WO2016180387A1 - Trägergas getriebenes verdunstungsverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Trägergas getriebenes verdunstungsverfahren und -vorrichtung Download PDF

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WO2016180387A1
WO2016180387A1 PCT/DE2016/000185 DE2016000185W WO2016180387A1 WO 2016180387 A1 WO2016180387 A1 WO 2016180387A1 DE 2016000185 W DE2016000185 W DE 2016000185W WO 2016180387 A1 WO2016180387 A1 WO 2016180387A1
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fluid
carrier gas
mixing chamber
porous filter
gas stream
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PCT/DE2016/000185
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Michael Brodmann
Cristian-Liviu MUTASCU
Ulrich Rost
Jeffrey Roth
Christoph SAGEWKA
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Westfälische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/14—Evaporating with heated gases or vapours or liquids in contact with the liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • 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
    • H01M8/04126—Humidifying
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for recording fluids in a
  • Carrier gas stream wherein an enthalpic evaporation of the at least one fluid to be evaporated in the carrier gas stream takes place, and a device for
  • the device has at least one heating element, at least one device for conveying fluids and at least one mixing chamber, as well as the use of the device for use as a mobile and / or immobile device for generating a
  • Fluid components in the gas measuring technology and for wetting of fuel cell membranes are Fluid components in the gas measuring technology and for wetting of fuel cell membranes.
  • Reactant gases with the gaseous fluid to moisten Another alternative is to react the reaction gases in the fuel cell with one
  • Reaction gases with fluids by means of injectors or ultrasonic atomizer in the gas guide lines before entering the fuel cell takes place.
  • DE 39 25 580 describes a process for producing a gas-vapor mixture in which the liquid phase is evaporated in an evaporator reactor, fed to the carrier gas and then dried in a downstream stage.
  • DE 94 22 387 A1 discloses the regulation of water in a fuel cell according to the atomizer principle.
  • the atomized droplets evaporate only partially, removing heat from the compressed gas.
  • JP 2011 131 141 A shows a gas humidification device in which water is supplied via a cannula, but does not form a drop, but the humidification is carried out continuously over a larger area on which the water then evaporates. The evaporation takes place again rectified to the gas flow.
  • An object of the present invention is therefore a method and a
  • the object is achieved in that in a method and / or in a device at least one fluid in at least one mixing chamber via at least one capillary in and / or registered on at least one porous filter structure and evaporated, and by the use of a device as a mobile and / or immobile device for calibration or generation of
  • Aerosol free in the context of this invention means that only very small amounts of the introduced fluid remain in the liquid phase in the carrier gas and the
  • fluids are to be understood as meaning all substances which
  • vaporizable substances or the number of fluids may vary, so that the use of at least one fluid in the inventive method or within the device means that more than one fluid or a substance can be used.
  • a precisely defined quantity at least one fluid is introduced into at least one mixing chamber in and / or at least one porous filter structure, which allows by its structure, although a passage of a heated carrier gas stream, and optionally already gaseous components of the at least one fluid, but a passage of the at least one registered Fluid in the liquid phase through the at least one porous filter structure considerably more difficult.
  • the device for conveying fluids means according to the invention dosing devices and pumps, in particular micro dosing pumps, this listing being only an example and not exhaustive. It can be used all devices for the promotion of fluid, which allow a controlled addition of liquids.
  • porosity is meant the ratio of void volume to the total volume of a substance or mixture of substances, wherein the structure of the substances or mixtures may be different in the process according to the invention. It is thus possible, for example when using a metallic lattice structure, to have a different porosity than when using a ceramic.
  • the porosity, the material and the layer thickness of the at least one porous filter structure is to be designed so that, depending on the physical
  • Properties of the fluid to be introduced (viscosity, density, polarity, etc.) and the flow rate of the carrier gas, a drop formation on the carrier gas flow away and / or facing side of the at least one porous filter structure is avoided. This prevents the entrainment of a drop in the carrier gas and / or the formation of aerosols.
  • Filter structure for the liquid phase of the at least one fluid is repellent, the at least one fluid thus substantially in and / or on the structure of the at least one porous filter structure and the at least one porous structure with respect to the heated carrier gas flow is temperature stable. Since the carrier gas is heated by a prior heating by means of a heating element for an enthalpic evaporation of the at least one fluid, the porous filter structure must be temperature stable.
  • the entry of the at least one fluid into the carrier gas stream takes place according to the invention by evaporation of the at least one fluid, in that a heated carrier gas stream passes over the at least one fluid.
  • the at least one fluid is not vaporized, but so evaporated that an aerosol-free carrier gas stream is formed.
  • the at least one evaporated fluid is in the
  • Carrier gas in full gaseous form has the advantage that no abrupt drop in the temperature of the carrier gas takes place and a uniform distribution of the at least one gaseous fluid in the carrier gas is made possible. A fluctuation in the degree of moistening of the at least one fluid in the carrier gas is prevented by the evaporation.
  • the at least one fluid is introduced into and / or onto the at least porous filter structure, i. at least one fluid is brought into direct contact with at least one porous surface via at least one capillary, wherein the at least one fluid is not absorbed by the at least one porous filter structure but remains unbonded in and / or on the porous filter structure.
  • at least one porous filter structure which is characterized in that no chemical interactions of the at least one fluid with the at least one porous filter structure takes place, i. the at least one fluid interacts with the at least one porous filter structure only in physisorption.
  • the entry of the at least one fluid into and / or onto the at least one porous filter structure via the at least one capillary can take place parallel, laterally or in opposite directions to the carrier gas flow.
  • the side means that the at least one fluid entry essentially
  • the presence of at least one capillary means that several capillaries can be arranged in the mixing chamber, which can apply different or even identical fluids in and / or on the porous filter structures.
  • the capillaries can be arranged parallel, laterally or preferably in opposite directions to the carrier gas flow in the mixing chamber. The individual capillaries can do this
  • the capillaries can be made of metal, a metal alloy, plastic or glass. Possible manifestations of the capillary cross section are preferably circular, but other topologies such as n-sided or ellipsoidal are also conceivable. Of the
  • hydraulic diameters are preferably in the range of 0.05mm to 2mm.
  • the application of the fluid through the capillary can be done in a flow or dropwise.
  • the capillaries enclose an angle with respect to the respective mixing chamber, i. they can be at least partially bent.
  • the design of the capillaries depends on the arrangement of the at least one porous filter in the respective mixing chamber and may also vary from mixing chamber to mixing chamber within a device, when more than one mixing chamber should be used in the method or device according to the invention.
  • Application process is evaporated from the heated carrier gas, but a uniform evaporation of the at least one fluid after application in and / or on the at least one porous filter, so that fluctuations of the at least one fluid component in the carrier gas are avoided and the entry of the at least one gaseous fluid in the carrier gas almost remains constant over time. If the at least one fluid is water, then the moistening of the carrier gas is correspondingly nearly constant.
  • the entry of the at least one fluid into the carrier gas stream takes place continuously or discontinuously in the process according to the invention, ie the at least one fluid can be introduced into and / or onto the at least one porous filter structure in a flow or dropwise over a period ⁇ t by means of a device for conveying at least one fluid is introduced into and / or onto the at least one porous filter structure.
  • Continuously means in the process according to the invention that a continuous entry of the at least one fluid in a flow or drop by drop, takes place periodically.
  • Batchwise means in the process according to the invention that the application of the at least one fluid at a time interval does not occur periodically.
  • a renewed entry of the fluid application is preferably carried out when the at least one previously applied fluid has completely evaporated.
