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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Durch Wasserelektrolyse gewonnener Wasserstoff weist prozessbedingt einen Wasseranteil auf. Zum Lagern des Wasserstoffs ist jedoch getrockneter Wasserstoff erforderlich. Beispielsweise kann der Wasserstoff durch einen Druckwechseladsorptionsprozess getrocknet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Zum Auskondensieren eines gasförmigen Fremdstoffs aus einem Gasgemisch ist es erforderlich, das Gasgemisch mit dem Fremdstoff auf eine Temperatur abzukühlen, die niedriger ist, als eine Taupunkttemperatur des Fremdstoffs. Die Taupunkttemperatur ist dabei abhängig von den, in dem Gasgemisch herrschenden Druckverhältnissen und anderen Faktoren.
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Beim Entspannen eines Gases, also dem Reduzieren eines statischen Drucks des Gases in einer Expansionseinrichtung kühlt sich das Gas stark ab. Dabei können niedrigere Temperaturen erreicht werden, als die Taupunkttemperatur des Fremdstoffs.
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Das entspannte Gas mit der niedrigen Temperatur kann verwendet werden, um dem Gasgemisch thermische Energie zu entziehen und die Temperatur des Gasgemischs unter die Taupunkttemperatur des Fremdstoffs zu senken.
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Es wird ein Verfahren zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch vorgestellt, wobei in einem Schritt des Kühlens das Gasgemisch in einem Wärmetauscher unter Verwendung eines, in einer Expansionseinrichtung von einem hohen Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau expandierten Prozessgases auf eine Temperatur gekühlt wird, die niedriger ist, als eine Taupunkttemperatur des Fremdstoffs, um den Fremdstoff in dem Wärmetauscher aus dem Gasgemisch abzuscheiden.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Expansionseinrichtung zum Expandieren eines Prozessgases von einem hohen Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau; und
einen Wärmetauscher zum Kühlen des Gasgemischs unter Verwendung des expandierten Prozessgases, wobei der Wärmetauscher dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch auf eine Temperatur zu kühlen, die niedriger ist, als eine Taupunkttemperatur des Fremdstoffs, um den Fremdstoff in dem Wärmetauscher aus dem Gasgemisch abzuscheiden.
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Unter einem Gasgemisch kann eine Mischung von zumindest zwei verschiedenen Gasen verstanden werden. Das Gasgemisch kann komprimierbar sein. Ein Fremdstoff kann Bestandteil des Gasgemischs sein. Dabei kann ein Gas einen größten Anteil des Gasgemischs ausmachen. Ein auskondensierbarer Fremdstoff kann bei gleichen Randbedingungen eine höhere Taupunkttemperatur aufweisen, als das Gas. Unterhalb der Taupunkttemperatur kann das Gas gasförmig sein, während der Fremdstoff flüssig oder fest ist. Eine Expansionseinrichtung kann eine Drossel oder ein Ventil sein. Die Expansionseinrichtung kann auch eine Turbine sein. Dann kann in der Expansionseinrichtung mechanische Energie aus der Expansion des Prozessgases gewonnen werden.
