DE10346692A1

DE10346692A1 - Tropfenabscheider

Info

Publication number: DE10346692A1
Application number: DE2003146692
Authority: DE
Inventors: Heino Flüß
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Tropfenabscheider (1) zur Abscheidung von flüssigen Bestandteilen aus einem Abgas einer Brennstoffzelleneinheit, mit einem Gehäuse (12) und mit folgenden Elementen: eine Gaszuführungseinrichtung (3), ein Agglomerator (4), ein Zyklon (5) und eine Reingasabführung (6), wobei die Elemente in der genannten Reihenfolge von dem Abgas durchströmt werden, wobei der Agglomerator (4) in einem oberen Gehäuseteil (11) des Gehäuses (12) und der Zyklon (5) in einem unteren Gehäuseteil (17) des Gehäuses (12) angeordnet sind und dass die Reingasabführung (6) ein den Agglomerator (4) durchsetzendes, vom Zyklon (5) wegführendes Zentralrohr (21) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tropfenabscheider zur Abscheidung von flüssigen Bestandteilen aus einem Abgas einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.

Tropfenabscheider der hier zugrunde gelegten Art sind bekannt, um das im Brennstoffzellenabgas enthaltene Wasser zurückzugewinnen und einer erneuten Nutzung im Brennstoffzellensystem zuzuführen. Bei den im Brennstoffzellenabgas enthaltenen Wassertropfen handelt es sich üblicherweise um sehr feine Tröpfchen, die einzeln für das menschliche Auge nicht erkennbar sind.

Aus der DE 101 35 535 A1 ist ein effektiver Tropfenabscheider bekannt, der einen zweistufigen Abscheideprozess mittels eines Agglomerators und eines Zyklons vorschlägt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tropfenabscheider aufzuzeigen, der bei kompakter und gewichtsparender Bauweise gleichzeitig das Strömungsverhalten des Gases innerhalb des Tropfenabscheiders verbessert.

Bei einem erfindungsgemäßen Tropfenabscheider zur Abscheidung von flüssigen Bestandteilen aus einem Abgas einer Brennstoffzelleneinheit, mit einem Gehäuse und mit folgenden Elementen: eine Gaszuführungseinrichtung, ein Agglomerator, ein Zyklon und eine Reingasabführung, wobei die Elemente in der genannten Reihenfolge von dem Abgas durchströmt werden, sind der Agglomerator in einem oberen Gehäuseteil des Gehäuses und der Zyklon in einem unteren Gehäuseteil des Gehäuses angeordnet, und die Reingasabführung weist ein den Agglomerator durchsetzendes, vom Zyklon wegführendes Zentralrohr auf. Diese Anordnung ermöglicht eine kompakte Bauweise, bei der sowohl der Agglomerator als auch der Zyklon weitestgehend unabhängig voneinander dimensioniert werden können. Da das Zentralrohr den Agglomerator durchdringt, wird zudem Bauraum gespart. Der Tropfenabscheider weist keine Bauteile auf, die einem Verschleiß ausgesetzt wären, so dass sich eine hohe Zuverlässigkeit des Tropfenabscheiders bei geringen Betriebskosten erreichen lässt. Die räumliche Nähe von Agglomerator und Zyklon hat dabei den weiteren Vorteil, dass das Gas lediglich entlang einer kurzen Verbindungsstrecke geführt wird.

