WO2019105656A1 - Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil - Google Patents

Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil Download PDF

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Definitions

  • Gas-liquid separator for separating at least one liquid constituent from a gaseous constituent
  • the present invention relates to a gas-liquid separator for separating at least one liquid constituent from a gaseous constituent to which a medium is fed via an inlet, wherein a separation of at least the liquid constituent of the medium in at least one container takes place, in particular for use in a fuel cell system of vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • gas flows must be controlled.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously as in the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one high-pressure tank and passed to an ejector unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This ejector unit leads the gas via a connecting line of a low-pressure line system to a fuel cell.
  • An exhaust gas which consists in particular of unused hydrogen and of a non-active fraction, in particular water and nitrogen, is recirculated by the fuel cell via a recirculation path.
  • a gas-liquid separator for separating a liquid constituent, in particular water, from one of a gaseous constituent, in particular exhaust gas, which is emitted by a fuel cell.
  • This gas-liquid separator has a housing into which the exhaust gas is supplied via an inlet tube. In the housing, water contained in the exhaust gas is separated from the exhaust gas. Thereafter, the exhaust gas containing substances such as hydrogen, wherein the Hydrogen is referred to below as H2, fed back via an outlet pipe to the fuel cell. Furthermore, the housing has a drain connection, via which separated and stored water is discharged from the housing to the outside.
  • the gas-liquid separator known from DE 10 2014 220 891 A1 may have certain disadvantages.
  • N 2 Since the exhaust gas from the fuel cell, which is introduced via an introduction tube into the housing, in addition to the component water also other heavy components, in particular gaseous nitrogen, hereinafter referred to as N 2 contains, this is next to the hydrogen again the housing, for example, via the outlet pipe, fed back into the fuel cell.
  • the gas-liquid separator has the disadvantage that not only almost pure hydrogen is conveyed back into the fuel cell, but also other heavy components, such as N 2 . This reduces the efficiency of the fuel cell and thus of the fuel cell system.
  • an additional component in the fuel cell system would be necessary to remove the component gaseous N 2 , for example in the form of a drain valve.
  • a drain valve on the one hand has the disadvantage that when discharging N 2 always a share of H 2 till is separated.
  • an additional component must be provided in the fuel cell system, in particular in the form of the drain valve.
  • a gas-liquid separator is proposed gene in which in addition to the liquid component, in particular water, which is hereinafter referred to as H 2 0, a gaseous component N 2 is deposited from the medium.
  • H 2 liquid component
  • the advantage can be achieved that at the same time several unwanted components of a medium, in which it special concerns waste materials of a recirculation medium from a fuel cell, are deposited by means of the gas-liquid separator.
  • the proportion of a gaseous component of the medium which is required for energy generation in the fuel cell, in particular on an anode side, increased.
  • H 2 which is returned to the fuel cell after the gas-liquid separator has flowed through.
  • the constituents H 2 O and N 2 are deposited by means of the centrifugal principle from the medium, in particular from constituent H 2 of the medium, by the embodiment of the gas-liquid separator according to the invention.
  • the advantage can be achieved that for separating the components H 2 O and N 2 V om component H 2 no additional energy and / or only a small amount of energy must be made available, in particular from the fuel cell system and / o the vehicle's parent system.
  • the medium supplied via an inlet into the at least one container already has an inflow velocity which is used to separate the components by means of The centrifugal principle is necessary and the medium does not have to be accelerated by an energy. Further introduction of energy, in particular of kinetic energy, into the medium is thus no longer necessary. Thereby, the efficiency of the fuel cell system can be increased and the operating costs can be reduced.
  • the at least one container has a container wall, a dividing wall, a separating edge, a settling chamber, a reservoir and an outlet channel, wherein the dividing wall has a nozzle tip on the side facing the container wall and the container wall has a curved region having.
  • the efficiency of the fuel cell can be increased since almost exclusively H 2 is required for energy generation, in particular in an anode region of the fuel cell. Furthermore, it is also possible to increase the efficiency of a recirculation pump and an integrated jet pump which are optionally located between the at least one tank and the fuel cell and which supply a continuous flow to the fuel cell. This has the advantage that the efficiency and / or or the efficiency of the entire fuel cell system can be improved, whereby the loading operating costs can be reduced.
  • the medium coming from the settling chamber as it flows past the curved area and / or the nozzle tip in a flow direction V, experiences such a deflection that the components H 2 O and N 2 have less deflection due to their dimensions and the light Component H 2 due to its dimensions learn a higher deflection.
  • the advantage can be achieved that the components H 2 O and N 2 and H 2 by the acceleration when flowing past the nozzle are so accelerated and deflected that the heavy components H 2 O and N 2 can be better separated from the light component H 2 , in particular by means of the centrifugal principle.
  • the efficiency of the gas-liquid separator and thus the efficiency of the entire fuel cell system can be increased.
  • the medium after flowing past the curved area and / or the nozzle tip, strikes the separation edge, whereby the light component H 2 deflects in a flow direction VII to the outlet channel and the components H 2 O and ish in one Flow direction VI are deflected to the reservoir.
  • the medium and the different constituents of the medium are slowed down less during the deposition process by the separating edge, in comparison to a greater depletion of the medium in the absence of a separating edge.
  • the separating edge thus supports the deposition process of the heavy components H 2 O and N 2 of the lighter component Fh of the medium , in particular by means of the centrifugal principle.
  • the medium with the high H 2 proportion can continue to flow there through the outflow line in the flow direction without the need for further flow-promoting components such as pumps or blowers in the region of the at least one container in order to ensure further transport Medium with the high H 2 share to allow.
  • the energy for operating further flow-promoting components, in particular electrically driven pumps or blowers in the region of the at least one container or at least one container can be reduced.
  • the efficiency of the fuel cell system can be increased and the operating costs can be reduced
  • the gas-liquid separator on a plurality of containers, wherein a first container having the inlet, at least one tube and the settling chamber and wherein the tube is disposed within the first container. Furthermore, a second container has the reservoir and a sensor, and the tube is fluidically connected to the inlet of the first container and to the reservoir of the second container. Further forms the tube is a tube wall, wherein the tube wall is formed as a membrane, in particular as a semipermeable membrane, wherein the membrane is permeable to the component H 2 of the medium and wherein the membrane impermeable to the components H 2 O and N 2 of the medium in particular due to the molecular size of the respective constituent.
  • the advantage can be achieved that the deposition process is improved by the gas-liquid separator, so that the components H 2 O and N 2 are almost completely separated from the medium, in particular from the H 2 .
  • This can ensure that the highest possible proportion of Fh flows back to the fuel cell, in particular through the outflow line and the inflow line, as a result of which the efficiency and / or the power of the fuel cell can be increased.
  • the H 2 part of the medium moves out of the pipe, in particular through the pipe wall, into the settling space.
  • a movement of the components H 2 O and N 2 of the medium out of the pipe, in particular through the pipe wall, is prevented.
  • the advantage can be achieved that almost no H 2 O and N 2 or only a small amount of H 2 O and N 2 can flow through the outflow line to the recirculation pump and / or to the integrated jet pump.
  • the risk can be excluded or at least reduced that components susceptible to corrosion and / or moving components in the recirculation path are damaged by the components H 2 O and N 2 .
