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Vorliegende Technologie betrifft einen Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser in einem Fahrzeug. Das Wasser wird aus dem Abgas von Brennstoffzelle(n) oder eines Verbrennungsmotors abgeschieden. Das gesamte Brennstoffzellensystem bzw. der Verbrennungsmotor befindet sich dabei in einem Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Brennstoffzellensysteme bekannt, die in Fahrzeugen eingesetzt werden können. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei zumindest eine Brennstoffzelle. Üblicherweise werden mehrere gestapelte Brennstoffzellen verwendet. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität, Wasser als Nebenprodukt und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz.
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Des Weiteren ist es bekannt, aus dem Abgas der Brennstoffzelle Wasser abzuscheiden und dieses im Fahrzeug zu bevorraten. Das Abscheiden des Wassers erfolgt üblicherweise durch eine Kühlung des Abgases und eine nachgeschaltete Abscheidung. Das Wasser kann im Fahrzeug zur Befeuchtung und/oder Kühlung der Brennstoffzelle verwendet werden. Um insbesondere die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran bei möglichst hoher Leistung betreiben zu können, ist eine Betriebstemperatur von ca. 80 bis 110 °C nötig. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht dabei beispielsweise eine bessere Wärmeabfuhr über das Kühlmittel als bei niedrigen Temperaturen. Da die Membran der Brennstoffzelle einerseits aufgrund der hohen Temperaturen und andererseits durch den für die hohe Leistung nötigen hohen Luftmassenstrom stärker austrocknet als bei niedrigen Temperaturen, ist eine Befeuchtung der Kathoden-Zuluft nötig. Wobei auch die Befeuchtung des Anodengases vorteilhaft sein kann. Andernfalls würde die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle sinken. Üblicherweise werden zur Befeuchtung der Kathoden-Zuluft Membranbefeuchter oder Wassereinspritzsysteme verwendet.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus Abgas eines Fahrzeugs anzugeben, der einen möglichst kompakten Aufbau des gesamten Systems ermöglicht und gleichzeitig energieeffizient betrieben werden kann. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser in einem Fahrzeug. Der Wasserabscheider umfasst ein Gehäuse, in dem unterschiedliche Bestandteile des Wasserabscheiders ausgebildet sind. Das Gehäuse bildet einen rohrförmigen Innenraum. An einem Ende des Innenraums ist ein Einlass und am anderen Ende ein Auslass für das Abgas ausgebildet. Im Abgasstrang des Brennstoffzellensystems oder Verbrennungsmotors strömt das Abgas aus der Brennstoffzelle über den Einlass in den rohrförmigen Innenraum. Aus dem rohrförmigen Innenraum strömt das Abgas über den Auslass weiter.
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Vom Einlass über den rohrförmigen Innenraum bis zum Auslass ist eine Längsachse definiert.
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Im Einlass ist ein Turbulenzerzeuger angeordnet. Der Turbulenzerzeuger ist dazu ausgebildet, dass einströmende Abgas radial nach außen an eine Innenwandung des rohrförmigen Innenraums zu leiten. Dadurch werden aus dem Abgas auskondensierte bzw. sich befindenden Wassertropfen radial nach außen beschleunigt. Die Wassertropfen laufen an der Innenwandung des Innenraums nach unten falls sich der Wasserabscheider in eher senkrechter Lage befindet bzw. werden über die Strömungsführung in den Wasser-Ablaufbereich des Wasserabscheiders befördert, für den Fall, dass sich der Wasserabscheider eher in waagrechter Lage befindet. Durch die erhöhte Turbulenz im Abgas nach dem Turbulenzerzeuger, treffen wesentlich mehr Wassertropfen auf die Innenwandung als bei einer laminaren Strömung des Abgases. Außerdem wird durch die Turbulenzerzeugung auch der Wärmeübergang zur Wand des Kühlmantels erhöht wodurch die Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser gefördert wird. Besonders vorteilhaft ist es, stromab des Turbulenzerzeugers einen Konus anzuordnen, der die turbulente Strömung des Abgases radial nach außen leitet.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Turbulenzerzeuger um einen Drallerzeuger mit mehreren gebogenen Schaufeln. Die Schaufeln versetzen das Abgas samt auskondensierter Tropfen in eine um die Längsachse spiralförmige Bewegung.
