DE102007048321A1 - Apparatus and method for separating a liquid from a gas stream and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, mit einem Strömungskanal (1), welcher in Strömungsrichtung (P) des Gasstroms ein erstes Teilelement (2) und ein zweites Teilelement (3) aufweist, welches zumindest bereichsweise ein größeres Innenmaß (d2) als das erste Teilelement (2) aufweist, wobei ein Übergang (8b) der Innenseiten (6, 12, 7) zwischen dem zweiten Teilelement (3) und einem an das zweite Teilelement (3) in Strömungsrichtung (P) anschließenden dritten Teilelement (4) des Strömungskanals (1) gestuft ausgebildet ist und das zweite Teilelement (3) sich aufweitend ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abscheiden e strömenden Gasstrom.The invention relates to a device for separating a liquid from a gas stream, having a flow channel (1) which has a first subelement (2) and a second subelement (3) in the flow direction (P) of the gas stream, which at least partially has a larger internal dimension ( d2) as the first subelement (2), wherein a transition (8b) of the inner sides (6, 12, 7) between the second subelement (3) and a third subelement adjoining the second subelement (3) in the flow direction (P) (4) of the flow channel (1) is stepped and formed the second sub-element (3) is widening. The invention also relates to a method for separating e flowing gas stream.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, mit einem Strömungskanal, welcher in Strömungsrichtung des Gasstroms ein erstes und ein zweites Teilelement aufweist, welches zumindest bereichsweise ein größeres Innenmaß als das erste Teilelement aufweist, und ein Übergang zwischen dem zweiten und einem dritten Teilelement gestuft ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem in einem Strömungskanal strömenden Gasstrom.The The invention relates to an apparatus and a method for depositing a liquid from a gas stream, with a flow channel, which in the flow direction of the gas flow a first and a second sub-element, which at least partially a larger internal dimension than the first sub-element has, and a transition between the second and a third sub-element is stepped. Furthermore it concerns the invention a fuel cell system with such a device and a method for separating a liquid a gas stream flowing in a flow channel.
In Brennstoffzellensystemen kommt es bei spezifischen Betriebszuständen vor, dass Wasser in den Brennstoffzellenstapel eindringt, wobei dies sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle gegeben ist. Ursache hierfür kann sowohl auskondensiertes Wasser sein, als auch Wasser aus der Brennstoffzelle, welches rezirkuliert wurde. Vor allem bei Lastsprüngen kommt es vor, dass sich Wasseransammlungen aus Komponenten oder Rohren lösen und mitgerissen werden. Diese landen dann im Brennstoffzellenstapel und können zu einer Funktionsbeeinträchtigung in einer Brennstoffzelle führen bzw. einen negativen Einfluss beim Widerstart oder sogar beim Starten bei kalten Umgebungsbedingungen, insbesondere nahe oder unter der 0-Grad-Grenze, haben.In Fuel cell systems occur in specific operating conditions in that water penetrates into the fuel cell stack, wherein this on both the cathode side and on the anode side of a Fuel cell is given. Cause this can both condensed water, as well as water from the fuel cell, which was recirculated. Especially with load jumps It happens that water accumulations of components or Loosen pipes and get carried away. These then land in the fuel cell stack and can lead to a functional impairment lead in a fuel cell or a negative impact in the Restart or even when starting in cold conditions, especially near or below the 0 degree limit.
Prinzipiell kann eine derartige Problematik jedoch auch unabhängig von einem Brennstoffzellensystem bei allen anderen Systemen auftreten, bei denen als Gasstrom eine Zweiphasenmischung mit Flüssigkeit und Gas, transportiert wird.in principle However, such a problem can also be independent from a fuel cell system to all other systems, in which as a gas stream, a two-phase mixture with liquid and gas being transported.
Bei konventionellen Abscheidereinrichtungen ist es üblicherweise vorgesehen, dass ein Drahtgestrick bzw. ein Maschengeflecht oder ein Zyklon verwendet wird, um eine Verbesserung der Flüssigkeitsabscheidung erreichen zu können, indem größere Tropfen gebildet werden. Ein Nachteil dieser Ausführungen ist darin zu sehen, dass ein unerwünschter zusätzlicher Druckverlust und ein zusätzliches notwendiges Volumen erforderlich ist, insbesondere dann, wenn diese Einrichtung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist.at Conventional separator equipment is common provided that a wire mesh or a mesh or a cyclone is used to improve fluid separation to be able to reach by taking larger drops be formed. A disadvantage of these designs is therein to see that an unwanted extra Pressure loss and an additional necessary volume required is, especially if this device in a fuel cell system is provided.
