DE10129098A1

DE10129098A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom

Info

Publication number: DE10129098A1
Application number: DE10129098A
Authority: DE
Inventors: Isabel Haas; Peter Wisshak
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH; Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 2001-06-16
Filing date: 2001-06-16
Publication date: 2003-01-09

Abstract

Ein Verfahren dient zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom, insbesondere für ein Gaserzeugungssystem in einer Brennstoffzellenanlage. Der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom erfährt eine wenigstens annähernd rechtwinklige Änderung seiner Strömungsrichtung. Danach wird der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom in der Art umgelenkt, daß er eine wenigstens annähernd spiralförmige Strömung ausbildet. DOLLAR A Eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom weist eine Abscheideeinrichtung auf. Die Abscheideeinrichtung weist eine Eintrittsöffnung auf, durch welche der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom in ein Tauchrohr einströmt, welches auf seiner der Eintrittsöffnung abgewandten Seite verschlossen ist. Das Tauchrohr weist in einer Seitenwand wenigstens eine Öffnung auf, welche in einen spiralförmigen Leitungsbereich mündet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom nach der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 näher definierten Art.
Der allgemeine Stand der Technik kennt eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeit bzw. Wasser aus Gasströmen. Eine große Anzahl dieser Vorrichtungen und Verfahren beruhen dabei auf einer Änderung, meist einer Umkehr, der Strömungsrichtung des mit der Flüssigkeit beladenen Gasstroms.

Eine derartige Vorrichtung beschreibt auch die DE 42 44 144 A1, gemäß welcher ein Wasserabscheider zum Abscheiden des Wassers aus einem Wasser-Dampf-Gemisch gezeigt ist, bei welchem das Gemisch schräg gegen die Abströmrichtung des Gasstroms, hier des trockenen Dampfs, in ein Gehäuse einströmt.

Derartige Aufbauten finden ihren Einsatz überwiegend im Bereich der Kraftwerkstechnik und sind hinsichtlich ihrer optimalen Bedingungen zum Abscheiden des Wassers auf einen bestimmten Betriebspunkt oder einen vergleichsweise kleinen Betriebsbereich ausgelegt. Dieser Betriebspunkt oder Betriebsbereich hängt dabei im allgemeinen direkt von den Anströmgeschwindigkeiten des Gasstroms ab. Ein dynamischer Betrieb von solchen Aufbauten ist also nicht möglich oder bedingt in besonders nachteiliger Weise eine sehr schlechte und unvollständige Abscheidung des von dem Gasstrom mitgeführten Wassers.

Des weiteren kennt der Stand der Technik im Bereich der Trennung von Wasser und Dampf einen Fliehkraft- Dampf-Wasserabscheider, wie er in der DE 28 48 667 A1 beschreiben ist. Der dortige, überwiegend in axialer Richtung ausgedehnte Aufbau zeigt Schaufelkränze, welche für eine rotatorische Bewegung sowohl des Wasser- Dampf-Gemischs, als auch des Wassers sorgen. Die Trennung von Wasser und Dampf erfolgt dabei ohne, daß der Dampf in seiner Strömungsrichtung, außer der Rotationsbewegung, beeinflußt wird, die zu erwartenden Druckverluste sind damit recht klein. Hinsichtlich der Auslegung und des dynamischen Betriebs gelten auch hier die oben genannten Nachteile.

Außerdem kennt der Stand der Technik die Anwendung von Flüssigkeitsabscheidern im Bereich von Brennstoffzellensystemen. Beispielhaft seien hier die DE 195 31 852 C1 und die DE 197 03 728 A1 erwähnt, welche jeweils Flüssigkeitsabscheider zeigen, welche zum Abscheiden von Wasser aus den Abgasen der Anoden und/oder Kathodenräume der Brennstoffzellen dienen. Ziel ist hierbei überwiegend ein Wassermanagement, so daß das für den Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderliche Wasser nicht, oder zumindest nicht allzu häufig, nachgetankt werden muß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom zu schaffen, welche über einen sehr hohen sich ständig dynamisch verändernden Lastbereich eine sehr gut Abscheidung der Flüssigkeit aus dem Gasstrom sicherstellt, und welche darüberhinaus ein geringes Gewicht aufweist und einen kleinen Bauraum beansprucht.

