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Dokumentenidentifikation DE102006024694A1 22.11.2007
Titel Kombinationsgerät zum Abscheiden und Mischen von Fluiden
Anmelder Samsung SDI Germany GmbH, 12459 Berlin, DE;
Samsung SDI Co., Ltd., Suwon, Kyonggi, KR
Erfinder Bronold, Matthias, Dr., 12209 Berlin, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10179 Berlin
DE-Anmeldedatum 19.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024694
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse B01D 61/00(2006.01)A, F, I, 20060807, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01D 39/14(2006.01)A, L, I, 20060807, B, H, DE   H01M 8/04(2006.01)A, L, I, 20060807, B, H, DE   
Zusammenfassung Kombinationsgerät zum Abscheiden von Flüssigkeiten und Gasen aus einem Fluidgemisch und zum Mischen von Fluiden, welches ein Gehäuse (90) umfasst, an welchem ein erster Einlass (120) für ein Fluidgemisch, ein zweiter Einlass (121) für ein weiteres Fluidgemisch, ein Auslass (122) für ein Flüssigkeitsgemisch und ein Auslass (124) für ein Gasgemisch angeordnet sind, und mit dem eine gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membran (115) verbunden ist, die aus einer Mehrzahl von Einzelflächen besteht, die derart angeordnet sind, dass sie eine dreidimensionale Oberflächenstruktur der Membran (115) ausbilden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kombinationsgerät zur Abscheidung von CO2 aus einem Brennstoff enthaltenden Fluidgemisch und zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Luft-Gemisch in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem.

Derartige Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise für die Bereitstellung von elektrischer Energie in mobilen elektronischen Geräten benutzt.

Der allgemeine Aufbau eines solchen DMFC-Systems ist in 7 dargestellt. Die Brennstoffzelle 10 hat einen Lufteinlass 11 und einen Luftauslass 13. Eine Luftpumpe oder Gebläse 12 versorgt die Brennstoffzelle 10 mit Reaktionsluft durch den Lufteinlass 11. In einer Auslassleitung der Brennstoffzellen-Kathode ist ein Wärmetauscher 50 angeordnet. Ein Gebläse 55 kühlt den Wärmetauscher 50 und bewirkt damit eine Kühlung des Auslassstromes und Kondensation von Wasser. Das damit aus Luft und Wasser entstandene Zwei-Phasengemisch verlässt den Wärmetauscher 50 durch den Auslass 52. In Abströmrichtung nach dem Wärmetauscher 50 ist ein Wasserabscheider 60 angeordnet, um Wasser aus dem Luftstrom abzuscheiden. Das abgeschiedene Wasser wird zum Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems durch eine Kondensatorpumpe 70 zurückgeführt und die verbleibende Luft wird durch eine Entlüftung 61 an die Umgebung abgegeben. Um die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle zu gewährleisten, muss in dem System CO2 von dem aus dem Brennstoffzellenauslass 16 kommenden Auslassstrom vor Rückführung des Brennstoffes in die Brennstoffzelle abgeschieden werden.

Dieser Auslassstrom enthält eine Mischung aus Methanol, Wasser und CO2. Zu diesem Zweck ist im Anoden-Kreislauf der Brennstoffzelle abflussseitig des Brennstoffzellenauslasses 16 ein CO2-Abscheider 20 angeordnet, welcher CO2 aus dem Reaktionsstrom abscheidet und es durch eine Entlüftungsöffnung 21 zur Umgebung abströmen lässt.

In einem Mischgerät 22 wird der Brennstoffgemisch-Strom mit reinem Brennstoff aus einem Tank 30 gemischt. Eine Brennstoffpumpe 23 pumpt das Brennstoffgemisch zurück zu einem Brennstoffeinlass 15 der Brennstoffzelle.

Eine spezielle Ausgestaltung eines kombinierten CO2- und Wasserabscheidungsgerätes ist im Dokument US 6,110,613 beschrieben. Die aus jeweils Brennstoffgemisch und CO2 und aus Luft und Wasser bestehenden aus der Brennstoffzelle kommenden Auslassströmungen werden einem einzelnen Separationsgerät zugeführt. Die flüssigen Bestandteile von beiden Strömungen verlassen den Abscheidungsraum an dessen Boden und werden der Brennstoffzelle nach Beimischung von konzentriertem Brennstoff wieder zugeführt. Die Gase werden zu einem Sammelgerät geführt, welches wiederum im Auslassgas enthaltenes Wasser und Brennstoffreste zu einem Einlassluftstrom durch eine durchlässige Einheit führen. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass das System orientierungsabhängig ist. Das bedeutet, dass Flüssigkeiten aus dem Gasauslass des Abscheidungsraumes austreten würden, wenn es in einer nichtsenkrechten Position genutzt wird.