Aus
der
Darüber
hinaus ist aus der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit welchem bzw. bei welchem die Flüssigkeitsabscheidung verbessert werden kann. Insbesondere bei einem Einsatz in einem Brennstoffzellensystem soll diese Flüssigkeitsabscheidung aus einem Gasstrom ohne großen Druckverlust und mit minimiertem Bauraum erfolgen können.It Object of the present invention, an apparatus and a To provide a method, with which or at which the liquid separation can be improved. Especially when used in a Fuel cell system intended this liquid separation from a gas stream without large pressure loss and with minimized Space can be made.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 13 aufweist, gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale nach Anspruch 12 aufweist, gelöst.These The object is achieved by a device having the features as claimed 1, and a method comprising the features of claim 13 has dissolved. In addition, the task gets through a fuel cell system having the features of claim 12 has dissolved.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom umfasst einen Strömungskanal, welcher in Strömungsrichtung des Gasstroms ein erstes und ein zweites Teilelement aufweist. Das zweite Teilelement ist so ausgebildet, dass es zumindest bereichsweise ein größeres Innenmaß als das erste Teilelement aufweist. Ein Übergang der Innenseiten zwischen dem zweiten Teilelement und einem an das zweite Teilelement in Strömungsrichtung anschließenden dritten Teilelement des Strömungskanals ist gestuft ausgebildet. Das zweite Teilelement ist an seiner Innenseite in Längsrichtung betrachtet zumindest bereichsweise aufgeweitet ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung des Strömungskanals kann eine verbesserte Flüssigkeitsabscheidung gewährleistet werden, wobei die Vorrichtung bauraumminimiert ausgestaltet werden kann. Die unerwünschte Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in dem Gasstrom bewegt sich vor allen Dingen entlang der Innenseiten der Teilelemente und somit insbesondere an den Wandungen der Rohre. Flüssigkeitstropfen in der Gasströmung selbst treten im Vergleich dazu nur minimal auf.A Device according to the invention for depositing a Liquid from a gas stream comprises a flow channel, which in the flow direction of the gas flow a first and having a second sub-element. The second subelement is like this trained that it at least partially a larger Internal dimension than the first sub-element has. A transition the inner sides between the second sub-element and one to the second sub-element in the flow direction subsequent third sub-element of the flow channel is stepped. The second subelement is on its inside in the longitudinal direction considered formed at least partially expanded. By This embodiment of the flow channel can be improved Ensuring liquid separation, wherein the device can be configured space-minimized. The unwanted liquid, especially water, in the gas stream moves above all along the insides the sub-elements and thus in particular on the walls of the tubes. Liquid drop in the gas flow itself is minimal in comparison on.
Daher ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch nicht mehr erforderlich, ein Abscheiderprinzip zugrunde zu legen, welches die Flüssigkeitstropfen zunächst dazu bringt, sich zu größeren Tropfen zu verbinden, um sie dann zusammenzuführen, wie dies beispielsweise bei Drahtgestrickabscheidern mit den entsprechenden Maschengeflechten der Fall ist.Therefore It is also in the device according to the invention no longer necessary to use a separator principle, which the liquid drops first brings to connect to larger drops, to then merge them, as for example in Wire knit separators with the appropriate meshes the case is.
Ein derartiges Drahtgestrick ist somit insbesondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr vorgesehen.One Such wire mesh is thus particularly in the inventive Device no longer provided.
Vielmehr kann durch die spezifische Anordnung der Teilelemente des Strömungskanals und deren innenseitige Ausgestaltung durch die stufige Ausbildung zwischen dem zweiten und dem dritten Teilelement quasi eine Art Kammer geschaffen werden, in dem sich die in dem Gasstrom befindliche Flüssigkeit sammeln kann. Insbesondere wird dadurch besonders effektiv der sich an den Innenseiten entlang bewegende Flüssigkeitsanteil effektiv abgeschieden und gesammelt.Much more can by the specific arrangement of the sub-elements of the flow channel and the inside design by the gradual training between the second and the third sub-element quasi a kind Chamber are created, in which the located in the gas stream Can collect liquid. In particular, this makes it special effectively the liquid fraction moving along the insides effectively separated and collected.
