DE102022125251A1 - Separation device for separating liquid water from an exhaust gas in an exhaust gas section of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separiervorrichtung (10) zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus einem Abgas (A) in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Grundkörper (20) mit einem Trennabschnitt (30) zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus dem Abgas (A) und einem Auffangabschnitt (40) zu Auffangen des separierten flüssigen Wassers (W), wobei der Grundkörper (20) wenigstens einen Gaseinlass (22) stromaufwärts des Trennabschnitts (30) zum Einlass von Abgas (A) und einen Gasauslass (24) stromabwärts des Trennabschnitts (30) zum Auslass von Abgas (A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennabschnitt (30) eine gekrümmte Führungswandung (32) aufweist für ein Aufnehmen und Führen des Abgases (A) vom Gaseinlass (22) und die Krümmung dieser Führungswandung (32) sich von einem Anfangs-Krümmungsabschnitt (33) von dem Gaseinlass (22) weg zu einem End-Krümmungsabschnitt (34) reduziert.The present invention relates to a separating device (10) for separating liquid water (W) from an exhaust gas (A) in an exhaust gas section of a fuel cell system (100), having a base body (20) with a separating section (30) for separating liquid water ( W) from the exhaust gas (A) and a collecting section (40) for collecting the separated liquid water (W), the base body (20) having at least one gas inlet (22) upstream of the separating section (30) for the inlet of exhaust gas (A) and has a gas outlet (24) downstream of the separating section (30) for discharging exhaust gas (A), characterized in that the separating section (30) has a curved guide wall (32) for receiving and guiding the exhaust gas (A) from the gas inlet (22 ) and the curvature of this guide wall (32) reduces from an initial curved section (33) away from the gas inlet (22) to a final curved section (34).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Abgas in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Separiervorrichtung.The present invention relates to a separating device for separating liquid water from an exhaust gas in an exhaust gas section of a fuel cell system and a fuel cell system with such a separating device.
Es ist bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen Abgas entsteht, welches unter anderem auch flüssiges Wasser in Tropfenform enthält. Auch ist es bekannt, dass dieses tropfenförmige Wasser aus dem Abgas abgetrennt werden soll, um zum einen das Abgas so trocken wie möglich zu halten und zum anderen Bauteile vor erhöhter mechanischer Belastung durch das Einwirken von Wassertropfen zu schützen. Dies wird üblicherweise dadurch gewährleistet, dass in den Abgasabschnitten eines Brennstoffzellensystems Separiervorrichtungen als Wasserabscheider vorgesehen sind, die das flüssige Wasser aus dem gasförmigen Abgas abtrennen und abführen oder zumindest auffangen können.It is known that the operation of fuel cell systems produces exhaust gas which, among other things, also contains liquid water in the form of droplets. It is also known that this droplet-shaped water should be separated from the exhaust gas, on the one hand, to keep the exhaust gas as dry as possible and, on the other hand, to protect components from increased mechanical stress caused by the effects of water droplets. This is usually ensured by the fact that separating devices are provided as water separators in the exhaust gas sections of a fuel cell system, which separate the liquid water from the gaseous exhaust gas and remove it or at least collect it.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass üblicherweise ein hoher Druckverlust mit der Trennfunktion für das abzutrennende Wasser einhergeht. Dies beruht insbesondere auf der Tatsache, dass häufig ein Zyklon verwendet wird mit einem zentral angeordneten Austrittsrohr. In diesem Konzept wird das Abgas kontinuierlich beschleunigt und verursacht an der Umlenkung zum kleinsten Durchmesser des Austrittes hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Verluste. Auch werden Systeme eingesetzt, um in labyrinthförmiger Weise das Abgas so zu führen, dass das Wasser abgetrennt wird.A disadvantage of the known solutions is that the separating function for the water to be separated is usually accompanied by a high pressure drop. This is due in particular to the fact that a cyclone with a centrally arranged outlet pipe is often used. In this concept, the exhaust gas is continuously accelerated and causes high flow velocities and losses at the diversion to the smallest diameter of the outlet. Systems are also used to guide the exhaust gas in a labyrinthine manner in such a way that the water is separated.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Abscheidung von Wasser aus einem Abgas in einem Brennstoffzellensystem mit möglichst geringem Druckverlust zu ermöglichen.It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to enable water to be separated from an exhaust gas in a fuel cell system in a cost-effective and simple manner with the lowest possible pressure loss.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Separiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Separiervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.The above object is achieved by a separating device having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 15. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the separating device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.
