WO2021058375A1 - Vorrichtung zur abscheidung von wasser aus einem wasser-dampf-luft-gemischstrom - Google Patents

Vorrichtung zur abscheidung von wasser aus einem wasser-dampf-luft-gemischstrom Download PDF

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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device for separating water from a water-steam-air mixture flow with an input connection component, an output connection component and a container for collecting and storing water.
  • Hydrogen-based fuel cells are considered to be the basis for a mobility concept of the future, as they essentially only emit water, liquid or as steam, and enable fast refueling times.
  • PEM fuel cells PEM: "proton exchange membrane”; proton exchange membrane
  • PEM proton exchange membrane
  • electrocatalytic electrode process with air supplied to the fuel cell as an oxidizing agent and hydrogen supplied to the fuel cell as fuel, to provide electrical energy with a high degree of efficiency.
  • fuel cells produce excess deionized water as a by-product.
  • a fuel cell system that is operated at a constant output of 150 kW can produce 70 liters of water per hour.
  • This product water which is generated when a fuel cell stack is in operation, is only used in some fuel cell systems to humidify the air supplied to the fuel cell stack by means of a humidifier. Further uses are not provided in the prior art, so that there this water is released into the environment.
  • a device can be provided in the cathode from the air of the fuel cell stack to be deposited.
  • a device for separating water, a use, and a vehicle are proposed according to the features of the independent claims, which at least in part achieve the objects described.
  • Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims and the following description.
  • the invention is based on the knowledge that a cathode exhaust air stream of a fuel cell stack has a two-phase mixture of water, steam and air and thus the water is advantageously separated from the cathode exhaust air stream by means of a device that uses a number of different physical effects .
  • a device for separating water from a water-steam-air mixture flow which has an input connection component for introducing the water-steam-air mixture flow into the device, an output connection component for discharging the water Has steam-air mixture flow, and a container for collecting and storing water.
  • the input connection component and the output connection component are connected to the container in such a way that the water-steam-air mixture flow that is introduced into the input connection component is passed through the container and the output connection component and a
  • the end piece of the inlet connection component facing the container interacts with an inner volume of the container in such a way that an effective diameter for guiding the water-steam-air mixture flow is suddenly increased in order to separate the water from the water-steam-air mixture flow.
  • an emergency cooling reservoir can be provided, which can be used in the event of a threat of overheating of a component in the vehicle.
  • excess water can also be used for evaporative cooling for components to be cooled by applying the water to the components in a dosed manner. This retention of part of the water from the escaping water-steam-air mixture flow from vehicles operated with fuel cell stacks, for example, avoids freezing puddles at red lights in winter.
  • the water contained in the water vapor is condensed according to a diffuser, that is, by the sudden increase in the effective cross-section for the flowing water-steam-air mixture at the transition of the end piece of the inlet connection component, the flow speed is reduced and the static pressure of the mixture in the container increases accordingly in order to condense the water.
  • a flexible and needs-based use of the water contained in the water-steam-air mixture flow can be provided, whereby a responsible use of water is made possible, in particular also for use in regions with a lack of water.
  • the release of product water to the environment, for example when operating a fuel cell stack, is temporally decoupled from the stack operation.
  • the water produced can be used for any purpose.
  • the integrated system which can be set up with such a device, enables advantageous use of resources in the humidity and temperature management of a fuel cell system.
  • the condensed water can also be used to cool the fuel cell stack itself.
  • Another application is the humidification of the interior air or the air conditioning of the vehicle. This is achieved, for example, by atomizing water taken from the tank and adding it to the air flow of the air conditioning system.
  • the water can also be used for electrolysis. Due to the purity of the water, it is particularly suitable for electrolysis through coupling with an electrolyser. This can be done at home, for example, after the vehicle has been parked.
  • the water Since the water is extremely pure, it can also be used as drinking water.
  • the water can also optionally be mineralized and made available to the vehicle occupants via suitable lines on a tap, such as a tap or a machine for hot or cold drinks be asked.
  • a tap such as a tap or a machine for hot or cold drinks be asked.
  • it can also be used as service water. Especially with larger ones
  • the water can be used for flushing toilets or a shower in passenger transport vehicles such as buses or campers.
  • Another application is the use of the water for a windshield wiper, e.g. the windshield, the light, etc. This increases the maintenance intervals for these systems. Excess water can be drained off in a targeted manner.
  • the container for collecting and storing the water can have a flexible shape that is adapted to a specific use of the device and can thus be adapted to different spatial installation conditions of different vehicle types.
  • the container can be designed in the form of a tank bladder in a free form in order to fill a vehicle-specific installation space.
  • the inlet connection component or the outlet connection component can be designed in such a way that the water-steam-air mixture flow is introduced or discharged vertically, horizontally or at an angle to a water surface in the container.
  • the device can be arranged both after and in front of the turbine.
  • An arrangement behind the turbine results in the advantage of a lower pressure level, which results in lower requirements for the designs of the tank.
  • the end piece of the inlet connection component for swirling the water-steam-air mixture flow, protrudes less deeply into the container than a section of the outlet connection component facing the container.
  • the inlet connection component has an impact surface for separating water from the water-steam-air mixture flow, and the water-steam-air mixture flow into the Initiates container.
  • the outlet connection component has a baffle surface for separating water from the water-steam-air mixture flow, and directs the water-steam-air mixture flow out of the container.
  • the end piece of the inlet connection component interacts with the inflowing water-steam-air mixture flow in such a way that a swirl flow of the water-steam-air mixture flow for separating the water from the water A mixture of steam and air is created.
  • the device has features to separate water from the water-steam-air mixture flow by means of a further physical effect.
  • the swirl flow creates a physical effect similar to a cyclone separator, in which water droplets are guided in a rotating fluid flow to an inside of an outer wall.
  • a surface of the stored water advantageously also acts as a condensation surface.
  • the water surface in the tank usually has a lower temperature than the fluid mass flow, as a result of which condensation in the tank on the water surface is promoted from the temperature difference.
  • the input connection component have at least one cooling element to improve the heat exchange of a wall of the input connection component with the ambient air.
  • a cooling element can be designed, for example, in the form of cooling ribs and dissipate heat of condensation to a surrounding air or air flow.
  • a heat-conducting sleeve can be provided which is integrated into the inlet connection component, which is affected by the mixture flow is flowed through.
  • Such a heat-conducting sleeve can be provided with cooling fins on the outside in order to dissipate the heat to the environment.
  • Such a cooling element can also be thermally coupled to a cooling system that removes the heat, for example by means of a liquid flow.
  • the output connection component can have a cooling element corresponding to the input connection component.
  • the section of the outlet connection component facing the container has a section which has an increasing cross-sectional area in the flow direction of the water-steam-air mixture flow in order to separate the water from the water-steam-air mixture flow .
  • This increase in the cross-sectional area in the direction of flow reduces the flow velocity of the water-steam-air mixture flow in order to promote the condensation of the water contained.
