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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem strömenden Gas/Flüssigkeits-Gemisch nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zum Abscheiden von Flüssigkeit, welche beispielsweise als Wasserabscheider genutzt werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise sind diese entsprechend groß und aufwändig aufgebaut. Sie haben beispielsweise einen Raum, in welchem sich die Strömung beruhigt und in welchem die Flüssigkeit dann der Schwerkraft folgend nach unten absinken kann. Ein solcher Aufbau ist jedoch häufig aufgrund von Bauraumbeschränkungen innerhalb eines Systems nicht möglich. Eine Alternative hierzu sind Zyklonabscheider, welche ebenfalls aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind. Sie beruhen auf einer spiralförmigen Strömung, bei welcher die Flüssigkeitströpfchen in dem Gas/FlüssigkeitsGemisch aufgrund von Fliehkräften nach außen gedrückt und dort abgeschieden werden. Auch diese Aufbauten sind im Allgemeinen entsprechend groß und aufwändig.
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Die
JP 2004 185 844 A beschreibt einen Aufbau, bei welchem die Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem strömenden Gas/Flüssigkeits-Gemisch durch eine gebogene Rohrleitung gebildet wird. Die gebogene Rohrleitung muss in Richtung der Schwerkraft von oben nach unten durchströmt werden. Der Bogen innerhalb der Rohrleitung ist dabei als ein Gitter ausgeführt und hinter dem Gitter befindet sich ein Sammelraum für die Flüssigkeit, welche dieses Gitter durchströmt. Die Konstruktion geht davon aus, dass das Gas entlang des Gitters strömt, während die Flüssigkeit das Gitter durchdringt und sich in dem Sammelraum hinter dem Gitter sammelt. Die Vorrichtung ist bereits deutlich kleiner als die Aufbauten im Stand der Technik. In der Praxis ist es allerdings so, dass das Gitter dem anströmenden Gas relativ wenig Widerstand entgegensetzt, sodass eine Menge Gas auch durch das Gitter hindurchströmt, was einerseits unerwünscht ist und zu der Notwendigkeit der Rückströmung des Gases führt, welche dann den Abscheidegrad deutlich verringert. Darüber hinaus steigt der Druckverlust einer solchen Vorrichtung gegenüber einer einfachen Rohrleitung erheblich an.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann außerdem auf die
DE 10 2007 048 321 A1 verwiesen werden. In dieser Schrift ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom beschrieben. Zwei gerade ineinandergeschobene Rohre weisen dabei in dem Bereich, in dem die Rohrleitungen sich überlappen, unterschiedliche Durchmesser auf. Die Idee ist dabei insbesondere auf Wasser gerichtet, welches als Flüssigkeitsfilm entlang der Wandungen des Rohrs strömt. Durch den beschriebenen Aufbau wird das Wasser in dem erweiterten Bereich des einen Rohrs nach außen geleitet, während das Gas ungehindert in das andere Rohr einströmen kann. Im Bereich der Querschnitterweiterung kann das Wasser dann gesammelt und abgeleitet werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem strömenden Gas/Flüssigkeits-Gemisch zu schaffen, welche eine gebogene Rohrleitung nutzt, und welche überaus kompakt und effizient aufgebaut ist, und welche wenig Druckverluste in dem strömenden Gas verursacht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 5 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem strömenden Gas/Flüssigkeits-Gemisch nutzt vergleichbar wie die Vorrichtung im eingangs genannten Stand der Technik eine gebogene Rohrleitung. Sie lässt sich damit sehr einfach und platzsparend in den Aufbau eines Systems integrieren. So reicht es beispielsweise aus, innerhalb der Leitungsführung des Systems einen entsprechenden Bogen in einer der Rohrleitungen für das Gas/Flüssigkeits-Gemisch vorzusehen. Dies ist außerordentlich effizient und platzsparend. Die Rohrleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung teilt sich an dem in Strömungsrichtung des Gas/Flüssigkeits-Gemischs liegenden Ende nach dem Bogen in eine am Krümmungsradius innen liegende