Das zweite Teilelement ist insbesondere in Richtung zum dritten Teilelement hin aufgeweitet ausgebildet. Unter einer Aufweitung wird ein mit Betrachtung entlang der Längsachse zunehmendes Innenmaß verstanden. Insbesondere kann die Aufweitung somit auch trichterförmig bzw. konusförmig sein.The second sub-element is particularly in the direction of the third sub-element formed expanded. Under an expansion is a with Viewing along the longitudinal axis of increasing internal dimensions understood. In particular, the widening can thus also be funnel-shaped or be cone-shaped.
Vorzugsweise ist das zweite Teilelement an seiner Innenseite sich stetig aufweitend ausgebildet. Insbesondere wird somit in Richtung zum dritten Teilelement hin zunächst eine kontinuierliche und somit nicht gestufte Aufweitung des zweiten Teilelements ausgebildet, welche jedoch dann am Übergang zum dritten Teilelement wieder gestuft ist und somit an diesem Übergang vom zweiten zum dritten Teilelement insbesondere eine Querschnittverkleinerung realisiert ist.Preferably the second subelement is continuously widening on its inside educated. In particular, it is thus in the direction of the third sub-element initially a continuous and therefore not graded Expansion of the second part element formed, which, however, then is stepped again at the transition to the third sub-element and thus at this transition from the second to the third subelement in particular, a cross-sectional reduction is realized.
Vorzugsweise weist das zweite Teilelement an seinem dem dritten Teilelement angrenzenden Ende das größte Innenmaß auf. Gerade dadurch können sich am Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Teilelement relativ große Sammelbereiche ausbilden, wodurch auch relativ viel Flüssigkeit angesammelt werden kann, ohne dass sie wieder mit dem Gasstrom mitgerissen wird und durch das dritte Teilelement hindurch weiter befördert werden würde.Preferably has the second sub-element at its end adjacent to the third sub-element the largest inside dimension. Precisely because of this at the transition between the second and the third subelement form relatively large collection areas, which also relatively A lot of fluid can be accumulated without them is entrained again with the gas stream and through the third sub-element through.
Vorzugsweise entspricht das Innenmaß des dritten Teilelements am Übergang zum zweiten Teilelement dem Innenmaß des ersten Teilelements am Übergang zum zweiten Teilelement. An beiden Enden des zweiten Teilelements mündet dies dann in weitere Teilelemente, welche somit im Wesentlichen dann das gleiche Innenmaß aufweisen.Preferably corresponds to the internal dimension of the third sub-element at the transition to the second subelement the inner dimension of the first subelement at the transition to the second subelement. At both ends of the second sub-element then opens into further sub-elements, which thus essentially have the same internal dimensions.
Vorzugsweise weist die an das dritte Teilelement mündende Rückwand des zweiten Teilelements eine im Wesentlichen vertikal ausgebildete Innenseite auf. Auch dadurch kann durch eine relativ kurze Ausgestaltung eine kompakte und bauraumminimierte Ausgestaltung erreicht werden und darüber hinaus durch den sehr abrupten Übergang das Mitreißen des bereits gesammelten Wassers verhindert werden. Die Innenseite der Rückwand kann jedoch auch gegenüber der Vertikalen zumindest bereichsweise geneigt ausgebildet sein.Preferably has the opening to the third sub-element rear wall of the second sub-element a substantially vertically formed Inside up. Also, this can be achieved by a relatively short design a compact and space-minimized design can be achieved and moreover through the very abrupt transition prevents the entrainment of already collected water become. However, the inside of the back wall can also be opposite the vertical be at least partially inclined.
Vorzugsweise erstreckt sich das dem zweiten Teilelement zugewandte Ende des dritten Teilelements in das Innere des zweiten Teilelements. Durch eine derartige Ausgestaltung kann in besonders bevorzugter Weise ein Sammelbereich für die abgeschiedene Flüssigkeit am Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Teilelement geschaffen werden. Das im zweiten Teilelement befindliche Ende des dritten Teilelements dient somit quasi als Boden bzw. Deckel für den Sammelbereich und ein Mitreißen der Flüssigkeit in Richtung des dritten Teilelements und weiter kann dadurch besonders effektiv verhindert werden. Darüber hinaus kann durch diese Ausgestaltung ein sehr geringer Druckverlust erreicht werden.The end of the third subelement facing the second subelement preferably extends into the interior of the second subelement. By such a configuration, a collecting area for the separated liquid at the transition between the second and the third sub-element created in a particularly preferred manner the. The end of the third sub-element located in the second sub-element thus serves as a kind of bottom or cover for the collecting region and entrainment of the liquid in the direction of the third sub-element and further can thereby be prevented particularly effectively. In addition, a very low pressure loss can be achieved by this configuration.