Erfindungsgemäß dient eine Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Abgas in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist eine solche Separiervorrichtung einen Grundkörper mit einem Trennabschnitt zum Separieren von flüssigem Wasser aus dem Abgas auf. Darüber hinaus ist ein Auffangabschnitt zum Auffangen des separierten flüssigen Wassers vorgesehen. Der Grundkörper weist wenigstens einen Gaseinlass stromaufwärts des Trennabschnitts zum Einlass von Abgas und einen Gasauslass stromabwärts des Trennabschnitts zum Auslass von Abgas auf. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Separiervorrichtung dadurch aus, dass der Trennabschnitt eine gekrümmte Führungswandung aufweist, für ein Aufnehmen und Führen des Abgases vom Gaseinlass, wobei die Krümmung dieser Führungswandung sich von einem Anfangs-Krümmungsabschnitt von dem Gaseinlass weg zu einem End-Krümmungsabschnitt reduziert.According to the invention, a separating device is used to separate liquid water from an exhaust gas in an exhaust gas section of a fuel cell system. For this purpose, such a separating device has a base body with a separating section for separating liquid water from the exhaust gas. In addition, a collecting section for collecting the separated liquid water is provided. The base body has at least one gas inlet upstream of the separating section for inlet of exhaust gas and one gas outlet downstream of the separating section for outlet of exhaust gas. According to the invention, the separating device is characterized in that the separating section has a curved guide wall for receiving and guiding the exhaust gas from the gas inlet, the curvature of this guide wall reducing from an initial curved section away from the gas inlet to an end curved section.
Der wenigstens eine Gaseinlass ist vorzugsweise mit einer schmalen Ausgestaltung in radialer Richtung ausgebildet, sodass sich eine längliche Öffnung ausbildet. Folglich sind insbesondere alle Gaseinlässe hochkant ausgebildet, sprich diese schmal in einer radial Richtung und lang bzw. groß vertikalen Richtung ausgebildet.The at least one gas inlet is preferably designed with a narrow configuration in the radial direction, so that an elongated opening is formed. Consequently, in particular all gas inlets are formed on edge, ie they are narrow in a radial direction and long or large in the vertical direction.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht auf einem Trennprinzip, welches auch später noch als umgekehrtes Zyklon-Trennprinzip beschrieben wird. Darunter ist zu verstehen, dass das Abgas zusammen mit den noch enthaltenen flüssigen Wassertröpfchen vom Gaseinlass in den Trennabschnitt eingeführt wird. Der Trennabschnitt ist nun mit der Führungswandung so ausgebildet, dass er das Abgas aufnimmt und entlang der Führungswandung führt. Diese Art der Führung führt dazu, dass ein Umlenken der Strömungsrichtung des eingeführten Abgases stattfindet und die Strömungsrichtung des Abgases durch die Führungswandung gelenkt wird. Die Führungswandung ist nun so ausgestaltet, dass direkt nach dem Gaseinlass oder kurz nach dem Gaseinlass der Anfangs-Krümmungsabschnitt angebracht ist. Dieser Anfangs-Krümmungsabschnitt weist bezogen auf den später noch erläuterten End-Krümmungsabschnitt eine deutlich größere Krümmung auf, sodass hier ein starkes Umlenken des einströmenden Abgases stattfindet. Ein starkes Umlenken des hier noch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit einströmenden Abgases führt dazu, dass die mitgerissenen Wassertröpfchen durch die Zentrifugalkraft nach außen an die Führungswand gedrückt werden. Mit anderen Worten wird hier durch die Zentrifugalkraft als Trennungskraft ein Abtrennen der Wassertropfen aus dem Abgas nach au-ßen erfolgen. Dadurch, dass nun beim Weiterströmen des Abgases und der abgetrennten Wassertropen entlang der Führungswand die Krümmung dieser Führungswand abnimmt, wird die Beeinflussung der Änderung der Strömungsrichtung entsprechend ebenfalls abnehmen. Durch das Abnehmen der Beeinflussung verlangsamt sich die Strömungsgeschwindigkeit des eingeströmten Abgases, sodass ein Mitrei-ßen von Wassertropfen, nach dem Abtrennen am Anfangs-Krümmungsabschnitt, reduziert wird. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung beruht also darauf, dass durch ein im Vergleich zum späteren Verlauf der Führungswandung starkes Umlenken am Anfangs-Krümmungsabschnitt eine starke Trennfunktion zur Verfügung gestellt wird, wobei die damit zur Verfügung gestellte Abtrennung der Wassertropfen beim Weiterführen durch die reduzierte Krümmung hin zum End-Krümmungsabschnitt beibehalten wird. Dies führt insbesondere dazu, dass diese Trennungsfunktionalität ohne labyrinthartige Elemente oder einen Siphon durchgeführt werden kann. Da die Trennungsfunktionalität hier im Wesentlichen ausschließlich auf Geschwindigkeitsunterschieden und der Umlenkung der Strömung des Abgases basiert, führt dies dazu, dass ein sehr geringer Druckverlust erzielt werden kann, beim Einsatz dieser Trennungsmethode.The core idea according to the invention is based on a separation principle, which will also later be described as the reverse cyclone separation principle. This means that the exhaust gas is introduced into the separating section from the gas inlet together with the liquid water droplets still present. The separating section is now formed with the guide wall in such a way that it receives the exhaust gas and guides it along the guide wall. This type of guidance means that the direction of flow of the exhaust gas that is introduced is deflected and the direction of flow of the exhaust gas is directed by the guide wall. The guide wall is designed in such a way that the initial curved section is fitted directly after the gas inlet or shortly after the gas inlet. This initial curved section has a significantly greater curvature in relation to the final curved section, which will be explained later, so that the inflowing exhaust gas is strongly deflected here. Strong deflection of the exhaust gas, which is still flowing in at high flow speed, means that the water droplets that are entrained are pressed outwards against the guide wall by centrifugal force. In other words, the water droplets are separated from the exhaust gas to the outside by the centrifugal force as the separating force. Due to the fact that the exhaust gas and the separated water droplets flow along the guide wall as the curvature of this guide wall decreases, the influence of the change in flow direction will correspondingly also decrease. With the decrease in influence, the flow speed of the inflowed exhaust gas slows down, so that entrainment of waterdrops after being separated at the initial bend portion is reduced. The core idea of the present invention is therefore based on the fact that a strong deflection at the initial curved section compared to the later course of the guide wall provides a strong separating function, with the separation of the water droplets made available as a result of continuing through the reduced curvature to the End-curvature section is maintained. In particular, this means that this separation functionality can be performed without labyrinthine elements or a siphon. Since the separation functionality here is based essentially exclusively on speed differences and the redirection of the flow of the exhaust gas, this means that a very low pressure drop can be achieved when using this separation method.
