DE19907671A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases, mit Mitteln zur Erhöhung des Stickstoffanteils eines stickstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Luft, und Mitteln zur Zugabe von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem stickstoffreichen Gasgemisch, wobei die Mittel zur Erhöhung des Stickstoffanteils eine gasdurchlässige Membran aufweisen, mittels welcher eine Auftrennung von Stickstoff und Sauerstoff stattfindet, wobei die Membran zwischen einem ersten Raum, in welchen das stickstoffhaltige Gasgemisch einbringbar ist, und einem zweiten Raum, aus welchem das stickstoffreiche Gas abführbar ist, angeordnet ist, sowie ein DOLLAR A Verfahren zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Erhöhung des Stickstoffanteils eines stickstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Luft, mittels Diffusion des stickstoffhaltigen Gasgemisches durch eine gasdurchlässige Membran, mittels welcher eine Auftrennung von Stickstoff und Sauerstoff stattfinden, DOLLAR A - Zugeben von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem durch die Membran hindurchdiffundierten stickstoffreichen Gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit ge­ ringen Mengen Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Ga­ ses.

Für verschiedene technische Anwendungen, wie etwa zur Herstel­ lung chromogener Glasschichten im mobilen als auch im statio­ nären Bereich ist es notwendig, in kompakter und preisgünsti­ ger Weise ein stickstoffreiches, wahlweise mit geringen Mengen Sauerstoff oder Wasserstoff versetztes Gas zur Verfügung zu stellen. Mit einem derartigen Gas ist es beispielsweise bei chromogenen Glasschichten (mit chromogenen Schichten ausgebil­ dete Glasscheiben) möglich, entsprechend der Beaufschlagung des stickstoffreichen Gases mit Sauerstoff oder Wasserstoff eine veränderliche Lichtdurchlässigkeit der Glasschichten her­ beizuführen (hierbei wirkt das Gas entsprechend seinem H₂- oder O₂-Gehalt oxidierend bzw. reduzierend). Erfolgt beispielsweise eine verstärkte Versetzung des stickstoffhaltigen Gasgemisches mit Sauerstoff, kommt es zu einer Aufhellung, und entsprechend bei der Verwendung von Wasserstoff zu einem Verdunkeln des Glases. Im Automobilbereich werden chromogene Glasschichten beispielsweise dadurch realisiert, daß derartige Gasgemische in Kanäle, welche zwischen Doppelscheiben geführt und mit ent­ sprechenden chromogenen Schichten beschichtet sind, eingeführt werden.

Üblicherweise werden, da die Versorgung eines Doppelscheiben­ systems mit Gasen sich sehr aufwendig gestaltet, chromogene Glasscheibensysteme mittels Beaufschlagung der Scheiben bzw. auf den Scheiben ausgebildeter elektrochromischer Filme durch elektrische Ströme realisiert. Ein derartiges System ist bei­ spielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 411 879 A2 bekannt. Diese Systeme erweisen sich jedoch in der Praxis als relativ teuer und aufwendig.

Herkömmlicherweise erfolgt die Bereitstellung eines stick­ stoffreichen, mit kleinen Mengen Sauerstoff oder Wasserstoff versetzten Gases durch Erzeugung von sauerstoff- oder wasser­ stoffhaltigen Gasmengen über Elektrolyseverfahren oder aus Druckflaschen, wobei der erzeugte Sauerstoff bzw. Wasserstoff anschließend aus Druckflaschen erhaltenem Stickstoff zugeführt wird. Insbesondere für den mobilen Bereich erweisen sich der­ artige Systeme als groß und schwer bauend und somit ungeeig­ net.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine möglichst unaufwendige Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases, insbesondere zur Ver­ wendung im mobilen Bereich.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Erfindungsgemäß ist nun eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases mit einem sehr kompakten Aufbau zur Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfin­ dungsgemäße Verfahren zeichnen sich insbesondere durch einen sehr geringen Energieaufwand zur Erzeugung der jeweiligen Kom­ ponenten des Gases, insbesondere zur Erzeugung des stickstoff­ reichen Gases, aus. Zur Erhöhung des Stickstoffanteils in dem stickstoffhaltigen Gasgemisch weist die erfindungsgemäße Vor­ richtung eine gasdurchlässige Membran auf, mittels welcher ei­ ne Auftrennung von Stickstoff und Sauerstoff stattfindet, bzw. durch welche bevorzugt Stickstoff hindurchdiffundierbar ist, wobei die Membran zwischen einem ersten Raum, in welchem das stickstoffhaltige Gasgemisch einbringbar ist, und einem zwei­ ten Raum, aus welchem das stickstoffreiche Gas abführbar ist, angeordnet ist. Durch Verwendung einer derartigen Membran läßt sich in einfacher, energetisch sehr günstigen Weise aus einem stickstoffhaltigen Gasgemisch, beispielsweise Luft, ein stick­ stoffreiches Gas herstellen. Es sei angemerkt, daß die Begrif­ fe "Gas" bzw. "Gasgemisch" tatsächlich (aus Gründen der Les­ barkeit) jeweils für Gasgemische verwendet werden, da selbst­ verständlich auch die durch die Membran diffundierten Gaspar­ tikel ein "Gasgemisch" darstellen.

