EP4532082A2 - Vorrichtung zum trocknen eines gasstroms - Google Patents

Vorrichtung zum trocknen eines gasstroms

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Publication number
EP4532082A2
EP4532082A2 EP23729029.1A EP23729029A EP4532082A2 EP 4532082 A2 EP4532082 A2 EP 4532082A2 EP 23729029 A EP23729029 A EP 23729029A EP 4532082 A2 EP4532082 A2 EP 4532082A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
gas guide
cooling
guide channel
cooling section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23729029.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Camillo SPÖRI
Johannes Hauer
Gunnar SCHNEIDER
Uwe Benz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HPS Home Power Solutions AG
Original Assignee
HPS Home Power Solutions AG
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Filing date
Publication date
Application filed by HPS Home Power Solutions AG filed Critical HPS Home Power Solutions AG
Publication of EP4532082A2 publication Critical patent/EP4532082A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/265—Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers

Definitions

  • the present invention initially relates to a drying device for drying a gas stream according to the preamble of patent claim 1, as well as according to the preamble of patent claim 2. Furthermore, the invention also relates to an energy system, in particular a domestic energy system, according to the preamble of patent claim 16, as well as a method for production a drying device according to the preamble of claim 15.
  • drying takes place in such a way that the initially moist gas stream is cooled in a gas cooler.
  • the cooling increases the relative humidity in the gas to such an extent that the excess moisture in the gas condenses.
  • the condensed liquid is separated from the gas stream and drained out of the gas cooler via a condensate drain.
  • Such a gas cooler is described, for example, in DE 196 22 530 A1.
  • the gas is cooled in a cooling block.
  • This cooling block is cooled from the outside with a Peltier element.
  • the gas to be dried is introduced via a gas supply pipe into a recess located in the cooling block, the recess forming an annular space.
  • the Peltier element's cold side is in flat contact with the recess in the cooling block. In this way, the gas stream in the recess is cooled.
  • the liquid that condenses out of the moist gas leaves the recess in the cooling block via a condensate drain.
  • the dried gas stream leaves the gas cooler via a gas discharge pipe.
  • the area available for active cooling of the gas flow in this known solution is very limited, which reduces the cooling performance and efficiency of the gas cooler.
  • An increase in cooling performance and efficiency is only possible if the gas cooler is correspondingly larger is dimensioned, but this also entails more material, more installation space, higher manufacturing costs and a higher thermal mass.
  • CN 215428142 U discloses a gas cooler which has a gas guide channel in a cooling section that lies between a gas inlet and a gas outlet.
  • This gas guide channel has a folded, curved course.
  • This cooling section is cooled via a cooling element. Condensate formed during drying is drained off via a condensate drain.
  • the gas guide channel largely has a course that is perpendicular to the cooling element, so that only a very small portion of the gas guide channel is guided past the gas guide channel. However, this reduces the efficiency of the gas cooler.
  • This gas cooler is constructed according to the tube-in-tube principle. A first tube interacts with a gas inlet and a cooling device, while a second tube interacts with a gas outlet and the cooling device.
  • the present invention is based on the object of developing a device of the type mentioned in such a way that the gas stream can be dried as effectively as possible, in particular with the lowest possible material requirement, a compact design, low manufacturing costs and with the most flexible dimensioning possible , is achieved.
  • a so-called demister can preferably be used, which specifically forms hydrophilic and/or hydrophobic areas in a porous body, which each offer the gas and the condensate separate space for collecting and discharging.
  • the formation of increasingly larger drops is supported by momentum exchange, wetting and film formation on particularly hydrophilic surfaces such as metallic walls or metallic porous bodies or metallic nets or felts. Hydrophobic areas are often formed by plastic nets, plastic sponges or other porous plastic bodies.
  • these elements and materials can be mixed or cascaded in a targeted manner in a flow-through installation space.
  • this also includes elements with which a wicking effect in the direction of a larger separated liquid volume can be achieved.
  • the condensed liquid can therefore be separated more easily and efficiently from the gas stream and is ultimately collected, for example, in a collecting device, which in particular represents a type of separation vessel. From there, the liquid can be removed from the drying device via a condensate drain or condensate drain. Further preferred embodiments of this are described further below in the further course of the description.
  • the drying device according to the invention is particularly suitable for continuous operation, but also for cyclical operation, as occurs, for example, in electrolysis, for example through operation during the day and standstill at night.
  • the present invention is preferably located in the field of microtechnology.
  • the first two aspects of the invention each relate to a drying device for drying a gas stream.
  • these drying devices it is possible to achieve efficient cooling and thus efficient drying of the gas stream, with the optimized flow guidance and the significantly increased heat transfer making a compact design and material savings possible, which in turn leads to efficiency and cost optimization.
  • a drying device is provided which combines the features of the first and second aspects of the invention in combination.
  • a gas stream is dried using each drying device.
  • the invention is fundamentally not limited to the drying of certain gas streams or types of gas.
  • the drying device is used in connection with the drying of a hydrogen gas stream.
  • Hydrogen is considered one of the hopes for climate-friendly energy production.
  • the liquid that condenses out during cooling, i.e. the condensate, is in particular water.
  • the drying devices initially have a gas guide device.
  • the gas guide device which can be designed in different ways, includes all components and elements that are required for the transport and drying of the gas stream and optionally for the removal of liquid that has condensed out of the gas stream.
  • the gas guide device initially has a gas guide channel through which the gas stream to be dried is passed.
  • a channel is in particular a guided, in this case also closed, path, similar to a pipe, or a pipe.
  • the gas guide channel interacts with a gas inlet. This gas inlet is provided in order to introduce the gas stream to be dried into the gas guide device, in particular into the gas guide channel.
  • the moist gas stream enters the gas guide device, and in particular into the gas guide channel, via the gas inlet.
  • the gas inlet can be connected directly to the gas guide channel or represent the end region of the gas guide channel.
