DE4106895C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen auch bei Schwerelosigkeit (Null-g-Bedingungen) wirksam arbeitenden Separator.

Bei immobilen Brennstoffzellen wird das Produkt-Wasser, das bei der Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff entsteht, über einen separaten Wasserstoffkreislauf dampfförmig aus der Zelle ausgetragen. Die Wasserdampfbeladung des Wasserstoffs liegt dabei ähnlich wie bei feuchter Atmosphärenluft im Bereich 50%-90% relativer Feuchte.

Damit der im Kreislauf geführte Wasserstoff stets neuen Wasserdampf aufnehmen kann, muß nach den Zellen ein Separator installiert werden, der den absoluten Wasserdampfanteil entsprechend der Beladung im Wasserstoff reduziert.

Da die Brennstoffzellen bisher hauptsächlich in der Raumfahrt Anwendung finden (z. B. Apollo, US-Shuttle, Hermes), werden besondere Anforderungen an solch einen Gas-Dampf-Separator gestellt:

• - sichere Funktion unter Schwerelosigkeit und bei Beschleunigungen (Start) von ca. 3 bis 7 g,
• - möglichst geringer Energiebedarf,
• - sehr geringer Druckverlust der Komponente.

Bisher sind zwei grundlegende physikalische Verfahren für die Trennung eines Gas-Dampfgemisches bekannt:

• 1. Mechanische Separation nach dem Fliehkraftprinzip.
  Ein Separator, in dem dieses Verfahren angewandt wird, ist in der DE-PS 39 32 578 beschrieben.
• 2. Membranseparation.
  Das Verfahren ist im "Jahrbuch 1989 I der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR)", Seiten 605 bis 608, beschrieben.

Da das letztgenannte Verfahren im erfindungsgemäßen Verfahren angewandt wird, soll es im folgenden näher erläutert werden.

Bei terrestrischer Anwendung kann ein Gas-Wasserdampf-Gemisch z. B. mit einem Kondensationswärmetauscher auf einfache Weise getrennt werden. Dabei wird das feuchtbeladene Gas unter den Taupunkt gekühlt, und der auskondensierte Wasserdampf läuft an Kühlblechen ab bis zum tiefsten Punkt des Kondensators, wo der Wasseraustritt sitzt.

Dieses Prinzip würde unter Mikrogravitation nur zum Teil funktionieren. Die Diffusion des Wasserdampfes an eine unter den Taupunkt gekühlte Wand ist auch unter Schwerelosigkeit voll gegeben, jedoch ist die Trennung des Wassers von der gekühlten Wand ohne zusätzliche Kräfte nicht gewährleistet, und ein undefinierter Zustand im Kondensator wäre die Folge.

Eine erzwungene Strömung des Kondensatfilms wäre möglich mittels eines "Slurpers" (Absaugen des Filmes mit Unterdruck). Dies würde jedoch lediglich zu einer Vortrennung führen, wodurch eine zusätzliche Komponente zur Nachtrennung von Gas und Wasser erforderlich wäre.

Der einfachste Weg den Kondensatfilm abzutrennen, ist das Absaugen direkt durch die gekühlte Wand in einen getrennten Separationswasserraum. Dazu sind die Kondensatorwände als Membranen auszuführen, die selektiv nur Wasser durchlassen.

Als Membranen kommen hydrophile poröse Strukturen in Frage, die druck- und temepraturbeständig sind. Der Gradient für den Wasseraustrag ist ein Durckgefälle vom Gasraum zum Separationswasserraum. Dieses Druckgefälle muß so groß sein, daß immer das gesamte auskondensierte Wasser durch die Membran permeieren kann. Dies muß auch nach während der Beschleunigungsphasen (austretender hydrostatischer Gegendruck) garantiert sein. Deshalb muß das Druckgefälle für den Normalbetrieb entsprechend höher liegen.

Die Selektivität der Membran wird erreicht durch Kapillarkräfte an der Membranoberfläche, die dafür sorgen, daß die Kapillaren bis zu einem bestimmten transmembranen Druckgefälle (Bubble Point) stets mit Wasser gefüllt sind und dadurch einen Gasdurchbruch verhindern. Das zulässige transmembrane Druckgefälle ist dabei abhängig von dem theoretischen Kapillardurchmesser, der Porenform und dem Benetzungswinkel von Membran und Wasser. In der genannten Druckschrift ist zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung vorgesehen, die eine röhrenförmige Membran, durch die das Gasgemisch strömt, umfaßt.