Das Abtrennen der Wassertropfen in flüssiger Form aus dem Abgas erfolgt in beschriebener Weise durch die Zentrifugalkraft und das Umlenken des Abgases. Das Weiterfördern der abgetrennten Wassertropfen erfolgt insbesondere durch die Schwerkraft entlang der Gravitationsrichtung. Somit ist die Separiervorrichtung vorzugsweise mit einer definierten Einbauposition in dem Brennstoffzellensystem mit einer entsprechend damit korrelierenden Schwerkraftrichtung ausgestattet. Das abgetrennte Wasser kann nun mithilfe der Gravitation entlang dieser Schwerkraftrichtung in den Auffangabschnitt des Grundkörpers transportiert und dort aufgefangen werden. Auch kann ein Weitertransportieren, ein Abführen aus dem Auffangabschnitt oder ein Zwischenspeichern in diesem Auffangabschnitt für das abgetrennte Wasser stattfinden, und vorzugsweise durch Anordnung von Ablaufhilfen begünstigt werden. The separation of the water droplets in liquid form from the exhaust gas takes place in the manner described by centrifugal force and the deflection of the exhaust gas. The further conveyance of the separated water droplets takes place in particular through the force of gravity along the gravitational direction. Thus, the separating device is preferably equipped with a defined installation position in the fuel cell system with a correspondingly correlated direction of gravity. The separated water can now be transported with the help of gravitation along this direction of gravity into the collecting section of the base body and collected there. Further transport, discharge from the collecting section or intermediate storage in this collecting section for the separated water can also take place, and this can preferably be promoted by the arrangement of drainage aids.
Neben der grundsätzlichen Veränderung der Krümmung über den Verlauf der Führungswandung ist vorzugsweise ein dreidimensionales Führen des Abgases gewünscht. Dabei wird, wie dies ebenfalls später noch näher erläutert wird, das Abgas vorzugsweise entlang der Schwerkraftrichtung von oben nach unten geführt, sodass vom Gaseinlass aus, sich in spiralförmiger Weise das Abgas mit vergrößernder Krümmung vom Anfangs-Krümmungsabschnitt zum End-Krümmungsabschnitt hinbewegt. Dabei nimmt die Geschwindigkeit ab und die Trennfunktion für das abgetrennte Wasser wird aufrechterhalten.In addition to the fundamental change in the curvature over the course of the guide wall, a three-dimensional routing of the exhaust gas is preferably desired. As will also be explained in more detail later, the exhaust gas is preferably guided along the direction of gravity from top to bottom, so that from the gas inlet, the exhaust gas moves in a spiral manner with increasing curvature from the initial curved section to the final curved section. The speed decreases and the separating function for the separated water is maintained.
Darüber hinaus ist vorzugsweise eine Trennung zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass durch den Trennabschnitt und insbesondere durch die Führungswandung gegeben, um einen Bypass von einströmendem Abgas an dem Trennabschnitt vorbei zum Gasauslass wirksam zu vermeiden.In addition, there is preferably a separation between the gas inlet and the gas outlet by the separating section and in particular by the guide wall in order to effectively avoid a bypass of inflowing exhaust gas past the separating section to the gas outlet.
Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass der Trennabschnitt für diese beschriebene Funktionalität der sich verändernden Krümmung in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein kann. So ist es denkbar, dass der Trennabschnitt rohrförmig oder wenigstens abschnittsweise rohrförmig entlang einer Schrauben- oder Spiralline ausgestaltet ist und eine umschließende Führungsfunktionalität für das Abgas zur Verfügung stellt. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, wenn diese Führungswandung als einseitige Wandung oder Trennwand ausgebildet ist, sodass insbesondere entlang der Schwerkraftrichtung, sich die Führungsfunktionalität durch die Strömungsverhältnisse im Trennabschnitt einstellen kann. Auch Kombinationen aus geschlossenen und geöffneten Trennabschnitten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich denkbar.It should also be pointed out that the separating section for this described functionality of the changing curvature can be designed in different ways. So it is conceivable that the separating section is tubular or at least partially tubular along a helical or spiral line and provides an enclosing guiding functionality for the exhaust gas. In principle, however, it is also possible for this guide wall to be designed as a one-sided wall or dividing wall, so that the guide functionality can be adjusted by the flow conditions in the separating section, in particular along the direction of gravity. Combinations of closed and open separating sections are also fundamentally conceivable within the scope of the present invention.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Anfangs-Krümmungsabschnitt der Führungswandung eine Umlenkung des geführten Abgases im Bereich zwischen mindestens 30° und maximal 360° erzeugt. Eine solche sehr starke Krümmung führt also zu einem kontinuierlichen Richtungswechsel oder sogar zu einem vollständigen Umlenken um 360° des eingebrachten Abgases. Insbesondere aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit direkt an oder nach dem Gaseinlass führt dies zu hohen Tröpfchengeschwindigkeiten und einer sehr starken Trennfunktionalität. Darüber hinaus wird auch das Abgas nach außen gedrückt und es entsteht ein Aufweiten quer zur Strömungsrichtung an der Führungswandung, ein starkes Reduzieren der Geschwindigkeit des Abgases mit dieser Aufweitung einhergehen, sodass entsprechend die Trennungsfunktion des bereits abgetrennten Wassers mit hoher Sicherheit beibehalten wird. Mit anderen Worten öffnet die Führungswandung nach dem Anfangs-Krümmungsabschnitt den Strömungsquerschnitt wesentlich stärker als es in einem geraden Rohrdiffusor ohne Ablösung jemals möglich wäre.It can be advantageous if, in a separating device according to the invention, the initial curved section of the guide wall deflects the guided exhaust gas in the range between at least 30° and at most 360°. Such a very strong curvature thus leads to a continuous change of direction or even to a complete deflection of the introduced exhaust gas by 360°. In particular due to the high flow velocity directly at or after the gas inlet, this leads to high droplet velocities and a very strong separation functionality. In addition, the exhaust gas is also pushed outwards and there is a widening transverse to the flow direction on the guide wall, a strong reduction in the speed of the exhaust gas is accompanied by this widening, so that the separation function of the water that has already been separated is maintained with a high degree of certainty. In other words, after the initial bend section, the guide wall opens the flow cross-section much more than would ever be possible in a straight tubular diffuser without separation.
Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung die Führungswandung sich, vom Anfangs-Krümmungsabschnitt zum End-Krümmungsabschnitt hin, von dem Gaseinlass weg, insbesondere entlang einer Schwerkraftrichtung, nach unten erstreckt. Das bedeutet, dass das Abgas walzenförmig um die Schwerkraftrichtung gefördert wird und das abgetrennte Wasser durch die Einwirkung der Gravitationskraftaus dieser Walzenströmung herausgefördert wird. Damit wird angestrebt, dass kein unnötiges Abbremsen durch gegenläufige Strömungsverhältnisse zwischen trockenem Abgas und abgetrenntem Wasser entstehen. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Innenraum der Separiervorrichtung und insbesondere im Trennabschnitt.There can be advantages if, in a separating device according to the invention, the guide wall extends downwards, from the initial curved section to the final curved section, away from the gas inlet, in particular along a direction of gravity. This means that the exhaust gas is conveyed in the form of a roller around the direction of gravity and the separated water is conveyed by the effect of gravita tion force is conveyed out of this rolling flow. The aim is that no unnecessary braking occurs due to opposing flow conditions between the dry exhaust gas and the separated water. This leads to a further improvement in the flow conditions in the interior of the separating device and in particular in the separating section.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung sich der Strömungsquerschnitt des Trennabschnitts vom Anfangs-Krümmungsabschnitt zum End-Krümmungsabschnitt vergrößert. Darunter ist zu verstehen, dass nicht nur die Krümmung reduziert wird und damit einhergehend eine Geschwindigkeitsreduktion des Abgases stattfindet, sondern darüber hinaus durch ein Aufweiten des Strömungsquerschnittes sich diese Geschwindigkeitsreduktion weiter verstärken lässt. Die Kombination aus Aufweiten der Krümmung und sich aufweitendem Strömungsquerschnitt führt also zu einer sich gegenseitig verstärkenden Trennwirkung und Sicherungswirkung für das abgetrennte Wasser. Es wird dadurch angestrebt das zunehmend die Gravitationswirkung die Wandfilme bewegt und nicht die Strömungskräfte aus der Abgasströmung mit hoher Geschwindigkeit.