  • additional components can also be provided between the gas inlet and the gas guide channel.
  • a gas outlet is provided, which is provided in order to remove the dried gas stream from the gas guide device.
  • the initially moist gas stream flowing through the gas guide channel is dried as it flows through the gas guide channel, i.e. the absolute humidity of the gas stream decreases, and is discharged from the drying device as a dried gas stream at the end of the drying process via the gas outlet. It can be advantageous to provide further components between the end of the gas guide channel and the gas outlet, some of which will be explained in more detail below using a few examples.
  • the actual cooling of the gas stream which also leads to drying of the gas stream in the manner described above, is carried out by means of a cooling device.
  • the invention is not limited to certain types of cooling devices. Some preferred, but not exclusive, exemplary embodiments are explained in more detail in the further course of the description.
  • the cooling device is provided for actively cooling the gas stream. With active cooling, the heat energy stored in the gas stream to be cooled is transported away with the help of a specially designed component.
  • the cooling device in particular provides a cold, flat or curved surface that is specifically set to a temperature.
  • the temperature to be set can also be set depending on the operating status or the heat output to be dissipated.
  • Other structural designs can also allow heat to be dissipated over a non-flat surface, for example Implement holes or channels through which a cooling medium is pumped or the cooling section of the gas guide channel is immersed in a cold thermostatized liquid, which can absorb the heat output to be released.
  • the cooling device is in heat exchange connection with at least a section of the gas guide channel, which is referred to below as the cooling section of the gas guide channel.
  • the cooling device and the cooling section cooperate in such a way, for example are aligned with one another or are arranged in such a way in relation to one another in the gas guide device, that in the area of the cooling section a heat exchange occurs between the cooling device and the gas stream flowing through the cooling section of the gas guide channel, through which the heat is removed from the gas stream.
  • the gas guide channel at least its cooling section, is guided along the cooling device. This means that the gas guide channel runs past the cooling device over a certain path, for example parallel to the cooling device. “Run along” also means in particular that the gas guide channel runs past the cooling device at a constant distance.
  • both the cooling section and at least the contact surface of the cooling device are plate-shaped, with the plates lying on top of or against one another.
  • the gas guide channel is formed in the plate-shaped cooling section, which then lies in a plane that is parallel to the plane of the cooling device.
  • the drying devices also have a condensate discharge, which is provided in order to remove liquid that has condensed out of the gas stream during or after cooling.
  • the liquid that condenses out during the drying process is, for example, water, which can be reused and made available to other processes.
  • the water is created, for example, during an electrolysis process.
  • the condensate drainage can be connected to suitable lines or line elements via which the condensed liquid can be transported to other locations.
  • a drying device for drying a gas stream is provided, which has the features of independent claim 1.
  • this drying device is characterized according to the invention in that the gas guide channel in the cooling section is preferably guided along the cooling device over more than 50% of its length, and that the gas guide channel in its cooling section has a device for increasing the linear speed of the gas flow in comparison to the linear speed of the gas stream before entering the cooling section, in particular at the gas inlet, or is designed as such a device for increasing the linear velocity of the gas stream.
  • the gas guide channel in the cooling section can be guided past the cooling device over more than 60% or 70% or 80% or 90% up to 100% of its length.
  • the entire gas guide channel is guided along the cooling device in its cooling section.
  • the linear speed is, in particular, the speed of the gas flow in a straight, i.e. linear, direction through the gas guide channel.
  • liquid condensed from the gas stream and aerosols in the gas stream can be brought together to form larger drops .
  • the gas guide channel preferably has a gap width of less than 1 mm. This will be explained in more detail in the course of the description below.
  • the laminar flow in the gas guide channel with a very narrow gap also leads to very good cooling overall.
  • exactly one flow path in the form of the gas guide channel is provided in the cooling section. This results in increased heat transfer surfaces, which lead to particularly efficient cooling. This creates a significant increase in heat transfer in both turbulent and laminar flow.
  • the component that creates the gas guide channel can be made much more compact. Increasing the linear speed can be achieved in different ways. Some preferred, but not exclusive, exemplary embodiments for a corresponding device are explained in more detail in the further course of the description.
  • channel geometries can be created in this way.
  • channel geometries with very small gap widths of preferably 0.1 to 1 mm and/or channel widths preferably between 0.1 and 2 mm. This leads to laminar flow conditions with very high heat transfer coefficients.
  • Such a configuration is particularly suitable for producing a soldered gas guide device or drying device.
  • a particularly suitable method for producing a drying device is explained further below in connection with the fourth aspect of the invention.
  • a single plate-shaped gas guide device and a single cooling device are required.
  • two or more cooling devices can also be provided.
  • the cooling device(s) can then be connected to the plate-shaped gas guide device from one or both sides, so that cooling can take place from one side or from both sides.
  • a cooling device can then be provided on one or both outer surfaces of the stack. It is also conceivable to provide further cooling devices within the stack.
  • a drying device for drying a gas stream which has the features of independent claim 2.
  • this drying device is characterized according to the invention in that the gas guide device is designed as a tube-in-tube device.
  • the gas guide device has at least two tubes that are arranged concentrically one inside the other. In this case, one pipe is flowed through by the moist, cooling gas stream which releases heat in the direction of flow, while the other pipe is flowed through in countercurrent by the dried gas stream which absorbs heat in the direction of flow.
  • the gas guide device has a first tube, which is designed as the gas guide channel or which represents a component of the gas guide channel, and which is connected to the gas inlet and the cooling section of the gas guide channel.
  • the cooling section is in turn that section of the gas guide channel that is in heat exchange connection with the cooling device.
  • the gas guide device has a second tube, which connects to the cooling section of the gas guide channel with a first end and is connected to the gas outlet with a second end.
  • the first end can be connected directly to the cooling section.
  • further components of the drying device can be provided or interposed between the first end and the cooling section.
  • the two tubes can be arranged differently inside each other.
