtersysteme eine hohe Störanfälligkeit bzw. verursachen einen hohen War­ tungsaufwand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms zu schaffen, welche eine Befeuchtung des Gasstroms mit wenigen, einfachen Bauteilen realisiert und dabei auf eine aufwendige Steuerung bzw. Regelung verzichten kann.

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

Erfindungsgemäß befindet sich die Flüssigkeit in einem Teilbereich des Behälters, welcher in Richtung der Schwerkraft oberhalb der Gaseintrittsöffnung angeord­ net ist. Das durch die Gaseintrittsöffnung einströmen­ de Gas wird also von unten durch die Flüssigkeit ge­ drückt. Selbstverständlich muß das durch die Gasein­ trittsöffnung einströmende Gas dazu einen Druck auf­ weisen, welcher größer ist als der durch die Flüssig­ keitssäule auf den Bereich der Gaseintrittsöffnung ausgeübte Druck. Auch für die weitere Strömung des Gasstroms ist natürlich eine die Strömung aufrechter­ haltende Druckdifferenz erforderlich. Diese kann z. B. durch eine Kompression der Gase vor dem Eintritt in den erfindungsgemäßen Befeuchter erfolgen.

Während die Gase die Flüssigkeit durchströmen, werden sie mit dieser vermischt und ein Teil der Flüssigkeit kann in dem Gas verdampfen. Der thermische Energiein­ halt, sowohl der Gase als auch der Flüssigkeit, lie­ fert die dafür benötigte Energie, so daß es neben ei­ ner Befeuchtung der Gase auch zu einer Abkühlung der­ selben kommt.

Nachdem das Gas beim Durchströmen der Flüssigkeit Flüssigkeitsteilchen aufgenommen, teilweise verdampft und seine relative Feuchte damit erhöht hat, gelangt es in einen anderen Teilbereich zu einem gasdurchläs­ sigen Trennelement. Dieses Trennelement ist so aufge­ baut, daß es sowohl das Gas als auch den in dem Gas enthaltenen Flüssigkeitsdampf durchtreten läßt, wäh­ rend in der flüssigen Phase vorliegende Flüssig­ keitströpfchen, welche von dem Gasstrom mittranspor­ tiert bzw. mitgerissen wurden, das Trennelement nicht passieren können. Diese Flüssigkeitströpfchen werden also an dem Trennelement abgeschieden, bevor der Gass­ trom zu der Gasaustrittsöffnung gelangt.

Dieser erfindungsgemäße Aufbau bietet den Vorteil, daß in einem einfachen Bauelement eine Befeuchtung und eine Abscheidung von gegebenenfalls in dem befeuchte­ ten Gasstrom vorliegenden Flüssigkeitströpfchen er­ folgt, wobei hier auf jegliche Regelung verzichtet werden kann. Auch der Steuerungsaufwand läßt sich er­ heblich reduzieren, da hier lediglich sichergestellt werden muß, daß sich ausreichend Flüssigkeit in dem dafür vorgesehenen Teilbereich des Behälters befindet.

Neben der extrem kompakten Bauweise bietet die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung außerdem den Vorteil, daß sie sehr kostengünstig herzustellen ist.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Gas beim Durchströmen der Flüssigkeit eine sehr effektive Küh­ lung erfährt, die neben der Verdampfung auch durch den direkten Kontakt und die damit verbundene Wärmeüber­ tragung zwischen den beiden Medien bedingt ist. So kann das Gas, falls es ein zu hohes Temperaturniveau für seine spätere Weiterverwendung z. B. in einer Brennstoffzelle aufweisen sollte, also gleichzeitig mit der Befeuchtung auch abgekühlt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnungen näher dargestellten Ausführungsbei­ spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemä­ ßen Befeuchters; und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Brennstoffzellensystems mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Befeuchters.

In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau eines Befeuch­ ters 1 dargestellt. Dieser Befeuchter 1 gliedert sich in fünf in einem gemeinsamen Behälter 2 übereinander angeordnete Teilbereiche A bis E. Die Teilbereiche A bis E liegen dabei prinzipiell in Richtung der Gravi­ tation übereinander, wobei jedoch auch eine leichte Schräglage des Behälters 2 gegenüber der Senkrechten möglich ist.

