DE102022113558A1

DE102022113558A1 - Vorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms

Info

Publication number: DE102022113558A1
Application number: DE102022113558.6A
Authority: DE
Inventors: Camillo Spöri; Johannes Hauer; Gunnar Schneider; Uwe Benz; Torben Wenk
Original assignee: Hps Home Power Solutions Ag
Current assignee: Hps Home Power Solutions Ag De
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023232522A3; WO2023232522A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem eine Trocknungsvorrichtung (50) zum Trocknen eines Gasstroms (80), insbesondere zur Trocknung eines Wasserstoff-Gasstroms, mit einer Gasführungseinrichtung (51), aufweisend einen Gasführungskanal (53), mit einem Gaseinlass (54), der bereitgestellt ist, um den zu trocknenden Gasstrom (80) in die Gasführungseinrichtung (51), insbesondere in den Gasführungskanal (53), einzuführen, mit einem Gasauslass (55), der bereitgestellt ist, um den getrockneten Gasstrom (82) aus der Gasführungseinrichtung (51) abzuführen, mit einer Kühleinrichtung (56) zur, insbesondere aktiven, Kühlung des Gasstroms, die zumindest mit einem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) in Wärmeaustausch-Verbindung steht, wobei der Gasführungskanal (53) in diesem Kühlabschnitt (58) an der Kühleinrichtung (56) vorbeigeführt ist, und mit einer Kondensatabführung (59), die bereitgestellt ist, um während der Kühlung aus dem Gasstrom auskondensierte Flüssigkeit (84) abzuführen. Um eine möglichst effektive Trocknung des Gasstroms, insbesondere bei einem möglichst geringen Materialerfordernis, zu erreichen, wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Gasführungskanal (53) in seinem Kühlabschnitt (58) eine Einrichtung (60) zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms am Gaseinlass (54) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 3. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Energiesystem, insbesondere ein Hausenergiesystem, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17.
In vielen Prozessen ist es erforderlich oder erwünscht, dass ein feuchter Gasstrom getrocknet wird. Dies kann grundsätzlich auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Bei einem Trocknungsprinzip, das die Grundlage für die vorliegende Erfindung bildet, erfolgt die Trocknung derart, dass der zunächst feuchte Gasstrom in einem Gaskühler gekühlt wird. Durch die Kühlung wird die relative Feuchte im Gas so weit erhöht, dass die im Gas befindliche überschüssige Feuchtigkeit kondensiert. Die auskondensierte Flüssigkeit wird vom Gasstrom getrennt und über eine Kondensatabführung aus den Gaskühler abgeleitet.
Eine solcher Gaskühler ist beispielsweise in der DE 196 22 530 A1 beschrieben. Bei dieser bekannten Lösung erfolgt die Kühlung des Gases in einem Kühlblock. Dieser Kühlblock wird von außen mit einem Peltierelement gekühlt. Das zu trocknende Gas wird über ein Gaszuführungsrohr in eine im Kühlblock befindliche Aussparung eingeleitet, wobei die Aussparung einen Ringraum bildet. Das Peltierelement steht mit seiner Kaltseite im flächigen Kontakt mit der Aussparung im Kühlblock. Auf diese Weise wird der in der Aussparung befindliche Gasstrom gekühlt. Die dabei aus dem feuchten Gas auskondensierte Flüssigkeit verlässt die Aussparung im Kühlblock über eine Kondensatabführung. Der getrocknete Gasstrom verlässt den Gaskühler über ein Gasabführungsrohr. Der Bereich, der bei dieser bekannten Lösung für die aktive Kühlung des Gasstroms bereitsteht, ist sehr begrenzt, was die Kühlleistung und die Effizienz des Gaskühlers schmälert. Eine Steigerung der Kühlleistung und der Effizienz ist nur möglich, wenn der Gaskühler entsprechend größer dimensioniert wird, was aber ebenfalls mehr Material, mehr Bauraum, höhere Herstellkosten und eine höhere thermische Masse nach sich zieht.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass mit dieser eine möglichst effektive Trocknung des Gasstroms, insbesondere bei einer möglichst geringen Materialerfordernis, kompakter Bauform, niedrigen Herstellkosten und bei möglichst flexibler Dimensionierung, erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, welche den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, durch die Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 3, welche den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16, welches den dritten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17, welches den vierten Aspekt der Erfindung darstellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der Erfindungsaspekte offenbart sind, vollumfänglich auch im Zusammenhang mit allen anderen Erfindungsaspekten, und jeweils umgekehrt, so dass hinsichtlich der Offenbarung der einzelnen Erfindungsaspekte stets vollinhaltlich auch Bezug auf die jeweils anderen Erfindungsaspekte genommen wird.
Allen Erfindungsaspekten liegt das gemeinsame erfinderische Konzept zugrunde, dass eine Trocknungsvorrichtung bereitgestellt wird, mittels derer ein zunächst feuchter Gasstrom durch eine, insbesondere aktive, Abkühlung getrocknet wird, und dass bei der Kühlung auskondensierte Feuchtigkeit über eine integrierte Wasserabscheidung aus der Trocknungsvorrichtung entfernt wird.
Durch die aktive Kühlung wird die relative Feuchtigkeit (RH - Relative Humidity) im Gasstrom auf über 100% RH erhöht und die überschüssige Feuchtigkeit kondensiert. Eine besondere Herausforderung ist die Abscheidung des Kondensats aus dem Aerosol. Hierzu kann vorzugsweise ein sogenannter Demister eingesetzt werden, der gezielt hydrophile und/oder hydrophobe Bereiche in einem porösen Körper bildet, die jeweils dem Gas und dem Kondensat getrennten Raum zum Sammeln und Ableiten bieten. Die Bildung zunehmend größer werdender Tropfen wird dabei durch Impulsaustausch, Benetzung und Filmbildung an insbesondere hydrophilen Oberflächen wie metallische Wandungen oder metallische poröse Körper oder metallische Netze oder Filze unterstützt. Hydrophobe Bereiche werden oft durch Kunststoffnetze, Kunststoffschwämme oder andere poröse Körper aus Kunststoff gebildet. Es versteht sich, dass sich diese Elemente und Werkstoffe gezielt in einem durchströmten Bauraum mischen oder kaskadieren lassen. Dies beinhaltet insbesondere auch Elemente, mit denen gezielt eine Dochtwirkung in Richtung eines größeren abgeschiedenen Flüssigvolumens erzielt werden kann. Die auskondensierte Flüssigkeit kann damit leichter und effizienter vom Gasstrom getrennt werden und wird schließlich beispielsweise in einer Auffangvorrichtung, die insbesondere eine Art Abscheidegefäß darstellt, gesammelt. Von dort kann die Flüssigkeit über eine Kondensatabführung beziehungsweise Kondensatableitung aus der Trocknungsvorrichtung abgeführt werden. Weiter bevorzugte Ausführungsformen hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung weiter unten beschrieben.
Die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung eignet sich insbesondere für einen kontinuierlichen Betrieb, aber auch einen zyklischen Betrieb, wie er beispielsweise bei der Elektrolyse, etwa durch den Betrieb am Tag und den Stillstand in der Nacht, entsteht.
Die beiden ersten Aspekte der Erfindung betreffen jeweils eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms. Hierbei handelt es sich um alternative Ausführungsformen, die jedoch das gleiche erfinderische Grundkonzept aufweisen, und die jeweils dieselbe Aufgabe lösen. Insbesondere ist es mit diesen Trocknungsvorrichtungen möglich, eine effiziente Kühlung und damit eine effiziente Trocknung des Gasstroms zu erreichen, wobei durch die optimierte Strömungsführung und die deutlich erhöhten Wärmeübergänge eine kompakte Bauform und eine Materialersparnis möglich ist, die wiederum zu einer Effizienz- und Kostenoptimierung führt.
Die Trocknungsvorrichtungen beider Erfindungsaspekte weisen die nachfolgend beschriebenen, gemeinsamen Komponenten und Merkmale auf.
Mit den Trocknungsvorrichtungen wird jeweils ein Gasstrom getrocknet. Dabei ist die Erfindung grundsätzlich nicht auf das Trocknen bestimmter Gasströme beziehungsweise Gasarten beschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kommt die Trocknungsvorrichtung im Zusammenhang mit der Trocknung eines Wasserstoff-Gasstroms zum Einsatz. Mit zunehmendem Einsatz erneuerbarer Energien spielt unter anderem die Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff eine immer bedeutendere Rolle. Wasserstoff gilt als einer der Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Energieerzeugung. Bei der während der Kühlung auskondensierten Flüssigkeit handelt es sich insbesondere um Wasser.
Die Trocknungsvorrichtungen weisen zunächst eine Gasführungseinrichtung auf. Die Gasführungseinrichtung, die auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein kann, umfasst alle Komponenten und Elemente, die für den Transport und die Trocknung des Gasstroms und optional für die Abführung von aus dem Gasstrom auskondensierter Flüssigkeit erforderlich sind.
