WO2007134783A1 - Flüssigkeitsabscheider, insbesondere für brennstoffzellen - Google Patents

Flüssigkeitsabscheider, insbesondere für brennstoffzellen Download PDF

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WO2007134783A1
WO2007134783A1 PCT/EP2007/004385 EP2007004385W WO2007134783A1 WO 2007134783 A1 WO2007134783 A1 WO 2007134783A1 EP 2007004385 W EP2007004385 W EP 2007004385W WO 2007134783 A1 WO2007134783 A1 WO 2007134783A1
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gas
swirl body
flow
liquid separator
liquid
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PCT/EP2007/004385
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Inventor
Thomas Baur
Isabel Haas
Andreas Knoop
Dietmar Mirsch
Original Assignee
Daimler Ag
Ford Global Technologies, Llc
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/14—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by rotating vanes, discs, drums or brushes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/16—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by the winding course of the gas stream, the centrifugal forces being generated solely or partly by mechanical means, e.g. fixed swirl vanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/006—Construction of elements by which the vortex flow is generated or degenerated

Definitions

  • Liquid separator in particular for fuel cells
  • the invention relates to a liquid separator for separating a liquid from a gas, in particular from the exhaust gas of a fuel cell, and a method for separating the liquid with such a liquid separator.
  • the present invention is generally applicable wherever liquids have to be separated from a gas stream, it is particularly suitable for separating liquids from gases in a fuel cell system, for example a motor vehicle, in particular one or more exhaust streams, such as for example from the anode and / or the cathode of the fuel cell.
  • Fuel cells need humidified gases to reach their optimum performance. At certain points in the fuel cell system, this may cause water to undesirably condense out of the gas. These condensates must be specifically separated from the gas, in particular the exhaust gas.
  • the separators used must achieve a high degree of separation over a wide load range with varying boundary conditions.
  • relatively strong deflections of the gas are required, as well as large flow areas, at which the entrained by the gas flow condensate, at this flows along, can separate.
  • strong deflections and large flow surfaces lead to a high pressure drop of the gas in the separator and a relatively large space required for the separator.
  • the pressure losses due to the usually provided small flow channels or the strong deflections and large flow area can lead to undesirably high pressure losses in operating conditions with a high mass flow.
  • Known separators have either a fixed swirl body or a rotatable swirler, which imparts a swirl flow to the gas, so that the liquid parts are transported by the centrifugal force acting on them separated from the rest of the gas.
  • varying the flow path behind the swirl body for example by means of adjustable vanes or by sliding pipes, although the degree of separation of the separator can be varied in part, but the flow path of the gas remains unchanged by the swirl body itself due to the rigid geometry of the swirl body, which in a particularly high throughput of gas through the swirler may lead to undesirable pressure losses.
  • the invention is based on the object, a liquid separator and a method for separating liquid in particular for a fuel cell system indicate which are improved over the known embodiments, and which in particular also at varying boundary conditions of the gas, which carries the liquid to be separated, such as the flow velocity of the gas, the mass flow of the gas through the separator or the swirl body of the separator and / or the pressure of the gas will always result in the desired deposition rates while avoiding an undesirably high pressure drop.
  • the swirl body of the liquid separator according to the invention has no fixed geometry, but a flexible or variable
  • the swirl body is at least partially or completely formed of an elastic material, so that the swirl body can adapt to the respective flow situation.
  • the elasticity is made such that the geometry of the swirl body changes depending on the inflow force exerted thereon by the gas flowing through the swirler.
  • the swirl body is little deform and thus deflect the flow usually strong.
  • the deformation of the swirl body will turn out larger and thus associated with the impressing of the swirl flow to the gas through the swirler
  • the geometry of the swirl body during operation is selectively changed by applying a corresponding force from outside the gas dynamically.
  • an adjusting device may be connected to the swirl body, which changes the geometry of the swirl body, in particular by upsetting, stretching, twisting and / or bending it. This targeted change in the geometry of the swirl body during operation of the liquid separator changes the deflection of the gas, which experiences this by flow through the swirl body.