Die Teilbereiche A bis E werden von dem durch eine Gaseintrittsöffnung 3 in den Befeuchter 1 einströmen­ den Gas bzw. Prozeßgas in alphabetischer Reihenfolge, in wenigstens grober Ausrichtung der Richtung der Gra­ vitation folgend, von unten nach oben durchströmt. Dabei gelangt das durch die Gaseintrittsöffnung 3 ein­ strömende Prozeßgas zuerst in einen Teilbereich A, welcher auch als Gasverteilerraum A bezeichnet werden könnte.

Zwischen dem Teilbereich A und dem mit einer Flüssig­ keit, z. B. Wasser (H₂O), gefüllten Teilbereich B, be­ findet sich eine Gasverteileinrichtung 4. Die Gasver­ teileinrichtung 4 ist dabei in der Art einer flächen­ förmigen Einblasdüse ausgeführt, um das von dem Gas­ verteilerraum A in den mit Wasser befüllten Teilbe­ reich B des Behälters 2 strömende Gas möglichst gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche des Teilbereichs B und des in diesem befindlichen Wassers zu verteilen.

Die Gasverteileinrichtung 4 kann dabei aus einem be­ liebigen, an sich bekannten, porösen Material bestehen oder sie kann in einer besonders günstigen Ausführung aus einer Ansammlung von zahlreichen in Strömungsrich­ tung des Prozeßgases ausgerichteten Kapillarrohren 5 ausgebildet sein.

Das durch die flächige Einblasdüse der Gasverteilein­ richtung 4, über die gesamte Grundfläche des in dem Teilbereich B befindlichen Wassers verteilte Gas durchströmt das Wasser. Dabei nimmt das Gas Wasser auf und transportiert dieses Wasser in Strömungsrichtung mit. In dem Gemisch aus Gas und Wasserteilchen kommt es zu einem Verdampfen von wenigstens einem Teil des darin enthaltenen Wassers, wodurch das Gas befeuchtet wird. Selbstverständlich kühlt sich dabei die Tempera­ tur des Gases und des Wassers, überwiegend des in dem Gas befindlichen Wassers, ab, da die für die Verdamp­ fung benötigte Energie aus dem thermischen Energiein­ halt der beiden Medien stammt.

Nach dem Durchströmen des stehenden Wassers gelangt das Gemisch aus Gas und Wasserteilchen in einen freien Teilbereich C. Zwischen dem freien Teilbereich C und dem mit dem Wasser gefüllten Teilbereich B sind Prall­ bleche 6 angeordnet, welche das Gemisch aus Gas und Flüssigkeitsteilchen passieren lassen, jedoch ein Hochschwappen oder Hochspritzen des Wassers aufgrund von Erschütterungen, wie sie z. B. beim Einsatz in ei­ nem mobilen Brennstoffzellensystem, z. B. einem Fahr­ zeug, auftreten können, verhindern.

Das mit den Flüssigkeits- bzw. Wassertröpfchen behaf­ tete Prozeßgas gelangt durch diese Anordnung von den Prallblechen 6 und durch den freien Teilbereich C zu einem im Teilbereich D angeordneten, für Gase und Flüssigkeitsdampf durchlässigen Trennelement 7, in welchem die in dem Gas enthaltenen Wassertröpfchen von dem Gasstrom getrennt werden.

Bei dem Trennelement 7 kann es sich in bevorzugter Art und Weise um ein räumliches Geflecht 7a aus einem ge­ gen das jeweilige Prozeßgas resistenten Stoff, wie z. B. einem Edelstahl-, Glasfaser- oder Kunststoffge­ flecht, handeln. Das mit den Wassertröpfchen vermisch­ te Prozeßgas durchströmt dabei das Trennelement 7, wobei sich die in ihm enthaltenen Wassertröpfchen dann in dem räumlichen Geflecht 7a des Trennelements 7 ab­ setzen. Das Wasser sammelt sich in dem Trennelement 7 und tropft auf die Prallbleche 6 herunter. Durch die Anordnung und Ausrichtung der Prallbleche 6 kann das auskondensierte Wasser entlang der Prallbleche 6 flie­ ßen und sich danach wieder im mit dem Wasser gefüllten Teilbereich B sammeln.

Zusätzlich kommt es bereits beim Durchströmen des freien Teilbereichs C zu einer Trennung von Gas und in dem Gas transportierten flüssigen Wasser aufgrund der Schwerkraft, so daß in dem Teilbereich D bereits ein teilweise von Wasser in seiner flüssigen Phase befrei­ ten Gas-Wassergemisch ankommt.

