DE102004022312B4

DE102004022312B4 - Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen

Info

Publication number: DE102004022312B4
Application number: DE102004022312A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Berger; Gert Dr.-Ing. Hinsenkamp; Jens Dipl.-Ing. Intorp; Patrick Dipl.-Ing. Mangold; Jochen Dipl.-Ing. Schäfer; Sven Dipl.-Ing. Schnetzler; Wolfgang Dipl.-Ing. Weger; Norbert Dipl.-Ing. Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: US20050247619A1; JP2005321188A; DE102004022312A1; US7582143B2; JP4377844B2

Abstract

Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen, und einer Zuleitung für einen die Hohlfasermembranen in einer Innenströmung durchströmenden Gasstrom,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich zwischen der Zuleitung und dem Bündel (8) der Hohlfasermembranen Mittel (9) zum Abscheiden von flüssigen Teilchen in der Gasströmung vorgesehen sind,
wobei die Mittel (9) in einem Bereich angeordnet sind, in welchem die Gasströmung in der Art geführt ist, dass die Fliehkraft eine Bewegung der flüssigen Teilchen hin zu den Mitteln (9) unterstützt, und wobei die Mittel (9) die Wandung des Einströmbereichs (10) oder der Zuleitung oder die Umlenkmittel (16) ferner eine Nut (12) und eine Einrichtung (13) zum Ableiten von gesammelter Flüssigkeit aus dem Bereich der Gasströmung umfassen,
wobei ferner die Nut (12) zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung von zumindest Geschwindigkeitsanteilen in der Gasströmung verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Feuchtigkeitsaustauschmoduls.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind zahlreiche gattungsgemäße Feuchtigkeitsaustauschmodule bekannt. Beispielhaft soll hier auf die Feuchtigkeitsaustauschmodule der JP 2002-298882 A , der JP 2002-298883 A und der DE 102 14 078 A1 verwiesen werden. Um eine möglichst hohe Austauschrate zu erzielen weisen diese Feuchtigkeitsaustauschmodule jeweils sehr komplexe Strömungsführungen auf.
Ferner sind diese Feuchtigkeitsaustauschmodule, wie es insbesondere an der DE 102 14 078 A1 deutlich wird, in ihrer Benutzung insofern eingeschränkt, dass die Innenströmung durch die Hohlfasermembranen immer die Strömung des zu befeuchtenden Gasstroms ist.
Aus dem deutschen Patent DE 29 47 737 C2 geht ein Flüssigkeitsabscheider hervor, der Drallschaufeln als Umlenkmittel aufweist sowie eine Nut und ferner einen Ablauf als Einrichtung zum Ableiten von gesammelter Flüssigkeit aus dem Bereich der Gasströmung.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 275 432 A1 geht ein Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen hervor. In EP 1 275 432 A1 wird u. a. vorgeschlagen, im Gasstrom enthaltene Wassertröpfchen durch einen vorgeschalteten Zyklon abzuscheiden. Das Feuchtigkeitsaustauschmodul umfasst ein Rohr, das Bohrungen als Umlenkmittel für die Gasströmung und damit als Mittel zum Abscheiden von flüssigen Teilchen aufweisen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es eine kompaktes und leistungsstarkes Feuchtigkeitsaustauschmodul zu schaffen, welches hinsichtlich der Innen- und Außenströmung durch bzw. um die Hohlfasermembranen flexibel eingesetzt werden kann.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik wird ferner auf die EP 1 323 478 A2 verweisen, welche einen so genannten Zyklonabscheider als Tröpfchenabscheider offenbart, der eine stetige Richtungsänderung des Gasstrom zum Abscheiden von Tröpfchen aus dem selben nutzt. Ferner wird die Verwendung desselben zum Abscheiden von Wasser aus einem von einer Brennstoffzelle erzeugten Dampf-Wassergemisch vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Grundlegend bieten die Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasstrom dabei den entscheidenden Vorteil, dass Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom entfernt werden, so dass in den Hohlfasermembranen lediglich eine Einphasenströmung aus Gas bzw. Dampf ohne schwebende flüssige Teilchen vorliegt. Ferner können keine flüssigen Teilchen die Hohlfasermembranen des Bündels zusetzen.
