DE10351913A1

DE10351913A1 - Flüssigkeitsfilmabscheider

Info

Publication number: DE10351913A1
Application number: DE2003151913
Authority: DE
Inventors: Heino Flüß
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Flüssigkeitsfilmabscheider (1) zur Abscheidung eines an der inneren Wandung (22) einer von Abgas einer Brennstoffzelleneinheit durchströmten Abgasführungseinrichtung (2) angelagerten Flüssigkeitsfilms (21), wobei die Abgasführungseinrichtung (2) ein erstes und ein zweites Abgasführungselement (3, 4) aufweist, die in der Richtung vom ersten Abgasführungselement (3) zum zweiten Abgasführungselement (4) mit dem Abgas (20) durchströmt werden, wobei eine Abgasaustrittsseite (23) des ersten Abgasführungselements (3) und eine Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements (4) voneinander beabstandet und über ein Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) miteinander verbunden sind, dessen Querschnitt mindestens an der Abgaseintrittsstelle des zweiten Abgasführungselements (4) zur Ausbildung einer Flüssigkeitsfilmbarriere (27) größer als der Querschnitt des zweiten Abgasführungselements (4) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsfilmabscheider zur Abscheidung eines an der inneren Wandung einer von Abgas einer Brennstoffzelleneinheit durchströmten Abgasführungseinrichtung angelagerten Flüssigkeitsfilms.

Vorrichtungen zur Abscheidung von in einer Zwei-Phasen-Strömung mitgeführten Flüssigkeitsanteilen sind bekannt. Dazu zählen zum Beispiel Tropfenabscheider oder Lamellenabscheider. Insbesondere bei der Verwendung einer Brennstoffzelleneinheit wird mittels der genannten Abscheider das Wasser aus dem wasserdampfhaltigen Abgas der Brennstoffzelle zurückgewonnen, um einen möglichst wasserautarken Betrieb des Gesamtbrennstoffzellensystems zu erzielen. Nachteilig ist bei Abscheidern gemäß dem Stand der Technik, dass sie ein erhebliches Bauvolumen und/oder ein erhebliches Gewicht aufweisen oder aufwändig in der Herstellung sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abscheider aufzuzeigen, der bei geringem Bauvolumen und geringem Gewicht sowie einer kostengünstigen Bauweise, eine gute Abscheideleistung zur Verfügung stellt. Des Weiteren sollen durch das Fehlen von Verschleißteilen und durch ein passives Wirkprinzip die Betriebskosten gering gehalten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Flüssigkeitsfilmabscheider gelöst, bei dem die Abgasführungseinrichtung ein erstes und ein zweites Abgasführungselement aufweist, die in der Richtung vom ersten Abgasführungselement zum zweiten Abgasführungselement mit dem Abgas durchströmt werden, wobei eine Abgasaustrittsseite des ersten Abgasführungselements und eine Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements voneinander beabstandet und über ein Flüssigkeitsfilmauffangelement miteinander verbunden sind, dessen Querschnitt mindestens an der Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements zur Ausbildung einer Flüssigkeitsfilmbarriere größer als der Querschnitt des zweiten Abgasführungselements ist. Dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfilmabscheider liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein Flüssigkeitsfilm an der inneren Wandung einer Abgasführungseinrichtung bildet, wenn diese von einer Zwei-Phasen-Strömung, also einer Strömung mit gasförmigen und flüssigen Bestandteilen, durchströmt wird. Für den Fall des Abgases einer Brennstoffzelleneinheit bedeutet dies, dass sich aus dem wasserdampfhaltigen Abgas ein Wasserfilm an der inneren Wandung bildet. Durch die Gasströmung innerhalb der Abgasführungseinrichtung bewegt sich der Flüssigkeitsfilm in Richtung der Gasströmung. Gemäß dem Stand der Technik verlässt der Flüssigkeitsfilm das Brennstoffzellensystem mit dem Abgas oder wird mit dem Abgas einem bekannten Abscheider zur Wasserrückgewinnung zugeführt. Wird der Flüssigkeitsfilm nun einem Agglomerator und/oder einem Zyklon gemäß dem Stand der Technik zugeleitet, so tritt dabei der unerwünschte Effekt ein, dass der zusammenhängende Flüssigkeitsfilm in einzelne Teile zerrissen oder sogar zerstäubt wird. In einem genannten Abscheider müssen die getrennten Bestandteile dann wieder zusammengeführt werden, was die Gesamtabscheideleistung des Abscheiders reduziert.