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Das Gasgemisch kann auf eine Temperatur gekühlt werden, die niedriger als ein Gefrierpunkt des Fremdstoffs ist, um den Fremdstoff in dem Wärmetauscher in festem Aggregatszustand anzulagern. Durch ein Anlagern des Fremdstoffs in dem Wärmetauscher kann der Fremdstoff ohne Filter aus dem Gasgemisch entfernt werden, sodass das Trägermedium den Wärmetauscher im Wesentlichen in Reinform verlässt.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Abtauens aufweisen, wobei der Schritt des Kühlens ausgesetzt wird und das Prozessgas auf dem hohen Druckniveau durch den Wärmetauscher geleitet wird, um den in dem Wärmetauscher angelagerten Fremdstoff in einen flüssigen Aggregatszustand zu überführen und aus dem Wärmetauscher zu entfernen. Das Kühlen und das Abtauen können in vorbestimmten Intervallen ausgeführt werden. Damit kann ein vorbestimmter Wirkungsgrad des Wärmetauschers sichergestellt werden. Durch das Unterbrechen des Kühlens kann ein Verlust an Gasgemisch vermieden werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Vorkühlens des Gasgemischs in einem, dem Wärmetauscher vorgeschalteten Wärmetauscher aufweisen, in dem das Gasgemisch unter Verwendung eines Wärmetransportmediums im Wesentlichen auf eine Vorlauftemperatur des Wärmetransportmediums vorgekühlt wird. Im Schritt des Vorkühlens kann dem Gasgemisch thermische Energie entzogen werden. Durch das Vorkühlen kann eine zu übertragende Energiemenge im Schritt des Kühlens reduziert werden. Dadurch kann ein sicheres Abscheiden des Fremdstoffs ermöglicht werden. Dabei kann als Wärmetransportmedium insbesondere ein unbegrenzt vorhandenes Medium, wie Luft verwendet werden.
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Eine Vorlauftemperatur kann eine Ausgangstemperatur des Wärmetransportmediums sein. Insbesondere kann die Vorlauftemperatur eine Umgebungstemperatur (beispielsweise in einer Außenumgebung um den Wärmetauscher) sein. Das Gasgemisch kann aufgrund einer begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers lediglich bis auf eine technisch vorgegebene Temperaturdifferenz auf die Vorlauftemperatur heruntergekühlt werden.
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Das Gasgemisch kann auf eine Temperatur vorgekühlt werden, die niedriger ist, als die Taupunkttemperatur des Fremdstoffs, um einen Anteil des Fremdstoffs in flüssigem Aggregatszustand aus dem Gasgemisch zu entfernen. Durch ein Entfernen eines Anteils des Fremdstoffs aus dem Gasgemisch vor dem Schritt des Kühlens kann ein Energieaufwand zum Entfernen einer Restmenge des Fremdstoffs im Schritt des Kühlens vermindert werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Temperierens des Prozessgases aufweisen, wobei das Prozessgas in einem, der Expansionseinrichtung vorgeschalteten Wärmetauscher unter Verwendung eines Wärmetransportmediums im Wesentlichen auf eine Vorlauftemperatur des Wärmetransportmediums vorgekühlt wird. Unter einem Temperieren kann insbesondere ein Abkühlen verstanden werden. Im Schritt des Temperierens kann dem Prozessgas thermische Energie entzogen werden. Durch das Temperieren kann das Prozessgas beim Expandieren eine tiefere Temperatur erreichen, da eine Ausgangstemperatur herabgesetzt wird. Dabei kann als Wärmetransportmedium insbesondere ein unbegrenzt vorhandenes Medium, wie Luft verwendet werden. Eine Vorlauftemperatur kann eine Ausgangstemperatur des Wärmetransportmediums sein. Insbesondere kann die Vorlauftemperatur eine Umgebungstemperatur sein. Das Prozessgas kann aufgrund einer begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers lediglich bis auf eine technisch vorgegebene Temperaturdifferenz auf die Vorlauftemperatur heruntergekühlt werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens des Gasgemischs und des Prozessgases aufweisen, wobei das Gasgemisch und das Prozessgas durch einen gemeinsamen Elektrolyseprozess gewonnen werden, wobei zumindest das Prozessgas durch den Elektrolyseprozess auf das hohe Druckniveau gehoben wird. Durch ein Bereitstellen beider Gase in einem Elektrolyseprozess kann ein Mengenverhältnis der Gase sichergestellt werden. Dabei sind ein Mengenanteil des Gasgemischs und ein Mengenanteil des Prozessgases durch eine Zusammensetzung eines Ausgangsmediums des Elektrolyseprozesses festgelegt. Der Elektrolyseprozess kann das Prozessgas energiesparend auf den für die Expansion notwendigen Druck komprimieren.