Eine weitere Ausführung eines kombinierten CO2- und Wasserabscheidungsgerätes ist im Dokument EP 1383191 offengelegt. In dieser Ausführungsform wird die CO2-Abscheidung in einem mit Brennstoffgemisch gefüllten Raum ausgeführt, welcher einen Einlass aufweist, der mit einem Brennstoffzellenauslass verbunden ist und einen Auslass aufweist, welcher mit einer Zirkulationspumpe gekoppelt ist. Das in Gasblasen auftretende CO2 wird aus dem Brennstoffgemisch durch Wirkung der Schwerkraft während der Verweildauer des Brennstoffgemischs im Separationsraum abgeschieden. An der Oberseite des Abscheidungsraumes ist ein Wasserabscheider montiert. Es sind Öffnungen zwischen dem CO2-Abscheidungsraum und dem Wasserabscheider angeordnet. Mittels dieser Öffnungen lässt sich das abgeschiedene CO2 durch einen Gasauslass herausführen und das abgeschiedene Wasser zurück in den Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems führen. Beide Abscheidungsprozesse funktionieren damit auf Grundlage der Schwerkraft. Der Nachteil dieser Ausführungsform ist ebenfalls die Abhängigkeit von der Ausrichtung des Gerätes im Raum. Das bedeutet, das Gerät arbeitet im Wesentlichen ausschließlich in der aufrechten Position, d.h. in der Position, in der sich der Wasserabscheider an der Oberseite des Abscheidungsgerätes befindet. Diese Orientierungsabhängigkeit bewirkt eine Unflexibilität des Abscheidungsgerätes und erfordert den Einsatz zusätzlicher Sicherheitsvorkehrungen gegen Leckage, insbesondere wenn es in flache Systeme integriert werden soll, wie sie z.B. in transportablen Energieversorgungseinrichtungen von Notebooks erforderlich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, mit dem effektiv und energie- und raumsparend Abscheidungsprozesse und Mischungen von Fluiden durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Kombinationsgerät erfüllt, welches zum Abscheiden von Flüssigkeiten und Gasen aus einem Fluidgemisch und zum Mischen von Fluiden dient. Dieses Kombinationsgerät umfasst ein Gehäuse, an welchem ein erster Einlass für ein Fluidgemisch, ein zweiter Einlass für ein weiteres Fluidgemisch, ein Auslass für ein Flüssigkeitsgemisch und ein Auslass für ein Gasgemisch angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Kombinationsgerät eine gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membran, die mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Membran besteht aus einer Mehrzahl von Einzelflächen, die derart angeordnet sind, dass sie eine dreidimensionale Oberflächenstruktur ausbilden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kombinationsgerätes besteht darin, dass es aufgrund der Flüssigkeitsundurchlässigkeit der Membran orientierungsunabhängig arbeitet. Das heißt, die Abscheidung von Gasen durch die Membran kann in jeder Gebrauchslage des Kombinationsgerätes erfolgen. Dadurch, dass unterschiedliche Fluidströme in einem Gerät vereinigt werden, müssen keine zusätzlichen Pumpen, die die Mischung von Fluiden bewirken sollen, angeordnet werden. Durch die Vermeidung des Einsatzes von Pumpen wird ebenfalls die für den Betrieb der Pumpen benötigte Energie im Gesamt-Brennstoffzellensystem eingespart. Des Weiteren bewirkt die Kombination von Abscheidungs- und Mischprozessen von Fluiden in einem Gerät im Wesentlichen eine Verringerung des Volumenbedarfs und damit ebenfalls eine Verringerung des Fertigungsaufwandes für das erfindungsgemäße Kombinationsgerät, was zu verringerten Produktionskosten führt.

Im Allgemeinen besteht beim Einsatz von Membranen zu Abscheidungszwecken die Gesetzmäßigkeit, dass, je höher das durch die Membran hindurch zu transferierende Gasvolumen sein soll, ebenfalls der von einer Pumpe erzeugte Gasdruck erhöht sein muss. Da in einem Brennstoffzellensystem sowohl der Luftstrom sowie auch der CO2-Strom, die aus der Brennstoffzelle herausströmen, durch die Abscheidungsmembran hindurchgepresst werden müssen, muss üblicherweise der durch eine Gaspumpe erzeugte Gasdruck sehr hoch sein, was zu einer groß zu dimensionierenden Pumpe und damit zu einem hohen Energieverbrauch führt. Dieser hohe Energieverbrauch verringert die allgemeine Energie-Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems.