  • the swirler can exert a stronger deflection to the gas at slow flow through the gas due to the set geometry, and at higher flow velocities compared to a less pronounced deflection.
  • the pressure loss at high flow velocities or at a large throughput of gas through the swirl body in comparison to known embodiments despite an unchanged high degree of separation at low flow velocities or low throughput can be reduced.
  • a change in the geometry of the swirl body in the sense of the present invention can also be carried out by that the swirl body is composed of a plurality of sub-bodies, of which individual sub-body can be added or removed depending on the flow conditions of the gas during operation.
  • the swirl body may be composed of a plurality of sections arranged one behind the other in the flow direction of the gas. In the context of the present invention, not only does it mean that the individual partial bodies or sections are joined directly to one another, but they can also be arranged at a distance from one another.
  • the swirl body has a substantially cylindrical circumference or an exactly cylindrical circumference.
  • the swirl body is rotationally symmetrical.
  • the swirler may be rotatable, for example, on a rotatable shaft or circumferentially but on a fixed axis, arranged.
  • the swirl body may be rotated, either by virtue of driving forces exerted on the swirl body by the gas flow, and / or forced propulsion by means of a force means provided driving device, such as an electric motor.
  • the rotational speed of the swirl body can be changed during operation, for example, as a function of the flow velocity of the gas or the flow rate of gas through the swirl body.
  • the changing of the rotational speed of the swirler can be achieved by braking and / or by varying the drive speed of the drive.
  • a braking device for complete and / or partial braking of the swirler may be provided, for example by means of a control device in dependence on flow parameters of Gas is pressed stronger or less strong, so that the swirl body is more or less braked.
  • Deposition device to be changed dynamically, advantageously such that at low flow velocities or at a low throughput, the deflection is greater than at high flow velocities or at a high throughput.
  • the change in the geometry of the swirl body during operation of the liquid separator according to the invention makes it possible to achieve a high degree of separation low flow rates of the gas and on the other hand, a relatively low pressure drop while still good degree of separation at high flow velocities.
  • the liquid separator according to the invention thus has a high separation efficiency and low pressure losses over the entire load range.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventively designed swirler with elastically resilient baffle plates
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention with a deformable by an adjustment stationary swirler
  • Figure 3 shows a third embodiment of the invention with a
  • FIG. 1 schematically shows a liquid separator in the form of a cyclone separator.
  • the swirl body 1 is rotated by means of a drive (not shown) over its, in particular vertically arranged, axis 3.
  • the gas entering from below with the liquid to be separated impinges on the baffle plates 1.1, at which the liquid parts contained in the gas are transported radially outwardly due to the centrifugal force acting on them.
  • the gas flows radially inwardly up out of the swirl body 1 out.
  • the baffles 1.1 which are completely or at least formed at their radially inner end of an elastic material or are elastically suspended, deformed by the gas in the flow direction or elastically displaced, see the corresponding arrows in Figure 1, so that they produce a less strong deflection of the gas and a lower pressure drop of the gas compared to an embodiment without deformable baffles.
  • Under elastic deformation in the context of the present invention is thus not only the immediate elastic deformation of the surfaces of the swirl body, along which the gas flows along, to be understood, but also an elastic yielding or shifting of these surfaces by these are suspended elastically.
  • an elastically deformable swirl body for example, with curved Gasleitkanälen, the curvature is reduced with increasing flow velocity of the gas or with increasing throughput through the liquid by an elastic deformation of the swirl body.
  • FIG. 2 shows a swirler which is not rotated about an axis.
  • This swirl body 1 also causes a deflection of the incoming, liquid-carrying gas.
  • the gas flows vertically from above into the plane of the paper and is deflected into the swirl body 1 in the direction parallel to the plane of the paper (not shown).
  • an adjusting device 2 is connected, which a sixteensdorfde effect on the Swirl body 1 can exercise.