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Des Weiteren ist im Gehäuse ein Wasser-Ablauf ausgebildet. Der Wasser-Ablauf befindet sich insbesondere am unteren Bereich bzw. im Endbereich des Gehäuses. Der Wasser-Ablauf dient zum Abführen des auskondensierte Wassers aus dem Innenraum.
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Im Stand der Technik durchläuft das Abgas vor dem Wasserabscheider üblicherweise einen Kondensator, insbesondere einen Plattenkondensator oder Rohrwärmetauscher. In dem Kondensator erfolgt die Kühlung des Abgases. Dieser Aufbau ist jedoch relativ aufwendig und großbauend. Bei der hier offenbarten Technologie ist deshalb vorgesehen, dass im Gehäuse des Wasserabscheiders ein Kühlmantel ausgebildet ist. Der Kühlmantel umgibt dabei den Innenraum und kühlt somit das Abgas, um ein Auskondensieren des Wassers im Abgas zu erreichen. Im Gehäuse sind ein Kühlmittel-Zulauf und ein Kühlmittel-Ablauf ausgebildet, um Kühlfluid durch den Kühlmantel zu leiten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kühlmantel sich vollumfänglich um den Innenraum erstreckt. Dadurch kann das Abgas im Innenraum von allen Seiten gekühlt werden.
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Zur genauen Definition der Bereiche, über die sich der Kühlmantel erstreckt, sind am Gehäuse entlang der Längsachse drei aneinander anschließende Bereiche definiert. Der Kühlmantel kann dabei in einem der Bereiche, in zwei der Bereiche oder in allen drei Bereichen angeordnet sein:
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Ein erster Bereich ist vom Auslass bis zum auslassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers definiert. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlmantel entlang der Längsachse zumindest teilweise über diesen ersten Bereich.
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Ein zweiter Bereich ist vom auslassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers bis zum einlassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers definiert. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlmantel entlang der Längsachse zumindest teilweise über diesen zweiten Bereich. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der Kühlmantel entlang der Längsachse über den gesamten zweiten Bereich erstreckt.
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Ein dritter Bereich ist vom einlassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers bis zum einlassseitigen Ende des gesamten Gehäuses definiert. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlmantel entlang der Längsachse zumindest teilweise über diesen dritten Bereich.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der dritte Bereich, gemessen entlang der Längsachse, eine maximale Länge von 40 cm, vorzugsweise 15 cm bis 35 cm, aufweist. Der dritte Bereich ist somit relativ kurze ausgestaltet und es handelt sich hierbei insbesondere um einen Bereich, der zum Anschließen des Wasserabscheiders an den stromaufgerichteten Abgasstrang ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Kühlmantel entlang der Längsachse über zumindest 50 %, vorzugsweise über zumindest 70 %, der Länge des dritten Bereichs erstreckt.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Turbulenzerzeuger die Innenwandung des Gehäuses berührt und dort thermisch angebunden ist. Dadurch erfolgt eine Kühlung des Turbulenzerzeugers und somit eine Kühlung des Abgases, während das Abgas durch den Turbulenzerzeuger strömt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Turbulenzerzeuger einen inneren Hohlraum aufweist. Dieser Hohlraum im Turbulenzerzeuger ist mit dem Kühlmantel fluidverbunden, sodass das Kühlfluid direkt durch den Turbulenzerzeuger geführt wird.