Dadurch allerdings, dass erfindungsgemäß die Membranoberfläche dreidimensional strukturiert ist, erhöht sich im wesentlichen Maße die Größe ihrer Gesamtoberfläche. Durch den Einsatz dieser sehr großen Membranoberfläche ist es damit möglich, trotz eines relativ geringen Gasdruckes in einer Zeiteinheit ein relativ großes Gasvolumen zu Abscheidungszwecken durch die Membran hindurch zu transferieren. Eine zum Zweck der Gasabscheidung angeordnete Pumpe kann daher wesentlich kleiner dimensioniert sein als bei herkömmlichen Ausführungen, was ebenfalls zu einem wesentlich geringeren Energieverbrauch und damit zu einer besseren Energie-Effizienz des Gesamt-Brennstoffzellensystems führt.

Das dem Kombinationsgerät zugeführte Fluid-Gemisch besteht im Wesentlichen aus einem Gemisch von Flüssigkeiten und Gasen. Die oberflächenstrukturierte Membran ist so gestaltet, dass sie bei nicht vollständiger Füllung des Innenraumes des Kombinationsgerätes mit einem Fluid-Gemisch nur mit einem Teil ihrer Oberfläche ausschließlich mit Gas in Berührung ist. Die Membran hat dabei im Wesentlichen eine Gesamterstreckungsfläche, die in einer oder auch in mehreren Ebenen verlaufen kann. In mehreren Ebenen kann die Membranfläche z.B. dann verlaufen, wenn die Membran gebogen, gewölbt oder auch zylinderförmig ist, d.h., neben der dreidimensionalen Oberflächenstrukturierung auch noch eine dreidimensionale Verformung der Gesamt-Fläche aufweist.

Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der erste Einlass für ein Fluid-Gemisch ein Einlass für ein aus der Brennstoffzelle kommendes Gemisch aus Brennstoff und CO2 ist.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der zweite Einlass für ein weiteres Fluid-Gemisch ein Einlass für ein Wasser-Luft-Gemisch ist. Dieses weitere Fluid-Gemisch strömt aus dem Wärmetauscher in das erfindungsgemäße Kombinationsgerät.

Der Auslass für ein Flüssigkeitsgemisch ist ein Auslass für ein Gemisch aus Brennstoff und Wasser. Dieses aus dem Auslass strömende Fluid-Gemisch wird zur Brennstoffzelle zurückgeführt.

Der Auslass für ein Gasgemisch ist ein Auslass für ein Gemisch aus Luft und CO2. Das aus diesen Auslass strömende Gasgemisch wird in die Umgebung abgeführt.

Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass am Gehäuse ein weiterer Anschluss zur Zuführung von Brennstoff vorhanden ist. Durch diesen Anschluss zur Zuführung von Brennstoff wird aus einem Tank kommender unvermischter Brennstoff dem Gemisch im Kombinationsgerät zugeführt.

In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran durch winklig zueinander angeordnete benachbarte, ebene Einzelflächen erzeugt wird. Das heißt, dass die ebenen Einzelflächen in einem Zickzack-Profil nebeneinander angeordnet sind. Die ebenen Einzelflächen verlaufen dabei in einer Erstreckungsrichtung der Membranfläche über deren gesamte Länge bzw. Breite.

In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran durch Ausbeulungen der Membranfläche erzeugt ist. Diese Ausbeulungen können dabei z.B. pyramidenförmig oder auch kegelförmig ausgeführt sein. Die kegelförmigen bzw. pyramidenförmigen Ausbeulungen müssen dabei nicht spitz zulaufen. Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass deren Formen eher pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig abgewandelt sind. Die genannten Ausbeulungen können dabei an einer Seite der Membran angeordnet sein bzw. auch auf beiden Seiten der Membran. In einer alternativen Ausführungsform zu den winklig zueinander angeordneten Einzelflächen kann die Membran-Gesamtfläche ebenfalls auch aus einem Wellenprofil bestehen. Das bedeutet, dass statt eines winkligen Überganges zwischen Einzelflächen ein abgerundeter Übergang derart ausgebildet ist, dass sich im Wesentlichen eine Wellenform, wie z.B. die einer Sinusschwingung, ergibt.

Des Weiteren kann alternativ vorgesehen sein, dass auf der Gesamt-Erstreckungsfläche der Membran eine Mehrzahl von zur Gesamt-Erstreckungsfläche senkrecht stehenden Einzelflächen angeordnet sind, und die durch diese senkrechten Flächen gebildeten Hohlprofile durch einseitig parallel zur Gesamt-Erstreckungsfläche verlaufende Einzelflächen abgeschlossen sind. In dieser Ausführungsform erstrecken sich damit von der Gesamt-Erstreckungsfläche der Membran senkrecht dazu angeordnete z.B. quaderförmige oder auch zylinderförmige Hohlprofile. Diese an die Membranfläche angeschlossenen Hohlprofile sind mittels aus dem Membranmaterial hergestellten parallel zur Gesamt-Erstreckungsfläche der Membran ausgeführten einzelnen und zur Hohlprofilwand senkrecht angeordneten Einzelflächen abgeschlossen.