Vorzugsweise erstreckt sich das Ende des dritten Teilelements so in das Innere des aufgeweiteten Abschnitts des zweiten Teilelements, dass zwischen der Außenseite des dritten Teilelements und der Innenseite des zweiten Teilelements ein Luftraum ausgebildet ist, in welchem die aus dem Gasstrom abscheidbare Flüssigkeit sammelbar ist. Der Strömungskanal ist somit quasi mit einem integrierten Sammelraum ausgebildet, wobei dies durch die sehr geschickte Positionierung der Teilelemente zueinander quasi automatisch erreicht werden kann.Preferably The end of the third subelement extends into the interior in this way the expanded portion of the second subelement that intervenes the outside of the third part element and the inside of the second sub-element, an air space is formed, in which collectable from the gas stream liquid can be collected is. The flow channel is thus virtually with an integrated plenum This is due to the very clever positioning the sub-elements can be reached each other almost automatically.
Durch eine minimale Komponentenzahl kann eine Multifunktionalität des Strömungskanals gewährleistet werden.By a minimal number of components can be a multi-functionality be ensured of the flow channel.
Vorzugsweise sind die drei Teilelemente des Strömungskanals in Reihe zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn die drei Teilelemente so angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame geradlinige Längsachse aufweisen. Gerade eine derartige Hintereinanderanordnung ermöglicht eine besonders effektive Realisierung des Funktionsprinzips.Preferably are the three sub-elements of the flow channel in series arranged to each other. It proves particularly preferable if the three sub-elements are arranged so that they have a common have straight longitudinal axis. Just such Sequential arrangement allows a particularly effective Realization of the functional principle.
Vorzugsweise zweigt von dem zweiten Teilelement eine Leitung zum Ableiten der abgeschiedenen Flüssigkeit ab. Insbesondere zweigt die Leitung am Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Teilelement ab, insbesondere ist eine Abzweigung an der Unterseite des Übergangs vorgesehen. Dadurch kann auch die Gravitationswirkung genützt werden.Preferably branches from the second sub-element a line for deriving the deposited liquid. In particular, the branches Line at the transition between the second and the third sub-element off, in particular, is a turnoff at the bottom of the transition intended. As a result, the gravitational effect can be utilized become.
Insbesondere ist durch die Formgebung und Anordnung des zweiten und des dritten Teilelements an dem Übergang zwischen diesen Komponenten ein Luftraum ausgebildet, in welchen das abgeschiedene Wasser sammelbar ist.Especially is due to the shape and arrangement of the second and third Subelement at the transition between these components Air space formed in which the separated water collectible is.
Der Strömungskanal mit seinen Teilelementen ist vorzugsweise einstückig ausgebildet.Of the Flow channel with its sub-elements is preferably integrally formed.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon. Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und kann vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen vorzugsweise als PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sind.One Fuel cell system according to the invention a device according to the invention or an advantageous Embodiment thereof. The fuel cell system is in particular designed as a mobile fuel cell system and may preferably be used in a motor vehicle. The fuel cell system includes at least one fuel cell, in particular a fuel cell stack with a plurality of fuel cells, the fuel cells preferably are formed as PEM fuel cells.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem in einem Strömungskanal strömenden Gasstrom, wird die Flüssigkeit an der Innenseite eines in Strömungsrichtung des Gasstroms ersten Teilelements und einem darauf folgenden, in Strömungsrichtung an seiner Innenseite zumindest bereichsweise sich aufweitenden zweiten Teilelement des Strömungskanals entlangbewegt. Diese Entlangbewegung wird insbesondere durch den Gasstrom selbst bewirkt. Die Flüssigkeit wird an einem gestuften Übergang der Innenseiten zwischen dem zweiten Teilelement und einem nachfolgenden dritten Teilelement gesammelt. Alle drei Teilelemente sind zur Führung des Gasstroms ausgebildet. Durch eine derartige Vorgehensweise kann die Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gasstrom verbessert erfolgen und insbesondere ohne einen Zyklonabscheider oder einen Drahtgestrickabscheider ermöglicht werden.at a method according to the invention for depositing a liquid from one in a flow channel flowing gas stream, the liquid is at the Inside a first in the flow direction of the gas stream Sub-element and a subsequent, in the flow direction on its inside at least partially expanding second Part of the flow channel moved along. This movement is effected in particular by the gas flow itself. The liquid is at a stepped transition of the insides between the second sub-element and a subsequent third sub-element collected. All three sub-elements are to guide the Gas stream formed. By such a procedure can improves the separation of liquid from a gas stream take place and in particular without a cyclone separator or a Drahtgestrickabscheider be enabled.