  • a downstream sensor element such as an electrochemical cell may be used to detect the presence or absence of the at least one fluid in the carrier gas stream and to determine the concentration of the at least one gaseous fluid in the carrier gas.
  • a downstream temperature measurement of the carrier gas flow after the at least one mixing chamber can be mathematically deduced the (still) presence and absence of the at least one fluid and by means of further known parameters such as carrier gas temperature at the inlet, gas pressure,
  • Flow rate and supplied amount of liquid can be computationally closed to the concentration of the at least one gaseous fluid in the carrier gas stream.
  • Filter structure is evaporated and thus registered in the carrier gas stream is controlled by a device for conveying fluids. Typically, 5 ⁇ per delivery interval are applied to the porous filter structure and then evaporated in the carrier gas. The indication of the flow rate in
  • the type of device for conveying fluids is variably ausgestaltetbar and limited only by their function.
  • the distances between the application are variable, so that a continuous or discontinuous entry of the at least one fluid into the carrier gas flow depends on the amount and type of the at least one fluid, as well as on the flow velocity and the temperature of the carrier gas.
  • the at least one fluid can be applied via at least one capillary in and / or on the at least one porous filter structure, wherein the at least one fluid comprises all substances that are vaporizable / vaporizable, but preferably liquid substances such as water, alcohols, aldehydes, ketones , Ethers, esters and acids, more preferably methanol, ethanol, hexane, nonane, benzene, xylene, toluene, formalin, diethyl ether, ethyl acetate, PET and carboxylic acids.
  • liquid substances such as water, alcohols, aldehydes, ketones , Ethers, esters and acids, more preferably methanol, ethanol, hexane, nonane, benzene, xylene, toluene, formalin, diethyl ether, ethyl acetate, PET and carboxylic acids.
  • the substance to be evaporated first has to be converted into a liquid phase in an upstream step, for example in a preheating chamber.
  • the carrier gas stream is usually a few liters, preferably up to 2.5 standard liters (Nl) per minute, with a carrier gas temperature preferably in the range 20-200 ° C and a concentration of the gaseous fluid in the range of 0-100% can be achieved.
  • a carrier gas almost all gases such as air, nitrogen, hydrogen, helium, etc. in question. However, it must be ensured that temperatures below the flash point of the respective gases or gas mixtures are present in the area of the heating elements and the mixing chamber.
  • the entry of the at least one fluid in the carrier gas is usually carried out at a similar pressure level as the carrier gas such as 1 bar.
  • the method may optionally include at least one downstream one
  • Gas buffer containers are performed, i. that the at least one fluid is introduced after application in and / or on the at least one porous filter structure and the subsequent evaporation in the gas phase in a gas buffer container and expanded there to smooth even existing concentration fluctuations. For example, it can thus a load-dependent operation of a
  • This method is intended to smooth "peaks" in the measurement of the fluid content in the carrier gas stream, ie it is intended by the use of a gas buffer container, a uniform, continuous concentration distribution of the at least one fluid can be obtained.
  • Suitable gas sensors are all devices which enable measurement and / or calibration of fluid constituents and parameters in the carrier gas flow, such as gas chromatographs, electrochemical cells, temperature sensors, etc.
  • the temperature of the carrier gas flow and the amount of at least one fluid introduced are therefore variable ie they can be varied according to the conditions of the gas mixtures to be produced, the type of fluid or the fluid concentration in the carrier gas which correspond to the desired values.
  • the appropriate carrier gas medium it is also possible to choose the temperature and the proportions of the at least one determining fluid so that almost any combination of carrier gas and initially present in the liquid phase evaporable fluids is made possible.
  • gases such as hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, air, can be used as the carrier gas, wherein the choice of carrier gases is limited only by their ignition temperature of the gases themselves, or by the introduction of the respective fluids gas mixtures.
  • the inventive concept comprises a device which has a multi-part construction and a serial or parallel multiple arrangement of
  • a device consists of at least one heating element, at least one device for conveying fluids, at least one mixing chamber and optionally at least one gas buffer container, wherein at least one capillary is arranged in the at least one mixing chamber and via the at least one fluid into and / or onto one porous filter structure is registered and evaporated.
  • thermoelectric element As a heating element according to the invention are all technical components with which a heat transfer can take place, such as an electric
  • Heating elements can heat the carrier gas to the desired temperature before entering the mixing chamber.
  • the mixing chamber usually consists of two mixing chamber parts and has a passage for the carrier gas flow, wherein at least a part of the mixing chamber is designed to be heatable and / or thermally insulating.
  • the mixing chamber is further sealed with a sealing ring from the environment, wherein the two halves of the mixing chamber are connected to each other via screw or clamping elements. So that the carrier gas in the mixing chamber not in front of the
  • Cooling process the following after the heating element following part of the mixing chamber is also heated at least to the temperature of the carrier gas.
  • the at least one porous filter structure itself is thermally insulated from the at least one mixing chamber that no or only a slight heat conduction through the heating elements to the at least one mixing chamber he follows.
  • the region of the at least one mixing chamber, which is in contact with the at least one porous filter structure made of a thermally insulating material such as
  • PEEK Polyetheretherketone
  • POM polyoxymethylene
  • EPM ethylene-propylene copolymer
  • PET polyethylene terephthalate
  • the supply of the at least one fluid preferably has to take place via the at least one capillary such that no heat is introduced into the fluid prior to introduction of the at least one fluid into and / or onto at least one porous filter structure in order to prevent premature, uncontrolled evaporation or vaporization to cause the at least one fluid.
  • This can be done for example by thermal insulation of the capillaries, additional cooling of the capillaries or a corresponding arrangement of the capillaries within the at least one mixing chamber itself, preferably on the side facing away from the carrier gas flow side of the at least one porous filter structure.
  • At least one porous filter structure and at least one adjustable, ie rotatably configured capillary are arranged, wherein the at least one capillary into and / or may be arranged on the side facing the carrier gas stream, averted side preferably orthogonal to the at least one porous filter structure.
  • the at least one fluid is introduced into and / or onto the at least one porous filter structure, that is to say via the at least one
  • Capillary at least one fluid brought into direct contact with at least one porous surface, wherein the at least one fluid is not absorbed by the at least one porous filter structure, but remains unbonded in and / or on the at least one porous filter structure.
  • the entry of the at least one fluid into and / or onto the at least one porous filter structure via the at least one capillary can be parallel, lateral or opposite to the
  • Opposite means according to the invention that the at least one fluid is introduced via at least one capillary against the carrier gas flow in and / or on the at least one porous filter and evaporates there.
  • lateral means that the fluid entry takes place essentially orthogonally to the carrier gas flow via at least one capillary.
  • the capillaries can be made of metal, a metal alloy, plastic or glass.
  • the order of the at least one fluid can be done in a flow or drop by drop. Possible manifestations of the capillary cross section are preferably circular, but other topologies such as n-sided or ellipsoidal are also conceivable.
  • the diameter or in the case of non-circular geometries of the hydraulic diameters are preferably in the range of 0.005 to 2 mm.
  • the application of the at least one fluid through the at least one capillary can take place in a flow or dropwise.
  • the at least one capillary encloses an angle relative to the respective mixing chamber, ie it can be at least partially bent.
  • at least one capillary straight, ie without bending design depends on the arrangement of the porous at least one filter structure in the respective mixing chamber and may also vary from mixing chamber to mixing chamber within a device, if more than one
  • Mixing chamber will be used in the inventive method or apparatus according to the invention.