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Das Gasgemisch kann ebenfalls durch den Elektrolyseprozess komprimiert werden. Zum Komprimieren auf einen Basisdruck, im Wesentlichen 100 bar ist beim elektrochemischen Komprimieren wesentlich weniger Energie erforderlich, als beim mechanischen Komprimieren. Das Komprimieren erfolgt näherungsweise isotherm.
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Als das Gasgemisch kann Wasserstoff mit dem Fremdstoff Wasserdampf bereitgestellt werden. Als das Prozessgas kann Sauerstoff bereitgestellt werden. Der Wasserstoff und der Sauerstoff können aus gereinigtem Wasser hergestellt werden. Wasser ist leicht verfügbar und Wasserstoff als speicherbarer Energieträger verwendbar.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Elektrolyseanlage mit einer Trocknungsanlage zum Trocknen von Wasserstoff der Elektrolyseanlage;
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3 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Energieaufwand zum Komprimieren eines Gases und einem Druck des Gases;
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4 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Expansionseinrichtung 104 und einen Wärmetauscher 106 auf. Die Expansionseinrichtung 104 ist dazu ausgebildet, ein Prozessgas 108 von einem hohen Druckniveau 110 auf ein niedriges Druckniveau 112 zu expandieren. Dabei verringert sich eine Temperatur des Prozessgases 108 während des Expandierens. Das expandierte Prozessgas 108 auf dem niedrigen Druckniveau ist also sehr kalt. Der Wärmetauscher 106 ist dazu ausgebildet, das Gasgemisch 102 unter Verwendung des expandierten Prozessgases 108 auf eine Temperatur zu kühlen, die niedriger ist, als eine Taupunkttemperatur des Fremdstoffs, um den Fremdstoff in dem Wärmetauscher 106 aus dem Gasgemisch 102 abzuscheiden. In dem Wärmetauscher 106 findet ein Wärmeübergang von dem Gasgemisch 102 auf das Prozessgas 108 statt. Das Prozessgas 108 nimmt also zumindest die Kondensationswärme des Fremdstoffs auf, und transportiert sie aus dem Wärmetauscher 106 ab.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Gasgemisch 102 eine Mischung aus Wasserstoffgas 102 und Wasserdampf. Das Prozessgas 108 ist Sauerstoffgas 108. Wasserstoffgas 102, Wasserdampf und Sauerstoffgas 108 sind Produkte einer elektrochemischen Elektrolyse von Wasser. Bei der Elektrolyse werden sowohl der Wasserstoff 102 mit dem Wasserdampf als auch der Sauerstoff 108 auf hohe Druckniveaus 110 komprimiert. Dabei erfolgt die Kompression im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kompressor im Wesentlichen isotherm.
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Zukünftige Mobilitätskonzepte erfordern geringere CO2 Emissionen. In den Konzepten sind deshalb auch Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff 102 als Energieträger vorgesehen. Damit Brennstoffzellenfahrzeuge eine geringe CO2 Emission aufweisen, darf der Wasserstoff 102 nicht mehr mittels Erdgasreformierung hergestellt werden.
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Wasserstoff 102 für Brennstoffzellenfahrzeuge kann umweltfreundlich mittels Elektrolyse von deionisiertem Wasser unter Zuhilfenahme von Strom aus regenerativen Quellen erzeugt werden.
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Wasserstoff 102 für Brennstoffzellenfahrzeuge erfordert einen Trocknungsvorgang, um den Wasserdampf aus dem Herstellungsprozess zu entfernen. Die Reinheitsanforderung liegt bei 99,999 Vol% H2.
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Die Trocknung des Wasserstoffs 102 ist energieintensiv, da der Taupunkt des Wassers bei geringem Partialdruck auf unter minus 40 Grad Celsius absinkt. Beispielsweise kann Wasserstoff 102 durch Druckwechseladsorption oder Kühlung bis unter den Taupunkt, wie beispielsweise in einer Kältekompressionsanlage getrocknet werden. Demgegenüber bietet der hier vorgestellte Ansatz eine Effizienzsteigerung in der Wasserstoffherstellung. Dabei ist die Wasserstofftrocknung energieeffizienter durchführbar.