Gasleitung und eine am Krümmungsradius außen liegende Flüssigkeitsleitung auf. Aufgrund der Fliehkräfte wird sich typischerweise das Wasser auf der am Krümmungsradius außen liegenden Seite der Rohrleitung bzw. des Bogens sammeln, sodass hier ein Flüssigkeitsfilm entsteht. Dieser strömt dann in die außen liegende Flüssigkeitsleitung, während das Gas zum größten Teil in die innen liegende Gasleitung strömt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Flüssigkeitsleitung tangential zum Bogen verläuft. Die Flüssigkeitsleitung verlängert also den Bogen in Strömungsrichtung tangential, sodass ein sehr effizientes Abströmen der Flüssigkeit gewährleistet ist.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform ist ferner eine Gasrückführung vorgesehen, welche die Flüssigkeitsleitung und die Gasleitung ein Wegstück in Strömungsrichtung nach der Aufteilung verbindet. Eine solche Gasrückführung kann dazu genutzt werden, Gas, welches unerwünscht in die Flüssigkeitsleitung gelangt ist, aus der Flüssigkeitsleitung in die Gasleitung zurückströmen zu lassen. Insbesondere kann sich hierfür der Querschnitt der Flüssigkeitsleitung in Strömungsrichtung nach der Abzweigung der Gasrückführung entsprechend verringern, sodass dieser quasi vollständig von dem ablaufenden Wasser gefüllt ist und die Flüssigkeit über die Gasrückführung in die Gasleitung zurückströmt.
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Gelegentlich kann es auch dazu kommen, dass sich in der Rohrleitung, bevor diese in den Bogen übergeht, Wasser um den Umfang verteilt an allen Wandungen der Rohrleitung befindet. Ein solcher Flüssigkeitsfilm ist im Bereich des Bogens auf der am Krümmungsradius außen liegenden Seite erwünscht, nicht jedoch an der innen liegenden Seite, da dieser aufgrund seiner Anhaftung an der Wandung der Rohrleitung so in die Gasleitung gelangen könnte. Es kann deshalb gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass die gebogene Rohrleitung in Strömungsrichtung vor der Aufteilung am Bogen auf der dem Krümmungsradius zugewandten innen liegenden Innenwand wenigstens eine Abrisskante aufweist. Eine oder mehrere derartige Abrisskanten sorgen dafür, dass ein eventueller Flüssigkeitsfilm auf der Innenseite des Krümmungsradius in der Rohrleitung nicht weiter an der Wand entlang strömt, sondern entsprechend abgeleitet wird und an der Abrisskante wieder zu einzelnen Tröpfchen in der Strömung zerstäubt. Diese Tröpfchen setzen sich dann wiederum aufgrund der auf sie wirkenden Zentrifugal- und Fliehkräfte an der Außenwand der gebogenen Rohrleitung ab und können so in die Flüssigkeitsleitung abfließen, wenn die Rohrleitung sich in die Flüssigkeitsleitung und die Gasleitung auftrennt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten lässt sich außerordentlich kompakt und effizient aufbauen. Insbesondere kann in ein ohnehin vorhandenes Rohrsystem eine gebogene Rohrleitung eingesetzt werden, welche nur um die Aufteilung in die Gasleitung und die Flüssigkeitsleitung erweitert werden muss, um einen sicheren und zuverlässigen Abscheider für Flüssigkeit aus einem strömenden Gas/Flüssigkeits-Gemisch zu erhalten. Insbesondere der kompakte Aufbau und das effiziente Abscheiden von Flüssigkeit und flüssigen Tröpfchen aus dem Gas/FlüssigkeitsGemisch prädestiniert die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verwendung zum Abscheiden von Wasser in einem mit Wasser beladenen Gasstrom in einem Brennstoffzellensystem, vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug. Brennstoffzellensysteme sind typischerweise sehr kompakt aufzubauen. Dies gilt insbesondere dann, wenn sie in Fahrzeugen eingesetzt werden, um dort elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitzustellen. In derartigen Brennstoffzellensystemen wird Luft mit in der Brennstoffzelle entstandenem Produktwasser oder Abgas aus dem Anodenbereich mit in der Brennstoffzelle entstandenem Produktwasser durch die Leitungen geleitet. Häufig ist das Wasser in flüssiger Form unerwünscht, insbesondere da es einfrieren kann, oder da es beispielsweise in einer Abluftturbine zu einer Beschädigung des schnelllaufenden Turbinenrades führen kann. Aus diesem Grund müssen außerordentlich kompakte und effiziente Abscheider in derartigen Brennstoffzellensystemen vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich ideal hierfür, sodass ihre besonders bevorzugte Verwendung in einem solchen Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, erfolgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und der Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipiell angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und
