DE102011102177A1

DE102011102177A1 - Anordnung zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser, Verfahren zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser sowie Luftfahrzeug mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102011102177A1
Application number: DE102011102177A
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Wobst; Thorsten Otto; Boris Barylo
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN103562066B; US20140076824A1; EP2709906B1; CN103562066A; EP2709906A1; WO2012159890A1

Abstract

Eine Anordnung (2) zur Erzeugung und Aufbereitung von Wasser weist eine Brennstoffzelle (4) mit einem Wassererzeugungssystem, eine Aufsalzungseinheit (14) zum Aufsalzen von Wasser, eine Zustandsmesseinrichtung (16) zum Erfassen eines Betriebszustands der Aufsalzungseinheit (14), einen Wasser aufnehmenden Speicher (6, 18) zum Aufnehmen von Wasser, eine Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) zum Erfassen der Wasserqualität des aufgesalzenen Wassers und eine Regeleinheit (10) auf. Die Aufsalzungseinheit (14) ist dazu eingerichtet, Wasser mit einem basischen Salz zu versetzen, so dass neben dem Salzgehalt auch ein zu saurer pH-Wert des abgegebenen Wassers angehoben und stabilisiert wird. Hierzu ist die Regeleinheit (10) mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) und der Zustandsmesseinrichtung (16) verbunden und dazu eingerichtet, zur Einstellung einer vorbestimmten Wasserqualität die Aufsalzungseinheit (14) in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Aufsalzungseinheit (14) und der erfassten Wasserqualität anzusteuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser, ein Verfahren zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser sowie ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Anordnung in einem Luftfahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Anordnungen zum Erzeugen von Wasser an Bord von Verkehrsmitteln sind bekannt und basieren auf der Generierung von Wasser mit Hilfe von Abgas eines Brennstoffzellensystems. Feuchtes Abgas einer Brennstoffzelle wird in einem Kondensator abgekühlt und anschließend mit Hilfe eines Wasserabscheiders vom Abgas getrennt.
Es ist ferner bekannt, das durch einen derartigen Prozess gewonnene Wasser aufgrund des sehr geringen Anteils an Ionen durch Aufsalzung zur Erhöhung des Salzgehalts bzw. der Tonizität aufzubereiten, um für den menschlichen Verzehr geeignet zu sein. Dies wird etwa in DE 10 142 215 A1 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das aus einem Brennstoffzellenabgas auskondensierte Wasser weist einen sehr geringen Ionengehalt und so gut wie keine Pufferkapazität auf, was dazu führt, dass der pH-Wert des Kondensats resultierend aus einer Lösung insbesondere von CO₂ aus der Umgebungsluft in einem sauren Bereich unterhalb des unteren Grenzwerts der Deutschen Trinkwasserverordnung liegt und etwa 5,5 oder weniger beträgt. Durch Aufsalzung des Kondensats mit einem neutralen Salz kann zwar der Salzgehalt des Kondensats erhöht werden, doch würde dies den zu niedrigen pH-Wert und die Pufferkapazität nicht beeinflussen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser vorzuschlagen, bei dem eine Trinkwasserqualität mit einem ausreichenden Salzgehalt, einer Pufferkapazität und einem pH-Wert, der in einem durch übliche Trinkwasserregularien vorgegebenen Wertebereich liegt, realisiert wird.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser weist eine Brennstoffzelle mit einem Wassererzeugungssystem, eine Aufsalzungseinheit zum Aufsalzen von Wasser mit einer variablen Salzkonzentration, eine Zustandsmesseinrichtung zum Erfassen eines Betriebszustands der Aufsalzungseinheit, einen Wasser aufnehmenden Speicher zum Aufnehmen von Wasser, eine Wasserqualitätsmesseinrichtung zum Erfassen der Wasserqualität des aufgesalzenen Wassers und eine Regeleinheit auf. Die Aufsalzungseinheit ist dazu eingerichtet, Wasser mit einem alkalisch wirkenden, basischen Salz zu versetzen. Der Wasser aufnehmende Speicher ist der Aufsalzungseinheit zum Aufnehmen von aufgesalzenem Wasser nachgeschaltet und mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung verbunden. Die Wasserqualitätsmesseinrichtung ist der Aufsalzungseinheit nachgeschaltet. Die Regeleinheit ist mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung und der Zustandsmesseinrichtung verbunden und dazu eingerichtet, zur Einstellung einer vorbestimmten Wasserqualität in dem Wasser aufweisenden Speicher die Aufsalzungseinheit in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Aufsalzungseinheit und der erfassten Wasserqualität anzusteuern.
