DE102022125251B4 - Separating 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
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.Separating device (10) for separating liquid water (W) from an exhaust gas (A) in an exhaust gas section of a fuel cell system (100), comprising 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 a gas outlet (24) downstream of the separating section (30) for the outlet of 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 an end 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 drop form. It is also known that this drop-shaped water should be separated from the exhaust gas in order, 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 action of water droplets. This is usually ensured by separating devices being provided as water separators in the exhaust gas sections of a fuel cell system, which can separate and remove or at least collect the liquid water from the gaseous exhaust gas.
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.The disadvantage of the known solutions is that a high pressure loss is usually associated with the separation function for the water to be separated. This is based in particular on the fact that a cyclone is often used with a centrally located outlet pipe. In this concept, the exhaust gas is continuously accelerated and causes high flow velocities and losses at the deflection to the smallest diameter of the outlet. Systems are also used to guide the exhaust gas in a labyrinth-shaped manner so 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 with the features of claim 1 and a fuel cell system with the features of claim 15. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, 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 reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
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 is provided for collecting the separated liquid water. The base body has at least one gas inlet upstream of the separation section for the inlet of exhaust gas and a gas outlet downstream of the separation section for the 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 designed upright, i.e. they are narrow in a radial direction and long or large in a 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 be described later as a reverse cyclone separation principle. This means that the exhaust gas is introduced from the gas inlet into the separation section together with the liquid water droplets still contained therein. The separating section is now designed 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 results in the direction of flow of the introduced exhaust gas being redirected and the direction of flow of the exhaust gas being directed through the guide wall. The guide wall is now designed in such a way that the initial curved section is attached directly after the gas inlet or shortly after the gas inlet. This initial curvature section has a significantly greater curvature in relation to the end curvature section explained later, so that a strong deflection of the inflowing exhaust gas takes place here. A strong redirection of the exhaust gas flowing in here at a high flow speed results in the entrained water droplets being pressed outwards onto the guide wall by the centrifugal force. In other words, the centrifugal force as a separation force will separate the water drops from the exhaust gas to the outside. Because the exhaust gas and the separated water drops continue to flow along the guide wall As the curvature of this guide wall decreases, the influence on the change in flow direction will also decrease accordingly. By reducing the influence, the flow speed of the inflowing exhaust gas slows down, so that the entrainment of water droplets after separation at the initial curved section is reduced. The core idea of the present invention is therefore based on the fact that a strong separation function is provided by a strong deflection at the initial curvature section compared to the later course of the guide wall, with the separation of the water drops provided as they continue through the reduced curvature towards the End curve section is maintained. This means in particular that this separation functionality can be carried out without labyrinth-like elements or a siphon. Since the separation functionality here is essentially based exclusively on speed differences and the redirection of the flow of the exhaust gas, this means that a very low pressure loss 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 water drops in liquid form are separated from the exhaust gas in the manner described by the centrifugal force and the deflection of the exhaust gas. The separated water drops are conveyed further in particular by gravity along the direction of gravity. The separating device is therefore preferably equipped with a defined installation position in the fuel cell system with a direction of gravity that correlates accordingly. With the help of gravity, the separated water can now be transported along this direction of gravity into the collecting section of the base body and collected there. Further transport, removal from the collecting section or intermediate storage in this collecting section for the separated water can also take place, and can preferably be promoted by arranging 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, three-dimensional guidance of the exhaust gas is preferably desired. In this case, as will also be explained in more detail later, the exhaust gas is preferably guided from top to bottom along the direction of gravity, so that from the gas inlet, the exhaust gas moves in a spiral manner with increasing curvature from the initial curvature section to the end curvature section. The speed decreases and the separation 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 through the separating section and in particular through the guide wall in order to effectively avoid a bypass of incoming 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 noted that the separating section can be designed in different ways for this described functionality of the changing curvature. It is therefore conceivable that the separating section is tubular or at least partially tubular along a screw or spiral line and provides an enclosing guide functionality for the exhaust gas. However, it is also possible in principle if this guide wall is designed as a one-sided wall or partition, so that the guide functionality can be adjusted by the flow conditions in the separating section, particularly 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 generates a deflection of the guided exhaust gas in the range between at least 