Die Gasführungseinrichtung weist zunächst einen Gasführungskanal auf, durch den der zu trocknende Gasstrom geleitet wird. Ein Kanal ist insbesondere ein geführter, in diesem Fall auch geschlossener Weg, ähnlich einem Rohr, oder aber ein Rohr.
Der Gasführungskanal wirkt mit einem Gaseinlass zusammen. Dieser Gaseinlass ist bereitgestellt, um den zu trocknenden Gasstrom in die Gasführungseinrichtung, insbesondere in den Gasführungskanal, einzuführen. Während des Betriebs der Trocknungsvorrichtung tritt der feuchte Gasstrom über den Gaseinlass in die Gasführungseinrichtung, und insbesondere in den Gasführungskanal ein. Je nach Ausgestaltung kann der Gaseinlass unmittelbar mit dem Gasführungskanal verbunden sein, oder den Endbereich des Gasführungskanals darstellen. In anderer Ausgestaltung können bei Bedarf aber auch noch weitere Komponenten zwischen Gaseinlass und Gasführungskanal vorgesehen sein. Weiterhin vorgesehen ist ein Gasauslass, der bereitgestellt ist, um den getrockneten Gasstrom aus der Gasführungseinrichtung abzuführen. Der den Gasführungskanal durchströmende, zunächst feuchte Gasstrom, wird während des Durchströmens des Gasführungskanals getrocknet, das heißt die absolute Feuchte des Gasstromes nimmt ab, und als getrockneter Gasstrom am Ende des Trocknungsprozesses über den Gasauslass aus der Trocknungsvorrichtung abgeleitet. Dabei kann es vorteilhaft sein, zwischen dem Ende des Gasführungskanals und dem Gasauslass weitere Komponenten vorzusehen, von denen einige weiter unten anhand einiger Beispiele näher erläutert werden.
Die eigentliche Kühlung des Gasstroms, die in der wie oben geschilderten Weise auch zur Trocknung des Gasstroms führt, erfolgt mittels einer Kühleinrichtung. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Kühleinrichtungen beschränkt. Einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsbeispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Insbesondere ist die Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung des Gasstroms bereitgestellt. Bei einer aktiven Kühlung wird die im zu kühlenden Gasstrom gespeicherte Wärmeenergie mit Hilfe einer dafür eigens vorgesehenen Komponente abtransportiert.
In den beschriebenen Ausführungen stellt die Kühleinrichtung eine kalte, gezielt auf eine Temperatur eingestellte ebene oder gekrümmte Fläche zur Verfügung. Die einzustellende Temperatur kann auch abhängig vom Betriebszustand bzw. der abzuführenden Wärmeleistung, eingestellt werden. Andere konstruktive Gestaltungen können auch eine Wärmeabfuhr über eine nicht-ebene Fläche, beispielsweise über Bohrungen oder Kanäle realisieren, durch die ein Kühlmedium gepumpt wird oder aber der Kühlabschnitt des Gasführungskanals taucht in eine kalte thermostatisierte Flüssigkeit ein, welche die abzugebende Wärmeleistung aufnehmen kann.
Die Kühleinrichtung steht mit zumindest einem Abschnitt des Gasführungskanals, der im Folgenden als Kühlabschnitt des Gasführungskanals bezeichnet wird, in Wärmeaustausch-Verbindung. Das bedeutet, dass die Kühleinrichtung und der Kühlabschnitt so zusammenwirken, beispielsweise so zueinander ausgerichtet sind oder in solch einer Weise in Bezug zueinander in der Gasführungseinrichtung angeordnet sind, dass im Bereich des Kühlabschnitts ein Wärmeaustausch zwischen Kühleinrichtung und dem den Kühlabschnitt des Gasführungskanals durchströmenden Gasstrom entsteht, über den die Wärme aus dem Gasstrom abgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Gasführungskanal, zumindest dessen Kühlabschnitt, an der Kühleinrichtung vorbeigeführt.
Schließlich weisen die Trocknungsvorrichtungen auch eine Kondensatabführung auf, die bereitgestellt ist, um während oder nach der Kühlung aus dem Gasstrom auskondensierte Flüssigkeit abzuführen. Bei der während des Trocknungsvorgangs auskondensierten Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um Wasser, welches wiederverwendet und anderen Prozessen zur Verfügung gestellt werden kann. Das Wasser entsteht beispielsweise während eines Elektrolyseprozesses. Die Kondensatabführung kann dazu mit geeigneten Leitungen oder Leitungselementen verbunden sein, über die die auskondensierte Flüssigkeit an andere Orte transportiert werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Neben den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist diese Trocknungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal in seinem Kühlabschnitt eine Einrichtung zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms vor Eintritt in den Kühlabschnitt, insbesondere am Gaseinlass, aufweist oder als eine solche Einrichtung zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms ausgebildet ist.
Bei der Lineargeschwindigkeit handelt es sich insbesondere um die Geschwindigkeit des Gasstroms in geradliniger, das heißt linearer Richtung durch den Gasführungskanal.
Über eine Erhöhung der Lineargeschwindigkeit, und vorzugsweise unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften in Kurven des Gasführungskanals in dessen Kühlabschnitt, wie weiter unten in größerem Detail beschrieben wird, können aus dem Gasstrom kondensierte Flüssigkeit und Aerosole im Gasstrom zu größeren Tropfen zusammengeführt werden. Außerdem wird eine Erhöhung der Lineargeschwindigkeit durch eine Verringerung des Strömungsquerschnittes erreicht. Damit wird sowohl bei turbulenter als auch bei laminarer Strömung eine deutliche Erhöhung des Wärmeüberganges erzeugt. Das Bauteil das den Gasführungskanal realisiert kann deutlich kompakter realisiert werden, Die Erhöhung der Lineargeschwindigkeit kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsbeispiele für eine entsprechende Einrichtung werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Gasführungseinrichtung bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung als plattenförmiges Bauteil ausgebildet. Die einzelnen Komponenten der Gasführungseinrichtung sind dann innerhalb und/oder an einer Grundplatte angeordnet oder ausgebildet. Beispielsweise können diese in das Grundplattenmaterial eingefräst, geprägt, gestanzt, geätzt oder dergleichen sein. Bevorzugt eingesetzte Elemente können auch dünne Bleche oder Folien sein, in die per Stanzen, Lasern, oder Wasserstrahlschneiden die Kanäle eingebracht werden. Die einzelnen Bleche oder Folien können dann aufeinander gestapelt werden und schließlich vorzugsweise über Lötverfahren oder Diffusionsschweißverfahren prozesssicher miteinander verbunden werden. Nahezu beliebige Kanalgeometrien lassen sich hierdurch erzeugen. Insbesondere auch Kanalgeometrien mit sehr kleinen Spaltweiten von bevorzugt 0,1 bis 1 mm bei Kanalbreiten bevorzugt zwischen 0,1 und 2 mm. Dies führt zu laminaren Strömungsverhältnissen mit sehr hohen Wärmeübergangszahlen.
Eine derartige Ausgestaltung eignet sich besonders gut, dass damit eine gelötete Gasführungseinrichtung beziehungsweise Trocknungsvorrichtung hergestellt werden kann. Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung wird im Zusammenhang mit dem vierten Aspekt der Erfindung weiter unter erläutert.
In der einfachsten Ausführung sind eine einzige plattenförmige Gasführungseinrichtung und eine einzige Kühleinrichtung erforderlich. Es können aber auch zwei oder mehrere Kühleinrichtungen vorgesehen werden. Die Kühleinrichtung(en) kann/können dann von einer, oder aber von beiden Seiten mit der plattenförmigen Gasführungseinrichtung in Verbindung gebracht werden, so dass eine Kühlung von einer Seite, oder aber von beiden Seiten erfolgen kann. Ebenso ist es möglich, mehrere plattenförmige Gasführungseinrichtungen vorzusehen, die nebeneinander zu einem Stapel angeordnet werden/sind. An einer oder an beiden Außenflächen des Stapels kann dann eine Kühleinrichtung vorgesehen werden. Es ist auch denkbar, innerhalb des Stapels noch weitere Kühleinrichtungen vorzusehen.
Mit einer solchen, insbesondere gelöteten, Trocknungsvorrichtung ist eine spezifische Anpassung an unterschiedliche Trocknungsanforderung möglich. Eine Zentrifugalabscheidung durch erhöhte Gasgeschwindigkeit ist leicht integrierbar. Die Trocknungsvorrichtung bietet die Möglichkeit einer kleinen Bauform. Das bedeutet eine Materialersparnis zur Effizienz- und Kostenoptimierung (Abkühlzeit ~ Masse und Material).
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 3 aufweist.