Es ist besonders bevorzugt, daß die gasdurchlässige Membran als Hohlfaserbündel ausgebildet ist. Ein derartiges Hohlfaser­ bündel erweist sich bei der praktischen Verwendung als beson­ ders robust und störungsunanfällig. Ferner baut es sehr klein, so daß es auf kleinem Raum eine sehr effektive Diffusion des stickstoffhaltigen Gasgemisches von dem ersten Raum in den zweiten Raum ermöglicht.

Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur Zugabe von Sauerstoff und/oder Wasserstoff derart ausgebildet, daß sie mit dem zwei­ ten Raum kommunizieren. Hierdurch kann in einfacher Weise dem durch die Membran hindurch diffundierten stickstoffreichen Gas die gewünschte Menge an Sauerstoff oder Wasserstoff zugegeben werden.

Es ist bevorzugt, daß die Mittel zur Zugabe von Sauerstoff und/oder Wasserstoff eine Einrichtung zur elektrolytischen Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser aufweisen, wobei die erzeugten Mengen Sauerstoff bzw. Wasserstoff selek­ tiv dem zweiten Raum zuführbar sind. Durch diese Maßnahmen sind die gewünschten zuzusetzenden Gasmengen in einfacher und preiswerter Weise bereitstellbar.

Zweckmäßigerweise ist die Zufuhr von Sauerstoff und/oder Was­ serstoff zu dem zweiten Raum jeweils mittels eines Ventils re­ gelbar bzw. unterbrechbar. Durch die Verwendung derartiger Ventile kann in sehr einfacher Weise die gewünschte Menge Sau­ erstoff und/oder Wasserstoff dem stickstoffreichen Gas zugege­ ben werden. In der Regel werden derartige Ventile so betrieben werden, daß zu einem Zeitpunkt nur jeweils eines einen Gas­ durchfluß gestattet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der erzeugte Sauerstoff und/oder der erzeugte Wasserstoff vor seiner Zufuhr zu dem stickstoffreichen Gas zwischenspeicherbar. Hierdurch kann beispielsweise gewährlei­ stet werden, daß die Einrichtung zur elektrolytischen Gewin­ nung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser nicht ständig, sondern nur bei Bedarf betrieben werden muß.

Zweckmäßigerweise ist der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Katalysator nachschaltbar, der den in dem stickstoffreichen Gas enthaltenen Sauerstoff mit dem erzeugten Wasserstoff so weit abreagiert, daß nur noch geringste Mengen Sauerstoff im Gasstrom enthalten sind. Ziel hierbei ist das Unterschreiten der Explosionsgrenze des stickstoffreichen Gases. Zu diesem Zwecke muß über die Elektrolyse mehr Wasserstoff erzeugt wer­ den, als Sauerstoff durch die Membran, welche den ersten und zweiten Raum miteinander verbindet, hindurchdiffundiert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung eines stickstoffrei­ chen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetz­ ten Gases.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf. In dieses Gehäuse 1 ist ein Hohlfasermembranbündel 2 eingebracht, welches einen mit einem Lufteingangskanal 3 kommunizierenden ersten Raum 4 von einem mit einem Gasausgangskanal 5 kommuni­ zierenden zweiten Raum 6 trennt. Das heißt, Gaspartikel, wel­ che durch die einzelnen Hohlfasermembrane durch das Hohlfaser­ membranbündel 2 diffundieren, treten von dem ersten Raum 4 in den zweiten Raum 6 über. Gaspartikel, welche nicht durch die Hohlfasern des Hohlfasermembranbündels 2 hindurchdiffundieren, treten aus einem Luftausgangskanal 7 (welcher mit dem ersten Raum 4 kommuniziert) wieder aus dem Gehäuse 1 aus.

Das Hohlfasermembranbündel 2 ist derart ausgelegt, daß bevor­ zugt der in der Luft enthaltene Stickstoff durch die einzelnen Hohlfasermembrane hindurchdiffundiert. Hieraus folgt, daß das den zweiten Raum 6 durchströmende Gasgemisch bzw. Gas ein stickstoffreiches bzw. mit Stickstoff angereichertes Gas ist. Zur Bewerkstelligung eines ausreichenden Durchsatzes durch das Hohlfasermembranbündel 2 steht die in dem ersten Raum 4 vor­ liegende bzw. eingeführte Luft unter einem Überdruck.