Dementgegen sieht die Erfindung vor, dass die Abgasführungseinrichtung ein erstes und ein zweites Abgasführungselement aufweist, die über ein Flüssigkeitsfilmauffangelement miteinander verbunden sind. Dabei ist der Querschnitt des Flüssigkeitsfilmauffangelements mindestens an der Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements größer als der Querschnitt des zweiten Abgasführungselements. Bei einer derartigen Anordnung ergibt sich folgende prinzipielle Funktionsweise:
Der Flüssigkeitsfilm an der inneren Wandung des ersten Abgasführungselements wird von der Gasströmung in Richtung der Abgasaustrittsseite des ersten Abgasführungselements bewegt. An der genannten Abgasaustrittsseite tritt der Flüssigkeitsfilm in das Flüssigkeitsfilmauffangelement ein und bewegt sich im Wesentlichen auf die Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements zu. Die Querschnittvergrößerung des Flüssigkeitsfilmauffangelements im Bereich der Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements bildet eine Flüssigkeitsfilmbarriere aus, die verhindert, dass der Flüssigkeitsfilm aus dem Flüssigkeitsfilmauffangelement in das zweite Abgasführungselement eintritt. Dies wird dadurch erreicht, indem der Übergang derart gestaltet ist, dass das Abgas nicht mehr parallel zum gedachten Weg des Flüssigkeitsfilms strömt und daher auch nicht mehr den Flüssigkeitsfilm in das zweite Abgasführungselement bewegen kann. Somit wird der Flüssigkeitsfilm im Flüssigkeitsauffangelement nach dem Verlassen des ersten Abgasführungselements und vor dem Eintritt in das zweite Abgasführungselement abgeschieden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen das erste und das zweite Abgasführungselement einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt auf. Dadurch wird eine günstige Abgasströmung im Flüssigkeitsfilmabscheider erreicht.

Vorzugsweise fluchten das erste und das zweite Abgasführungselement in der Richtung ihrer Längserstreckung. Dabei handelt es sich um eine Anordnung von erstem und zweitem Abgasführungselement, bei der die Druckverluste im Flüssigkeitsfilmabscheider minimiert werden.

Es ist von Vorteil, wenn das erste Abgasführungselement in das Flüssigkeitsfilmauffangelement hineinragt und eine tropfenbildende Flüssigkeitsfilmabrisskante bildet. Durch die Flüssigkeitsfilmabrisskante wird der Flüssigkeitsfilm bereits beim Eintritt in das Flüssigkeitsfilmauffangelement von der inneren Wandung separiert und muss anschließend lediglich aufgefangen werden.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Abgasführungselement in das Flüssigkeitsfilmauffangelement zur verstärkten Wirkung der Flüssigkeitsfilmbarriere hineinragt. Die Wirkung der Flüssigkeitsfilmbarriere ist verstärkt, weil das Abgas im Bereich der Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements nunmehr entgegen der Richtung strömt, in die sich der Flüssigkeitsfilm bewegen müsste, um in das zweite Abgasführungselement zu gelangen.

Vorteilhafterweise sind das erste und das zweite Abgasführungselement Rohrelemente mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt. Dadurch lässt sich eine vorteilhafte Strömung des Abgases in der Abgasführungseinrichtung erreichen.

Mit Vorteil ist das Flüssigkeitsfilmauffangelement ein Hohlzylinder. Damit ist eine einfache und kostengünstige Herstellungsmöglichkeit für das Flüssigkeitsfilmauffangelement aufgezeigt.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ergibt sich, wenn das Flüssigkeitsfilmauffangelement eine Flüssigkeitsabführvorrichtung zur Abführung des aufgefangenen Flüssigkeitsfilms aufweist. Dadurch kann der Flüssigkeitsfilm aus dem Flüssigkeitsfilmauffangelement abgeführt und beispielsweise einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Wenn die Flüssigkeitsabführvorrichtung ein Ventil aufweist, ist es zudem möglich, die Menge und den Zeitpunkt der Abführung des aufgefangenen Flüssigkeitsfilms zu steuern oder zu regeln.