Neben den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist diese Trocknungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungseinrichtung als Rohr-im Rohr-Einrichtung ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Gasführungseinrichtung mindestens zwei Rohre aufweist, die konzentrisch ineinander angeordnet sind. Dabei wird ein Rohr von dem feuchten, in Strömungsrichtung Wärme abgebenden, sich abkühlenden Gasstrom durchströmt, während das andere Rohr im Gegenstrom von dem getrockneten, in Strömungsrichtung Wärme aufnehmenden Gasstrom durchströmt wird.
Zu diesem Zweck weist die Gasführungseinrichtung ein erstes Rohr auf, welches als der Gasführungskanal ausgebildet ist oder welches einen Bestandteil des Gasführungskanals darstellt, und welches mit dem Gaseinlass und dem Kühlabschnitt des Gasführungskanals verbunden ist. Der Kühlabschnitt ist wiederum derjenige Abschnitt des Gasführungskanals, der mit der Kühleinrichtung in Wärmetausch-Verbindung steht.
Weiterhin weist die Gasführungseinrichtung ein zweites Rohr auf, welches sich mit einem ersten Ende an den Kühlabschnitt des Gasführungskanals anschließt und mit einem zweiten Ende mit dem Gasauslass verbunden ist. Je nach Ausgestaltung kann das erste Ende direkt mit dem Kühlabschnitt verbunden sein. In anderer Ausgestaltung können zwischen dem ersten Ende und dem Kühlabschnitt aber noch weitere Komponenten der Trocknungsvorrichtung vorgesehen beziehungsweise zwischengeschaltet sein. Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele für solche weiteren Komponenten werden weiter unten in größerem Detail beschrieben.
Je nach Ausgestaltung können die beiden Rohre unterschiedlich ineinander angeordnet sein. Gemäß einer ersten Alternative ist das zweite Rohr innerhalb des ersten Rohrs geführt. Gemäß einer zweiten Alternative ist das zweite Rohr außerhalb des ersten Rohrs geführt.
Erfindungsgemäß sind die beiden Rohre derart ineinander angeordnet, dass der zu trocknende, feuchte Gasstrom im Gegenstrom am getrockneten Gasstrom vorbeigeführt wird. Der trockene, kalte Gasstrom kann im Gegenstromprinzip innerhalb oder außerhalb des Gasführungskanals genutzt werden um das einströmende, feuchte Gas abzukühlen und so die Effizienz der Trocknungsvorrichtung, die einen Gaskühler darstellt, zu erhöhen. Das bedeutet einen geringeren Energiebedarf bei der aktiven Kühlung. Die Kühlung durch das Vorbeiführen des trockenen Gasstroms am feuchten Gasstrom stellt eine so genannte passive Kühlung dar. Das heißt, die Wärme kann ohne weitere eigens dafür vorgesehene Komponenten abtransportiert werden.
Bei einer solchen Rohr-im-Rohr-Lösung können Standardkomponenten, insbesondere Rohre, zylindrische Verschraubungen, Fittinge, Filter und Demister, zum Aufbau des Druckbehälters verwendet werden. Zudem ist eine flexible Dimensionierung möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung ist in Strömungsrichtung des zu trocknenden, feuchten Gasstroms vor dem Kühlabschnitt des Gasführungskanals ein, insbesondere passiver, Vorkühlabschnitt ausgebildet der durch das erste Rohr und das zweite Rohr gebildet ist und der in keiner oder geringer Wärmeleitkopplung mit der Kühleinrichtung steht. Derjenige Bereich des Gasführungseinrichtung, der die Kühleinrichtung aufweist, die mit dem Kühlabschnitt des Gasführungskanals in Wärmeaustausch-Verbindung steht, stellt dann den Hauptkühler dar, während der Vorkühlabschnitt einen Vorkühler darstellt.
Der trockene, kalte Gasstrom, der das zweite Rohr in Richtung Gasauslass durchströmt, kann im Gegenstromprinzip innerhalb oder außerhalb des ersten Rohrs, welches den Gasführungskanal darstellt und den feuchten Gasstrom vom Gaseinlass in Richtung des Hauptkühlers transportiert, genutzt werden, um das einströmende, feuchte Gas abzukühlen und so die Effizienz der Gaskühlung zu erhöhen. Dabei gilt, je länger der Vorkühlabschnitt ist, desto effizienter ist die Vorkühlung und damit die gesamte Kühlung an sich. Eine Verkürzung des Vorkühlerbereiches kann durch Erhöhung der Wärmeübergangszahlen, beispielsweise durch Verkleinerung des Spaltes zwischen den konzentrischen Rohren erfolgen.
Eine Trocknungsvorrichtung mit einem solchen Vorkühlabschnitt stellt in einer bevorzugten Ausführungsform eine aktive Gaskühlung mit Flüssigkeitsabscheider, realisiert durch den Hauptkühler, inklusive eine passiven Gegenstrom-Vorkühlung, realisiert durch den Vorkühler, bereit.
Zur Verbesserung der Gasführung im ersten Rohr, welches den Gasführungskanal oder einen Teil des Gasführungskanals darstellt, ist in dem ersten Rohr, insbesondere im Vorkühlabschnitt, bevorzugt ein Gasführungselement, insbesondere ein spiralförmiges Gasführungselement, angeordnet oder ausgebildet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Federelement, beispielsweise ein Metallfederelement, um ein 3D-Druckelement, oder dergleichen handeln. Das Gasführungselement kann dazu dienen, die Lineargeschwindigkeit des Gasstroms, bei gegebenem Querschnitt des Ringspaltes zwischen den beiden konzentrischen Rohren, zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass kondensierende oder gar gefrierende Flüssigkeit einen Teil des durchströmten Querschnitts blockiert. Die Erfindung ist nicht auf die beiden genannten Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann ein Gasführungselement auch realisiert werden durch auf die Rohraußenseite des Innenrohrs eingebrachte Kanäle, etwa durch Drehen, Gravieren, Lasern, Einrollen und dergleichen, vorzugsweise bei gleichzeitig sehr enger Passung zwischen Außen- und Innenrohr.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Gasführungskanal in seinem Kühlabschnitt eine Einrichtung zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms am Gaseinlass auf, oder er ist als eine Einrichtung zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms ausgebildet. Hierbei handelt es sich um die erfindungsgemäßen Merkmale der Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, so dass an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
Werden die vorgenannten Merkmale bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt realisiert, handelt es sich bei der Trocknungsvorrichtung um eine Kombination der beiden Trocknungsvorrichtungen gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung. Insbesondere kann realisiert sein, dass der Hauptkühler wie bei einer Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausgebildet ist, und dass weiterhin ein Vorkühler nach dem Rohr-im Rohr-Prinzip bereitgestellt ist, wie er bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt realisiert ist. Ebenso sind Ausgestaltungen denkbar, in denen die Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt zusätzlich noch einen weiteren Hauptkühler gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, und insoweit dann zwei Hauptkühler, aufweist.
Nachfolgend werden eine Reihe bevorzugter Weiterbildungen beschrieben, die bei beiden Trocknungsvorrichtungen sowohl des ersten Erfindungsaspekts als auch des zweiten Erfindungsaspekts zum Einsatz kommen können.
Vorzugsweise ist der Gasführungskanal, zumindest in seinem Kühlabschnitt, totraumfrei ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gasführungskanal, zumindest in seinem Kühlabschnitt, eine Spaltweite von 0,1mm bis 1mm und/oder eine Kanalbreite von 0,1mm bis 2mm auf. Die sehr engen Strömungskanäle, bis hin zur µ-Technik (0,1 - 0,3mm Spaltweite), ermöglichen insbesondere mit den einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoff:

a) außergewöhnlich kleine Druckverluste bei gegebenem Volumenstrom durch sehr kleine Dichte und Viskosität und
b) eine sehr hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit, das heißt extrem gute Wärmeübergangszahlen und damit eine extrem kleine Bauform. Außerdem kann sehr viel Druckverlust, zum Beispiel bis zu 1 bar, toleriert werden.