  • the section of the outlet connection component facing the container has a device for swirling the water-steam-air mixture flow.
  • the output connection component has at least one cooling element to improve the heat exchange of a wall of the output connection component with the ambient air. This provides a further surface of the device on which water of the mixed flow can condense.
  • the separation of water from the water-steam-air mixture flow in this device takes place through devices which cause deflections, turbulences, swirl flows, changes in flow velocities, pressure changes and cooling effects of the water-steam-air mixture flow.
  • the input connection component and the output connection component are connected to the container by means of an equipment carrier in such a way that the water-steam-air mixture flow that is introduced into the input connection component passes through the container and the Output connection component is passed through.
  • Such a device carrier can advantageously be connected to the container, such as a tank bladder of different shapes, for example.
  • a connection can be made, for example, by a plastic welding process or the device carrier can be connected to the container by means of a connecting element such as a clamping device, a screwing device or a clamp connection.
  • the container as well as the internals and the equipment carrier can be designed to be ice pressure-resistant, so that damage due to possible freezing of water is excluded. Furthermore, a heater can be attached to the equipment rack in order to prevent or reverse ice formation at low temperatures.
  • a uniform device carrier can be connected to differently shaped containers and thus flexibly adapted to different uses. This enables a design that can be adapted to the respective installation space of a vehicle type, together with a compact and space-saving structure.
  • the equipment carrier thus enables the interfaces in the container ceiling or container lid to be standardized, which also significantly reduces costs here and the vehicle-specific / individual installation situation / installation space thanks to the flexible Tank bladder still allows. In addition, development costs and testing costs can be saved to a significant extent.
  • the tank bladder and the equipment rack are designed so that the water can freeze without causing ice pressure damage.
  • a standardized device carrier can reduce costs through greater market coverage and higher quantities, and the flexible tank bladder allows flexible integration into different vehicles and installation spaces.
  • the equipment carrier is set up to accommodate further components.
  • the equipment rack has pumps and / or actuators and / or a container ventilation system and / or sensors as further components.
  • Such a sensor can be, for example, a level sensor that detects the filling level of the container, a temperature sensor for detecting the water temperature or a pressure sensor as part of a measurement and control system for pumping the water into a pressure line.
  • the device can have active components such as a pump and / or passive components.
  • the container In the simplest case, the container only has an overflow pipe.
  • the device can have a control device for acquiring sensor data from a sensor or a plurality of sensors and for controlling the one or more actuators, such as a pump, based on the sensor data of the device.
  • the sensor data are, for example, temperature data of the water in the water tank, in connected lines or any components in the vehicle that need to be cooled, on the basis of which pumps, valves or heaters can be controlled.
  • the control unit has logic circuits, such as logic components such as FPGA, CPLD, processors, Microprocessors, ASICs or simple logic modules, as well as analog and digital control circuits and interfaces to sensors and actuators.
  • the control device can also have analog-to-digital and / or digital-to-analog converters, as well as integrated or external memory cells in which sensor data, characteristic values and program elements can be stored.
  • the container has a floor equipment rack which is arranged on an underside of the container.
  • the floor equipment carrier has a pump for conveying the collected water of the container.
  • Such a floor equipment carrier can have various components such as at least one pump, a level sensor, a filter or a heater.
  • the floor equipment carrier can be connected in a watertight manner to the container, which is designed, for example, in the form of a flexible tank bladder, by means of a sealing weld or a connecting element.
  • a use of the device described above for separating water from the cathode exhaust air of a fuel cell stack is proposed.
  • the device can be used for mobile and stationary fuel cell systems.
  • a vehicle has a device for separating water from the cathode exhaust air of a fuel cell stack, as described above.
  • a method for providing water by means of a device as described above for a vehicle operated with fuel cells is proposed.
  • a cathode exhaust air from a fuel cell stack is fed via a feed line to the device for generating condensed water.
  • water contained in the cathode exhaust air is collected in a container.
  • the condensed water is conveyed out of the container to provide the condensed water for use.
  • a program element when it is executed on a control unit of a device described above, controls the device to carry out the following steps:
  • the program element thus contains the logic for evaluating the sensor data and for controlling the actuators.
  • the program element can also have a user interface in order, for example, to react to an actuation of a digital or analog button, in order, for example, to provide water with a specific temperature and quantity by the device.
  • a computer-readable medium such as the above-mentioned integrated or external memory cells, on which the program element is stored.
  • a method for providing water by the device described is proposed for a vehicle operated with fuel cells.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the method can have further steps according to the description of the device.
  • the condensed water can be conveyed out of the water tank, in particular by a pump, wherein the pump can have further devices, such as a return arrangement and / or an overflow device.
  • the water conveyed from the container or condensed water can over a branching pressure line or a branching rail and can be fed to several different applications via metering valves.
  • the water can also be heated in the water tank or in the pipes.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device for separating water
  • FIG. 2a shows a further embodiment of a device for separating water
  • FIG. 2b shows a plan view of the further embodiment of FIG. 2a
  • FIG. 3a shows a further embodiment of a device for separating water
  • FIG. 3b shows a plan view of the further embodiment of FIG. 3a
  • FIG. 1 shows a device 100 for separating water from a water-steam-air mixture flow, which has an input connection component 110 for introducing the water-steam-air mixture flow into device 100, and an output connection component 120 for discharge of the water-steam-air mixture flow, and a container 130 for collecting and storing water 132.
  • the input connection component 110 and the output connection component 120 are connected to the container 130 in such a way that the water-steam-air mixture flow that is introduced into the input connection component 110 passes through the container 130 and the output connection component 120 is passed through, and an end piece 112 of the input connection component 110 facing the container 130 cooperates with an inner volume 134 of the container 130 that an effective diameter for guiding the water-steam-air mixture flow is suddenly increased around the water to be separated from the water-steam-air mixture flow.
  • the end piece 112 of the inlet connection component 110 protrudes less deeply into the container 130 than a section 122 of the outlet connection component 120 facing the container 130 in order to swirl the water-steam-air mixture flow.
  • the inlet connection component 110 has a baffle 114 for separating water from the water-steam-air mixture flow and guides the water-steam-air mixture flow into the container 130.
  • the outlet connection component 120 has a baffle 124 for separation of water from the water-steam-air mixture flow, and diverts the water-steam-air mixture flow from the container 130.
  • the inlet connection component 110 and the outlet connection component 120 are connected to the container 130 by means of a device carrier 140 in such a way that the water-steam-air mixture flow that is introduced into the input connection component 110 passes through the container 130 and the outlet connection Component 120 is passed through.
  • This equipment carrier 140 can be set up to accommodate further components such as sensors 142, for example.
  • Such components can be actuators such as pumps or sensors such as e.g. B. temperature sensors or level sensors or a container ventilation system.
  • the device carrier 140 can be connected in a watertight manner to the container 130, which is designed, for example, in the form of a flexible tank bladder, by means of a sealing weld or a connecting element.