Erfindungsgemäß wird der verfahrenstechnische Teil, der diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die zuerst erfolgende Umlenkung des Gasstroms um einen Winkel von wenigstens annähernd 90° wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erste Stufe zur Abscheidung der Flüssigkeit erreicht. Danach erfolgt in erfindungsgemäßer Weise die Weiterführung des Gasstroms in einer wenigstens annähernd spiralförmigen Strömung, wodurch in besonders vorteilhafter Weise eine Kombination von Fliehkraftabscheidung und Abscheidung aufgrund der Umlenkung der Strömungsrichtung erzielt wird.

Damit läßt sich, wie sich den Erfindern in praktischen Untersuchungen gezeigt hat, in besonders vorteilhafter Weise über einen sehr großen Lastbereich eine kontinuierlich gute Abscheidung der Flüssigkeit erreichen.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung, durchströmt der Gasstrom zumindest in einem Teil seiner wenigstens annähernd spiralförmigen Strömung ein maschenartiges Gestrick, vorzugsweise ein Drahtgestrick.

In dem Gasstrom können gegebenenfalls noch Flüssigkeitströpfchen enthalten sein, deren Anzahl über den Lastbereich schwankend ist. Wird optional ein Gestrick eingesetzt, können diese Tröpfchen zusätzlich abgeschieden werden, so daß die Qualität der Abscheidung über den gesamtem Lastbereich weiter gesteigert werden kann.

Eine Vorrichtung zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe zeigt der kennzeichnende Teil des Anspruchs 5.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht ein Verfahren nach der oben beschriebenen Art. Die oben angeführten erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich so in vollem Umfang erschließen.

Außerdem bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die vorteilhafte Möglichkeit eines sehr kompakten Aufbaus, und damit verbunden seiner sehr leichten Bauweise. Dies hält einerseits die Masse niedrig, was insbesondere bei mobilen Anwendungen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug von Vorteil ist, andererseits bleibt die Wärmekapazität gering, so daß auch eine dynamische Aufheizung und Abkühlung, welche zusammen mit anderen Systemkomponenten unweigerlich erfolgt, kein Problem darstellen sollte.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist der spiralförmige Leitungsbereich wenigstens annähernd in einer Ebene angeordnet und weist einen, von der Öffnung ausgehend, kontinuierlich ansteigenden Radius der Spirale auf.

Zusammen mit dem Tauchrohr, welches dann zentral in die Vorrichtung ragt, ergibt sich so ein extrem kompakter Aufbau, welcher kaum mehr Bauraum benötigt als ein Winkelelement oder dergleichen.