Bevorzugt weist das zweite Abgasführungselement einen Agglomerator auf. Dadurch wird die Gesamtabscheideleistung des Abscheiders erhöht. Bei einem Brennstoffzellensystem bewirkt dies eine Steigerung des Wasserrückgewinnungsgrads.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Agglomerator innerhalb des zweiten Abgasführungselements an seiner einen Abgasdurchtrittsseite von mindestens einer festen Haltevorrichtung und an seiner anderen Abgasdurchtrittsseite von mindestens einer gegen eine Rückstellkraft versenkbaren Arretiervorrichtung in einer definierten Position entlang der Längserstreckung des zweiten Abgasführungselements fixiert. Dies ermöglicht es, dass der Agglomerator leicht ausgetauscht werden kann, zum Beispiel bei einem Defekt oder bei Ablauf eines definierten Wartungszyklus, und dass der Agglomerator dennoch sicher in einer definierten Position gehalten wird. Der Austausch des Agglomerators findet dabei gemäß folgendem Ablauf statt: Zunächst befindet sich der Agglomerator innerhalb des zweiten Abgasführungselements und wird wie beschrieben von mindestens einer festen Haltevorrichtung und mindestens einer versenkbaren Arretiervorrichtung gehalten. Um den Agglomerator aus dem zweiten Abgasführungselement zu entfernen, wird er mit einer Kraft beaufschlagt -üblicherweise durch einen manuellen Eingriff-, die den Agglomerator entlang der Längserstreckung des Abgasführungselements von der Haltevorrichtung wegbewegt. Dabei wird die Arretiervorrichtung entweder durch die Bewegung des Agglomerators oder durch eine zusätzliche Betätigung versenkt und gibt so den Weg des Agglomerators frei. Auf diese Weise wird der Agglomerator dem zweiten Abgasführungselement entnommen. Das Einschieben des Agglomerators findet in der umgehrten Reihenfolge statt. Beim Einschieben wird die Arretiervorrichtung erneut versenkt, und der Agglomerator bewegt sich innerhalb des zweiten Abgasführungselements bis er nach seinem Anstoßen mit seiner einen Abgasdurchtrittsseite an die feste Haltevorrichtung seine definierte Position eingenommen hat. Zu diesem Zeitpunkt ist nun auch die Arretiervorrichtung überwunden, so dass sie gegen eine Rückstellkraft, zum Beispiel mittels eines Federelements, wieder aus der Versenkung hervortritt und damit den Agglomerator an seiner anderen Abgasdurchtrittsseite fixiert.

Vorteilhafterweise ist der Flüssigkeitsfilmabscheider als Vorabscheider einer Abscheidevorrichtung zugeordnet. Da der erfindungsgemäße Flüssigkeitsfilmabscheider bereits eine gute Abscheideleistung erzielt, kann eine nachgeschaltete Abscheidevorrichtung eine höhere Gesamtabscheideleistung erzielen oder aber konstruktiv kostengünstiger ausgebildet werden.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht werden. Dabei zeigt die Figur einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfilmabscheider.