Dies bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine insbesondere unter Schwerelosigkeit wirksam arbeitende Vorrichtung zur Anwendung des beschriebenen Membranseparationsverfahren zu schaffen, die eine möglichst kompakte Bauausführung und eine geringe Störanfälligkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird mit dem Separator nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß verlaufen die Kanäle, innerhalb derer das Gemisch aus Wasserdampf und Inertgas strömt und deren Innenoberfläche durch eine gekühlte hydrophile, feinporige Membran gebildet wird, innerhalb einer oder mehrerer Separationswasserräume. Diese Separationswasserräume ihrerseits verlaufen innerhalb eines Kühlflüssigkeitsraums, so daß durch Wärmeleitung über die Kühlung der Separationswasserräume die Kühlung der Membran erreicht wird. Separationswasser und Kühlflüssigkeit sind somit voneinander getrennt.

In einer vorteilhaften Ausführung verläuft jeweils ein einzelner Kanal in einem Separationswasserraum.

In einer weiteren Ausführung sind mehrere Kanäle von einem Separationswasserraum umschlossen. Hierbei können die Kanäle auch innerhalb eines grobporigen Trägerkörpers, bevorzugt aus Keramik, welcher sich innerhalb eines Separationswasserraums befindet, verlaufen.

Bevorzugte Anwendungsfälle der Erfindung sind:

• - Trennung von Wasserstoff und Wasserdampf oder Sauerstoff und Wasserdampf für immobile Brennstoffzellen in Raumfahrzeugen und U-Booten,
• - Trennung von Luft und Wasserdampf für die Atemluftaufbereitung in Raumfahrzeugen, Raumanzügen und U-Booten.

Als Membranmaterialien werden verwendet:

• - poröse Sintermetalle,
• - poröse Keramik,
• - poröser Kohlenstoff.

Die Eigenstabilität der Membran wird durch eine dicke, großporige Trägerschicht erreicht, auf dem die dünne, feinporige Membranschicht aufgebracht ist.

Träger und Membran können dabei aus demselben Material bestehen und bilden eine Sinterstruktur. Man spricht dann von einem monolithischen Verbund. Es sind aber auch Kombinationen verschiedener Materialien für Träger- und Membranschichten möglich.

In der folgenden Tabelle sind die Materialien für sechs selbsttragende Membranstrukturen angegeben. Sie weisen sämtlich hohe Temperatur-, Druck- und Chemikalienbeständigkeit auf und ermöglichen so eine hohe Lebensdauer des Separators.

Trägermaterial
Aktive Schicht
(Membran)
Verbund aus
Verbund aus
α-Al₂O₃	α-Al₂O₃
γ-Al₂O₃	γ-Al₂O₃
	ZrO₂
α-Al₂O₃	α-Al₂O₃
SiC	α-Al₂O₃
C	Verbund auf
(Kohlenstoffasern)	Kohlenstoffbasis
C	Verbund auf
(Amorpher Kohlenstoff)	Zirkonoxidbasis
poröser Niro-Stahl	ZrO₂
	(gebrannt, geliert)

Ausgestaltungen der Erfindung werden mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Separator mit Rohrbündelgeometrie,

Fig. 2 bis 4 Separatoren mit Multikanalgeometrie.

Bei Separatoren mit Rohrbündelgeometrie verläuft jeweils ein vom Gemisch durchströmter Kanal 1 innerhalb eines Separationswasserraums 13.

Bei Separatoren mit Multikanalgeometrie verlaufen mehrere Kanäle 1 innerhalb eines Separationswasserraums 13. Dabei befindet sich innerhalb des Separationswasserraums 13 ein grobporiger Trägerkörper 10, bevorzugt aus Keramikmaterial, innerhalb dessen die Kanäle 1 verlaufen.