  • the second tube is guided within the first tube.
  • the second tube is guided outside the first tube.
  • the two tubes are arranged one inside the other in such a way that the moist gas stream to be dried is guided past the dried gas stream in countercurrent.
  • the dry, cold gas stream can be used in the countercurrent principle inside or outside the gas guide channel to cool the incoming, moist gas and thus increase the efficiency of the drying device, which represents a gas cooler. This means lower energy requirements for active cooling.
  • the cooling by passing the dry gas stream past the moist gas stream represents so-called passive cooling. This means that the heat can be transported away without any additional components specifically designed for this purpose.
  • a, in particular passive, pre-cooling section is formed in front of the cooling section of the gas guide channel, which is formed by the first tube and the second tube and which has little or no thermal coupling with the cooling device. That area of the gas guide device which has the cooling device, which is in heat exchange connection with the cooling section of the gas guide channel, then represents the main cooler, while the pre-cooling section represents a pre-cooler.
  • the dry, cold gas stream which flows through the second pipe towards the gas outlet, can be used in the countercurrent principle inside or outside the first pipe, which represents the gas guide channel and transports the moist gas stream from the gas inlet towards the main cooler, to the inflowing, moist gas to cool down and thus increase the efficiency of the gas cooling.
  • the precooler area can be shortened by increasing the heat transfer coefficients, for example by reducing the gap between the concentric tubes.
  • a gas guidance element in particular a spiral-shaped gas guidance element, is preferably arranged or formed in the first pipe, in particular in the pre-cooling section.
  • This can be, for example, a spring element, for example a metal spring element, a 3D printing element, or the like.
  • the gas guide element can serve to increase the linear speed of the gas flow, for a given cross section of the annular gap between the two concentric tubes, and at the same time to prevent condensing or even freezing liquid from blocking part of the cross section through which it flows.
  • the invention is not limited to the two examples mentioned.
  • a gas guide element can also be realized by channels introduced onto the outside of the inner tube, for example by turning, engraving, lasering, rolling and the like, preferably with a very close fit between the outer and inner tubes.
  • the gas guide channel has in its cooling section a device for increasing the linear velocity of the gas flow in comparison to the linear velocity of the gas flow at the gas inlet, or it is designed as a device for increasing the linear velocity of the gas flow.
  • the drying device is a combination of the two drying devices according to the first and second aspect of the invention.
  • the main cooler is designed as in a drying device according to the first aspect of the invention, and that a precooler is further provided according to the tube-in-tube principle, as is implemented in the drying device according to the second aspect of the invention.
  • the drying device according to the second aspect of the invention additionally has a further main cooler according to the first aspect of the invention, and in this respect then two main coolers.
  • the gas guide channel is preferably designed to be free of dead space, at least in its cooling section. This means in particular that the gas guide channel does not have any areas that are not involved in guiding the gas flow.
  • the gas guide channel at least in its cooling section, has a gap width of 0.1mm to 1mm and/or a channel width of 0.1mm to 2mm.
  • the very narrow flow channels up to the p-technique (0.1 - 0.3 mm gap width), enable, especially with the unique properties of hydrogen: a) exceptionally small pressure losses for a given volume flow due to very low density and viscosity and b) a very high specific thermal conductivity, which means extremely good heat transfer coefficients and therefore an extremely small design. In addition, a large amount of pressure loss, for example up to 1 bar, can be tolerated.
  • the configurations mentioned can be implemented both in the drying device according to the first aspect of the invention and in the drying device according to the second aspect of the invention.
  • the active cooling can take place using Peltier elements, so that the cooling device has at least one Peltier element.
  • Peltier elements are known and familiar to those skilled in the art.
  • a Peltier element is a thermoelectric energy converter that can convert a heat flow into electricity or pump heat from one side to the other by applying a voltage.
  • a Peltier element basically has a cold side, a warm side and thermoelectric elements in between. The cold side then interacts with the cooling section of the gas guide channel, with the cooling section of the gas guide channel being guided past the cold side of the Peltier element.
  • the cooling device can have at least one compressor cooler. This type of cooling element is preferably, but not necessarily, used in a drying device according to the first aspect of the invention.
  • the cooling device has a clamp or sleeve made of a heat-dissipating material, for example aluminum, which is placed in particular around the area to be cooled becomes.
  • a heat-dissipating material for example aluminum
  • the drying device has more than one cooling device.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments mentioned for the cooling device.
  • the cooling device can also be implemented in the form of liquid cooling.
  • the entire gas guide device, at least that area with the gas guide channel, in particular at least the cooling section of the gas guide channel, or a part thereof, could be immersed in a cooling liquid.
  • the advantage of a single flow channel in a two-phase flow is, in particular, the positive guidance and/or the avoidance of dead areas described above that block parts of the heat exchange surface.
  • This channel section preferably has the greatest possible length, as will be explained in more detail below using preferred exemplary embodiments.
  • the channel section can, for example, have a channel depth preferably between 0.1 and 1 mm and thus generate very good heat transfer in the present laminar flow.
  • the gas guide channel in the cooling section is divided into two or more channel sections that are independent of one another and each have a cross-sectional area that is smaller than the cross-sectional area of the gas guide channel in front of the cooling section, for example at the gas inlet.
  • the gas guide channel in the cooling section is divided into two or more channel sections that are independent of one another and each have a cross-sectional area that is smaller than the cross-sectional area of the gas guide channel in front of the cooling section, for example at the gas inlet.
  • the cross-sectional area of the at least one channel section preferably has a size that is between 5% and 60% of the cross-sectional area of the gas guide channel in front of the cooling section, for example at the gas inlet.
  • the gas guide device preferably has a collecting device for collecting liquid condensed out of the gas stream. This can be located, for example, at the end of the cooling section of the gas guide channel connect, or be designed as the end of the cooling section of the gas guide channel.
  • the collecting device is preferably connected to the condensate discharge so that the condensed liquid can be removed from the drying device.