Durch das Abscheiden von flüssigen Teilchen lässt sich das Feuchtigkeitsaustauschmodul flexibler einsetzen, da nun auch ein feuchter Gasstrom die Hohlfasermembranen durchströmen kann, ohne zu Problemen wegen der in ihm enthaltenen flüssigen Teilchen bzw. Tröpfchen zu führen. Die Probleme liegen hauptsächlich darin, dass die schwebenden Flüssigkeitsteilchen den Druckverlust der dann vorliegenden Zwei-Phasenströmung in den Hohlfasermembranen gegenüber dem Druckverlust einer reinen Gas- bzw. Dampfströmung erhöhen würden.
Als Mittel zum Abscheiden dient dabei eine einfache Nut, welche in einem Bereich angeordnet ist, in welchem die Gasströmung in der Art geführt ist, dass die Fliehkraft eine Bewegung der flüssigen Teilchen hin zu der Nut unterstützt. Somit kann mittels einer einfachen Nut eine sehr gute Abscheidung der flüssigen Teilchen erreicht werden.
Ferner kann durch die Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasstrom auch noch ein eventuelles Zusetzen der sehr kleinen durchströmbaren Querschnitte der Hohlfasermembranen verhindert werden.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschmoduls ergibt sich aus Anspruch 8.
Demnach kann das Feuchtigkeitsaustauschmodul insbesondere zum Trocknen und Befeuchten von Prozessgasströmen, beispielsweise zum Befeuchten der Zuluft zu einer Brennstoffzelle oder einem Gaserzeugungssystem mittels des feuchten Abgases aus der Brennstoffzelle, eingesetzt werden. Je nach Aufbau und Einsatz eines derartigen Brennstoffzellensystems, beispielsweise als Antriebssystem in Fahrzeugen oder als Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit (APU)), kommt der kompakten und leichten Bauweise bei dennoch sehr hoher Feuchtigkeitsaustauschrate eine entscheidende Bedeutung zu. Das erfindungsgemäße Feuchtigkeitsaustauschmodul wird diesen Anforderungen gerecht und stellt damit ein sehr gutes Feuchtigkeitsaustauschmodul für die oben genannte Verwendung dar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschmoduls ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein schematisch angedeutetes Brennstoffzellensystem mit einem Feuchtigkeitsaustauschmodul gemäß der Erfindung;
2 eine erste Ausführungsform eines schematisierten Einströmbereichs des erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschmoduls im Längsschnitt;
3 eine zweite Ausführungsform eines schematisierten Einströmbereichs des erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschmoduls im Längsschnitt; und
4 eine dritte Ausführungsform eines schematisierten Einströmbereichs des erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschmoduls im Längsschnitt.