Durch alle die genannten speziellen Ausführungsformen der Membran-Oberfläche ergibt sich eine im Vergleich zu einer glatten Gesamterstreckungsfläche der Membran wesentliche größere Oberfläche.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Kombinationsgerät eine dreidimensionale Profilierung der Membran durch eine Kombination der genannten möglichen Ausführungsformen der Membran auf. Das bedeutet, dass auf der Gesamt-Erstreckungsfläche der Membran unterschiedliche Formgestaltungen der Membranfläche angeordnet sein können. Es können z.B. regelmäßig oder auch unregelmäßig pyramidenförmige Ausbeulungen neben kegelförmigen Ausbeulungen bzw. zickzack-förmiger Profilierung und/oder Wellenprofilierung der Membranfläche angeordnet sein.

Um eine Volumen- und Gewichtsersparnis zu bewirken und den Fertigungsaufwand zu verringern ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens eine Seite des Gehäuses bildet. Das heißt, wenigstens eine Seite des Gehäuses besteht ausschließlich aus Membran-Material. Bei ausreichender Steifigkeit des Gehäuses und großem Membranoberflächenbedarf können auch mehrere Seiten des Gehäuses durch die Membran oder mehrere Membranen gebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran aus einem Material besteht, welches PTFE aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Membran aus PTFE besteht.

Bevorzugt ist des weiteren vorgesehen, dass im Gehäuse des erfindungsgemäßen Kombinationsgerätes und dieses in mindestens zwei Räume teilend ein Diaphragma angeordnet ist. Als Material des Diaphragmas kann dabei ein poröses Material wie z.B. ein Schwamm oder auch ein Löcher aufweisendes Material oder eine poröse Keramik verwendet werden. Das Diaphragma teilt den Gehäuseinnenraum des erfindungsgemäßen Kombinationsgerätes in zwei einzelne Räume, an dessen einem Teilraum der Einlass für das Fluid-Gemisch und der Auslass für das Flüssigkeitsgemisch angeordnet sind und an dessen anderer Raum der zweite Einlass für das weitere Fluid-Gemisch und der Auslass für die Gase angeschlossen sind. Das abgeschiedene CO2 durchtritt das Diaphragma und gelangt vom ersten Teilinnenraum des Gehäuseinnenraumes in den zweiten Teilinnenraum und verlässt diesen zusammen mit Luft durch die Membran. Des Weiteren tritt Wasser im zweiten Teilinnenraum des Gehäuseinnenraumes durch das Diaphragma hindurch in den ersten Teilinnenraum, von dem es durch den Brennstoffgemischauslass austritt.

In günstiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationsgerätes ist der Flüssigkeitsauslass ein in der Gehäusewand flüssigkeitsdicht drehbar gelagertes gekrümmtes Rohr. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass aufgrund der Drehbarkeit des gekrümmten Rohres dieses durch seine Schwerkraft mit seinem offenen Ende ständig nach unten hängt, so dass es mit der am tiefsten Punkt des Gehäuses befindlichen Flüssigkeit in Kontakt ist. Unabhängig von der Orientierung des Kombinationsgerätes im Raum lässt sich somit die ständige Verbindung von Flüssigkeitsauslass und im Gehäuse befindlicher Flüssigkeit erreichen.

In einer alternativen Ausgestaltung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass der Flüssigkeitsauslass ein in der Gehäusewand flüssigkeitsdicht angeordnetes flexibles biegsames Rohr ist. In dieser Ausgestaltung bewirkt die flexible Biegbarkeit des Rohres, dass dieses ständig nach unten und somit ständig in Kontakt mit der im Gehäuse befindlichen Flüssigkeit ist.

Das den Gehäuseinnenraum teilende Diaphragma ist im Querschnitt vorzugsweise ein polygonales Profil. So kann das Diaphragma im Querschnitt z.B. quadratisch, fünfeckig oder auch prismatisch ausgeführt sein. Das bedeutet, dass im Wesentlichen ebene, winklig zueinander benachbarte Flächen einen geschlossen Polygonzug bilden. Um eine bessere Durchströmung des Diaphragmas von Flüssigkeiten zu erreichen kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass Löcher in den Flächen des polygonal geformten Diaphragmas vorhanden sind. Durch diese Löcher kann in einfacher Weise z.B. das Wasser von einem durch das Diaphragma gebildeten Teilinnenraum im Gehäuse in den anderen Teilinnenraum im Gehäuse strömen.