  • At least one further component can be provided between the end of the cooling section of the gas guide channel and the gas outlet.
  • At least one at least partially hydrophilic zone and/or at least one at least partially hydrophobic zone can be formed between the end of the cooling section of the gas guide channel and the gas outlet, or there is at least one at least partial zone between the end of the cooling section of the gas guide channel and the gas outlet hydrophilic insert and / or at least one at least partially hydrophobic insert is arranged.
  • a demister and/or a drainage element can be arranged here.
  • a demister also called a droplet separator or aerosol separator, is a device for separating drops of liquid from flowing gaseous media.
  • the demister can, for example, consist of a porous, hydrophilic, hydrophobic or optimized partially hydrophilic and partially hydrophobic material, of a fine-pored foam, of a sintered metal, or the like.
  • targeted flow paths for the escaping gas and collection points and drainage paths or drainage elements for the condensate can also be created. It is important that the demister is not flooded too quickly with liquid or aerosols so that they can drip out of the demister, for example into a drainage element.
  • deposition via demister with removal via wicking is provided.
  • the demister is designed as a hydrophobic demister.
  • the demister is partially hydrophilic and partially hydrophobic with controlled porosities.
  • the hydrophobic part can have large pore diameters while the hydrophilic part has small pore diameters.
  • the drainage element can be designed, for example, as a wire mesh, as a wire mesh or in the form of another type of liquid separator.
  • aerosols contained in the gas stream can be removed via a subsequent demister and from there fed to the separated liquid volume via a drainage element acting as a condensate bridge with a continuous water film, for example a wire mesh, via gravity and/or capillary action/wicking.
  • a drainage element acting as a condensate bridge with a continuous water film for example a wire mesh
  • a temperature sensor element can preferably be arranged at the gas outlet and/or at the end of the cooling section of the gas guide channel and/or behind a demister.
  • the liquid mass flow for example the water mass flow
  • the liquid for example liquid water
  • the remaining amount of gaseous moisture can be determined via the dew point and the gas mass flow. Since dew point and mass flow sensors are very cost-intensive, existing parameters are used to feed the loading model:
  • the amount of gas can, for example, be determined from the electrolyzer membrane area and current.
  • the dew point can be determined using an inexpensive temperature sensor, which is preferably located at the outlet of the gas cooler, since the relative humidity of the gas there is always 100% and this does not have to be measured separately.
  • the drying device has a monitoring device for monitoring the functionality of the drying device, or cooperates with such a monitoring device.
  • the monitoring device is provided in such a way that it is able to monitor the functionality and thus the effectiveness of the drying device.
  • this monitoring is carried out on the basis of the amount of condensate removed from the drying device, for example the amount of water. This can be done, for example, directly or indirectly, for example via pressure measurement on a valve device downstream of the drying device or the condensate discharge.
  • a second cooling stage can be arranged or formed in the gas guide device in the flow direction after the cooling section of the gas guide channel and in front of the gas outlet. For example, a multi-stage variant with a cryogenic second stage is conceivable, which cools the gas significantly further by freezing the remaining liquid.
  • the drying device is preferably provided for continuous operation and is also suitable for a “freezing/thawing” batch operation.
  • an energy system in particular a building energy system or house energy system, is provided which has the features of independent patent claim 14.
  • the energy system has an electrolysis device, a fuel cell device, a high-pressure storage device and a connecting line device, via which, in a preferred embodiment, the electrolysis device is connected to the high-pressure storage device and the high-pressure storage device to the fuel cell device.
  • at least one drying device according to the first aspect of the invention and/or according to the second aspect of the invention is arranged in the energy system.
  • the drying device can be used as a variant between two stages of a pressure-boosting compressor in order to increase the degree of separation drying.
  • the drying device according to the invention can be used at different points in the energy system.
  • the energy system is, in particular, a whole consisting of several components, with the components being connected to one another to form a dedicated unit.
  • the energy system is a system for generating or providing energy, preferably electrical energy.
  • the invention is not limited to certain types of energy systems. Various preferred exemplary embodiments are described below in this regard.
  • the energy system is a building energy system or a house energy system.
  • Such energy systems are basically known from the prior art and are used to supply houses, for example low-energy houses, passive houses or zero-energy houses, with energy in the form of heat and in particular in the form of electricity, for example electricity from renewable energy sources such as photovoltaics (PV). Generators or small wind turbines.
  • renewable energy sources such as photovoltaics (PV). Generators or small wind turbines.
  • PV photovoltaics
  • Such a home energy system creates the basis for the energy requirements of a house, especially a low-energy house, a passive house or a zero-energy house, to be covered entirely from renewable energy sources in terms of both electricity and heat requirements, thus ensuring complete CO2-free operation.
  • at least the electricity needs of a house can be covered almost entirely from renewable energy sources, in particular by means of a PV generator and/or a small wind turbine, in the sense of increasing self-consumption.
  • a home energy system of the type mentioned has the following basic features: a DC feed point, preferably designed for a nominal voltage of 48 volts or for a nominal voltage between 200 and 1000 volts and / or an AC feed point, preferably designed for a voltage of 230 volts or 110 volts or a 3-phase feed with 230 volts or 110 volts per phase, with the DC feed point and / or the AC feed point at least temporarily during operation is connected to an electrical consumer that has a consumption power, a PV generator electrically connected to the DC feed point at least temporarily for generating an electrical PV power, one electrically connected to the DC feed point or to the AC feed point at least temporarily connected fuel cell unit for generating an electrical fuel cell power, an electrolysis unit electrically connected to the DC feed point for generating hydrogen to be consumed by the fuel cell unit, the electrolysis unit being fed with an electrical electrolysis input power during operation, a hydrogen tank, in particular as a long-term energy storage , which is at least temporarily fluidly connected to the fuel
  • a method for producing a drying device for drying a gas stream, in particular for drying a hydrogen gas stream, in particular a drying device according to the first aspect of the invention is provided, wherein the drying device has a gas guide device with a gas guide channel.