Es ergibt sich dabei folgende Funktionsweise: Das Gas, aus dem flüssige Bestandteile abgeschieden werden sollen (Rohgas), wird über die Gaszuführungseinrichtung in den Tropfenabscheider eingeleitet. Die Gaszuführungseinrichtung weist dabei beispielsweise ein Rohrelement oder einen Rohrstutzen auf oder stellt einen Teil des Agglomerators dar. Von der Gaszuführungseinrichtung gelangt das Rohgas in den Agglomerator, der vorzugsweise auf die drei- bis fünffache Flutgeschwindigkeit ausgelegt ist. Im Agglomerator, der vorzugsweise als Drahtfilter ausgeführt ist, bilden sich aus den sehr feinen, im Rohgas enthaltenen Tropfen Flüssigkeitsfilme, die die sehr feinen Tropfen zu größeren Tropfen zusammenführen. Beispielsweise können Tropfen mit einem Durchmesser von 1 μm bis 10 μm zu Tropfen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 80 μm kombiniert werden. Die vergrößerten Tropfen werden mit dem durchströmenden Gas in den Zyklon eingeleitet, wo das Gas einschließlich der enthaltenen Tropfen in eine Wirbelströmung versetzt wird. Aufgrund ihrer größeren Trägheit werden die Tropfen aufgrund der Zentrifugalkraft gegen die Innenwand des Zyklons geschleudert und so vom Gas getrennt. Das Reingas, also das Gas, aus dem die flüssigen Bestandteile abgeschieden wurden, verlässt den Tropfenabscheider durch das Zentralrohr.

Vorteilhafterweise ist zumindest ein Teil des Agglomerators als Ring um das Zentralrohr angeordnet. Damit lässt sich die Effizienz des Agglomerators im Hinblick auf das eingesetzte Agglomeratorvolumen verbessern.

Mit Vorteil bildet ein Abschnitt der Wandung des Zentralrohrs eine Wandung des Agglomerators. Einerseits lassen sich somit Kosten bei der Herstellung des Tropfenabscheiders sparen, andererseits wird es dadurch möglich, einen vorhandenen Bauraum bestmöglich zu nutzen.

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn der Agglomerator einen ersten Kondensatablauf und der Zyklon einen zweiten Kondensatablauf aufweist, wobei der erste Kondensatablauf in den zweiten Kondensatablauf übergeht und der zweite Kondensatablauf in einer Kondensatabführungsvorrichtung mündet. Damit lassen sich Platz und Kosten bei der Ausführung des ersten Kondensatablaufs sparen, und eine separat ausgeführte Kondensatabführungsvorrichtung für das Kondensat des Agglomerators ist nicht erforderlich. Unter Kondensat sind dabei die Tropfen beziehungsweise die Flüssigkeiten zu verstehen, die dem Rohgas entzogen wurden.

Bevorzugt ist der zweite Kondensatablauf von der Innenwand des Zyklons gebildet. Somit lässt sich die bereits vorhandene Innenwand des Zyklons als Kondensatablauf nutzen und dadurch eine Kostenersparnis erzielen.

Vorteilhafterweise liegt zwischen Agglomerator und Zyklon mindestens eine Gasleitschaufel, die im Zyklon eine Wirbelströmung erzeugt. Da das Gas somit bereits in Wirbelströmungsrichtung in den Zyklon einströmt, können zusätzliche konstruktive Maßnahmen und/oder ein zusätzlicher Energieaufwand zur Erzeugung der Wirbelströmung entfallen.

Bei einer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung fällt die Längsmittelachse der Wirbelströmung mit der Längsmittelachse des Zentralrohrs zusammen. Dadurch strömt das Gas in besonders günstiger Weise vom Zykloninnenraum in das Zentralrohr.

Mit Vorteil weist die Kondensatabführungsvorrichtung einen Abixkegel auf, dessen Kegelachse mit der Längsmittelachse des Zyklons zusammenfällt. Der Abixkegel stellt an der dem Zentralrohr abgewandten Seite des Zyklons einen Abschluss dar, der einen Staudruck aufbaut und die Wirbelströmung im Zykloninnenraum stabilisiert, gleichzeitig aber auch den Abfluss von Kondensat ermöglicht.

Vorteilhafterweise wird das in den Zyklon einströmende Gas gegenüber dem Gas in der in den Agglomerator führenden Gaszuführungseinrichtung um 90 Grad umgelenkt. Dabei handelt es sich um eine besonders günstige Strömungsführung, die einen geringen Druckverlust des den Tropfenabscheider durchströmenden Gases aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ragt das Zentralrohr mit mindestens einem entlang der Längserstreckung des Zentralrohrs ausgebildeten Gasleitblech in einen Zykloninnenraum des Zyklons hinein. Dadurch wird eine Stabilisierung der Wirbelströmung im Zykloninnenraum erzielt.

Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die Figur ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tropfenabscheiders.
Die Figur zeigt einen Tropfenabscheider 1 in einem Längsschnitt entlang der Längsmittelachse 2 des Tropfenabscheiders 1. Der Tropfenabscheider 1 weist dabei folgende Elemente auf: Eine Gaszuführungseinrichtung 3, einen Agglomerator 4, einen Zyklon 5 und eine Reingasabführung 6. Die Gaszuführungseinrichtung 3 ist als Rohrstutzen 7 ausgeführt, wobei der Rohrstutzen 7 in seinem Rohrstutzeninnenraum 8 einen ersten Drahtfilter 9 aufweist. Der Rohrstutzen 7 ist rotationssymmetrisch um seine Mittelachse 10. Der Agglomerator 4 befindet sich in einem oberen Gehäuseteil 11 des Gehäuses 12, wobei sein Agglomeratorinnenraum 13 von einem zweiten Drahtfilter 14 ausgefüllt wird. Der obere Gehäuseteil 11 und der Agglomerator 4 weisen einen im Wesentlichen um die Längsmittelachse 2 rotationssymmetrischen Querschnitt auf. Im unteren Bereich des Agglomerators 4 befinden sich Gasleitschaufeln 15, die das Gas aus dem Agglomeratorinnenraum 13 in den Zykloninnenraum 16 leiten. Die Gasleitschaufeln 15 sind schräg gestellt, damit das in den Zykloninnenraum 16 eintretende Gas eine Drallbewegung erhält, deren Zentrum die Längsmittelachse 2 ist. Der Zyklon 5 ist im unteren Gehäuseteil 17 des Gehäuses 12 angeordnet und ist rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse 2 ausgeführt. Bei dem Zyklon 5 handelt es sich um ein hohlkegelstumpfförmiges Element mit einem sehr spitzen Kegelwinkel α. An seinem unteren, dem Agglomerator 4 abgewandten Ende mündet der Zyklon 5 in eine Kondensatabführungsvorrichtung 18, der das dem Gas entzogene Kondensat zugeleitet wird. An der unteren Seite des Zyklons 5, unterhalb der Kondensatabführungsvorrichtung 18, ist ein Abixkegel 19 angeordnet, der die Wirbelströmung 20 innerhalb des Zyklons 5 stabilisiert.
Der Agglomerator 4 wird von der Reingasabführung 6 durchsetzt, die als Zentralrohr 21 ausgeführt ist. Das Zentralrohr 21 ist rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse 2. Dabei bildet ein Abschnitt der Wandung 22 des Zentralrohrs 21 eine innere Wandung 23 des Agglomerators 4. Das Zentralrohr 21 weist Gasleitbleche 24 auf, die in den Zykloninnenraum 16 ragen und die von den Gasleitschaufeln 15 erzeugte Wirbelströmung des Gases stabilisieren. In seinem unteren, dem Zyklon 5 zugewandten Bereich des Zentralrohrs 21 ist eine Verbreiterung 25 vorgesehen, die den Agglomerator 4 in seinem unteren Bereich verschmälert. Dadurch erhöht sich der Druck des zu den Gasleitschaufeln 15 strömenden Gases, wodurch das Gas mit einer erhöhten Geschwindigkeit in den Zykloninnenraum 16 eintritt und daher eine verstärkte Wirbelströmung 20 bewirkt. Des weiteren weist das Zentralrohr 21 einen Vorsprung 26 auf, der das Zentralrohr 21 in einer definierten Position zum Agglomerator 4 hält.
Beim Betrieb des Tropfenabscheiders 1 strömt Rohgas 27 durch die Gaszuführungseinrichtung 3 in den Agglomeratorinnenraum 13. Hier bilden sich an einzelnen Drähten des Agglomerators 4 Flüssigkeitsfilme, die die feinen im Rohgas 27 enthaltenen Tropfen zu größeren Tropfen agglomerieren. Die agglomerierten Tropfen werden aufgrund der Gasströmung innerhalb des Agglomerators 4 oder an seinen Innenwänden über die Gasleitschaufeln 15 zum ersten Kondensatablauf 28 bewegt. Von hier treffen die Tropfen auf den von der Zykloninnenwand 29 gebildeten zweiten Kondensatablauf 30. Das Gas tritt aus dem Agglomerator 4 über die Gasleitschaufeln 15 mit einer starken Drallbewegung in den Zykloninnenraum 16 ein und bewirkt dort eine Wirbelströmung 20. Aufgrund der entstehenden Zentrifugalkraft werden im Gas enthaltene Wassertropfen an die Zykloninnenwand 29 geschleudert und vermischen sich dort mit dem Kondensat aus dem ersten Kondensatablauf 28. Aufgrund des starken Gefälles der Zykloninnenwand 29 fließt das Kondensat schnell ab und verlässt den Zyklon über die Kondensatabführungsvorrichtung 18. Das verbleibende Gas verlässt den Tropfenabscheider 1 als Reingas 31 durch das Zentralrohr 21.