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the flow cross section of the separating section increases from the initial curved section to the final curved section. This means that not only is the curvature reduced and, as a result, a speed reduction of the exhaust gas takes place, but this speed reduction can also be further intensified by widening the flow cross section. The combination of the widening of the curvature and the widening flow cross section thus leads to a mutually reinforcing separating effect and securing effect for the separated water. The aim is that the gravitational effect increasingly moves the wall films and not the flow forces from the exhaust gas flow at high speed.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Trennabschnitt frei von einem Siphonabschnitt ausgebildet ist. Separiervorrichtungen mit Siphon weisen einen hohen Druckverlust auf, wesahlb die erfindungsgemäße Trennfunktionalität zur Verfügung gestellt wird, um die komplette Separiervorrichtung frei von einem solchen Siphon auszugestalten. Dies führt zu dem bereits eingangs erwähnten großen Vorteil eines deutlich geringeren Druckverlustes einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung im Vergleich zu einer solchen mit einem Siphon. Die Trennwirkung wird also hier unabhängig von einem Siphon durch die Geschwindigkeitsreduktion aufgrund der Krümmungsvariation erzielt.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the separating section is designed without a siphon section. Separating devices with a siphon have a high pressure loss, which is why the separating functionality according to the invention is made available in order to design the complete separating device without such a siphon. This leads to the great advantage already mentioned at the outset of a significantly lower pressure loss of a separating device according to the invention compared to one with a siphon. The separating effect is thus achieved here independently of a siphon through the speed reduction due to the curvature variation.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Trennabschnitt als umgekehrter Zyklonabscheider ausgebildet ist. Damit ist also eine kegelförmige oder im Wesentlichen kegelförmige Ausbildung zu verstehen, welche die jeweils beschriebenen Krümmungsverhältnisse und vorzugsweise auch die beschriebenen Verhältnisse des Strömungsquerschnittes berücksichtigt, um den Geschwindigkeitsverlauf mit dem Richtungsverlauf der Strömung des Abgases mit der erfindungsgemäßen Trennungsfunktionalität zur Abtrennung des flüssigen Wassers auszugestalten.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the separating section is designed as an inverted cyclone separator. This means a conical or essentially conical configuration, which takes into account the curvature conditions described in each case and preferably also the conditions of the flow cross section described, in order to design the speed profile with the directional profile of the flow of the exhaust gas with the separation functionality according to the invention for separating the liquid water.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung, sich die Krümmung der Führungswandung vom Anfangs-Krümmungsabschnitt zum End-Krümmungsabschnitt knickfrei, insbesondere kontinuierlich oder im Wesentlichen kontinuierlich, verringert. Dies führt insbesondere zu einer kontinuierlichen Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit und auch vorzugsweise zu einer kontinuierlichen Änderung der Richtung des Abgases. Beides führt zu einer besonders gleichmäßigen Strömung und vermeidet insbesondere Wirbelbildung und Wirbelablösung. Bevorzugt führt dies dazu, dass die gesamte Wandfilmströmung innerhalb des Trennabschnitts größtenteils oder sogar vollständig in laminaren Strömungsverhältnissen verbleibt, sodass turbulente Strömungsbereiche vermieden oder zumindest reduziert werden. Die möglichst gleichmäßige und glatte Strömung innerhalb des Trennabschnitts führt wiederum dazu, dass das abgetrennte Wasser als Wasserfilm mit höherer Wahrscheinlichkeit und höherer Sicherheit an der Führungswand des Trennabschnitts anhaftet (Adhäsion), verbleibt und in beschriebener Weise abgetrennt vom getrockneten Abgas in den Auffangabschnitt abgeführt werden kann. Unter getrocknetem Abgas wird im Sinne der vorliegenden Erfindung Abgas verstanden, welchem zumindest zum Teil flüssiges Wasser durch das beschriebene Trennungsprinzip entzogen worden ist und welches somit zumindest im Wesentlichen frei von Wasserströpfchen ist. Insbesondere weist getrocknetes Abgas nach dieser Definition immer noch eine Restfeuchte auf, so dass sich die vorliegende Erfindung auf die Abtrennung von flüssigem, tropfenförmigem Wasser frei oder im Wesentlichen frei von einer Kondensationstrocknung bezieht.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the curvature of the guide wall decreases from the initial curved section to the final curved section without kinks, in particular continuously or essentially continuously. This leads in particular to a continuous decrease in the flow velocity and also preferably to a continuous change in the direction of the exhaust gas. Both lead to a particularly uniform flow and, in particular, prevent the formation of vortices and the shedding of vortices. This preferably leads to the entire wall film flow remaining largely or even completely in laminar flow conditions within the separating section, so that turbulent flow areas are avoided or at least reduced. The smoothest possible flow within the separating section, in turn, means that the separated water adheres to the guide wall of the separating section as a water film with a higher probability and greater certainty (adhesion), remains and can be discharged into the collecting section separated from the dried exhaust gas in the manner described . For the purposes of the present invention, dried exhaust gas is understood to be exhaust gas from which at least some liquid water has been removed by the separation principle described and which is therefore at least essentially free of water droplets. In particular, dried exhaust gas still has a residual moisture according to this definition, so that the present invention relates to the separation of liquid, droplet-shaped water free or essentially free of condensation drying.