DE102017221302A1 - Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil von einem gasförmigen Bestandteil - Google Patents

Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil von einem gasförmigen Bestandteil Download PDF

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Abstract

Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil, insbesondere HO, von einem gasförmigen Bestandteil, insbesondere H, mit wenigstens einem Behälter (6), dem über einen Einlass (16) ein Medium zugeführt wird, wobei eine Abscheidung zumindest des flüssigen Bestandteils des Mediums im wenigstens einen Behälter (6) erfolgt, wobei der abgeschiedene Bestandteil des Mediums über ein Abführventil (46) aus dem wenigstens einen Behälter (6) abgeführt wird, und der verbleibende gasförmige Bestandteil des Mediums, insbesondere H, über einen ersten Auslass (18) in eine Abströmleitung (5) zurückgeführt wird.Erfindungsgemäß wird zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere HO, ein gasförmiger Bestandteil Nvom Medium durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) abgeschieden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil von einem gasförmigen Bestandteil, dem über einen Einlass ein Medium zugeführt wird, wobei eine Abscheidung zumindest des flüssigen Bestandteils des Mediums im wenigstens einen Behälter erfolgt, insbesondere zur Anwendung in einem Brennstoffzellensystem von Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb.
  • Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Von der Brennstoffzelle wird ein Abgas, welches insbesondere aus unverbrauchten Wasserstoff und aus einem nicht aktiven Anteil, insbesondere Wasser und Stickstoff, besteht, über einen Rezirkulationspfad rezirkuliert.
  • Aus der DE 10 2014 220 891 A1 ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider bekannt, zum Abscheiden von einem flüssigen Bestandteil, insbesondere Wasser, von einem von einem gasförmigen Bestandteil, insbesondere Abgas, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird. Dieser Gas-Flüssigkeitsabscheider hat dabei ein Gehäuse, in das das über ein Einbringrohr Abgas zugeführt wird. In dem Gehäuse wird Wasser, das in dem Abgas enthalten ist, von dem Abgas abgeschieden. Danach wird das Abgas, das Substanzen wie Wasserstoff enthält, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H2 bezeichnet wird, über ein Auslassrohr zur Brennstoffzelle zurückgeführt. Weiterhin weist das Gehäuse einen Ablassanschluss auf, über den abgeschiedenes und gespeichertes Wasser aus dem Gehäuse zur Außenseite abgelassen wird.
  • Der aus der DE 10 2014 220 891 A1 bekannte Gas-Flüssigkeitsabscheider kann gewisse Nachteile aufweisen.
  • Da das Abgas von der Brennstoffzelle, das über ein Einbringrohr in das Gehäuse eingebracht wird, neben dem Bestandteil Wasser auch weitere schwere Bestandteile, insbesondere gasförmigen Stickstoff, der im Folgenden als N2 bezeichnet wird, enthält, wird dieser neben dem Wasserstoff wieder aus dem Gehäuse, beispielsweise über das Auslassrohr, wieder in die Brennstoffzelle gefördert. Dadurch weist der Gas-Flüssigkeitsabscheider den Nachteil auf, dass nicht nur nahezu reiner Wasserstoff zurück in die Brennstoffzelle gefördert wird, sondern auch andere schwere Bestandteile, wie beispielsweise N2. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und somit des Brennstoffzellensystems reduziert. Alternativ würde eine zusätzliche Komponente im Brennstoffzellensystem notwendig sein, um den Bestandteil gasförmiges N2 abzuführen, beispielsweise in Form eines Ablassventils. Ein derartiges Ablassventil weist jedoch zum einen den Nachteil auf, dass beim Ablassen von N2 auch immer ein Anteil an H2 abgeschieden wird. Zum anderen muss ein zusätzliches Bauteil im Brennstoffzellensystem vorgesehen werden, insbesondere in Form des Ablassventils.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird ein Gas-Flüssigkeitsabscheider vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere Wasser, das im Folgenden als H2O bezeichnet wird, ein gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium abgeschieden wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass gleichzeitig mehrere unerwünschte Bestandteile eines Mediums, bei dem es sich insbesondere um Abfallstoffe eines Rezirkulationsmediums aus einer Brennstoffzelle handelt, mittels des Gas-Flüssigkeitsabscheider abgeschieden werden. Dadurch wird der Anteil eines gasförmigen Bestandteils des Mediums, der zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle, insbesondere auf einer Anodenseite, benötigt wird, erhöht. Dabei handelt es sich insbesondere um H2, das nach erfolgtem Durchströmen des Gas-Flüssigkeitsabscheider wieder in die Brennstoffzelle zurückgeführt wird. Dies bietet den Vorteil das der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellensystems erhöht wird, während die unerwünschten Bestandteile, die als Nebenprodukte und/oder Abfallprodukte beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallen, mittels des Gas-Flüssigkeitsabscheider abgeschieden werden und somit ein höher Anteil vom zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle benötigten Bestandteil in die Brennstoffzelle zurückgefördert werden kann. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gas-Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 eine zusätzliche Komponente im Brennstoffzellensystem zum Abführen des gasförmiges N2, beispielsweise in Form eines Ablassventils, nicht mehr benötigt, da diese Aufgabe durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider übernommen wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Kosten eingespart werden können, da die zusätzliche Komponente Ablassventil nicht mehr benötigt wird. Weiterhin kann der Bedarf an H2 beim Betrieb des Brennstoffzellensystems reduziert werden, was wiederum zu Kosten-Ersparnissen bei den Betriebskosten führt
  • Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gas-Flüssigkeitsabscheider die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugalprinzips vom Medium, insbesondere vom Bestandteil H2 des Mediums abgeschieden. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass zum Trennen der Bestandteile H2O und N2 vom Bestandteil H2 keine zusätzliche Energie und/oder nur eine geringe Menge an Energie zur Verfügung gestellt werden muss, insbesondere vom Brennstoffzellensystem und/oder vom übergeordneten System Fahrzeug. Dies ist dadurch begründet, da das über einen Einlass in den mindestens einen Behälter zugeführte Medium schon eine Einströmgeschwindigkeit aufweist, die zum Trennen der Bestandteile mittels des Zentrifugalprinzips notwendig ist und das Medium nicht über eine Energiezugabe beschleunigt werden muss. Eine weitere Einleitung von Energie, insbesondere von kinetischer Energie, in das Medium ist somit nicht mehr notwendig. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden und die Betriebskosten können reduziert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der wenigstens eine Behälter eine Behälterwand, eine Trennwand, eine Trennkante, einen Beruhigungsraum, ein Reservoir und einen Auslasskanal auf, wobei die Trennwand auf der der Behälterwand zugewandten Seite eine Düsenspitze aufweist und die Behälterwand einen gekrümmten Bereich aufweist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein nahezu vollständiges Abscheiden der Bestandteile H2O und N2 vom Medium möglich ist und/oder dass zumindest ein großer Anteil der Bestandteile H2O und N2 vom Medium abgeschieden wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein das Medium, dass über einen ersten Auslass aus dem mindestens einen Behälter durch eine Abströmleitung in die Brennstoffzelle zurückgeführt wird, nahezu vollständig oder zumindest zum Großteil aus dem Bestandteil H2 besteht. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigern, da zur Energieerzeugung, insbesondere in einem Anodenbereich der Brennstoffzelle, nahezu ausschliesslich H2 benötigt wird. Weiterhin lässt sich auch der Wirkungsgrad einer Rezirkulations-Pumpe und einer integrierten Strahlpumpe steigern, die sich optional zwischen dem mindesten einen Behälter und der Brennstoffzelle befinden und die für einen kontinuierlichen Förderstrom zur Brennstoffzelle sorgen. Dies bietet den Vorteil, dass die Effizienz und/oder der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, wodurch die Betriebskosten reduziert werden können.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfährt das Medium vom Beruhigungsraum kommend beim Vorbeiströmen an dem gekrümmten Bereich und/oder der Düsenspitze in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung, dass die Bestandteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslenkung erfahren. