DE10102138A1 - Dosiereinrichtung und Verfahren zum Dosieren für reines Wasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung (1) für reines Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (1) eine Trennvorrichtung (4) zum Abtrennen von Zusatzstoffen in dem Wasser umfasst. Verfahren zum Einführen von reinem Wasser aus einem mit Zusatzstoffen versetzten Wassergemisch in einen Prozess, wobei das Gemisch einer Dosiereinrichtung (1) zugeführt wird, dieses Gemisch in der Dosiereinrichtung (1) einem Trennprozess unterworfen wird und das gereinigte Wasser über Verteilungsmittel in den Prozess eingeführt wird, während die abgetrennten Zusatzstoffe in der Dosiereinrichtung (1) zurückgehalten werden. Das Verfahren kann weiterhin auch die Reinigung der Trennvorrichtung umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung und ein Verfahren zum Dosieren für reines Wasser, insbesondere für die Verwendung in Brennstoffzellensystemen.

In der Automobilindustrie ist die Verwendung von Brennstoffzellen als Antrieb von Fährzeugen bekannt. Für diese Brennstoffzellen werden Gase eingesetzt, die im Laufe ihrer Herstellung oder der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeiten versetzt werden. Insbesondere wird während der Reformierung von Kohlenwasserstoff zu wasserstoffreichem Gas und in der Brennstoffzelle selber Wasser in geregelter Weise zugesetzt. Das Wasser muss gespeichert werden und muss bei dem Eintritt in das Brennstoffzellensystem oder das Reformersystem frei von Zusatzstoffen sein. Gerade im mobilen Einsatz von Brennstoffzellensystemen, wie für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, stellt sich aber das Problem, dass der Wasserspeicher und das Leitungssystem für Wasser geringen Temperaturen, auch unterhalb des Gefrierpunktes, ausgesetzt sein kann. Wird nun ein Frostschutzmittel zu dem Wasser zugegeben, um ein Einfrieren zu vermeiden resultiert dies in einer Verunreinigung des Wassers und damit einer Beeinträchtigung des sich an die Wasserzugabe anschließenden Prozesses, wie dem Brennstoffzellen- oder dem Reformierprozess.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Dosiereinrichtung für reines Wasser bereitzustellen, die auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser störungsfrei betrieben werden kann, ohne dass durch die Dosiereinrichtung eine weitere Substanz außer Wasser dem sich anschließenden Prozess zugegeben wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe durch eine Dosiereinrichtung gelöst werden kann, bei der eine Trennung von Wasser und anderen Substanzen unmittelbar vor der Zudosierung zu dem sich anschließenden Prozess erfolgt.

Diese Aufgabe wird daher erfindungsgemäß durch eine Dosiereinrichtung für reines Wasser gelöst, wobei die Dosiereinrichtung eine Trennvorrichtung, zum Abtrennen von Zusatzstoffen aus dem Wasser umfasst. Durch das Integrieren der Trennvorrichtung von Zusatzstoffen in der Dosiervorrichtung selber wird das Volumen, des Bereiches, in dem reines Wasser in der Vorrichtung vorliegt auf ein Minimum beschränkt.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung so ausgestaltet, dass die Trennvorrichtung zum Abtrennen von Frostschutzmitteln aus dem Wasser geeignet ist. Bei dieser Ausführungsform kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen. Dadurch, dass das Wasser erst in der Dosiereinrichtung selber von dem Frostschutzmittel getrennt wird, ist das Volumen, das mit reinem Wasser gefüllt ist und daher bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes einfrieren würde verhältnismäßig klein. Sollte es daher beispielsweise bei einem längeren Stillstand eines Fahrzeuges, dass mit einer Brennstoffzelle betrieben wird, zu einem Einfrieren des Wassers in diesem kleinen Bereich kommen, ist kein Frostschaden zu erwarten und die geringe Menge an reinem Wasser erwärmt und verflüssigt sich sehr schnell.