Wie vorangehend dargestellt, ist eine Brennstoffzelle in der Lage, durch Oxidation von Wasserstoff ein Wasserdampf enthaltendes Abgas zu erzeugen, aus dem Wasser auskondensiert und abgeführt werden kann. Das in dem Wassererzeugungssystem gewonnene Kondensat weist einen pH-Wert von 5,5 oder darunter auf Die Aufsalzungseinheit als ein Kern der Erfindung ist mit einem basischen Salz oder Salzgemisch ausgerüstet, das dazu geeignet ist, den pH-Wert des Kondensats zu erhöhen. Die Zumischung von basischem Salz in das Kondensat erhöht damit gleichzeitig den Salzgehalt, die Pufferkapazität und den pH-Wert des gewonnenen Wassers. Die Pufferkapazität wird dabei als die Fähigkeit einer Lösung angesehen, den pH-Wert bei Zugabe einer Säure oder einer Base wesentlich weniger stark zu ändern, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Bevorzugt ist das Salz oder das Salzgemisch derart abgestimmt, dass gleichzeitig eine optimale Erhöhung des Salzgehalts und eine optimale Einstellung des pH-Werts erfolgen können. Als Beispiel für ein derartiges Salz ist Natriumhydrogenkarbonat zu nennen.
Als ein Betriebszustand der Aufsalzungseinheit könnte unter anderem eine geometrische feststellbare Restgröße eines durch- oder anströmbaren Salzkörpers, ein momentan vorhandener Salzvorrat in der Aufsalzungseinheit oder die vorhandene Menge einer Salzlösung angesehen werden. Der Betriebszustand soll dabei allgemein eine kennzeichnende Größe für eine Betriebseigenschaft der Aufsalzungseinheit darstellen, die das Aufsalzungsverhalten der Aufsalzungseinheit charakterisiert. Es ist zudem elementar, dass die Regeleinheit Kenntnis darüber besitzt, welche physikalischen Parameter als Regelgrößen bei der Regelung bzw. Ansteuerung der Aufsalzungseinheit zu ändern sind, um eine gewünschte Aufsalzung eines in die Aufsalzungseinheit geleiteten Kondensats zu erreichen. Diese Parameter könnten etwa den Volumenstrom an Wasser umfassen, der durch die Aufsalzungseinheit fließt. Zur Ansteuerung der Aufsalzungseinheit unter Berücksichtigung dieses Parameters könnte etwa eine Fördereinrichtung mit einem einstellbaren Volumenstrom eingesetzt werden, ein Volumenstrom regelndes Ventil oder andere Mittel, durch die sich ein vorbestimmter Volumenstrom durch die Aufsalzungseinheit ergibt.
Durch Einsatz der Regeleinheit, die sowohl mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung als auch mit der Zustandsmesseinrichtung verbunden ist, kann automatisch eine gewünschte Trinkwasserqualität in dem Wasser aufnehmenden Speicher eingestellt werden. Die vorliegende Erfindung beschreibt damit eine Anordnung zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser, mit der das aus einer Brennstoffzelle gewonnene deionisierte Wasser mit Salzen versetzt wird, so dass die Grenzwerte für pH-Wert und Leitfähigkeit gemäß Trinkwasserverordnung automatisch unter Berücksichtigung einer variablen Wasserproduktion der Brennstoffzelle und einer veränderlichen Salzabgabe einer Aufsalzungseinheit eingehalten werden. Idealerweise wird nur so viel Salz zugesetzt, dass der Härtegrad des Wassers gering ist. Dadurch wird die Verkalkung der Geräte und Rohrleitungen minimiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Aufsalzungseinheit eine der Brennstoffzelle nachgeschaltete Fördereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, Wasser aus der Brennstoffzelle bzw. dessen Wassererzeugungssystem in die Aufsalzungseinheit zu leiten. Generell ist die Fördereinrichtung dazu eingerichtet, Kondensat aus dem Wassererzeugungssystem mit einem gewissen Druck zu beaufschlagen, so dass ein Transport des Kondensats in eine Salzionen abgebende Aufsalzungseinrichtung durchgeführt wird. Die Fördereinrichtung kann dabei auf vielfältige Weisen realisiert werden. Neben Flügelrad- oder Kolbenpumpen könnte auch ein intermittierender Betrieb eines Ventils zum Einleiten von Druckluft in einen Zwischenspeicher des Wassererzeugungssystems zum druckluftgetriebenen Fördern von Kondensat möglich sein. Wie vorangehend erläutert wäre es zu bevorzugen, wenn der durch die Fördereinrichtung verursachte Volumenstrom einstellbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Wasserqualitätsmesseinrichtung eine Einrichtung zum Erfassen der Leitfähigkeit von Wasser. Das aus dem Brennstoffzellenabgas gewonnene Kondensat weist sehr wenige Ionen, damit einen sehr niedrigen Salzgehalt und eine geringe Leitfähigkeit auf. Durch Aufsalzung wird neben einer Erhöhung des Salzgehalts auch der pH-Wert günstig beeinflusst, so dass als Messgröße sowohl für den Salzgehalt als auch für den pH-Wert die Leitfähigkeit des Wassers verwendet werden kann. Durch Messung der Leitfähigkeit des aufgesalzenen Wassers kann aufgrund der Verwendung eines basischen Salzes oder Salzgemisches und einem beispielsweise experimentell ermittelten üblichen pH-Wert des Kondensats aus der Wassererzeugungseinrichtung aus der Leitfähigkeit des Wassers direkt auf den eingestellten pH-Wert des aufgesalzenen Wassers geschlossen werden. Dadurch wird eine komplexe pH-Wert-Messung überflüssig, die etwa bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Verkehrsmittel aufgrund der dort auftretenden Temperaturen, Vibrationen und Bewegungskräfte mit herkömmlichen Methoden kaum durchführbar wäre.