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Bestandteile H2O und N2 und H2 durch die Beschleunigung beim Vorbeiströmen an der Düsenspitze derart beschleunigt und ausgelenkt werden, dass die schweren Bestandteile H2O und N2 besser vom leichten Bestandteil H2, insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden werden können. Dadurch kann die Effizient des Gas-Flüssigkeitsabscheiders und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems gesteigert werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung trifft das Medium nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich und/oder der Düsenspitze auf die Trennkante, wobei der leichte Bestandteil H2 in einer Strömungsrichtung VII zum Auslasskanal abgelenkt und die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir abgelenkt werden. Auf diese Weise wird das Medium und die unterschiedlichen Bestandteile des Mediums beim Abscheideprozess durch die Trennkante weniger stark abgebremst, im Vergleich zu einer stärkeren Abremsung des Mediums beim einer nicht vorhandenen Trennkante. Die Trennkante unterstützt somit den Abscheideprozess der schweren Bestandteile H2O und N2 vom leichteren Bestandteil H2 des Mediums, insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips. Dadurch wird ein effizientes und strömungsverlustarmes Abströmen von H2O und N2 in das Reservoir und von H2 zum ersten Auslass ermöglicht. Weiterhin kann sich das Medium mit dem hohen H2 Anteil von dort in Strömungsrichtung weiter durch die Abströmleitung bewegen, ohne dass weitere strömungsfördernde Komponenten wie Pumpen oder Gebläse im Bereich des mindestens einen Behälters notwendig sind, um einen Weitertransport des Mediums mit dem hohen H2 Anteil zu ermöglichen. Somit kann die Energie zum Betreiben weiterer strömungsfördernder Komponenten, insbesondere von elektrisch angetriebenen Pumpen oder Gebläsen im Bereich des mindestens einen Behälters oder am mindestens einen Behälter reduziert werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht und die Betriebskosten können reduziert werden
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Gas-Flüssigkeitsabscheider mehrere Behälter auf, wobei ein erster Behälter den Einlass, wenigstens ein Rohr und den Beruhigungsraum aufweist und wobei das Rohr innerhalb des ersten Behälters angeordnet ist. Weiterhin weist ein zweiter Behälter das Reservoir und eine Sensorik auf und dabei ist das Rohr fluidisch mit dem Einlass der ersten Behälters und mit Reservoir des zweiten Behälters verbunden. Weiterhin bildet das Rohr eine Rohrwandung aus, wobei die Rohrwandung als eine Membran ausgebildet ist, insbesondere als eine semipermeable Membran, wobei die Membran durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Abscheideprozess durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider derart verbessert wird, so dass die Bestandteile H2O und N2 nahezu vollständig vom Medium, insbesondere vom H2 abgeschieden werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein möglichst hoher Anteil an H2 zur Brennstoffzelle, insbesondere durch die Abströmleitung und die Zuströmleitung, zurückströmt, wodurch zum einen der Wirkungsgrad und/oder die Leistung der Brennstoffzelle erhöht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt ein Herausbewegen vom Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwandung, in den Beruhigungsraum. Währenddessen wird ein Herausbewegen der Bestandteile H2O und N2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwandung, verhindert. Auf diese Weise kann der Vorteil erreicht werden, dass nahezu kein H2O und N2 oder nur ein geringer Anteil an H2O und N2 durch die Abströmleitung zur Rezirkulationspumpe und/oder zur integrierten Strahlpumpe fliessen kann. Dadurch kann das Risiko ausgeschlossen oder zumindest reduziert werden, dass korrosionsanfällige Bauteile und/oder bewegliche Bauteile im Rezirkulationspfad durch die Bestandteile H2O und N2 beschädigt werden. Des Weiteren wird das Risiko ausgeschlossen oder zumindest verringert, dass elektrische Bauteile der Rezirkulationspumpe und/oder der integrierten Strahlpumpe durch Eintrag von H2O und N2 beschädigt werden, was insbesondere in Form der Beschädigung durch einen elektrischen Kurzschluss geschieht, wodurch wiederum das gesamte Brennstoffzellensystem geschädigt werden könnte. Dadurch kann die Lebensdauer der Rezirkulationspumpe und/oder der integrierten Strahlpumpe und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems gesteigert werden und die Möglichkeit eines Ausfalls des gesamten Brennstoffzellensystems kann reduziert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht ein Druckunterschied zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des Rohres, wodurch ein Herausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwandung, in den Beruhigungsraum unterstützt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass zusätzliche Energie für den Gas-Flüssigkeitsabscheider benötigt wird, um eine Abscheidung von H2 von den Bestandteilen H2O und N2 zu bewirken, da der Druckunterschied durch das durch die Verbindungsleitung nachströmende Medium beibehalten wird, solange die Brennstoffzelle im Betrieb ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht und die Betriebskosten reduziert werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden mindestens zwei Rohre zu einem Rohrbündel zusammengefasst, wobei die Rohre jeweils fluidisch mit dem Einlass des ersten Behälters und mit dem Reservoir des zweiten Behälters verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine größere Oberfläche der Membran zur Verfügung gestellt werden kann wodurch zum einen ein größeres Volumen des Mediums verarbeitet werden kann. Dabei wird nur ein geringer zusätzlicher Bauraum benötigt, im Vergleich zum verhältnismäßig großen Oberflächenzuwachs der Membran. Weiterhin kann durch den Oberflächenzuwachs der Membran eine Abscheidung der Bestandteile des Medium schon bei einem geringeren Druckunterschied erzielt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden und die Betriebskosten können reduziert werden. Weiterhin kann der Gas-Flüssigkeitsabscheider in einer kompakten und platzsparenden Bauweise realisiert werden.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine Schnittansicht einer in 1 mit III bezeichneten Düse des Gas-Flüssigkeitsabscheiders,
    • 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine perspektivische Schnittansicht einer Membran des Gas-Flüssigkeitsabscheiders,
    • 5 eine perspektivische Schnittansicht eines in 3 mit IV bezeichneten Rohrbündels des Gas-Flüssigkeitsabscheiders.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Die Darstellung gemäß 1 und 2 zeigt ein Brennstoffzellensystems 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2, wobei der Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, einen gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium abscheidet. Dabei werden die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugalprinzips vom Medium, insbesondere vom Bestandteil H2 des Mediums mittels des erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 abgeschieden.
  • In 1 wird das Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, bei dem eine Brennstoffzelle 30, der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 und eine optionale Rezirkulations-Pumpe 9 mittels Leitungen fluidisch miteinander verbunden sind. Die Brennstoffzelle 30 weist einen Anodenbereich 31 und einen Kathodenbereich 32 auf und dient zur insbesondere in einem Fahrzeug zur Energieerzeugung mittels einer Reaktion von Wasserstoff, also H2, und Sauerstoff, also O2. Die Energie kann dabei in Form von elektrischer Energie erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 ist dabei mit dem Anodenbereich 31 über eine Verbindungsleitung 4 fluidisch verbunden. Dabei wird eine Medium, wobei es sich insbesondere um ein Rezirkulationsmedium aus dem Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 handelt, zur Rezirkulation an den Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 geleitet. Das Rezirkulationsmedium besteht dabei nahezu vollständig aus unverbrauchten H2, das innerhalb der Brennstoffzelle 30 nicht zur chemischen oder elektrischen Reaktion mit Sauerstoff gekommen ist, sowie den Abfallprodukten H2O und N2 aus dem Prozess zur Energiegewinnung innerhalb der Brennstoffzelle 30. Das Medium strömt dabei in einer Strömungsrichtung II der Anodenseite durch die Verbindungsleitung 4 in einen Einlass 16 des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2. Die Bestandteile H2O und N2 können alternativ auch als nichtaktiver Gasanteil bezeichnet werden, wobei die Bestandteile nicht zur Energiegewinnung im Anodenbereich 31 in der Brennstoffzelle 30 herangezogen werden können. Somit wird der Wirkungsgrad für den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch die Bestandteile H2O und N2 im Rezirkulationspfad verringert, da die Bestandteile, falls diese nicht mittels des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 abgeschieden werden, durch den gesamten Anodenpfad mitgefördert werden müssen, inbesondere durch die Verbindungsleitung 4, eine Abströmleitung 5, die Rezirkulationspumpe 9, eine optional vorhandere integrierte Strahlpumpe 10 und durch eine Zuströmleitung 3. Dabei kann somit auch weniger Maße und/oder Volumen des Bestandteils H2 gefördert und/oder rezirkuliert werden, der für die Energiegewinnung in der Brennstoffzelle 30 erforderlich ist.
  • Der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 weist neben dem Einlass 16, wenigstens einen Behälter 6 und einen ersten Auslass 18 auf. Der wenigstens eine Behälter 6 weist dabei eine Behälterwand 17, eine Trennwand 8, eine Trennkante 15, einen Beruhigungsraum 12, ein Reservoir 14 und einen Auslasskanal 20 auf, wobei die Trennwand 8 auf der der Behälterwand 17 zugewandten Seite eine Düsenspitze 13 aufweist und die Behälterwand 17 einen gekrümmten Bereich 23 aufweist.