Das erfindungsgemäße Kombinationsgerät wird vorteilhafterweise als Flüssigkeitsabscheidungsgerät und als Gerät zum Mischen von Brennstoffen in einem Brennstoffzellensystem verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen dabei:

1: das erfindungsgemäße Kombinationsgerät in einem Brennstoffzellensystem,

2: ein Kombinationsgerät mit profilierter Membran,

3: Kombinationsgerät mit Diaphragma und Membran,

4: zylinderförmiges Kombinationsgerät,

5: Kombinationsgerät mit gewellter Membran,

6: Kombinationsgerät mit polygonal geformtem Diaphragma

7: Brennstoffzellensystem gemäß Stand der Technik der Technik.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem dargestellt, welches eine Brennstoffzelle 10, einen Wärmetauscher 50, das erfindungsgemäße Kombinationsgerät 80 sowie einen Brennstofftank 30 und die zwischen diesen einzelnen Aggregaten angeordneten Verbindungsleitungen aufweist. Zur Beförderung der jeweiligen Fluide sind im Brennstoffzellensystem eine Gaspumpe 12, eine Zirkulationspumpe 23 und eine Brennstoffzellenpumpe 31 angeordnet. Der Wärmetauscher 50 wird mittels eines Gebläses 55 gekühlt.

Zwei aus Zwei-Phasen-Gemischen bestehende Strömungen werden in das Kombinationsgerät 80 geführt. Der aus dem Wärmetauscher 50 kommende Auslassstrom enthält Luft und Wasser und strömt in das Kombinationsgerät 80 durch dessen Luft-Wasser-Einlass 121. Der aus dem Brennstoffzellen-Anodenauslass 16 kommende Anoden-Auslassstrom enthält ein Brennstoffgemisch und CO2 und strömt in das Kombinationsgerät 80 an dessen Brennstoffgemisch-CO2-Einlass 120. Während der Verweildauer der Zweiphasen-Gemische im Kombinationsgerät 80 werden die Gase von den Flüssigkeiten aufgrund der Wirkung der Schwerkraft abgeschieden. Das heißt, dass aufgrund der geringeren Dichte der Gase Luft und CO2 diese im Kombinationsgerät 80 über den jeweiligen Flüssigkeiten Wasser und Brennstoff auftreten. Die Gase werden aus dem Innenraum des Kombinationsgerätes 80 durch Entlüftungsöffnungen 124 an die Umgebung abgegeben. Der mit dem kondensierten Wasser im Innenraum des Kombinationsgerätes 80 vermischte Brennstoff wird durch den Brennstoffgemischauslass 122 zurück zum Brennstoff-Anodeneinlass 15 durch eine Zirkulationspumpe 23 gepumpt.

Bei Bedarf kann mittels einer Brennstoffpumpe 31 Brennstoff, der in einem Brennstofftank 30 gelagert ist, über einen Einlass für konzentrierten Brennstoff 123 in das Kombinationsgerät 80 gepumpt werden. Dieser konzentrierte Brennstoff vermischt sich mit dem im Kombinationsgerät 80 enthaltenen Brennstoff-Wasser-Gemisch und verlässt das Kombinationsgerät 80 ebenfalls durch den Brennstoffgemischauslass 122.

Dadurch, dass an dem Kombinationsgerät 80 jeweils zwei Einlässe 120, 121 und zwei Auslässe 122, 123 angeordnet sind, lassen sich im Inneren des Kombinationsgerätes 80 Abscheidungsprozesse sowie gleichzeitig Mischprozesse von Flüssigkeiten bzw. Gasen durchführen. Diese Kombination von Abscheidung und Mischung von Flüssigkeiten bzw. Gasen in einem Gerät führt zu einem sehr einfachen Brennstoffzellensystemaufbau mit einer verringerten Anzahl von Einzelbauteilen und einem geringen Volumenbedarf.

Die Erfindung ist in 2 dargestellt. Innerhalb des Kombinationsgerätes 80 ist der Abscheidungsraum 100 ausgebildet. Durch die Gehäusewand 90 des Kombinationsgerätes 80 führen jeweils der Luft-Wasser Einlass 121 und der Einlass 123 für konzentrierten Brennstoff sowie der Brennstoffgemisch-CO2-Einlass 120. Des weiteren ist eine Brennstoffgemischauslasseinrichtung 122 sowie die Membran 115 zum Herausführen der Gase Luft und CO2 aus dem Abscheidungsraum 100 am Kombinationsgerät 80 angeordnet. Das bedeutet, dass das aufgrund der unterschiedlichen Dichte im Abscheidungsraum 100 über den Flüssigkeiten befindliche Gas, bestehend aus Luft und CO2, durch die in Zickzack-Form profilierte Membran 115 durch diese hindurch an die Umgebung abgeführt werden kann. Es ist somit in dieser Ausführungsform kein extra Gas-Auslassrohr am Gehäuse 90 des Kombinationsgerätes 80 vorgesehen.