1: Tropfenabscheider
2: Längsmittelachse
3: Gaszuführungseinrichtung
4: Agglomerator
5: Zyklon
6: Reingasabführung
7: Rohrstutzen
8: Rohrstutzeninnenraum
9: Drahtfilter
10: Mittelachse
11: oberer Gehäuseteil
12: Gehäuse
13: Agglomeratorinnenraum
14: Drahtfilter
15: Gasleitschaufel
16: Zykloninnenraum
17: unterer Gehäuseteil
18: Kondensatabführungsvorrichtung
19: Abixkegel
20: Wirbelströmung
21: Zentralrohr
22: Wandung
23: Wandung
24: Leitbleche
25: Verbreiterung
26: Vorsprung
27: Rohgas
28: erster Kondensatablauf
29: Zykloninnenwand
30: zweiter Kondensatablauf
31: Reingas

Claims

Tropfenabscheider (1) zur Abscheidung von flüssigen Bestandteilen aus einem Abgas einer Brennstoffzelleneinheit, mit einem Gehäuse (12) und mit folgenden Elementen: eine Gaszuführungseinrichtung (3), ein Agglomerator (4), ein Zyklon (5) und eine Reingasabführung (6), wobei die Elemente in der genannten Reihenfolge von dem Abgas durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (4) in einem oberen Gehäuseteil (11) des Gehäuses (12) und der Zyklon (5) in einem unteren Gehäuseteil (17) des Gehäuses (12) angeordnet sind und dass die Reingasabführung (6) ein den Agglomerator (4) durchsetzendes, vom Zyklon (5) wegführendes Zentralrohr (21) aufweist.
Tropfenabscheider (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Agglomerators (4) als Ring um das Zentralrohr (21) angeordnet ist.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Wandung (22) des Zentralrohrs (21) eine Wandung (23) des Agglomerators (4) bildet.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (4) einen ersten Kondensatablauf (28) und der Zyklon (5) einen zweiten Kondensatablauf (30) aufweist, wobei der erste Kondensatablauf (28) in den zweiten Kondensatablauf (30) übergeht und der zweite Kondensatablauf (30) in einer Kondensatabführungsvorrichtung (18) mündet.
Tropfenabscheider (1) Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensatablauf (30) von der Innenwand (29) des Zyklons (5) gebildet ist.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Agglomerator (4) und Zyklon (5) mindestens eine Gasleitschaufel (15) liegt, die im Zyklon (5) eine Wirbelströmung (20) erzeugt.
Tropfenabscheider (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachse der Wirbelströmung (20) mit der Längsmittelachse (2) des Zentralrohrs (21) zusammenfällt.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatabführungsvorrichtung (18) einen Abixkegel (19) aufweist, dessen Kegelachse mit der Längsmittelachse des Zyklons (5) zusammenfällt.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Zyklon (5) einströmende Abgas gegenüber dem Abgas in der in den Agglomerator (4) führenden Gaszuführungseinrichtung (3) um 90 Grad umgelenkt wird.
Tropfenabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralrohr (21) mit mindestens einem entlang der Längserstreckung des Zentralrohrs (21) ausgebildeten Gasleitblech (24) in einen Zykloninnenraum (16) des Zyklons (5) hineinragt.