  • the risk is excluded or at least reduced that electrical construction parts of the recirculation pump and / or the integrated jet pump are damaged by entry of H 2 O and N 2 , which happens in particular in the form of damage caused by an electrical short circuit
  • the entire fuel cell system could be damaged.
  • the life of the recirculation pump and / or the integrated jet pump and / or the entire fuel cell system can be increased and the possi bility of failure of the entire fuel cell system can be reduced to who.
  • At least two tubes are combined to form a tube bundle, wherein the tubes are in each case fluidically connected to the inlet of the first container and to the reservoir of the second container.
  • the advantage can be achieved that a larger surface of the membrane can be provided whereby on the one hand, a larger volume of the medium can be processed. Only a small additional space is required, compared to the relatively large increase in surface area of the membrane.
  • a separation of the components of the medium can already be achieved at a lower pressure difference.
  • the efficiency of the fuel cell system can be increased and the operating costs can be reduced.
  • the gas-Flüsstechniksab- separator can be realized in a compact and space-saving design.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a gas-liquid separator according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a sectional view of a nozzle of the gas-liquid separator designated III in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the fuel cell system with the gas-liquid separator according to the invention according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a perspective sectional view of a membrane of the gas
  • FIG. 5 shows a perspective sectional view of a tube bundle of the gas-liquid separator designated by IV in FIG.
  • FIGS. 1 and 2 shows a fuel cell system 1 with a first exemplary embodiment of a gas-liquid separator 2 according to the invention, wherein the gas-liquid separator 2 separates a gaseous constituent N 2 from the medium in addition to the liquid component, in particular H 2 O.
  • the constituents H2O and N 2 are of the centrifugal principle by means of the medium, in particular from the deposited component Fh of the medium by the inventive gas-liquid separator. 2
  • the fuel cell system 1 is shown, in which a fuel cell 30, the gas-Flüsstechniksabscheiders 2 and an optional recirculation pump 9 are fluidly connected to each other by means of lines.
  • the fuel cell 30 has an anode region 31 and a cathode region 32 and is used in particular in a vehicle for generating energy by means of a reaction of hydrogen, ie Fh, and oxygen, ie 0 2 .
  • the energy can be generated in the form of electrical energy.
  • the gas-liquid separator 2 according to the invention is fluidically connected to the anode region 31 via a connecting line 4.
  • a medium which is in particular a recirculation medium from the anode region 31 of the fuel cell 30, is led to the gas-liquid separator 2 for recirculation.
  • the recirculation medium consists almost completely of unused H2, which has not come into chemical or electrical reaction with oxygen within the fuel cell 30, and the waste products H2O and ISh from the process for energy within the fuel cell 30.
  • the medium flows in a flow direction II of the anode side through the connecting line 4 in an inlet 16 of the gas-Flüsstechniksabschei- ders 2.
  • the components H2O and N2 may alternatively be referred to as a non-active gas component, the components not for energy in the anode region 31 in the fuel cell 30 can be used.
  • the gas-liquid separator 2 has, in addition to the inlet 16, at least one container 6 and a first outlet 18.
  • the at least one container 6 in this case has a container wall 17, a partition wall 8, a separating edge 15, a settling chamber 12, a reservoir 14 and an outlet channel 20, wherein the dividing wall 8 on the container wall 17 side facing a nozzle tip 13 and the container wall 17 has a curved portion 23.
  • the medium undergoes from the settling chamber 12 coming in flowing past the curved portion 23 and / or the due-senspitze 13 in a flow direction V such a deflection that the components H 2 O and N 2 due to its mass a less strong deflection and the light component H2 experiences a higher deflection due to its dimensions. Characterized the components of H 2 O and N 2 of the medium are in the reserved voir 14 while passing the component Fh of the medium in the area of the training Iasskanals 20 is passed in at least one container. 6
  • At least one container 6 has a sensor 22 that measures a concentration of the components H2O and N2 and / or a pressure in the region of the reservoir 14 and is at least indirectly connected to a discharge valve 46.
  • the sensor 22 responds at a defined H2O and N2 content and opens the discharge valve 46.
  • the discharge valve 46 may be arranged according to an exemplary embodiment of the gas-Flüsstechniksabborgers 2 at the lowest point of the at least one container 6 to almost complete emptying of the reservoir 14 by means of and / or assisted by gravity to ensure.
  • the recirculation pump 9 and serves to promote and / or compression of the medium, in particular of H 2 .
  • the recirculation pump 9 should ensure a continuous flow of the medium into the fuel cell 30, in particular at operating points and / or operating states of the combustion chamber. fuel cell system 31, in which the flow of the medium could come to a standstill.
  • the medium After the medium has passed the recirculation pump 9, it passes to a node 7, which node may be formed, for example, as the integrated jet pump 10 (shown in Fig. 3), the medium from the node 7 in the flow direction II and through the inflow line 3 flows to the fuel cell 30 and the medium flows in particular from the inflow line 3 into the anode region 31 of the fuel cell 30.
  • a node 7 which node may be formed, for example, as the integrated jet pump 10 (shown in Fig. 3)
  • the medium from the node 7 in the flow direction II and through the inflow line 3 flows to the fuel cell 30 and the medium flows in particular from the inflow line 3 into the anode region 31 of the fuel cell 30.
  • FIG. 2 shows a section III of a nozzle 1 1 of the gas-liquid separator 2 shown in FIG. 1.
  • the medium impinges on the curved wall 23 and / or the nozzle tip 13 of the dividing wall 8 in the flow direction V after flowing past the tear edge 15, wherein the light component Fh deflects in a flow direction VII to the outlet channel 20 and the components H2O and N 2 are deflected in a flow direction VI to the reservoir 14.
  • the curved region 23 is part of the container wall 17.
  • the separating edge 15 has a pointed and / or wedge-shaped region which assists in separating the constituents H2O and N2 from constituent H2, in particular by means of the centrifugal principle.
  • the separation of the constituents H2O and N2 from the rest of the medium, in particular H2, is due to the different masses of the constituents, the constituents H2O and N2 being heavier than the lighter constituent H2.
  • centrifugal force acts on the constituents during a flow along the curved region 23 and the passage of the nozzle tip 13, which in turn favors the separation of the constituents H2O and N2 from the lighter constituent H2, in particular by means of the centrifugal principle.
  • the flow channel between the dividing wall 8 and the container wall 17, in particular between the nozzle tip 13 and the curved region 23, tapers in the flow direction V and / or the distance between the dividing wall 8 and the container wall 17 in the flow direction Flow direction V becomes smaller.
  • the flow rate of the medium which at this time still has all components H2O, N2 and H2, increase, which increases the centrifugal force effect and thus promotes the deposition.
  • the arrangement of the separating edge 15 has a further advantageous effect on the deposition process, which involves splitting the medium from a flow direction V to one of the heavy components H2O and N2 in a flow direction VI in the direction of the reservoir 14 favors and on the other hand the light component H2 in a flow direction VII in the direction of the outlet channel 20 favors.
  • the gas-liquid separator 2 and / or the at least one container 6 and / or the nozzle 11 are aligned such that the flow direction V of the medium and / or the flow direction VI of the components H2O and N2 extend at least approximately in the effective direction of gravity.