Die genannten Ausgestaltungen lassen sich sowohl bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, als auch bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt realisieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die aktive Kühlung durch Peltierelemente erfolgen, so dass die Kühleinrichtung wenigstens ein Peltierelement aufweist. Peltierelemente sind bekannt und den Fachleuten geläufig. Ein Peltierelement ist ein thermoelektrischer Energiewandler, welcher einen Wärmestrom in Elektrizität oder durch Anlegen einer Spannung Wärme von einer Seite zur anderen pumpen kann. Ein Peltierelement weist grundsätzlich eine kalte Seite, eine warme Seite und dazwischen befindliche thermoelektrische Elemente auf. Die kalte Seite wirkt dann mit dem Kühlabschnitt des Gasführungskanals zusammen, wobei der Kühlabschnitt des Gasführungskanals an der kalten Seite des Peltierelements vorbeigeführt ist. In anderer Ausgestaltung kann die Kühleinrichtung wenigstens einen Kompressorkühler aufweisen. Diese Art von Kühlelementen kommen bevorzugt, jedoch nicht zwingend, bei einer Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zum Einsatz. In einer anderen Ausgestaltung, die bevorzugt, jedoch nicht zwingend bei einer Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zum Einsatz kommt, weist die Kühleinrichtung eine Klammer oder Manschette aus einem wärmeableitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, auf. Es sind auch Kombinationen verschiedener Kühleinrichtungen möglich, oder die Trocknungsvorrichtung weist mehr als eine Kühleinrichtung auf. Die Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele für die Kühleinrichtung beschränkt. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung auch in Form einer Flüssigkühlung realisiert sein. Beispielsweise könnte die gesamte Gasführungseinrichtung, zumindest derjenige Bereich mit dem Gasführungskanal, insbesondere zumindest der Kühlabschnitt des Gasführungskanals, oder aber ein Teil davon, in eine Kühlflüssigkeit getaucht sein.
Um die Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Kühlabschnitt des Gasführungskanals zu erhöhen, weist, in einer bevorzugten Ausführungsform, der Gasführungskanal im Kühlabschnitt des Gasführungskanals wenigstens einen Kanalabschnitt auf, der eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Gasführungskanals vor dem Kühlabschnitt, beispielsweise am Gaseinlass. Durch den kleineren Querschnitt des Gasführungskanals in dessen Kühlabschnitt wird die Lineargeschwindigkeit des durchströmenden Gasstroms erhöht. Gleichzeitig wird das Volumen des durchströmenden Gasstroms verringert. In dem vorgenannten Fall handelt es sich bei dem Kanalabschnitt in einer bevorzugten Ausführungsform um einen einzigen Kanalabschnitt, der an der Kühleinrichtung vorbeigeführt wird. Der Vorteil eines einzigen Strömungskanals bei einer Zwei-Phasenströmung besteht insbesondere in der Zwangsführung und/oder in der weiter oben beschriebenen Vermeidung von Totbereichen, die Teile der Wärmeaustauschfläche blockieren. Vorzugsweise weist dieser Kanalabschnitt eine möglichst große Länge auf, wie anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter unten näher erläutert wird. Der Kanalabschnitt kann beispielsweise ein Kanaltiefe vorzugsweise zwischen 0,1 und 1mm aufweisen und damit einen sehr guten Wärmeübergang bei der vorliegenden laminaren Strömung erzeugen.
In anderer Ausgestaltung ist der Gasführungskanal im Kühlabschnitt in zwei oder mehr Kanalabschnitte aufgeteilt, die unabhängig voneinander sind und die jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Gasführungskanals vor dem Kühlabschnitt, beispielsweise am Gaseinlass. Hierbei ist jedoch damit zu rechnen, dass einzelne Kanäle sich durch Flüssigkeitszonen und /oder Zonen mit gefrorenem Wasser blockieren.
In beiden Fällen hat die Querschnittsfläche des wenigstens einen Kanalabschnitts vorzugsweise eine Größe, die zwischen 5% und 60% der Querschnittsfläche des Gasführungskanals vor dem Kühlabschnitt, beispielsweise am Gaseinlass, beträgt.
Um eine Erhöhung der Lineargeschwindigkeit zu erreichen und um zudem unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften in, vorzugsweise engen, Kurven kondensierte Flüssigkeit und Aerosole im Gas zu größeren Tropfen zusammenführen zu können, weist der Gasführungskanal im Kühlabschnitt vorzugsweise einen Kanalabschnitt auf, der einen kurvenförmigen, oder mäanderförmigen, spiralförmigen oder schneckenförmigen Verlauf hat. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein mäanderförmiger Verlauf realisiert.
Um die während des Trocknungsprozesses auskondensierte Flüssigkeit in der Trocknungsvorrichtung auffangen zu können, weist die Gasführungseinrichtung bevorzugt eine Auffangvorrichtung zum Auffangen von aus dem Gasstrom auskondensierter Flüssigkeit auf. Diese kann sich beispielsweise an das Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals anschließen, oder als Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Auffangvorrichtung mit der Kondensatabführung verbunden, damit die auskondensierte Flüssigkeit aus der Trocknungsvorrichtung abgeführt werden kann.
Wie weiter oben schon allgemein geschildert wurde, kann zwischen dem Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals und dem Gasauslass wenigstens eine weitere Komponente vorgesehen sein. Hierzu wird auch auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung weiter oben verwiesen und Bezug genommen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann/können zwischen dem Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals und dem Gasauslass wenigstens eine zumindest partiell hydrophile Zone und/oder wenigstens eine zumindest partiell hydrophobe Zone ausgebildet sein, oder zwischen dem Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals und dem Gasauslass ist wenigstens ein zumindest partiell hydrophiler Einsatz und/oder wenigstens ein zumindest partiell hydrophober Einsatz angeordnet. Beispielsweise kann/können hier ein Demister und/oder ein Drainageelement angeordnet sein. Ein Demister, auch Tropfenabscheider oder Aerosolabscheider genannt, ist eine Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeitstropfen aus strömenden gasförmigen Medien. Der Demister kann beispielsweise aus einem porösen, hydrophilen, hydrophoben oder auch optimiert partiell hydrophil und partiell hydrophob ausgeführten Material, aus einem feinporigen Schaumstoff, aus einem Sintermetall, oder dergleichen bestehen. Über gezielte Ausführung hydrophiler und hydrophober Zonen sowie über lokal unterschiedliche effektive Porengrößen im Demister können auch gezielt Strömungspfade für das entweichende Gas und Sammelstellen und Ableitpfade oder Drainageelemente für das Kondensat erzeugt werden. Wichtig ist, dass der Demister nicht zu schnell mit Flüssigkeit oder mit Aerosolen geflutet wird, damit diese aus dem Demister abtropfen kann, beispielsweise in ein Drainageelement. Das Drainageelement kann beispielsweise als Drahtgitter, als Drahtgeflecht oder in Form einer anderen Art eines Flüssigkeitsabscheiders ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform können im Gasstrom enthaltene Aerosole über einen anschließenden Demister entfernt und von dort über ein als Kondensatbrücke mit einem kontinuierlichem Wasserfilm wirkendes Drainageelement, beispielsweise ein Drahtgeflecht, über Schwerkraft und oder Kapillarwirkung/Dochtwirkung dem abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen zugeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung kann vorzugsweise am Gasauslass und/oder am Ende des Kühlabschnitts des Gasführungskanals und/oder hinter einem Demister ein Temperatursensorelement angeordnet sein. Um den Beladungszustand einer nachfolgend angeordneten Adsorptionstrocknung bestimmen zu können, muss der Flüssigkeitsmassenstrom, beispielsweise der Wassermassenstrom, bekannt sein. Die Flüssigkeit, beispielsweise flüssiges Wasser, wird bereits in der Gasführungseinrichtung im Bereich des Kühlabschnitts des Gasführungskanals abgeschieden. Die Restmenge an gasförmiger Feuchte, beispielsweise gasförmigen Wassers, kann über den Taupunkt und den Gasmassenstrom bestimmt werden. Da Taupunkt- und Massenstromsensoren sehr kostenintensiv sind, wird auf vorhandene Parameter zurückgegriffen, um das Beladungsmodell zu speisen: Die Gasmenge kann beispielsweise aus Elektrolyseur-Membranfläche und -Strom bestimmt werden. Der Taupunkt kann mittels eines kostengünstigen Temperatursensors bestimmt werden, der vorzugsweise am Ausgang des Gaskühlers sitzt, da dort die relative Feuchte des Gases immer 100% beträgt und diese nicht separat gemessen werden muss.
Je nach Bedarf kann in Strömungsrichtung nach dem Kühlabschnitt des Gasführungskanals und vor dem Gasauslass eine zweite Kühlstufe in der Gasführungseinrichtung angeordnet oder ausgebildet sein. Denkbar ist beispielsweise eine mehrstufige Variante mit tiefkalter zweiter Stufe, die das Gas durch Einfrieren der verbleibenden Flüssigkeit noch deutlich weiter abkühlt.
Um die Effizienz der Trocknungsvorrichtung zu erhöhen, kann für diese eine ausreichend starke Isolierung realisiert sein.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem, insbesondere ein Hausenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 16 aufweist.
Das Energiesystem weist eine Elektrolyseeinrichtung, eine Brennstoffzelleneinrichtung, eine Hochdruckspeichereinrichtung sowie eine Verbindungsleitungseinrichtung auf, über die in einer bevorzugten Ausführung die Elektrolyseeinrichtung mit der Hochdruckspeichereinrichtung sowie die Hochdruckspeichereinrichtung mit der Brennstoffzelleneinrichtung miteinander verbunden sind, auf. Erfindungsgemäß ist in dem Energiesystem wenigstens eine Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung angeordnet.