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Zusätzlich werden die Wasserstoffverluste, welche im Batchbetrieb der etablierten Trocknungstechnologien entstehen, nahezu vermieden. Der hier vorgestellte Ansatz kann auf geringem Bauraum ausgeführt werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der Sauerstoff 108 mit dem Stack elektrochemisch und effizient verdichtet. Wird der komprimierte Sauerstoff 108 anschließend auf Umgebungstemperatur gekühlt, kann er durch anschließende Entspannung auf sehr tiefe Temperaturen fallen. Je nach Sauerstoffarbeitsdruck kann die Temperatur des entspannten Sauerstoffs 108 geringer als die Taupunkttemperatur des Wassers im Wasserstoff 102 sein. Wird der Wasserstoff 102 mittels eines Wärmetauschers auf die Temperatur des Sauerstoffs 108 gebracht, wird der Taupunkt unterschritten und der Wasseranteil im Wasserstoff 102 gefriert aus. Der Wasserstoff 102 wird getrocknet. Der Wasserstoff 102 kann also ohne mechanische Maschinen getrocknet werden. Die Trocknung geschieht ohne bewegte Teile mit der bestmöglichen Effizienz, da nahe am isothermen Wirkungsgrad und mit geringsten Wasserstoffverlusten.
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2 zeigt eine Darstellung einer Elektrolyseanlage 200 mit einer Trocknungsanlage 202 zum Trocknen von Wasserstoff 102 der Elektrolyseanlage 200. Der Wasserstoff 102 weist einen prozessabhängigen Anteil an Wasserdampf auf. Deshalb kann der Wasserstoff 102 vor der Trocknungsanlage 202 als das Gasgemisch 102 wie in 1 bezeichnet werden. In der Elektrolyseanlage 200 wird aufbereitetes Wasser 204 durch elektrische Energie in den Wasserstoff 102 und Sauerstoff 108 gespalten. Der Wasserstoff 102 wird elektrochemisch komprimiert. Der Sauerstoff 108 wird im dargestellten Beispiel nicht gespeichert und in die Umwelt abgeblasen. An den Ausgängen der Elektrolyseanlage 200 werden sowohl beim Wasserstoff 102 als auch beim Sauerstoff 108 mitgerissene Wassertröpfchen in je einem Abscheider 206 abgeschieden und als Wasser 204 erneut der Elektrolyseanlage 200 zugeführt. Anschließend an die Abscheider 206 werden der Wasserstoff 102 und der Sauerstoff 108 durch je einen Nebelfilter 208 geleitet, um feinste Wassertröpfchen zurückzuhalten. Der Wasserstoff 102 durchströmt nach dem Nebelfilter 208 einen Wärmetauscher 210. Im Wärmetauscher 210 wird der Wasserstoff 102 abgekühlt, sodass ein Teil des Wasserdampfs auskondensiert und in einer Dampffalle 212 aufgefangen werden kann. Der so zumindest teilentfeuchtete Wasserstoff 102 wird durch einen Entoxidierer 214 geleitet, um Sauerstoffmoleküle aus dem Wasserstoff 102 zu entfernen. Anschließend durchströmt der Wasserstoff 102 Trockenkartuschen 216, in denen der restliche Wasserdampf gebunden wird. Der Wasserstoff 102 weist jetzt einen gewünschten niedrigen Wassergehalt beziehungsweise eine gewünschte Reinheit auf. Aus einem Puffertank 218 wird der Wasserstoff 102 durch einen Kompressor 220 und einem nachgeschalteten Wärmetauscher 222 in einem Lagertank 224 komprimiert. Das Wasser 204 für die Elektrolyseanlage 200 wird in einer Aufbereitungsanlage 226 gereinigt und über eine Pumpe 228 sowie einen Wärmetauscher 230 in den Wasserkreislauf der Elektrolyseanlage 200 eingespeist. Aus dem Wasserkreislauf wird das Wasser 204 durch eine weitere Pumpe 232 in die Elektrolyseanlage 200 gepumpt. Die Elektrolyseanlage 200 wird durch Leistungselektronik 234 elektrisch versorgt. Eine Gasanalyseeinheit 236, Sicherheitseinrichtungen 238 und ein Steuergerät 240 überwachen und steuern den gesamten Vorgang.