Die Figur zeigt einen Flüssigkeitsfilmabscheider 1 aufweisend eine Abgasführungseinrichtung 2, deren erstes Abgasführungselement 3 und zweites Abgasführungselement 4 über ein Flüssigkeitsfilmauffangelement 5 miteinander verbunden sind. Das erste und das zweite Abgasführungselement 3, 4 sind als Rohrelemente ausgeführt und weisen einen gleichen kreisförmigen Querschnitt auf. Zudem fluchten das erste und das zweite Abgasführungselement 3, 4 in der Richtung ihrer jeweiligen Längserstreckung, so dass die Mittelachsen 6, 7 der jeweiligen Abgasführungselemente 3, 4 zusammenfallen.
Das Flüssigkeitsfilmauffangelement 5 weist einen Hohlzylinder 8 auf, dessen erste Stirnfläche 9 vom ersten Abgasführungselement 3 und dessen zweite Stirnfläche 10 vom zweiten Abgasführungselement 4 durchdrungen werden. Des Weiteren weist das Flüssigkeitsfilmauffangelement an seiner Unterseite eine Flüssigkeitsabführvorrichtung 11 auf, die als Rohrelement ausgeführt ist und die Abführung des aufgefangenen Flüssigkeitsfilms ermöglicht. Im unteren Bereich des Flüssigkeitsfilmauffangelements 5 ist symbolisch ein Flüssigkeitspegel 12 eingezeichnet, der verdeutlicht, dass Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilmauffangelement 5 zwischengespeichert werden kann, bevor die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsabführvorrichtung 11 abgeführt wird. Das erste und das zweite Abgasführungselement 3, 4 sind entlang ihrer Längserstreckung voneinander beabstandet. Durch die Beabstandung der Abgasführungselemente 3, 4 wird ein als Flüssigkeitsfilmbarriere 27 wirkender Bereich erzeugt, der ein Übertreten des Flüssigkeitsfilms 21 von dem ersten Abgasführungselement 3 in das zweite Abgasführungselement 4 verhindert. Das Flüssigkeitsfilmauffangelement 5 weist einen größeren Querschnitt auf als das erste und das zweite Abgasführungselement 3, 4.
Das zweite Abgasführungselement 4 weist einen zylinderförmigen Agglomerator 13 auf, der mit seinem Querschnitt den inneren Querschnitt des zweiten Abgasführungselements 4 ausfüllt. An seiner der Abgasströmungsrichtung zugewandten Abgasdurchtrittsseite 14 wird der Agglomerator 13 von einer festen, unnachgiebigen Haltevorrichtung 15 fixiert, die hier zwei Halteelemente 16 aufweist. Bei einer Bewegung des Agglomerators 13 in Richtung der Längserstreckung des zweiten Abgasführungselements 4 kann der Agglomerator 13 die Halteelemente 16 nicht überwinden. An der der Abgasströmungsrichtung abgewandten Abgasdurchtrittsseite 17 des Agglomerators 13 wird der Agglomerator von einer gegen eine Rückstellkraft versenkbaren Arretiervorrichtung 18 gehalten, die hier zwei Arretierelemente 19 umfasst. Die Arretierelemente 19 lassen sich gegen eine von einem Federelement erzeugte Rückstellkraft versenken, um so ein Herausziehen des Agglomerators 13 aus dem zweiten Abgasführungselement 4 in Richtung der Abgasströmungsrichtung zu ermöglichen. Aufgrund ihrer zylindrischen oder halbkugelähnlichen Form werden die Arretierelemente 19 beim Herausziehen des Agglomerators 13 durch dessen Krafteinwirkung auf die Arretierelemente 19 versenkt. Wird der Agglomerator 13 in das zweite Abgasführungselement 4 eingeschoben, so fahren die Arretierelemente 19 automatisch aufgrund der Rückstellkraft des Federelements in ihre Arretierposition aus, sobald der Agglomerator 13 seine definierte Position eingenommen hat.
Für den gezeigten Flüssigkeitsfilmabscheider 1 ergibt sich die folgende Funktionsweise: Das Abgas 20 einer Brennstoffzelleneinheit, das sogenannte Rohgas, tritt in das erste Abgasführungselement 3 ein. Beim Durchströmen des ersten Abgasführungselements 3 bildet sich aus den feinen, im Abgas 20 enthaltenen Flüssigkeitspartikeln ein Flüssigkeitsfilm 21 an der inneren Wandung 22 des ersten Abgasführungselements 3. Der Flüssigkeitsfilm 21 wird dabei von der Strömung des Abgases 20 in Richtung der Abgasaustrittsseite 23 des ersten Abgasführungselements 3 beweget. Dort trifft der Flüssigkeitsfilm auf die Flüssigkeitsfilmabrisskante 24, die durch das Hineinragen des ersten Abgasführungselements 3 in das Flüssigkeitsfilmauffangelement 5 gebildet wird. An der Flüssigkeitsfilmabrisskante 24 bilden sich Tropfen, die das erste Abgasführungselement 3 entlang einer mittels der Pfeile 25 symbolisch dargestellten Bahn verlassen. Dabei ist festzuhalten, dass diese Bahn nicht in die Öffnung des zweiten Abgasführungselements 4 führt. Der Schwerkraft folgend bewegen sich die abgeschiedenen Tropfen in den unteren Bereich des Flüssigkeitsfilmauffangelements 5. Das verbleibende Abgas 20 tritt in das zweite Abgasführungselement 4 ein und durchläuft den Agglomerator 13, in dem die kleinen und kleinsten Flüssigkeitsbestandteile im Abgas 20 zu größeren Tröpfchen zusammengeführt werden. Anschließend verlässt das Abgas 20 mit den agglomerierten Tröpfchen das zweite Abgasführungselement 4. Von hier aus kann das Abgas einem weiteren Abscheider (zum Beispiel einem Zyklon oder Demister) zugeführt werden. Die zurückgewonnene Flüssigkeit 26 kann nun einer weiteren Verwendung zugeführt werden.