Beispielsweise kann die Trocknungsvorrichtung als Variante zwischen zwei Stufen eines Druckerhöhungskompressors einsetzbar sein, um den Abscheide-/Trocknungsgrad zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung kann an unterschiedlichen Stellen im Energiesystem eingesetzt werden.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Energiesystems, insbesondere auch hinsichtlich dessen Funktionsweise, wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt, zum zweiten Erfindungsaspekt und auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.
Bei dem Energiesystem handelt es sich insbesondere um ein aus mehreren Komponenten bestehendes Ganzes, wobei die Komponenten miteinander zu einer zweckgebundenen Einheit verbunden sind. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Energiesystem um ein System zum Erzeugen beziehungsweise Bereitstellen von Energie, vorzugsweise von elektrischer Energie. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Energiesystemen beschränkt. Im Folgenden werden diesbezüglich verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Energiesystem um ein Hausenergiesystem. Hausenergiesysteme sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Versorgung von Häusern, beispielsweise von Niedrigenergiehäusern, Passivhäusern oder Nullenergiehäusern, mit Energie in Form von Wärme und insbesondere in Form von Strom, beispielsweise Strom aus regenerativen Energiequellen wie beispielsweise Photovoltaik (PV)-Generatoren oder Kleinwindkraftanlagen. Ein solches Hausenergiesystem schafft die Grundlage dafür, dass der Energiebedarf eines Hauses, insbesondere eines Niedrigenergiehauses, eines Passivhauses oder eines Nullenergiehauses, sowohl hinsichtlich des Strom- als auch des Wärmebedarfs vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden kann und somit vollständige CO₂-Freiheit im Betrieb besteht. Wenigstens aber kann der Strombedarf eines Hauses im Sinne einer anzustrebenden Eigenverbrauchserhöhung nahezu vollständig aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere mittels eines PV-Generators und/oder einer Kleinwindenergieanlage, gedeckt werden.
Ein solches Hausenergiesystem ist beispielsweise in den Patentanmeldungen WO 2017/089468 A1 und WO 2017/089469 A1 der Anmelderin offenbart und beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in die Beschreibung der vorliegenden Patentanmeldung mit einbezogen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Hausenergiesystem der genannten Art die folgenden Grundmerkmale auf:

- einen DC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Nenn-Spannung von 48 Volt oder für eine Nennspannung zwischen 200 und 1000 Volt und/oder einem AC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Spannung von 230 Volt oder 110 Volt oder einer 3-phasigen Einspeisung bei pro Phase 230 Volt oder 110 Volt, wobei der DC-Einspeisepunkt und/oder der AC-Einspeisepunkt im Betrieb zumindest zeitweise mit einem elektrischen Verbraucher, der eine Verbrauchs-Leistung aufweist, verbunden ist,
- einen elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundenen PV-Generator zum Erzeugen einer elektrischen PV-Leistung,
- eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt oder mit dem AC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundene Brennstoffzelleneinheit zum Erzeugen einer elektrischen Brennstoffzellen-Leistung,
- eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbundene Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff, wobei die Elektrolyseeinheit im Betrieb mit einer elektrischen Elektrolyse-Eingangsleistung gespeist wird,
- einen Wasserstofftank, insbesondere als Langzeitenergiespeicher, der mit der Brennstoffzelleneinheit und der Elektrolyseeinheit wenigstens zeitweise fluidverbunden ist und zum Speichern von mittels der Elektrolyseeinheit zu erzeugendem und durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff ausgebildet ist,
- eine Speicher-Batterieeinheit, insbesondere als Kurzzeitenergiespeicher, die elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbunden oder zu verbinden ist, so dass eine elektrische PV-Leistung und eine elektrische Brennstoffzellen-Leistung in die Speicher-Batterieeinheit eingespeichert werden kann und eine elektrische Elektrolyse-Eingangsleistung und eine Verbrauchs-Leistung aus der Speicher-Batterieeinheit entnommen werden können; und
- ein Steuermodul zum Steuern der Hausenergieanlage.

Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms, insbesondere zur Trocknung eines WasserstoffGasstroms, insbesondere einer Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bereitgestellt, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Gasführungseinrichtung mit einem Gasführungskanal aufweist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb vollinhaltlich auch auf die Beschreibung zum ersten Erfindungsaspekt, ebenso wie zur allgemeinen Beschreibung der Erfindung weiter oben, Bezug genommen und verwiesen.
Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsvorrichtung, insbesondere die Gasführungseinrichtung, mittels eines thermischen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen hergestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist diesbezüglich grundsätzlich nicht auf bestimmte Verfahren beschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Herstellungsverfahren um ein Lötverfahren. Derartige Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Es ist jedoch nicht trivial, und war für den Fachmann deshalb nicht naheliegend, diese Verfahren zur Herstellung von Trocknungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gasführungseirichtung der Trocknungsvorrichtung als plattenförmiges Bauteil ausgebildet, in welchem der Gasführungskanal ausgebildet ist. Weiterhin weist die Gasführungseinrichtung eine Grundplatte auf. Das Verfahren ist in einem solchen Fall dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Bauteil und die Grundplatte mittels des thermischen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, insbesondere mittels eines Lötverfahrens, miteinander verbunden werden.
Die Erfindung wird nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

1 in schematischer Ansicht ein Energiesystem, in welchem die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung zum Einsatz kommt;
2 bis 4 verschiedene Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung; und
5 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

Eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms kann auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlichen Systemen zum Einsatz kommen.
Ein mögliches System ist beispielsweise ein Energiesystem. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines solchen Energiesystems erläutert. In 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau des Energiesystems 10 beschrieben, wobei das Energiesystem 10 als Hausenergiesystem eingesetzt wird.
Das Energiesystem 10 weist zunächst ein erstes Untersystem 20 auf, welches als Innensystem ausgebildet ist. Das bedeutet, dass sich das erste Untersystem 20 innerhalb des Hauses befindet. Zusätzlich weist das Energiesystem 10 ein zweites Untersystem 30 in Form eines Außensystems auf. Das bedeutet, dass sich das zweite Untersystem 30 außerhalb des Hauses befindet.
Das erste Untersystem 20 weist eine erste Energiequelleneinrichtung auf, bei der es sich um eine Elektrolyseeinrichtung 21 zur Herstellung von Wasserstoff handelt. Zudem weist das erste Untersystem 20 eine Brennstoffzelleneinrichtung 22 auf.
Das zweite Untersystem 30 weist eine Hochdruckspeichereinrichtung 31 auf. In der Hochdruckspeichereinrichtung wird der erzeugte Wasserstoff bei bis zu 700 bar gespeichert. Zusätzlich verfügt das zweite Untersystem 30 über eine Mitteldruckspeichereinrichtung 32, in der der erzeugte Wasserstoff bei Drücken zwischen 20 und 30 bar zwischengespeichert wird, bevor er von dort endgültig.in der Hochdruckspeichereinrichtung gespeichert wird.
Die einzelnen Komponenten des Energiesystems 10 sind über eine Verbindungsleitungseinrichtung 40 miteinander verbunden, die aus einer Anzahl unterschiedlicher Leitungsabschnitte 40a bis 40k besteht. Wenigstens ein Leitungsabschnitt 40a ist dabei als so genannte bidirektionale Leitungsabschnitte ausgebildet. Das bedeutet, dass der Leitungsabschnitt 40a während des Betriebs des Energiesystems 10 in beiden Richtungen durchströmt wird.
Zum Spülen der Elektrolyseeinrichtung 21 und/oder der Brennstoffzelleneinrichtung 22 ist eine Spüleinrichtung 23 mit einer Spülkammer vorgesehen, die über einen Leitungsabschnitt 40g mit den beiden vorgenannten Komponenten verbunden ist.
Der in der Elektrolyseeinrichtung 21 mittels Elektrolyse hergestellte Wasserstoff verlässt die Elektrolyseeinrichtung 21 über einen Leitungsabschnitt 40f, welcher in den Leitungsabschnitt 40e übergeht. In den beiden Leitungsabschnitten 40f und 40e befinden sich in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstoffs eine Rückschlagventileinrichtung 24 sowie nachfolgend eine Filtereinrichtung 25 und eine Trocknungsvorrichtung 50, in denen der erzeugte Wasserstoff gefiltert und getrocknet wird. Die Filtereinrichtung 25 und die Trocknungsvorrichtung 50 können sich alternativ auch im zweiten Untersystem 30 befinden.