Die Trennvorrichtung stellt vorzugsweise ein Molekularsieb dar. Das Molekularsieb wird vorzugsweise so gewählt, dass dieses für die Wassermoleküle durchlässig ist aber die Moleküle der Zusatzstoffe, beispielsweise des Frostschutzmittels, die in der Regel größer sind als die Wassermoleküle, zurückhält. Weiter ist es bevorzugt, dass die Trennvorrichtung so ausgestaltet ist, dass der Zusatzstoff, der nicht durch die Vorrichtung hindurchtreten kann, nicht in den Löchern, bzw. Durchlässen der Trennvorrichtung verkanntet. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft ein Frostschutzmittel einzusetzen, dass eine wesentlich größere molekulare Größe als Wasser aufweist. Dadurch können die Durchlässe in der Trennvorrichtung entsprechend der Größe der Wassermoleküle gewählt werden und ein Verkanten der Frostschutzmittel-Moleküle kann verhindert werden.

Die Trennvorrichtung kann aber auch eine Membran darstellen. In diesem Fall ist die Membran so gewählt, dass lediglich das Wasser durch diese hindurch permeieren kann, während die Zusatzstoffe, insbesondere Frostschutzmittel dadurch zurückgehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Dosiereinrichtung pulsierend. Durch diesen diskontinuierlichen Verlauf der Zugabe von Wasser zu dem nachfolgenden Prozess wird es möglich Verfahrensschritte, wie das Reinigen des Trennmittels in regelmäßigen Abständen durchzuführen. Eine pulsierende Arbeitsweise der Dosiervorrichtung kann beispielsweise durch einen sich hin und her, bzw. auf und ab bewegenden Kolben realisiert werden.

Zur Zuführung des Wassers mit Zusätzen ist vorzugsweise eine Zuführungsleitung vorgesehen. Diese kann je nach Ausführungsform lediglich der Versorgung der Dosiereinrichtung mit dem Wasser dienen oder aber auch gleichzeitig zum Anströmen der Trennvorrichtung und damit zum Reinigen der Trennvorrichtung verwendet werden.

Zum Abführen der Zusätze von der Dosiereinrichtung ist vorzugsweise eine Abführungsleitung vorgesehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Zusatzstoffe aus dem Bereich der Zudosierung zu dem anschließenden Prozess entfernt werden. Die abgeführten Zusatzstoffe können erneut dem zu speichernden Wasser zugeführt werden.

Zur Regelung der Arbeitsweise der Dosiereinrichtung können die Zu- und Abführungsleitungen vorzugsweise mit Ventilen versehen sein.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einführen von reinem Wasser aus einem mit Zusatzstoffen versetzen Wassergemisch in einen Prozess, wobei das Gemisch einer Dosiereinrichtung zugeführt wird, dieses Gemisch in der Dosiereinrichtung einem Trennprozess unterworfen wird und das gereinigte Wasser in den Prozess eingeführt wird, während die abgetrennten Zusatzstoffe in der Dosiereinrichtung zurückgehalten werden.

Die Trennung kann in diesem Verfahren durch Aufbringen von Druck oder durch Permeation durch eine Membran erfolgen. Wobei im letzteren Fall die Membran so gewählt werden muss, dass diese ausschließlich Wasser passieren lässt und die Zusatzstoffe zurückhält. In dem Fall, in dem die Trennung durch Aufbringen von Druck erfolgt, wird durch diesen Druck das Wasser-Zusatzstoff-Gemisch zu einer Trennvorrichtung, wie beispielsweise einem Sieb gezwungen, das so ausgelegt ist, dass dieses wiederum lediglich das Wasser passieren lässt und die Zusatzstoffe zurückhält.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin einen Reinigungsschritt umfassen, in dem die Dosiereinrichtung von dem in dem Trennprozess abgetrennten Zusatzstoffen gereinigt wird.

Dieser Reinigungsschritt kann ein Anströmen der Trennvorrichtung darstellen. In diesem Fall ist es nicht notwendig eine gesonderte Reinigungsvorrichtung vorzusehen. Vielmehr kann die Leitung über die das, mit den Zusatzstoffen versetzte, Wasser der Dosiereinrichtung zugeführt wird, gleichzeitig als Reinigungsvorrichtung dienen. Das Anströmen kann in einem solchen Fall durch das mit Zusatzstoffen versetzte Wasser selber erfolgen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung die Trennvorrichtung mit anderen Medien anzuströmen.