  • Im mindestens einen Behälter 6 erfährt das Medium vom Beruhigungsraum 12 kommend beim Vorbeiströmen an dem gekrümmten Bereich 23 und/oder der Düsenspitze 13 in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung, dass die Bestandteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslenkung erfahren. Dadurch werden die Bestandteile H2O und N2 des Mediums in das Reservoir 14 geleitet während der Bestandteil H2 des Mediums in den Bereich des Auslasskanals 20 im mindestens einen Behälter 6 geleitet wird.
  • Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass am wenigstens einen Behälter 6 eine Sensorik 22 aufweist, dass eine Konzentration der Bestandteile H2O und N2 und/oder einen Druck im Bereich des Reservoirs 14 misst und mit einem Abführventil 46 zumindest mittelbar verbunden ist. Sobald die Sensorik 22 einen bestimmten Wert bezüglich der Konzentration der Bestandteile H2O und N2 und/oder einen Druck erfasst, erfolgt eine Ansteuerung des Abführventils 46 und die Bestandteile H2O und N2 werden mittels des Abführventils 46 aus dem mindestens einen Behälter 6, insbesondere aus dem Bereich des Reservoirs 14, abgelassen und/oder herausgeleitet. Alternativ spricht die Sensorik 22 bei einem definierten H2O- und N2- Anteil an und öffnet das Abführventil 46. Das Abführventil 46 kann sich dabei gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 am tiefsten Punkt des mindestens einen Behälters 6 angeordnet sein, um ein nahezu vollständiges Entleeren des Reservoirs 14 mittels und/oder unterstützt durch die Schwerkraft zu gewährleisten.
  • Das in den Bereich des Auslasskanals 20 und von den Bestandteilen H2O und N2 separierte, insbesondere mittels des gerkümmten Bereichs 23 und der Düsenspitze 13 separierte, H2 strömt, nachdem es in den Auslasskanal 20 gelangt ist, weiter zum ersten Auslass 18 des mindestens einen Behälter 6 und von dort in Strömungsrichtung II über die Abströmleitung 5 weiter zu einer Rezirkulationspumpe 9, die als optionales Bauteil im Brennstoffzellensystem 1 vorgesehen sein kann. Die Rezirkulationspumpe 9 und dient zur Förderung und/oder Verdichtung des Mediums, insbesondere von H2. Dabei soll die Rezirkulations-Pumpe 9 einen kontinuierlichen Förderstrom des Mediums in die Brennstoffzelle 30 gewährleisten, insbesondere bei Betriebspunkten und/oder Betriebszuständen des Brennstoffzellensystem 31, bei dem der Förderstrom des Mediums zum erliegen kommen könnte. Nachdem das Medium die Rezirkulations-Pumpe 9 passiert hat gelangt es zu einem Knoten 7, wobei der Knoten beispielsweise als die integrierte Strahlpumpe 10 (gezeigt in 3) ausgebildet sein kann, wobei das Medium vom Knoten 7 in Strömungsrichtung II und durch die Zuströmleitung 3 zur Brennstoffzelle 30 strömt und wobei das Medium insbesondere von der Zuströmleitung 3 in den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 einströmt.
  • 2 zeigt einen Auschnitt III einer in 1 gezeigten Düse 11 des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2. Das Medium trifft nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich 23 und/oder der Düsenspitze 13 der Trennwand 8 in der Strömungsrichtung V auf die Trennkante 15, wobei der leichte Bestandteil H2 in einer Strömungsrichtung VII zum Auslasskanal 20 abgelenkt und die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir 14 abgelenkt werden. Der gekrümmte Bereich 23 ist dabei Teil der Behälterwand 17. Weiterhin weist die Trennkante 15 einen spitzen und/oder keilförmigen Bereich auf, der ein Abscheiden der Bestandteile H2O und N2 vom Bestandteil H2, insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips unterstützt. Die Abscheidung der Bestandteile H2O und N2 vom restlichen Medium, inbesondere vom H2, geschieht dabei aufgrund der unterschiedlichen Massen der Bestandteile, wobei die Bestandteile H2O und N2 schwerer sind als der leichtere Bestandteil H2. Dabei wirkt bei einem Entlangströmen am gekrümmten Bereich 23 und dem Passieren der Düsenspitze 13 eine Fliehkraft auf die Bestandteile, was wiederum ein Abscheiden der Bestandteile H2O und N2 vom leichteren Bestandteil H2 insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips begünstigt.
