CN116133733A - 液体分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于载有液体的气流的液体分离器(17)，液体分离器具有内部体积空间(21)，内部体积空间具有至少一个撞击元件(23)以及具有用于被分离的液体的收集区域(24)，本发明的特征在于，在收集区域(24)中布置有由导热良好的材料制成的导热元件(30)，导热元件朝向至少一个撞击元件(23)的方向探伸到内部体积空间(21)中的气体流(25)中，其中，撞击元件(23)由比导热元件(30)导热差的材料构成。

Description

液体分离器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分中详细限定的类型的用于载有液体的气流的液体分离器。本发明还涉及这种液体分离器的应用。

背景技术

液体分离器或水分离器原则上由现有技术已知。这些液体分离器典型地具有撞击元件，载有液体的气流在这些撞击元件上突然改变其流动方向，从而使液体分离并例如由于重力而从撞击元件流下。相应的示例在DE 3109 240A1中示出。

液体分离器现在经常在燃料电池系统中被使用，在其中，从燃料电池的废气中分离出水是重要的，这是因为通常为燃料电池的产物水的这种水由于其纯度而很容易冻结。这会在冰点附近的温度时造成问题，尤其是出现燃料电池的启动问题，这是因为部件和/或流动路径可能被冰堵塞。在这方面，例如DE 10 2007 023 417 A1描述了一种水分离器，其中，经由与电加热元件相连的导热元件使得能够在需要时对水分离器进行加热和解冻。

尽管这种在需要时进行的解冻确保了结构的功能性，但它在设计结构方面是复杂的并且典型地招致附加的电能需求，这对这样的系统的整体能量平衡造成不利的影响。

发明内容

因此本发明的目的是，说明一种改进的液体分离器，该液体分离器避免了这些缺点，并确保至少在运行期间减少结冰风险地高效运行。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1中的特征且在此尤其是具有在权利要求1的特征部分中的特征的液体分离器来实现。有利的设计方案和改进方案由与其相关的从属权利要求得出。此外，在权利要求10中说明了这样液体分离器的特别优选的应用。

根据本发明的液体分离器具有内部体积空间，所述内部体积空间具有至少一个撞击元件，如在现有技术中那样。除了撞击元件之外，在体积空间中还典型地如此布置有用于被分离的液体的收集区域，即，该收集区域在按规定的使用中沿重力方向位于撞击元件的下方，或者位于撞击元件的下部区域中，从而使得分离的液体借助于重力到达收集区域中。

现在根据本发明设置，在收集区域中布置有由导热好的材料制成的导热元件。导热元件朝向撞击元件方向探伸到体积空间内的气体流中。撞击元件本身在此由比导热元件导热差的材料构成。这现在导致，液体在撞击元件处就像在传统的液体分离器中那样被分离出来。然后，液体例如遵循重力地向下滴落，并滴落或流入到收集区域中。在收集区域中存在有与液体接触的导热元件，该导热元件从收集区域朝气体流的方向并因此朝撞击元件的方向伸出。功能是，在载有液滴的流体碰到撞击元件上时液体被分离并向下滴落。由于撞击元件的导热性能较差，使得已被分离的液体仍然相对温热。然后，很大程度上被清除了其液滴的气流至少部分地沿着导热元件流动，并将其中所含的热量传递给导热元件，导热元件将这些热量引入到收集区域和被收集在那里的液体中。因此，热量通过分离出的液滴和导热元件被传输到收集区域中。因此，该收集区域已经能够被动地很好地得到加热，而无需外部加热或接驳电加热元件、被加热介质流过的热交换器或类似装置，当然，这些装置作为补充也仍是可能的和能想到的。因此能够在很大程度上防止或者与现有技术的结构相比至少明显减少液体转为固态，例如当其是水时结冰。

根据该思路的极为有利的改进方案，在此设置，导热元件与撞击元件连接，从而在任何情况下，气体流的最大部分或优选全部气体流都与导热元件接触并可以将热量传递给导热元件。

在此证明，这种导热元件探伸至撞击元件的结构以及相应的导热元件具有良好导热而撞击元件具有较差导热的设计方案在热量向收集区域中传递方面是特别有利的。通过连接确保了气体的整个体积流在很大程度上都与导热元件接触。另一方面，由于导热元件在其材料方面和其导热性能方面与撞击元件不同地设计，所以实现了导热元件在其总长度方面可以比撞击元件短得多。由此确保了以相对较短路径将热量很好地传递至收集区域中。而如果撞击元件也由具有良好导热性能的金属制成，那么之前所吸收的和/或从液滴中获取的热量会在途中就再次被传输给气流。由此，该结构的原本目标——向收集区域中输入热量，会比具有良好导热的导热元件和导热差的撞击元件的所述结构要差得多。这尤其在这些元件根据下面描述的结构来设计时是特别有利的。