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Mit anderen Worten zeigt 2 einen Standard Systemaufbau eines Elektrolyseurs 200. Hauptbestandteile sind die Leistungselektronik 234, die Wasseraufbereitung 226, der Stack 200 zur Wasserspaltung, die Trocknungseinrichtung 202 für den Wasserstoff 102 und der Kompressor 220 zum Komprimieren des Wasserstoffs 102.
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3 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Energieaufwand 300 zum Komprimieren eines Gases und einem Druck 302 des Gases. Der Zusammenhang ist in einem Diagramm dargestellt, dass auf der Abszisse den Druck 302 von null bar bis 1000 bar angetragen hat. Auf der Ordinate ist der Energieaufwand 300 kWh/m3 (Kilowattstunden pro Kubikmeter) angetragen. Der Zusammenhang ist für verschiedene Rahmenbedingungen aufgetragen. Eine erste Kurve 304 repräsentiert eine isotherme Kompression. Dabei steigt der Energieaufwand bis zu einem Druck von circa 100 bar stark an und steigt ab einem Druck von 100 bar nur noch schwach an. Dabei werden zum Komprimieren auf einem Druck von 1000 bar etwa 0,2 kWh/m3 Energie benötigt. Eine zweite Kurve 306 repräsentiert eine isentrope Kompression. Auch hier steigt der Energiebedarf bis zu einem Druck von 100 bar stark an und steigt bis zu einem Druck von 1000 bar mit einer geringeren Steigung an. Dabei werden zum Komprimieren auf einen Druck von 1000 bar etwa 0,6 kWh/m3 benötigt. Die isentrope Kompression benötigt also etwa doppelt so viel Energie, wie die isotherme Kompression. In der Realität weichen Messwerte von diesen berechneten Kurven 304, 306 jedoch stark ab. Innere Verluste von Strömungsmaschinen, wie Kompressoren oder Turbinen machen es nahezu unmöglich, die idealen Werte zu erreichen.
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Mit anderen Worten zeigt 3 einen Vergleich von isentroper 306 und isothermer 304 Verdichterarbeit sowie reale Messwerte.
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Wenn eine elektrochemische Zelle zum Komprimieren eines Gases verwendet wird, verläuft die Kompression näherungsweise isotherm. Dadurch kann Energie, die anderweitig in eine Erwärmung des Gases fließen würde, eingespart werden. Zusätzlich erfolgt die Kompression ohne bewegliche Bauteile. Alleine durch den Vergleich der errechneten Kurven 304, 306 ergibt sich bereits ein Energiesparpotenzial von über 50 Prozent. In der Realität kann aufgrund von entfallender mechanischer Reibung zwischen Bauteilen noch mehr Energie eingespart werden.
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Der Wasserstoff für wird vor Betankung in Fahrzeuge auf etwa 800 bar verdichtet. Die Verdichtung bis zu Werten kleiner 100 bar ist am energieintensivsten, wie das Diagramm in 3 zeigt. Aus diesem Grund wird der Elektrolyseur wasserstoffseitig mit bis zu 100 bar Gasdruck betrieben, da der Elektrolyseur den Wasserstoff elektrochemisch verdichtet. Eine elektrochemische Verdichtung 304 erlaubt Wirkungsgrade, die besser als die isentrope Verdichtung 306 mit mechanischen Verdichtern sind. Drücke größer 100 bar werden in der Regel aus Festigkeitsgründen der Membran nicht realisiert. Bei einem herkömmlichen Elektrolyseur werden heute sauerstoffseitig Drücke von nur wenigen bar im Elektrolysestack realisiert, um diese Kompressionsarbeit einzusparen.