  • the drying device has a gas guide device with a gas guide channel.
  • the method is characterized in that the drying device, in particular the gas guide device, is produced by means of a thermal process for the cohesive joining of materials.
  • the manufacturing process is a soldering process. Such methods are generally known to those skilled in the art. However, it is not trivial, and therefore was not obvious to those skilled in the art, to use these methods to produce drying devices according to the present invention.
  • the gas guide device of the drying device is designed as a plate-shaped component in which the gas guide channel is formed. Furthermore, the gas guide device has a base plate.
  • the method is characterized in that the plate-shaped component and the base plate are connected to one another using the thermal process for the cohesive joining of materials, in particular using a soldering process.
  • Figure 1 shows a schematic view of an energy system in which the drying device according to the invention is used
  • Figures 2 to 4 show different views of a first exemplary embodiment of a drying device according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • Figure 5 shows a view of a second exemplary embodiment of a drying device according to the invention according to the second aspect of the invention.
  • a drying device for drying a gas stream can be used in different ways and in different systems.
  • a possible system is, for example, an energy system.
  • the invention is explained below using such an energy system.
  • the basic structure of the energy system 10 is first described, the energy system 10 being used as a home energy system.
  • the energy system 10 initially has a first subsystem 20, which is designed as an interior system. This means that the first subsystem 20 is located inside the house.
  • the energy system 10 has a second subsystem 30 in the form of an external system. This means that the second subsystem 30 is located outside the house.
  • the first subsystem 20 has a first energy source device, which is an electrolysis device 21 for producing hydrogen.
  • the first subsystem 20 has a fuel cell device 22.
  • the second subsystem 30 has a high-pressure storage device 31.
  • the hydrogen produced is stored in the high-pressure storage device at up to 700 bar.
  • the second subsystem 30 has a medium-pressure storage device 32 in which the hydrogen produced is temporarily stored at pressures between 20 and 30 bar before it is finally stored from there in the high-pressure storage device.
  • the individual components of the energy system 10 are connected to one another via a connecting line device 40, which consists of a number of different line sections 40a to 40k. At least one line section 40a is designed as a so-called bidirectional line section. This means that the line section 40a is flowed through in both directions during operation of the energy system 10.
  • a flushing device 23 is provided with a flushing chamber, which is connected to the two aforementioned components via a line section 40g.
  • the hydrogen produced in the electrolysis device 21 by means of electrolysis leaves the electrolysis device 21 via a line section 40f, which merges into the line section 40e.
  • a check valve device 24 in the flow direction of the hydrogen produced and subsequently a filter device 25 and a drying device 50, in which the hydrogen produced is filtered and dried.
  • the filter device 25 and the drying device 50 can alternatively also be located in the second subsystem 30.
  • the hydrogen produced flows from the drying device 50 via the line sections 40a and 40c to a further check valve device 35, which marks one end of the line section 40c.
  • the hydrogen generated flows via a line section 40h and 40i into the medium-pressure accumulator 32, which is connected to a further line section 40j via a valve device 33, which is designed in particular as a check valve, for example in the form of a solenoid valve.
  • a valve device 33 which is designed in particular as a check valve, for example in the form of a solenoid valve.
  • the ends in the high-pressure storage device 31 there is a compressor device 34 in front of the high-pressure storage device 31, in particular in the form of a piston compressor.
  • the hydrogen produced is stored in the high-pressure storage device 31 via the compressor device 34.
  • the hydrogen temporarily stored in the medium-pressure storage device 32 is stored in the high-pressure storage device 31 by actuating the compressor device 34.
  • This production process of the hydrogen up to its storage in the high-pressure storage device 31 represents a first mode of operation of the energy system 10.
  • this first mode of operation of the energy system 10 there is a pressure of 20 to 60 bar in the line sections 40a to 40e of the connecting line device 40.
  • Such a pressure also exists in the medium-pressure storage device 32.
  • the hydrogen removed from the medium-pressure storage device 32, which is an intermediate storage device, is compressed via the compressor device 34 to such an extent that it is stored in the high-pressure storage device 31 at pressures of up to 700 bar can be.
  • the hydrogen stored in the high-pressure storage device 31 is used to operate the fuel cell device 22.
  • the operation of the fuel cell device 22 takes place in the second operating mode of the energy system 10.
  • the fuel cell device 22 can only work at pressures of less than 20 bar.
  • the hydrogen is removed from the high-pressure storage device 31 via a line section 40k, expanded to the required pressure via an expansion device 36 in the form of a pressure reducer and transported via a line section 40d into the bidirectional line section 40a, from where it is transferred the line section 40b enters the fuel cell device 22.
  • At least one pressure measuring device 41 for example in the form of a pressure sensor, is provided.
  • the energy system 10 shown in Figure 1 represents a portion of an overall home energy system, which is an electrically self-sufficient multi-hybrid home energy storage system based entirely on renewable energies.
  • the multi-hybrid home energy storage system makes it possible to distribute the electrical energy generated by a photovoltaic (PV) system, a small wind turbine or the like over the entire year based on demand.
  • PV photovoltaic
  • the system acts as an island system independent of the electrical network. Rather, the system is intended to ensure the electrical self-sufficiency of the house, so that no electrical energy has to be drawn from the power grid throughout the year.
  • the primary task of the home energy system is to make the electrical energy obtained from photovoltaic (PV) modules or the like available to the consumer in the household. Secondarily, excess electrical energy can be temporarily stored in a short-term battery storage system during times of low load or high irradiation. Tertiary, in long-term hydrogen storage, the electrical energy can be stored as gaseous hydrogen for periods of low irradiation such as night, winter or the like in the medium to long term and made available again at any time as needed using fuel cells.
  • PV photovoltaic
  • the system In addition to energy-related tasks, the system also functions as controlled living space ventilation using a built-in ventilation device.