Die feinporöse Membran 7 befindet sich jeweils auf der Innenoberfläche der Kanäle 1. Die Abtrennung des Wassers erfolgt von innen nach außen in den von der Kühlflüssigkeit, z. B. H₂O, getrennten Separationswasserraum 13. Dieser hat an den beiden Separatorenden Anschlüsse zum Separationswasseraustrag. Jeder Separator hat mindestens für Anschlüsse:

• - Gasgemisch (Ein- und Ausgang),
• - Kühlflüssigkeit (Ein- und Ausgang),
• - Separationswasser (mind. ein Ausgang).

Fig. 1a zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Separator mit Rohrbündelgeometrie. Innerhalb des Kühlflüssigkeitsraums 5 verlaufen parallel zueinander mehrere Röhren 3. Der Aufbau einer solchen Röhre 3 ist in Fig. 1b vergrößert dargestellt. Sie umfaßt konzentrisch zueinander außen ein Hüllrohr 9 zur Trennung gegenüber der Kühlflüssigkeit und als Innenoberfläche die feinporige Membran 7. Sie bilden den Kanal 1, innerhalb dessen das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf strömt. Der Raum zwischen Hüllrohr 9 und Membran 7 wird vom Separationswasserraum 13 und einem Kühlrohr 11 eingenommen. Der Einbau des Kühlrohrs 11 dient zur Verbesserung des Wärmekontakts zwischen Kühlflüssigkeit und Membran 7. Fig. 1c zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A. Das Gemisch aus Wasserstoffgas und Wasserdampf strömt von links in den Separator und durchläuft die durch die Membran 7 gebildeten Kanäle 1. Das in seinem Wasserdampf reduzierte Gemisch bzw. im Idealfall das reine Wasserstoffgas verläßt den Separator auf der gegenüberliegenden Seite. Das Separationswasser verläßt den Separator in einem separaten Ausgang.

Fig. 2a zeigt den Querschnitt durch einen Separator mit Multikanalgeometrie. Er umfaßt innerhalb des Kühlflüssigkeitsraums 5 drei Separationswasserräume 13, die durch die Hüllrohre 9 vom Kühlflüssigkeitsraum 5 getrennt sind. In einem Separationswasserraum 13 befindet sich jeweils ein grobporiger Keramikträgerkörper 10 mit einem Querschnitt von der Form eines regelmäßigen Sechseckes. In ihm verlaufen die Kanäle 1, deren Innenoberflächen von der feinporigen Membran gebildet werden.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt enlang A-A.

Fig. 3 zeigt einen Separator, der im wesentlichen dem in Fig. 2 gezeigten entspricht. Jedoch ist der Querschnitt der grobporigen Keramikträgerkörper 10 hier kreisrund.

Fig. 4a zeigt einen weiteren Separator mit Multikanalgeometrie. Die grobporigen Keramikträgerkörper 10 haben hir Plattenform. Jeder der Keramikträgerkörper 10 befindet sich in einem einzelnen Separationswasserraum 13. Diese wiederum sind getrennt vom Kühlflüssigkeitsraum 5.

Fig. 5bzeigt einen Schnitt entlang B-B.

Claims (4)

1. Bei Schwerelosigkeit arbeitender Separatoren zur Trennung eines Gemischs aus Wasserdampf und einem Inertgas, das Kanäle (1) durchströmt, deren Innenoberfläche aus einer gekühlten, hydrophilen, feinporigen Membran besteht, an der der Wasserdampf kondensiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) innerhalb eines oder mehrerer Separationswasserräume (13), in die der kondensierte Wasserdampf permeiert, verlaufen, und die Separationswasserräume (13) von einem Kühlflüssigkeitsraum (5), der durch Wärmeleitung über die Kühlung der Separationswasserräume (13) die Kühlung der Membran (7) erlaubt, umgeben sind.

2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein einzelner vom Gemisch durchströmter Kanal (1) in einem Separationswasserraum (13) verläuft.

3. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere vom Gemisch durchströmte Kanäle (1) innerhalb eines Separationswasserraums (13) verlaufen.

4. Separator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Gemisch durchströmten Kanäle (1) innerhalb eines sich im Separationswasserraum (13) befindlichen grobporigen Trägerkörpers verlaufen.