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4 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs 204 aus einem Gasgemisch 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Gasgemisch 102 wird in diesem Ausführungsbeispiel einen Druck von 100 bar und einer Temperatur von 80 Grad Celsius sowie einem Anteil Wasserdampf bereitgestellt. Das Gasgemisch 102 wird in einen ersten Wärmetauscher 400 geleitet, der durch ein Wärmetransportmedium 402 gekühlt wird. Beispielsweise kann das Wärmetransportmedium 402 eine Umgebungsluft 402 sein. Beispielsweise kann das Wärmetransportmedium 402 eine Temperatur von 20 Grad Celsius aufweisen. Der erste Wärmetauscher 400 kann auch beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkeit 402 gekühlt werden. Dabei wird das Gasgemisch 102 näherungsweise bis auf eine Vorlauftemperatur des Wärmetransportmediums 402, also bevor es in den ersten Wärmetauscher 400 eintritt, abgekühlt. Wenn das Gasgemisch 102 einen sehr großen Anteil Wasserdampf aufweist, und das Gasgemisch 102 auf eine Temperatur vorgekühlt wird, die niedriger ist, als die Taupunkttemperatur des Wasserdampfs, kondensiert ein Teil des Wasserdampfs bereits im ersten Wärmetauscher 400 und kann als Kondensat 204 abgeleitet werden. Nach dem ersten Wärmetauscher 400 weist das Gasgemisch immer noch den Druck von 100 bar sowie einer Temperatur von etwa 25 Grad Celsius auf. Das Gasgemisch 102 weist immer noch einen Wasserdampfanteil auf. Das Gasgemisch 102 wird nun in einen zweiten Wärmetauscher 106 geleitet. Der zweite Wärmetauscher 106 entspricht dem Wärmetauscher in 1. Wie in 1 wird der zweite Wärmetauscher 106 durch, in einer Expansionseinrichtung 104 expandiertes Prozessgas 108 gekühlt. Das Prozessgas 108 ist hier Sauerstoff 108. Der Sauerstoff 108 wird wie der Wasserstoff 102 mit einem Druck von 100 bar und einer Temperatur von 80 Grad Celsius von einer Elektrolyseeinrichtung bereitgestellt. Der heiße Sauerstoff 108 wird in einen dritten Wärmetauscher 404 eingeleitet. Der dritte Wärmetauscher 404 wird ebenfalls durch ein Wärmetransportmedium 402 gekühlt. Wie der erste Wärmetauscher 400 kann auch der dritte Wärmetauscher 406 durch Umgebungsluft 402 oder eine Flüssigkeit 402 gekühlt werden. In dem dritten Wärmetauscher 404 wird der Sauerstoff 108 auf eine Temperatur von etwa 25 Grad Celsius heruntergekühlt. Das entspricht in etwa der Temperatur des Wärmetransportmediums 402, bevor es in den dritten Wärmetauscher 406 eintritt. Von dem dritten Wärmetauscher 404 wird der Sauerstoff 108 zu der Expansionseinrichtung 104 mit einem Druck von 100 bar und einer Temperatur von etwa 25 Grad Celsius geleitet. In der Expansionseinrichtung 104 wird der Sauerstoff 108 auf einen Druck von etwa einem bar, also Atmosphärendruck entspannt. Dabei kühlt sich der Sauerstoff 108 auf eine Temperatur von etwa minus 75 Grad Celsius ab. Der minus 75 Grad Celsius kalte Sauerstoff 108 wird in den zweiten Wärmetauscher 106 geleitet, um das Gasgemisch 102 zu kühlen. Durch die tiefe Temperatur kondensiert der Wasserdampf aus dem Gasgemisch 102 aus und erstarrt zu Eis, das sich im zweiten Wärmetauscher 106 anlagert. Im zweiten Wärmetauscher 106 wird das Gasgemisch 102 auf eine Temperatur von etwa minus 25 Grad Celsius abgekühlt. Da der Wasserdampf im zweiten Wärmetauscher 106 entfernt wird, weist das Gasgemisch 102 nach dem zweiten Wärmetauscher 106 eine Reinheit von zumindest 99,999 Volumenprozent Wasserstoff 102 auf. Dabei weist der Wasserstoff 102 nach wie vor einen Druck von circa 100 bar auf. Der Sauerstoff 108 wird nach dem zweiten Wärmetauscher 106 in die Atmosphäre abgeblasen.