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Aufsalzungseinheit mindestens einen von einem Gehäuse umgebenen Salzkörper auf, wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass aufweist, so dass an durch den Einlass einströmendes und durch den Auslass ausströmendes Wasser aufgrund der Um- oder Durchströmung Salzionen abgegeben werden. Eine derartige Aufsalzungseinheit führt ein kontinuierliches Aufsalzungsverfahren aus, bei dem kontinuierlich Salzionen an durchströmendes Wasser abgegeben werden. Das Gehäuse kann auf beliebige Arten ausgeführt sein, solange gewährleistet ist, dass das Wasser in intensiven Kontakt mit dem darin befindlichen Salzkörper gelangt und durch das Gehäusematerial keine zusätzlichen unerwünschten Stoffe in das Wasser eingetragen werden. Der Vorteil einer solchen Aufsalzungseinheit liegt darin, eine weitestgehende Wartungsfreiheit, abgesehen von einem Austausch nach Verbrauch, durch Verwendung ausschließlich passiver Komponenten zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Aufsalzungseinheit mehrere voneinander getrennte, separate Aufsalzungseinrichtungen auf, die individuell mit aufzusalzendem Kondensat beaufschlagt werden können. Dadurch ist eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Betriebs einer Aufsalzungseinheit durchführbar, denn bei Ausfall einer von mehreren Aufsalzungseinrichtungen ist nicht davon auszugehen, dass sämtliche Aufsalzungseinrichtungen einer einzelnen Aufsalzungseinheit in ihrer Leistung beeinträchtigt sind. Weiterhin können mit dieser Ausführungsform die verschiedenen Salze in getrennten Aufsalzungseinrichtungen untergebracht und somit unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Stoffen während Herstellung, Lagerung und Gebrauch vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die voneinander getrennten Aufsalzungseinrichtungen durch eine Parallelschaltung miteinander verknüpft. Individuelle Ventile erlauben das individuelle Steuern des Volumenstroms durch die jeweilige Aufsalzungseinrichtung, so dass bei einer Fehlfunktion, einem Verbrauch des vorhandenen Salzes oder dergleichen eine betroffene Aufsalzungseinrichtung vom Zufluss des Kondensats abgeschlossen wird und eine andere Aufsalzungseinrichtung zur Aufsalzung des Kondensats geöffnet wird. Die Parallelschaltung erlaubt bei der Verwendung von Salzkörpern in Gehäusen durch sukzessives Verbrauchen mehrerer Salzkörper in voneinander getrennten Aufsalzungseinrichtungen eine Verlängerung des Wartungsintervalls hinsichtlich des Austauschs oder der Nachfüllung von unverbrauchten Salzkörpern. Zur Vermeidung von unerwünschten Reaktionen verschiedener Salze miteinander können die einzelnen Aufsalzungseinrichtungen auch unterschiedliche Salze aufweisen, die mit unterschiedlichen Volumenströmen angeströmt werden, was durch die Ventile gesteuert werden kann.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform sind die voneinander getrennten Aufsalzungseinrichtungen in Form einer Reihenschaltung miteinander verknüpft. Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit einem relativ geringen Volumenstrom eines aufzusalzenden Kondensats eine vergleichsweise schnelle bzw. intensive Aufsalzung ermöglicht wird.
Es ist verständlich, dass auch mehrere Aufsalzungseinheiten mit voneinander getrennten Aufsalzungseinrichtungen in einer Reihen- oder Parallelschaltung individuell miteinander verknüpft werden können. Dadurch können die einzelnen Vorteile der verschiedenen Verknüpfungsformen miteinander kombiniert werden. Besonders vorteilhaft erscheint die Parallelschaltung mehrerer Aufsalzungseinheiten, die Aufsalzungseinrichtungen besitzen, welche in einer Reihenschaltung miteinander verknüpft sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Anordnung mindestens einen Zwischenspeicher auf, der der Aufsalzungseinheit vorgeschaltet ist. Für eine effektive Regelung der Salzkonzentration sowie eine möglichst gleichmäßige Auflösung eines Um- oder durchströmten Salzkörpers ist ein kontinuierlicher Volumenstrom vorteilhaft. Da die Wasserproduktion aus der Brennstoffzelle nicht beeinflusst werden kann, ist der Zwischenspeicher als Puffer vorgesehen. Ein Füllstandssensor ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, der den Füllstand des Zwischenspeichers erfasst und an die Regelungseinheit weitergibt. Wenn ein Maximalwert für den Füllstand des Zwischenspeichers erreicht wird, wird das Wasser mit Hilfe eines sich öffnenden Ventils durch die Aufsalzungseinheit gefördert. Bei Unterschreiten eines Minimalwerts wird die Einleitung in die Aufsalzungseinheit durch Schließen dieses Ventils wieder unterbrochen. Dies führt zu einem intermittierenden Betrieb