Vorzugsweise werden die drei Teilelemente des Strömungskanals in axialer Richtung hintereinander angeordnet, insbesondere so angeordnet, dass sie eine gemeinsame geradlinigen Längsachse aufweisen. Vorzugsweise wird die gesammelte Flüssigkeit am Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Teilelement abgelassen.Preferably be the three sub-elements of the flow channel in the axial Direction arranged one behind the other, in particular arranged so that they have a common rectilinear longitudinal axis. Preferably, the collected liquid at the transition drained between the second and the third sub-element.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.advantageous Embodiments of the device according to the invention are as advantageous embodiments of the invention View procedure.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:embodiments The invention will be described in more detail below with reference to schematic drawings explained. Showing:
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In The figures are the same or functionally identical elements with the provided the same reference numerals.
In
Die
Vorrichtung I umfasst einen Strömungskanal
Das
erste Teilelement
Das
dritte Teilelement
Neben
einem kreisrunden Querschnitt des ersten Teilelements
Das
erste Teilelement
Ein Übergang
Das
zweite Teilelement
In
dem Brennstoffzellensystem wurde beobachtet, dass sich das unerwünschte
Wasser in dem Gasstrom in den Teilelementen
In
Das
Wasser
Je
nachdem wie viel Wasser
Wie
bereits erwähnt, nimmt das Innenmaß des zweiten
Teilelements
Darüber
hinaus ist das dritte Teilelement
Durch
den nicht scharf gestuften Übergang
Die
Geometrie des zweiten Teilelements
Besonders
an der unteren Seite des Raums
In
Die
Ausführungen gemäß
Besonders bei einem Einsatz in einem Brennstoffzellensystem kann mit der Vorrichtung I eine effektive Abscheidung der Flüssigkeit aus einem Gasstrom erreicht werden und insbesondere bei Lastsprüngen des Brennstoffzellensystems verhindert werden, dass sich Wasseransammlungen aus Komponenten oder dem Strömungskanal lösen und mitgerissen werden. Dadurch kann auch verhindert werden, dass mitgerissenes Wasser in den Brennstoffzellenstapel gelangt und dort zu einer Funktionsbeeinträchtigung bzw. zu einem negativen Einfluss beim Wiederstart oder beim Start bei niedrigen Umgebungstemperaturen des Brennstoffzellensystems führt.Especially when used in a fuel cell system can be used with the device I is an effective separation of the liquid from a gas stream be achieved and in particular at load jumps of the fuel cell system Prevents water retention from components or solve the flow channel and entrained become. This can also be prevented that entrained Water enters the fuel cell stack and there to a functional impairment or to a negative influence during the restart or at the start at low ambient temperatures of the fuel cell system leads.
Die Verwendung der Vorrichtung I ist jedoch nicht auf ein Brennstoffzellensystem beschränkt und sie kann prinzipiell bei allen Systemen eingesetzt werden, bei denen eine Flüssigkeitsabscheidung aus einem Gasstrom vollzogen werden soll.The However, use of the device I is not on a fuel cell system limited and it can in principle with all systems be used, in which a liquid separation to be made from a gas stream.
- 11
- Strömungskanalflow channel
- 22
- erstes Teilelementfirst subelement
- 33
- zweites Teilelementsecond subelement
- 44
- drittes Teilelementthird subelement
- 5, 6, 7, 125, 6, 7, 12
- Innenseiteinside
- 8a, 8b8a, 8b
- Übergangcrossing
- 99
- Leitungmanagement
- 1010
- Wasserwater
- 1111
- Ende des dritten TeilelementsThe End of the third subelement
- 1313
- Außenseite des dritten Teilelementsoutside of the third subelement
- 1414
- Luftraumairspace
- AA
- Längsachselongitudinal axis
- d1, d2, d3d1 d2, d3
- InnenmaßInternal dimensions
- PP
- Pfeilarrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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