  • the direction of flow VII of the constituent H2 in this case runs, at least approximately counter to the effective direction of gravity, particularly after the flow past the separation edge 15.
  • the separation of the heavier constituents and the lighter constituents by means of the centrifugal principle can be additionally assisted by the action of gravity and thus a more efficient separation can be achieved.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the fuel cell system 1 with the gas-liquid separator 2 according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment. It is shown that the fuel cell 30 has the anode region 31 and the cathode region 32. The cathode region 32 is supplied by an intake duct 29 in a flow direction IV of the cathode side air, especially O2.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the fuel cell system 1 with the gas-liquid separator 2 according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment. It is shown that the fuel cell 30 has the anode region 31 and the cathode region 32. The cathode region 32 is supplied by an intake duct 29 in a flow direction IV of the cathode side air, especially O2.
  • the gas-liquid separator 2 in this case has a plurality of containers 6a, b, wherein a first container 6a has the inlet 16, at least one tube 35 and the rest room 12, wherein the tube 35 is disposed within the first container 6a, wherein a second Container 6b, the reservoir 14 and the Sen- sorik 22 and wherein the tube 35 is fluidly connected to the inlet 16 of the first container 6a and with the reservoir 14 of the second container 6b.
  • At least two tubes 35 can be combined to form a tube bundle 37, wherein the tubes 35 are in each case fluidically connected to the inlet 16 of the first container 6a and to the reservoir 14 of the second container 6b , WEI Furthermore, the sensor system 22 continuously measures the H2O and N2 content in the second container 6b, and as soon as a certain value with respect to the concentration of the components H2O and N2 and / or a pressure is exceeded, the discharge valve 46 is actuated and the components H2O and N2 are discharged and / or led out by means of the discharge valve 46 from the second container 6b, in particular from the region of the reservoir 14.
  • FIG. 3 shows that the medium coming from the anode region 31 of the fuel cell 30 flows via the inlet 16 into the first container 6a, wherein the medium is present in at least one tube 35 or in a tube bundle 37 of the gas-liquid separator 2 flows.
  • the separation of the components H2O and N2 from the remaining medium, in particular the H2 now takes place via the tube 35 or the tube bundle 37 .
  • This is made possible by a permeability, in particular a permeability, of a tube wall 36 of the tube 35 or of the tube bundle 37, wherein the constituent H2 , in particular due to its smaller molecular size compared to the constituents H2O and N2, passes through the tube wall 36 into the settling chamber 12 can diffuse.
  • the constituents H2O and N2 can not penetrate through the tube wall 36, in particular because of their larger molecular size compared with the constituent H2, and are therefore passed through the entire length of the tube 35 or of the tube bundle 37 via a second outlet 24 passed the second container 6b and collected there.
  • the second outlet 24 is designed such that a backflow of the components H2O and N2V from the second container 6b via the second outlet 24 into the tube 35 or the tube bundle 37 is prevented.
  • the medium collected in the settling chamber 12, in particular the component H2 finally flows in the direction of flow II through the discharge line 5 to the recirculation pump 9, the compression and acceleration process, which the medium experiences through the recirculation pump 9, under the Description of Fig. 1 is explained in more detail.
  • the medium which in particular is almost completely H 2 , flows further into the integrated jet pump 10.
  • a so-called jet pump effect takes place.
  • a tanklei device 21 from outside the jet pump 10
  • a gaseous propellant, in particular special H2 from a tank 27, in particular a high-pressure tank 27 into the jet pump 10 a.
  • the recirculation medium is conveyed by the recirculation pump 9 into a suction region of the jet pump 10.
  • the propellant is now introduced under high pressure in the intake.
  • the flowing from the high-pressure tank 27 into the intake of the jet pump 10 and serving as a driving medium H 2 has a pressure difference to Rezir kulationsmedium which flows into the intake, the Examme medium in particular a higher pressure of at least 10 bar.
  • the recirculation medium is conveyed into the intake region of the jet pump 10 at a low pressure and with a small flow rate.
  • the driving medium flows with the described enclosed pressure difference and a high speed, which is in particular close to the speed of sound, in the intake.
  • the blowing medium hits the recirculation medium, which is already in the suction area. Due to the high velocity and / or pressure difference between the propellant and the recirculation medium, internal friction and turbulence is created between the media. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the we considerably slower recirculation medium. This voltage causes a pulse transmission in which the recirculation medium is accelerated and entrained. The mixture happens according to the principle of momentum conservation. In this case, the recirculation medium is accelerated in the flow direction II and it is ent also for the recirculation medium, a pressure drop, whereby a Saugwir effect is used and thus further recirculation medium from the area of Re circulation pump 9 nachge devist.
  • a membrane 34 of the tube wall 36 is shown, wherein the membrane
  • the membrane 34 is shown as a perspective sectional view.
  • the membrane 34 is formed as a semipermeable membrane 34, wherein the membrane 34, as shown in Fig. 4, is permeable to the component hh of the medium and wherein the membrane 34 is impermeable to the components H2O and N 2 of the medium, in particular due to the molecular size of the respective constituent.
  • the constituents H2O and N2 of the medium are too large to diffuse through the structure, in particular the lattice structure of the membrane 34, while the constituent H2 of the medium is small enough to diffuse through the structure of the membrane 34.
  • the tube 35 forms the tube wall 36, wherein the tube wall 36 is formed as a membrane 34, wherein the membrane 34 is permeable to the component H2 of the medium and wherein the membrane 34 impermeable to the components H2O and N2 of the medium, in particular due to the molecular size of the respective constituent.
  • a plurality of tubes 35 can be combined to form the tube bundle 37, with the tubes 35 in a possible embodiment of the gas-liquid separator 2 running parallel to one another.

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Abstract

Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, von einem gasförmigen Bestandteil, insbesondere H2, mit wenigstens einem Behälter (6), dem über einen Einlass (16) ein Medium zugeführt wird, wobei eine Abscheidung zumindest des flüssigen Bestandteils des Mediums im wenigstens einen Behälter (6) erfolgt, wobei der abgeschiedene Bestandteil des Mediums über ein Abführventil (46) aus dem wenigstens einen Behälter (6) abgeführt wird, und der verbleibende gasförmige Bestandteil des Mediums, insbesondere H2, über einen ersten Auslass (18) in eine Abströmleitung (5) zurückgeführt wird. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, ein gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) abgeschieden.

Description

Beschreibung
Titel
Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Be- standteil von einem gasförmigen Bestandteil
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Ab- scheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil von einem gasförmigen Be- standteil, dem über einen Einlass ein Medium zugeführt wird, wobei eine Ab- scheidung zumindest des flüssigen Bestandteils des Mediums im wenigstens ei- nen Behälter erfolgt, insbesondere zur Anwendung in einem Brennstoffzellensys- tem von Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför- mige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens ei- nem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruck- leitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brenn- stoffzelle. Von der Brennstoffzelle wird ein Abgas, welches insbesondere aus un- verbrauchten Wasserstoff und aus einem nicht aktiven Anteil, insbesondere Was- ser und Stickstoff, besteht, über einen Rezirkulationspfad rezirkuliert.