  • the device 100 has a floor equipment carrier 150 with a pump 152 for conveying the collected water 132 of the container 130 and can provide the water 132 via a connection 154.
  • Such a floor equipment carrier 150 can have further components such as, for example, a fill level sensor, a filter or a heater.
  • the floor equipment carrier 150 can be connected in a watertight manner to the container 130, which is designed for example in the form of a flexible tank bladder, by means of a sealing weld or a connecting element.
  • FIG. 2a shows a second embodiment of the device in which the same or corresponding features are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • the end piece 112 of the inlet connection component 110 interacts with the inflowing water-steam-air mixture flow in such a way that a swirl flow 136 of the water Steam-air mixture flow for Separation of the water from the water-steam-air mixture flow occurs.
  • the end piece 112 of the inlet connection component 110 is designed in such a way that the water-steam-air mixture flow is introduced into the container 130 at an oblique angle and at an oblique angle to the surface of the water 132.
  • the inlet connection component 110 can advantageously be designed in such a way that the water-steam-air mixture flow is introduced into the container 130 in a decentralized manner in order to promote the creation of a corresponding swirl flow 136.
  • FIG. 2b A corresponding exemplary embodiment of the device 200 with the input connection component 110 and the output connection component 120 is shown in a plan view in FIG. 2b.
  • the inlet connection component 110 directs a flow of the water-steam-air mixture into the container 130 in a decentralized manner at an oblique angle.
  • FIG. 2a shows a cooling element 118 for improving the heat exchange of a wall of the input connection component 110 with the ambient air.
  • a cooling element 118 can be designed, for example, in the form of cooling ribs 118 and dissipate condensation heat to a surrounding air or air flow.
  • a heat-conducting sleeve (not shown here) can be provided which is integrated into the inlet connection component 110 through which the mixture flow flows.
  • Such a heat-conducting sleeve can be provided with cooling fins 118 on an outside of the input connection component 110 in order to dissipate heat to the environment.
  • the output connection component 120 has a corresponding cooling element 128.
  • the section 122 of the outlet connection component 120 facing the container 130 has a section which has an increasing cross-sectional area 123 in the direction of flow of the water-steam-air mixture flow in order to remove the water from the water-steam - Separate air mixture flow.
  • This is indicated in FIG. 2a in that the sketched diameter of the section 122 facing the container is smaller than a diameter 123 for guiding the flow of the water-steam-air mixture flow in the direction of flow.
  • FIG. 3a shows a third embodiment of the device in which the same or corresponding features are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • the end piece 112 of the inlet connection component 110 interacts with the inflowing water-steam-air mixture flow in such a way that a swirl flow 136 of the water Steam-air mixture flow for separating the water from the water-steam-air mixture flow is created.
  • the swirl flow 136 is also achieved in that the end piece 112 of the inlet connection component 110 is designed in such a way that the water-steam-air mixture flow enters the container 130 at an oblique angle and at an oblique angle to the surface of the Water 132 is introduced.
  • the water-steam-air mixture is guided within the inlet connection component 110 straight through the equipment carrier 140 and only guided obliquely inside the container 130 into the upper region of the container 130.
  • the device carrier 140 can be made smaller for a given cross section of the guidance of the water-steam-air mixture flow and a given oblique angle.
  • the inlet connection component 110 can advantageously be designed in such a way that the water-steam-air mixture flow is introduced into the container 130 in a decentralized manner in order to promote the creation of a corresponding swirl flow 136.
  • FIG. 3b A corresponding exemplary embodiment of the device 200 with the input connection component 110 and the output connection component 120 is shown in a plan view in FIG. 3b.
  • the inlet connection component 110 directs a flow of the water-steam-air mixture into the container 130 in a decentralized manner.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom vorgeschlagen mit: einem Eingangsanschluss-Bauteil für die Einleitung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms in die Vorrichtung; einem Ausgangsanschluss-Bauteil für Abführung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms; einem Behälter zum Sammeln und Speichern von Wasser; wobei das Eingangsanschluss-Bauteil und das Ausgangsanschluss-Bauteil so mit dem Behälter verbunden sind, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil eingeleitet wird, durch den Behälter und das Ausgangsanschluss-Bauteil hindurch geleitet wird; und wobei ein dem Behälter zugewandtes Endstück des Eingangsanschluss-Bauteils mit einem Innenvolumen des Behälters so zusammen wirkt, dass ein wirksamer Querschnitt für eine Führung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms sprungartig vergrößert wird, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom abzuscheiden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf-Luft-
Gemischstrom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom mit einem Eingangsanschluss-Bauteil einem Ausgangsanschluss-Bauteil und einem Behälter zum Sammeln und Speichern von Wasser.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser, flüssig oder als Dampf, emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.:“proton-exchange-membran“; Protonen-Austausch-Membran) können mit einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführter Luft als Oxidationsmittel und einer Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff, in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
Bei dem elektrokatalytischen Prozess produzieren Brennstoffzellen im Überschuss deionisiertes Wasser als Beiprodukt. Beispielhaft kann ein Brennstoffzellen-System, welches bei einer konstanten Leistung von 150 kW betrieben wird, pro Stunde 70 Liter Wasser produzieren.
Offenbarung der Erfindung
Dieses Produktwasser, das im Betrieb eines Brennstoffzellen-Stack erzeugt wird, wird nur in manchen Brennstoffzellen-Systemen benutzt, um die zugeführte Luft für den Brennstoffzellen-Stack mittels eines Befeuchters zu befeuchten. Weitere Verwendungen sind im Stand der Technik nicht vorgesehen, so dass dort dieses Wasser an die Umgebung abgegeben wird. Um dieses Produktwasser abzuscheiden kann eine Vorrichtung in der Kathoden ab luft des Brennstoffzellen- Stacks vorgesehen sein.
Entsprechend einem Aspekt werden eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser, eine Verwendung, und ein Fahrzeug entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Kathoden-Abluftstrom eines Brennstoffzellen-Stacks ein zweiphasiges Gemisch aus Wasser, Dampf und Luft aufweist und somit das Wasser vorteilhafterweise mittels einer Vorrichtung, die eine Mehrzahl unterschiedlicher physikalischer Effekte nutzt, aus dem Kathoden- Abluftstrom abgeschieden wird.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom vorgeschlagen, die ein Eingangsanschluss-Bauteil für die Einleitung des Wasser- Dampf- Luft- Gemischstroms in die Vorrichtung, ein Ausgangsanschluss-Bauteil für Abführung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms, und einen Behälter zum Sammeln und Speichern von Wasser aufweist.
Dabei ist das Eingangsanschluss-Bauteil und das Ausgangsanschluss-Bauteil so mit dem Behälter verbunden, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil eingeleitet wird, durch den Behälter und das Ausgangsanschluss-Bauteil hindurch geleitet wird, und ein dem Behälter zugewandtes Endstück des Eingangsanschluss-Bauteils so mit einem Innenvolumen des Behälters zusammenwirkt, dass ein wirksamer Durchmesser für eine Führung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms sprungartig vergrößert wird, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom abzuscheiden.