Von der Trocknungsvorrichtung 50 strömt der erzeugte Wasserstoff über die Leitungsabschnitte 40a und 40c zu einer weiteren Rückschlagventileinrichtung 35, welche ein Ende des Leitungsabschnitts 40c markiert. Von dort strömt der erzeugte Wasserstoff über einen Leitungsabschnitt 40h sowie 40i in den Mitteldruckspeicher 32, welcher über eine Ventileinrichtung 33, die insbesondere als Sperrventil, beispielsweise in Form eines Magnetventils, ausgebildet ist, an einem weiteren Leitungsabschnitt 40j angebunden ist. In dem Leitungsabschnitt 40j, der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 endet, befindet sich vor der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eine Kompressoreinrichtung 34, insbesondere in Form eines Kolbenkompressors. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der erzeugte Wasserstoff in die Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert. Der in der Mitteldruckspeichereinrichtung 32 zwischengespeicherte Wasserstoff wird unter Betätigung der Kompressoreinrichtung 34 in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert.
Dieser Herstellungsvorgang des Wasserstoffs bis hin zu dessen Einspeicherung in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 stellt eine erste Betriebsweise des Energiesystems 10 dar. Bei dieser ersten Betriebsweise des Energiesystems 10 herrscht in den Leitungsabschnitten 40a bis 40e der Verbindungsleitungseinrichtung 40 ein Druck von 20 bis 60 bar. Ein solcher Druck herrscht auch in der Mitteldruckspeicher 32. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der aus der Mitteldruckspeichereinrichtung 32, bei der es sich um einen Zwischenspeicher handelt, entnommene Wasserstoff so weit komprimiert, dass er mit Drücken von bis zu 700 bar in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert werden kann.
Der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 gespeicherte Wasserstoff wird für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 22 verwendet. Der Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 22 erfolgt in der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10. Die Brennstoffzelleneinrichtung 22 kann aber nur bei Drücken kleiner 20 bar arbeiten. In der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10 wird der Wassersoff über einen Leitungsabschnitt 40k aus der Hochdruckspeichereinrichtung 31 entnommen, über eine Entspannungseinrichtung 36 in Form eines Druckminderers auf den erforderlichen Druck entspannt und über einen Leitungsabschnitt 40d in den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40a transportiert, von wo aus er über den Leitungsabschnitt 40b in die Brennstoffzelleneinrichtung 22 eintritt. Zur Messung des Drucks ist wenigstes eine Druckmesseinrichtung 41, beispielsweise in Form eines Drucksensors vorgesehen.
Das in 1 dargestellte Energiesystem 10 stellt einen Teilbereich eines Gesamt-Hausenergiesystems dar, bei dem es sich um ein elektrisch autarkes und vollständig auf erneuerbaren Energien beruhendes multihybrides Hausenergiespeichersystem handelt.
Das multihybride Hausenergiespeichersystem ermöglicht es, die von einer Photovoltaik (PV)-Anlage, einer Kleinwindkraftanlage oder dergleichen erzeugte elektrische Energie bedarfsgesteuert auf das gesamte Jahr zu verteilen. Dabei agiert das System als Inselsystem unabhängig vom elektrischen Netz. Vielmehr soll die Anlage die elektrische Autarkie des Hauses gewährleisten, sodass über das ganze Jahr hinweg keine elektrische Energie aus dem Stromnetz bezogen werden muss.
Die primäre Aufgabe des Hausenergiesystems ist es, die gewonnene elektrische Energie aus Photovoltaik (PV)-Modulen oder dergleichen dem Verbraucher im Haushalt verfügbar zu machen. Sekundär können bei Zeiten niedriger Last oder hoher Einstrahlung elektrische Energieüberschüsse in einem Batterie-KurzzeitSpeicher zwischengespeichert werden. Tertiär kann im Wasserstoff-Langzeit-Speicher die elektrische Energie als gasförmiger Wasserstoff für Zeiten niedriger Einstrahlung wie Nacht, Winter oder dergleichen mittel- bis langfristig gespeichert und mittels Brennstoffzelle wieder jederzeit bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden.
Neben energietechnischen Aufgaben fungiert das System auch als kontrollierte Wohnraumlüftung durch ein verbautes Lüftungsgerät.
Der in der Elektrolyseeinrichtung produzierte Wasserstoff fließt über die Wasserstoffleitung in die außenaufgestellte Druckspeicheranlage.
Bei fehlender oder nicht ausreichender PV-Energie wird Energie aus der Batterie zur Deckung der Verbraucherlast entnommen. Reicht die im Kurzzeitspeicher vorrätige Energie nicht aus, kann die Brennstoffzelleinnrichtung den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf decken. Im Brennstoffzellenbetrieb fließt der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung aus der Druckspeicheranlage zur Brennstoffzelleneinrichtung.
Ein zeitgleicher Betrieb von Brennstoffzelleneinrichtung und Elektrolyseeinrichtung ist ausgeschlossen. Das gesamte System wird zentral über einen Energy Manager mit einem prädiktiven Energiemanagement betrieben.
Das zweite Untersystem ist prinzipiell für den Betrieb im Außenbereich vorgesehen, kann aber unter bestimmten Bedingungen auch innerhalb eines speziellen Bereichs des Hauses errichtet und betrieben werden.
Bei der in 1 dargestellten Trocknungsvorrichtung 50 kann es sich beispielsweise um eine erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung handeln. Diese erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung 50 wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 näher beschrieben. Die 2 bis 4 zeigen dabei ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung, während in 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung 50 dargestellt ist.
In den 2 bis 4 ist eine Trocknungsvorrichtung 50 dargestellt, mittels derer ein zunächst feuchter Gasstrom, hier ein Wasserstoff-Gasstrom, durch eine, insbesondere aktive, Abkühlung getrocknet wird, und dass bei der Kühlung auskondensierte Feuchtigkeit, hier Wasser, anschließend über eine integrierte Wasserabscheidung aus der Trocknungsvorrichtung 50 entfernt wird.
Die Trocknungsvorrichtung 50 weist eine Gasführungseinrichtung 51, auf, die als plattenförmiges Bauteil 51a ausgebildet ist. Die einzelnen Komponenten der Gasführungseinrichtung 51 sind innerhalb einer Grundplatte 51 c angeordnet oder ausgebildet. Beispielsweise können diese in das Grundplattenmaterial eingefräst, geätzt oder dergleichen sein. Da die Trocknungsvorrichtung 50 vorzugsweise gelötet wird, weist die Grundplatte 51c an verschiedenen Stellen jeweils einen Lotauffang 52 auf.
Die Gasführungseinrichtung 51 weist einen Gasführungskanal 53 auf, durch den der zu trocknende, feuchte Gasstrom geleitet wird. Der Gasführungskanal 53 wirkt mit einem Gaseinlass 54 zusammen, über den der zu trocknende, feuchte Gasstrom in die Gasführungseinrichtung 51, insbesondere in den Gasführungskanal 53, eingeführt wird.
Die eigentliche Kühlung des Gasstroms, die in der wie oben geschilderten Weise auch zur Trocknung des Gasstroms führt, erfolgt mittels einer Kühleinrichtung 56, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Peltierelement 56a ausgebildet ist, und die über elektrische Leitungen 57 verfügt.
Die Kühleinrichtung 56, 56a steht mit einem Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 in Wärmeaustausch-Verbindung. Das bedeutet, dass die Kühleinrichtung 56, 56a und der Kühlabschnitt 58 so zusammenwirken, dass im Bereich des Kühlabschnitts 58 ein Wärmeaustausch zwischen Kühleinrichtung 56, 56a und dem den Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 durchströmenden Gasstrom entsteht, über den die Wärme aus dem Gasstrom abgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Gasführungskanal 53, zumindest dessen Kühlabschnitt 58, an der Kühleinrichtung 56, 56a vorbeigeführt.
Weiterhin weist die Trocknungsvorrichtung 50 auch eine Kondensatabführung 59 auf, über die während der Kühlung aus dem Gasstrom auskondensierte Flüssigkeit, hier Wasser, abgeführt wird.
Um eine effiziente Kühlung zu erreichen, weist der Gasführungskanal 53 in seinem Kühlabschnitt 58 eine Einrichtung 60 zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms vor Eintritt in den Kühlabschnitt 58, insbesondere am Gaseinlass 54, auf. Um eine Erhöhung der Lineargeschwindigkeit zu erreichen und um zudem unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften in, vorzugsweise engen, Kurven kondensierte Flüssigkeit und Aerosole im Gas zu größeren Tropfen zusammenführen zu können, weist der Gasführungskanal 53 im Kühlabschnitt 58 vorzugsweise einen Kanalabschnitt auf, der einen mäanderförmigen Verlauf hat. Das bedeutet, dass sich Bereiche in Form von geraden Kanalabschnitten 61 und Kurven 62 in dichter Abfolge in Windungen abwechseln. Es entsteht ein sehr langer Kanalabschnitt mit geringer Querschnittsfläche. Dadurch können aus dem Gasstrom kondensierte Flüssigkeit und Aerosole im Gasstrom zu größeren Tropfen zusammengeführt werden.