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Aufsalzungseinheit einen Vorratsbehälter und eine Dosiereinrichtung auf, wobei die Dosiereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine dosierte Menge eines salzhaltigen Stoffs aus dem Vorratsbehälter an einen Wasser aufweisenden Speicher abzugeben. Diese Art der Aufsalzung wird als diskontinuierliche Aufsalzung bezeichnet, bei der eine diskrete Menge eines salzhaltigen Stoffs zum Erhöhen der Salzkonzentration an einen Wasser aufweisenden Speicher abgegeben wird. Der salzhaltige Stoff kann unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und in fester, pulverförmiger oder kristalliner Form und alternativ auch in flüssiger Form als Lösung vorliegen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der genannte Wasser aufweisende Speicher als ein Versorgungsspeicher ausgeführt, der dazu dient, ein Wassersystem mit Wasser zu versorgen und damit als primäres Speichermittel dient. Die Aufsalzungseinheit ist in diesem besonderen Fall dementsprechend dazu eingerichtet, direkt in einen Frischwassertank des Frischwassersystems beispielsweise eines Luftfahrzeugs eine diskrete Menge eines salzhaltigen Stoffs einzufüllen und eine für den menschlichen Verzehr geeignete Wasserqualität bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Wasser aufweisende Speicher ein Zwischenspeicher, der bevorzugt einem Versorgungsspeicher vorgeschaltet und mit diesem verbindbar ist. Der Zwischenspeicher kann demnach bei Bedarf mit dem Versorgungsspeicher verbunden werden, um eine vollständig aufgesalzene Menge an Kondensat an den Versorgungsspeicherabzugeben. Der Versorgungsspeicher wird dadurch ausschließlich mit vollständig aufgesalzenem Wasser beaufschlagt. Der Zwischenspeicher bildet dabei einen Pufferspeicher, der kontinuierlich durch Kondensat aus der Brennstoffzelle gefüllt wird, so dass bei Detektion eines bestimmten Füllgrads die Aufsalzungseinheit die diskontinuierliche Aufsalzung vornimmt, wonach das aufgesalzene Wasser aus dem Zwischenspeicher in den Versorgungsspeichergeleitet wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Regeleinheit mit einem Ventil zwischen dem Zwischenspeicher und dem Versorgungsspeicher verbunden und dazu eingerichtet zu ermitteln, wann das in dem Zwischenspeicher befindliche Wasser nach Zugabe der dosierten Menge an salzhaltigem Stoff vollständig aufgesalzen ist. Durch Berücksichtigung einer durchschnittlichen Lösezeit bei der Verwendung eines festen salzhaltigen Stoffs kann gewährleistet werden, dass bei der Ableitung des aufgesalzenen Wassers aus dem Zwischenspeicher keine Salzreste in dem Zwischenspeicher verbleiben und der Versorgungsspeicher stets die vorgeschriebene Salzkonzentration aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Vorratsbehälter eine Salzlösung auf, welche bevorzugt hochkonzentriert ist und weitgehend gesättigt, so dass durch Beimengung dieser Salzlösung relativ zügig ohne Einhaltung einer Lösezeit oder dergleichen eine Aufsalzung bereitgestellt werden kann.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Vorratsbehälter wasserlösliche Tabletten mit einem salzhaltigen Stoff auf, wobei durch die Dosiereinrichtung beispielsweise eine vorbestimmte Anzahl von Salztabletten in den Speicher eingefüllt werden. Die Dosiereinrichtung kann dabei ein Drehschieber sein, oder im Falle der Nutzung von gestapelten Tabletten kann jeweils die unterste Tablette mithilfe eines Schiebers dem Wasser hinzugefügt werden.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Wasser aufweisende Speicher, der der Versorgungsspeicher oder der Zwischenspeicher sein kann, einen mit der Regeleinheit verbundenen Füllstandssensor auf, wobei die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Wasserqualität und der Füllmenge in dem Speicher eine Menge an salzhaltigem Stoff zu ermitteln, der zur Erreichung einer vorgegebenen Trinkwasserqualität in den Speicher einzufüllen ist, und die Dosiereinrichtung zur Abgabe der ermittelten Menge anzusteuern. Dadurch kann automatisch in Abhängigkeit der vorliegenden Salzkonzentration in dem Speicher eine notwendige Menge an Salz ermittelt werden, die zur Erreichung des erforderlichen Salzgehalts und des erforderlichen pH-Werts notwendig ist, um dies in einem nachfolgenden kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verfahren zu berücksichtigen. Es kann dabei eine weitgehend konstante Trinkwasserqualität in dem Speicher erreicht werden, ohne einen manuellen Eingriff zu erfordern.
Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Wesentlichen die Merkmale des Erzeugens von Wasser mittels eines Brennstoffzellenprozesses und einer nachfolgenden Kondensation, des Erfassen einer Wasserqualität von Wasser, des Aufsalzens durch Versetzen des Wassers mit einem basischen Salz und des Erfassens eines Betriebszustands der Aufsalzungseinheit auf.