  • the swirl body 1 On the left in FIG. 2, the swirl body 1 is shown in its non-compressed state, whereas on the right in FIG. 2 it is shown in its compressed state caused by the adjusting device 2.
  • the flow channels for the gas in the non-compressed swirl body 1 have a substantially oval cross-section, whereas in the compressed state of the swirl body 1 they have a circular or substantially circular cross-section.
  • the circular cross section allows a lower pressure loss of the gas flowing through the swirl body 1.
  • the compression can cause a less pronounced curvature of the individual flow channels for the gas in the swirl body 1 in relation to the less compressed or uncompressed state.
  • FIG. 3 shows a possible further embodiment of a swirl body 1, which has a plurality of baffle plates 1.1 arranged in a common plane.
  • baffle plates 1.1 In the present case three baffles are arranged in a common plane, but it could also be provided a different number.
  • the baffles 1.1 At a low flow rate of the gas, which leads the liquid to be deposited, the baffles 1.1 are completely within the common plane. This state is shown on the far left in FIG. The low flow velocity is indicated by short arrows.
  • the baffles 1.1 are in their initial position completely within the plane which is perpendicular to the direction of flow of the gas, because the flow force of the gas is not sufficient to deform the baffles 1.1.
  • the flow velocity or the mass flow of the gas with the liquid to be separated is increased in relation to the condition shown on the leftmost side.
  • the flow of the gas can now to deform the baffles 1.1 in the direction of flow.
  • the free flow cross section is increased in the swirl body 1.
  • the free flow cross-section is that region of the plane that is perpendicular to the flow direction and in which the baffles 1.1 in their
  • baffles 1.1 Due to the fact that the deformation of the baffles 1.1 is an elastic, the baffles 1.1 will return to their starting position or completely return to their starting position with decreasing flow forces acting on them, so that the free flow cross-section in turn decreases.
  • partial bodies of the swirl body 1 can also be taken out of the flow path of the gas at higher flow velocities of the gas or at a larger throughput of gas through the swirl body 1.
  • one or more baffles from the Flow path can be swung out, -shifted or -rotated.
  • baffles are again added to the flow path.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separating Particles In Gases By Inertia (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider zur Abscheidung einer Flüssigkeit aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle mit wenigstens einem Drallkörper, der von dem Gas mit der abzuscheidenden Flüssigkeit beaufschlagt wird und eine solche strömungsleitende Geometrie aufweist, dass er dem Gas durch Umlenkung der Strömungsrichtung eine Drallströmung aufprägt, so dass Fliehkräfte auf die im Gas enthaltenen Flüssigkeitsteile wirken. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Drallkörpers dynamisch während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders derart änderbar ist und/oder sich in Abhängigkeit der Anströmkraft des Gases elastisch ändernd ausgebildet ist, dass sich hierdurch die Umlenkung des Gases durch den Drallkörper ändert.

Description

Flüssigkeitsabscheider, insbesondere für Brennstoffzellen
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle, und ein Verfahren zum Abscheiden der Flüssigkeit mit einem solchen Flüssigkeitsabscheider .
Auch wenn die vorliegende Erfindung allgemein überall dort anwendbar ist, wo Flüssigkeiten aus einem Gasstrom abgeschieden werden müssen, so eignet sie sich ganz besonders zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus Gasen in einem BrennstoffZeilensystem, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere aus einem oder mehreren Abgasströmen, wie zum Beispiel aus der Anode und/oder der Kathode der Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen benötigen befeuchtete Gase, um ihre optimale Leistungsfähigkeit erreichen zu können. Dies führt an bestimmten Stellen im BrennstoffZeilensystem dazu, dass möglicherweise Wasser unerwünscht aus dem Gas auskondensieren kann. Diese Kondensate müssen gezielt aus dem Gas, insbesondere dem Abgas, abgeschieden werden.