Sowohl Verfahren als auch Vorrichtung erlauben dabei eine sehr gute Rückgewinnung der Flüssigkeit aus dem Gasstrom. Die Einsatzmöglichkeiten können in der Abscheidung von Wasser aus Abgasen, beispielsweise einer Brennstoffzelle, liegen. Eine mit den entsprechenden erfindungsgemäßen Elementen ausgestattete und betriebenen Anlage kann so auf ein Nachtanken von Wasser weitgehend verzichten.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeit von Reformatgasströmen oder dergleichen eingesetzt, so kann über einen sehr großen Lastbereich sicher verhindert werden, daß Flüssigkeit an Stellen gelangt, an welchen sie unerwünscht oder schädlich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom in einem Teilschnitt;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Detail gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung in einem Querschnitt analog zu Fig. 2; und
Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom A. Der Gasstrom A strömt aus einem in Richtung der Gravitation oberhalb der Vorrichtung 1 angeordneten Bereich in ein beim erfindungsgemäßen Einsatz der Vorrichtung 1 überwiegend in Richtung der Gravitation ausgerichtetes Tauchrohr 2 ein. Das Tauchrohr 2 weist auf seiner der Eintrittsöffnung 3 abgewandten Seite eine Prallplatte 4 auf, mit welcher es verschlossen ist. In einer Seitenwand 5 des Tauchrohrs 2 ist wenigstens eine Öffnung 6 angeordnet, durch welche der Gasstrom A in einen spiralförmigen Leitungsbereich 7, welcher später in Fig. 3 besser zu erkennen ist, einströmt. Durch diesen spiralförmigen Leitungsbereich 7 gelangt der Gasstrom A schließlich in den Bereich einer Austrittsöffnung 8 aus der Vorrichtung 1.
Der spiralförmige Leitungsbereich 7 weist auf seiner in Richtung der Gravitation unten liegenden Seite mehrere Auslauföffnungen 9 auf, durch welche die abgeschiedene Flüssigkeit in einen Sammelbereich 10 gelangen kann. Von dem Sammelbereich 10 kann die Flüssigkeit über ein Leitungselement 11 abgezogen und einem Speicher oder dergleichen zugeführt werden.
In der Schnittdarstellung in Fig. 2 ist die Vorrichtung 1 nochmals zu erkennen. Der Gasstrom A gelangt in das Tauchrohr 2 und von dort über die Öffnung 6 in den spiralförmigen Leitungsbereich 7. In dem spiralförmigen Leitungsbereich 7 ist hier über eine Kreuzschraffur ein maschenartiges Gestrick 12 angedeutet, welches einen Teil des spiralförmigen Leitungselements 7 ausfüllt. Prinzipiell könnte auch der gesamte Leitungsbereich 7 und/oder das gesamte oder ein Teil des Tauchrohrs 2 mit dem maschenartigen Gestrick 12 ausgefüllt sein.
Das maschenartige Gestrick 12 wird von dem Gasstrom A durchströmt und in dem Gasstrom A auskondensierte Tröpfchen oder dergleichen fangen sich in den Maschen und fließen in Richtung der Gravitation nach unten ab, von wo sie durch die Auslauföffnungen 9 in den Sammelbereich 10 gelangen.
In Fig. 3 ist der Aufbau nochmals in einem Querschnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2 zu erkennen. Besonders gut kann man hierbei den spiralförmigen Leitungsbereich 7 erkennen, wobei sich der Radius der Spirale von dem Radius des Tauchrohrs ausgehend in Strömungsrichtung des Gasstroms A ständig vergrößert.
Durch das senkrecht zu dieser Hauptebene der Spirale, wie sie sich in dem Schnitt gemäß Fig. 3 darstellt, angeordnete Tauchrohr 2, zwingt man also den Gasstrom zu einer Richtungsumkehrung um 90° ehe er den spiralförmigen Leitungsbereich 7 durchströmt. Durch die Richtungsumkehr im Bereich des Tauchrohrs 2 kommt es zu einer ersten Abscheidung von Flüssigkeit, welche aus dem Bereich des Tauchrohrs 2 in den Bereich des spiralförmigen Leitungsbereich 7 einströmt und nach dem Erreichen der Auslauföffnungen 9 in den Sammelbereich 10 abströmen kann. In dem spiralförmigen Leitungsbereich 7 kommt es dabei zu einer Ausnutzung von Fliehkraftwirkung, so daß sich die in dem Gasstrom A weiterhin enthaltene Flüssigkeit an Wandungen 13 sammeln und ebenfalls zu den Auslauföffnungen 9 abfließen kann.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in dieser und den folgenden Figuren auf die Darstellung des maschenartigen Gestricks 12 verzichtet worden, welches Teile des spiralförmigen Leitungsbereiches 7 und/oder des Tauchrohrs 2 ausfüllen kann.
Außerdem weist der spiralförmige Leitungsbereich 7 Leitrippen 14 auf, welche ein Weiterströmen der abgeschiedenen Flüssigkeit in Richtung der Austrittsöffnung 8 der Vorrichtung 1 verhindern sollen. Ein genauer Aufbau ist in Fig. 4 nochmals detailliert dargestellt.
Neben diesen Leitrippen 14 können auch im Bereich der Wandungen 13 Leitrippen angeordnet sein, welche hier nicht dargestellt sind, die dafür sorgen, daß eine Ableitung der auskondensierten Flüssigkeit im Bereich der Auslauföffnungen 9 erleichtert wird.
Fig. 5 zeigt einen alternativen Aufbau, wobei hier die das Tauchrohr 2 und den spiralförmigen Leitungsbereich 7 verbindende Öffnung 6 als eine Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist, welche ein gleichmäßiges Anströmen des hier in seiner Strömungsrichtung um 90° umgelenkten Gasstroms A in den spiralförmigen Leitungsbereich 7 erleichtern.
Ansonsten ist der Aufbau gemäß Fig. 5 analog zu dem Aufbau gemäß Fig. 1.
Der Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier ist der Aufbau prinzipiell vergleichbar zu dem bereits im Rahmen von Fig. 3 gesagten, lediglich ist hier auf die Verwendung von Leitrippen verzichtet worden und die Auslaßöffnungen 9 sind in einer anderen Art angeordnet.
Den Figuren, insbesondere Fig. 1, 2 und 5, ist zu entnehmen, daß die Vorrichtung 1 in einer Art Modulbauweise aufgebaut ist, wobei die entsprechenden Deckel und Bereiche über die Verbindungsmittel, hier die Schrauben miteinander verbunden sind. Daher ist es möglich, die Vorrichtung 1 bei annähernd gleichem Aufbau zusammen mit einer weiteren Komponente in einem Gehäuse zu integrieren (nicht dargestellt), was insbesondere bei mobilen Anwendungen und bei Anwendungen mit geringem Platzangebot sehr günstig bezüglich des Packagings der Vorrichtung 1 ist.
Die durch das oben genannte Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorrichtungen 1 können eine besonders günstige Verwendung beim Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom A eines Gaserzeugungssystems für eine Brennstoffzellenanlage und/oder aus Abgasströmen einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage erfahren. Aufgrund des sehr leichten, kompakten und platzsparenden Aufbaus mit einer sehr hohen Effektivität über sämtliche auftretende Anströmgeschwindigkeiten, also sämtliche Lastbereiche, ist der Aufbau besonders gut für die Verwendung eines derartigen Systems in einem Kraftfahrzeug geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom, insbesondere für ein Gaserzeugungssystem in einer Brennstoffzellenanlage, wobei der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom eine Änderung seiner Strömungsrichtung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom (A) eine wenigstens annähernd rechtwinklige Änderung seiner Strömungsrichtung erfährt, wonach der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom (A) in der Art umgelenkt wird, daß er eine wenigstens annähernd spiralförmige Strömung ausbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (A) zumindest in einem Teil seiner wenigstens annähernd spiralförmigen Strömung ein maschenartiges Gestrick (12) durchströmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Strömung des Gasstroms (A) wenigstens annähernd in einer Ebene erfolgt.

4. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Reformatgasstrom eines Gaserzeugungssystems für eine Brennstoffzellenanlage und/oder aus Abgasströmen einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage, wobei die Brennstoffzellenanlage in einem Kraftfahrzeug genutzt wird.

5. Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom, insbesondere für ein Gaserzeugungssystem in einer Brennstoffzellenanlage, mit einer Abscheideeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Eintrittsöffnung (3), durch welche der mit der Flüssigkeit beladene Gasstrom (A) in ein Tauchrohr (2) einströmt, welches auf seiner der Eintrittsöffnung (3) abgewandten Seite verschlossen ist, wobei das Tauchrohr (2) in einer Seitenwand (5) wenigstens eine Öffnung (6) aufweist, welche in einen spiralförmigen Leitungsbereich (7) mündet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Leitungsbereich (7) wenigstens annähernd in einer Ebene angeordnet ist und einen, von der Öffnung (6) ausgehend, kontinuierlich ansteigenden Radius der Spirale aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Wandungen (13) des spiralförmigen Leitungsbereichs (7) mit Leitrippen (14) versehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem Teilbereich des spiralförmigen Leitungsbereichs (7), in Richtung der Gravitation unten, Ablauföffnungen (9) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem Teil des Tauchrohres (2) und/oder der spiralförmigen Leitungsbereichs (7) ein maschenartiges Gestrick (12) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch die Integration mit wenigstens einer weiteren Komponente in einem Gehäuse.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Reformatgasstrom eines Gaserzeugungssystems für eine Brennstoffzellenanlage und/oder aus Abgasströmen einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage, wobei die Brennstoffzellenanlage in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.