Flüssigkeitsabscheider, insbesondere für Brennstoffzellen

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle, und ein Verfahren zum Abscheiden der Flüssigkeit mit einem solchen Flüssigkeitsabscheider .

Auch wenn die vorliegende Erfindung allgemein überall dort anwendbar ist, wo Flüssigkeiten aus einem Gasstrom abgeschieden werden müssen, so eignet sie sich ganz besonders zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus Gasen in einem BrennstoffZeilensystem, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere aus einem oder mehreren Abgasströmen, wie zum Beispiel aus der Anode und/oder der Kathode der Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen benötigen befeuchtete Gase, um ihre optimale Leistungsfähigkeit erreichen zu können. Dies führt an bestimmten Stellen im BrennstoffZeilensystem dazu, dass möglicherweise Wasser unerwünscht aus dem Gas auskondensieren kann. Diese Kondensate müssen gezielt aus dem Gas, insbesondere dem Abgas, abgeschieden werden.

Die eingesetzten Abscheider müssen über einen großen Lastbereich mit variierenden Randbedingungen einen hohen Abscheidungsgrad erreichen. Für den gewünschten hohen Abscheidungsgrad sind grundsätzlich relativ starke Umlenkungen des Gases erforderlich, sowie große Strömungsflächen, an welchen das vom Gasstrom mitgeführte Kondensat, das an diesen

entlangströmt, sich abscheiden kann. Starke Umlenkungen sowie große Strömungsflächen führen jedoch zu einem hohen Druckverlust des Gases im Abscheider und einem verhältnismäßig großen notwendigen Bauraum des Abscheiders. Insbesondere bei variierenden Massenströmen von Gas durch den Abscheider können in Betriebszuständen mit einem hohen Massenstrom die Druckverluste aufgrund der üblicherweise vorgesehenen kleinen Strömungskanäle beziehungsweise der starken Umlenkungen sowie großen Strömungsfläche zu unerwünscht hohen Druckverlusten führen.

Bekannte Abscheider weisen entweder einen feststehenden Drallkörper oder einen drehbaren Drallkörper auf, welcher dem Gas eine Drallströmung aufprägt, so dass die Flüssigkeitsteile durch die auf sie wirkende Fliehkraft getrennt von dem übrigen Gas weiter transportiert werden. Durch Verändern des Strömungsweges hinter dem Drallkörper, beispielsweise mittels verstellbaren Leitschaufeln oder durch verschiebbare Rohrleitungen, kann zwar zum Teil der Abscheidungsgrad des Abscheiders variiert werden, jedoch bleibt der Strömungsweg des Gases durch den Drallkörper selbst aufgrund der starren Geometrie des Drallkörpers unverändert, was bei einem besonders hohen Durchsatz von Gas durch den Drallkörper zu den unerwünschten Druckverlusten führen kann. Beispielsweise wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:

JP 2002-324561 A

DE 101 29 098 Al

DE 10 2004 022 312 Al EP 0 426 955 A2

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider und ein Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeit insbesondere für ein Brennstoffzellensystem

anzugeben, welche gegenüber den bekannten Ausführungen verbessert sind, und welche insbesondere auch bei variierenden Randbedingungen des Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit mit sich führt, wie beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, der Massenstrom des Gases durch den Abscheider beziehungsweise den Drallkörper des Abscheiders und/oder der Druck des Gases, stets zu den gewünschten Abscheidungsraten bei Vermeidung eines unerwünscht hohen Druckabfalls führen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Flüssigkeitsabscheider und ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeit mit einem solchen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Im Unterschied zum Stand der Technik weist der Drallkörper des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders keine feststehende Geometrie, sondern eine flexible beziehungsweise variable