- 2 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist ein angedeutetes Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 zu erkennen, welches die elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitstellen soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als Stapel von Einzelzellen, beispielsweise in PEM-Technologie, aufgebaut sein kann. Diese Brennstoffzelle 3, welche auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet wird, umfasst dabei einen Kathodenraum 4 sowie einen Anodenraum 5, welche exemplarisch angedeutet sind. Dem Kathodenraum 4 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6 zur Verfügung gestellt. Die Luft strömt dabei durch einen Gas/Gas-Befeuchter 7 und wird in diesem befeuchtet. Sie kann außerdem über einen Ladeluftkühler strömen, welcher zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht gezeigt ist. Die mit der Feuchte und dem Produktwasser aus der Brennstoffzelle beladene Abluft strömt über eine Abluftleitung 8 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 7 und gibt einen Großenteil des in ihr enthaltenen gasförmigen Wassers an die zu befeuchtende Zuluft ab. Nach dem Gas/GasBefeuchter 7 strömt dann in der Abluftleitung 8 ein Gas/Wasser-Gemisch, welches überwiegend aus an Sauerstoff abgereicherter Abluft und flüssigen Wassertröpfchen besteht. Da die Abluftleitung 8 in eine Abluftturbine 9 mündet, um restliche Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft zurückzugewinnen, ist es notwendig, die Flüssigkeit sorgfältig aus dem Gas/Wasser-Gemisch abzuscheiden, um eine Schädigung der schnelllaufenden Turbine 9 zu verhindern. In der Abluftleitung 8 ist daher ein Wasserabscheider 10 vorgesehen. Auf dessen speziellen Aufbau wird später noch eingegangen. In der Darstellung der 1 ist dieser lediglich beispielhaft mit einem üblichen Symbolzeichen angedeutet.
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Die Abluftturbine 9 kann zusammen mit der Luftfördereinrichtung 6 und einer elektrischen Maschine 11 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dieser Aufbau nutzt die aus der Abluft zurückgewonnene Energie zur Unterstützung des Antriebs der Luftfördereinrichtung 6 und kann bei Bedarf über den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine auch elektrische Energie erzeugen, wenn der Energieinhalt der Abluft größer ist als die von der Luftfördereinrichtung 6 benötigte Leistung. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet und ist dem Fachmann soweit bekannt.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brenngas zugeführt. Dieser Wasserstoff stammt aus einem Druckgasspeicher 12 und gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 13 sowie eine Gasstrahlpumpe 14 in den Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit einem Teil des Produktwassers über eine Rezirkulationsleitung 15 zurück zur Gasstrahlpumpe 14 und wird vermischt mit dem frischen Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 12 dem Anodenraum 5 erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist dem Fachmann ebenfalls allgemein bekannt und geläufig. Er wird als sogenannter Anodenkreislauf bezeichnet. Mit der Zeit reichert sich in diesem Anodenkreislauf Wasser und inertes Gas an. Dies muss beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Konzentration, beispielsweise von Stickstoff, innerhalb der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist im Allgemeinen in der Rezirkulationsleitung 15 ein