  • the degree of bending that has at least one capillary depends on the configuration of the at least one mixing chamber and the arrangement of the at least one porous filter structure which is orthogonal or diagonal to the
  • Carrier gas stream can be positioned within the hollow cylindrical carrier gas passage.
  • substantially orthogonal arrangements are within the mixing chamber.
  • the at least one porous filter structure may, irrespective of its arrangement in the at least one mixing chamber of a metallic grid, such as
  • a titanium flow or a ceramic be constructed.
  • the structure of the at least one porous filter structure is to be chosen such that, although a
  • Carrier gas flow is prevented by the type of arrangement of the at least one capillary in and / or on the at least one porous filter structure and the wetting of the at least one filter structure produced thereby.
  • At least one gas buffer container is provided, which is arranged in the direction of the gas flow behind the mixing chamber and of the type and the material is chosen so that it is not corroded by the substances in the carrier gas and a uniform concentration of at least one gaseous fluid in the
  • the container usually consists of one corrosion-resistant material such as aluminum, coated stainless steel and a temperature-stable plastic with respect to the carrier gas temperature.
  • the device according to the invention is preferably suitable both for use in gas measuring technology / calibration and for use as a wetting device in the operation of fuel cell membranes. Due to the modular design of the device, both a stationary and portable use is possible and the use according to the invention as a mobile or immobile device feasible.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a device according to the invention (1) in a modular design.
  • the carrier gas flow (14) is before the entry of the at least one fluid on the mixing temperature to be reached with
  • a mixing chamber (3) having centrally at least a partially cylindrical passage in which a porous filter structure (6) and a capillary (5) are arranged.
  • the passage is restricted axially by a seal (11), which prevents the fluid (13) from escaping from the mixing chamber (3) or the upper and lower mixing chamber halves (7, 8).
  • the fluid (13) wets via at least one capillary (5) within the
  • Mixing chamber (3) existing porous filter structure (6) which in this case represents a titanium tile.
  • the capillary (5) is arranged in opposite directions to the carrier gas flow (14) and encloses an angle of approximately 90 ° with respect to the mixing chamber (3).
  • the porous filter structure (6) is impermeable to the fluid (13), so that a thin fluid surface can form on the porous filter structure (6). Gases or gas mixtures can pass through the porous filter structure (6) unhindered. A gas mixture thus flows through the porous filter structure (6) and receives as carrier gas stream (14) the fluid (13) applied to the porous filter structure (6), the upper part of the mixing chamber (3) being in thermal contact with the heating elements (2) ) is also heated by the heating elements (2).
  • the mixing chamber (3) consists of two different materials in order to ensure a controlled evaporation of the fluid (13) only on the porous filter structure (6).
  • the poor heat conduction of the lower part of the mixing chamber (8) which is constructed here of PEEK and has a thermal conductivity of 0.25 (WK " 1 m " 1 ), prevents premature evaporation of the fluid (13) within the capillary (5) so that the fluid (13) is exposed to higher temperatures only immediately upon contact with the porous filter structure (6).
  • Carrier gas flow (14) in front of the mixing chamber (3) is chosen so that, depending on the heat capacities and amounts of the carrier gas stream (14) and to
  • the control of the carrier gas temperature and thus the content of the gaseous fluid (13) in the gas mixture (15) by means of the temperature detection of the heating elements (2) or the carrier gas stream (14) in front of the mixing chamber (3).
  • an optional sensor (10) located in the direction of the gas mixture (15) in the mixing chamber (3) and an optional gas buffer container (9) the exact fluid concentration in the gas mixture (15) can be determined.
  • the device for conveying fluid (12) into the mixing chamber (3) via the fluid access (4) is mounted on the outside of the housing of the mixing chamber.
  • FIG. 2 shows a further illustration of a sectional view of the mixing chamber (3).
  • the mixing chamber (3) consists of an upper mixing chamber half (7) and an isolated lower mixing chamber half (8). Both mixing chamber halves (7, 8) can be heated and / or thermally insulated. The gas tightness of the two
  • Mixing chamber (3) having an upper and lower mixing chamber half (7, 8) are introduced via fluid access (4) and capillaries (5) fluids (13) in and / or on the porous filter structure e (6) and evaporated there.
  • About a seal (1 1) ensures that an exit of the gaseous fluids (13) from the Mixing chamber (3) is prevented.
  • the fluids (13) may contain the same or different, vaporizable substances.
  • FIG. 4 shows the construction of a device (1) according to the invention with more than one porous capillary (5), via which more than one porous filter structure (6) contains one or more fluids (13) into the mixing chamber (3 ) is registered and evaporated there.
  • the mixing chamber (3) consists of an upper and a lower mixing chamber part (7, 8) which has a central passage.
  • the fluids (13) may contain the same or different, vaporizable substances.
  • the volume flow of the carrier gas (14) over the entire experimental period is constant at 1 ⁇ l min -1 .
  • the experiment was carried out using the arrangement described in FIG It can be clearly recognized that the dew point of the gas mixture can be kept almost constant over the entire test period
  • Target dew point T P 12, 3 ° C is 0.6%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eintragung von Fluiden in einen Trägergasstrom, wobei eine Verdunstung der zu verdunstenden Fluide im Trägergasstrom durch enthalpische Verdunstung erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur Eintragung eines Fluids in einen Trägergasstrom, wobei die Vorrichtung zumindest ein Heizelement, zumindest eine Vorrichtung zur Förderung von Fluid, zumindest eine Mischkammer aufweist als auch die Verwendung der Vorrichtung zum Einsatz als mobiles und/oder immobiles Gerät zur Kalibrierung oder Bestimmung von Fluidbestandteilen in der Gasmesstechnik und zur Befeuchtung von Brennstoffzellen-Membranen.

Description

Trägergas getriebenes Verdunstungsverfahren und -Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eintragung von Fluiden in einen
Trägergasstrom, wobei eine enthalpische Verdunstung des zumindest einen zu verdunstenden Fluids im Trägergasstrom erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur
Eintragung von Fluiden in einen Trägergasstrom, wobei die Vorrichtung zumindest ein Heizelement, zumindest eine Vorrichtung zur Förderung von Fluiden und zumindest eine Mischkammer aufweist, als auch die Verwendung der Vorrichtung zum Einsatz als mobiles und/oder immobiles Gerät zur Erzeugung eines
Gasgemischs bzw. Prüfgases zur Kalibrierung oder Erzeugung von
Fluidbestandteilen in der Gasmesstechnik und zur Benetzung von Brennstoffzellen- Membranen.
In der Chemie- und der Verfahrenstechnik werden für viele Prozesse hochgenaue Gasgemische benötigt. Während in großindustriellen Anlagen auf die herkömmlichen Verdampfungsverfahren zurückgegriffen werden kann, ist die Erzeugung von
Gasgemischen im Labor- oder Prüfungsmaßstab nur durch erhöhte
Aufarbeitungsverfahren möglich (bspw. lange Verweilzeiten von Probegemischen durch entropischen Ausgleich oder By-Pass-Methoden mit deutlicher
Überproduktion).