Geometrie auf, so dass die Umlenkung des flüssigkeitstragenden Gases, welche dieses durch den Drallkörper erfährt, während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders durch ändern der Geometrie des Drallkörpers variiert werden kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Drallkörper wenigstens teilweise oder vollständig aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, so dass sich der Drallkörper der jeweiligen Strömungssituation anpassen kann. Die Elastizität ist nämlich derart ausgeführt, dass sich die Geometrie des Drallkörpers in Abhängigkeit der Anströmkraft, welche das durch den Drallkörper strömende Gas auf ihn ausübt, ändert. Bei geringer Anströmkraft, das heißt insbesondere bei langsamer Anströmung, wird sich der Drallkörper wenig

verformen und damit die Strömung in der Regel stark umlenken. Bei größerer Anströmkraft, das heißt insbesondere bei größeren Anströmgeschwindigkeiten, wird die Verformung des Drallkörpers größer ausfallen und damit der mit der Aufprägung der Drallströmung auf das Gas durch den Drallkörper verbundene

Druckabfall im Vergleich zu dem Zustand ohne beziehungsweise mit geringerer Verformung des Drallkörpers kleiner werden.

Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung ist die Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs gezielt durch Aufbringen einer entsprechenden Kraft von außerhalb des Gases dynamisch änderbar. Beispielsweise kann eine Verstelleinrichtung am Drallkörper angeschlossen sein, welche die Geometrie des Drallkörpers verändert, indem sie ihn insbesondere staucht, streckt, verwindet und/oder biegt. Auch diese gezielte Veränderung der Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders ändert die Umlenkung des Gases, welche dies durch Durchströmung des Drallkörpers erfährt.

Auch gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Drallkörper bei langsamer Anströmung durch das Gas aufgrund der eingestellten Geometrie eine stärkere Umlenkung auf das Gas ausüben, und bei größeren Anströmgeschwindigkeiten eine im Vergleich hierzu weniger stark ausgeprägte Umlenkung. Somit kann der Druckverlust bei großen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem großen Durchsatz von Gas durch den Drallkörper im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen trotz einem unverändert hohen Abscheidungsgrad bei geringen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise geringem Durchsatz vermindert werden.

Eine änderung der Geometrie des Drallkörpers im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch dadurch ausgeführt werden,

dass der Drallkörper aus einer Vielzahl von Teilkörpern zusammengesetzt ist, von denen einzelne Teilkörper in Abhängigkeit der Anströmbedingungen des Gases während des Betriebs hinzugefügt oder weggenommen werden können. Beispielsweise kann der Drallkörper aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordneten Abschnitten zusammengesetzt sein. Zusammengesetzt im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet dabei nicht nur, dass die einzelnen Teilkörper beziehungsweise Abschnitte unmittelbar aneinandergefügt sind, sondern diese können auch mit Abstand zueinander angeordnet sein.

Bei einem geringen Durchsatz beziehungsweise bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten kann somit eine größere Anzahl von Teilkörpern oder Abschnitten im Strömungsweg des Gases positioniert werden als bei hohen Geschwindigkeiten. Mit abnehmender Anzahl von Teilkörpern beziehungsweise Abschnitten sinkt der Druckverlust des Gases im Drallkörper. Somit kann auch bei einem großen Durchsatz beziehungsweise bei großen Anströmgeschwindigkeiten der herkömmlich hohe Druckverlust vermieden werden.

Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung weist der Drallkörper einen im wesentlichen zylindrischen Umfang oder einen exakt zylindrischen Umfang auf. Beispielsweise ist der Drallkörper rotationssymmetrisch aufgebaut. Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Drallkörper drehbar, zum Beispiel auf einer drehbaren Welle oder auch umlaufend jedoch auf einer feststehenden Achse, angeordnet sein. Während des Betriebs der Abscheidungsvorrichtung kann der Drallkörper rotiert werden, entweder aufgrund von antreibenden Kräften, welche die Anströmung des Gases auf den Drallkörper ausübt, und/oder durch einen gezwungenen Antrieb mittels einer

vorgesehenen Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise einem Elektromotor .

In Abhängigkeit von vorherrschenden Strömungsparametern des Gases kann die Drehzahl des Drallkörpers während des Betriebs verändert werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit des Gases beziehungsweise der Durchsatzmenge von Gas durch den Drallkörper. Das ändern der Drehgeschwindigkeit des Drallkörpers kann durch Abbremsen und/oder durch Variieren der Antriebsdrehzahl des Antriebs erreicht werden.