Zur Anreicherung des stickstoffreichen Gases, welches aus dem Gasauslaßkanal 5 ausströmt, mit Sauerstoff oder Wasserstoff weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Einrichtung zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser auf, welche insgesamt mit 8 bezeichnet ist. Diese Einrichtung 8 besteht aus einem mit Wasser auffüllbaren Raum, welcher mittels einer Membran 9 in zwei Teilräume 8a, 8b ge­ teilt ist, wobei der Raum insgesamt bzw. seine Teilräume 8a, 8b mittels einer Membran 10 von dem zweiten Raum 6 getrennt sind. Die Membranen 9, 10 sind für Gas durchlässig, für Flüs­ sigkeiten, insbesondere Wasser, jedoch undurchlässig.

In den Teilräumen 8a, 8b sind jeweils Elektroden 20 (Anode bzw. Kathode) zur Durchführung einer Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff in an sich bekannter Weise an­ geordnet. Es sei im folgenden angenommen, daß der Teilraum 8a zur Erzeugung von Sauerstoff und der Teilraum 8b zur Erzeugung von Wasserstoff dient. Der in den jeweiligen Teilräumen er­ zeugte Sauerstoff bzw. Wasserstoff tritt durch die Membran 10 (aufgrund von Diffusionseffekten) hindurch und wird hierdurch dem den zweiten Raum 6 durchströmenden stickstoffreichen Gas zugegeben. Mittels Ventilen 11, 12 sind die jeweiligen Sauer­ stoff- bzw. Wasserstoff-Gasströme, welche dem stickstoffrei­ chen Gas beigefügt werden, regelbar bzw. unterbrechbar. Es ist beispielsweise denkbar, die mittels Elektrolyse erzeugten Gase in besonders hierfür ausgelegten (nicht dargestellten) Zwi­ schenspeicherbereichen zu speichern. Hierdurch kann erreicht werden, daß die Einrichtung 8 zur elektrolytischen Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff nur bei Bedarf betrieben werden muß. Durch diese Maßnahme ist es zum Beispiel möglich, auch zu Zeiten, zu denen der Motor eines Kraftfahrzeuges nicht einge­ schaltet ist, die gewünschte Gasversorgung zum Betreiben eines chromogenen Glasscheibensystems mit nur sehr geringem Energie­ aufwand aufrechtzuerhalten. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine derartige Wirkung durch entsprechende Ausbildung der Räume zwischen den jeweiligen Ventilen 11, 12 und der Mem­ bran 10 zu erzielen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases, mit Mitteln (2) zur Erhöhung des Stickstoffanteils eines stickstoffhalti­ gen Gasgemisches, insbesondere Luft, und Mitteln (8) zur Zuga­ be von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem stickstoffrei­ chen Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2) zur Erhöhung des Stickstoffanteils eine gasdurchlässige Membran aufweisen, mittels welcher eine Auf­ trennung von Stickstoff und Sauerstoff stattfindet, wobei die Membran zwischen einem ersten Raum (4), in welchen das stick­ stoffhaltige Gasgemisch einbringbar ist, und einem zweiten Raum (6), aus welchem das stickstoffreiche Gas abführbar ist, angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige Membran als Hohlfasermembranbündel (2) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel (8) zur Zugabe von Sauerstoff und/ oder Wasserstoff mit dem zweiten Raum (6) kommunizieren bzw. verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) zur Zugabe von Sauerstoff und/oder Wasserstoff eine Einrichtung zur elektrolytischen Ge­ winnung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser aufweisen, wobei die erzeugten Mengen Sauerstoff und Wasserstoff selektiv dem zweiten Raum (6) zuführbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Sauerstoff und/oder Wasser­ stoff zu dem zweiten Raum (6) jeweils mittels eines Ventils (11, 12) regelbar bzw. unbrechbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Sauerstoff und/oder Wasser­ stoff vor seiner Zufuhr zu dem stickstoffreichen Gasgemisch zwischenspeicherbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr ein Katalysator nachschaltbar ist, der den in dem stickstoffreichen Gas enthaltenen Sauerstoff mit dem erzeugten Wasserstoff so weit abreagiert, daß nur noch ge­ ringste Mengen an Sauerstoff im Gas bzw. Gasstrom vorhanden sind.

8. Verfahren zur Bereitstellung eines stickstoffreichen, mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versetzten Gases, mit folgen­ den Schritten:

• - Erhöhung des Stickstoffanteils eines stickstoffhaltigen Gas­ gemisches, insbesondere Luft, mittels Diffusion des stick­ stoffhaltigen Gasgemisches durch eine gasdurchlässige Mem­ bran, mittels welcher eine Auftrennung von Stickstoff und Sauerstoff stattfindet,
• - Zugeben von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem durch die Membran hindurchdiffundierten stickstoffreichen Gases.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dem stickstoffreichen Gas zuzugebende Sauerstoff oder Wasser­ stoff mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der in dem stickstoffreichen Gas enthaltene Sauerstoff mittels eines nachgeschalteten Katalysators mit dem erzeugten Wasserstoff so weit abreagiert wird, daß nur noch sehr geringe Mengen an Sauerstoff im stickstoffreichen Gas vorhanden sind.