Ferner ist der Einsatz von Befeuchtern für Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) bekannt. Beim Betrieb von PEM- Brennstoffzellen ist der Feuchtegrad der Membran und die damit verbundene Leitfähigkeit eben dieser in einem geeigneten Betriebspunkt zu fahren, um sowohl eine entsprechend hohe elektrische Leistung der Zellen zu erzielen und irreversible Beschädigungen der Membran (z.B. durch thermische Zersetzung) zu vermeiden. Dies geschieht beispielsweise durch gezielte Zugabe von Wasser in Form eines befeuchteten Kathodengases. Die Aufrechterhaltung und Regelung eines den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen angepassten Fluid-Haushalts zählt deshalb zu den entscheidenden Betriebskriterien bei
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, dieses Problem zu lösen. So ist bekannt, Fluide mittels eines externen Verdampfers zu verdampfen und die
Reaktionsgase mit dem gasförmigen Fluid zu befeuchten. Eine andere Alternative besteht darin, die Reaktionsgase in der Brennstoffzelle über eine mit den
Reaktionsgasräumen in Verbindung stehende wasserdurchlässige Membran zu befeuchten.
Bekannt sind auch Brennstoffzellenstapel mit separater Befeuchtungssektion, in der unter Nutzung der Abwärme des Brennstoffzellenstapels die Befeuchtung der Reaktionsgase über eine Trennmembran erfolgt.
So ist in der DE 43 18 818 A1 beschrieben, dass eine Befeuchtung der
Reaktionsgase mit Fluiden mittels Einspritzdüsen oder Ultraschallzerstäuber in die Gasführungsleitungen vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen erfolgt.
Die DE 39 25 580 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Dampf- Gemisches, bei dem die flüssige Phase in einem Verdampferreaktor verdampft, dem Trägergas zugeführt und anschließend in einer nachgeschalteten Stufe getrocknet wird.
In der DE 94 22 387 A1 ist die Regulation von Wasser in einer Brennstoffzelle nach dem Zerstäuberprinzip offenbart. Die zerstäubten Tropfen verdampfen nur teilweise, wobei dem komprimierten Gas Wärme entzogen wird.
Die DE 196 41 143 A1 beschreibt allgemein die Möglichkeit Wasser einem
Wasserstoffgasstrom mittels einer Dosierpumpe über feine Kapillaren zuzuführen, wobei jedoch die Eintragung des Wassers gleichgerichtet zum Gasstrom ohne Durchmischung von Gas und Wasser erfolgt.
Schließlich zeigt die JP 2011 131 141 A eine Gasbefeuchtungsvorrichtung, bei der über eine Kanüle Wasser zugeführt wird, sich aber keinen Tropfen bilden, sondern die Befeuchtung kontinuierlich über eine größere Fläche erfolgt auf der das Wasser dann verdunstet. Die Verdunstung erfolgt wiederrum gleichgerichtet zum Gasstrom.
Die bekannten Verfahren weisen die Nachteile auf, dass sie nur für größere
Volumenströme, resultierend aus der prozessbedingten Ungenauigkeit (kontrollierte Erzeugung und Zufuhr des Dampfes) geeignet und daher auf Volumenströme von einigen Litern pro Minute begrenzt sind. Darüber hinaus können bei diesen Verfahren die Fluideinbringung nicht unerhebliche Anteile an Aerosolen enthalten bzw.
Konzentrationsschwankungen des eingebrachten Fluids aufweisen, was eine spezielle Konditionierung bzw. Nachbehandlung erforderlich macht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, mit der geringe Gasmengen eines Gasgemischs in einer oder mehreren Schritten hergestellt werden kann, dass aerosolfrei ist und geringe bis keine Schwankungen in der Fluidkonzentration im Trägergas aufweist. Dieses soll insbesondere für die Kalibrierung von Messgeräten bei kleinen Gasdurchflüssen oder für eine Befeuchtung von Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellen leicht und effizient in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsparametern gewährleistet werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Verfahren und/oder in einer Vorrichtung zumindest ein Fluid in zumindest einer Mischkammer über zumindest eine Kapillare in und/oder auf mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen und verdunstet wird, sowie durch die Verwendung einer Vorrichtung als mobiles und/oder immobiles Gerät zur Kalibrierung oder Erzeugung von
Fluidbestandteilen in der Gasmesstechnik oder zur Benetzung von
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen.
Aerosolfrei bedeutet im Sinne dieser Erfindung, dass nur sehr geringe Mengen des eingebrachten Fluids in flüssiger Phase im Trägergas verbleiben und der
überwiegende Teil als gasförmige Phase vorliegt.
Unter Fluiden sind erfindungsgemäß alle Substanzen zu verstehen, die
verdampfbar/verdunstbar sind, wobei die Substanzmengen als auch die
verdunstbaren Substanzen bzw. die Anzahl der Fluide variieren kann, sodass die Verwendung mindestens eines Fluids im erfindungsgemäßen Verfahren oder innerhalb der Vorrichtung bedeutet, dass auch mehr als ein Fluid bzw. eine Substanz verwendet werden kann.
Zur exakten Bestimmung von Gaszusammensetzungen und zur Berechnung eines benötigten Befeuchtungs- bzw. Benetzungsgrads einer Polymerelektrolytmembran einer Brennstoffzelle müssen möglichst viele geometrisch unabhängige Parameter zu Regelung eines Fluideintrags und der Befeuchtung ermittelt werden.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass eine genau definierte Menge mindestens eines Fluids in zumindest einer Misch kammer in und/oder auf mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen wird, die durch ihre Struktur, zwar ein Hindurchtreten eines erwärmten Trägergasstroms, sowie gegebenenfalls bereits gasförmiger Bestandteile des mindestens einen Fluids ermöglicht, jedoch einen Durchtritt des mindestens einen eingetragenen Fluids in flüssiger Phase durch die mindestens eine poröse Filterstruktur wesentlich erschwert.
Unter Vorrichtung zur Förderung von Fluiden sind erfindungsgemäß Dosierer und Pumpen, insbesondere Mikrodosierpumpen gemeint, wobei diese Aufzählung nur beispielhaft und nicht abschließend ist. Es können alle Vorrichtungen zur Förderung von fluiden verwendet werden, die eine kontrollierte Zugabe von Flüssigkeiten ermöglichen.
Unter Porosität ist dabei das Verhältnis von Hohlraumvolumen zum Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches gemeint, wobei die Struktur der Stoffe oder Stoffgemische im erfindungsgemäßen Verfahren unterschiedlich sein kann. So ist es möglich, dass beispielsweise bei der Verwendung einer metallischen Gitterstruktur eine andere Porosität vorhanden ist als bei der Verwendung einer Keramik.
Die Porosität, das Material und die Schichtdicke der mindestens einen porösen Filterstruktur ist so auszulegen, dass abhängig von den physikalischen
Eigenschaften des einzubringenden Fluids (Viskosität, Dichte, Polarität etc.) sowie der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases, eine Tropfenbildung auf der dem Trägergasstrom ab- und/oder zugewandten Seite der mindestens einen porösen Filterstruktur vermieden wird. Dies verhindert den Mittransport eines Tropfens im Trägergas und/oder die Bildung von Aerosolen.
Entscheidend für die Verwendung mindestens einer porösen Filterstruktur im erfindungsgemäßen Verfahren ist lediglich, dass die mindestens eine poröse
Filterstruktur für die flüssige Phase des mindestens einen Fluid abweisend ist, das mindestens eine Fluid also im Wesentlichen in und/oder auf der Struktur der mindestens einen porösen Filterstruktur verbleibt und die mindestens eine poröse Struktur gegenüber dem erwärmten Trägergasstrom temperaturstabil ist. Da das Trägergas durch eine vorherige Aufheizung mit Hilfe eines Heizelements für eine enthalpische Verdunstung des mindestens einen Fluids erwärmt wird, muss die poröse Filterstruktur temperaturstabil sein. Der Eintrag des mindestens einen Fluids in den Trägergasstrom erfolgt erfindungsgemäß durch Verdunstung des mindestens einen Fluids, indem ein erwärmter Trägergasstrom über das mindestens eine Fluid streicht. Das mindestens eine Fluid wird jedoch nicht verdampft, sondern so verdunstet, dass ein aerosolfreier Trägergasstrom entsteht. Das mindestens eine verdunstete Fluid liegt in dem
Trägergas vollständig gasförmig vor. Die Verdunstung hat den Vorteil, dass kein abrupter Abfall der Temperatur des Trägergases erfolgt und eine gleichmäßige Verteilung des mindestens einen gasförmigen Fluids im Trägergas ermöglicht wird. Eine Schwankung im Befeuchtungsgrad des mindestens einen Fluids im Trägergas wird durch die Verdunstung verhindert.
