European Patent Office Office européen des brevets (19)
1 354 856 A1
*EP001354856A1*
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EP 1 354 856 A1
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EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
(43) Veröffentlichungstag:
22.10.2003 Patentblatt 2003/43 (21) Anmeldenummer:03008231.7 (22) Anmeldetag:09.04.2003
(51) Int Cl.7:
C02F 1/16, C02F 9/00
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT SE SI SK TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL LT LV MK RO
(30) Priorität:16.04.2002 DE 10216709 (71) Anmelder:Airbus Deutschland GmbH
21129 Hamburg (DE)
(72) Erfinder:
• Hoffjann, Claus 21037 Hamburg (DE)
• Heinrich, Hans-Jürgen 22609 Hamburg (DE)
(74) Vertreter:Hansmann, Dierk, Dipl.-Ing.
Patentanwälte
Hansmann-Klickow-Hansmann Jessenstrasse 4
22767 Hamburg (DE)
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Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeugen
(57) Verfahren zur Wasseraufbereitung und Vertei- lung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und / oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommen kann.
Bei diesem Verfahren können unterschiedliche Wasserqualitäten an verschiedenen Stellen eines Auf- bereitungsprozesses abgeleitet werden. Hierbei wird ein kombinierter Prozess aus Hochtemperatur-Brenn-
stoffzelle und Turbine im Temperaturbereich > 500°C, mit einem direkt in die Brennstoffzelle integrierten und mit der Brennstoffzellen-Prozesswärme betriebenen Reformerprozess zur Verwendung von Kohlenwasser- stoffen als Brennstoff sowie einer Zudosierung von Grau- und / oder Frischwasser und einem mit der Pro- zesswärme der Brennstoffzelle betriebenen Wasserpu- rifikationsprozesses sowie einer Wasserverteilung und einer selbstregulierenden Wasseraufsalzungseinheit verwendet.
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Was- seraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommen kann.
[0002] Speziell in Luftfahrzeugen aber auch an Bord von Wasser- oder Landfahrzeugen sowie bei autono- men stationären Einrichtungen lässt sich Wasser z. B.
durch den Einsatz von Brennstoffzellen oder einen an- deren geeigneten Prozess gewinnen. Das aus Brenn- stoffzellen oder einem anderen Prozess gewonnene Wasser muss für die Verwendung in WC-Spülungen, als Trinkwasser, Duschwasser, Waschwasser und zur Luft- befeuchtung in Klimaanlagen jeweils unterschiedliche Wasserqualitäten aufweisen:
- Trinkwasser muss für den menschlichen Verzehr geeignet sein und den Anforderungen nationaler und internationaler Trinkwasserverordnungen ent- sprechen.
- Duschwasser und Waschwasser muss ebenfalls Trinkwasserqualität gemäss den Anforderungen nationaler und/oder internationaler Trinkwasserver- ordnungen entsprechen, da dieses Wasser u. U.
ebenfalls in den menschlichen Körper gelangen kann.
- Wasser zur Luftbefeuchtung in Klimaanlagen muss keimfrei, frei von Fungien und zur Vermeidung von Ablagerungen möglichst entsalzen sein.
- Wasser für WC-Spülungen sollte keimfrei und zur Vermeidung von Ablagerungen weitgehend entsal- zen sein.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem unterschiedliche Wasserqualitäten unter bestimm- ten Voraussetzungen an verschiedenen Stellen eines Aufbereitungsprozesses abgeleitet werden können.
[0004] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgenerier- tem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeu- gen, vorzugsweise auch in autonomen stationären Ein- richtungen, wird die Aufgabe unter Verwendung eines kombinierten Prozesses aus Hochtemperatur-Brenn- stoffzelle und Turbine im Temperaturbereich > 500°C, mit einem direkt in die Brennstoffzelle integrierten und mit der Brennstoffzellen-Prozesswärme betriebenen Reformerprozess zur Verwendung von Kohlenwasser- stoffen als Brennstoff sowie einer Zudosierung von Grau- und/oder Frischwasser und einem mit der Pro- zesswärme der Brennstoffzelle betriebenen Wasserpu- rifikationsprozesses sowie einer Wasserverteilung und einer selbstregulierenden Wasseraufsalzungseinheit gelöst.
[0005] Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Ver- fahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 29 beschrie-
ben.
[0006] Das Verfahren beruht auf einem mehrstufigen Wasserherstellungs- und Nachbereitungsprozess mit Wassererzeugung, Wasseraufbereitung, Wasservertei- lung und Wasseraufsalzung. Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:
- Wasserherstellung
Bei einem Wasserherstellungsprozess unter Ver- wendung von Brennstoffzellen, ist eine absolut keimfreie Wasserqualität dadurch garantiert ist, dass in den Brenngasen und somit auch im End- produkt verfahrensbedingt keinerlei Keime enthal- ten sind. Hierfür wird erfindungsgemäß eine Hoch- temperatur-Brennstoffzelle eingesetzt.