Aus der DE 10 2014 220 891 A1 ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider bekannt, zum Abscheiden von einem flüssigen Bestandteil, insbesondere Wasser, von ei- nem von einem gasförmigen Bestandteil, insbesondere Abgas, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird. Dieser Gas-Flüssigkeitsabscheider hat dabei ein Gehäuse, in das das über ein Einbringrohr Abgas zugeführt wird. In dem Ge- häuse wird Wasser, das in dem Abgas enthalten ist, von dem Abgas abgeschie- den. Danach wird das Abgas, das Substanzen wie Wasserstoff enthält, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H2 bezeichnet wird, über ein Auslassrohr zur Brennstoffzelle zurückgeführt. Weiterhin weist das Gehäuse einen Ablassan- schluss auf, über den abgeschiedenes und gespeichertes Wasser aus dem Ge- häuse zur Außenseite abgelassen wird.
Der aus der DE 10 2014 220 891 A1 bekannte Gas-Flüssigkeitsabscheider kann gewisse Nachteile aufweisen.
Da das Abgas von der Brennstoffzelle, das über ein Einbringrohr in das Gehäuse eingebracht wird, neben dem Bestandteil Wasser auch weitere schwere Bestand- teile, insbesondere gasförmigen Stickstoff, der im Folgenden als N2 bezeichnet wird, enthält, wird dieser neben dem Wasserstoff wieder aus dem Gehäuse, bei- spielsweise über das Auslassrohr, wieder in die Brennstoffzelle gefördert.
Dadurch weist der Gas-Flüssigkeitsabscheider den Nachteil auf, dass nicht nur nahezu reiner Wasserstoff zurück in die Brennstoffzelle gefördert wird, sondern auch andere schwere Bestandteile, wie beispielsweise N2. Dadurch wird der Wir- kungsgrad der Brennstoffzelle und somit des Brennstoffzellensystems reduziert. Alternativ würde eine zusätzliche Komponente im Brennstoffzellensystem not- wendig sein, um den Bestandteil gasförmiges N2 abzuführen, beispielsweise in Form eines Ablassventils. Ein derartiges Ablassventil weist jedoch zum einen den Nachteil auf, dass beim Ablassen von N2 auch immer ein Anteil an H2 abge schieden wird. Zum anderen muss ein zusätzliches Bauteil im Brennstoffzellen system vorgesehen werden, insbesondere in Form des Ablassventils.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird ein Gas- Flüssigkeitsabscheider vorgeschla gen, bei dem zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere Wasser, das im Folgenden als H20 bezeichnet wird, ein gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium abgeschieden wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass gleich- zeitig mehrere unerwünschte Bestandteile eines Mediums, bei dem es sich ins- besondere um Abfallstoffe eines Rezirkulationsmediums aus einer Brennstoff- zelle handelt, mittels des Gas- Flüssigkeitsabscheider abgeschieden werden. Dadurch wird der Anteil eines gasförmigen Bestandteils des Mediums, der zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle, insbesondere auf einer Anodenseite, benötigt wird, erhöht. Dabei handelt es sich insbesondere um H2, das nach er- folgtem Durchströmen des Gas- Flüssigkeitsabscheider wieder in die Brennstoff zelle zurückgeführt wird. Dies bietet den Vorteil das der Wirkungsgrad der Brenn stoffzelle und/oder eines Brennstoffzellensystems erhöht wird, während die uner wünschten Bestandteile, die als Nebenprodukte und/oder Abfallprodukte beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallen, mittels des Gas- Flüssigkeitsabscheider ab geschieden werden und somit ein höher Anteil vom zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle benötigten Bestandteil in die Brennstoffzelle zurückgefördert wer den kann. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gas- Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 eine zusätzliche Komponente im Brennstoffzellensystem zum Abführen des gasförmiges N2, beispielsweise in Form eines Ablassventils, nicht mehr benötigt, da diese Aufgabe durch den Gas- Flüssigkeitsabscheider übernommen wird. Auf diese Weise kann der Vorteil er zielt werden, dass Kosten eingespart werden können, da die zusätzliche Kompo nente Ablassventil nicht mehr benötigt wird. Weiterhin kann der Bedarf an H2 beim Betrieb des Brennstoffzellensystems reduziert werden, was wiederum zu Kosten- Ersparnissen bei den Betriebskosten führt
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung des Gas- Flüssigkeitsabscheider die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugalprinzips vom Medium, insbesondere vom Be- standteil H2 des Mediums abgeschieden. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass zum Trennen der Bestandteile H2O und N2 Vom Bestandteil H2 keine zusätzliche Energie und/oder nur eine geringe Menge an Energie zur Ver fügung gestellt werden muss, insbesondere vom Brennstoffzellensystem und/o der vom übergeordneten System Fahrzeug. Dies ist dadurch begründet, da das über einen Einlass in den mindestens einen Behälter zugeführte Medium schon eine Einströmgeschwindigkeit aufweist, die zum Trennen der Bestandteile mittels des Zentrifugalprinzips notwendig ist und das Medium nicht über eine Energiezu gabe beschleunigt werden muss. Eine weitere Einleitung von Energie, insbeson dere von kinetischer Energie, in das Medium ist somit nicht mehr notwendig. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden und die Betriebskosten können reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der wenigstens eine Behälter eine Behälterwand, eine Trennwand, eine Trennkante, einen Beruhigungsraum, ein Reservoir und einen Auslasskanal auf, wobei die Trennwand auf der der Behäl- terwand zugewandten Seite eine Düsenspitze aufweist und die Behälterwand ei- nen gekrümmten Bereich aufweist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt wer den, dass ein nahezu vollständiges Abscheiden der Bestandteile H2O und N2 vom Medium möglich ist und/oder dass zumindest ein großer Anteil der Bestand teile H2O und ish vom Medium abgeschieden wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein das Medium, dass über einen ersten Auslass aus dem mindes tens einen Behälter durch eine Abströmleitung in die Brennstoffzelle zurückge führt wird, nahezu vollständig oder zumindest zum Großteil aus dem Bestandteil H2 besteht. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigern, da zur Energieerzeugung, insbesondere in einem Anodenbereich der Brennstoffzelle, nahezu ausschliesslich H2 benötigt wird. Weiterhin lässt sich auch der Wirkungs grad einer Rezirkulations-Pumpe und einer integrierten Strahlpumpe steigern, die sich optional zwischen dem mindesten einen Behälter und der Brennstoffzelle befinden und die für einen kontinuierlichen Förderstrom zur Brennstoffzelle sor gen. Dies bietet den Vorteil, dass die Effizienz und/oder der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, wodurch die Be triebskosten reduziert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfährt das Medium vom Beruhigungs- raum kommend beim Vorbeiströmen an dem gekrümmten Bereich und/oder der Düsenspitze in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung, dass die Bestandteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslenkung er- fahren. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Bestandteile H2O und N2 und H2 durch die Beschleunigung beim Vorbeiströmen an der Düsen- spitze derart beschleunigt und ausgelenkt werden, dass die schweren Bestand- teile H2O und N2 besser vom leichten Bestandteil H2, insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden werden können. Dadurch kann die Effizient des Gas- Flüssigkeitsabscheiders und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brenn stoffzellensystems gesteigert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung trifft das Medium nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich und/oder der Düsenspitze auf die Trenn- kante, wobei der leichte Bestandteil H2 in einer Strömungsrichtung VII zum Aus- lasskanal abgelenkt und die Bestandteile H2O und ish in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir abgelenkt werden. Auf diese Weise wird das Medium und die unterschiedlichen Bestandteile des Mediums beim Abscheideprozess durch die Trennkante weniger stark abgebremst, im Vergleich zu einer stärkeren Abrem- sung des Mediums beim einer nicht vorhandenen Trennkante. Die Trennkante unterstützt somit den Abscheideprozess der schweren Bestandteile H2O und N2 vom leichteren Bestandteil Fh des Mediums, insbesondere mittels des Zentrifugal- prinzips. Dadurch wird ein effizientes und strömungsverlustarmes Abströmen von H2O und N2 in das Reservoir und von l-h zum ersten Auslass ermöglicht. Weiter hin kann sich das Medium mit dem hohen H2 Anteil von dort in Strömungsrich- tung weiter durch die Abströmleitung bewegen, ohne dass weitere strömungsför- dernde Komponenten wie Pumpen oder Gebläse im Bereich des mindestens ei- nen Behälters notwendig sind, um einen Weitertransport des Mediums mit dem hohen H2 Anteil zu ermöglichen. Somit kann die Energie zum Betreiben weiterer strömungsfördernder Komponenten, insbesondere von elektrisch angetriebenen Pumpen oder Gebläsen im Bereich des mindestens einen Behälters oder am mindestens einen Behälter reduziert werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht und die Betriebskosten können reduziert werden
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Gas-Flüssigkeitsabscheider mehrere Behälter auf, wobei ein erster Behälter den Einlass, wenigstens ein Rohr und den Beruhigungsraum aufweist und wobei das Rohr innerhalb des ers- ten Behälters angeordnet ist. Weiterhin weist ein zweiter Behälter das Reservoir und eine Sensorik auf und dabei ist das Rohr fluidisch mit dem Einlass der ersten Behälters und mit Reservoir des zweiten Behälters verbunden. Weiterhin bildet das Rohr eine Rohrwandung aus, wobei die Rohrwandung als eine Membran ausgebildet ist, insbesondere als eine semipermeable Membran, wobei die Membran durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Medi- ums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils.
Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Abscheideprozess durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider derart verbessert wird, so dass die Be- standteile H2O und N2 nahezu vollständig vom Medium, insbesondere vom H2 ab- geschieden werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein möglichst ho- her Anteil an Fh zur Brennstoffzelle, insbesondere durch die Abströmleitung und die Zuströmleitung, zurückströmt, wodurch zum einen der Wirkungsgrad und/o der die Leistung der Brennstoffzelle erhöht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt ein Herausbewegen vom Be- standteil H2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwandung, in den Beruhigungsraum. Währenddessen wird ein Herausbewegen der Bestand- teile H2O und N2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwan- dung, verhindert. Auf diese Weise kann der Vorteil erreicht werden, dass nahezu kein H2O und N2 oder nur ein geringer Anteil an H2O und N2 durch die Abström- leitung zur Rezirkulationspumpe und/oder zur integrierten Strahlpumpe fliessen kann. Dadurch kann das Risiko ausgeschlossen oder zumindest reduziert wer- den, dass korrosionsanfällige Bauteile und/oder bewegliche Bauteile im Rezirku- lationspfad durch die Bestandteile H2O und N2 beschädigt werden. Des Weiteren wird das Risiko ausgeschlossen oder zumindest verringert, dass elektrische Bau teile der Rezirkulationspumpe und/oder der integrierten Strahlpumpe durch Ein- trag von H2O und N2 beschädigt werden, was insbesondere in Form der Beschä digung durch einen elektrischen Kurzschluss geschieht, wodurch wiederum das gesamte Brennstoffzellensystem geschädigt werden könnte. Dadurch kann die Lebensdauer der Rezirkulationspumpe und/oder der integrierten Strahlpumpe und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems gesteigert werden und die Mög lichkeit eines Ausfalls des gesamten Brennstoffzellensystems kann reduziert wer den. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht ein Druckunterschied zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des Rohres, wodurch ein Her- ausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr, inbesondere durch die Rohrwandung, in den Beruhigungsraum unterstützt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass zusätzliche Energie für den Gas-Flüssigkeitsab- scheider benötigt wird, um eine Abscheidung von Fh von den Bestandteilen H2O und N2 zu bewirken, da der Druckunterschied durch das durch die Verbindungs- leitung nachströmende Medium beibehalten wird, solange die Brennstoffzelle im Betrieb ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht und die Betriebskosten reduziert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden mindestens zwei Rohre zu einem Rohrbündel zusammengefasst, wobei die Rohre jeweils fluidisch mit dem Einlass des ersten Behälters und mit dem Reservoir des zweiten Behäl- ters verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine größere Oberfläche der Membran zur Verfügung gestellt werden kann wodurch zum einen ein größeres Volumen des Mediums verarbeitet werden kann. Dabei wird nur ein geringer zusätzlicher Bauraum benötigt, im Vergleich zum verhältnis- mäßig großen Oberflächenzuwachs der Membran. Weiterhin kann durch den Oberflächenzuwachs der Membran eine Abscheidung der Bestandteile des Me- dium schon bei einem geringeren Druckunterschied erzielt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden und die Be- triebskosten können reduziert werden. Weiterhin kann der Gas-Flüssigkeitsab- scheider in einer kompakten und platzsparenden Bauweise realisiert werden.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider ge- mäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Schnittansicht einer in Figur 1 mit III bezeichneten Düse des Gas- Flüssigkeitsabscheiders,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine perspektivische Schnittansicht einer Membran des Gas-
Flüssigkeitsabscheiders,
Figur 5 eine perspektivische Schnittansicht eines in Figur 3 mit IV be- zeichneten Rohrbündels des Gas- Flüssigkeitsabscheiders.
Ausführungsform der Erfindung
Die Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zeigt ein Brennstoffzellensystems 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsab- scheiders 2, wobei der Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, einen gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium abscheidet. Dabei werden die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugal- prinzips vom Medium, insbesondere vom Bestandteil Fh des Mediums mittels des erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 abgeschieden.