Die eingesetzten Abscheider müssen über einen großen Lastbereich mit variierenden Randbedingungen einen hohen Abscheidungsgrad erreichen. Für den gewünschten hohen Abscheidungsgrad sind grundsätzlich relativ starke Umlenkungen des Gases erforderlich, sowie große Strömungsflächen, an welchen das vom Gasstrom mitgeführte Kondensat, das an diesen entlangströmt, sich abscheiden kann. Starke Umlenkungen sowie große Strömungsflächen führen jedoch zu einem hohen Druckverlust des Gases im Abscheider und einem verhältnismäßig großen notwendigen Bauraum des Abscheiders. Insbesondere bei variierenden Massenströmen von Gas durch den Abscheider können in Betriebszuständen mit einem hohen Massenstrom die Druckverluste aufgrund der üblicherweise vorgesehenen kleinen Strömungskanäle beziehungsweise der starken Umlenkungen sowie großen Strömungsfläche zu unerwünscht hohen Druckverlusten führen.
Bekannte Abscheider weisen entweder einen feststehenden Drallkörper oder einen drehbaren Drallkörper auf, welcher dem Gas eine Drallströmung aufprägt, so dass die Flüssigkeitsteile durch die auf sie wirkende Fliehkraft getrennt von dem übrigen Gas weiter transportiert werden. Durch Verändern des Strömungsweges hinter dem Drallkörper, beispielsweise mittels verstellbaren Leitschaufeln oder durch verschiebbare Rohrleitungen, kann zwar zum Teil der Abscheidungsgrad des Abscheiders variiert werden, jedoch bleibt der Strömungsweg des Gases durch den Drallkörper selbst aufgrund der starren Geometrie des Drallkörpers unverändert, was bei einem besonders hohen Durchsatz von Gas durch den Drallkörper zu den unerwünschten Druckverlusten führen kann. Beispielsweise wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:
JP 2002-324561 A
DE 101 29 098 Al
DE 10 2004 022 312 Al EP 0 426 955 A2
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider und ein Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeit insbesondere für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welche gegenüber den bekannten Ausführungen verbessert sind, und welche insbesondere auch bei variierenden Randbedingungen des Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit mit sich führt, wie beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, der Massenstrom des Gases durch den Abscheider beziehungsweise den Drallkörper des Abscheiders und/oder der Druck des Gases, stets zu den gewünschten Abscheidungsraten bei Vermeidung eines unerwünscht hohen Druckabfalls führen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Flüssigkeitsabscheider und ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeit mit einem solchen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
Im Unterschied zum Stand der Technik weist der Drallkörper des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders keine feststehende Geometrie, sondern eine flexible beziehungsweise variable
Geometrie auf, so dass die Umlenkung des flüssigkeitstragenden Gases, welche dieses durch den Drallkörper erfährt, während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders durch Ändern der Geometrie des Drallkörpers variiert werden kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Drallkörper wenigstens teilweise oder vollständig aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, so dass sich der Drallkörper der jeweiligen Strömungssituation anpassen kann. Die Elastizität ist nämlich derart ausgeführt, dass sich die Geometrie des Drallkörpers in Abhängigkeit der Anströmkraft, welche das durch den Drallkörper strömende Gas auf ihn ausübt, ändert. Bei geringer Anströmkraft, das heißt insbesondere bei langsamer Anströmung, wird sich der Drallkörper wenig verformen und damit die Strömung in der Regel stark umlenken. Bei größerer Anströmkraft, das heißt insbesondere bei größeren Anströmgeschwindigkeiten, wird die Verformung des Drallkörpers größer ausfallen und damit der mit der Aufprägung der Drallströmung auf das Gas durch den Drallkörper verbundene
Druckabfall im Vergleich zu dem Zustand ohne beziehungsweise mit geringerer Verformung des Drallkörpers kleiner werden.
Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung ist die Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs gezielt durch Aufbringen einer entsprechenden Kraft von außerhalb des Gases dynamisch änderbar. Beispielsweise kann eine Verstelleinrichtung am Drallkörper angeschlossen sein, welche die Geometrie des Drallkörpers verändert, indem sie ihn insbesondere staucht, streckt, verwindet und/oder biegt. Auch diese gezielte Veränderung der Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders ändert die Umlenkung des Gases, welche dies durch Durchströmung des Drallkörpers erfährt.
Auch gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Drallkörper bei langsamer Anströmung durch das Gas aufgrund der eingestellten Geometrie eine stärkere Umlenkung auf das Gas ausüben, und bei größeren Anströmgeschwindigkeiten eine im Vergleich hierzu weniger stark ausgeprägte Umlenkung. Somit kann der Druckverlust bei großen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem großen Durchsatz von Gas durch den Drallkörper im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen trotz einem unverändert hohen Abscheidungsgrad bei geringen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise geringem Durchsatz vermindert werden.
Eine Änderung der Geometrie des Drallkörpers im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch dadurch ausgeführt werden, dass der Drallkörper aus einer Vielzahl von Teilkörpern zusammengesetzt ist, von denen einzelne Teilkörper in Abhängigkeit der Anströmbedingungen des Gases während des Betriebs hinzugefügt oder weggenommen werden können. Beispielsweise kann der Drallkörper aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordneten Abschnitten zusammengesetzt sein. Zusammengesetzt im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet dabei nicht nur, dass die einzelnen Teilkörper beziehungsweise Abschnitte unmittelbar aneinandergefügt sind, sondern diese können auch mit Abstand zueinander angeordnet sein.
Bei einem geringen Durchsatz beziehungsweise bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten kann somit eine größere Anzahl von Teilkörpern oder Abschnitten im Strömungsweg des Gases positioniert werden als bei hohen Geschwindigkeiten. Mit abnehmender Anzahl von Teilkörpern beziehungsweise Abschnitten sinkt der Druckverlust des Gases im Drallkörper. Somit kann auch bei einem großen Durchsatz beziehungsweise bei großen Anströmgeschwindigkeiten der herkömmlich hohe Druckverlust vermieden werden.
Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung weist der Drallkörper einen im wesentlichen zylindrischen Umfang oder einen exakt zylindrischen Umfang auf. Beispielsweise ist der Drallkörper rotationssymmetrisch aufgebaut. Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Drallkörper drehbar, zum Beispiel auf einer drehbaren Welle oder auch umlaufend jedoch auf einer feststehenden Achse, angeordnet sein. Während des Betriebs der Abscheidungsvorrichtung kann der Drallkörper rotiert werden, entweder aufgrund von antreibenden Kräften, welche die Anströmung des Gases auf den Drallkörper ausübt, und/oder durch einen gezwungenen Antrieb mittels einer vorgesehenen Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise einem Elektromotor .
In Abhängigkeit von vorherrschenden Strömungsparametern des Gases kann die Drehzahl des Drallkörpers während des Betriebs verändert werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit des Gases beziehungsweise der Durchsatzmenge von Gas durch den Drallkörper. Das Ändern der Drehgeschwindigkeit des Drallkörpers kann durch Abbremsen und/oder durch Variieren der Antriebsdrehzahl des Antriebs erreicht werden.
Insbesondere wenn keine Antriebsvorrichtung für den Drallkörper vorgesehen ist, und der Drallkörper allein aufgrund der Strömungskräfte des Gases in eine Drehbewegung versetzt wird, kann eine Bremsvorrichtung zum vollständigen und/oder teilweisen Abbremsen des Drallkörpers vorgesehen sein, die beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit von Strömungsparametern des Gases stärker oder weniger stark betätigt wird, so dass der Drallkörper mehr oder minder abgebremst wird. Auch hierdurch kann wiederum, genauso wie durch das Einstellen einer variierenden Antriebsdrehzahl eines vorgesehenen Antriebs für den Drallkörper, die Umlenkung, welche der Drallkörper auf das Gas und auf die in ihm enthaltene Flüssigkeit ausübt, während des Betriebs der
Abscheidungsvorrichtung dynamisch geändert werden, vorteilhaft derart, dass bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem kleinen Durchsatz die Umlenkung stärker ausfällt als bei großen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem großen Durchsatz.