- Purifikation
Prozess zur Aussonderung von unerwünschten In- haltsstoffen aus dem Wasser. Hierzu wird erfin- dungsgemäß ein Verdampferprozess und ein nach- geschalteter Aktivkohle-Filtrationsprozess einge- setzt. Der Verdampferprozess wird mit der Abwär- me der Hochtemperatur-Brennstoffzelle betrieben.
Die Aktivkohlefilter werden wechselseitig über die Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle re- generiert.
- Wasserverteilung
Das nach dem Purifikationsprozess zur Verfügung stehende Wasser wird in einem Behälter gepuffert und danach in die Systeme für die Luftbefeuchtung/
Klimatisierung, WC-Spülung und Trinkwasser/
Duschwasser/Waschwasser verteilt.
- Wasseraufsalzung
Trinkwasser, Dusch- und Waschwasser werden über eine Zudosierungseinheit mit denen für den menschlichen Gebrauch benötigten Salzen aufbe- reitet. Ein nachgeschaltetes Meßverfahren, wel- ches mit der Zudosierungseinheit rückgekoppelt ist, garantiert zu jedem Zeitpunkt einwandfreie Was- serqualität. Die Zudosierung von Salzen erfolgt au- tomatisch und mengenabhängig.
[0007] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsge- mäßen Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt die einzi- ge Figur eine Anordnung zur Wassergenerierung mittels Hochtemperatur-Brennstoffzellen als Hilfsaggregat (APU). Bei dieser Anordnung ist die Abwärme der Hoch- temperatur-Brennstoffzelle in einer oder mehreren Gas- turbinen, ggfs. auch in Stirlingmotoren oder in anderen Wärme-Kraftmaschinen nutzbar. Auf diese Weise lässt sich direkt Druckluft erzeugen, welche entweder für die Druckluftbeaufschlagung und Klimatisierung einer Flug- zeugkabine oder für den Triebwerksstart eines Flugzeu- ges zur Verfügung stehen kann. Zusätzlich können Hy- draulikpumpen angeschlossen werden, welche die Not- versorgung des Hydrauliksystems übernehmen. Hierzu muss für die Brennstoffzellen ein Notfall-Treibstoffvolu-
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men bereit stehen, welches z.B. aus in Flaschen mitge- führtem Methan (Erdgas) bestehen kann. Die erforder- lichen Redundanzen erhält man aus der Anzahl der ein- gesetzten Brennstoffzellensysteme.
[0008] Die erforderlichen Aufbereitungsprozesse für das Grau- bzw. Schwarzwasser werden in dieser An- ordnung über die Abwärme der Brennstoffzelle betrie- ben. Ein zusätzlicher Vorteil findet sich in der weitge- henden Verwertung von dem in Schwarzwassermengen enthaltenen Wasseranteil und der zusätzlich damit ver- bundenen Gewichtsreduzierung. Die generierte Was- sermenge ist in variablen Mengenanteilen abrufbar und hoch genug für zusätzliche Anwendungen in der Klima- anlage (zum Zweck der Luftbefeuchtung) und in Du- schen (für die Warm- und Kaltwasser-Bereitstellung).
Der Hauptvorteil dieses Systems liegt in der deutlich hö- heren Effizienz der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Gasturbinenprozess und der Un- anfälligkeit gegenüber Kohlenmonoxid und Trebstoff- qualitäten.
Patentansprüche
1. Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/
oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommen kann, unter Verwendung ei- nes kombinierten Prozesses aus Hochtemperatur- Brennstoffzelle (1) und Turbine im Temperaturbe- reich > 500°C, mit einem direkt in die Brennstoffzel- le integrierten und mit der Brennstoffzellen Pro- zesswärme betriebenen Reformerprozess (2) zur Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Brenn- stoff sowie einer Zudosierung von Grau- und/oder Frischwasser (26) und einem mit der Prozesswär- me der Brennstoffzelle betriebenen Wasserpurifi- kationsprozesses (14, 15) sowie einer Wasserver- teilung (20, 21, 22) und einer selbstregulierenden Wasseraufsalzungseinheit (17).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dasszur Wassererzeugung eine Hoch- temperatur-Brennstoffzelle (1) der Typen Oxidkera- mik-Brennstoffzelle (SOFC) oder Schmelzkarbo- nat-Brennstoffzelle (MCFC) oder ein im Tempera- turspektrum vergleichbarer Typ eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Brenn- stoffzelle (1) ein Kondensationsprozess (6, 7) des Abgases (5) nachgeschaltet wird, der Wasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle auskondensiert.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine Stufe des Kondensationsprozesses aus einer Turbine mit ei-