In 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieses umfasst eine Brennstoff zelle 2, bei welcher ein Kathodenraum 3 mittels einer protonenleitenden Membran (PEM) 4 von einem Anoderaum 5 abgetrennt ist. Die Brennstoffzelle 2 kann dabei in an sich bekannter Weise aus Wasserstoff (H₂) in ihrem Anodenraum 5 und Luft in ihrem Kathodenraum 3 elektrische Leistung erzeugen. Die Brennstoffzelle 2 kann als einzelne Brennstoffzelle, insbesondere jedoch als eine Anordnung vieler Brennstoffzellen, als ein so genannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein. Um die protonenleitende Membran 4 vor Austrocknung und somit einer Schädigung zu schützen wird die dem Kathodenraum 3 über einen Kompressor 6 zugeführte Luft in einem schematisch angedeuteten Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 durch die aus der Brennstoffzelle 2 strömenden Abgase befeuchtet. Die in dem Abgas vorhandene Feuchtigkeit wird durch für Wasserdampf durchlässige Hohlfasermembranen auf die zu dem Kathodenraum 3 strömende Luft übertragen, so dass diese befeuchtet wird und ihrerseits die protonenleitende Membran 4 befeuchtet. Die protonenleitende Membran 4 ist so vor einer Austrocknung und damit einer Schädigung bzw. vorzeitigen Alterung geschützt.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 strömt das feuchte Abgas der Brennstoffzelle 2 durch ein Bündel 8 von Hohlfasermembranen, deren äußere Oberflächen von der zu befeuchtenden Luft für die Brennstoffzelle 2 umströmt werden. Dieser Aufbau wird durch ein Mittel 9 zum Abscheiden von flüssigen Teilchen möglich, welches sich im Bereich der Zuleitung des feuchten Gasstroms zu dem Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 befindet. Durch die Mittel 9 werden Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom entfernt werden, so dass diese weder die Hohlfasermembranen des Bündels 8 zusetzen noch für einen erhöhten Druckverlust bei der Durchströmung der Hohlfasermembranen, aufgrund der Zwei-Phasenströmung, sorgen können. Die Mittel 9 ermöglichen somit erst die hier dargestellte Verschaltung des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7, ohne dass dieses hinsichtlich der Austauschleistung und Größe aus Überlegungen der Betriebssicherheit, Druckverlustminimierung und Zuverlässigkeit heraus entsprechend überdimensioniert ausgebildet werden müsste.
Der beim Einsatz eines hinsichtlich seiner Größe minimierten Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 erst durch die Mittel 9 zum Abscheiden der flüssigen Teilchen ermöglichte Aufbau gemäß 1 ist hinsichtlich der Anordnung des Kompressors 6 vor den zu umströmenden Hohlfasermembranen sehr effektiv, da in den Hohlfasermembranen selbst ein höherer Druckverlust herrscht, als beim Umströmen derselben. Dieser höhere Druckverlust kann jedoch durch die Mittel 9 in Grenzen gehalten werden, da diese eine Zwei-Phasenströmung aus Gas bzw. Dampf und schwebenden flüssigen Teilchen verhindern, welche einen deutlich höheren Druckverlust zur Folge hätte, als eine reine Gas- bzw. Dampfströmung. Mit gleicher Kompressorleistung ist dadurch ein höherer Innendruck in der Brennstoffzelle 2 möglich. Somit lässt sich bei vorgegebenem Innendruck einerseits die Größe und Leistung des Kompressors 6 sowie dessen Energieverbrauch minimieren, bei vorgebender Größe und Leistung des Kompressors 6 andererseits der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 2 aufgrund der verbesserten Thermodynamik bei höherem Innendruck steigern.
Je nach eingesetztem Brennstoffzellensystem 1 wird der Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 mit Wasserstoff aus einem Wasserstoffvorrat oder mit Wasserstoff, welcher durch einen Gaserzeugungssystem z. B. aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff erzeugte wurde, versorgt. Der Anodenraum 5 wird bei einem reinen Wasserstoffsystem im Dead-End-Betrieb oder mit einer Anoden-Loop betrieben, während bei in dem Gaserzeug ungssystem erzeugten Wasserstoff Restgase aus dem Anodenraum 5 als Abgas abgeführt werden. Dementsprechend kann das zur Befeuchtung genutzte feuchten Abgas entweder aus dem Kathodenraum 3 alleine oder aus dem Kathodenraum 3 und dem Anodenraum 5 gemeinsam stammen, wie es in 1 durch die gestrichelte Verbindung zwischen dem Anodenraum 5 und dem Abgas aus dem Kathodenraum 3 angedeutet ist. Ferner kann die befeuchtete Zuluft zumindest teilweise auch anderweitig als für die Versorgung des Kathodenraums 3 eingesetzt werden, z. B. zum Bereitstellen wenigstens eines Teils der benötigten Wassermenge für die Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases z. B. aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff mittels autothermer Reformierung, Dampfreformierung und einer ggf. nachgeschalteten Wassergasshiftstufe, wie dies beispielsweise in der DE 103 09 794 A1 ausgeführt ist.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich jeweils auf dieses oben dargelegte Ausführungsbeispiel des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 in dem Brennstoffzellensystem 1. Die Erfindung soll jedoch nicht auf derartige Anwendungen des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 eingeschränkt sein.