30° and a maximum of 360°. Such a very strong curvature leads to a continuous change of direction or even to a complete redirection of the introduced exhaust gas by 360°. Particularly due to the high flow velocity directly at or after the gas inlet, this leads to high droplet velocities and very strong separation functionality. In addition, the exhaust gas is also pushed outwards and there is an expansion transversely to the flow direction on the guide wall, a strong reduction in the speed of the exhaust gas is accompanied by this expansion, so that the separation function of the already separated water is maintained with a high degree of security. In other words, after the initial curved section, the guide wall opens the flow cross section much more than would ever be possible in a straight tube 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.It can bring advantages if, in a separating device according to the invention, the guide wall extends downwards, from the initial curved section towards the end curved section, away from the gas inlet, in particular along a direction of gravity. This means that the exhaust gas is conveyed in a roller-like manner in the direction of gravity and the separated water is conveyed by the action of gravity tion force is conveyed out of this roller flow. The aim is to ensure that no unnecessary braking occurs due to opposing flow conditions between dry exhaust gas and 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 further 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 end curved section. This means that not only is the curvature reduced and, as a result, a reduction in the speed of the exhaust gas, but also that this speed reduction can be further increased by expanding the flow cross section. The combination of widening the curvature and expanding flow cross section leads to a mutually reinforcing separating effect and securing effect for the separated water. The aim is for the gravitational effect to increasingly move 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 to be free of a siphon section. Separating devices with a siphon have a high pressure loss, which is why the separation functionality according to the invention is provided in order to design the complete separating device free of such a siphon. This leads to the great advantage already mentioned at the beginning of a significantly lower pressure loss of a separating device according to the invention compared to one with a siphon. The separating effect is achieved here independently of a siphon by reducing the speed due to the variation in curvature.
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 design, which takes into account the curvature conditions described in each case and preferably also the described conditions of the flow cross section in order to design the speed curve with the direction 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 is reduced from the initial curvature section to the end curvature 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, avoid the formation of eddies and shedding of eddies. This preferably results in the entire wall film flow within the separating section remaining largely or even completely in laminar flow conditions, so that turbulent flow areas are avoided or at least reduced. The flow that is as uniform and smooth as possible within the separating section in turn means that the separated water adheres to the guide wall of the separating section (adhesion) as a film of water with greater probability and greater security, 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 mean exhaust gas from which liquid water has been at least partially removed by the separation principle described and which is therefore at least essentially free of water droplets. In particular, according to this definition, dried exhaust gas still has residual moisture, so that the present invention relates to the separation of liquid, drop-shaped water free or essentially free from 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, in particular at least in the end curve section, has at least one guide receptacle for receiving and removing water films. While the basic quality according to the invention is already guaranteed by the fact that a speed reduction of the exhaust gas is achieved through the curvature variation and in particular a variation of the flow cross section, securing the separated water against being carried away by the dried exhaust gas can be further improved by such a guide mount . In the simplest case, these can be groove- or rib-shaped elements that convey the water along the direction of gravity, i.e. the direction of gravity due to gravitational force, and protect it against being carried away by the dried exhaust gas due to their geometric design. Lateral channel receptacles or pipe receptacles are also conceivable, which act as guide receptacles to hold the water, for example through a receiving slot, and accordingly keep it safe can be removed 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 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, in order to remove the separated water from the then dried exhaust gas, this removed and separated water is moved into the collecting section using gravitational force. In order to avoid one siphon section as effectively and definitively as possible, this guide receptacle is aligned along or essentially along the direction of gravity, so that the maximum force 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 backstop, in particular in the form of at least one backstop lip, to prevent the water taken up from flowing back. As has already been explained, a strong separation function can be provided by a strong curvature variation in the initial curvature section of the guide wall, so that a large part of the liquid water can be separated from the introduced exhaust gas even over a very short distance along the guide wall. After a short distance after this separation, this water that has already been separated can also be taken up through a corresponding slot or an inlet opening in the guide receptacle. In order to prevent the unwanted entrainment of the separated water in the dried exhaust gas even more reliably for further conveying, a backstop can be provided, which, for example in the shape of a lip or groove, prevents such entrainment even more effectively due to the geometry and thus further strengthens the functionality according to the invention. The water can therefore be conveyed into the guide receptacle in a separated form, in particular pressed, but cannot or only in very unlikely cases partially escape against this backstop.