Somit wird nicht alles in dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom eines Brennstoffzellen-Stacks enthaltene Wasser direkt in die Umwelt abgegeben, sondern wird zunächst in dem Behälter, beispielsweise einem Wassertank, gesammelt, und steht damit zur Nutzung für verschiedene Anwendungen zur Verfügung. Hierzu zählt beispielsweise eine Optimierung der Luftverdichtung durch Wassereinspritzung bei der Zuführung von Luft zu dem Brennstoffzellenstack, sowie eine flexible Befeuchtung der Kathodenluft oder des Anodenpfades durch Wassereinspritzung.
Weiterhin kann dadurch ein Notfallkühlungsreservoir bereitgestellt werden, auf das bei drohender Überhitzung einer Komponente im Fahrzeug zurückgegriffen werden kann. Aber auch generell kann überschüssiges Wasser zur Verdunstungskühlung für zu kühlende Bauteile verwendet werden, indem das Wasser dosiert auf die Bauteile gebracht wird. Vorteilhafterweise wird durch dieses Zurückhalten eines Teils des Wassers aus dem entweichenden Wasser- Dampf-Luft-Gemischstrom von beispielsweise mit Brennstoffzellen-Stacks betriebenen Fahrzeugen vermieden, dass im Winter gefrierende Pfützen an roten Ampeln entstehen.
Bei dieser Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen wird das im Wasserdampf enthaltene Wasser entsprechend einem Diffusor kondensiert, d.h. durch die sprungartige Vergrößerung des wirksamen Querschnittes für das strömende Wasser- Dampf- Luft- Gemisch am Übergang des Endstückes des Eingangsanschluss-Bauteils wird die Strömungsgeschwindigkeit verringert und der statische Druck des Gemisches im Behälter entsprechend erhöht, um das Wasser zu kondensieren.
Für mit Wasser gesättigte Luft eines Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms, der von einer Anordnung geführt wird, die an zwei unterschiedlichen Punkten der Anordnung unterschiedliche Querschnitte a bzw. A aufweist, kann vereinfacht für eine horizontale und reibungsfreie Strömung geschrieben werden:
Figure imgf000005_0001
mit dem stationären Druck paund der Geschwindigkeit des Gemischstroms vaan einer Stelle mit dem kleineren Querschnitt a und dem stationären Druck pAund der Geschwindigkeit des Gemischstroms VAan einer Stelle mit dem größeren Querschnitt A folgt daraus: pA > pa
Da gesättigte Luft mit höherem stationären Druck weniger Wasser aufnehmen kann als gesättigte Luft mit niedrigerem stationären Druck, folgt für die absolute Feuchte xws: XWSA < xwsa. D.h. im Bereich der Sättigung nimmt die absolute Feuchte nimmt beim Übergang einer Führung des Gemischstroms mit einem kleineren Querschnitt zu einem größeren Querschnitt ab. Daraus ergibt sich die Kondensation von Wasser innerhalb eines Diffusors in der beschriebenen Anordnung. Dadurch, dass dieser sprunghafte Übergang des wirksamen Querschnitts zwischen dem Endstück und dem Innenvolumen des Behälters angeordnet ist, ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise und das kondensierte Wasser wird in dieser Anordnung der Vorrichtung durch eine Wirkung der Schwerkraft direkt in den Behälter geleitet und aufgefangen. Durch die Kondensationsfunktion am Eingangsanschluss des Behälters ergibt sich eine Integration der Funktion der Wasserabscheidung in den Behälter zum Sammeln und Speichern von Wasser, woraus sich eine Optimierung des notwendigen Bauraums und eine Reduzierung von Kosten ergeben.
Mit dieser Vorrichtung kann eine flexible und bedarfsgerechte Nutzung des in dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom enthaltenen Wasser bereitgestellt werden, wodurch ein verantwortungsbewusster Umgang mit Wasser ermöglicht wird, insbesondere auch für einen Einsatz in Regionen mit Wassermangel. Die Produktwasserabgabe an die Umwelt, beispielsweise bei einem Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks, wird zeitlich vom Stackbetrieb entkoppelt. Das erzeugte Wasser kann zur beliebigen Nutzung verwendet werden. Durch das integrierte System, das mit einer solchen Vorrichtung aufgebaut werden kann, ist eine vorteilhafte Ressourcennutzung im Feuchte- und Temperatur-Management eines Brennstoffzellen-Systems möglich.
Das kondensierte Wasser kann ferner zu Kühlung des Brennstoffzellenstacks selbst verwendet werden.
Eine weitere Anwendung ist die Befeuchtung der Innenraumluft bzw. Klimatisierung des Fahrzeugs. Diese wird erreicht, indem zum Beispiel dem Tank entnommenes Wasser zerstäubt und dem Luftstrom der Klimaanlage zugefügt wird.
Ferner kann das Wasser für eine Elektrolyse genutzt werden. Aufgrund der Reinheit des Wassers eignet es sich besonders gut für die Elektrolyse durch eine Kopplung mit einem Elektrolyseur. Diese kann beispielsweise nach dem Abstellen des Fahrzeugs zu Hause durchgeführt werden.
Da das Wasser hoch rein ist, kann es auch als Trinkwasser verwendet werden. Hierbei kann das Wasser auch optional mineralisiert werden und z.B. über geeignete Leitungen an einem Hahn, wie z.B. einem Zapfhahn oder einem Automaten für Heiß- oder Kaltgetränke den Fahrzeuginsassen zur Verfügung gestellt werden. Neben der Verwendung als Trinkwasser ist eine Nutzung als Brauchwasser möglich. Insbesondere bei größeren
Personentransportfahrzeugen, wie z.B. bei Bussen oder Campingwagen, kann das Wasser für die WC-Spülung oder eine Dusche verwendet werden. Eine weitere Anwendung ist die Nutzung des Wassers für einen Scheibenwischer z.B. der Frontscheibe, des Lichts, etc. Hierdurch werden die Wartungsintervalle für diese Anlagen vergrößert. Überschüssiges Wasser kann gezielt abgelassen werden.
Dabei kann der Behälter zum Sammeln und Speichern des Wassers eine flexible Form aufweisen, die einer speziellen Nutzung der Vorrichtung angepasst wird, und kann so unterschiedlichen räumlichen Einbaubedingungen unterschiedlicher Fahrzeugtypen angepasst werden. Insbesondere kann der Behälter in Form einer Tankblase in einer Freiform ausgeführt sein, um einen fahrzeugspezifisch gegebenen Bauraum auszufüllen.
Das Eingangsanschluss-Bauteil bzw. das Ausgangsanschluss-Bauteil kann so ausgeführt sein, dass eine Einleitung bzw. eine Abführung des Wasser-Dampf- Luft-Gemischstroms vertikal, horizontal oder auch in einem Winkel zu einer Wasseroberfläche im Behälter erfolgt.