Die Veränderung der Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders ermöglicht einerseits einen hohen Abscheidungsgrad bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Gases und andererseits einen verhältnismäßig geringen Druckabfall bei immer noch gutem Abscheidungsgrad bei hohen Anströmgeschwindigkeiten. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider weist somit über dem gesamten Lastbereich einen hohen Abscheidungswirkungsgrad und geringe Druckverluste auf.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals kurz erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Drallkörpers mit elastisch nachgiebigen Prallplatten;
Figur 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem gezielt durch eine Verstelleinrichtung verformbaren stationären Drallkörper;
Figur 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem
Drallkörper, welcher wiederum elastisch nachgiebige
Prallplatten aufweist.
In der Figur 1 ist schematisch ein Flüssigkeitsabscheider in Form eines Zyklonabscheiders dargestellt. Der Drallkörper 1 wird mittels eines Antriebs (nicht gezeigt) über seiner, insbesondere senkrecht angeordneten, Achse 3 gedreht. Das von unten eintretende Gas mit der abzuscheidenden Flüssigkeit prallt auf die Prallplatten 1.1, an welchen die im Gas enthaltenen Flüssigkeitsteile aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkraft radial nach außen transportiert werden. Das Gas hingegen strömt radial nach innen oben aus dem Drallkörper 1 heraus . Bei einer größeren Anströmgeschwindigkeit des Gases werden die Prallplatten 1.1, welche vollständig oder zumindest an ihrem radial inneren Ende aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet sind oder elastisch aufgehängt sind, von dem Gas in Strömungsrichtung verformt oder elastisch verschoben, siehe die entsprechenden Pfeile in der Figur 1, so dass sie eine weniger starke Umlenkung des Gases und einen im Vergleich zu einer Ausführung ohne verformbare Prallplatten weniger starken Druckabfall des Gases erzeugen. Unter elastischer Verformung im Sinne der vorliegenden Erfindung soll somit nicht nur die unmittelbare elastische Verformung der Flächen des Drallkörpers, an welchen das Gas entlang strömt, verstanden werden, sondern auch ein elastisches Nachgeben beziehungsweise Verschieben dieser Flächen, indem diese elastisch aufgehängt sind.
Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen mit einem elastisch verformbaren Drallkörper möglich, beispielsweise mit gekrümmten Gasleitkanälen, wobei die Krümmung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases beziehungsweise mit zunehmendem Durchsatz durch den Flüssigkeitsabscheider durch eine elastische Verformung des Drallkörpers vermindert wird.
In der Figur 2 ist ein Drallkörper dargestellt, welcher nicht um eine Achse gedreht wird. Auch dieser Drallkörper 1 bewirkt eine Umlenkung des einströmenden, flüssigkeitsführenden Gases. Beispielsweise strömt in der gezeigten Darstellung mit Bezug auf die Papierebene das Gas senkrecht von oben in die Papierebene hinein und wird in den Drallkörper 1 in Richtung parallel zu der Papierebene umgelenkt (nicht dargestellt) .
An dem Drallkörper 1 ist eine Verstelleinrichtung 2 angeschlossen, welche eine zusammenstauchende Wirkung auf den Drallkörper 1 ausüben kann. Links in der Figur 2 ist der Drallkörper 1 in seinem nicht gestauchten Zustand gezeigt, wohingegen er rechts in der Figur 2 in seinem durch die Verstelleinrichtung 2 bewirkten, gestauchten Zustand gezeigt ist. Wie man sieht, weisen die Strömungskanäle für das Gas in dem nicht gestauchten Drallkörper 1 einen im wesentlichen ovalen Querschnitt auf, wohingegen sie im gestauchten Zustand des Drallkörpers 1 einen kreisförmigen oder im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der kreisförmige Querschnitt ermöglicht einen geringeren Druckverlust des durch den Drallkörper 1 strömenden Gases. Zugleich oder alternativ kann die Stauchung eine weniger starke Krümmung der einzelnen Strömungskanäle für das Gas im Drallkörper 1 im Verhältnis zum weniger gestauchten oder nicht gestauchten Zustand bewirken.