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Insbesondere wenn kein Hohlraum im Turbulenzerzeuger für das Kühlfluid vorgesehen ist, ist eine gute thermische Anbindung des Turbulenzerzeugers an den Kühlmantel vorteilhaft. Durch diese gute thermische Anbindung erfolgt eine Kühlung des Turbulenzerzeugers und somit eine Kühlung des Abgases. So ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Kühlmantel und feuchtem Medium, insbesondere dem Abgas, mindestens 10 bis 100 W/(m2*K), vorzugsweise zumindest 100 W/(m2*K), besonders vorzugsweise zumindest 300 W/(m2*K), beträgt. Da es sich bei dem Abscheideprozess um eine Filmkondensation handelt, sind auch Wärmedurchgangskoeffizienten von größer 1000 W/(m2*K) realisierbar.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse an der Innenwand zumindest eine nach innen ragende Kühlrippe auf, um die Oberfläche zum Kühlen des Abgases zu vergrößern. Die zumindest eine Kühlrippe kann sich sowohl im ersten Bereich als auch im zweiten und/oder dritten Bereich befinden. Die Kühlrippe kann in Form eines beliebigen, nach innen ragenden Fortsatzes ausgestaltet sein.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich zumindest eine Kühlrippe spiralförmig um die Längsachse. Die ist besonders vorteilhaft, wenn der Turbulenzerzeuger als Drallerzeuger ausgebildet ist, da durch die spiralförmige Kühlrippe die drallförmige Strömung des Abgases unterstützt und geleitet wird bzw. durch die spiralförmigen Kühlrippen selbst erzeugt wird.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem oder Verbrennungsmotor. Das Brennstoffzellensystem im Fahrzeug umfasst zumindest eine Brennstoffzelle und einen Abgasstrang zum Abführen des Abgases aus der Brennstoffzelle.
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In dem Abgasstrang ist zumindest einer der soeben beschriebenen Wasserabscheider angeordnet.
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Im Verbrennungsmotor wird das abgeschiedene Wasser insbesondere für eine Wassereinspritzung verwendet. Die Wassereinspritzung ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen. Um die Maximaltemperatur bei Höchstleistung nicht zu überschreiten, wird Wasser z.B. in den Ansaugtrakt eines Kolbenmotors eingespritzt.
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Die im Rahmen des offenbarten Wasserabscheiders erläuterten Unteransprüche und vorteilhaften Ausgestaltungen finden auch entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Fahrzeug.
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Besonders bevorzugt befindet sich in dem Brennstoffzellensystem im Abgasstrang zwischen Brennstoffzelle und Wasserabscheider kein Kondensator und vorzugsweise keine andere Vorrichtung zum Kühlen des Abgases vor dem Wasserabscheider.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug mit dem offenbarten Wasserabscheider,
- 2 eine schematische Schnittansicht des offenbarten Wasserabscheiders,
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Variante des offenbarten Wasserabscheiders, und
- 4 eine schematische Ansicht des offenbarten Wasserabscheiders.
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Die 1 bis 4 zeigen einen Wasserabscheider 1 zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 2 in einem Fahrzeug.
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1 zeigt rein schematisch das Brennstoffzellensystem 2, wie es in einem Fahrzeug verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst eine Brennstoffzelle 3. Üblicherweise werden mehrere der Brennstoffzellen 3 in einem Stapel verwendet. Von der Brennstoffzelle 3 führt ein Abgasstrang 21 in die Umgebung. In diesem Abgasstrang 21 ist der Wasserabscheider 1 angeordnet.
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Den genauen Aufbau des Wasserabscheiders 1 zeigen die 2 bis 4.
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Der Wasserabscheider 1 umfasst ein Gehäuse 4. In dem Gehäuse 4 ist ein rohrförmiger Innenraum 401 ausgebildet. Der Innenraum 401 ist begrenzt durch eine Innenwandung 402.
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Am einen Ende des Innenraums 401 ist ein Einlass 403 des Gehäuses 4 ausgebildet. Am gegenüberliegenden Ende des Innenraums 401 ist ein Auslass 404 des Gehäuses 4 ausgebildet. Das Abgas im Abgasstrang 21 strömt vom Einlass 403 zum Auslass 404.
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Außerhalb der Innenwandung 402 ist innerhalb des Gehäuses 4 ein Kühlmantel 406 vorgesehen. Der Kühlmantel 406 ist fluidverbunden mit einem Kühlmittel-Zulauf 407 und einem Kühlmittel-Ablauf 408. Der Kühlmantel 406 ist zur Kühlung des Abgases im Innenraum 401 vorgesehen. Für einen verbesserten Wärmeübergang auf das Abgas können Kühlrippen 410 in beliebiger geometrischer Ausgestaltung in den Innenraum 401 ragen.