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Wenn eine durch die tiefe Temperatur resultierende Eisschicht im zweiten Wärmetauscher 106 eine vorbestimmte Dicke erreicht hat, wird der Zustrom des Gasgemischs 102 zum zweiten Wärmetauscher 106 unterbrochen. Anschließend wird die Expansionseinrichtung 104 deaktiviert, sodass der Sauerstoff 108 mit dem Druck von 100 bar und mit seiner Temperatur von etwa 25 Grad Celsius in den zweiten Wärmetauscher 106 strömt. Dadurch wird die Eisschicht im zweiten Wärmetauscher 106 abgetaut und der angelagerte Wasserdampf kann als Kondensat 204 abgeführt werden. Während des Abtauens wird der Sauerstoff 108 erst nach dem zweiten Wärmetauscher 106 expandiert und in die Atmosphäre abgeblasen.
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Zwischen dem ersten Wärmetauscher 400 und dem zweiten Wärmetauscher 106 ist in einer Rohrleitung für das auf etwa 25 Grad Celsius abgekühlte Gasgemisch 102 ein erstes Ventil angeordnet, um das Kühlen des Gasgemischs 102 in dem zweiten Wärmetauscher 106 unterbrechen zu können. In einer Rohrleitung für das getrocknete Gasgemisch 102 beziehungsweise den Wasserstoff 102 zwischen dem zweiten Wärmetauscher 106 und einem nicht dargestellten Kompressor zum Komprimieren des Wasserstoffs 102 ist ein zweites Ventil angeordnet, um einen Rückfluss des Wasserstoffs 102 in den zweiten Wärmetauscher 106 zu verhindern, wenn das Kühlen unterbrochen ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Expansionseinrichtung 104 in einer Rohrleitung für den Sauerstoff 108 zwischen dem dritten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher 106 als drittes Ventil ausgebildet. In der Rohrleitung für den Sauerstoff 108, die aus dem zweiten Wärmetauscher herausführt, ist ein viertes Ventil angeordnet. Das dritte Ventil kann geöffnet werden, während das vierte Ventil auf einen geringen Öffnungsquerschnitt reduziert wird, um das Expandieren des Sauerstoffs 108 nach den zweiten Wärmetauscher 106 zu verschieben.
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Ablasseinrichtungen für das Kondensat 204 am ersten Wärmetauscher 400 und am zweiten Wärmetauscher 106 weisen ebenfalls Ventile auf, um ein Entweichen von Wasserstoff 102 zu verhindern.
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Der erste Wärmetauscher 400 und/oder der dritte Wärmetauscher 404 ist in einem Ausführungsbeispiel als Gegenstromwärmetauscher 400, 404 ausgeführt. Dadurch kann das Gasgemisch 102 beziehungsweise der Sauerstoff 108 bis auf eine sehr geringe Temperaturdifferenz zu der Vorlauftemperatur des Kühlmediums heruntergekühlt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der erste Wärmetauscher 400 und/oder der dritte Wärmetauscher 404 als Querstromwärmetauscher ausgeführt. Der Querstromwärmetauscher stellt eine große Fläche für die Wärmeübertragung zwischen den Medien bereit, ohne einen hohen Strömungswiderstand aufzuweisen. Dadurch kann das Gasgemisch 102 und/oder der Sauerstoff 108 mit minimalem Druckverlust durchgekühlt werden.