In einer weiteren Ausführungsform wird in dem Reinigungsschritt ein Unterdruck auf der Eingangsseite der Trennvorrichtung erzeugt. Als Eingangsseite wird die Seite bezeichnet, an der das zu trennende Gemisch aus Wasser und Zusatzstoffen vorliegt. Bei dieser Ausführungsform wird der Reinigungseffekt durch die in der Dosiereinrichtung herrschenden Druckverhältnisse erzielt. Durch den Unterdruck auf der Eingangsseite der Trennvorrichtung kann ein Teil des Wassers, das auf der Ausgangsseite der Trennvorrichtung vorliegt, in die Dosiereinrichtung eingesogen werden. Es . ist auch möglich, dass einso großer Unterdruck erzeugt wird, dass ein Teil des Mediums, dass sich in dem Raum befindet, in den das reine Wasser eingeführt werden soll, in die Dosiereinrichtung eingesogen wird. Durch das Durchströmen des so angesogenen Wassers oder Mediums durch die Trennvorrichtung, werden Zusatzstoffe, die sich auf der Oberfläche der Eintrittsseite der Trennvorrichtung angesammelt haben weggespült und können aus der Dosiereinrichtung entfernt werden.

Wird der Unterdruck periodisch erzeugt, wird das reine Wasser oder das Medium nach Abschluss des Reinigungsschrittes und dem erneuten Aufbringen von Druck auf das Gemisch, wieder durch die Trennvorrichtung gezwungen und in den sich an die Dosiervorrichtung anschließenden Prozess eingeführt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, wobei die Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung gezeigt. Die Dosiereinheit 1 wird in der dargestellten Ausführungsform durch einen zylindrischen Körper 2, in dem ein Kolben 3 geführt wird, eine Trennvorrichtung 4, sowie einem Verteiler in Form eines Ventils oder einer Düse 5 gebildet. An den zylindrischen Körper 2 sind eine Zuführungsleitung 6 und eine Abführungsleitung 7 angeschlossen, wobei in beiden Leitungen jeweils ein Ventil 8 und 9 vorgesehen ist. Diese Leitungen 6 und 7 können in einem Bereich des zylindrischen Körpers 2 angeordnet sein, der unterhalb des unteren Totpunktes des Kolbens 3 liegt. Dadurch kann ein Zuführen von Gemisch und Abführen von Zusatzstoffen auch erfolgen, wenn der Kolben herunter gefahren ist.

Die Funktionsweise dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung soll nun beschrieben werden, wobei davon ausgegangen wird, dass es sich bei dem Zusatzstoff um ein Frostschutzmittel handelt. Es können aber mit der erfindungsgemäßen Einrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Gemische von Wasser mit anderen Zusatzstoffen bearbeitet werden, solange die Zusatzstoffe sich in ihrer molekularen Größe so von der Größe von Wassermolekülen Unterscheidet, dass eine Trennung aufgrund dieses Größenunterschiedes möglich ist.

Wird in die Dosiereinheit 1 ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch über die. Leitung 6 eingeführt, so sind zunächst die beiden Ventile 8 und 9 geöffnet und der Kolben 3 befindet sich an seinem oberen Totpunkt. Anschließend werden die Ventile 8 und 9 geschlossen und der Einspritzvorgang in eine Leitung 10, die mit Medium gefüllt ist, dem reines Wasser zugesetzt werden soll, begonnen. Hierzu wird der Kolben 3 in Richtung der Trennvorrichtung 4 geführt. Dadurch wird das Volumen 11, das sich zwischen dem Kolben 3 und der Trennvorrichtung 4 befindet, verringert. In diesem Volumen 11 befindet sich zu dem Zeitpunkt zu dem der Kolben 3 heruntergefahren wird ein Wasser- Frostschutzmittel-Gemisch. Durch die Volumenverringerung erhöht sich der Druck in dem Volumen 11. Durch diesen erhöhten Druck wird das Gemisch zu der Trennvorrichtung 4 geleitet.