Das mindestens eine Fluid wird erfindungsgemäß in und/oder auf die mindestens poröse Filterstruktur eingetragen, d.h. es wird über zumindest eine Kapillare mindestens ein Fluid in direkten Kontakt zu zumindest einer porösen Oberfläche gebracht, wobei das mindestens eine Fluid nicht von der mindestens einen porösen Filterstruktur aufgesaugt wird, sondern ungebunden in und/oder auf der porösen Filterstruktur verbleibt. Im Fall der Verwendung von Wasser als Fluid hat die mindestens eine poröse Filterstruktur gemeint, die sich dadurch auszeichnet, dass keine chemischen Wechselwirkungen des mindestens einen Fluids mit der mindestens einen porösen Filterstruktur erfolgt, d.h. dass das mindestens eine Fluid lediglich in einer Physisorption eine Wechselwirkung mit der mindestens einen porösen Filterstruktur eingeht. Der Eintrag des mindestens einen Fluids in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur über die mindestens eine Kapillare kann dabei parallel, seitlich oder gegenläufig zum Trägergasstrom erfolgen.
Parallel bedeutet erfindungsgemäß, dass das mindestens eine Fluid über mindestens eine Kapillare auf die der Trägergasströmung zugewandten Seite in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen und verdunstet wird. Gegenläufig bedeutet erfindungsgemäß, dass das mindestens eine Fluid über zumindest eine Kapillare entgegen der Trägergasströmung in und/oder auf der mindestens einen porösen Filterstruktur eingetragen wird und dort verdunstet. Seitlich bedeutet erfindungsgemäß, dass der mindestens eine Fluideintrag im Wesentlichen
orthogonal zum Trägergasstrom über zumindest eine Kapillare erfolgt. Die Anwesenheit mindestens einer Kapillare bedeutet, dass mehrere Kapillaren in der Mischkammer angeordnet sein können, die unterschiedliche oder auch gleiche Fluide in und/oder auf die porösen Filterstrukturen auftragen können. Die Kapillaren können parallel, seitlich oder bevorzugt gegenläufig zum Trägergasstrom in der Mischkammer angeordnet sein. Die einzelnen Kapillaren können dabei
unterschiedliche Formen aufweisen, d.h. gebogen, gerade oder auch spiralförmig ausgestaltet sein.
Die Kapillaren können aus Metall, einer Metalllegierung, Plastik oder Glas bestehen. Mögliche Ausprägungen des Kapillarquerschnitts sind vorzugsweise kreisförmig, es sind aber auch andere Topologien wie n-eckig oder ellipsoid denkbar. Der
Durchmesser bzw. im Falle von nicht rund ausgeführten Geometrien der
hydraulische Durchmesser, liegen vorzugsweise im Bereich von 0,05mm bis 2mm. Der Auftrag des Fluids durch die Kapillare kann in einem Fluss oder tropfenweise erfolgen.
Je nachdem wie der mindestens eine poröse Filter innerhalb der mindestens einen Mischkammer des Trägergases mit dem mindestens einen Fluid angeordnet ist, schließen die Kapillaren gegenüber der jeweiligen Mischkammer einen Winkel ein, d.h. sie können zumindest teilweise gebogen sein. Die Bauart der Kapillaren richtet sich nach der Anordnung des mindestens einen porösen Filters in der jeweiligen Mischkammer und kann auch von Mischkammer zu Mischkammer innerhalb einer Vorrichtung variieren, wenn mehr als eine Mischkammer in dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden sollte.
Der Vorteil des Auftrags des mindestens einen Fluids auf der zur Trägergasströmung abgewandten Seite ist, dass das mindestens eine Fluid nicht schon während
Auftragungsvorgangs vom erwärmten Trägergas verdunstet wird, sondern eine gleichmäßige Verdunstung des mindestens einen Fluids nach Auftragung in und/oder auf dem mindestens einen porösen Filter, sodass Schwankungen des mindestens einen Fluidanteils im Trägergas vermieden werden und der Eintrag des mindestens einen gasförmigen Fluids in das Trägergas nahezu konstant über die Zeit bleibt. Ist das mindestens eine Fluid Wasser, so ist die Befeuchtung des Trägergases entsprechend nahezu konstant. Der Eintrag des mindestens einen Fluids in den Trägergasstrom erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich, d.h. das mindestens eine Fluid kann in einem Fluss in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen oder tropfenweise über einen Zeitraum Δ t mit Hilfe einer Vorrichtung zur Förderung mindestens eines Fluids in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen werden. Kontinuierlich meint im erfindungsgemäßen Verfahren, dass ein durchgehender Eintrag des mindestens einen Fluids in einem Fluss oder eine tropfenweise, periodisch abfolgend erfolgt. Diskontinuierlich bedeutet im erfindungsgemäßen Verfahren, dass die Auftragung des mindestens einen Fluids in einem zeitlichen Abstand nicht periodisch erfolgt. Ein erneuter Eintrag des Fluidauftrags erfolgt bevorzugt dann, wenn das mindestens eine zuvor aufgetragene Fluid vollständig verdunstet ist.
Ein nachgeschaltetes Sensorelement wie beispielsweise eine elektrochemische Zelle kann eingesetzt werden, um die (noch) An- oder Abwesenheit des mindestens einen Fluids im Trägergasstrom nachzuweisen und die Konzentration des mindestens einen gasförmigen Fluids im Trägergas zu bestimmen. Alternativ kann beispielsweise über eine nachgeschaltete Temperaturmessung des Trägergasstroms nach der mindestens einen Misch kam mer rechnerisch auf die (noch) An- und Abwesenheit des mindestens einen Fluids geschlossen werden und mittels weiterer bekannter Parameter wie Trägergastemperatur am Eingang, Gasdruck,
Strömungsgeschwindigkeit und zugeführter Flüssigkeitsmenge rechnerisch auf die Konzentration des mindestens einen gasförmigen Fluids im Trägergasstrom geschlossen werden.
Die Menge des Fluids, das in und/oder auf der mindestens einen porösen
Filterstruktur verdunstet und damit in den Trägergasstrom eingetragen werden soll, wird über eine Vorrichtung zur Förderung von Fluiden gesteuert. Typischerweise werden 5μΙ pro Förderintervall auf die poröse Filterstruktur aufgetragen und anschließend im Trägergas verdunstet. Die Angabe der Fördermenge im
Förderintervall stellt jedoch erfindungsgemäß keine Begrenzung des
erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, wobei auch die Art der Vorrichtung zur Förderung von Fluiden variabel ausgestaltbar ist und nur durch ihre Funktion begrenzt ist. Die Abstände zwischen der Auftragung sind dabei variabel, so dass eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Eintragung des mindestens einen Fluids in den Trägergasstrom von der Menge und der Art des mindestens einen Fluids, sowie von der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Trägergases abhängt. Das mindestens eine Fluid kann über zumindest eine Kapillare in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur aufgetragen werden, wobei das mindestens eine Fluid alle Substanzen umfasst, die verdampf bar/verdunstbar sind, bevorzugt jedoch flüssige Substanzen wie Wasser, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Ether, Ester und Säuren, besonders bevorzugt Methanol, Ethanol, Hexan, Nonan, Benzol, Xylol, Toluol, Formalin, Diethylether, Essigsäureethylester, PET und Carbonsäuren.