  • the hydrogen produced in the electrolysis device flows via the hydrogen line into the pressure storage system installed outside.
  • the fuel system can cover the additional electrical energy requirements.
  • the hydrogen flows via the hydrogen line from the pressure storage system to the fuel cell device.
  • the entire system is operated centrally via an Energy Manager with predictive energy management.
  • the second subsystem is in principle intended for operation outdoors, but under certain conditions can also be installed and operated within a specific area of the house.
  • the drying device 50 shown in FIG. 1 can, for example, be a drying device according to the invention.
  • This drying device 50 according to the invention is described in more detail below using two exemplary embodiments with reference to FIGS. 2 to 5.
  • Figures 2 to 4 show a first exemplary embodiment of a drying device according to the invention, while in Figure 5 a second exemplary embodiment of a drying device 50 according to the invention is shown.
  • drying device 50 by means of which an initially moist gas stream, here a hydrogen gas stream, is dried by, in particular active, cooling, and that moisture that condenses out during cooling, here water, is then dried via an integrated Water separation is removed from the drying device 50.
  • an initially moist gas stream here a hydrogen gas stream
  • the drying device 50 has a gas guide device 51, which is designed as a plate-shaped component 51a.
  • the individual components of the gas guide device 51 are arranged or formed within a base plate 51c. For example, these can be milled, etched or similar into the base plate material. Since the drying device 50 is preferably soldered, the base plate 51c has a solder catcher 52 at various points.
  • the gas guide device 51 has a gas guide channel 53 through which the moist gas stream to be dried is conducted.
  • the gas guide channel 53 cooperates with a gas inlet 54, via which the moist gas stream to be dried is introduced into the gas guide device 51, in particular into the gas guide channel 53.
  • the actual cooling of the gas stream takes place by means of a cooling device 56, which in the exemplary embodiment shown is designed as a Peltier element 56a and which has electrical lines 57.
  • the cooling device 56, 56a is in heat exchange connection with a cooling section 58 of the gas guide channel 53.
  • the gas guide channel 53, at least its cooling section 58 is guided along the cooling device 56, 56a over its entire length, that is to say 100%.
  • the drying device 50 also has a condensate discharge 59, via which liquid that condenses out of the gas stream during cooling, here water, is removed.
  • the gas guide channel 53 has a device 60 in its cooling section 58 for increasing the linear speed of the gas flow compared to the linear speed of the gas flow before entering the cooling section 58, in particular at the gas inlet 54.
  • the gas guide channel 53 in the cooling section 58 preferably has a channel section which has a meandering shape . This means that areas in the form of straight channel sections 61 and, in particular rounded, curves 62 alternate in close succession in turns. A very long channel section with a small cross-sectional area is created. This allows liquid and aerosols condensed from the gas stream to be combined into larger drops in the gas stream.
  • the gas guide device 51 has a collecting device 63 for collecting liquid condensed out of the gas stream. This adjoins the end of the cooling section 58 of the gas guide channel 53.
  • a demister 64 and a drainage element 65 are also provided between the end of the cooling section 58 of the gas guide channel 58 and the gas outlet 55.
  • Aerosols still contained can be removed via the demister 64 and from there fed to the separated liquid volume in the collecting device 63 via the drainage element 65, which acts as a condensate bridge, for example a wire mesh. From there, the liquid can be removed from the gas guide device 51 of the drying device 50 via the condensate drain 59.
  • FIG. 50 Another embodiment of a drying device 50 according to the invention is shown in FIG.
  • the drying device 50 has identical components compared to the first exemplary embodiment, which are provided with identical reference numbers and with regard to which reference is also made to the statements on the first exemplary embodiment.
  • the drying device 50 has a gas guide device 51, which is designed as a tube-in-tube device 51b.
  • the gas guide device has two tubes 66, 68 which are arranged one inside the other.
  • the gas guide device 51, 51b has a first tube 66, which is designed as the gas guide channel 53 and which is connected to the gas inlet 54 and the cooling section 58 of the gas guide channel 53.
  • the first tube represents an outer tube.
  • the cooling section 58 is in turn that section of the gas guide channel 53 which is in heat exchange connection with the cooling device 56.
  • the cooling device 56 has a bracket or sleeve 56b made of a heat-dissipating material, for example aluminum, which is placed around the tube 66 which carries the gas stream to be cooled and dried. In this way, the gas stream flowing through the tube 66 is guided past the cooling device 56, 56b and is thereby actively cooled.
  • the gas guide device 51, 51b has a second tube 68, which represents an inner tube compared to the first tube 66, since it is guided in the first tube 66.
  • the second tube 68 adjoins the cooling section 58 of the gas guide channel 53 with a first end 68a and is connected to the gas outlet 55 with a second end 68b.
  • This Component is optional and primarily serves to realize the desired length of the gas guide device 51, 51b.
  • the two tubes are arranged one inside the other in such a way that the moist gas stream 80 to be dried, which enters via the gas inlet 54 into the first tube 66, which functions as a gas guide channel 53 and which represents the outer tube, and is transported in the direction of the cooling device 56, 56b becomes.
  • the direction of flow of the moist gas stream to be dried is provided with the reference number 81.
  • the dried gas stream 82 is guided past the moist gas stream 80 to be dried through the inner second tube 68.
  • the direction of flow of the dry gas stream 82 is provided with the reference number 83. In this way, the moist gas stream 80 to be dried is already cooled by the dry, cold gas stream 82 before it reaches the cooling device 56, 56b. This increases the efficiency of the drying device 50.
  • a passive pre-cooling section 69 is formed , which is formed by the first tube 66 and the second tube 68.
  • the dry, cold gas stream 82 which flows through the second pipe 68 in the direction 83 of the gas outlet 55, is used in the countercurrent principle within the first pipe 66, which represents the gas guide channel 53 and transports the moist gas stream 80 from the gas inlet 54 in the direction 81 of the main cooler in order to cool the incoming, moist gas 80 in advance and thus increase the efficiency of the gas cooling.