Die Membran 115 besteht vorzugsweise aus einem porösen PTFE-Material oder aus einem anderen flüssigkeitsabweisenden Material oder aus einer Kombination von PTFE-Material mit einem weiteren flüssigkeitsabweisenden Material. Dadurch, dass die Membran gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig ist, werden durch sie die Gase an die Umgebung herausgeleitet und die Flüssigkeiten im Abscheidungsraum 100 des Kombinationsgerätes 80 gehalten. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das Kombinationsgerät flexibel im Raum auszurichten, ohne dass z.B. Flüssigkeit durch Gasaustrittsöffnungen aus dem Kombinationsgerät 80 austritt. Durch die starke räumliche Profilierung der Membran 115 ergibt sich eine weit größere Oberfläche als wenn die Membran als glatte Ebene ausgeführt wird. Aufgrund dieser großen Oberfläche ist es möglich, ein großes Gasvolumen in einer bestimmten Zeiteinheit durch die Membran zu transferieren. Bei Anordnung einer dreidimensional profilierten Membran, welche sich über wenigstens eine Gesamt-Außenfläche des Kombinationsgerätes 80 erstreckt, ist die zur Gas-Transferierung zur Verfügung stehende Fläche der Membran so groß, dass im Brennstoffzellensystem ein nur relativ geringer Druck erzeugt werden muss, der das Gas aus dem Kombinationsgerät 80 an die Umgebung durch die Membran 115 hinausdrückt. Ein solch geringer Druck kann mit entsprechend klein dimensionierten Pumpen erzeugt werden, die einen nur geringfügigen Energieverbrauch haben, was die Gesamt-Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht. In 2 ist die Membran im Zickzack-Profil dargestellt. Es sind allerdings auch weitere Ausführungsformen wie z.B. eine gebeulte Membran, eine gewellte oder eine mit pyramidenförmigen bzw. kegelförmigen oder stabförmigen Ausformungen versehene Membran 115 sowie die Kombination von einzelnen unterschiedlichen Ausformungen möglich.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird das Kombinationsgerät 80 mittels eines Diaphragmas 130 in zwei Einzelräume, nämlich dem Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 und dem Luft-Wasser-Raum 102 gebildet. An den Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 ist der Einlass 120 für das Brennstoffgemisch und CO2 sowie der Einlass 123 für konzentrierten Brennstoff angeordnet. Der Flüssigkeitsauslass 122 für Brennstoffgemisch und Wasser ist als flexibles Sammelrohr 126 in den Innenbereich des Brennstoffgemisch-CO2-Raumes 101 verlängert. Durch die Schwerkraft hängt das Ende des flexiblen Sammelrohres 126 ständig nach unten und befindet sich somit jeweils optimal in einer Stellung, in der es mit der am tiefsten Punkt innerhalb dieses Einzelraumes befindlichen Flüssigkeit in Kontakt ist. Der Luft-Wasser-Raum 102 innerhalb des Kombinationsgerätes 80 wird des Weiteren durch eine Membran 115 derart geteilt, dass ein Gassammelraum 103 innerhalb des Kombinationsgerätes 80 entsteht. An dem Luft-Wasser-Raum 102 ist der Einlass 121 für das Luft-Wasser-Gemisch angeordnet. An dem Gassammelraum 103 ist der Gasauslass 124 zum Herauslassen von Luft und CO2 aus dem Kombinationsgerät 80 angeordnet. Das Diaphragma ist im Wesentlichen ein flächiges Material mit Löchern oder aus porösen Schichten bestehend, wie z.B. ein geschäumtes Material oder eine poröse Keramik. In dem Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 wird das Brennstoffgemisch und CO2 durch den Brennstoffgemisch-CO2-Einlass 120 zugeführt. Aufgrund der Schwerkraft löst sich das CO2 aus dem Brennstoffgemisch und befindet sich über dem flüssigen Brennstoff. Im benachbarten Luft-Wasserraum 102, welcher durch den Luft-Wasser-Einlass 121 mit Luft-Wasser-Gemisch beschickt wird, separiert sich Luft vom Wasser. Aufgrund der Gasdurchlässigkeit des Diaphragmas 130 tritt das CO2 durch das Diaphragma 130 hindurch in den Luft-Wasser-Raum 102 und verlässt zusammen mit der in diesem Raum abgeschiedenen Luft diesen Luft-Wasser-Raum 102 durch die Abscheidungsmembran 115. Um die Gesamtoberfläche der Membran 115 zu erhöhen, ist die profilierte Membran 115 an zwei Seitenflächen des Luft-Wasser-Raumes 102 angeordnet. Die durch die Membran 115 in den Gassammelraum 103 getretenen Gase werden in diesem Gassammelraum 103 gesammelt und durch eine Entlüftungsöffnung 124 an die Umgebung abgeführt. Das im Luft-Wasser-Raum 102 verbleibende Wasser tritt durch das Diaphragma 130 hindurch in den benachbarten Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101. Aus diesem Raum wird es mittels des Brennstoffgemischauslasses 122 herausgelassen. Die Öffnung des flexiblen Rohres 126 des Brennstoffgemischauslasses 122 ist orientierungsunabhängig. Somit kann das Kombinationsgerät 80 selbst in jeglicher räumlicher Orientierung betrieben werden, das Ende des flexiblen Rohres 126 des Brennstoffgemischauslasses 122 hängt ständig nach unten und ist somit vorteilhafterweise ständig in Kontakt mit der am tiefsten Punkt im Kombinationsgerät 80 vorhandenen Flüssigkeit. Bei Betrieb des Kombinationsgerätes 80, z.B. in einer Position wie in 3 dargestellt, ist es möglich, dass die Membran 115 sowie auch das Diaphragma 130 zur gleichen Zeit mit Flüssigkeiten (Brennstoffgemisch, Wasser) und Gasen (CO2, Luft) in Kontakt sind. Aufgrund der flüssigkeitsabweisenden Eigenschaft der Membran 115 wird dabei sämtliche Flüssigkeit im Abscheidungsraum 100 des Kombinationsgerätes 80 gehalten, und die Gase können den Abscheidungsraum 100 durch den nicht an Flüssigkeit anliegenden Teil der Membran 115 des Kombinationsgerätes 80 verlassen.

Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationsgerätes ist in 4 dargestellt. Das Kombinationsgerät 80 hat in dieser Ausführung eine zylindrische Form. Die Erfindung ist aber nicht auf die zylindrische Form festgelegt, sondern es ist auch möglich, dass statt dessen z.B. eine prismatische Form verwendet wird. Die Membran 115 schließt den Luft-Wasser-Raum 102 ein und ist, abgesehen von der Ausrichtung ihrer Einzelflächenelemente, in ihrer Gesamt-Fläche insgesamt parallel zur äußeren Oberfläche des Kombinationsgerätes 80 angeordnet. Der durch die Membran 115 gebildete Innenraum ist mittels eines porösen Diaphragmas 130 von ebenfalls zylindrischer oder prismatischer Form in den Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 und in den genannten Luft-Wasser-Raum 102 geteilt. Die einzelnen Einlässe bzw. Auslässe sind wie oben in Bezug zu den vorhergehenden Figuren an die einzelnen Teilräume angeschlossen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der sehr großen Oberfläche der Membran 115.

In 5 ist ein Kombinationsgerät 80 dargestellt, welches vorteilhafterweise ein nur geringes Volumen hat. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die dreidimensional gestaltete Membran 115 in den Hauptraum des Abscheidungsraumes 100. Diese Ausführungsform bewirkt ein günstiges Verhältnis von Gesamtvolumen des Kombinationsgerätes 80 und der Maximierung der Gesamtfläche der Membran 115. Obwohl in dieser 5 nicht dargestellt, kann der Abscheidungsraum 100 ähnlich wie bei den vorhergehenden Figuren mittels eines Diaphragmas 130 in einen Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 und einen Luft-Wasser-Raum 102 unterteilt werden. Außerdem kann, wie auch schon in 3 dargestellt, der Brennstoffgemischauslass 122 mit einem flexiblen Rohr 126 gekoppelt werden, so dass dieses flexible Rohr 126 unter Wirkung der Schwerkraft ständig am tiefsten Punkt dieses Teilraumes stehenden Flüssigkeit in Kontakt ist, so dass eine Verbesserung der Orientierungsunabhängigkeit des Kombinationsgerätes 80 erreicht wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt. Hier ist der Luft-Wasser-Raum 102 innerhalb des Brennstoffgemisch-CO2-Raumes 101 mit wenigstens einem wesentlichen Teil seines Volumens angeordnet. Eine Außenwand bzw. Außenfläche des Luft-Wasser-Raumes 102 wird durch eine gefaltete Membran 115 erzeugt. Die den Luft-Wasser-Raum 102 vom Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 abgrenzende Diaphragma 130 weist Öffnungen 131 auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das Diaphragma 130 im Profil fünfeckig gestaltet. Die Öffnungen 131 sind in den Flächen des Diaphragmas sowie an den durch angrenzende Flächen entstandenen Kanten des Diaphragmas 130 gebildet. Diese Öffnungen 131 dienen dazu, innerhalb des Luft-Wasser-Raumes 102 kondensiertes Wasser zum Brennstoffgemisch-CO2-Raum 101 zu führen. Aufgrund der polygonal gestalteten Form des Diaphragmas 130 befindet sich Wasser innerhalb des Luft-Wasser-Raumes 102 ständig auf einer der Innenflächen des Polygons bzw. an einer der durch zwei benachbarte Innenflächen gebildeten Kanten des Diaphragmas 130. Dadurch, dass die Öffnungen 131 im Wesentlichen regelmäßig über die Gesamtfläche und Kanten des Diaphragmas 130 verteilt sind, kann das Wasser durch diese Öffnungen aus dem Luft-Wasser-Raum 102 einfach in den Brennstoffgemisch-CO2-Raum des Kombinationsgerätes 80 gelangen.