Im weiteren Verlauf der Strömung des Gasstroms schließt sich in Strömungsrichtung an das räumliche Geflecht 7a eine ebenfalls dem Trennelement 7 zuzu­ rechnende Membran 7b an, welche Gase und Flüssigkeits­ dampf zumindest in Strömungsrichtung des Gasstroms durchläßt und die das Wasser in seiner flüssigen Phase zurückhält. Als Material für die Membran 7b wären z. B. die unter den geschützten Handelsbezeichnungen Gore­ tex oder Sympatex bekannten Mikrofasermaterialen denk­ bar.

Besonders günstig ist dabei der in Fig. 1 dargestellte Aufbau des Trennelements 7. Die Membran 7b liegt dabei auf der dem Teilbereich E, welcher prinzipiell einen Gassammelraum E darstellt, zugewandten Seite des Tren­ nelements 7, so daß zumindest der größte Teil der in dem Gas verbleibenden Wassertröpfchen bereits vor dem Erreichen der Membran 7b im räumlichen Geflecht 7a zurückgeblieben ist. Somit läßt sich ein Benetzen der Membran 7b mit dem Wasser vermeiden, was gegebenen­ falls die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte.

Von dem Gassammelraum E gelangt das feuchte, aber von Wasser in seiner flüssigen Form freie Gas durch eine Gasaustrittsöffnung 8 aus dem Befeuchter 1.

In einer alternativen vereinfachten Ausführungsform der Erfindung kann das Trennelement 7 dabei auch je­ weils ausschließlich aus entweder dem räumlichen Ge­ flecht 7a oder aber der Membran 7b bestehen.

Neben den Prallblechen 6 ist in dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel eine weitere Möglichkeit eingesetzt, das Wasser an einem Hochschwappen oder Hochspritzen aufgrund von Erschütterungen zu hindern. Der mit dem Wasser befüllte Teilbereich B wird dazu mit Füllkör­ pern 9 aufgefüllt, von denen in Fig. 1 jedoch nur ei­ nige prinzipmäßig angedeutet sind. Diese Füllkörper 9, zwischen denen sich das Wasser befindet, verhindern einerseits zu starke Bewegungen der Wasseroberfläche und damit ein Spritzen oder Schwappen aufgrund von äußeren Erschütterungen des Befeuchters 1, anderer­ seits schaffen die Füllkörper 9 eine große "innere" Oberfläche des sie umgebenden Wassers. Dies verbessert die Aufnahme des Wassers durch das Gas und reduziert gleichzeitig dessen Strömungsdruckverlust beim Durch­ strömen des Teilbereichs B.

Für die Zufuhr der Flüssigkeit bzw. des Wassers sind dabei zwei alternative Ausführungen möglich. Einer­ seits kann das Wasser durch eine Öffnung 10 zur Zufuhr von Wasser direkt in den Teilbereich B, also den mit dem stehenden Wasser gefüllten Raum, geleitet werden. Als einzige Steuerungsausgabe ist dabei sicherzustel­ len, daß immer ausreichend Wasser in dem Teilbereich B vorhanden ist. Dazu ist es zweckmäßig, über Füll­ standssensoren 11 den Flüssigkeitsstand in dem Teilbe­ reich B zu erfassen und, wenn erforderlich, Wasser über die Öffnung 10 nachzufüllen. Dieses Nachfüllen muß dabei über eine Flüssigkeitsfördereinrichtung 12 bzw. Pumpe 12 (in Fig. 1 nicht dargestellt) erfolgen, da in dem Befeuchter 1, wie bereits erläutert, ein Druckniveau oberhalb des Umgebungsdrucks herrschen wird.

Andererseits kann die Zufuhr von Wasser komplett oder auch nur teilweise, also zusätzlich zur Zufuhr durch die Öffnung 10, über die in Fig. 1 punktiert angedeu­ tete Öffnung 10' erfolgen. Die Öffnung 10' weist an ihrem an dem Behälter 2 liegenden Endbereich eine Ein­ richtung 13, wie z. B. eine Düse 13, zur Zerstäubung des zugeführten Wasser auf. Durch diese Zerstäubung wenigstens eines Teils des zugeführten Wassers kann eine nochmals verbesserte Befeuchtung der Gase er­ reicht werden, da diese sich in dem freien Teilbereich C bereits teilweise von dem in seiner flüssigen Phase transportierten Wasser getrennt hat, aber gegebenen­ falls noch eine Aufnahmefähigkeit für fein zerstäubtes Wasser aus der Düse 13 aufweist.