  • Zusätzlich vorteilhaft wirkt dabei, dass sich der Strömungskanal zwischen der Trennwand 8 und der Behälterwand 17, insbesondere zwischen der Düsenspitze 13 und dem gekrümmten Bereich 23, in der Strömungsrichtung V verjüngt und/oder der Abstand zwischen Trennwand 8 und der Behälterwand 17 in der Strömungsrichtung V kleiner wird. Dadurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, dass zu diesem Zeitpunkt noch alle Bestandteile H2O, N2 und H2 aufweist, erhöhen, wodurch sich der Fliehkrafteffekt vergrößern und somit das Abscheiden begünstigen lässt. Weiterhin vorteilhaft wirkt sich die Anordnung der Trennkante 15 auf den Abscheideprozess aus, die ein Aufteilen des Mediums von einer Strömungsrichtung V zum einen der schweren Bestandteile H2O und N2 in eine Strömungsrichtung VI in Richtung des Reservoirs 14 begünstigt und zum anderen des leichten Bestandteils H2 in eine Strömungsrichtung VII in Richtung des Auslasskanals 20 begünstigt. Dabei wirkt weiterhin zusätzlich vorteilhaft, wenn der Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 und/oder der mindestens eine Behälter 6 und/oder die Düse 11 derart ausgerichtet sind, dass die Strömungsrichtung V des Mediums und/oder die Strömungsrichtung VI der Bestandteile H2O und N2 zumindest annähernd in Wirkrichtung der Schwerkraft verlaufen. Die Strömungsrichtung VII des Bestandteils H2 verläuft dabei, insbesondere nach dem erfolgtem Vorbeiströmen an der Trennkante 15 zumindest annähernd entgegen der Wirkrichtung der Schwerkraft. Dadurch kann das Abscheiden der schwereren Bestandteile und der leichteren Bestandteile mittels des Zentrifugalprinzip zusätzlich durch das Wirken der Schwerkraft unterstützt werden und somit ein effizienteres Abscheiden erzielt werden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 mit dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels. Dabei ist gezeigt, dass die Brennstoffzelle 30 den Anodenbereich 31 und den Kathodenbereich 32 aufweist. Dem Kathodenbereich 32 wird mittels eines Ansaugtraktes 29 in einer Strömungsrichtung IV der Kathodenseite Luft, insbesondere O2,zugeführt. In 3 ist dargestellt, dass das Medium, wobei es sich insbesondere um ein Rezirkulationsmedium aus dem Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 handelt, aus dem Anodenbereich 31 in Strömungsrichtung II über die Verbindungsleitung 4 an den Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 geleitet. Der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 weist dabei mehrere Behälter 6a, b auf, wobei ein erster Behälter 6a den Einlass 16, wenigstens ein Rohr 35 und den Beruhigungsraum 12 aufweist, wobei das Rohr 35 innerhalb des ersten Behälters 6a angeordnet ist, wobei ein zweiter Behälter 6b das Reservoir 14 und die Sensorik 22 aufweist und wobei das Rohr 35 fluidisch mit dem Einlass 16 der ersten Behälters 6a und mit Reservoir 14 des zweiten Behälters 6b verbunden ist. In einer weiteren beispielshaften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 können mindestens zwei Rohre 35 zu einem Rohrbündel 37 zusammengefasst werden, wobei die Rohre 35 jeweils fluidisch mit dem Einlass 16 der ersten Behälters 6a und mit Reservoir 14 des zweiten Behälters 6b verbunden sind. Weiterhin misst die Sensorik 22 kontinuierlich den H2O- und N2- Anteil im zweiten Behälter 6b und sobald ein bestimmter Wert bezüglich der Konzentration der Bestandteile H2O und N2 und/oder ein Druck überschritten wird, erfolgt eine Ansteuerung des Abführventils 46 und die Bestandteile H2O und N2 werden mittels des Abführventils 46 aus dem zweiten Behälter 6b, insbesondere aus dem Bereich des Reservoirs 14, abgelassen und/oder herausgeleitet. Nachdem die Bestandteile H2O und N2 mittels des Abführventils 46 aus dem zweiten Behälter 6b herausgeleitet wurden gelangen diese über eine Rückführleitung 19 in einen Ansaugtrackt 29 des Brennstoffzellensystem 1. Von dort strömen die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung IV durch den Ansaugtrackt 29 weiter in den Kathodenbereich 32.