1: Flüssigkeitsfilmabscheider
2: Abgasführungseinrichtung
3: Abgasführungselement
4: Abgasführungselement
5: Flüssigkeitsfilmauffangelement
6: Mittelachse
7: Mittelachse
8: Hohlzylinder
9: Stirnfläche
10: Stirnfläche
11: Flüssigkeitsabführvorrichtung
12: Flüssigkeitspegel
13: Agglomerator
14: Abgasdurchtrittsseite
15: Haltevorrichtung
16: Halteelemente
17: Abgasdurchtrittsseite
18: Arretiervorrichtung
19: Arretierelemente
20: Abgas
21: Flüssigkeitsfilm
22: Wandung
23: Abgasaustrittsseite
24: Flüssigkeitsfilmabrisskante
25: Pfeile
26: Flüssigkeit
27: Flüssigkeitsfilmbarriere

Claims

Flüssigkeitsfilmabscheider (1) zur Abscheidung eines an der inneren Wandung (22) einer von Abgas einer Brennstoffzelleneinheit durchströmten Abgasführungseinrichtung (2) angelagerten Flüssigkeitsfilms (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasführungseinrichtung (2) ein erstes und ein zweites Abgasführungselement (3, 4) aufweist, die in der Richtung vom ersten Abgasführungselement (3) zum zweiten Abgasführungselement (4) mit dem Abgas (20) durchströmt werden, wobei eine Abgasaustrittsseite (23) des ersten Abgasführungselements (3) und eine Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements (4) voneinander beabstandet und über ein Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) miteinander verbunden sind, dessen Querschnitt mindestens an der Abgaseintrittsseite des zweiten Abgasführungselements (4) zur Ausbildung einer Flüssigkeitsfilmbarriere (27) größer als der Querschnitt des zweiten Abgasführungselements (4) ist.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abgasführungselement (3, 4) einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisen.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abgasführungselement (3), (4) in der Richtung ihrer Längserstreckung fluchten.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasführungselement (3) in das Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) hineinragt und eine tropfenbildende Flüssigkeitsfilmabrisskante (24) bildet.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abgasführungselement (4) in das Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) zur verstärkten Wirkung der Flüssigkeitsfilmbarriere (27) hineinragt.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abgasführungselement (3, 4) Rohrelemente mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt sind.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) ein Hohlzylinder (8) ist.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsfilmauffangelement (5) eine Flüssigkeitsabführvorrichtung (11) zur Abführung des aufgefangenen Flüssigkeitsfilms (21) aufweist.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abgasführungselement (4) einen Agglomerator (13) aufweist.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (13) innerhalb des zweiten Abgasführungselements (4) an seiner einen Abgasdurchtrittsseite (14, 17) von mindestens einer festen Haltevorrichtung (15) und an seiner anderen Abgasdurchtrittsseite (14, 17) von mindestens einer gegen eine Rückstellkraft versenkbaren Arretiervorrichtung (18) in einer definierten Position entlang der Längserstreckung des zweiten Abgasführungselements (4) fixiert wird.
Flüssigkeitsfilmabscheider (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsfilmabscheider (1) als Vorabscheider einer Abscheidevorrichtung zugeordnet ist.