Die Trennvorrichtung 4 ist so ausgestaltet, dass sie nur den Durchlass von Wassermolekülen, aber nicht den Durchlass des Frostschutzmittels erlaubt. Die Trennvorrichtung kann beispielsweise ein Molekularsieb darstellen. Das Frostschutzmittel wird dann so gewählt, dass dessen molekularer Aufbau wesentlich größer ist als von Wasser. So kann das Frostschutzmittel das Sieb nicht passieren, sondern wird auf der Oberfläche des Siebes abgefangen.

Reines Wasser gelangt durch das Trennmittel 4 in den Raum 12 zwischen der Trennvorrichtung 4 und dem Ventil 5. Bei weiterem Herunterfahren des Kolbens 3 und dementsprechender weiterem Eintritt reinen Wassers in den Raum 12 erhöht sich auch dort der Druck. Bei ausreichendem Druck öffnet das Ventil 5, das beispielsweise ein Nadelventil darstellen kann, wodurch Wasser in die Leitung 10 und den sich darin befindlichen Medienstrom eingedüst wird. Dieser Vorgang bleibt solange aufrechterhalten, bis der Kolben 3 nicht mehr weiter nach unten drückt, bzw. die Oberfläche der Trennvorrichtung 4 vollständig mit Frostschutzmittel bedeckt ist. Bei einer vollständigen Bedeckung der Oberfläche der Trennvorrichtung mit Frostschutzmittel sind die Öffnungen in der Trennvorrichtung zugesetzt und es kann kein Wasser mehr durch die Trennvorrichtung hindurchtreten. Die Oberfläche der Trennvorrichtung z. B. des Siebes sollte daher so groß gewählt werden, dass die gewünschte maximale Menge an Wasser pro Einspritzvorgang die Trennvorrichtung passieren kann, bevor die Frostschutzpartikel die Trennvorrichtung zusetzen.

Wird der Kolben 3 wieder aufgefahren, wird das Ventil 8 geöffnet. Hierdurch kann erneut Wasser-Frostschutzmittel in den Raum 11 einströmen. Ist die Leitung 6, wie in der Zeichnung dargestellt so angeordnet, dass der Gemischstrom aus der Leitung 6 die Oberfläche der Trenneinrichtung 4 unmittelbar parallel anströmt, kann diese Strömung zur Reinigung der Trennvorrichtung genutzt werden. Durch den Strom wird nämlich zumindest teilweise Frostschutzmittel, von der Oberfläche der Trennvorrichtung 4 gespült.

Nach Erreichen des oberen Totpunktes von Kolben 3 kann das Ventil 9 geöffnet und das Ventil 8 geschlossen werden. Bei erneutem Herunterfahren des Kolbens 3 erfolgt damit kein Einspritzvorgang, sondern ein weiteres Spülen der Oberfläche der Trennvorrichtung 4.

Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung die Reinigung der Trennvorrichtung anders durchzuführen. Hierzu kann an der Leitung 6 ein Vordruck anliegen der nach Erreichen des Kolbens in der oberen Position und dem Öffnen der beiden Ventile 8 und 9 die Oberfläche der Trennvorrichtung 4 mit dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch spült und somit die Trennvorrichtung für einen erneuten Einspritzvorgang reinigt. Bei diesem Spülvorgang kann der Kolben an seinem oberen Totpunkt gehalten werden.

Für rasch aufeinander folgende Einspritzvorgänge können die beiden oben beschriebenen Reinigung- bzw. Spülvorgänge gleichzeitig angewendet werden.

Soll eine Reinigung der Trennvorrichtung durch Verwendung von Unterdruck durchgeführt werden, so werden nach einem Einspritzvorgang das Ventil 8 und das Ventil 9 geschlossen. Anschließend wird der Kolben 3 bei geschlossenen Ventilen von seinem unteren zu seinem oberen Totpunkt gefahren. Dadurch wird in dem Raum 11 ein Unterdruck erzeugt durch den Wasser, dass sich in dem Raum 12 befindet und eventuell ein Teil des Mediums, dass sich in der Leitung 10 befindet in entgegengesetzter Richtung durch die Trennvorrichtung 4 gezwungen wird. Dadurch werden die auf der Oberfläche der. Trennvorrichtung abgesetzten Frostschutzmittelmoleküle von dieser entfernt. Werden nun die Ventile 8 und 9 geöffnet kann weiteres Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch in den Raum 11 eintreten und zumindest ein Teil des aus der Trennvorrichtung ausgespülten Frostschutzmittels über­ die Leitung 7 aus dem Raum 11 entfernt werden.