Gegebenenfalls muss der zu verdunstende Stoff zunächst in einem vorgelagerten Schritt, wie beispielsweise in einer Vorwärmkammer in eine flüssige Phase überführt werden.
Der Trägergasstrom beträgt in der Regel wenige Liter, vorzugsweise bis zu 2,5 Normliter (Nl) pro Minute, wobei eine Trägergastemperatur vorzugsweise im Bereich 20-200 °C und eine Konzentration des gasförmigen Fluids im Bereich von 0-100 % erzielt werden können. Als Trägergas kommen nahezu alle Gase wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Helium usw. in Frage. Allerdings ist darauf zu achten, dass im Bereich der Heizelemente und der Mischkammer Temperaturen unterhalb des Flammpunktes der jeweiligen Gase bzw. Gasgemische vorliegen. Die Eintragung des mindestens einen Fluids in das Trägergas erfolgt in der Regel auf einem ähnlichen Druckniveau wie das Trägergas wie beispielsweise 1 bar.
Das Verfahren kann optional mit mindestens einem nachgeschalteten
Gaspufferbehälter durchgeführt werden, d.h. dass das mindestens eine Fluid nach erfolgter Auftragung in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur und der anschließenden Verdunstung in die Gasphase in einen Gaspufferbehälter eingeleitet und dort expandiert wird, um vorhanden Konzentrationsschwankungen zusätzlich zu glätten. Beispielsweise kann damit bei einem lastabhängigen Betrieb einer
Brennstoffzelle eine gleichmäßige Fluidkonzentration im Trägergas bei
unterschiedlichen Trägergasstromraten gewährleistet werden. Mit dieser Methode sollen„Spitzen" bei der Messung des Fluidanteils im Trägergasstrom geglättet, d.h. es soll durch die Verwendung eines Gaspufferbehälters eine gleichmäßige, kontinuierliche Konzentrationsverteilung des mindestens einen Fluids erhalten werden.
Als Gassensor kommen dabei alle Vorrichtungen in Frage, die eine Messung und/oder Kalibrierung von Fluidbestandteilen und -parametern im Trägergasstrom ermöglichen wie beispielsweise Gaschromatographen, elektrochemische Zellen, Temperatursensoren etc.. Die Temperatur des Trägergasstroms und die Menge des mindestens einen eingetragenen Fluids sind demnach variabel, d.h. sie können je nach den Gegebenheiten der zu erzeugenden Gasgemische, der Art des Fluids oder der Fluidkonzentration im Trägergas verändert werden, die den gewünschten Werten entsprechen.
Durch die Wahl des entsprechenden Trägergasmediums ist es zudem möglich, die Temperatur und die Anteile des mindestens einen bestimmenden Fluids so zu wählen, dass nahezu jede beliebige Kombination von Trägergas und zunächst in flüssiger Phase vorliegenden verdunstbaren Fluiden ermöglicht wird. Es können beispielsweise Gase wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Luft, als Trägergas verwendet werden, wobei die Wahl der Trägergase lediglich durch ihre Entzündungstemperatur der Gase selbst, bzw. der durch die Einbringung der jeweiligen Fluide entstandene Gasgemische begrenzt ist.
Ferner umfasst der Erfindungsgedanke eine Vorrichtung, die einen mehrteiligen Aufbau aufweist und eine serielle oder parallele Mehrfachanordnung der
Vorrichtungselemente als Aufbaumöglichkeit mit beinhaltet. So besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus zumindest einem Heizelement, zumindest einer Vorrichtung zur Förderung von Fluiden, zumindest einer Mischkammer und optional zumindest einem Gaspufferbehälter, wobei in der zumindest einen Mischkammer zumindest eine Kapillare angeordnet ist und über die mindestens ein Fluid in und/oder auf eine poröse Filterstruktur eingetragen und verdunstet wird.
Als Heizelement eignen sich erfindungsgemäß alle technischen Bauteile mit denen eine Wärmeübertragung erfolgen kann, wie beispielsweise eine elektrische
Rohrheizung oder eine Kombination aus Heizpatronen, Wärmeüberträgern und/oder Wärmetauschern. Solche beispielhaft aber nicht abschließend aufgezählten
Heizelemente können das Trägergas vor Eintritt in die Mischkammer auf die jeweils gewünschte Temperatur erwärmen. Die Mischkammer besteht in der Regel aus zwei Mischkammerteilen und weist einen Durchläse für den Trägergasstrom auf, wobei zumindest ein Teil der Mischkammer beheizbar und/oder thermisch isolierend ausgestaltet ist. Die Mischkammer ist ferner mit einem Dichtungsring gegenüber der Umgebung abgedichtet, wobei die beiden Hälften der Mischkammer über Schraub- oder Klemmelemente miteinander verbunden sind. Damit das Trägergas in der Mischkammer nicht vor dem
Mischvorgang abkühlt, ist der im Anschluss an das Heizelement folgende Teil der Mischkammer ebenfalls mindestens auf die Temperatur des Trägergases erwärmt.
Da nur die im Trägergas enthaltene Wärme für die Verdunstung des mindestens einen Fluids genutzt werden soll, ist die mindestens eine poröse Filterstruktur selbst thermisch so gegenüber der mindestens einen Mischkammer isoliert, dass keine bzw. nur eine geringfügige Wärmeleitung über die Heizelemente zu der mindestens einen Mischkammer erfolgt. Hierfür kann vorzugsweise der Bereich der mindestens einen Mischkammer, der in Kontakt mit der mindestens einen porösen Filterstruktur ist, aus einem thermisch isolierenden Material wie beispielsweise
Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen (POM), Ethylen-Propylen-Copolymer (EPM), Polyethylenterephtalat (PET) aufgebaut sein. Die Wahl des isolierenden Stoffes ist dabei von den eingesetzten Trägergasen und Fluiden, sowie deren Mischungen (Korrosion, chemische Zersetzung) und den im Prozess auftretenden Temperaturen und Drücken abhängig.
Zudem hat die Zufuhr des mindestens einen Fluids über die zumindest eine Kapillare vorzugsweise so zu erfolgen, dass vor dem Einbringen des mindestens einen Fluids in und/oder auf mindestens eine poröse Filterstruktur kein Wärmeeintrag in das Fluid stattfindet, um ein vorzeitiges, unkontrolliertes Verdunsten oder Verdampfen des mindestens einen Fluids zu verursachen. Dies kann beispielsweise durch eine thermische Isolierung der Kapillaren, einer zusätzlichen Kühlung der Kapillaren oder einer entsprechenden Anordnung der Kapillaren innerhalb der mindestens einen Mischkammer selbst, vorzugsweise auf der dem Trägergasstrom abgewandten Seite der mindestens einen porösen Filterstruktur erfolgen.