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.It has advantages if, in a separating device according to the invention, the collecting section has a return stop element to prevent a backflow of collected water into the separating section. This is also a backstop, which is already effective when the water is already in the collecting section. Appropriate labyrinth designs 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 bring advantages if, in a separating device according to the invention, the base body has at least two gas inlets for admitting exhaust gas into 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, for example, different exhaust gas sections of a fuel cell stack. In larger fuel cell systems with several fuel cell stacks, several gas inlets from the same section of the 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 separation functions for separating the water are provided for both gas inlets mutual influence due to the offset in the 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 the base body of a separating device according to the invention is produced using a structural process. This can be, for example, a so-called 3D printing process or sintering process. In particular, this means that even very complex flow geometries can be produced in a cost-effective and simple manner, especially 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 that a clean transfer, especially in a laminar manner, sets uniform flow conditions after the gas inlet when transferring to the guide wall. This avoids in particular swirling when the exhaust gas is introduced and, moreover, preferably mixing with already dried exhaust gas after being 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, comprising 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 exhaust gas. Furthermore, the fuel cell system is equipped with a separating device according to the present invention, the gas inlet of which is fluidly connected to the anode discharge section or the cathode discharge section. A fuel cell system according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a separating device according to the invention. The separated exhaust gases from anode exhaust gas and cathode exhaust gas can, for example, be mixed into a recirculation gas section for recirculation into the anode supply 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.Several separating devices for different exhaust gas sections of the fuel cell system can also be operated separately from one another. During recirculation, the gas outlet of the separating device is preferably designed with an injector device or connected to it in fluid communication in order to provide an injector functionality for 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 a lateral cross section, -
2 the embodiment of the1 in a cross section in top view, -
3 a schematic representation of a separating section in plan view, -
4 the embodiment of the3 in a side view, -
5 a further embodiment of a separating section with a guide receptacle, -
6 a detailed representation of the embodiment of the5 , -
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 in the context of examples.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- SepariervorrichtungSeparating device
- 2020
- GrundkörperBasic body
- 2222
- GaseinlassGas inlet
- 2323
- Gaseinlass-WandungGas inlet wall
- 2424
- GasauslassGas outlet
- 3030
- TrennabschnittSeparating section
- 3131
- Seitenwandungside wall
- 3232
- Führungswandungguide wall
- 3333
- Anfangs-KrümmungsabschnittInitial curvature section
- 3434
- End-KrümmungsabschnittEnd curve section
- 3636
- FührungsaufnahmeLeadership recording
- 3737
- RücklaufsperreBackstop
- 4040
- AuffangabschnittCollection 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 removal section
- WW
- WasserWater
- AA
- Abgasexhaust
- ARAR
- SchwerkraftrichtungGravity direction
- GAGA
- GrundkörperachseBody axis
- AZGAZG
- AnodenzuführgasAnode feed gas
- AAGAAG
- Anodenabgasanode exhaust
- KZGKZG
- Kathodenzuführgas Cathode feed gas
- KAGCAG
- Kathodenabgascathode exhaust
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-
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-
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