In Fig. 1 wird das Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, bei dem eine Brennstoffzelle 30, der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 und eine optionale Rezirkulations-Pumpe 9 mittels Leitungen fluidisch miteinander verbunden sind. Die Brennstoffzelle 30 weist einen Anodenbereich 31 und einen Kathodenbereich 32 auf und dient zur insbesondere in einem Fahrzeug zur Energieerzeugung mittels einer Reaktion von Wasserstoff, also Fh, und Sauerstoff, also 02. Die Energie kann dabei in Form von elektrischer Energie erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Gas-Flüs- sigkeitsabscheiders 2 ist dabei mit dem Anodenbereich 31 über eine Verbin- dungsleitung 4 fluidisch verbunden. Dabei wird eine Medium, wobei es sich ins- besondere um ein Rezirkulationsmedium aus dem Anodenbereich 31 der Brenn- stoffzelle 30 handelt, zur Rezirkulation an den Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 ge- leitet. Das Rezirkulationsmedium besteht dabei nahezu vollständig aus unver- brauchten H2 , das innerhalb der Brennstoffzelle 30 nicht zur chemischen oder elektrischen Reaktion mit Sauerstoff gekommen ist, sowie den Abfallprodukten H2O und ISh aus dem Prozess zur Energiegewinnung innerhalb der Brennstoff- zelle 30. Das Medium strömt dabei in einer Strömungsrichtung II der Anodenseite durch die Verbindungsleitung 4 in einen Einlass 16 des Gas-Flüssigkeitsabschei- ders 2. Die Bestandteile H2O und N2 können alternativ auch als nichtaktiver Gasanteil bezeichnet werden, wobei die Bestandteile nicht zur Energiegewin- nung im Anodenbereich 31 in der Brennstoffzelle 30 herangezogen werden kön- nen. Somit wird der Wirkungsgrad für den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellen- systems 1 durch die Bestandteile H2O und N2 im Rezirkulationspfad verringert, da die Bestandteile, falls diese nicht mittels des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 abgeschieden werden, durch den gesamten Anodenpfad mitgefördert werden müssen, inbesondere durch die Verbindungsleitung 4, eine Abströmleitung 5, die Rezirkulationspumpe 9, eine optional vorhandere integrierte Strahlpumpe 10 und durch eine Zuströmleitung 3. Dabei kann somit auch weniger Maße und/oder Vo- lumen des Bestandteils H2 gefördert und/oder rezirkuliert werden, der für die Energiegewinnung in der Brennstoffzelle 30 erforderlich ist.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 weist neben dem Einlass 16, wenigstens ei- nen Behälter 6 und einen ersten Auslass 18 auf. Der wenigstens eine Behälter 6 weist dabei eine Behälterwand 17, eine Trennwand 8, eine Trennkante 15, einen Beruhigungsraum 12, ein Reservoir 14 und einen Auslasskanal 20 auf, wobei die Trennwand 8 auf der der Behälterwand 17 zugewandten Seite eine Düsenspitze 13 aufweist und die Behälterwand 17 einen gekrümmten Bereich 23 aufweist. Im mindestens einen Behälter 6 erfährt das Medium vom Beruhigungsraum 12 kommend beim Vorbeiströmen an dem gekrümmten Bereich 23 und/oder der Dü- senspitze 13 in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung, dass die Bestandteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslenkung er- fahren. Dadurch werden die Bestandteile H2O und N2 des Mediums in das Reser- voir 14 geleitet während der Bestandteil Fh des Mediums in den Bereich des Aus- Iasskanals 20 im mindestens einen Behälter 6 geleitet wird.
Weiterhin ist in Fig. 1 gezeigt, dass am wenigstens einen Behälter 6 eine Senso- rik 22 aufweist, dass eine Konzentration der Bestandteile H2O und N2 und/oder einen Druck im Bereich des Reservoirs 14 misst und mit einem Abführventil 46 zumindest mittelbar verbunden ist. Sobald die Sensorik 22 einen bestimmten Wert bezüglich der Konzentration der Bestandteile H2O und N2 und/oder einen Druck erfasst, erfolgt eine Ansteuerung des Abführventils 46 und die Bestandteile H2O und N2 werden mittels des Abführventils 46 aus dem mindestens einen Be- hälter 6, insbesondere aus dem Bereich des Reservoirs 14, abgelassen und/oder herausgeleitet. Alternativ spricht die Sensorik 22 bei einem definierten H2O- und N2- Anteil an und öffnet das Abführventil 46. Das Abführventil 46 kann sich dabei gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 am tiefsten Punkt des mindestens einen Behälters 6 angeordnet sein, um ein nahezu vollständiges Entleeren des Reservoirs 14 mittels und/oder unterstützt durch die Schwerkraft zu gewährleisten.
Das in den Bereich des Auslasskanals 20 und von den Bestandteilen H2O und N2 separierte, insbesondere mittels des gerkümmten Bereichs 23 und der Düsen- spitze 13 separierte, H2 strömt, nachdem es in den Auslasskanal 20 gelangt ist, weiter zum ersten Auslass 18 des mindestens einen Behälter 6 und von dort in Strömungsrichtung II über die Abströmleitung 5 weiter zu einer Rezirkulations- pumpe 9, die als optionales Bauteil im Brennstoffzellensystem 1 vorgesehen sein kann. Die Rezirkulationspumpe 9 und dient zur Förderung und/oder Verdichtung des Mediums, insbesondere von H2. Dabei soll die Rezirkulations-Pumpe 9 einen kontinuierlichen Förderstrom des Mediums in die Brennstoffzelle 30 gewährleis- ten, insbesondere bei Betriebspunkten und/oder Betriebszuständen des Brenn- stoffzellensystem 31 , bei dem der Förderstrom des Mediums zum erliegen kom- men könnte. Nachdem das Medium die Rezirkulations-Pumpe 9 passiert hat ge- langt es zu einem Knoten 7, wobei der Knoten beispielsweise als die integrierte Strahlpumpe 10 (gezeigt in Fig. 3) ausgebildet sein kann, wobei das Medium vom Knoten 7 in Strömungsrichtung II und durch die Zuströmleitung 3 zur Brenn- stoffzelle 30 strömt und wobei das Medium insbesondere von der Zuströmleitung 3 in den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 einströmt.
Fig. 2 zeigt einen Auschnitt III einer in Fig. 1 gezeigten Düse 1 1 des Gas-Flüssig- keitsabscheiders 2. Das Medium trifft nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich 23 und/oder der Düsenspitze 13 der Trennwand 8 in der Strömungsrich- tung V auf die T rennkante 15, wobei der leichte Bestandteil Fh in einer Strö- mungsrichtung VII zum Auslasskanal 20 abgelenkt und die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir 14 abgelenkt werden. Der ge- krümmte Bereich 23 ist dabei Teil der Behälterwand 17. Weiterhin weist die Trennkante 15 einen spitzen und/oder keilförmigen Bereich auf, der ein Abschei- den der Bestandteile H2O und N2Vom Bestandteil H2, insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips unterstützt. Die Abscheidung der Bestandteile H2O und N2 vom restlichen Medium, inbesondere vom H2, geschieht dabei aufgrund der un- terschiedlichen Massen der Bestandteile, wobei die Bestandteile H2O und N2 schwerer sind als der leichtere Bestandteil H2. Dabei wirkt bei einem Entlangströ- men am gekrümmten Bereich 23 und dem Passieren der Düsenspitze 13 eine Fliehkraft auf die Bestandteile, was wiederum ein Abscheiden der Bestandteile H2O und N2Vom leichteren Bestandteil H2 insbesondere mittels des Zentrifugal- prinzips begünstigt.