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Mit anderen Worten zeigt 4 ein Blockschaltbild einer Wasserstofftrocknung durch Entspannung von komprimiertem Sauerstoff 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Komprimierter Sauerstoff 108 aus einem Elektrolyseur wird im dritten Wärmetauscher 404 mit Umgebungsluft 402 auf circa Umgebungslufttemperatur gekühlt. Wird der Sauerstoff 108 am Ventil 104 beziehungsweise der Entspannungseinrichtung 104 entspannt, kühlt sich der Sauerstoff 108 um circa 100 Kelvin ab. Das Ventil 104 ist geöffnet. Ebenfalls komprimierter Wasserstoff 102 aus einem Elektrolyseur wird im ersten Wärmetauscher 400 mit Umgebungsluft 402 auf circa Umgebungslufttemperatur gekühlt. Im zweiten Wärmetauscher 106 kühlt der tiefkalte Sauerstoff 108 auf circa minus 25 Grad Celsius ab. Insbesondere kühlt der tiefkalte Sauerstoff 108 den Wasserstoff 102 auf circa minus 25 Grad Celsius ab. Im zweiten Wärmetauscher 106 gefriert der Wasserdampf im Wasserstoff 102 an den Wandungen auf und wird gelegentlich entfernt. Hierzu werden die Wasserstoffventile geschlossen. Das Sauerstoffventil 104 wird geöffnet und der Sauerstoff 108 nun am, dem zweiten Wärmetauscher 106 nachgeschalteten Ventil entspannt. Die Kühlung des Sauerstoffs 108 mit Umgebungsluft 402 im dritten Wärmetauscher 404 wird unterbrochen. Ein Lüfter des dritten Wärmetauschers 404 wird ausgeschaltet. Daraufhin taut der gefrorene Wasseranteil im Wasserstoffpfad des zweiten Wärmetauschers 106 auf und kann über den Kondensatablass und einem geeigneten Ventil abgelassen werden. Ist das Kondensat 204 abgelassen, wird zuerst die Kühlung des dritten Wärmetauschers 404 wieder aktiviert. Anschließend wird die Entspannung des Sauerstoffs 108 wieder in die Expansionseinrichtung 104 umgeschaltet. Ist der zweite Wärmetauscher 106 wieder auf circa minus 60 Grad Celsius abgekühlt, können die Wasserstoffventile geöffnet werden. Ob der Taupunkt des Wasserdampfes im Wasserstoff 102 im ersten Wärmetauscher 400 unterschritten wird, hängt vom Feuchtegehalt und damit von der Elektrolysetechnologie, beispielsweise einer Membrandurchlässigkeit ab.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Abscheiden eines auskondensierbaren Fremdstoffs aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 502 des Kühlens auf. Im Schritt 502 des Kühlens wird das Gasgemisch in einem Wärmetauscher unter Verwendung eines, in einer Expansionseinrichtung expandierten Prozessgases auf eine Temperatur gekühlt. Das Prozessgas ist vor dem Wärmetauscher von einem hohen Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt worden, wobei es sich abgekühlt hat. Die im Wärmetauscher erreichte Temperatur ist niedriger, als eine Taupunkttemperatur des Fremdstoffs. Dadurch wird der Fremdstoff in dem Wärmetauscher aus dem Gasgemisch abgeschieden. Durch das Unterschreiten des Taupunkts wechselt der Fremdstoff in eine flüssige Form. Flüssigkeitstropfen können beispielsweise durch Zentrifugalkräfte aus dem Gasgemisch abgeschieden werden. Ebenso kann ein Filter eine kleinere Porengröße aufweisen, als eine Tröpfchengröße. Dann kann der Filter die Tröpfchen zurückhalten.
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Wenn im Schritt 502 des Kühlens das Gasgemisch auf eine Temperatur gekühlt wird, die niedriger als ein Gefrierpunkt des Fremdstoffs ist, wechselt der Fremdstoff in eine feste Form. Dabei bilden sich insbesondere Kristalle, die aus dem Gasgemisch ausfallen beziehungsweise ähnlich der Tröpfchen ausgefällt werden können. Der Fremdstoff kann auch beispielsweise durch Kristallisationskeime dazu angeregt werden sich in dem Wärmetauscher in festem Aggregatszustand anzulagern.
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Das hier vorgestellte Verfahren 500 beschreibt eine Wasserstofftrocknung durch Entspannung des Sauerstoffproduktgases eines Elektrolyseurs zur Wasserelektrolyse.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