Wasserabscheider 16 vorhanden, welcher hier ebenfalls nur mit einem Symbol dargestellt ist. Eine kleine Besonderheit dieses Wasserabscheiders 16 ist es, dass dieser über ein Abblasventil verfügt, um nur dann, wenn es notwendig ist, Wasser und gegebenenfalls mit entweichendes Gas aus dem Anodenkreislauf abzulassen. Auch dies ist dem Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 in dem Fahrzeug 1 muss nun im Allgemeinen so gestaltet werden, dass dieser möglichst kompakt ist. Dies bedeutet auch für die beiden Wasserabscheider 10, 16, dass diese möglichst effizient und kompakt realisiert werden müssen. Sie können beispielsweise gemäß der Darstellung in 2 aufgebaut sein. Dieser Aufbau ist hocheffizient und dabei außerordentlich einfach und kompakt. Er besteht im Wesentlichen aus einer in ihrer Gesamtheit mit 18 bezeichneten gebogenen Rohrleitung. Diese Rohrleitung kann beispielsweise die Rezirkulationsleitung 15 oder die Abluftleitung 8 in dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel sein. In diese Rohrleitung 18 strömt das Gas/Flüssigkeits-Gemisch entsprechend dem mit 19 bezeichneten Pfeil. Mit dem Gas werden einige beispielhaft angedeutete und mit 20 bezeichnete Tröpfchen mitgeführt. Im Bereich eines Bogens 21 der gebogenen Rohrleitung 18 kommt es nun dazu, dass die Tröpfchen aufgrund der Fliehkräfte an die am Krümmungsradius R außen liegende Wand des Bogens 21 gepresst werden und dort einen Flüssigkeitsfilm 22 ausbilden. Dieser Flüssigkeitsfilm 22 wandert entlang der am Krümmungsradius R außen liegenden Wand entlang bis zu einer mit 23 bezeichneten Aufteilung der Rohrleitung 18 in eine Gasleitung 18a und eine Flüssigkeitsleitung18b. In der Gasleitung18a ist dann, wie es in der Darstellung der 2 prinzipmäßig angedeutet ist, idealerweise nur Gas, welches gemäß dem mit 24 bezeichneten Pfeil abströmt, beispielsweise in die Abluftturbine 9 oder die Gasstrahlpumpe 14. In der Flüssigkeitsleitung 18b befindet sich überwiegend flüssiges Wasser aus dem Flüssigkeitsfilm 22.
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Restmengen an Gas können ebenfalls vorhanden sein und werden typischerweise getrennt vom Wasser durch die Flüssigkeitsleitung 18b strömen. Daher kann eine Gasrückführung 25 vorgesehen sein, welche dieses Gas zurück in die Gasleitung 18a führt. Im Idealfall strömt aus der Flüssigkeitsleitung 18b dann wie durch den Pfeil 26 angedeutet lediglich Wasser ab.
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Bereits im Bereich der Anströmung des Bogens 21 in der Rohrleitung 18, also bevor der eigentliche Bogen 21 beginnt, kann Flüssigkeit als Flüssigkeitsfilm entlang den Wandungen mit der Strömungsrichtung des Gas/Flüssigkeits-Gemisch fortgerissen werden. Ein solcher Flüssigkeitsfilm an der am Krümmungsradius R innen liegenden Innenwand der Rohrleitung 18 ist in der Darstellung der 2 angedeutet und mit dem Bezugszeichen 27 versehen. Um zu verhindern, dass dieser Flüssigkeitsfilm 27 entlang der Innenwand direkt in die Gasleitung 18a läuft, ist wenigstens eine Abrisskante 28 vorgesehen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind beispielhaft zwei derartige Abrisskanten gezeigt. Der Effekt und der Flüssigkeitsfilm 27 sind jedoch nur an der in Strömungsrichtung ersten Abrisskante 28 dargestellt. Der Flüssigkeitsfilm wird die Abrisskante typischerweise nicht passieren, sondern an ihrer Kante in einzelne Tröpfchen zerstäubt, welche hier beispielhaft angedeutet und mit dem Bezugszeichen 29 versehen sind. Diese Tröpfchen werden dann ebenfalls durch die Fliehkräfte aufgrund der Strömung durch den gebogenen Rohrabschnitt 18 nach außen gedrängt und gelangen in den Flüssigkeitsfilm 22 und strömen mit diesem in die Flüssigkeitsleitung 18b ab. Dies ergibt einen außerordentlich kompakten Aufbau für einen Wasserabscheider 9, 16, der sich ideal zum Einsatz in einem sehr kompakt aufzubauenden Brennstoffzellensystem 2, vorzugsweise innerhalb eines Fahrzeugs 1, eignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2004185844 A [0003]
- DE 102007048321 A1 [0004]