In einem System zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks mit Energierekuperation im Abluftpfad mittels einer Turbine kann die Vorrichtung sowohl nach als auch vor der Turbine angeordnet sein. Bei einer Anordnung hinter der Turbine ergibt sich der Vorteil eines geringeren Druckniveaus, wodurch sich geringere Anforderungen an Ausführungen des Tanks ergeben.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Endstück des Eingangsanschluss-Bauteils, zum Verwirbeln des Wasser- Dampf- Luft- Gemischstroms, weniger tief in den Behälter ragt, als ein dem Behälter zugewandtes Teilstück des Ausgangsanschluss-Bauteils.
Durch ein solches Verwirbeln des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms wird eine längere Verweilzeit des Gemischstroms in dem Behälter erreicht, um weiteres Wasser in einem Gleichgewichtsprozess aus dem Gemischstrom abzuscheiden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Eingangsanschluss-Bauteil eine Prallfläche zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft- Gemischstrom aufweist, und den Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom in den Behälter einleitet. Außerdem weist das Ausgangsanschluss-Bauteil eine Prallfläche zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft- Gemischstrom auf, und leitet den Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom aus dem Behälter aus.
Im Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom liegen an einem Teil der Betriebspunkte auch feinverteilte Wassertröpfchen in der Strömung vor. Durch die Massen- Trägheit der Tröpfchen treffen diese teilweise an den Prallflächen auf, vereinigen sich zu einem Wasserfilm und können als Flüssigkeit abgeleitet werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Endstück des Eingangsanschluss-Bauteils mit dem einströmenden Wasser-Dampf- Luft- Gemischstrom so zusammenwirkt, dass in einem Innenvolumen des Behälters eine Drallströmung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms zur Abscheidung des Wassers aus dem Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom entsteht.
Entsprechend diesem Aspekt weist die Vorrichtung Merkmale auf, um mittels eines weiteren physikalischen Effektes Wasser aus dem Wasser- Dampf- Luft- Gemischstrom abzuscheiden. Durch die Drallströmung wird ein physikalischer Effekt ähnlich einem Zyklon-Abscheider bewirkt, bei dem Wassertröpfchen in einem rotierenden Fluid-Strom an eine Innenseite einer Außenwand geführt werden. Vorteilhafterweise wirkt bei der hier vorgeschlagenen Vorrichtung eine Oberfläche des gespeicherten Wassers zusätzlich als Kondensationsfläche. Dabei hat die Wasseroberfläche im Tank meist eine niedrigere Temperatur als der Fluidmassenstrom, wodurch aus der Temperaturdifferenz eine Kondensation in dem Tank an der Wasseroberfläche gefördert wird.
Durch das beschriebene Zusammenwirken entfällt eine weitere Vorrichtung zum Einleiten des kondensierten Wassers in einen Behälter. Dadurch wird die Bauform der Vorrichtung kompakter.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Eingangsanschluss-Bauteil zumindest ein Kühlelement zur Verbesserung eines Wärmeaustausches einer Wandung des Eingangsanschluss-Bauteils mit der Umgebungsluft aufweist. Ein solches Kühlelement kann zum Beispiel in Form von Kühlrippen ausgeführt sein und Kondensationswärme an eine umgebende Luft bzw. Luftströmung abführen. Insbesondere kann eine wärmeleitende Hülse vorgesehen sein, die in das Eingangsanschluss-Bauteil integriert ist, die von der Gemischströmung durchströmt wird. Eine solche wärmeleitende Hülse kann auf der Außenseite zur Abgabe der Wärme an die Umgebung mit Kühlrippen versehen sein.
Ein solches Kühlelement kann auch mit einem Kühlsystem thermisch gekoppelt sein, das die Wärme beispielsweise durch eine Flüssigkeitsströmung abtransportiert.
Dadurch wird erreicht, dass durch den Temperaturunterschied des Wasser- Dampf- Luft-Gemischstroms gegenüber einer Fläche des Eingangsanschluss- Bauteils mit einem weiteren Merkmal der Vorrichtung das enthaltene Wasser kondensieren kann.
Das Ausgangsanschluss-Bauteil kann ein Kühlelement entsprechend dem Eingangsanschluss-Bauteil aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das dem Behälter zugewandte Teilstück des Ausgangsanschluss-Bauteils einen Abschnitt aufweist, der in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms eine zunehmende Querschnittsfläche aufweist, um das Wasser aus dem Wasser- Dampf- Luft-Gemischstrom abzuscheiden.
Diese Zunahme der Querschnittsfläche in Strömungsrichtung reduziert die Strömungsgeschwindigkeit des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms, um das Kondensieren von enthaltenem Wasser zu begünstigen.
Dadurch kann gegebenenfalls ein weiterer Wasseranteil des Wasser- Dampf- Luft- Gemischstroms, der aus der Vorrichtung ausgeleitet wird, entsprechend dem oben beschriebenen Diffusor- Effekt kondensieren und in den Behälter geleitet werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das dem Behälter zugewandte Teilstück des Ausgangsanschluss-Bauteils eine Vorrichtung zum Verwirbeln des Wasser-Dampf- Luft-Gemischstroms aufweist.
Hierdurch wird eine weitere Verlängerung der Verweilzeit des Gemischstroms im Bereich des Behälters für eine effektivere Kondensation des Wassers aus dem Gemischstrom bewirkt.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Ausgangsanschluss-Bauteil zumindest ein Kühlelement zur Verbesserung des Wärmeaustausches einer Wandung des Ausgangsanschluss-Bauteils mit der Umgebungsluft aufweist. Hierdurch wird eine weitere Oberfläche der Vorrichtung bereitgestellt, an der Wasser des Gemischstroms kondensieren kann.
Mit anderen Worten erfolgt die Abscheidung von Wasser aus dem Wasser- Dampf-Luft-Gemischstrom in dieser Vorrichtung durch Einrichtungen, die Umlenkungen, Verwirbelungen, Drallströmungen, Änderungen der Strömungsgeschwindigkeiten, Druckänderungen und Abkühlwirkungen des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstromes bewirken.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Eingangsanschluss-Bauteil und das Ausgangsanschluss-Bauteil mittels eines Geräteträgers so mit dem Behälter verbunden sind, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil eingeleitet wird, durch den Behälter und das Ausgangsanschluss-Bauteil hindurch geleitet wird.
Vorteilhafterweise kann ein solcher Geräteträger mit dem Behälter, wie beispielsweise einer Tankblase unterschiedlicher Form verbunden werden. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch ein Kunststoff-Schweißen- Verfahren erfolgen oder der Geräteträger kann mit dem Behälter mittels eines Verbindungselementes wie beispielsweise einer Spannvorrichtung, einer Schraubvorrichtung oder einer Klemmverbindung verbunden werden.