Für die Mittel 9 zum Abscheiden von flüssigen Teilchen sind grundsätzlich alle denkbaren Wasser- bzw. Tröpfchenabscheider denkbar. Um einen kompakten Aufbau des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 zu erzielen sollen die Mittel 9 jedoch in das Modul bzw. den Bereich der Zuleitung integriert sein.
In 2 ist eine erste Ausführungsform eines Einströmbereichs 10 für den Gasstrom in einem Gehäuse 11 des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 zu erkennen. Die Mittel 9 zum Abscheiden der flüssigen Teilchen sind dabei als Nut 12 im Bereich der Wandung des Einströmbereichs 10 ausgebildet. In dieser Nut 12 können sich flüssige Tröpfchen sammeln, welche dann durch eine hier als Ventil angedeutete Einrichtung 13 aus dem Bereich der Mittel 9 abgeführt werden können. Um die gesamte Länge der Nut 12 effektiv nutzen zu können, ist diese erfindungsgemäß senkrecht zu der Strömung oder zumindest senkrecht zu einzelnen Geschwindigkeitskomponenten der Strömung angeordnet.
Um die Effizienz der Mittel 9 zu steigern, weist ein Leitungselement 14 im Bereich der Zuleitung ein Mittel 15 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom auf. Dieses Mittel 15 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom kann beispielsweise aus einem in sich verdrehten Streifen oder ggf. auch aus einem in Querschnitt sternförmigen, in sich verdrehten Element bestehen. Um eine ausreichende Drallbewegung des Gasstroms bei vertretbarem Strömungswiderstand in demselben zu erreichen, kann das Element bzw. der Streifen um ca. 70° bis 270°, insbesondere um ca. eine halbe Umdrehung (180°) verdreht sein. Das Element bzw. der Streifen kann z. B. aus einem korrosionsbeständigen Blech, einem temperaturbeständigen Kunststoff oder dergleichen bestehen.
Neben einer Verbesserung der gleichmäßigen Verteilung des Gasstroms in dem Einströmbereich 10, welche sich ferner positiv auf eine verbesserte Nutzung der Hohlfasermembranen des Bündels und damit letztendlich auf kompakteres Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 auswirkt, wird durch die Drallbewegung auch das Abscheiden der flüssigen Teilchen deutlich verbessert. Die Nut 12 ist nämlich in einem Bereich angeordnet, in welchem der Gasstrom aufgrund seiner Drallbewegung entlang der Wandung des Einströmbereichs 10 strömt, so dass sich in dem Gasstrom befindliche flüssige Tröpfchen als dessen schwerste Bestandteile wegen der Fliehkraft in den Bereich der Nut 12 gelangen und sich dort sammeln.
Die Ausführungsform des Einströmbereichs 10, welche in 3 dargestellt ist, unterscheidet sich von der in 2 dargestellten Ausführung lediglich dadurch, die Erweiterung des Querschnitts nicht sprungartig, sondern kontinuierlich erfolgt. Auch hier muss dabei hervorgehoben werden, dass die Gasströmung in den sehr kurz ausgebildeten Einströmbereich 10 aufgrund der durch das Mittel 15 erzielten Drallbewegung sehr gut verteilt sind. Die Mittel 9 zum Abscheiden der flüssigen Teilchen sind hier ebenfalls als Nut 12 ausgeführt. Allerdings ist diese Nut 12 im Bereich des Leitungselements 14 angeordnet. Wegen der auch in diesem Bereich aufgrund der Drallbewegung des Gasstroms bereits herrschenden Fliehkräfte ergibt sich ein vergleichbarer Effekt, wie oben beschreiben. Somit kommt es auch hier zu einer sehr guten Abscheidung der flüssigen Teilchen in der Nut 12.