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung die Führungswandung, insbesondere wenigstens im End-Krümmungsabschnitt, zumindest eine Führungsaufnahme zum Aufnehmen und Abführen von Wasserfilmen aufweist. Während die grundsätzliche erfindungsgemäße Qualität bereits dadurch gewährleistet ist, dass sich durch die Krümmungsvariation und insbesondere auch eine Variation des Strömungsquerschnittes eine Geschwindigkeitsreduktion des Abgases erzielt wird, kann ein Absichern des abgetrennten Wassers gegen ein Mitreißen durch das getrocknete Abgas durch eine solche Führungsaufnahme noch weiter verbessert werden. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um rillen- oder rippenförmige Elemente handeln, die das Wasser entlang der Gravitationsrichtung, also der Schwerkraftrichtung durch Gravitationskraft, fördern und durch ihre geometrische Ausbildung gegen ein Mitreißen durch das getrocknete Abgas sichern. Auch sind seitliche Kanalaufnahmen oder Rohraufnahmen denkbar, die als Führungsaufnahmen das Wasser, beispielsweise durch einen Aufnahmeschlitz, aufnehmen und entsprechend in noch sichererer getrennter Weise vom getrockneten Abgas abführen können.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the guide wall has at least one guide receptacle for receiving and removing water films, in particular at least in the curved end section. While the basic quality according to the invention is already ensured by the fact that a speed reduction of the exhaust gas is achieved through the variation in curvature and in particular also a variation in the flow cross section, securing the separated water against being entrained by the dried exhaust gas can be further improved by such a guide receptacle . In the simplest case, these can be grooved or rib-shaped elements that convey the water along the direction of gravity, i.e. the direction of gravity by gravitational force, and protect it against being entrained by the dried exhaust gas due to their geometric design. Lateral channel receptacles or pipe receptacles are also conceivable, which, as guide receptacles, receive the water, for example through a receptacle slot, and are accordingly still safe erer can dissipate separately from the dried exhaust gas.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer Separiervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz eine Führungsaufnahme wenigstens abschnittsweise entlang oder im Wesentlichen entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist. Wie bereits erläutert worden ist, ist es vorteilhaft, wenn für das Abführen des abgetrennten Wassers aus dem dann getrockneten Abgas, dieses abgeführte und abgetrennte Wasser mit Gravitationskraft in den Auffangabschnitt bewegt wird. Um nun den einen Siphonabschnitt möglichst wirksam und endgültig zu vermeiden, erfolgt eine Ausrichtung dieser Führungsaufnahme entlang oder im Wesentlichen entlang der Schwerkraftrichtung, sodass die maximale Krafteinwirkung der Gravitationskraft zum Abführen des abgetrennten Wassers erzielt wird.It is also advantageous if, in the case of a separating device according to the preceding paragraph, a guide receptacle is aligned at least in sections along or essentially along the direction of gravity. As has already been explained, it is advantageous if, for the removal of the separated water from the then dried exhaust gas, this removed and separated water is moved into the collecting section by gravitational force. In order to now avoid one siphon section as effectively and finally as possible, this guide receptacle is aligned along or essentially along the direction of gravity, so that the maximum effect of the gravitational force is achieved for discharging the separated water.
Ebenfalls vorteilhaft ist es bei einer Separiervorrichtung der beiden voranstehenden Absätze, wenn die wenigstens eine Führungsaufnahme eine Rücklaufsperre, insbesondere in Form wenigstens einer Rücklaufsperrlippe, aufweist, für ein Vermeiden eines Rücklaufes des aufgenommenen Wassers. Wie bereits erläutert worden ist, kann durch eine starke Krümmungsvariation im Anfangs-Krümmungsabschnitt der Führungswandung eine starke Trennfunktion zur Verfügung gestellt werden, sodass bereits auf sehr kurzer Strecke entlang der Führungswandung ein Großteil des flüssigen Wassers aus dem eingeführten Abgas abgetrennt werden kann. So kann nach einer kurzen Strecke nach dieser Abtrennung auch dieses bereits abgetrennte Wasser durch einen entsprechenden Schlitz oder eine Einlauföffnung in der Führungsaufnahme aufgenommen werden. Um nun für die Weiterförderung das unerwünschte Mitreißen des abgetrennten Wassers in dem getrockneten Abgas noch sicherer zu verhindern, kann eine Rücklaufsperre vorgesehen sein, welche zum Beispiel lippen- oder riefenförmig durch die Geometrie ein solches Mitreißen noch wirkungsvoller verhindert und damit die erfindungsgemäße Funktionalität weiter stärkt. Das Wasser kann also in abgetrennter Form in die Führungsaufnahme hineingefördert, insbesondere gedrückt, werden, kann jedoch gegen diese Rücklaufsperre nicht oder nur in sehr unwahrscheinlichen Fällen wieder teilweise herausgelangen.It is also advantageous in a separating device of the two preceding paragraphs if the at least one guide receptacle has a non-return device, in particular in the form of at least one non-return device lip, to prevent the water that has been taken up from running back. As has already been explained, a strong separating function can be provided by a strong curvature variation in the initial curved section of the guide wall, so that a large part of the liquid water can be separated from the introduced exhaust gas over a very short distance along the guide wall. Thus, after a short distance after this separation, this already separated water can also be taken up through a corresponding slot or an inlet opening in the guide receptacle. In order to prevent the undesired entrainment of the separated water in the dried exhaust gas even more reliably for further conveyance, a backstop can be provided which, for example, lip-shaped or scored due to the geometry, prevents such entrainment even more effectively and thus further strengthens the functionality according to the invention. The water can thus be conveyed into the guide receptacle in separated form, in particular pressed, but cannot escape again against this backstop, or only partially, or only in very improbable cases.
Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Auffangabschnitt ein Rücklaufsperrelement aufweist, für ein Verhindern einer Rückströmung von aufgefangenem Wasser in den Trennabschnitt. Auch hier handelt es sich um eine Rücklaufsperre, welche bereits dann wirksam ist, wenn sich das Wasser bereits im Auffangabschnitt befindet. So können hier entsprechende Labyrinthausbildungen oder -wandungen vorgesehen sein, um ein Rückströmen oder Rücklaufen des abgetrennten Wassers aus dem Auffangabschnitt zu vermeiden.There are advantages if, in a separating device according to the invention, the collecting section has a non-return element for preventing the collected water from flowing back into the separating section. This is also a backstop, which is already effective when the water is already in the collection section. Corresponding labyrinth formations or walls can be provided here in order to prevent the separated water from flowing back or running back out of the collecting section.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Grundkörper wenigstens zwei Gaseinlässe zum Einlass von Abgas in dem Trennabschnitt aufweist, wobei die beiden Gaseinlässe bezogen auf eine Grundkörperachse des Grundkörpers auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um unterschiedliche Abgasabschnitte eines Brennstoffzellenstapels handeln. Bei größeren Brennstoffzellensystemen mit mehreren Brennstoffzellenstapeln können auch mehrere Gaseinlässe vom gleichen Abschnitt des jeweils anderen Brennstoffzellenstapels in eine gemeinsame Separiervorrichtung eingebracht werden. Dabei sind die Gaseinlässe vorzugsweise auf unterschiedlichen Höhen, aber auf gleicher oder im Wesentlichen gleicher Umfangsposition und/oder auf gleicher oder im Wesentlichen gleicher radialer Position angeordnet, sodass für beide Gaseinlässe identische oder im Wesentlichen identische Trennfunktionen für das Abtrennen des Wassers zur Verfügung gestellt werden sowie eine gegenseitige Beeinflussung durch den Versatz in Höhenrichtung vermieden wird.It can also be advantageous if the base body in a separating device according to the invention has at least two gas inlets for the inlet of exhaust gas in the separating section, the two gas inlets being arranged at different heights relative to a base body axis of the base body. This can be different exhaust gas sections of a fuel cell stack, for example. In the case of larger fuel cell systems with a plurality of fuel cell stacks, a plurality of gas inlets from the same section of the respective other fuel cell stack can also be introduced into a common separating device. The gas inlets are preferably arranged at different heights, but at the same or essentially the same circumferential position and/or at the same or essentially the same radial position, so that identical or essentially identical separating functions for separating the water are provided for both gas inlets and a mutual influence by the offset in height direction is avoided.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Grundkörper durch ein aufbauendes Verfahren hergestellt ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein sogenanntes 3D-Druckverfahren oder Sinterverfahren handeln. Dies führt insbesondere dazu, dass auch sehr komplexe Strömungsgeometrien in kostengünstiger und einfacher Weise, insbesondere für die Führungswandung, herstellbar werden.There are further advantages if, in the case of a separating device according to the invention, the base body is produced using a built-up process. This can be a so-called 3D printing process or sintering process, for example. This leads in particular to the fact that even very complex flow geometries can be produced in a cost-effective and simple manner, in particular for the guide wall.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Gaseinlass, sich von einer Seitenwandung des Trennabschnitts in den Trennabschnitt hineinerstreckt. Damit wird sichergestellt, dass ein Aufweiten der Strömungsquerschnitte nach dem Gaseinlass vermieden wird und ein sauberes Übergeben, insbesondere in laminarer Weise, gleichmäßige Strömungsverhältnisse nach dem Gaseinlass bei der Übergabe an die Führungswandung einstellt. Dies vermeidet insbesondere ein Verwirbeln beim Einbringen des Abgases und darüber hinaus vorzugsweise ein Vermischen mit bereits getrocknetem Abgas nach der Führung durch die Führungswandung.It is also advantageous if, in a separating device according to the invention, the gas inlet extends from a side wall of the separating section into the separating section. This ensures that an expansion of the flow cross sections after the gas inlet is avoided and a clean transfer, in particular in a laminar manner, sets uniform flow conditions after the gas inlet when transferring to the guide wall. In particular, this avoids turbulence when the exhaust gas is introduced and, moreover, preferably avoids mixing with already dried exhaust gas after it has been guided through the guide wall.