Insbesondere wenn keine Antriebsvorrichtung für den Drallkörper vorgesehen ist, und der Drallkörper allein aufgrund der Strömungskräfte des Gases in eine Drehbewegung versetzt wird, kann eine Bremsvorrichtung zum vollständigen und/oder teilweisen Abbremsen des Drallkörpers vorgesehen sein, die beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit von Strömungsparametern des Gases stärker oder weniger stark betätigt wird, so dass der Drallkörper mehr oder minder abgebremst wird. Auch hierdurch kann wiederum, genauso wie durch das Einstellen einer variierenden Antriebsdrehzahl eines vorgesehenen Antriebs für den Drallkörper, die Umlenkung, welche der Drallkörper auf das Gas und auf die in ihm enthaltene Flüssigkeit ausübt, während des Betriebs der

Abscheidungsvorrichtung dynamisch geändert werden, vorteilhaft derart, dass bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem kleinen Durchsatz die Umlenkung stärker ausfällt als bei großen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise bei einem großen Durchsatz.

Die Veränderung der Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders ermöglicht einerseits einen hohen Abscheidungsgrad bei

geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Gases und andererseits einen verhältnismäßig geringen Druckabfall bei immer noch gutem Abscheidungsgrad bei hohen Anströmgeschwindigkeiten. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider weist somit über dem gesamten Lastbereich einen hohen Abscheidungswirkungsgrad und geringe Druckverluste auf.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals kurz erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Drallkörpers mit elastisch nachgiebigen Prallplatten;

Figur 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem gezielt durch eine Verstelleinrichtung verformbaren stationären Drallkörper;

Figur 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem

Drallkörper, welcher wiederum elastisch nachgiebige

Prallplatten aufweist.

In der Figur 1 ist schematisch ein Flüssigkeitsabscheider in Form eines Zyklonabscheiders dargestellt. Der Drallkörper 1 wird mittels eines Antriebs (nicht gezeigt) über seiner, insbesondere senkrecht angeordneten, Achse 3 gedreht. Das von unten eintretende Gas mit der abzuscheidenden Flüssigkeit prallt auf die Prallplatten 1.1, an welchen die im Gas enthaltenen Flüssigkeitsteile aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkraft radial nach außen transportiert werden. Das Gas hingegen strömt radial nach innen oben aus dem Drallkörper 1 heraus .

Bei einer größeren Anströmgeschwindigkeit des Gases werden die Prallplatten 1.1, welche vollständig oder zumindest an ihrem radial inneren Ende aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet sind oder elastisch aufgehängt sind, von dem Gas in Strömungsrichtung verformt oder elastisch verschoben, siehe die entsprechenden Pfeile in der Figur 1, so dass sie eine weniger starke Umlenkung des Gases und einen im Vergleich zu einer Ausführung ohne verformbare Prallplatten weniger starken Druckabfall des Gases erzeugen. Unter elastischer Verformung im Sinne der vorliegenden Erfindung soll somit nicht nur die unmittelbare elastische Verformung der Flächen des Drallkörpers, an welchen das Gas entlang strömt, verstanden werden, sondern auch ein elastisches Nachgeben beziehungsweise Verschieben dieser Flächen, indem diese elastisch aufgehängt sind.

Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen mit einem elastisch verformbaren Drallkörper möglich, beispielsweise mit gekrümmten Gasleitkanälen, wobei die Krümmung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases beziehungsweise mit zunehmendem Durchsatz durch den Flüssigkeitsabscheider durch eine elastische Verformung des Drallkörpers vermindert wird.

In der Figur 2 ist ein Drallkörper dargestellt, welcher nicht um eine Achse gedreht wird. Auch dieser Drallkörper 1 bewirkt eine Umlenkung des einströmenden, flüssigkeitsführenden Gases. Beispielsweise strömt in der gezeigten Darstellung mit Bezug auf die Papierebene das Gas senkrecht von oben in die Papierebene hinein und wird in den Drallkörper 1 in Richtung parallel zu der Papierebene umgelenkt (nicht dargestellt) .