Die Figur 3 zeigt eine mögliche weitere Ausführungsform eines Drallkörpers 1, welcher eine Vielzahl von in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Prallplatten 1.1 aufweist. Vorliegend sind drei Prallplatten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, es könnte jedoch auch eine andere Anzahl vorgesehen sein. Bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit führt, liegen die Prallplatten 1.1 vollständig innerhalb der gemeinsamen Ebene. Dieser Zustand ist ganz links in der Figur 3 gezeigt. Die niedrige Strömungsgeschwindigkeit ist durch kurze Pfeile angedeutet. Die Prallplatten 1.1 befinden sich in ihrer Ausgangsposition vollständig innerhalb der Ebene, die senkrecht zur Anströmrichtung des Gases verläuft, weil die Strömungskraft des Gases nicht ausreicht, die Prallplatten 1.1 zu verformen.
In der mittleren Darstellung der Figur 3 ist die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise der Massestrom des Gases mit der abzuscheidenden Flüssigkeit gegenüber dem ganz links gezeigten Zustand erhöht. Die Strömung des Gases vermag nun die Prallplatten 1.1 in Richtung der Strömung zu verformen. Hierdurch wird der freie Strömungsquerschnitt in dem Drallkörper 1 erhöht. Der freie Strömungsquerschnitt ist jener Bereich der Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft und in welcher die Prallplatten 1.1 in ihrer
Ausgangsposition verlaufen, welcher in Umfangsrichtung des Drallkörpers 1 gesehen jeweils von zwei benachbart zueinander angeordneten Prallplatten 1.1 beidseitig und in der gezeigten Ausführungsform am äußeren Umfang von einem kreisrunden Steg des Drallkörpers 1 umschlossen wird. Bei der gezeigten Ausführungsform der Prallplatten 1.1 setzt sich der Strömungsquerschnitt bei drei vorgesehenen Prallplatten 1.1 aus drei Kreissektoren zusammen.
Ganz rechts in der Figur 3 ist jener Zustand gezeigt, bei welchem die Gasströmung eine noch stärkere verformende Kraft auf die Prallplatten 1.1 im Vergleich zu der mittleren Darstellung in der Figur 3 ausübt, so dass die Prallplatten 1.1 einen noch größeren Strömungsquerschnitt freigeben.
Aufgrund dessen, dass die Verformung der Prallplatten 1.1 eine elastische ist, werden die Prallplatten 1.1 bei nachlassenden auf sie wirkenden Strömungskräften wieder in Richtung ihrer Ausgangsposition oder vollständig in ihre Ausgangsposition zurückkehren, so dass der freie Strömungsquerschnitt wiederum abnimmt .
Gemäß einer Ausführungsform, die vorliegend nicht weiter dargestellt ist, können auch Teilkörper des Drallkörpers 1 bei größeren AnStrömungsgeschwindigkeiten des Gases beziehungsweise bei einem größeren Durchsatz von Gas durch den Drallkörper 1 aus dem Strömungsweg des Gases herausgenommen werden. Beispielsweise könnten bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung eine oder mehrere Prallplatten aus dem Strömungsweg herausgeschwenkt, -verschoben oder -gedreht werden. Bei kleineren AnStrömungsgeschwindigkeiten des Gases beziehungsweise bei einem kleineren Durchsatz hingegen werden wieder Prallplatten in den Strömungsweg hinzugefügt.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitsabscheider zur Abscheidung einer Flüssigkeit aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle; mit wenigstens einem Drallkörper (1), der von dem Gas mit der abzuscheidenden Flüssigkeit beaufschlagt wird und eine solche strömungsleitende Geometrie aufweist, dass er dem Gas durch Umlenkung der Strömungsrichtung eine Drallströmung aufprägt, so dass Fliehkräfte auf die im Gas enthaltenen Flüssigkeitsteile wirken; dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Drallkörpers (1) dynamisch während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders derart änderbar ist und/oder sich in Abhängigkeit der Anströmkraft des Gases elastisch ändernd ausgebildet ist, dass sich hierdurch die Umlenkung des Gases durch den Drallkörper (1) ändert.
2. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) aus einem elastischen, durch die Anströmkraft des Gases verformbaren Werkstoff ausgebildet ist.
3. Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstelleinrichtung (2) am Drallkörper (1) angeschlossen ist, mittels welcher die Geometrie des Drallkörpers (1) veränderbar ist.
4. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (2) stauchend, streckend, verwindend und/oder biegend auf den Drallkörper (1) wirkt.
5. Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) einen im wesentlichen oder vollständig zylindrischen Umfang aufweist und insbesondere rotationssymmetrisch ist.
6. Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) drehbar, insbesondere auf einer drehbaren Achse (1) angeordnet ist.
7. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (3) durch einen Antrieb, insbesondere einen Elektromotor, drehend angetrieben wird.
8. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung mit dem Antrieb verschaltet ist, welche die Antriebsdrehzahl des Drallkörpers (1) in Abhängigkeit von Strömungsparametern des Gases, insbesondere in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit und/oder des Durchsatzes von Gas durch den Drallkörper (1), ändert.
9. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) frei von einem erzwungenen Antrieb und drehbar ausschließlich durch die Anströmung mit dem Gas angeordnet ist.
10. Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Drallkörper (1) teilweise und/oder vollständig abbremsbar ist.
11. Flüssigkeitsabscheider gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung mit der Bremsvorrichtung verschaltet ist, welche den Drallkörper (1) in Abhängigkeit von Strömungsparametern des Gases, insbesondere der Anströmgeschwindigkeit und/oder des Durchsatzes von Gas durch den Drallkörper (1), mittels der Bremsvorrichtung mehr oder mindert abbremst.
12. Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) aus einer Vielzahl von Teilkörpern, insbesondere in Strömungsrichtung des Gases hintereinander vorgesehenen
Abschnitten, welche unmittelbar aneinandergefügt oder mit Abstand zueinander angeordnet sind, zusammengesetzt ist, und dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit von Strömungsparametern des Gases, insbesondere der Anströmgeschwindigkeit und/oder des
Durchsatzes von Gas durch den Drallkörper (1), einzelne Teilkörper oder Abschnitte in der Strömung des Gases und außerhalb von dieser positioniert.
13. Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle, mit einem Flüssigkeitsabscheider gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den folgenden Schritten:
13.1 das Gas wird durch den Drallkörper (1) hindurchgeleitet, wobei seine Strömungsrichtung durch den Drallkörper (1) umgeleitet und ihm durch den Drallkörper (1) eine Drallströmung aufgeprägt wird;
13.2 die Drallströmung wird derart durch den Drallkörper (1) dem Gas aufgeprägt, dass auf im Gas enthaltene Flüssigkeitsteile eine Fliehkraft wirkt, welche die
Flüssigkeitsteile getrennt von dem Gas transportiert; dadurch gekennzeichnet, dass
13.3 während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders durch vorgegebene dynamische Änderungen der Geometrie des Drallkörpers (1) und/oder durch elastische Änderungen der Geometrie des Drallkörpers (1) durch die auf den Drallkörper (1) wirkende Anströmkraft des Gases die Umlenkung des Gases, welche durch den Drallkörper (1) bewirkt wird, variiert wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (1) während des Betriebs des Wasserabscheiders variierend, insbesondere mittels einer am Drallkörper (1) angeschlossenen Verstelleinrichtung (2) gestaucht, gestreckt, verwunden und/oder verbogen wird.
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