Die dargestellte Dosiereinrichtung ist nur eine mögliche Ausführungsform. Weitere Abwandlungen der Dosiereinrichtung sind möglich. So muss beispielsweise der Raum 12, der sich zwischen der Trennvorrichtung 4 und dem Ventil 5 befindet nicht vorgesehen sein, bzw. kann wesentlich kleiner ausgestaltet sein. In diesem Fall würde sich das Ventil unmittelbar an die Trennvorrichtung anschließen. Dadurch kann eine weitere Minimierung des Volumens, in dem reines Wasser vorliegt erreicht werden. Weiterhin ist es beispielsweise auch möglich die Zuführungsleitung für das Wasser- Zusatzstoffgemisch unter einem Winkel an dem zylindrischen Körper vorzusehen. Durch diese Anordnung kann das Ausspülen der Trennvorrichtung in dem Reinigungsschritt verbessert werden. Der Winkel sollte allerdings minimal sein, beispielsweise zwischen 0,5 und 3° betragen, damit ein Anströmen der gesamten Oberfläche der Trennvorrichtung auch bei dieser Anordnung noch gewährleistet werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung ist es möglich mit Hilfe eines Frostschutzmittels sicherzustellen, dass das Wasser in dem Vorratsbehälter und den Leitungen zu der Dosiereinrichtung nicht ausfriert. Andererseits wird das für einen nachgeschalteten Prozess unerwünschte Frostschutzmittel vor dem Verdüsen in den Prozess entfernt und das Volumen, in dem reines Wasser vorliegt und das somit einer Frostgefahr ausgesetzt ist, ist gering und kann schnell erwärmt werden.

Claims (15)

1. Dosiereinrichtung für reines Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (1) eine Trennvorrichtung (4), zum Abtrennen von Zusatzstoffen aus dem Wasser umfasst.

2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (4) zum Abtrennen von Frostschutzmitteln aus dem Wasser geeignet ist.

3. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (4) ein Molekularsieb darstellt.

4. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (4) eine Membran darstellt.

5. Dosiereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (1) pulsierend arbeitet.

6. Dosiereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (1) einen Kolben (3) aufweist, der so angeordnet ist, dass dieser auf die Trennvorrichtung (4) zu und von dieser weg bewegt werden kann.

7. Dosiereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung des Wassers mit Zusatzstoffen eine Zuführungsleitung (6) vorgesehen ist.

8. Dosiereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abführen der Zusätze von der Dosiereinrichtung (1) eine Abführungsleitung (7) vorgesehen ist.

9. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abführungsleitungen (6, 7) mit Ventilen (8, 9) versehen sind.

10. Verfahren zum Einführen von reinem Wasser aus einem mit Zusatzstoffen versetzen Wassergemisch in einen Prozess, wobei das Gemisch einer Dosiereinrichtung zugeführt wird, dieses Gemisch in der Dosiereinrichtung (1) einem Trennprozess unterworfen wird und das gereinigte Wasser in den Prozess eingeführt wird, während die abgetrennten Zusatzstoffe in der Dosiereinrichtung (1) zurückgehalten werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durch Aufbringen von Druck erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durch Permeation durch eine Membran erfolgt.

13. Verfahren gemäß Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses weiterhin einen Reinigungsschritt umfasst, in dem die Dosiereinrichtung (1) von dem in dem Trennprozess abgetrennten Zusatzstoffen gereinigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung durch Erzeugen eines Unterdruckes auf der Eingangsseite der Trennvorrichtung durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung durch Anströmen der zu reinigenden Oberfläche durchgeführt wird.