Innerhalb des in der mindestens einen Mischkammer vorhandenen Durchlasses sind mindestens eine poröse Filterstruktur und zumindest eine justierbare, d.h. drehbar ausgestaltete Kapillare angeordnet, wobei die mindestens eine Kapillare in und/oder auf der dem Trägergasstrom zugewandten, abgewendeten Seite vorzugsweise orthogonal zu der mindestens einen porösen Filterstruktur angeordnet sein kann. Das mindestens eine Fluid wird erfindungsgemäß in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur eingetragen, d.h. es wird über die mindestens eine
Kapillare mindestens ein Fluid in direkten Kontakt zu mindestens einer porösen Oberfläche gebracht, wobei das mindestens eine Fluid nicht von der mindestens einen porösen Filterstruktur aufgesaugt wird, sondern ungebunden in und/oder auf der mindestens einen porösen Filterstruktur verbleibt. Der Eintrag des mindestens einen Fluids in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur über die mindestens eine Kapillare kann parallel, seitlich oder gegenläufig zum
Trägergasstrom erfolgen.
Parallel bedeutet erfindungsgemäß, dass das mindestens eine Fluid über zumindest eine Kapillare auf die der Trägergasströmung zugewandten Seite in und/oder auf der mindestens einen porösen Filterstruktur eingetragen und verdunstet wird.
Gegenläufig bedeutet erfindungsgemäß, dass das mindestens eine Fluid über zumindest eine Kapillare entgegen der Trägergasströmung in und/oder auf den mindestens einen porösen Filter eingetragen wird und dort verdunstet. Seitlich bedeutet erfindungsgemäß, dass der Fluideintrag im Wesentlichen orthogonal zum Trägergasstrom über zumindest eine Kapillare erfolgt. Eine Anordnung von mehreren Kapillaren in der Mischkammer zur Benetzung der mindestens einen porösen
Filterstruktur ist als besondere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands
vorgesehen.
Die Kapillaren können aus Metall, einer Metalllegierung, Plastik oder Glas bestehen. Der Auftrag des mindestens einen Fluids kann in einem Fluss oder tropfenweise erfolgen. Mögliche Ausprägungen des Kapillarquerschnitts sind vorzugsweise kreisförmig, es sind aber auch andere Topologien wie n-eckig oder ellipsoid denkbar. Der Durchmesser bzw. im Falle von nicht rund ausgeführten Geometrien der hydraulische Durchmesser liegen vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 2 mm. Der Auftrag des mindestens einen Fluids durch die mindestens eine Kapillare kann in einem Fluss oder tropfenweise erfolgen.
Je nachdem wie der mindestens eine poröse Filter innerhalb der Mischkammer des Trägergases mit der mindestens einen Kapillare angeordnet ist, schließt die mindestens eine Kapillare gegenüber der jeweiligen Mischkammer einen Winkel ein, d.h. sie kann zumindest teilweise gebogen sein. Es ist jedoch auch möglich die mindestens eine Kapillare gerade, d.h. ohne Biegung auszugestalten. Die Bauart der mindestens einen Kapillare richtet sich nach der Anordnung der porösen mindestens einen Filterstruktur in der jeweiligen Mischkammer und kann auch von Mischkammer zu Mischkammer innerhalb einer Vorrichtung variieren, wenn mehr als eine
Mischkammer in dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden wird.
Welchen Grad der Biegung die mindestens eine Kapillare aufweist, hängt von der Ausgestaltung der mindestens einen Mischkammer und der Anordnung der mindestens einen porösen Filterstruktur ab, die orthogonal oder diagonal zum
Trägergasstrom innerhalb des hohlzylindrischen Trägergasdurchlasses positioniert werden können. Bevorzugt sind im Wesentlichen orthogonale Anordnungen innerhalb der Mischkammer.
Die mindestens eine poröse Filterstruktur kann unabhängig von ihrer Anordnung in der mindestens einen Mischkammer aus einem metallischen Gitter, wie
beispielsweise einem Titanfließ oder einer Keramik aufgebaut sein. Die Struktur der mindestens einen porösen Filterstruktur ist so zu wählen, dass zwar ein
Hindurchtreten eines erwärmten Trägergasstroms mit gasförmiger Phase des mindestens einen Fluids ermöglicht, ein Durchtritt des aufgetragenen mindestens einen Fluids in flüssiger Phase durch die mindestens eine poröse Filterstruktur jedoch erschwert wird. Eine sofortige Verdampfung des Fluids und damit eine mögliche Aerosolbildung bei Eintragung des mindestens einen Fluids in den
Trägergasstrom, wird durch Art der Anordnung der mindestens einen Kapillare in und/oder auf der mindestens einen porösen Filterstruktur und der damit erzeugten Benetzung der mindestens einen Filterstruktur verhindert.
Als weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist optional schließlich mindestens ein Gaspufferbehälter vorgesehen, der in Richtung des Gasstroms hinter der Mischkammer angeordnet ist und von der Bauart und dem Material so gewählt ist, dass er durch die Substanzen im Trägergas nicht korrodiert wird und eine gleichförmige Konzentration des mindestens einen gasförmigen Fluids im
Trägergasstrom für einen in Richtung des Trägergasauslasses vorhandenen
Gassensor gewährleistet. Der Behälter besteht in der Regel aus einem korrosionsstabilen Material wie beispielsweise Aluminium, beschichtetem Edelstahl und einem in Bezug auf die Trägergastemperatur temperaturstabilen Kunststoff.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich durch ihren Aufbau vorzugsweise sowohl zum Einsatz in der Gasmesstechnik/Kalibrierung als auch zum Einsatz als Benetzungsvorrichtung im Betrieb von Brennstoffzellen-Membranen. Durch den modularen Aufbau der Vorrichtung ist sowohl ein stationärer als transportabler Gebrauch möglich und der erfindungsgemäße Einsatz als mobile oder immobile Vorrichtung durchführbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden anhand der nachfolgenden Figuren nochmals eingehend beschrieben:
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1 ) in modularer Bauweise. Der Trägergasstrom (14) wird vor der Eintragung des mindestens einen Fluids über die zu erreichenden Mischtemperatur mit
Heizelementen (2) erhitzt, wobei die überschussig aufgenommene Wärmemenge den Verdunstungsprozess bewirkt. Nach der Heizstrecke über die Heizelemente (2) schließt sich eine Mischkammer (3) an, die zentral einen zumindest teilweise zylindrischen Durchlass aufweist, in dem eine poröse Filterstruktur (6) und eine Kapillare (5) angeordnet sind. Axial begrenzt wird der Durchlass durch eine Dichtung (11), die verhindert, dass das Fluid (13) aus der Mischkammer (3) bzw. den oben und unteren Mischkammerhälften (7, 8) entweicht.
Das Fluid (13) benetzt über mindestens eine Kapillare (5) eine innerhalb der
Mischkammer (3) vorhandene poröse Filterstruktur (6), die vorliegend ein Titanflies darstellt. Die Kapillare (5) ist vorliegend gegenläufig zum Trägergasstrom (14) angeordnet und schließt gegenüber der Mischkammer (3) einen Winkel von annähernd 90° ein. Die poröse Filterstruktur (6) ist undurchlässig für das Fluid (13), sodass sich eine dünne Fluidoberfläche auf der porösen Filterstruktur (6) ausbilden kann. Gase bzw. Gasgemische können die poröse Filterstruktur (6) ungehindert passieren. Ein Gasgemisch durchströmt somit die poröse Filterstruktur (6) und nimmt als Trägergasstrom (14) das auf die poröse Filterstruktur (6) aufgetragene Fluid (13) auf, wobei der mit den Heizelementen (2) im thermischen Kontakt stehende obere Teil der Mischkammer (3) durch die Heizelemente (2) ebenfalls erwärmt wird. Die Mischkammer (3) besteht aus zwei verschiedenen Materialien, um eine kontrollierte Verdunstung des Fluids (13) erst auf der porösen Filterstruktur (6) zu gewährleisten. Die schlechte Wärmeleitung des unteren Teils der Mischkammer (8), die vorliegend aus PEEK aufgebaut ist und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,25 (W K" 1m"1) aufweist, verhindert eine frühzeitige Verdampfung des Fluids (13) innerhalb der Kapillare (5), sodass das Fluid (13) erst unmittelbar bei Kontakt mit der porösen Filterstruktur (6) höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Die Temperatur des
Trägergasstroms (14) vor der Mischkammer (3) wird so gewählt, dass abhängig von den Wärmekapazitäten und Mengen des Trägergasstroms (14) und des zu
verdunstenden Fluids (13) ausreichend Wärme in den Trägergasstrom (14) eingetragen wird, um eine bestimmte Menge des Fluids (13) zu verdunsten.