Zum Einstellen einer gewünschten Trinkwasserqualität steuert eine Regeleinheit die Aufsalzungseinheit in Abhängigkeit von der ermittelten Wasserqualität und des ermittelten Betriebszustands an.
Wie vorangehend beschrieben, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform das Aufsalzen das Durchströmen einer Aufsalzungseinheit mit einem von einem Gehäuse umgebenden Salzkörper umfassen, alternativ oder zusätzlich hierzu auch das Abgeben eines salzhaltigen Stoffs mittels einer Dosiereinrichtung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere voneinander getrennte Aufsalzungseinheiten verwendet, wobei die Regeleinheit je nach Betriebszustand der einzelnen Aufsalzungseinrichtungen individuelle Abschlussventile zu den Aufsalzungseinrichtungen öffnet oder schließt.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich besonders zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs, bei dem durch Verwendung einer Brennstoffzelle das Gewicht an mitgeführtem Wasser eingespart werden kann. Dennoch ist durch die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass eine automatische Einstellung einer Trinkwasserqualität erreicht werden kann, auch bei variabler Produktion von Wasser durch die Brennstoffzelle.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 ein zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in einer schematischen, blockbasierten Darstellung.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei Aufsalzungseinheiten in einer Parallelschaltung.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Aufsalzungseinheiten in einer Reihenschaltung.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Rezirkulationsleitung.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Rezirkulationleitungen und zwei Aufsalzungseinheiten in einer Parallelschaltung.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Rezirkulationsleitung und zwei Aufsalzungseinheiten in einer Reihenschaltung.
7 zeigt den Verlauf eines pH-Werts bei Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer eine Dosiereinheit aufweisenden Aufsalzungseinheit.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei eine Dosiereinheit aufweisenden Aufsalzungseinheiten.
10 zeigt ein Flugzeug, das mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgestattet ist.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in einer schematischen, blockbasierten Darstellung eine erfindungsgemäße Anordnung 2 zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser. Hierzu ist eine Brennstoffzelle 4 vorgesehen, die über ein nicht detailliert dargestelltes Wassererzeugungssystem verfügt. Das dort erzeugte Wasser wird beispielsweise schwerkraftgetrieben in einen exemplarisch gezeigten Zwischenspeicher 6 geleitet, welcher einen Füllstandssensor 8 besitzt, der dazu eingerichtet ist, den momentanen Füllstand des Zwischenspeichers 6 zu erfassen. In Form eines Signals wird der erfasste Füllstand an eine Regeleinheit 10 geleitet.
Eine Fördereinrichtung 12, die ebenfalls mit der Regeleinheit 10 verbunden ist, fördert Wasser aus dem Zwischenspeicher 6 in eine Aufsalzungseinheit 14, welche dazu eingerichtet ist, ein- bzw. durchströmendes Wasser durch eine Aufsalzungseinrichtung mit Salzionen anzureichern. Ein Betriebszustand der Aufsalzungseinheit 14 wird über eine Zustandsmesseinrichtung 16 erfasst, die ein entsprechendes Signal an die Regeleinheit 10 sendet. Das aus der Aufsalzungseinheit 14 strömende aufgesalzene Wasser gerät in einen Versorgungsspeicher 18, der mit einer Wasserqualitätsmesseinrichtung 20 verbunden ist.
Die Wasserqualitätsmesseinrichtung ist besonders bevorzugt dazu eingerichtet, die Leitfähigkeit von Wasser zu ermitteln. Aus dem Zusammenhang zwischen der Beeinflussung des Salzgehalts und des pH-Werts des verwendeten basischen Salzes oder Salzgemischs kann aus der Leitfähigkeit des Wassers in dem Versorgungsspeicher 18 auf den sich einstellenden pH-Wert geschlossen werden. Ein entsprechendes Signal wird an die Regeleinheit 10 übermittelt. Alternativ dazu kann die Wasserqualitätsmesseinrichtung 20 den pH-Wert des Wassers in dem Versorgungsspeicher 18 direkt ermitteln, was jedoch bei der Verwendung in einem Verkehrsmittel aufgrund der Temperaturen, Vibrationen und Bewegungskräften schwierig sein könnte.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die Aufsalzungseinheit 14 derart ausgeführt sein, dass ein Salzkörper in einem Gehäuse angeordnet ist, welches einen Einlass und einen Auslass aufweist. Wasser, das durch den Einlass in das Gehäuse einströmt und dieses durch den Auslass wieder verlässt durch- oder umströmt den Salzkörper, der daraufhin Salzionen an das Wasser abgibt. Die Konzentration des Salzes in dem Wasser ist dabei von dem Volumenstrom abhängig, der sich durch die Aufsalzungseinheit 14 einstellt. Der Volumenstrom kann demnach eine Regelgröße für die Regeleinheit 10 darstellen.