Dabei können der Behälter sowie die Einbauten und der Geräteträger eisdruckfest ausgeführt sein, sodass Schäden durch mögliches Gefrieren von Wasser ausgeschlossen werden. Weiterhin kann am Geräteträger eine Heizung befestigt sein, um eine Eisbildung bei niedrigen Temperaturen zu verhindern oder rückgängig zu machen.
Dies ermöglicht eine modulare Herstellung der Vorrichtung mit dem Geräteträger und dem Behälter. Dabei kann ein einheitlicher Geräteträger mit unterschiedlich geformten Behältern verbunden werden und so unterschiedlicher Verwendung flexibel angepasst werden. Dies ermöglicht eine Bauform, die dem jeweiligen Bauraum eines Fahrzeugtyps angepasst werden kann, zusammen mit einem kompakten und platzsparenden Aufbau.
Der Geräteträger ermöglicht dadurch eine Standardisierung der Schnittstellen in der Behälterdecke bzw. Behälterdeckel, wodurch hier auch ein Skaleneffekl/Stückzahleffekt die Kosten deutlich reduziert und die fahrzeugspezifische/individuelle Einbausituation/Bauraum durch die flexible Tankblase weiterhin ermöglicht. Zudem können Entwicklungskosten und Erprobungskosten in signifikantem Maße gespart werden.
Die Tankblase sowie die Geräteträger sind so ausgeführt, dass das Wasser einfrieren kann ohne Eisdruckschäden zu verursachen.
Bezüglich der Wirtschaftlichkeit in der Herstellung kann durch einen standardisierbaren Geräteträger eine Kostenreduzierung durch eine größere Marktabdeckung und höhere Stückzahlen erreicht werden, und die flexible Tankblase erlaubt die flexible Integration in verschiedene Fahrzeuge und Bauräume.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Geräteträger eingerichtet ist, weitere Komponenten aufzunehmen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Geräteträger Pumpen und/oder Aktuatoren und/oder eine Behälterentlüftung und/oder Sensoren als weitere Komponenten aufweist.
Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Füllstandsensor sein, der einen Befüllungsgrad des Behälters detektiert, ein Temperatursensor zur Erfassung der Wassertemperatur oder ein Drucksensor als Bestandteil eines Mess- und Regelsystems für das Pumpen des Wassers in eine Druckleitung.
Zur Bereitstellung des kondensierten Wassers kann die Vorrichtung aktive Komponenten wie beispielsweise eine Pumpe und/oder passive Komponenten aufweisen. Im einfachsten Fall weist der Behälter lediglich ein Überlaufrohr auf.
Die Vorrichtung kann ein Steuergerät zur Erfassung von Sensordaten eines Sensors oder mehrerer Sensoren und zur Steuerung des einen oder der mehreren Aktuatoren, wie beispielsweise einer Pumpe, basierend auf den Sensordaten der Vorrichtung aufweisen. Die Sensordaten sind zum Beispiel Temperaturdaten des Wassers im Wassertank, in angeschlossenen Leitungen oder eventuell zu kühlenden Bauteilen im Fahrzeug, auf Basis derer Pumpen, Ventile oder Heizungen gesteuert werden können. Durch Einbeziehung des Füllstands des Behälters kann ein Überlauf oder ein Leerlauf des Behälters verhindert werden oder z. B. das Einschalten einer Pumpe gesteuert werden, wenn kein Wasser vorhanden ist. Das Steuergerät weist logische Schaltungen auf, wie zum Beispiel logische Bauelemente wie FPGA, CPLD, Prozessoren, Mikroprozessoren, ASICs oder einfachen Logikbausteinen, sowie analoge und digitale Steuerungsschaltkreise und Schnittstellen zu Sensoren und Aktuatoren. Das Steuergerät kann weiterhin Analog-zu-Digital und/oder Digital-zu-Analog- Wandler aufweisen, sowie integrierte oder externe Speicherzellen in denen Sensordaten, Kennwerte, und Programmelemente gespeichert werden können.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Behälter einen Boden- Geräteträger aufweist, der an einer Unterseite des Behälters angeordnet ist.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Boden-Geräteträger eine Pumpe für ein Fördern des gesammelten Wassers des Behälters aufweist.
Ein solcher Boden-Geräteträger kann verschiedene Komponenten wie beispielsweise zumindest eine Pumpe, einen Füllstandsensor, einen Filter oder eine Heizung aufweisen.
Der Boden-Geräteträger kann mit dem Behälter, der beispielsweise in Form einer flexiblen Tankblase ausgeführt ist, mittels einer Dicht-Schweißung oder einem Verbindungselement wasserdicht verbunden werden.
Es wird eine Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer Kathodenabluft eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen. Dabei kann die Vorrichtung für mobile und stationäre Brennstoffzellensysteme verwendet werden.
Es wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, dass eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer Kathodenabluft eines Brennstoffzellen-Stacks, wie sie oben beschrieben ist, aufweist.
Es wird ein Verfahren zur Bereitstellung von Wasser durch eine oben beschriebene Vorrichtung für ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug vorgeschlagen. In einem Schritt des Verfahrens wird eine Kathodenabluft aus einem Brennstoffzellen-Stack über eine Zuleitung zu der Vorrichtung zur Erzeugung von kondensiertem Wasser zugeführt. In einem weiteren Schritt wird in der Kathodenabluft enthaltenes Wasser in einem Behälter gesammelt. In einem weiteren Schritt wird das kondensierte Wasser aus dem Behälter zur Bereitstellung des kondensierten Wassers für eine Nutzung befördert. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Programmelement, wenn es auf einem Steuergerät einer oben beschriebenen Vorrichtung ausgeführt wird, die Vorrichtung steuert, die folgenden Schritte durchzuführen:
- Zuführen von Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom aus einem Brennstoffzellen- Stack über eine Zuleitung zu einem Eingangsanschluss-Bauteil der Vorrichtung;
- Erfassen und Verarbeiten von Sensordaten, um einen Wasser- Füllstand im Behälter zu ermitteln;
- Ansteuern eines Aktuators auf Basis der erfassten Sensordaten und/oder Nutzereingaben; und
- Befördern von Wasser aus dem Behälter zur Bereitstellung des Wassers für eine Nutzung.
Das Programmelement beinhaltet somit die Logik zur Auswertung der Sensordaten und zur Steuerung der Aktuatoren. Das Programmelement kann auch eine Nutzerschnittstelle aufweisen, um zum Beispiel auf eine Betätigung eines digitalen oder analogen Knopfes zu reagieren, um zum Beispiel durch die Vorrichtung Wasser mit einer bestimmten Temperatur und Menge bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt wird ein computerlesbares Medium vorgeschlagen, wie zum Beispiel die oben erwähnten integrierten oder externen Speicherzellen, auf welchem das Programmelement gespeichert ist.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bereitstellung von Wasser durch die beschriebene Vorrichtung für ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug vorgeschlagen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- Zuführen von Kathodenabluft aus einem Brennstoffzellen -Stack über eine Zuleitung zu der Vorrichtung zur Erzeugung von kondensiertem Wasser;
- Sammeln des kondensierten Wassers in einem Wassertank;
- Befördern des kondensierten Wassers aus dem Wassertank zur Bereitstellung des kondensierten Wassers für eine Nutzung.