  • In 3 ist gezeigt, dass das Medium aus dem Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 kommend, über den Einlass 16 in den ersten Behälter 6a einströmt, wobei das Medium in mindestens einem Rohr 35 oder in ein Rohrbündel 37 des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 einströmt. Über das Rohr 35 oder das Rohrbündel 37 findet nun die Abscheidung der Bestandteile H2O und N2 vom restlichen Medium, inbesondere vom H2, statt. Dies wird durch eine Durchlässigkeit, insbesondere einer Permeabilität, einer Rohrwandung 36 des Rohrs 35 oder des Rohrbündels 37 ermöglicht, wobei der Bestandteil H2, insbesondere aufgrund seiner gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 geringeren Molekülgröße, durch die Rohrwandung 36 in den Beruhigungsraum 12 diffundieren kann. Die Bestandteile H2O und N2 können, insbesondere aufgrund Ihrer gegenüber dem Bestandteilen H2 größeren Molekülgröße, nicht durch die Rohrwandung 36 hindurchdiffundieren und werden daher durch die gesamte Länge des Rohres 35 oder des Rohrbündels 37 über einen zweiten Auslass 24 in den zweiten Behälter 6b geleitet und dort gesammelt. In einer möglichen Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 ist der zweite Auslass 24 derart ausgebildet, dass ein Zurückströmen der Bestandteile H2O und N2 vom zweiten Behälter 6b über den zweiten Auslass 24 in das Rohr 35 oder das Rohrbündel 37 verhindert wird.
  • Das im Beruhigungsraum 12 gesammelte Medium, insbesondere der Bestandteil H2, strömt schlussendlich in der Strömungsrichtung II durch die Abströmleitung 5 zu der Rezirkulations-Pumpe 9, wobei der Verdichtungs- und Beschleunigungsprozess, den das Medium durch die Rezirkulations-Pumpe 9 erfährt, unter der Beschreibung der 1 näher erläutert ist. Von der Rezirkulations-Pumpe 9 strömt das Medium, bei dem es sich insbesondere nahezu vollständig um H2 handelt, weiter in die integrierte Strahlpumpe 10. Innerhalb der Strahlpumpe 10 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Dazu strömt durch eine Tankleitung 21 von außerhalb der Strahlpumpe 10 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H2, von einem Tank 27, insbesondere einem Hochdrucktank 27 in die Strahlpumpe 10 ein. Des Weiteren wird das Rezirkulationsmedium von der Rezirkulations-Pumpe 9 in einen Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 gefördert. Das Treibmedium wird nun unter hohem Druck in den Ansaugbereich eingebracht. Dabei strömt das gasfrömige Treibmedium in Richtung der Strömungsrichtung II. Das aus dem Hochdrucktank 27 in den Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 strömende und als Treibmedium dienende H2 weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das in den Ansaugbereich einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich der Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Maßenstrom in den in den Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegt, in den Ansaugbereich ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits und/oder Druckdifferenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung II beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich der Rezirkulations-Pumpe 9 nachgefördert wird.
  • Nachdem das Rezirkulationsmedium in der Strahlpumpe 10 durch das Treibmedium beschleunigt wurde und sich beide Medien vermischt haben, strömt das vermischte Medium durch die Zuströmleitung 3 zur Brennstoffzelle 30, insbesondere zum Anodenbereich 31.
  • In 4 ist eine Membran 34 der Rohrwandung 36 gezeigt, wobei die Membran 34 als perspektivische Schnittansicht gezeigt ist. Die Membran 34 ist dabei als eine semipermeable Membran 34 ausgebildet, wobei die Membran 34, wie in 4 gezeigt, durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran 34 undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils. Dabei sind die Bestandteile H2O und N2 des Mediums zu groß, um durch die Struktur, insbesondere die Gitterstruktur der Membran 34 zu diffundieren, während der Bestandteile H2 des Mediums klein genug ist, um durch die Struktur der Membran 34 zu diffundieren.