Ein weiterer physikalischer Parameter, der den resultierenden Salzgehalt mitbestimmt, liegt in einem Verbrauchsfortschritt des Salzkörpers, der beispielsweise als ein zylinder- oder stabförmiger Körper ausgeführt ist und bei kontinuierlicher Umströmung seinen äußeren Durchmesser verringert. Durch die Verringerung des Durchmessers wird demnach die Salzionen abgebende Fläche des Salzkörpers kleiner, so dass bei gleichbleibendem Volumenstrom pro Zeiteinheit stetig weniger Salzionen abgegeben werden. Die Zustandsmesseinrichtung 16 ist dazu eingerichtet, abhängig von der jeweiligen Ausführung der Aufsalzungseinheit 14 einen die Salzionenabgabefähigkeit charakterisierenden Parameter festzustellen. In dem gezeigten Fall könnte dieser durch den Durchmesser bzw. die Größe der äußeren Oberfläche, die von Wasser umströmt werden kann, mitbestimmt werden.
Damit auch unter wechselnden Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 4 eine konstante Salzkonzentration im Versorgungsspeicher 18 eingehalten werden kann, ist eine Regelung des Aufsalzungsvorgangs notwendig, die von der Regeleinheit 10 unter Verwendung der genannten übermittelten Größen erfolgt. Durch Kenntnis der Messgrößen Leitfähigkeit bzw. pH-Wert und des Betriebszustands der Aufsalzungseinheit 14 ist die Regeleinheit 10 grundsätzlich dazu in der Lage, abhängig von der jeweiligen Fähigkeit der Aufsalzungseinheit 14, Salzionen an durchströmendes Wasser abzugeben, die Fördereinrichtung 12 zur Beeinflussung der Aufsalzungseinheit 14 anzusteuern, so dass in den Versorgungsspeicher 18 Wasser mit einer konstanten Trinkwasserqualität eingefüllt wird.
In 2 wird eine leichte Abwandlung dargestellt, bei der eine erfindungsgemäße Anordnung 22 eine Aufsalzungseinheit 24 aufweist, die zwei voneinander getrennte Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 umfasst, die eine Parallelschaltung bilden. Durch Anordnen von im Durchfluss beeinflussbaren Ventilen 30 und 32 kann entweder die eine Aufsalzungseinrichtung 26 oder die andere Aufsalzungseinrichtung 28 oder beide Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 mit Wasser aus der Fördereinrichtung 12 durchströmt werden. Dementsprechend ist die Zustandsmesseinrichtung 16 sowohl mit der einen Aufsalzungseinrichtung 26 als auch mit der anderen Aufsalzungseinrichtung 28 verbunden. Entsprechende Signale werden zur Regeleinheit 10 übermittelt.
Bei komplexeren Salzzusammensetzungen kann es bei der Herstellung des Salzkörpers oder bei dem Kontakt mit Wasser in der in 1 gezeigten singularen Aufsalzungseinheit 14 zu unerwünschten Reaktionen der Salzkomponenten kommen, wodurch im Salzkörper etwa Verbindungen mit stark unterschiedlicher Löslichkeit entstehen können. Unter Umständen wird dadurch die Funktion der Aufsalzungseinheit 14 beeinträchtigt, so dass die gewünschte Salzkonzentration nicht mehr erreichbar ist. Um dies zu vermeiden, kann die erfindungsgemäße Anordnung 22 dahingehend erweitert werden, dass zwei oder mehr Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 verwendet werden, die parallel geschaltet sind. Jede Aufsalzungseinrichtung 26 bzw. 28 enthält dann nur bestimmte Salzkomponenten, so dass unerwünschte Reaktionen vermieden werden können.
Zur Regelung des Volumenstroms durch die Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 werden die Ventile 30 und 32 verwendet, die von der Regeleinheit 10 ansteuerbar sind, so dass individuelle Gemischanteile der verschiedenen Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 erreichbar sind.
Alternativ dazu können die beiden Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 auch die gleichen Salzkörper aufweisen und die Ventile 32 und 30 werden sukzessive geöffnet, um nach Verbrauch eines Salzkörpers einer Aufsalzungseinrichtung 26 oder 28 den Salzkörper der nächsten Aufsalzungseinrichtung 28 oder 26zu verbrauchen. Zur Erhöhung der Konzentration oder der Aufsalzungsgeschwindigkeit können in diesem Fall jedoch auch beide bzw. alle Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 bei vollständig geöffneten Ventilen 30 und 32 von Wasser durchströmt werden. Der gesamte Volumenstrom durch die Aufsalzungseinheit 24 bleibt gleich, doch die individuellen Volumenströme 26 und 28 sind jeweils geringer als der Gesamtvolumenstrom, so dass die sich einstellenden diskreten Fluidvolumina mehr Zeit an Salzionen abgebenden Oberfläche eines Salzkörpers oder dergleichen verbringen als bei einem höheren Volumenstrom und dadurch eine höhere Salzkonzentration erreichbar ist.