  • a gas guidance element 71 in particular a spiral-shaped gas guidance element, is arranged or formed in the first tube 66, in particular in the pre-cooling section 69
  • the gas which flows through the first pipe 66 in the flow direction 81 in the direction of the main cooling section 70, flows through the cooling section 58 of the gas guide channel 53 past the cooling device 56, 56b and is cooled in the process.
  • drying occurs because the moisture contained in the gas stream condenses.
  • the now dry gas stream is diverted into the second pipe 68 via deflection elements 72 and introduced into it, and flows through the second pipe 68 in the direction of the gas outlet 55.
  • the liquid that condenses out during the drying process in the main cooling section 70 is collected in a collecting device 63, which is located below the cooling section 58 of the gas guide channel 53.
  • the collecting device 63 is connected to a condensate drain 59 so that the condensed liquid 84 can be removed from the drying device 50.
  • a demister 64 and a drainage element 65 are arranged between the end of the cooling section 58 of the gas guide channel 53 and the gas outlet 55, here in front of the first end 68a of the second tube 68. This means that aerosols contained in the gas stream can be removed via the demister 64 and from there fed to the separated liquid volume in the collecting device 63 via the drainage element 65, for example a wire mesh.

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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) entlanggeführt 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) im Kühlabschnitt (58) über mehr als 50% seiner Länge an der Kühleinrichtung (56) entlanggeführt ist, und 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

Beschreibung
Vorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines Gasstroms gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , sowie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 2. 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 15.
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.
In der CN 215428142 U ist ein Gaskühler offenbaret, der in einem Kühlabschnitt, der zwischen einem Gaseinlass und einem Gasauslass liegt, einen Gasführungskanal aufweist. Dieser Gasführungskanal hat einen gefalteten, kurvenförmigen Verlauf. Gekühlt wird dieser Kühlabschnitt über ein Kühlelement. Bei der Trocknung entstehendes Kondensat wird über einen Kondensatablass abgeführt. Der Gasführungskanal hat in Bezug auf das Kühlelement zum größten Teil einen zum Kühlelement senkrecht stehenden Verlauf, so dass nur ein ganz geringer Teilbereich des Gasführungskanals an dem Gasführungskanal vorbeigeführt ist. Dadurch wird jedoch die Effizienz des Gaskühlers geschmälert.
Eine andere Art der Kühlung ist in der CN 110375563 A beschrieben. Dieser Gaskühler ist nach dem Rohr-im-Rohr Prinzip aufgebaut. Ein erstes Rohr wirkt dabei mit einem Gaseinlass und einer Kühleinrichtung zusammen, während ein zweites Rohr mit einem Gasauslass und der Kühleinrichtung zusammenwirkt.
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 2, welche den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14, welches den dritten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren zur Herstellung einer Trocknungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 15, 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 vorliegende Erfindung ist hinsichtlich ihrer Fertigung und der Verfahrenstechnik bevorzugt im Bereich der Mikrotechnik angesiedelt.
Die Abscheidung des Kondensats erfolgt vorzugsweise auf Basis gravimetrischer Kondensatabscheidung, das heißt gewichtsgeregelt.
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. In einer anderen Ausführungsform ist eine Trocknungsvorrichtung bereitgestellt, die die Merkmale des ersten und zweiten Erfindungsaspekts in Kombination vereint.
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, das heißt dem Kondensat, 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 insbesondere 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 entlanggeführt. Das heißt, der Gasführungskanal läuft über einen bestimmten Weg an der Kühleinrichtung vorbei, beispielsweise parallel zum Kühleinrichtung. „Entlanggeführt“ bedeutet insbesondere auch, dass der Gasführungskanal in einem gleichbleibenden Abstand an der Kühleinrichtung vorbeiläuft. Die Kühlwirkung der Kühleinrichtung auf den im Gasführungskanal strömenden Gasstroms ist in allen Bereichen des Gasführungskanals im Kühlabschnitt somit gleich gut. Das kann gemäß einer Ausführungsform realisiert sein, indem sowohl der Kühlabschnitt als auch zumindest die Kontaktfläche der Kühleinrichtung plattenförmig ausgebildet sind, wobei die Platten aufeinander oder aneinander liegen. In dem plattenförmigen Kühlabschnitt ist der Gasführungskanal ausgebildet, der dann in einer Ebene liegt, die parallel zur Ebene der Kühleinrichtung ist.
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 im Kühlabschnitt vorzugsweise über mehr als 50% seiner Länge an der Kühleinrichtung entlanggeführt ist, und 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.
Dadurch wird zunächst eine große Fläche bereitgestellt, in der der Gasstrom, während er an der Kühleinrichtung vorbeiströmt, abgekühlt wird. Vorzugsweise kann der Gasführungskanal im Kühlabschnitt über mehr als 60% oder 70% oder 80% oder 90% bis hin zu 100% seiner Länge an der Kühleinrichtung vorbeigeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gesamte Gasführungskanal in seinem Kühlabschnitt an der Kühleinrichtung entlanggeführt.
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, die vorzugsweise gerundet ausgebildet sind, 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. Vorzugsweise weist der Gasführungskanal eine Spaltbreite von kleiner 1 mm auf. Dies wird im Verlauf der Beschreibung weiter unten noch näher erläutert. Neben der besonderen Führung des Gasführungskanals im Kühlabschnitt in Bezug auf die Kühleinrichtung führt auch die laminare Strömung in dem Gasführungskanal mit sehr engem Spalt insgesamt zu einer sehr guten Abkühlung. Bevorzugt ist in dem Kühlabschnitt genau ein Strömungspfad in Form des Gasführungskanals bereitgestellt. Es ergeben sich vergrößerte Wärme-Übertragungsflächen, die zu einer besonders effizienten Kühlung führen. 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, insbesondere der Kühlabschnitt der Gasführungseinrichtung, bei der Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung als plattenförmiges Bauteil ausgebildet. Die einzelnen Komponenten der Gasführungseinrichtung, insbesondere der Gasführungskanal, vorzugsweise im Kühlabschnitt der Gasführungseinrichtung, sind dann innerhalb und/oder an einer Grundplatte angeordnet oder ausgebildet. Beispielsweise können diese, insbesondere der Gasführungskanal, 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 und/oder 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 2 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 gemäß dem ersten Erfindungsaspekt 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. Das bedeutet insbesondere, dass der Gasführungskanal keinerlei Bereiche aufweist, die nicht an der Führung des Gasstroms beteiligt sind.