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Im Einlass 403 befindet sich ein Turbulenzerzeuger 5, ausgebildet als Drallerzeuger mit mehreren Schaufeln. Dieser Turbulenzerzeuger 5 erzeugt im Abgas eine turbulente, um eine Längsachse 7 drallförmige Strömung. Im Anschluss an den Turbulenzerzeuger 5 ist ein Konus 6 positioniert. Der Turbulenzerzeuger 5 und der Konus 6 sorgen dafür, dass auskondensierte Wassertropfen sich radial nach außen bewegen und dabei auf die Innenwandung 402 treffen.
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An der Innenwandung 402 laufen die Wassertropfen nach unten. Das sich im Innenraum 401 sammelnde Wasser kann über einen Wasser-Ablauf 409 abgeführt werden. Zur Begünstigung der Abscheidung des Wassers weist der Auslass 404 einen, entgegen der Strömungsrichtung gerichteten Rohrfortsatz 405 auf, der sich in den Innenraum 401 erstreckt
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2 zeigt eine Einteilung des Gehäuses 4 entlang der Längsachse 7 in drei Bereiche: Der erste Bereich 71 erstreckt sich vom Auslass 404 bis zum auslassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers 5. Der zweite Bereich 72 schließt sich direkt an den ersten Bereich 71 an und erstreckt sich bis zum einlassseitigen Ende des Turbulenzerzeugers 5. Der dritte Bereich 73 schließt sich direkt an den zweiten Bereich 72 an und erstreckt sich bis zum einlassseitigen Ende des gesamten Gehäuses 4.
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In der Darstellung nach 2 erstreckt sich der Kühlmantel 406 über einen Großteil des ersten Bereichs 71. Der Turbulenzerzeuger 5 berührt die Innenwandung 402 und ist an den Kühlmantel 406 thermisch angebunden. Zur Definition dieser thermischen Anbindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Wärmewiderstand des Materials zwischen Kühlmantel 406 und Turbulenzerzeuger 5 auf kürzester Strecke 74 möglichst gering ausfällt. So ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Kühlmantel und feuchtem Medium, insbesondere dem Abgas, möglichst groß ist.
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Gemäß hier beschriebener Technologie, kann sich der Kühlmantel 406 nur über den ersten Bereich 71, nur über den zweiten Bereich 72, nur über den dritten Bereich 73, oder über eine beliebige Kombination der Bereiche 71, 72, 73 erstrecken.
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3 zeigt ein Beispiel, bei dem sich der Kühlmantel 406 über alle drei Bereiche 71, 72, 73 erstreckt.
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Ferner zeigt 3 in rein schematischer Darstellung einen möglichen Hohlraum 51 im Turbulenzerzeuger 5. Dieser Hohlraum 51 kann fluidleitend mit den Kühlmantel 406 verbunden werden, sodass das Kühlfluid direkt durch den Turbulenzerzeuger 5 fließt.
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4 zeigt, dass das Gehäuse aus mehreren, aneinander geflanschten Teilen bestehen kann. Im Rahmen vorliegender Technologie ist insbesondere vorgesehen, dass das gesamte Gehäuse 4, also vom Einlass 403 bis zum Auslass 404, einen durchgehenden Innenraum 401 mit einer festen Innenwandung 402 bildet.
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Der Wasserabscheider 1 kann auch in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Das dadurch abgeschiedene Wasser kann dann z. B. zur Wassereinspritzung in den Brennraum des Verbrennungsmotors verwendet werden, was den Betrieb des Verbrennungsmotors bei erhöhter Leistung ermöglicht.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserabscheider
- 2
- Brennstoffzellensystem
- 21
- Abgasstrang
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Gehäuse
- 401
- Innenraum
- 402
- Innenwandung
- 403
- Einlass
- 404
- Auslass
- 405
- Rohrfortsatz
- 406
- Kühlmantel
- 407
- Kühlmittel-Zulauf
- 408
- Kühlmittel-Ablauf
- 409
- Wasser-Ablauf
- 410
- Kühlrippe
- 5
- Turbulenzerzeuger
- 51
- Hohlraum
- 6
- Konus
- 7
- Längsachse
- 71
- erster Bereich
- 72
- zweiter Bereich
- 73
- dritter Bereich
- 74
- Strecke