Es ist anhand 2 lediglich beispielhaft dargestellt, dass zwei separate Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 eingesetzt werden, theoretisch könnte jedoch eine beliebige Anzahl von parallel miteinander verschalteten Aufsalzungseinrichtungen Verwendung finden.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 34 weist eine Aufsalzungseinheit 36 mit zwei voneinander getrennten Aufsalzungseinrichtungen 38 und 40 auf, die in einer Reihenschaltung miteinander verknüpft sind. Bei einem gleichbleibenden Volumenstrom durch beide aufeinanderfolgend durchflossenen Aufsalzungseinrichtungen 38 und 40 erfolgt eine weitestgehend gleichmäßige Lösung von Salz, so dass insgesamt eine relativ hohe Salzkonzentration erreichbar ist. Die beiden Aufsalzungseinrichtungen 38 und 40 können auch unterschiedliche Salze oder Salzgemische aufweisen, so dass wie bei dem Beispiel aus 2 unerwünschte Reaktionen der verschiedenen Salze ausgeschlossen werden können. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind beide Aufsalzungseinrichtungen 38 und 40 mit einer Zustandsmesseinrichtung 16 zum Erfassen eines Betriebszustands verbunden.
Eine in 4 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung 42 weist einen leicht abgewandelten Aufbau auf. Bei der Anordnung nach 1, bei der die Aufsalzungseinheit 14 genau einmal durchströmt wird, ist die Einstellung der gewünschten Salzkonzentration nur durch die Regelung des Volumenstroms möglich. Da dieser nicht beliebig groß oder klein gewählt werden kann, sollte die Löslichkeitsgeschwindigkeit des Salzkörpers selbst möglichst gut an die Volumenstromverhältnisse des Gesamtsystems angepasst werden. Alternativ kann die in 4 gezeigte Anordnung 42 eingesetzt werden. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Fördereinrichtung 12 Wasser aus einem Wasser aufweisenden Speicher, der ein Zwischenspeicher 6 oder der Versorgungsspeicher 18 sein kann, in eine Aufsalzungseinheit 14 leitet und durch eine Rezirkulationsleitung 44 das aufgesalzene Wasser wieder in den Speicher geleitet wird. Durch eine kontinuierliche Messung der Wasserqualität mit Hilfe der Wasserqualitätsmesseinrichtung 20 kann die Regeleinheit 10 feststellen, wann die Salzkonzentration in dem Wasser aufweisenden Speicher ausreicht. Falls der Speicher der Zwischenspeicher 6 ist, kann dieser dann in den Versorgungsspeicher 18 entleert werden, was anhand der gestrichelten Linie dargestellt ist. Ist der Speicher der Versorgungsspeicher 18, kann dieser die Wasserverbraucher direkt mit Trinkwasser versorgen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 46 gemäß 5 enthält eine Aufsalzungseinheit 48 zwei parallel geschaltete Aufsalzungseinrichtungen 26 und 28 mit Ventilen 30 und 32, ähnlich wie in 2 bereits dargestellt.
Gleichermaßen zeigt 6 eine weitere Abwandlung in Form einer erfindungsgemäßen Anordnung 50, bei der eine Aufsalzungseinheit 52 zwei Aufsalzungseinrichtungen 38 und 40 in einer Reihenschaltung aufweist.
Ein Regelungsprinzip wird in 7 beispielhaft dargestellt. Aufgetragen ist der Verlauf des pH-Werts über der Zeit. Zum Zeitpunkt t₀ ist die Brennstoffzelle 4 ausgeschaltet, und es befindet sich eine bestimmte Menge Wasser in einem Wasser aufweisenden Speicher 6 oder 18, welches einen pH-Wert von beispielhaft 8 besitzt. Bei t₁ wird die Brennstoffzelle 4 eingeschaltet. Es wird deionisiertes Wasser in den Zwischenspeicher 6 bzw. Versorgungsspeicher 18 gefördert. Durch die Verdünnung der Salzkonzentration fällt demnach der pH-Wert. Nach Unterschreiten eines vorgegebenen unteren Grenzwerts bei t₂ wird Wasser durch eine Aufsalzungseinheit gefördert, wodurch der pH-Wert ansteigt. Bei t₃ wird der vorgegebene obere Grenzwert des pH-Werts von beispielhaft 9 erreicht, und die Förderung wird unterbrochen. Da die Brennstoffzelle 4 weiterhin Wasser produziert, fällt der pH-Wert wieder ab. Bei t₄ ändern sich die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 4, so dass nun weniger Wasser produziert wird und sich die Verdünnung und damit der Abfall des pH-Werts verlangsamen. Bei t₅ ist wieder der untere Grenzwert in Form eines pH-Werts von 7 erreicht, wonach die Aufsalzung wie vorangehend beschrieben wieder begonnen wird.
In den 8 und 9 wird jeweils eine erfindungsgemäße Anordnung 54 und 56 gezeigt, bei denen eine diskontinuierliche Aufsalzungseinheit 58 bzw. 60 verwendet wird. In 9 weist die Aufsalzungseinheit 60 zwei voneinander getrennte Aufsalzungseinrichtungen 62 und 64 in einer Parallelschaltung auf. Die Besonderheit liegt bei den Anordnungen 54 und 56 in einer nicht näher dargestellten Dosiereinheit, die diskontinuierlich eine diskrete Menge an salzhaltigem Stoff aus einem Vorratsbehälter an das Wasser in einen Wasser enthaltenden Speicher 66 abgibt, der entweder als ein Versorgungsspeicher oder ein Zwischenspeicher ausgeführt ist. Sollte der Wasser enthaltende Speicher 66 ein Zwischenspeicher sein, kann das aufgesalzene Wasser schließlich an einen Versorgungsspeicher 18 abgegeben werden.