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 p-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, die insbesondere um den zu kühlenden Bereich herumgelegt wird. 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 entlanggeführt beziehungsweise 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, wobei die jeweiligen Richtungswechsel einen gekrümmten oder gerundeten, vorzugsweise kreissegmentförmigen oder annähernd kreissegmentförmigen Verlauf haben.
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 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. In einer Ausführungsform ist eine Abscheidung per Demister mit einem Abtransport per Dochtwirkung bereitgestellt. In einer Ausführungsform ist der Demister als hydrophober Demister ausgebildet. In einer Ausführungsform ist der Demister partiell hydrophil und partiell hydrophob mit gesteuerten Porositäten ausgebildet. Beispielsweise kann der hydrophobe Teil große Porendurchmesser aufweisen, während der hydrophile Teil kleine Porendurchmesser aufweist. 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 Gasführungskanais abgeschieden. Die Restmenge an gasförmiger Feuchte, beispielsweise gasförmigen Wassers, kann überden 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.
In einer Ausführungsform weist die Trocknungsvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Funktionalität der Trockn ungsvorrichtung auf, oder wirkt mit einer solchen Überwachungseinrichtung zusammen. Die Überwachungseinrichtung ist derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, die Funktionalität, und damit die Wirksamkeit der Trocknungsvorrichtung zu überwachen. In einer Ausführungsform, auf die die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, erfolgt diese Überwachung auf Basis der aus der Trocknungsvorrichtung abgeführten Kondensatmenge, beispielsweise Wassermenge. Dies kann beispielsweise direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise über Druckmessung an einer der Trocknungsvorrichtung oder der Kondensatabführung nachgeordneten Ventileinrichtung. 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.
Die Trocknungsvorrichtung ist bevorzugt zum kontinuierlichen Betrieb bereitgestellt und eignet sich auch für einen Batch-Betrieb „Einfrieren/Auftauen“.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem, insbesondere ein Gebäudeenergiesystem oder Hausenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 14 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 Brennstoffeelleneinrichtung 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-ZTrocknungsgrad 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 Gebäudeenergiesystem oder ein Hausenergiesystem. Derartige Energiesysteme 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 Brennstoffeelleneinheit zum Erzeugen einer elektrischen Brennstoffeellen-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 Wasserstoff-Gasstroms, 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
Figur 1 in schematischer Ansicht ein Energiesystem, in welchem die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung zum Einsatz kommt;
Figuren 2 bis 4 verschiedene Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung; und
Figur 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 Figur 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 Brennstoffeelleneinrichtung 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 Brennstoffeelleneinrichtung 22 verwendet. Der Betrieb der Brennstoffeelleneinrichtung 22 erfolgt in der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10. Die Brennstoffeelleneinrichtung 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 Figur 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-Kurzzeit-Speicher 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 Brennstoffeelle 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 Verbraucheriast entnommen. Reicht die im Kurzzeitspeicher vorrätige Energie nicht aus, kann die Brennstoffeelleinnrichtung den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf decken. Im Brennstoffeellenbetrieb fließt der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung aus der Druckspeicheranlage zur Brennstoffeelleneinrichtung.
Ein zeitgleicher Betrieb von Brennstoffeelleneinrichtung 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 Figur 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 Figuren 2 bis 5 näher beschrieben. Die Figuren 2 bis 4 zeigen dabei ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung, während in Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung 50 dargestellt ist.
In den Figuren 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 51c 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 in seiner gesamten Länge, das heißt zu 100%, an der Kühleinrichtung 56, 56a entlanggeführt.
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 Kühiabschnitt 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, insbesondere gerundeten, 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 Figur 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 , 51b 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, 51 b 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 T rocknungsvorrichtung
51 Gasführungseinrichtung
51a Plattenförmiges Bauteil
51b 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

Claims

Patentansprüche
1. 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 (53) in diesem Kühlabschnitt (58) an der Kühleinrichtung (56) entlanggeführt 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) im Kühlabschnitt (58) vorzugsweise über mehr als 50% seiner Länge an der Kühleinrichtung (56) entlanggeführt ist, und 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.
2. 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) entlanggeführt 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.
3. Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 2, 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.
4. Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Rohr (66), insbesondere im Vorkühlabschnitt (69), ein Gasführungselement (71), insbesondere ein spiralförmiges Gasführungselement, angeordnet oder ausgebildet ist.
5. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 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.
6. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
7. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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
8. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
9. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , oder 5, 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.
10. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (53) im Kühlabschnitt (58) einen Kanalabschnitt (61 ) aufweist, der einen kurvenförmigen, oder mäanderförmigen, oder schneckenförmigen oder spiralförmigen Verlauf hat.
11 . Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
12. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , 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.
13. Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Gasauslass (55) ein Temperatursensorelement angeordnet ist, und/oder dass die Trocknungsvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Funktionalität der Trocknungsvorrichtung aufweist oder mit einer solchen Überwachungseinrichtung zusammenwirkt, insbesondere auf Basis der abgeführten Kondensatmenge
14. Energiesystem (10), aufweisend eine Elektrolyseeinrichtung (21 ), eine Brennstoffeelleneinrichtung (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 13 angeordnet ist.
15. 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 oder 9 oder 10, 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.
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