In 4 ist eine weitere Ausgestaltung des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 dargestellt. Um eine gleichmäßige Verteilung des Gasstroms in dem Einströmbereich 10 zu erreichen, ist hier ein ringförmiges Umlenkmittel 16 vorgesehen, welches so zwischen dem hier senkrecht zu der Längsachse L des Bündels 8 der Hohlfasermembranen angeordneten Leitungselement 14 und dem Einströmbereich 10 platziert ist, dass der Gasstrom nicht unmittelbar in den Einströmbereich 10 einströmen kann, sondern immer zuerst von dem Umlenkmittel 16 umgelenkt wird. Das ringförmige Umlenkmittel 16 ist dabei so ausgestaltet, dass es einen Ringspalt 17 zwischen dem Umlenkmittel 16 und der Wandung des Einströmbereichs 10 ausbildet. Dieser Ringspalt 17 ist lediglich auf seiner dem Bündel 8 der Hohlfasermembranen abgewandten Seite mit dem Einströmbereich 10 verbunden bzw. in der Art offen, dass der Gasstrom hier zu dem Bündel 8 der Hohlfasermembranen strömen kann.
Die Mittel 9 zum Abscheiden von flüssigen Teilchen sind auch hier als Nut 12 ausgebildet. Diese Nut 12 ist im Bereich der Umlenkung des Gasstroms durch die Umlenkmittel 16 angeordnet, so dass auch hier aufgrund der Fliehkraft ein Sammeln der flüssigen Teilchen im Bereich der Nut 12 erleichtert wird. Zusätzlich kann dies bei dem hier dargestellten Aufbau noch verbessert werden, wenn die Einleitung des Gasstroms in den Ringspalt 17 tangential zu dem Bündel 8 der Hohlfasermembranen erfolgt, so dass der Gasstrom aufgrund seiner tangentialen Einströmung entlang der Wandung des Einströmbereichs 10 bzw. des Ringspalts 17 strömt.
Sämtliche hier dargestellten Ausführungsformen der Mittel 9 sind selbstverständlich untereinander austauschbar und miteinander kombinierbar, ebenso in Zusammenspiel mit den verschiednen Ausgestaltungen der Einströmbereiche 10 des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7, jeweils mit oder ohne die Mittel 15 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom, der tangentialen Anbindung, den Einrichtungen 13 zum Abführen der Flüssigkeit und/oder der Umlenkmittel 16.

Claims

Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen, und einer Zuleitung für einen die Hohlfasermembranen in einer Innenströmung durchströmenden Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen der Zuleitung und dem Bündel (8) der Hohlfasermembranen Mittel (9) zum Abscheiden von flüssigen Teilchen in der Gasströmung vorgesehen sind, wobei die Mittel (9) in einem Bereich angeordnet sind, in welchem die Gasströmung in der Art geführt ist, dass die Fliehkraft eine Bewegung der flüssigen Teilchen hin zu den Mitteln (9) unterstützt, und wobei die Mittel (9) die Wandung des Einströmbereichs (10) oder der Zuleitung oder die Umlenkmittel (16) ferner eine Nut (12) und eine Einrichtung (13) zum Ableiten von gesammelter Flüssigkeit aus dem Bereich der Gasströmung umfassen, wobei ferner die Nut (12) zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung von zumindest Geschwindigkeitsanteilen in der Gasströmung verläuft.
Feuchtigkeitsaustauschmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuleitung ein Mittel (15) zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom vorgesehen ist.
Feuchtigkeitsaustauschmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im dem Einströmbereich (10) ein ringförmiges Umlenkmittel (16) vorgesehen ist, welches so zwischen dem Bereich der Zuleitung und dem Einströmbereich (10) platziert ist, dass der Gasstrom nicht unmittelbar in den Einströmbereich (10) einströmt.
Verwendung eines Feuchtigkeitsaustauschmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Brennstoffzellensystem (1).
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Feuchtigkeitsaustauschmodul (7) Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem befeuchtet wird, wobei die Zuluft mittels einer Kompressionseinrichtung (6) entlang der äußerem Oberflächen der Hohlfasermembranen in das Brennstoffzellensystem (1) gefördert wird, während ein feuchtes Abgas aus einer Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellensystems (1) die Hohlfasermembranen durchströmt.