Die Regelung der Trägergastemperatur und damit des Gehalts des gasförmigen Fluids (13) im Gasgemisch (15) erfolgt mit Hilfe der Temperaturerfassung der Heizelemente (2) oder des Trägergasstroms (14) vor der Mischkammer (3). Mittels eines optionalen Sensors (10), der sich in Richtung des Gasgemischs (15) hinder der Mischkammer (3) und einem optionalen Gaspufferbehälter (9) befindet, kann die genaue Fluidkonzentration im Gasgemisch (15) ermittelt werden. Die Vorrichtung für die Förderung von Fluid (12) in die Mischkammer (3) über den Fluidzugang (4) ist auf der Außenseite des Gehäuses der Mischkammer befestigt.
Figur 2 zeigt in einer weiteren Darstellung eine Schnittdarstellung der Mischkammer (3). Die Mischkammer (3) besteht aus einer oberen Mischkammerhälfte (7) und einer isolierten unteren Misch kammerhälfte (8). Beide Misch kammerhälften (7, 8) können beheizbar und/oder thermisch isoliert sein. Die Gasdichtigkeit der beiden
Mischkammerhälften (7, 8) zur Umgebung wird durch eine Dichtung (11 )
gewährleistet. Über einen Fluidzugang (4) wird ein Fluid (13) in flüssiger Phase der Mischkammer (3) im Bereich des unteren Teils der Mischkammer (8) zugeführt.
Aus Figur 3 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1 ) in alternativer Ausführungsform mit zwei Kapillaren (5) zu erkennen. In die
Mischkammer (3), die eine obere und untere Mischkammerhälfte (7, 8) aufweist, werden über Fluidzugänge (4) und Kapillaren (5) Fluide (13) in und/oder auf die poröse Filterstruktur e(6) eingetragen und dort verdunstet. Über eine Dichtung (1 1 ) wird gewährleistet, dass ein Austritt der gasförmigen Fluide (13) aus der Mischkammer (3) verhindert wird. Die Fluide (13) können dabei dieselben oder unterschiedliche, verdunstbare Substanzen beinhalten.
Figur 4 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) mit mehr als einer porösen Kapillare (5), über die in und/oder auf mehr als eine poröse Filterstruktur (6) ein oder mehr als ein Fluid (13) in die Mischkammer (3) eingetragen und dort verdunstet wird. Die Mischkammer (3) besteht dabei aus einem oberen und einem unteren Mischkammerteil (7, 8), die zentral einen Durchlass aufweist. Die Fluide (13) können dabei dieselben oder unterschiedliche, verdunstbare Substanzen beinhalten.
Figur 5 zeigt eine Darstellung des Taupunktverlaufs (TP) eines Trägergasstroms (14) (Druckluft, T = 20 °C, TP = 2 °C (relative Feuchte 30%) der mit Wasser befeuchtet und auf eine Zieltemperatur von 25 °C und einen Taupunkt von 12,3 °C (relative Feuchte 45%) gebracht wird. Der Volumenstrom des Trägergases (14) ist dabei über den gesamten Versuchszeitraum konstant bei 1 Nl min"1. Der Versuch wurde mit der in Figur 1 beschriebenen Anordnung durchgeführt. Es ist gut zu erkennen, dass über den gesamten Versuchszeitraum der Taupunkt des Gasgemischs nahezu konstant gehalten werden kann. Die auftretende Standardabweichung gegenüber der
Zieltaupunkt TP = 12, 3 °C liegt hier bei 0,6 %.
Bezugszeichen liste
1 Mischkammer
2 Heizelemente
3 Mischkammer
4 Fluidzugang
5 Kapillare
6 Poröse Filterstruktur
7 Oberer Teil der Mischkammer
8 Unterer Teil der Mischkammer
9 Gaspufferbehälter
10 Gassensor
1 1 Dichtung
12 Vorrichtung zur Förderung von Fluid
13 Fluid
14 Trägergasstrom
15 Gasgemisch

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Eintragung von Fluiden (13) in einen Trägergasstrom (14), wobei eine Verdunstung der zu verdunstenden Fluide (13) im Trägergasstrom (14) durch enthalpische Verdunstung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fluid (13) in zumindest einer Mischkammer (3) über zumindest eine Kapillare (5) in und/oder auf eine poröse Filterstruktur (6) eingetragen und verdunstet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fluid (13) gegenläufig in und/oder auf die mindestens eine poröse Filterstruktur (6) eingetragen und durch den erwärmten Trägergasstrom (14) verdunstet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fluid (13) im Fluss oder tropfenweise über eine Vorrichtung zur Förderung von Fluiden (13) gesteuert in den Trägergasstrom (14) eingetragen und verdunstet wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag des Fluids (13) kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (13) im Trägergasstrom (14) nach der Mischung in der Mischkammer (3) aersosolfrei im Gasgemisch vorhanden ist.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und der Anteil des gasförmigen Fluids (13) im
Trägergasstrom (14) variabel sind.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas als Strömungsmedium vorzugsweise Wasserstoff, Stickstoff und/oder Luft umfasst.
8. Vorrichtung zur Eintragung von Fluiden (13) in einen Trägergasstrom (14), wobei die Vorrichtung zumindest ein Heizelement (2), zumindest eine Vorrichtung zur Förderung von Fluid (12) und zumindest eine Mischkammer (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der zumindest einen Mischkammer (3) zumindest eine Kapillare (5) angeordnet ist über die das mindestens eine Fluid (13) in und/oder auf mindestens eine poröse Filterstruktur (6) eingetragen und verdunstet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kapillare (5) auf der dem Trägergasstrom (14) abgewandten Seite der Mischkammer (3) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kapillare auf der mindestens einen porösen
Filterstruktur (6) endet. 1.Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine poröse Filterstruktur (6) aus einem metallischen und/oder einer keramischen Struktur besteht.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (3) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Mischkammer (3) beheizbar und/oder thermisch isolierend ausgeprägt ist.
14. Verwendung einer Vorrichtung zur Eintragung eines Fluids (13) in einen Trägergasstrom (14), nach Anspruch 8 bis 13 zum Einsatz als mobiles und/oder immobiles Gerät zur Erzeugung eines Gasgemisches bzw.
Prüfgases für die Kalibrierung oder Erzeugung von Fluidbestandteilen in der Gasmesstechnik.
15. Verwendung einer Vorrichtung zur Eintragung eines Fluids (13) in einen Trägergasstrom (14), nach Anspruch 8 bis 13 zum Einsatz als mobiles und/oder immobiles Gerät zur Benetzung von Brennstoffzellen-Membranen.
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