An dem Drallkörper 1 ist eine Verstelleinrichtung 2 angeschlossen, welche eine zusammenstauchende Wirkung auf den

Drallkörper 1 ausüben kann. Links in der Figur 2 ist der Drallkörper 1 in seinem nicht gestauchten Zustand gezeigt, wohingegen er rechts in der Figur 2 in seinem durch die Verstelleinrichtung 2 bewirkten, gestauchten Zustand gezeigt ist. Wie man sieht, weisen die Strömungskanäle für das Gas in dem nicht gestauchten Drallkörper 1 einen im wesentlichen ovalen Querschnitt auf, wohingegen sie im gestauchten Zustand des Drallkörpers 1 einen kreisförmigen oder im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der kreisförmige Querschnitt ermöglicht einen geringeren Druckverlust des durch den Drallkörper 1 strömenden Gases. Zugleich oder alternativ kann die Stauchung eine weniger starke Krümmung der einzelnen Strömungskanäle für das Gas im Drallkörper 1 im Verhältnis zum weniger gestauchten oder nicht gestauchten Zustand bewirken.

Die Figur 3 zeigt eine mögliche weitere Ausführungsform eines Drallkörpers 1, welcher eine Vielzahl von in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Prallplatten 1.1 aufweist. Vorliegend sind drei Prallplatten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, es könnte jedoch auch eine andere Anzahl vorgesehen sein. Bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit führt, liegen die Prallplatten 1.1 vollständig innerhalb der gemeinsamen Ebene. Dieser Zustand ist ganz links in der Figur 3 gezeigt. Die niedrige Strömungsgeschwindigkeit ist durch kurze Pfeile angedeutet. Die Prallplatten 1.1 befinden sich in ihrer Ausgangsposition vollständig innerhalb der Ebene, die senkrecht zur Anströmrichtung des Gases verläuft, weil die Strömungskraft des Gases nicht ausreicht, die Prallplatten 1.1 zu verformen.

In der mittleren Darstellung der Figur 3 ist die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise der Massestrom des Gases mit der abzuscheidenden Flüssigkeit gegenüber dem ganz links gezeigten Zustand erhöht. Die Strömung des Gases vermag

nun die Prallplatten 1.1 in Richtung der Strömung zu verformen. Hierdurch wird der freie Strömungsquerschnitt in dem Drallkörper 1 erhöht. Der freie Strömungsquerschnitt ist jener Bereich der Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft und in welcher die Prallplatten 1.1 in ihrer

Ausgangsposition verlaufen, welcher in Umfangsrichtung des Drallkörpers 1 gesehen jeweils von zwei benachbart zueinander angeordneten Prallplatten 1.1 beidseitig und in der gezeigten Ausführungsform am äußeren Umfang von einem kreisrunden Steg des Drallkörpers 1 umschlossen wird. Bei der gezeigten Ausführungsform der Prallplatten 1.1 setzt sich der Strömungsquerschnitt bei drei vorgesehenen Prallplatten 1.1 aus drei Kreissektoren zusammen.

Ganz rechts in der Figur 3 ist jener Zustand gezeigt, bei welchem die Gasströmung eine noch stärkere verformende Kraft auf die Prallplatten 1.1 im Vergleich zu der mittleren Darstellung in der Figur 3 ausübt, so dass die Prallplatten 1.1 einen noch größeren Strömungsquerschnitt freigeben.

Aufgrund dessen, dass die Verformung der Prallplatten 1.1 eine elastische ist, werden die Prallplatten 1.1 bei nachlassenden auf sie wirkenden Strömungskräften wieder in Richtung ihrer Ausgangsposition oder vollständig in ihre Ausgangsposition zurückkehren, so dass der freie Strömungsquerschnitt wiederum abnimmt .

Gemäß einer Ausführungsform, die vorliegend nicht weiter dargestellt ist, können auch Teilkörper des Drallkörpers 1 bei größeren AnStrömungsgeschwindigkeiten des Gases beziehungsweise bei einem größeren Durchsatz von Gas durch den Drallkörper 1 aus dem Strömungsweg des Gases herausgenommen werden. Beispielsweise könnten bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung eine oder mehrere Prallplatten aus dem

Strömungsweg herausgeschwenkt, -verschoben oder -gedreht werden. Bei kleineren AnStrömungsgeschwindigkeiten des Gases beziehungsweise bei einem kleineren Durchsatz hingegen werden wieder Prallplatten in den Strömungsweg hinzugefügt.