Die Methode kann weitere Schritte gemäß der Beschreibung der Vorrichtung aufweisen. Ferner kann das Befördern des kondensierten Wassers aus dem Wassertank insbesondere durch eine Pumpe bewerkstelligt werden, wobei die Pumpe weitere Einrichtungen, wie zum Beispiel eine Rücklaufanordnung und/oder eine Überström- Einrichtung, aufweisen kann. Weiterhin kann das aus dem Behälter beförderte Wasser bzw. kondensierte Wasser über eine sich verzweigende Druckleitung bzw. ein sich verzweigendes Rail und über Dosierventile mehreren unterschiedlichen Anwendungen zugeführt werden. Das Wasser kann darüber hinaus im Wassertank oder in den Leitungen geheizt werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die:
Figur 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser; Figur 2a eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser;
Figur 2b eine Aufsicht auf die weitere Ausführungsform der Figur 2a;
Figur 3a eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser;
Figur 3b eine Aufsicht auf die weitere Ausführungsform der Figur 3a;
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, die ein Eingangsanschluss-Bauteil 110 für die Einleitung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms in die Vorrichtung 100, ein Ausgangsanschluss-Bauteil 120 für Abführung des Wasser-Dampf-Luft- Gemischstroms, und einen Behälter 130 zum Sammeln und Speichern von Wasser 132 aufweist.
Dabei ist das Eingangsanschluss-Bauteil 110 und das Ausgangsanschluss- Bauteil 120 so mit dem Behälter 130 verbunden, dass der Wasser-Dampf-Luft- Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil 110 eingeleitet wird, durch den Behälter 130 und das Ausgangsanschluss-Bauteil 120 hindurch geleitet wird, und ein dem Behälter 130 zugewandtes Endstück 112 des Eingangsanschluss- Bauteils 110 wirkt so mit einem Innenvolumen 134 des Behälters 130 zusammen, dass ein wirksamer Durchmesser für eine Führung des Wasser- Dampf-Luft-Gemischstroms sprungartig vergrößert wird, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom abzuscheiden.
Das Endstück 112 des Eingangsanschluss-Bauteils 110 ragt dabei weniger tief in den Behälter 130 als ein dem Behälter 130 zugewandtes Teilstück 122 des Ausgangsanschluss-Bauteils 120, um den Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom zu verwirbeln. Das Eingangsanschluss-Bauteil 110 weist eine Prallfläche 114 zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom auf und leitet den Wasser- Dampf- Luft- Gemischstrom in den Behälter 130. Außerdem weist das Ausgangsanschluss-Bauteil 120 eine Prallfläche 124 zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom auf, und leitet den Wasser- Dampf-Luft-Gemischstrom aus dem Behälter 130 aus.
Das Eingangsanschluss-Bauteil 110 und das Ausgangsanschluss-Bauteil 120 sind mittels eines Geräteträgers 140 so mit dem Behälter 130 verbunden, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil 110 eingeleitet wird, durch den Behälter 130 und das Ausgangsanschluss-Bauteil 120 hindurch geleitet wird.
Dabei kann dieser Geräteträger 140 eingerichtet sein, weitere Komponenten wie beispielsweise Sensoren 142 aufzunehmen.
Solche Komponenten können Aktuatoren wie Pumpen oder Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren oder Füllstandsensoren oder eine Behälterentlüftung, sein. Der Geräteträger 140 kann mit dem Behälter 130, der beispielsweise in Form einer flexiblen Tankblase ausgeführt ist, mittels einer Dicht-Schweißung oder einem Verbindungselement wasserdicht verbunden werden.
Weiterhin weist die Vorrichtung 100 einen Boden-Geräteträger 150 mit einer Pumpe 152 für ein Fördern des gesammelten Wassers 132 des Behälters 130 auf und kann über einen Anschluss 154 das Wasser 132 bereitstellen.
Ein solcher Boden-Geräteträger 150 kann weitere Komponenten wie beispielsweise einen Füllstandsensor, einen Filter oder eine Heizung aufweisen. Der Boden-Geräteträger 150 kann mit dem Behälter 130, der beispielsweise in Form einer flexiblen Tankblase ausgeführt ist, mittels einer Dicht-Schweißung oder einem Verbindungselement wasserdicht verbunden werden.
Die Figur 2a zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung bei der gleiche bzw. entsprechende Merkmale mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in der Figur 1.
Zusätzlich zu den erläuterten Merkmalen der Vorrichtung entsprechend der Figur 1 wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel das Endstück 112 des Eingangsanschluss-Bauteils 110 mit dem einströmenden Wasser-Dampf-Luft- Gemischstrom so zusammen, dass in einem Innenvolumen 134 des Behälters 130 eine Drallströmung 136 des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms zur Abscheidung des Wassers aus dem Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom entsteht. Dies wird dadurch erreicht, dass das Endstück 112 des Eingangsanschluss-Bauteils 110 so ausgebildet ist, dass der Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom in einem schrägen Winkel in den Behälter 130 und in einem schrägen Winkel zu der Oberfläche des Wassers 132 eingeführt wird. Vorteilhafterweise kann das Eingangsanschluss-Bauteil 110 so ausgebildet sein, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom dezentral in den Behälter 130 eingeführt wird, um das Entstehen einer entsprechenden Drallströmung 136 zu begünstigen.
Eine entsprechende beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung 200 mit dem Eingangsanschluss-Bauteil 110 und des Ausgangsanschluss-Bauteil 120 ist in einer Aufsicht in der Figur 2b dargestellt. Das Eingangsanschluss-Bauteil 110 leitet einen Strom des Wasser-Dampf-Luft-Gemischs dezentral in einem schrägen Winkel in den Behälter 130.
Weiterhin ist in der Figur 2a ein Kühlelement 118 zur Verbesserung eines Wärmeaustausches einer Wandung des Eingangsanschluss-Bauteils 110 mit der Umgebungsluft dargestellt. Ein solches Kühlelement 118 kann zum Beispiel in Form von Kühlrippen 118 ausgeführt sein und Kondensationswärme an eine umgebende Luft bzw. Luftströmung abführen. Insbesondere kann eine hier nicht dargestellte wärmeleitende Hülse vorgesehen sein, die in das Eingangsanschluss-Bauteil 110 integriert ist, die von der Gemischströmung durchströmt wird. Eine solche wärmeleitende Hülse kann auf einer Außenseite des Eingangsanschluss-Bauteils 110 zur Abgabe von Wärme an die Umgebung mit Kühlrippen 118 versehen sein. Das Ausgangsanschluss-Bauteil 120 weist ein entsprechendes Kühlelement 128 auf.