10
Brennstoffzelle
11
Kathoden-Einlass der Brennstoffzelle
12
Luftpumpe/Gebläse
13
Kathoden-Auslass der Brennstoffzelle
15
Anoden-Einlass der Brennstoffzelle
16
Anoden-Auslass der Brennstoffzelle
20
O2-Abscheider
21
CO2-Auslass/Entlüftungsöffnung
22
Mischungsgerät
23
Zirkulationspumpe
30
Brennstofftank
31
Brennstoffpumpe
50
Wärmetauscher
52
Wärmeetauscher-Auslass
55
Gebläse
60
Wasserabscheider
61
Entlüftung
70
Kondensatorpumpe
80
Kombinationsgerät
90
Gehäuse
100
Abscheidungsraum
101
Brennstoffgemisch-CO2-Raum
102
Luft-Wasser-Raum
103
Gassammelraum
110
Seitenfläche des Kombinationsgerätes
115
Membran
120
Erster Einlass für ein Fluidgemisch
121
Zweiter Einlass für ein Fluidgemisch
122
Auslass für ein Flüssigkeitsgemisch
123
Einlass für konzentrierten Brennstoff
124
Auslass für ein Gasgemisch
126
flexibles Sammelrohr
130
Diaphragma
131
Diaphragma-Öffnung


Anspruch[de]
Kombinationsgerät zum Abscheiden von Flüssigkeiten und Gasen aus einem Fluidgemisch und zum Mischen von Fluiden, welches ein Gehäuse (90) umfasst, an welchem ein erster Einlass (120) für ein Fluidgemisch, ein zweiter Einlass (121) für ein weiteres Fluidgemisch, ein Auslass (122) für ein Flüssigkeitsgemisch und ein Auslass (124) für ein Gasgemisch angeordnet sind, und mit dem eine gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membran (115) verbunden ist, die aus einer Mehrzahl von Einzelflächen besteht, die derart angeordnet sind, dass sie eine dreidimensionale Oberflächenstruktur der Membran (115) ausbilden. Kombinationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass (120) für ein Fluidgemisch ein Einlass für ein Gemisch aus Brennstoff und Kohlendioxid ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (121) für ein weiteres Fluidgemisch ein Einlass für ein Wasser-Luft-Gemisch ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (122) für ein Flüssigkeitsgemisch ein Auslass für ein Gemisch aus Brennstoff und Wasser ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (124) für ein Gasgemisch ein Auslass für ein Gemisch aus Luft und Kohlendioxid ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse des weiteren ein Anschluss (123) zur Zuführung von Brennstoff vorhanden ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran (115) durch winklig zueinander angeordnete benachbarte ebene Einzelflächen erzeugt ist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran (115) durch Ausbeulungen der Membranfläche erzeugt ist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran (115) durch eine Wellenform der Membranfläche erzeugt ist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Fläche der Membran (115) pyramidenförmige Verformungen aufweist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Fläche der Membran (115) kegelförmige Verformungen aufweist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Gesamt-Erstreckungsfläche der Membran (115) eine Mehrzahl von zur Gesamt-Erstreckungsfläche senkrecht stehenden Einzelflächen angeordnet sind und die durch diese senkrechten Flächen gebildeten Hohlräume einseitig durch parallel zur Gesamt-Erstreckungsfläche verlaufende Einzelflächen abgeschlossen sind. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Profilierung der Membran (115) durch eine Kombination der in den Ansprüchen 7–12 genannten Flächenelementen erzeugt ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (115) wenigstens eine Seite des Gehäuses (90) bildet. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (115) mehrere Seiten des Gehäuses (90) bildet. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (115) aus einem Material besteht, welches PTFE aufweist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (90) und dieses in mindestens zwei Räume teilend ein Diaphragma (130) angeordnet ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (122) ein in der Gehäusewand flüssigkeitsdicht drehbar angeordnetes gekrümmtes Rohr ist. Kombinationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (122) ein in der Gehäusewand flüssigkeitsdicht angeordnetes flexibel biegsames Sammelrohr (126) ist. Kombinationsgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragma (130) im Querschnitt ein polygonales Profil aufweist. Kombinationsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Löcher (131) in den Flächen des polygonal geformten Diaphragmas (130) sind. Kombinationsgeräte nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragma (130) mit polygonalem Profil mit mindestens drei Flächen an den Brennstoffgemisch-CO2-Raum (101) grenzt. Verwendung des Kombinationsgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 22 als Flüssigkeitsabscheidungsgerät und als Gerät zum Mischen von Brennstoffen und Gasen in einem Brennstoffzellensystem.






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