Zusätzlich vorteilhaft wirkt dabei, dass sich der Strömungskanal zwischen der Trennwand 8 und der Behälterwand 17, insbesondere zwischen der Düsenspitze 13 und dem gekrümmten Bereich 23, in der Strömungsrichtung V verjüngt und/o- der der Abstand zwischen Trennwand 8 und der Behälterwand 17 in der Strö- mungsrichtung V kleiner wird. Dadurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, dass zu diesem Zeitpunkt noch alle Bestandteile H2O, N2 und H2 aufweist, erhöhen, wodurch sich der Fliehkrafteffekt vergrößern und somit das Abscheiden begünstigen lässt. Weiterhin vorteilhaft wirkt sich die Anordnung der Trennkante 15 auf den Abscheideprozess aus, die ein Aufteilen des Mediums von einer Strömungsrichtung V zum einen der schweren Bestandteile H2O und N2 in eine Strömungsrichtung VI in Richtung des Reservoirs 14 begünstigt und zum anderen des leichten Bestandteils H2 in eine Strömungsrichtung VII in Rich- tung des Auslasskanals 20 begünstigt. Dabei wirkt weiterhin zusätzlich vorteil- haft, wenn der Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 und/oder der mindestens eine Be- hälter 6 und/oder die Düse 11 derart ausgerichtet sind, dass die Strömungsrich tung V des Mediums und/oder die Strömungsrichtung VI der Bestandteile H2O und N2 zumindest annähernd in Wirkrichtung der Schwerkraft verlaufen. Die Strö mungsrichtung VII des Bestandteils H2 verläuft dabei, insbesondere nach dem er- folgtem Vorbeiströmen an der Trennkante 15 zumindest annähernd entgegen der Wirkrichtung der Schwerkraft. Dadurch kann das Abscheiden der schwereren Be- standteile und der leichteren Bestandteile mittels des Zentrifugalprinzip zusätzlich durch das Wirken der Schwerkraft unterstützt werden und somit ein effizienteres Abscheiden erzielt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 mit dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitsabscheider 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels. Dabei ist gezeigt, dass die Brennstoffzelle 30 den Anoden- bereich 31 und den Kathodenbereich 32 aufweist. Dem Kathodenbereich 32 wird mittels eines Ansaugtraktes 29 in einer Strömungsrichtung IV der Kathodenseite Luft, insbesondere O2, zugeführt. In Fig. 3 ist dargestellt, dass das Medium, wo bei es sich insbesondere um ein Rezirkulationsmedium aus dem Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 handelt, aus dem Anodenbereich 31 in Strömungsrich- tung II über die Verbindungsleitung 4 an den Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 ge- leitet. Der Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 weist dabei mehrere Behälter 6a, b auf, wobei ein erster Behälter 6a den Einlass 16, wenigstens ein Rohr 35 und den Be- ruhigungsraum 12 aufweist, wobei das Rohr 35 innerhalb des ersten Behälters 6a angeordnet ist, wobei ein zweiter Behälter 6b das Reservoir 14 und die Sen- sorik 22 aufweist und wobei das Rohr 35 fluidisch mit dem Einlass 16 der ersten Behälters 6a und mit Reservoir 14 des zweiten Behälters 6b verbunden ist. In ei- ner weiteren beispielshaften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 können mindestens zwei Rohre 35 zu einem Rohrbündel 37 zusammengefasst werden, wobei die Rohre 35 jeweils fluidisch mit dem Einlass 16 der ersten Be- hälters 6a und mit Reservoir 14 des zweiten Behälters 6b verbunden sind. Wei- terhin misst die Sensorik 22 kontinuierlich den H2O- und N2- Anteil im zweiten Be- hälter 6b und sobald ein bestimmter Wert bezüglich der Konzentration der Be- standteile H2O und N2 und/oder ein Druck überschritten wird, erfolgt eine Ansteu- erung des Abführventils 46 und die Bestandteile H2O und N2 werden mittels des Abführventils 46 aus dem zweiten Behälter 6b, insbesondere aus dem Bereich des Reservoirs 14, abgelassen und/oder herausgeleitet. Nachdem die Bestand- teile H2O und N2 mittels des Abführventils 46 aus dem zweiten Behälter 6b her- ausgeleitet wurden gelangen diese über eine Rückführleitung 19 in einen An- saugtrackt 29 des Brennstoffzellensystem 1. Von dort strömen die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung IV durch den Ansaugtrackt 29 weiter in den Kathodenbereich 32.
In Fig. 3 ist gezeigt, dass das Medium aus dem Anodenbereich 31 der Brenn- stoffzelle 30 kommend, über den Einlass 16 in den ersten Behälter 6a einströmt, wobei das Medium in mindestens einem Rohr 35 oder in ein Rohrbündel 37 des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 einströmt. Über das Rohr 35 oder das Rohrbün- del 37 findet nun die Abscheidung der Bestandteile H2O und N2Vom restlichen Medium, inbesondere vom H2, statt. Dies wird durch eine Durchlässigkeit, insbe- sondere einer Permeabilität, einer Rohrwandung 36 des Rohrs 35 oder des Rohrbündels 37 ermöglicht, wobei der Bestandteil H2, insbesondere aufgrund sei- ner gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 geringeren Molekülgröße, durch die Rohrwandung 36 in den Beruhigungsraum 12 diffundieren kann. Die Be- standteile H2O und N2 können, insbesondere aufgrund Ihrer gegenüber dem Be- standteilen H2 größeren Molekülgröße, nicht durch die Rohrwandung 36 hin durchdiffundieren und werden daher durch die gesamte Länge des Rohres 35 o- der des Rohrbündels 37 über einen zweiten Auslass 24 in den zweiten Behälter 6b geleitet und dort gesammelt. In einer möglichen Ausführungsform des Gas- Flüssigkeitsabscheiders 2 ist der zweite Auslass 24 derart ausgebildet, dass ein Zurückströmen der Bestandteile H2O und N2Vom zweiten Behälter 6b über den zweiten Auslass 24 in das Rohr 35 oder das Rohrbündel 37 verhindert wird.
Das im Beruhigungsraum 12 gesammelte Medium, insbesondere der Bestandteil H2, strömt schlussendlich in der Strömungsrichtung II durch die Abströmleitung 5 zu der Rezirkulations-Pumpe 9, wobei der Verdichtungs- und Beschleunigungs- prozess, den das Medium durch die Rezirkulations-Pumpe 9 erfährt, unter der Beschreibung der Fig. 1 näher erläutert ist. Von der Rezirkulations-Pumpe 9 strömt das Medium, bei dem es sich insbesondere nahezu vollständig um H2 handelt, weiter in die integrierte Strahlpumpe 10. Innerhalb der Strahlpumpe 10 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Dazu strömt durch eine Tanklei tung 21 von außerhalb der Strahlpumpe 10 ein gasförmiges Treibmedium, insbe sondere H2, von einem Tank 27, insbesondere einem Hochdrucktank 27 in die Strahlpumpe 10 ein. Des Weiteren wird das Rezirkulationsmedium von der Rezir kulations-Pumpe 9 in einen Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 gefördert. Das Treibmedium wird nun unter hohem Druck in den Ansaugbereich eingebracht. Dabei strömt das gasfrömige Treibmedium in Richtung der Strömungsrichtung II. Das aus dem Hochdrucktank 27 in den Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 strö mende und als Treibmedium dienende H2 weist eine Druckdifferenz zum Rezir kulationsmedium auf, das in den Ansaugbereich einströmt, wobei das Treibme dium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich der Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Maßenstrom in den in den Ansaugbereich der Strahlpumpe 10 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschrie benen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegt, in den Ansaugbereich ein. Dabei trifft das Treib medium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich befin det. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits und/oder Druckdifferenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspan nung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem we sentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Im pulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung II beschleunigt und es ent steht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwir kung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich der Re zirkulations-Pumpe 9 nachgefördert wird.