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt. Der Anodenabschnitt weist einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas auf. Der Kathodenabschnitt weist einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas auf. Weiters ist das Brennstoffzellensystem mit einer Separiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet, deren Gaseinlass fluidkommunizierend mit dem Anodenabführabschnitt oder dem Kathodenabführabschnitt verbunden ist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäßen Separiervorrichtung erläutert worden sind. Die abgetrennten Abgase aus Anodenabgas und Kathodenabgas können beispielsweise einem Rezirkulationsgasabschnitt zur Rezirkulation in den Anodenzuführabschnitt zugemischt werden. The present invention also relates to a fuel cell system, having at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section. The anode section has an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode exhaust gas. The cathode section has a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode off-gas. Furthermore, the fuel cell system is equipped with a separating device according to the present invention, the gas inlet of which is connected in fluid communication with the anode discharge section or the cathode discharge section. A fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a separating device according to the invention. The separated off-gases from anode off-gas and cathode off-gas can, for example, be admixed to a recirculation gas section for recirculation into the anode feed section.
Auch können mehrere Separiervorrichtungen für unterschiedliche Abgasabschnitte des Brennstoffzellensystems separat voneinander betrieben werden. Bei einer Rezirkulation ist vorzugsweise der Gasauslass der Separiervorrichtung mit einer Injektorvorrichtung ausgebildet oder mit dieser fluidkommunizierend verbunden, um eine Injektorfunktionalität für die Rezirkulation zur Verfügung zu stellen.A number of separating devices for different exhaust gas sections of the fuel cell system can also be operated separately from one another. In the case of recirculation, the gas outlet of the separating device is preferably formed with an injector device or is connected to it in fluid communication in order to provide an injector functionality for the recirculation.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
-
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung in seitlichem Querschnitt, -
2 die Ausführungsform der1 in einem Querschnitt in Draufsicht, -
3 eine schematische Darstellung eines Trennabschnitts in Draufsicht, -
4 die Ausführungsform der3 in seitlicher Darstellung, -
5 eine weitere Ausführungsform eines Trennabschnitts mit einer Führungsaufnahme, -
6 eine Detaildarstellung der Ausführungsform der5 , -
7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung, -
8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
-
1 an embodiment of a separating device according to the invention in lateral cross section, -
2 the embodiment of1 in a cross section in top view, -
3 a schematic representation of a separating section in plan view, -
4 the embodiment of3 in side view, -
5 a further embodiment of a separating section with a guide receptacle, -
6 a detailed representation of the embodiment of FIG5 , -
7 a further embodiment of a separating device according to the invention, -
8th an embodiment of a fuel cell system according to the invention.
Die
Anhand der
So zeigen diese
Anhand der
Die
Die
Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.The above explanation describes the present invention solely within the framework of examples.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Separiervorrichtungseparating device
- 2020
- Grundkörperbody
- 2222
- Gaseinlassgas inlet
- 2323
- Gaseinlass-Wandunggas inlet wall
- 2424
- Gasauslassgas outlet
- 3030
- Trennabschnittseparation section
- 3131
- Seitenwandungsidewall
- 3232
- Führungswandungguide wall
- 3333
- Anfangs-KrümmungsabschnittInitial Bend Section
- 3434
- End-KrümmungsabschnittEnd Bend Section
- 3636
- Führungsaufnahmelead recording
- 3737
- Rücklaufsperrebackstop
- 4040
- Auffangabschnittcatch section
- 4242
- Rücklaufsperrelement backstop element
- 100100
- Brennstoffzellensystemfuel cell system
- 110110
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 120120
- Anodenabschnittanode section
- 122122
- Anodenzuführabschnittanode feeding section
- 124124
- Anodenabführabschnittanode discharge section
- 130130
- Kathodenabschnittcathode section
- 132132
- Kathodenzuführabschnittcathode feeding section
- 134134
- Kathodenabführabschnitt cathode discharge section
- WW
- WasserWater
- AA
- Abgasexhaust
- ARAR
- Schwerkraftrichtungdirection of gravity
- GAGA
- Grundkörperachsebody axis
- AZGAZG
- Anodenzuführgasanode feed gas
- AAGAAG
- Anodenabgasanode exhaust
- KZGKZG
- Kathodenzuführgascathode feed gas
- KAGKAG
- Kathodenabgascathode exhaust
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-
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