In Fig. 2 ist die Anordnung des Befeuchters 1 in einem Teil eines Brennstoffzellensystems erkennbar. Das Gas bzw. Prozeßgas gelangt durch die Gaszuleitung 14 zu der Gaseintrittsöffnung 3 des Befeuchters 1. Alterna­ tiv dazu wäre auch eine punktiert angedeutete Gaszu­ führungsleitung 14' denkbar, welche über eine syphon­ artige Anbindung 15 an die Gaseintrittsöffnung 3 si­ cherstellt, daß das in dem Befeuchter 1 befindliche Wasser nicht über die Gaseintrittsöffnung 3, z. B. im Falle des Stillstands des Systems, in die Gaszufüh­ rungsleitung 14' gelangen kann.

Von dem Befeuchter 1 wird das Prozeßgas über die Gas­ austrittsöffnung 8 in ein Leitungselement 16 geleitet, welche den Gasstrom zur Weiterverwendung, wie z. B. in eine Brennstoffzelle (nicht dargestellt), bringt.

Außerdem ist an dem Befeuchter 1 die Öffnung 10 bzw. 10' zu erkennen, welche über Leitungselemente 17 mit der Pumpe 12 verbunden ist. Die Pumpe 12 weist wieder­ um eine Verbindung mit einem Vorratsbehälter 18 für das Wasser bzw. die Flüssigkeit auf. Der Vorratsbehäl­ ter 18 kann dabei Teil eines Wasserkreislaufsystems einer größeren Anlage sein, in welches z. B. auch das Produktwasser aus der elektrochemischen Reaktion der Prozeßgase in einer Brennstoffzelle eingeleitet wird.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms, ins­ besondere eines Prozeßgasstroms in einem PEM- Brennstoffzellensystem, mit einem Behälter, wel­ cher wenigstens eine Gaseintrittsöffnung, wenig­ stens eine Gasaustrittsöffnung und wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr von Flüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkeit in einem Teilbereich (B) des Behälters (2), welcher in Richtung der Gravitation oberhalb der Gaseintrittsöffnung (3) angeordnet ist, befindet, wobei ein anderer Teilbereich (D) des Behälters (2) ein gasdurchlässiges Trennele­ ment (7) aufweist, welches auf dem Weg des Gas­ stroms zu der Gasaustrittsöffnung (8) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Teilbereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet, und dem Trennelement (7) ein freier Teilbereich (C) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Teilbereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet und dem freien Teilbereich (C) Prallbleche (6) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gaseintrittsöffnung (3) und dem Teil­ bereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet, eine Gasverteileinrichtung (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteileinrichtung (4) zahlreiche Kapillar­ rohre (5) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (7) ein räumliches Geflecht (7a) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (7) eine Membran (7b) aufweist, wobei die Membran (7b) für Gase und für Flüssig­ keitsdampf in wenigstens einer Richtung durchläs­ sig ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (A, B, C, D, E) in Richtung der Gra­ vitation übereinander angeordnet sind, wobei die Gaseintrittsöffnung (3) in einem untere Bereich und die Gasaustrittsöffnung (8) in einem oberen Bereich angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich, in dem sich die Flüssigkeit be­ findet, Füllkörper (9) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (9) als Schüttgut ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (9) als Gestrick ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet, einen Füllstandssensor (11) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (10, 10') zur Zufuhr von Flüssigkeit eine Verbindung (17) mit einem Vorratsbehälter (18) für die Flüssigkeit aufweist, wobei in der Verbindung (17) eine Flüssigkeitsfördereinrichtung (12) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfördereinrichtung (12) in Abhän­ gigkeit von Daten des Füllstandssensors (11) steu­ erbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Öffnung (10) zur Zufuhr von Flüssigkeit in dem Teilbereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet, angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Öffnung (10') zur Zufuhr von Flüssigkeit in dem freien Teilbereich (C) des Be­ hälters angeordnet ist, wobei die Öffnung (10') zur Zufuhr von Flüssigkeit eine Einrichtung (13) zur Zerstäubung der zugeführten Flüssigkeit auf­ weist.