Um die während des Trocknungsprozesses auskondensierte Flüssigkeit in der Trocknungsvorrichtung 50 auffangen zu können, weist die Gasführungseinrichtung 51 eine Auffangvorrichtung 63 zum Auffangen von aus dem Gasstrom auskondensierter Flüssigkeit auf. Diese schließt sich an das Ende des Kühlabschnitts 58 des Gasführungskanals 53 an.
Zwischen dem Ende des Kühlabschnitts 58 des Gasführungskanals 58 und dem Gasauslass 55 sind weiterhin ein Demister 64 und ein Drainageelement 65 vorgesehen. Im Gasstrom noch enthaltene Aerosole können über den Demister 64 entfernt und von dort über das als Kondensatbrücke wirkende Drainageelement 65, beispielsweise ein Drahtgeflecht, dem abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen in der Auffangvorrichtung 63 zugeführt werden. Von dort kann die Flüssigkeit über die Kondensatabführung 59 aus der Gasführungseinrichtung 51 der Trocknungsvorrichtung 50 abgeführt werden.
In 5 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung 50 dargestellt. In einigen Teilen weist die Trocknungsvorrichtung 50 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel identische Bauteile auf, die mit identischen Bezugsziffern versehen sind und bezüglich derer auch auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Die Trocknungsvorrichtung 50 weist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel eine Gasführungseinrichtung 51 auf, die als Rohr-im-Rohr-Einrichtung 51b ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Gasführungseinrichtung zwei Rohre 66, 68 aufweist, die ineinander angeordnet sind.
Zu diesem Zweck weist die Gasführungseinrichtung 51, 51b ein erstes Rohr 66 auf, welches als der Gasführungskanal 53 ausgebildet ist, und welches mit dem Gaseinlass 54 und dem Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 verbunden ist.
Das erste Rohr stellt ein Außenrohr dar. Der Kühlabschnitt 58 ist wiederum derjenige Abschnitt des Gasführungskanals 53, der mit der Kühleinrichtung 56 in Wärmetausch-Verbindung steht. Die Kühleinrichtung 56 weist eine Klammer oder Manschette 56b aus einem wärmeableitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, auf, die um das Rohr 66, das den zu kühlenden und zu trocknenden Gasstrom führt, herumgelegt ist. Auf diese Weise wird der das Rohr 66 durchströmende Gasstrom an der Kühleinrichtung 56, 56b vorbeigeführt und dabei aktiv gekühlt.
Weiterhin weist die Gasführungseinrichtung 51, 51b ein zweites Rohr 68 auf, welches im Vergleich zum ersten Rohr 66 ein Innenrohr darstellt, da es in dem ersten Rohr 66 geführt ist. Das zweite Rohr 68 schließt sich mit einem ersten Ende 68a an den Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 an und ist mit einem zweiten Ende 68b mit dem Gasauslass 55 verbunden. Im dargestellten Beispiel befindet sich zwischen dem ersten Rohr 66 und dem Gasauslass 55 noch ein Anschlussstück 67, das als Zwischenstück ausgebildet ist. Dieses Bauteil ist optional und dient in erster Linie dazu, die gewünschte Länge der Gasführungseinrichtung 51, 51 b zu realisieren.
Die beiden Rohre sind derart ineinander angeordnet, dass der zu trocknende, feuchte Gasstrom 80, der über den Gaseinlass 54 in das erste Rohr 66, welches als Gasführungskanal 53 fungiert, und welches das Außenrohr darstellt, eintritt und in Richtung der Kühleinrichtung 56, 56b transportiert wird. Die Strömungsrichtung des zu trocknenden, feuchten Gasstroms ist mit der Bezugsziffer 81 versehen. Im Gegenstrom dazu wird der getrocknete Gasstrom 82 durch das innere zweite Rohr 68 an dem zu trocknenden, feuchten Gasstrom 80 vorbeigeführt. Die Strömungsrichtung des trockenen Gasstroms 82 ist mit der Bezugsziffer 83 versehen. Auf diese Weise wird der zu trocknende, feuchte Gasstrom 80 durch den trockenen, kalten Gasstrom 82 bereits abgekühlt, bevor dieser die Kühleinrichtung 56, 56b erreicht. Dadurch wird die Effizienz der Trocknungsvorrichtung 50 erhöht.
In Strömungsrichtung 81 des zu trocknenden, feuchten Gasstroms 80 vor der Kühleinrichtung 56, 56b und vor dem Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53, welche den Hauptkühlabschnitt 70 der Gasführungseinrichtung 51, 51b darstellen, in dem eine aktive Kühlung erfolgt, ist ein passiver Vorkühlabschnitt 69 ausgebildet, der durch das erste Rohr 66 und das zweite Rohr 68 gebildet ist. Der Hauptkühlabschnitt 70 mit der Kühleinrichtung 56, 56b, die mit dem Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 in Wärmeaustausch-Verbindung steht, stellt dann den Hauptkühler dar, während der Vorkühlabschnitt 69 einen Vorkühler darstellt.
Der trockene, kalte Gasstrom 82, der das zweite Rohr 68 in Richtung 83 des Gasauslasses 55 durchströmt, wird im Gegenstromprinzip innerhalb des ersten Rohrs 66, welches den Gasführungskanal 53 darstellt und den feuchten Gasstrom 80 vom Gaseinlass 54 in Richtung 81 des Hauptkühlers transportiert, genutzt, um das einströmende, feuchte Gas 80 vorab bereits abzukühlen und so die Effizienz der Gaskühlung zu erhöhen. Dabei gilt, je länger der Vorkühlabschnitt 69 ist, desto effizienter ist die Vorkühlung und damit die gesamte Kühlung an sich.
Zur Verbesserung der Gasführung im ersten Rohr 66, welches den Gasführungskanal 53 darstellt, ist in dem ersten Rohr 66, insbesondere im Vorkühlabschnitt 69, ein Gasführungselement 71, insbesondere ein spiralförmiges Gasführungselement, angeordnet oder ausgebildet.
Das Gas, welches das erste Rohr 66 in Strömungsrichtung 81 in Richtung des Hauptkühlabschnitts 70 durchströmt, strömt durch den Kühlabschnitt 58 des Gasführungskanals 53 an der Kühlvorrichtung 56, 56b vorbei und wird dabei abgekühlt. Gleichzeitig erfolgt eine Trocknung, da in dem Gasstrom enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Der nunmehr trockene Gasstrom wird über Umlenkelemente 72 in das zweite Rohr 68 umgeleitet und in dieses eingeleitet, und durchströmt das zweite Rohr 68 in Richtung des Gasauslasses 55.
Die während des Trocknungsprozesses im Hauptkühlabschnitt 70 auskondensierte Flüssigkeit wird in einer Auffangvorrichtung 63 aufgefangen, die sich unterhalb des Kühlabschnitts 58 des Gasführungskanals 53 befindet. Die Auffangvorrichtung 63 ist mit einer Kondensatabführung 59 verbunden, damit die auskondensierte Flüssigkeit 84 aus der Trocknungsvorrichtung 50 abgeführt werden kann.