  • 5 zeigt, dass das Rohr 35 die Rohrwandung 36 ausbildet, wobei die Rohrwandung 36 als Membran 34 ausgebildet ist, wobei die Membran 34 durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran 34 undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils. In 5 ist dabei gezeigt, dass mehrere Rohre 35 zu dem Rohrbündel 37 zusammengefasst werden können, wobei die Rohre 35 in einer möglichen Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 parallel zueinander verlaufen. Dabei ist gezeigt, dass ein Herausbewegen vom Bestandteil H2 des Mediums aus dem jeweiligen Rohr 35, inbesondere durch die Rohrwandung 36, in den Beruhigungsraum 12 erfolgt, während ein Herausbewegen der Bestandteile H2O und N2 des Mediums aus dem Rohr 35, inbesondere durch die Rohrwandung 36, verhindert wird. Die Bestandteile H2O und N2 können daher nur in Richtung des zweiten Auslasses 24 weiterströmen, wobei die Bestandteile H2O und N2 durch den zweiten Auslass 24 in den zweiten Behälter 6b weiterströmen (gezeigt in 3). In einer vorteilhaften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 besteht ein Druckunterschied zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des Rohres 35 oder des Rohrbündels 37, wodurch ein Herausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr 35 oder des Rohrbündels 37, inbesondere durch die Rohrwandung 36, in den Beruhigungsraum 12 unterstützt wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014220891 A1 [0003, 0004]

Claims (11)

  1. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, von einem gasförmigen Bestandteil, insbesondere H2, mit wenigstens einem Behälter (6), dem über einen Einlass (16) ein Medium zugeführt wird, wobei eine Abscheidung zumindest des flüssigen Bestandteils des Mediums im wenigstens einen Behälter (6) erfolgt, wobei der abgeschiedene Bestandteil des Mediums über ein Abführventil (46) aus dem wenigstens einen Behälter (6) abgeführt wird, und der verbleibende gasförmige Bestandteil des Mediums, insbesondere H2, über einen ersten Auslass (18) in eine Abströmleitung (5) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, ein gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) abgeschieden wird.
  2. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugalprinzips vom Medium, insbesondere vom Bestandteil H2 des Mediums abgeschieden werden.
  3. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (6) eine Behälterwand (17), eine Trennwand (8), eine Trennkante (15), einen Beruhigungsraum (12), ein Reservoir (14) und einen Auslasskanal (20) aufweist, wobei die Trennwand (8) auf der der Behälterwand (17) zugewandten Seite eine Düsenspitze (13) aufweist und die Behälterwand (17) einen gekrümmten Bereich (23) aufweist.
  4. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium vom Beruhigungsraum (12) kommend beim Vorbeiströmen an dem gekrümmten Bereich (23) und/oder der Düsenspitze (13) in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung erfährt, dass die Bestandteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslenkung erfahren.
  5. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich (23) und/oder der Düsenspitze (13) auf die Trennkante (15) trifft, wobei der leichte Bestandteil H2 in einer Strömungsrichtung VII zum Auslasskanal (20) abgelenkt und die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir (14) abgelenkt werden.
  6. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrere Behälter (6a, b) aufweist, wobei ein erster Behälter (6a) den Einlass (16), wenigstens ein Rohr (35) und einen Beruhigungsraum (12) aufweist, wobei das Rohr (35) innerhalb des ersten Behälters (6a) angeordnet ist, wobei ein zweiter Behälter (6b) ein Reservoir (14) und eine Sensorik (22) aufweist und wobei das Rohr (35) fluidisch mit dem Einlass (16) der ersten Behälters (6a) und mit dem Reservoir (14) des zweiten Behälters (6b) verbunden ist.
  7. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (35) eine Rohrwandung (36) ausbildet, wobei die Rohrwandung (36) als eine Membran (34) ausgebildet ist, insbesondere als eine semipermeable Membran (34), wobei die Membran (34) durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran (34) undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils.
  8. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Herausbewegen vom Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), in den Beruhigungsraum (12) erfolgt, während ein Herausbewegen der Bestandteile H2O und N2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), verhindert wird.
  9. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckunterschied zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des Rohres (35) besteht, wodurch ein Herausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), in den Beruhigungsraum (12) unterstützt wird.
  10. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rohre (35) zu einem Rohrbündel (37) zusammengefasst werden, wobei die Rohre (35) jeweils fluidisch mit dem Einlass (16) der ersten Behälters (6a) und mit Reservoir (14) des zweiten Behälters (6b) verbunden sind.
  11. Brennstoffzellenanordnung umfassend einen Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu und/oder Wasserstoffabfuhr von einer Brennstoffzelle (30).
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