ner oder mehreren Turbinenstufen (6) bzw. aus ei- ner oder mehreren voneinander getrennten Turbi- nen mit beliebiger Anzahl von Turbinenstufen be- steht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine Stufe des Kondensationsprozesses mit einem einer Turbine nachgeschalteten Wärmetauscher (7) ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5,dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium (27, 28) des Wärmetauschers (7) einer der beiden in der Brennstoffzelle verwendeten Brennstoffe (z. B. Luft 4) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dassmindestens einer der beiden in der Brennstoffzelle(1) verwendeten Brennstoffe (3, 4) (z. B. Luft), durch die Prozesswärme der Brennstoffzelle vorgewärmt wird und/oder flüssig zugeführte Treibstoffanteile verdampft werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 7dadurch ge- kennzeichnet, dassdie Vorwärmung der Brenn- stoffe in einem Brennstoffzellen-Kühler (11) erfolgt, der die Brennstoffzelle teilweise oder vollständig umschließt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dassder interne Reformerprozess (2) zur Brennstoffaufbereitung so ausgelegt ist, dass mit der Prozesswärme der Hochtemperatur Brennstoffzelle (1) atomarer bzw. molekularer Was- serstoff erzeugt wird, der einerseits in der Hochtem- peratur Brennstoffzelle (1) selbst zur Energie- und Wassererzeugung verwendet wird und/oder teilwei- se abgeleitet wird und z. B. über einen Molekular- filter einem andersartigen Verbraucher (beispiels- weise einer Membran Brennstoffzelle (PEMFC)) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 9,dadurch ge- kennzeichnet, dass dem internen Reformerpro- zess (2) statt Grauwasser (26) auch Frischwasser zugeführt wird, welches entweder extern zur Verfü- gung gestellt oder aus dem Brennstoffzellenkon- densat entnommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4dadurch ge- kennzeichnet, dasseine oder mehrere Turbinen- stufen mit einem Druckluftkompressor (8) gekop- pelt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 11dadurch ge- kennzeichnet, dassder Druckluftkompressor (8) auch mit einem Motor (9) betrieben wird.
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13. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 12dadurch ge- kennzeichnet, dassder Motor (9) über eine Kupp- lung (10) mit dem Druckluftkompressor (8) verbun- den wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Brennstoff (3) ebenfalls mit Druck beaufschlagt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch ge- kennzeichnet, dassdas beim Kondensationspro- zess (6, 7) anfallende CO2(13) separat aufgefan- gen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass zur Wasserpurifikation ein Verdampfer/Kondensatorprozess (14) eingesetzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 16,dadurch ge- kennzeichnet, dassdem Verdampfer/Kondensa- torprozess eine Aktivkohlefiltration (15) nachge- schaltet und/oder zwischengeschaltet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 16,dadurch ge- kennzeichnet, dass für den Verdampferprozess der Purifikation (14) die Abwärme (29, 30) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 16,dadurch ge- kennzeichnet, dass für den Kondensationspro- zess der Purifikation als Kühlmedium (27, 28) einer der beiden in der Brennstoffzelle verwendeten Brennstoffe (z. B. Luft (4)) verwendet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 1 oder 17,dadurch ge- kennzeichnet, dasszur Regenerierung der Aktiv- kohle Filter die Abwärme (29, 30) der Hochtempe- ratur-Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 1, 16 oder 17,dadurch gekennzeichnet, dassdas Wasser nach dem Pu- rifiktionsprozess keimfrei, fungienfrei und frei von Salzen ist.
22. Verfahren nach Anspruch 1, 16, 17 oder 21,da- durch gekennzeichnet, dassdieses Wasser in ei- nem Puffertank (16) zwischengespeichert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1 oder 21,dadurch ge- kennzeichnet, dassdieses Wasser in die Systeme für Luftbefeuchtung/Klimatisierung (20), WC-Spü- lung (22) und Trinkwasser / Duschwasser / Wasch- wasser (17, 18, 19, 21) verteilt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 1 oder 23,dadurch ge- kennzeichnet, dasszur Trinkwasser-, Duschwas- ser- und Waschwassererzeugung dieses Wasser
mit denen für den menschlichen Verzehr notwendi- gen Salzanteilen angereichert wird (17).
25. Verfahren nach Anspruch 1, 23 oder 24,dadurch gekennzeichnet, dass dem Aufsalzungsprozess (17) eine Messvorrichtung (18) zur Ermittlung der Wasserqualität nachgeschaltet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 1 oder 25,dadurch ge- kennzeichnet, dassder Salzgehalt des Wassers über die Leitfähigkeit des Wassers ermittelt wird (18).
27. Verfahren nach Anspruch 1, 24 oder 25,dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (18) mit dem Aufsalzungsprozess (17) rückgekoppelt (19) ist.
28. Verfahren nach Anspruch 1 oder 27,dadurch ge- kennzeichnet, dassder Aufsalzungsprozess (17) über die Rückkopplung (18, 19) mengenabhängig und automatisiert wird.
29. Verfahren nach Anspruch 1, 24 oder 28,dadurch gekennzeichnet, dassbei dem Wasser nach dem Aufsalzungsprozess die Anforderungen an Trink- wasser gemäß den nationalen und/oder internatio- nalen Trinkwasserverordnungen erfüllt werden.