Zwischen dem Ende des Kühlabschnitts 58 des Gasführungskanals 53 und dem Gasauslass 55, hier vor dem ersten Ende 68a des zweiten Rohr 68, sind ein Demister 64 und ein Drainageelement 65 angeordnet. Damit können im Gasstrom enthaltene Aerosole über den Demister 64 entfernt und von dort über das Drainageelement 65, beispielsweise ein Drahtgeflecht, dem abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen in der Auffangvorrichtung 63 zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Energiesystem (Hausenergiesystem)
20: Erstes Untersystem (Innensystem)
21: Elektrolyseeinrichtung
22: Brennstoffzelleneinrichtung
23: Spüleinrichtung (Spülkammer)
24: Rückschlagventileinrichtung
25: Filtereinrichtung
30: Zweites Untersystem (Außensystem)
31: Hochdruckspeichereinrichtung
32: Mitteldruckspeichereinrichtung
33: Ventileinrichtung
34: Kompressoreinrichtung
35: Rückschlagventileinrichtung
36: Entspannungsvorrichtung (Druckminderer)
40: Verbindungsleitungseinrichtung
40a bis 40k: Leitungsabschnitt
41: Druckmessvorrichtung
50: Trocknungsvorrichtung
51: Gasführungseinrichtung
51a: Plattenförmiges Bauteil
51 b: Rohr-im-Rohr-Einrichtung
51c: Grundplatte
52: Lotauffang
53: Gasführungskanal
54: Gaseinlass
55: Gasauslass
56: Kühleinrichtung
56a: Peltierelement
56b: Klammer oder Manschette aus wärmeleitendem Material
57: Elektrische Leitung
58: Kühlabschnitt des Gasleitungskanals
59: Kondensatabführung
60: Einrichtung zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit
61: Kanalabschnitt
62: Kurve
63: Auffangvorrichtung
64: Demister
65: Drainageelement
66: Erstes Rohr
67: Anschlussstück
68: Zweites Rohr
68a: Erstes Ende des zweiten Rohrs
68b: Zweites Ende des zweiten Rohrs
69: Vorkühlabschnitt
70: Hauptkühlabschnitt
71: Gasführungselement
72: Umlenkelement
80: Zu trocknender Gasstrom
81: Strömungsrichtung des zu trocknenden Gasstroms
82: Getrockneter Gasstrom
83: Strömungsrichtung des getrockneten Gasstroms
84: Auskondensierte Flüssigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19622530 A1 [0004]
WO 2017089468 A1 [0061]
WO 2017089469 A1 [0061]

Claims

Trocknungsvorrichtung (50) zum Trocknen eines Gasstroms (80), insbesondere zur Trocknung eines WasserstoffGasstroms, mit einer Gasführungseinrichtung (51), aufweisend einen Gasführungskanal (53), einem Gaseinlass (54), der bereitgestellt ist, um den zu trocknenden Gasstrom (80) in die Gasführungseinrichtung (51), insbesondere in den Gasführungskanal (53), einzuführen, einem Gasauslass (55), der bereitgestellt ist, um den getrockneten Gasstrom (82) aus der Gasführungseinrichtung (51) abzuführen, einer Kühleinrichtung (56) zur, insbesondere aktiven, Kühlung des Gasstroms, die zumindest mit einem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) in Wärmeaustausch-Verbindung steht, wobei der Gasführungskanal (53) in diesem Kühlabschnitt (58) an der Kühleinrichtung (56) vorbeigeführt ist, und mit einer Kondensatabführung (59), die bereitgestellt ist, um während der Kühlung aus dem Gasstrom auskondensierte Flüssigkeit (84) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53) in seinem Kühlabschnitt (58) eine Einrichtung (60) zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms vor Eintritt in den Kühlabschnitt (58) aufweist oder als eine solche Einrichtung (60) zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungseinrichtung (51) als plattenförmiges Bauteil (51a) ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung (50) zum Trocknen eines Gasstroms (80), insbesondere zur Trocknung eines Wasserstoff-Gasstroms, mit einer Gasführungseinrichtung (51), aufweisend einen Gasführungskanal (53), einem Gaseinlass (54), der bereitgestellt ist, um den zu trocknenden Gasstrom (80) in die Gasführungseinrichtung (51), insbesondere in den Gasführungskanal (53), einzuführen, einem Gasauslass (55), der bereitgestellt ist, um den getrockneten Gasstrom (82) aus der Gasführungseinrichtung (51) abzuführen, einer Kühleinrichtung (56) zur, insbesondere aktiven, Kühlung des Gasstroms, die zumindest mit einem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) in Wärmeaustausch-Verbindung steht, wobei der Gasführungskanal (853) in diesem Kühlabschnitt (58) an der Kühleinrichtung (56) vorbeigeführt ist, und mit einer Kondensatabführung (59), die bereitgestellt ist, um während der Kühlung aus dem Gasstrom auskondensierte Flüssigkeit (84) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungseinrichtung (51) als Rohr-im-Rohr-Einrichtung (51 b) ausgebildet ist, mit einem ersten Rohr (66), welches als der Gasführungskanal (53) ausgebildet ist, und welches mit dem Gaseinlass (54) und dem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) verbunden ist, mit einem zweiten Rohr (68), welches sich mit einem ersten Ende (68a) an den Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) anschließt und mit einem zweiten Ende (68b) mit dem Gasauslass (55) verbunden ist, dass das zweite Rohr (68) innerhalb des ersten Rohrs (66) geführt ist, oder dass das zweite Rohr (68) außerhalb des ersten Rohrs (66) geführt ist, derart, dass der zu trocknende Gasstrom (80) im Gegenstrom am getrockneten Gasstrom (82) vorbeigeführt wird.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des zu trocknenden Gasstroms (80) vor dem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) ein, insbesondere passiver, Vorkühlabschnitt (69) ausgebildet ist, der durch das erste Rohr (66) und das zweite Rohr (68) gebildet ist.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Rohr (66), insbesondere im Vorkühlabschnitt (69), ein Gasführungselement (71), insbesondere ein spiralförmiges Gasführungselement, angeordnet oder ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53) in seinem Kühlabschnitt (58) eine Einrichtung (60) zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms im Vergleich zur Lineargeschwindigkeit des Gasstroms vor Eintritt in den Kühlabschnitt (58) aufweist oder als eine Einrichtung (60) zur Erhöhung der Lineargeschwindigkeit des Gasstroms ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53), zumindest in seinem Kühlabschnitt (58) in Form eines einzigen Kanalabschnitts ausgebildet ist, und/oder dass der Gasführungskanal (53), zumindest in seinem Kühlabschnitt (58), totraumfrei ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53), zumindest in seinem Kühlabschnitt (58), eine Spaltweite von 0,1mm bis 1mm und/oder eine Kanalbreite von 0,1mm bis 2mm aufweist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (56) ein Peltierelement (56a) oder einen Kompressorkühler aufweist, oder dass die Kühleinrichtung (56) eine Klammer oder Manschette (56b) aus einem wärmeableitenden Material aufweist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53) im Kühlabschnitt (58) wenigstens einen Kanalabschnitt (61) aufweist der eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Gasführungskanals (53) am Gaseinlass (54), oder dass der Gasführungskanal (53) im Kühlabschnitt (58) in zwei oder mehr Kanalabschnitte aufgeteilt ist, die unabhängig voneinander sind und die eine Querschnittsfläche aufweisen, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Gasführungskanals am Gaseinlass, und dass die Querschnittsfläche des wenigstens einen Kanalabschnitts (61) vorzugsweise eine Größe hat, die zwischen 5% und 60% der Querschnittsfläche des Gasführungskanals am Gaseinlass beträgt.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53) im Kühlabschnitt (58) einen Kanalabschnitt (61) aufweist, der einen kurvenförmigen, oder mäanderförmigen, oder schneckenförmigen oder spiralförmigen Verlauf hat.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungseinrichtung (51, 51a, 51b) eine Auffangvorrichtung (63) zum Auffangen von aus dem Gasstrom auskondensierter Flüssigkeit (84) aufweist, die sich an das Ende des Kühlabschnitts (58) des Gasführungskanals (53) anschließt, oder die als Ende des Kühlabschnitts (58) des Gasführungskanals (53) ausgebildet ist, und dass die Auffangvorrichtung (63) insbesondere mit der Kondensatabführung (59) verbunden ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende des Kühlabschnitts (58) des Gasführungskanals (53) und dem Gasauslass (55) ein Demister (64) und/oder ein Drainageelement (65) angeordnet ist, und/oder dass zwischen dem Ende des Kühlabschnitts (58) des Gasführungskanals (53) und dem Gasauslass (55) wenigstens eine zumindest partiell hydrophile Zone und/oder wenigstens eine zumindest partiell hydrophobe Zone ausgebildet ist, oder dass zwischen dem Ende des Kühlabschnitts (58) des Gasführungskanals (53) und dem Gasauslass (55) wenigstens ein zumindest partiell hydrophiler Einsatz und/oder wenigstens ein zumindest partiell hydrophober Einsatz angeordnet ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Gasauslass (55) ein Temperatursensorelement angeordnet ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach dem Kühlabschnitt (58) des Gasführungskanals (53) und vor dem Gasauslass (53) eine zweite Kühlstufe in der Gasführungseinrichtung (51, 51a, 51 b) angeordnet oder ausgebildet ist.
Energiesystem (10), insbesondere Hausenergiesystem, aufweisend eine Elektrolyseeinrichtung (21), eine Brennstoffzelleneinrichtung (22), eine Hochdruckspeichereinrichtung (31) sowie eine Verbindungsleitungseinrichtung (40), über die vorzugsweise die Elektrolyseeinrichtung (21) mit der Hochdruckspeichereinrichtung (31) sowie die Hochdruckspeichereinrichtung (31) mit der Brennstoffzelleneinrichtung (22) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiesystem wenigstens eine Trocknungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung (50) zum Trocknen eines Gasstroms (80), insbesondere zur Trocknung eines Wasserstoff-Gasstroms, insbesondere einer Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10 oder 11, wobei die Trocknungsvorrichtung (50) eine Gasführungseinrichtung (51) mit einem Gasführungskanal (53) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsvorrichtung (50), insbesondere die Gasführungseinrichtung (51), mittels eines thermischen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, insbesondere mittels eines Lötverfahrens, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungseirichtung (51) als plattenförmiges Bauteil (51a) ausgebildet ist, in welchem der Gasführungskanal (53) ausgebildet ist, und dass die Gasführungseinrichtung (51) eine Grundplatte (51c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Bauteil (51a) und die Grundplatte (51c) mittels des thermischen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, insbesondere mittels eines Lötverfahrens, miteinander verbunden werden.