Bei dem in der Figur 2a dargestellten Ausführungsbeispiel weist das dem Behälter 130 zugewandte Teilstück 122 des Ausgangsanschluss-Bauteils 120 einen Abschnitt auf, der in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf-Luft- Gemischstroms eine zunehmende Querschnittsfläche 123 aufweist, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom abzuscheiden. Dies ist in der Figur 2a angedeutet, indem der skizzierte Durchmesser des dem Behälter zugewandten Teilstücks 122 kleiner ist als ein Durchmesser 123 der Führung der Strömung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms in Strömungsrichtung. Die Figur 3 a zeigt eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung bei der gleiche bzw. entsprechende Merkmale mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in der Figur 1.
Zusätzlich zu den erläuterten Merkmalen der Vorrichtung entsprechend der Figur 1 wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel das Endstück 112 des Eingangsanschluss-Bauteils 110 mit dem einströmenden Wasser- Dampf- Luft- Gemischstrom so zusammen, dass in einem Innenvolumen 134 des Behälters 130 eine Drallströmung 136 des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms zur Abscheidung des Wassers aus dem Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom entsteht.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Drallströmung 136 auch dadurch erreicht, dass das Endstück 112 des Eingangsanschluss-Bauteils 110 so ausgebildet ist, dass der Wasser- Dampf- Luft- Gemischstrom in einem schrägen Winkel in den Behälter 130 und in einem schrägen Winkel zu der Oberfläche des Wassers 132 eingeführt wird. Die Führung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischs wird bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Eingangsanschluss-Bauteils 110 gerade durch den Geräteträger 140 geführt und erst innerhalb des Behälters 130 schräg in den oberen Bereich des Behälters 130 geführt. Dadurch kann der Geräteträger 140 bei gegebenem Querschnitt der Führung des Wasser- Dampf- Luft- Gemischstroms und gegebenem schrägen Winkel kleiner ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann auch in diesem Ausführungsbeispiel das Eingangsanschluss-Bauteil 110 so ausgebildet sein, dass der Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom dezentral in den Behälter 130 eingeführt wird, um das Entstehen einer entsprechenden Drallströmung 136 zu begünstigen.
Eine entsprechende beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung 200 mit dem Eingangsanschluss-Bauteil 110 und des Ausgangsanschluss-Bauteils 120 ist in einer Aufsicht in der Figur 3b dargestellt. Das Eingangsanschluss-Bauteil 110 leitet einen Strom des Wasser-Dampf-Luft-Gemischs dezentral in den Behälter 130.
Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Figur 3a skizziert, dass das dem Behälter zugewandte Teilstück 122 des Ausgangsanschluss-Bauteils 120 eine Vorrichtung 126 zum Verwirbeln des Wasser-Dampf- Luft- Gemischstroms aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser-Dampf- Luft- Gemischstrom mit: einem Eingangsanschluss-Bauteil (110) für die Einleitung des Wasser- Dampf-Luft-Gemischstroms in die Vorrichtung (100); einem Ausgangsanschluss-Bauteil (120) für Abführung des Wasser-Dampf- Luft-Gemischstroms; einem Behälter (130) zum Sammeln und Speichern von Wasser (132); wobei das Eingangsanschluss-Bauteil (110) und das Ausgangsanschluss- Bauteil (120) so mit dem Behälter (130) verbunden sind, dass der Wasser- Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss-Bauteil (110) eingeleitet wird, durch den Behälter (130) und das Ausgangsanschluss-Bauteil (120) hindurch geleitet wird; und wobei ein dem Behälter (130) zugewandtes Endstück (112) des Eingangsanschluss-Bauteils (120) mit einem Innenvolumen (134) des Behälters (130) so zusammenwirkt, dass ein wirksamer Querschnitt für eine Führung des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms sprungartig vergrößert wird, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom abzuscheiden.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Endstück (112) des Eingangsanschluss-Bauteils(llO), zum Verwirbeln des Wasser-Dampf-Luft- Gemischstroms, weniger tief in den Behälter (130) ragt, als ein dem Behälter (130) zugewandtes Teilstück (122) des Ausgangsanschluss-Bauteils (120).
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Eingangsanschluss-Bauteil (110) eine Prallfläche (114) zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom aufweist, und den Wasser- Dampf-Luft-Gemischstrom in den Behälter (130) einleitet; und wobei das Ausgangsanschluss-Bauteil (120) eine Prallfläche (124) zur Abscheidung von Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom aufweist, und den Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom aus dem Behälter (130) ausleitet. 4. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Endstück (112) des Eingangsanschluss-Bauteils (110) mit dem einströmenden Wasser-Dampf- Luft-Gemischstrom so zusammenwirkt, dass in einem Innenvolumen (134) des Behälters (130) eine Drallströmung (136) des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms zur Abscheidung des Wassers aus dem Wasser- Dam pf- Luft- Gemischstrom entsteht.
5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingangsanschluss-Bauteil (110) zumindest ein Kühlelement (118) zur Verbesserung eines Wärmeaustausches einer Wandung des Eingangsanschluss-Bauteils (110) mit der Umgebungsluft aufweist.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das dem Behälter (130) zugewandte Teilstück (122) des Ausgangsanschluss-Bauteils (120) einen Abschnitt aufweist, der in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf- Luft-Gemischstroms eine zunehmende Querschnittsfläche (123) aufweist, um das Wasser aus dem Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom abzuscheiden.
7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das dem Behälter (130) zugewandte Teilstück des Ausgangsanschluss-Bauteils (120) eine Vorrichtung (126) zum Verwirbeln des Wasser-Dampf-Luft-Gemischstroms aufweist.
8. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsanschluss-Bauteil (120) zumindest ein Kühlelement (128) zur Verbesserung des Wärmeaustausches einer Wandung des Ausgangsanschluss- Bauteils (120) mit der Umgebungsluft aufweist.
9. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingangsanschluss-Bauteil (110) und das Ausgangsanschluss-Bauteil (120) mittels eines Geräteträgers (140) so mit dem Behälter (130) verbunden sind, dass der Wasser-Dampf-Luft-Gemischstrom, der in das Eingangsanschluss- Bauteil (110) eingeleitet wird, durch den Behälter (130) und das Ausgangsanschluss-Bauteil (120) hindurch geleitet wird.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Geräteträger (140) eingerichtet ist, weitere Komponenten aufzunehmen. 11. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 10, wobei der Geräteträger (140) Pumpen und/oder Aktuatoren und/oder eine Behälterentlüftung und/oder Sensoren als weitere Komponenten aufweist.
12. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter (130) einen Boden-Geräteträger (150) aufweist, der an einer Unterseite des Behälters (130) angeordnet ist. 13. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, wobei der Boden-Geräteträger
(150) eine Pumpe (152) für ein Fördern des gesammelten Wassers (132) des Behälters (130) aufweist.
14. Verwendung der Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Abscheidung von Wasser aus einer Kathoden ab luft eines
Brennstoffzellen-Stacks.
15. Fahrzeug, aufweisend eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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