Nachdem das Rezirkulationsmedium in der Strahlpumpe 10 durch das Treibme dium beschleunigt wurde und sich beide Medien vermischt haben, strömt das vermischte Medium durch die Zuströmleitung 3 zur Brennstoffzelle 30, insbeson dere zum Anodenbereich 31.
In Fig. 4 ist eine Membran 34 der Rohrwandung 36 gezeigt, wobei die Membran
34 als perspektivische Schnittansicht gezeigt ist. Die Membran 34 ist dabei als eine semipermeable Membran 34 ausgebildet, wobei die Membran 34, wie in Fig. 4 gezeigt, durchlässig gegenüber dem Bestandteil hh des Mediums ist und wobei die Membran 34 undurchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbesondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Be- standteils. Dabei sind die Bestandteile H2O und N2 des Mediums zu groß, um durch die Struktur, insbesondere die Gitterstruktur der Membran 34 zu diffundie ren, während der Bestandteile H2 des Mediums klein genug ist, um durch die Struktur der Membran 34 zu diffundieren.
Fig. 5 zeigt, dass das Rohr 35 die Rohrwandung 36 ausbildet, wobei die Rohr- wandung 36 als Membran 34 ausgebildet ist, wobei die Membran 34 durchlässig gegenüber dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran 34 un- durchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, insbe- sondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils. In Fig. 5 ist da- bei gezeigt, dass mehrere Rohre 35 zu dem Rohrbündel 37 zusammengefasst werden können, wobei die Rohre 35 in einer möglichen Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 parallel zueinander verlaufen. Dabei ist gezeigt, dass ein Herausbewegen vom Bestandteil H2 des Mediums aus dem jeweiligen Rohr 35, inbesondere durch die Rohrwandung 36, in den Beruhigungsraum 12 erfolgt, während ein Herausbewegen der Bestandteile H2O und N2 des Mediums aus dem Rohr 35, inbesondere durch die Rohrwandung 36, verhindert wird. Die Bestandteile H2O und N2 können daher nur in Richtung des zweiten Auslasses 24 weiterströmen, wobei die Bestandteile H2O und N2 durch den zweiten Auslass 24 in den zweiten Behälter 6b weiterströmen (gezeigt in Fig. 3). In einer vorteil- haften Ausführungsform des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 2 besteht ein Druckun- terschied zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des Rohres
35 oder des Rohrbündels 37, wodurch ein Herausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr 35 oder des Rohrbündels 37, inbesondere durch die Rohrwandung 36, in den Beruhigungsraum 12 unterstützt wird. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich.

Claims

Ansprüche
1. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) zum Abscheiden von zumindest einem flüssi gen Bestandteil, insbesondere H2O, von einem gasförmigen Bestandteil, ins- besondere H2, mit wenigstens einem Behälter (6), dem über einen Einlass
(16) ein Medium zugeführt wird, wobei eine Abscheidung zumindest des flüs- sigen Bestandteils des Mediums im wenigstens einen Behälter (6) erfolgt, wobei der abgeschiedene Bestandteil des Mediums über ein Abführventil (46) aus dem wenigstens einen Behälter (6) abgeführt wird, und der verblei- bende gasförmige Bestandteil des Mediums, insbesondere H2, über einen ersten Auslass (18) in eine Abströmleitung (5) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum flüssigen Bestandteil, insbesondere H2O, ein gasförmiger Bestandteil N2 vom Medium durch den Gas-Flüssig- keitsabscheider (2) abgeschieden wird.
2. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile H2O und N2 mittels des Zentrifugalprinzips vom Medium, insbesondere vom Bestandteil Fh des Mediums abgeschieden wer- den.
3. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (6) eine Behälterwand
(17), eine Trennwand (8), eine Trennkante (15), einen Beruhigungsraum (12), ein Reservoir (14) und einen Auslasskanal (20) aufweist, wobei die Trennwand (8) auf der der Behälterwand (17) zugewandten Seite eine Dü- senspitze (13) aufweist und die Behälterwand (17) einen gekrümmten Be- reich (23) aufweist.
4. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium vom Beruhigungsraum (12) kommend beim Vorbei- strömen an dem gekrümmten Bereich (23) und/oder der Düsenspitze (13) in einer Strömungsrichtung V eine derartige Auslenkung erfährt, dass die Be- standteile H2O und N2 aufgrund Ihrer Maße eine weniger starke Auslenkung und der leichte Bestandteil H2 aufgrund seiner Maße eine höhere Auslen- kung erfahren.
5. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium nach dem Vorbeiströmen am gekrümmten Bereich (23) und/oder der Düsenspitze (13) auf die T rennkante (15) trifft, wobei der leichte Bestandteil H2 in einer Strömungsrichtung VII zum Auslasskanal (20) abgelenkt und die Bestandteile H2O und N2 in einer Strömungsrichtung VI zum Reservoir (14) abgelenkt werden.
6. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrere Behälter (6a, b) aufweist, wobei ein erster Behälter (6a) den Einlass (16), wenigstens ein Rohr (35) und einen Beruhigungsraum (12) aufweist, wobei das Rohr (35) innerhalb des ersten Behälters (6a) ange- ordnet ist, wobei ein zweiter Behälter (6b) ein Reservoir (14) und eine Sen- sorik (22) aufweist und wobei das Rohr (35) fluidisch mit dem Einlass (16) der ersten Behälters (6a) und mit dem Reservoir (14) des zweiten Behälters (6b) verbunden ist.
7. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (35) eine Rohrwandung (36) ausbildet, wobei die Rohr- wandung (36) als eine Membran (34) ausgebildet ist, insbesondere als eine semipermeable Membran (34), wobei die Membran (34) durchlässig gegen- über dem Bestandteil H2 des Mediums ist und wobei die Membran (34) un- durchlässig gegenüber den Bestandteilen H2O und N2 des Mediums ist, ins- besondere aufgrund der Molekülgröße des jeweiligen Bestandteils.
8. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Herausbewegen vom Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), in den Beruhigungs- raum (12) erfolgt, während ein Herausbewegen der Bestandteile H20 und N2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), verhindert wird.
9. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckunterschied zwischen dem inneren Bereich und dem äu- ßeren Bereich des Rohres (35) besteht, wodurch ein Herausbewegen des Bestandteil H2 des Mediums aus dem Rohr (35), inbesondere durch die Rohrwandung (36), in den Beruhigungsraum (12) unterstützt wird.
10. Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rohre (35) zu einem Rohrbündel (37) zusammengefasst werden, wobei die Rohre (35) jeweils fluidisch mit dem Einlass (16) der ersten Behälters (6a) und mit Reservoir (14) des zweiten Behälters (6b) verbunden sind.
1 1. Brennstoffzellenanordnung umfassend einen Gas-Flüssigkeitsabscheider (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoff- zufuhr zu und/oder Wasserstoffabfuhr von einer Brennstoffzelle (30).
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