Schließlich zeigt 10 ein Flugzeug 68, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgerüstet ist und eine Trinkwasserbereitstellung durch Verwendung einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bewerkstelligt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10142215 A1 [0003]

Claims

Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) zum Erzeugen und Aufbereiten von Wasser, aufweisend – eine Brennstoffzelle (4) mit einem Wassererzeugungssystem, – eine Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) zum Aufsalzen von Wasser mit einer variablen Salzkonzentration, – einen Zustandsmesseinrichtung (16) zum Erfassen eines Betriebszustands der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60), – einen Wasser aufnehmenden Speicher (6, 18, 66) zum Aufnehmen von Wasser, – eine Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) zum Erfassen der Wasserqualität des aufgesalzenen Wassers und – eine Regeleinheit (10), wobei die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) dazu eingerichtet ist, Wasser mit einem basischen Salz zu versetzen, wobei der Wasser aufnehmende Speicher (6, 18, 66) der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) zum Aufnehmen von aufgesalzenem Wasser nachgeschaltet und mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) verbunden ist, wobei die Regeleinheit (10) mit der Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) und der Zustandsmesseinrichtung (16) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, zur Einstellung einer vorbestimmten Wasserqualität in dem Wasser aufnehmenden Speicher (6, 18, 66) die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) und der erfassten Wasserqualität anzusteuern.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Fördereinrichtung (12), wobei die Fördereinrichtung (12) der Brennstoffzelle (4) nachgeschaltet und dazu eingerichtet ist, Wasser aus der Brennstoffzelle (4) in die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) zu leiten.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wasserqualitätsmesseinrichtung (20) eine Einrichtung zum Erfassen der Leitfähigkeit von Wasser ist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) mindestens einen von einem Gehäuse umgebenen Salzkörper aufweist, wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass aufweist, so dass an durch den Einlass einströmendes und durch den Auslass ausströmendes Wasser Salzionen aus dem Salzkörper abgegeben werden.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) mehrere voneinander getrennte Aufsalzungseinrichtungen (26, 28, 38, 40, 62, 64) aufweist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 5, wobei die getrennten Aufsalzungseinrichtungen (26, 28, 38, 40, 62, 64) in einer Parallelschaltung angeordnet sind und individuelle Ventile (30, 32) den Volumenstrom durch die jeweilige Aufsalzungseinrichtung (26, 28, 38, 40, 62, 64) steuern.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 5, wobei die getrennten Aufsalzungseinrichtungen (26, 28, 38, 40, 62, 64) in einer Reihenschaltung miteinander verknüpft sind.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens einen Zwischenspeicher (6), der der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) vorgeschaltet ist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) einen Vorratsbehälter und eine Dosiereinrichtung aufweist, wobei die Dosiereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine dosierte Menge eines salzhaltigen Stoffs aus dem Vorratsbehälter an den Wasser aufweisenden Speicher abzugeben.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 9, wobei der Wasser aufnehmende Speicher ein Versorgungsspeicher ist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach Anspruch 9, wobei der Wasser aufnehmende Speicher ein Zwischenspeicher ist, der mit einem Versorgungsspeicher verbindbar ist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Vorratsbehälter eine Salzlösung aufweist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Vorratsbehälter wasserlösliche Salztabletten aufweist.
Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Wasser aufweisende Speicher (6, 18, 66) einen mit der Regeleinheit (10) verbundenen Füllstandssensor (8) aufweist und die Regeleinheit (10) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Wasserqualität und der Füllmenge in dem Wasser aufweisenden Speicher (6, 18, 66) eine Menge an salzhaltigem Stoff zu ermitteln, der zur Erreichung einer vorgegebenen Trinkwasserqualität in den Wasser aufweisenden Speicher (6, 18, 66) einzufüllen ist, und die Dosiereinrichtung zur Abgabe der ermittelten Menge anzusteuern.
Verfahren zum Aufbereiten von durch eine Brennstoffzelle (4) generiertem Wasser, aufweisend die Schritte: – Erzeugen von Wasser mittels eines Brennstoffzellenprozesses und einer nachfolgenden Kondensation, – Erfassen einer Wasserqualität in einem Wasser aufnehmenden Speicher (6, 18, 66), – Aufsalzen des Wassers durch Versetzen mit einem basischen Salz, – Erfassen eines Betriebszustands der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) mit einer Zustandsmesseinrichtung (16) und – Einstellen einer gewünschten Trinkwasserqualität über eine Regeleinheit durch Ansteuern der Aufsalzungseinheit (14, 24, 36, 48, 52, 58, 60) in Abhängigkeit von der ermittelten Wasserqualität, des ermittelten Betriebszustands und der ermittelten Wasserqualität.
Luftfahrzeug mit einer Anordnung (2, 22, 34, 42, 46, 50, 54, 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.