根据本发明的液体分离器的一个特别有利的改进方案因此设置的是，导热元件由金属制成，优选由导热良好的金属合金、例如铝合金制成。撞击元件可以由塑料制成，相应地，塑料具有的导热性比导热元件的金属要差得多。由此上述优势得到理想地利用。

此外，根据液体分离器的将导热元件与撞击元件相连的变型方案的另一非常有利的设计方案，可以设置，导热元件被实施为两件式的。该导热元件例如包括布置在收集区域中的区域中的板以及在该导热板与撞击元件之间的连接元件。连接元件例如可以经由插接连接或卡夹连接与撞击元件连接。

此外，根据本发明的液体分离器的另一非常有利的设计方案在此设置，导热元件具有一个或多个板，或根据刚描述的实施变型方案至少所述连接元件具有一个或多个板，所述一个或多个板在面积上小于体积空间的能被流过的横截面。通过该结构能实现，可利用实心板作为导热元件。这些实心板于是能够吸收相对大量的热量。这些实心板被设计成占据很大一部分的、但不是全部的气体流横截面。气体于是必须沿着这些板流动、相应地被偏转，然后从液体分离器流出。由此，一方面实现了向导热元件的板的理想的热输入，另一方面，通过使气体流再次偏转，气体中可能余留的液体在流经板时被分离出来。

导热元件或在上述结构中优选又是导热元件的连接元件可以在此还具有被穿孔的板、杆、格栅或类似结构。这些结构一方面允许被布置在气体流中，从而可以由这些结构吸收热量，另一方面允许对气体实现相应的可穿透性，从而气体可以近似于“充满”整个横截面，这在设计结构上和安装方面是相应简单的，并且另一方面允许气体可靠地穿过孔、格栅结构或杆之间的间隔，这些杆也可以被构造为交叉的、在交叉点相接触的杆。

此外，根据本发明的液体分离器的另一非常有利的设计方案，可以设置，液体分离器的围绕内部体积空间的壳体与撞击元件被一件式地实施。该结构在制造和装配方面是特别简单且有效的。例如可以设置的是，撞击元件和壳体都由塑料实现。这于是例如可以被构造为可相对简单实现的注塑成型件，例如板形式的导热元件被卡夹到该注塑成型件中或拧紧在壳体中，以便实现上述功能性，并且优选地将收集区域与撞击元件连接。

此外，根据本发明的液体分离器的另一特别有利的设计方案可以设置，在内部体积空间中设置有恰好一个撞击元件。在适当设计下，这种只具有唯一撞击元件的结构足以满足许多应用，如在燃料电池系统的阳极回路中分离水，因此可以确保极为简单、紧凑且在制造方面廉价的结构。

补充地，根据本发明的液体分离器的另外的非常有利的变型方案可以设置，收集区域经由出口阀与周围环境或其他部件连接。这样的出口阀，尤其是当它紧接于收集区域、必要时还与液体分离器和收集区域集成地或与液体分离器和收集区域至少热连接设计时，具有另外的优点，即，由此在收集区域处布置有相对较大且重的并且具有高热容量的构件。该构件也可以从经由导热元件进行的加热受益(以便防止冻结)并有助于将热量储存在该区域中直到一定的程度。此外，它允许例如根据所测得的、经模拟计算的或以类似方式和方法确定的液位水平来有针对性地排放液体。

根据本发明的液体分离器现在可以相应简单且有效地实现和制造。尤其地，该液体分离器能够在内置有该液体分离器的设施运行时确保即使是在不利的外部条件下也能够无需额外加热地运行，这是因为通过将热量转移到收集有液体的区域中，可以在很大程度上阻止液体冻结。这也例如适用于水，尤其是超纯水，超纯水即使在冰点附近的温度下就已非常容易冻结。通过具有导热元件的结构和对收集区域的加热，可以可靠地防止这种情况。因此，根据本发明的液体分离器尤其适合作为水分离器，并在此尤其适合作为燃料电池的废气流中的水分离器，在燃料电池中，作为燃料电池的产品水产生纯水，该纯水相应地容易冻结。如果燃料电池例如作为燃料电池系统被安装在车辆中，该燃料电池在车辆中提供电力，那么不能够排除车辆在低于冰点的温度下行驶的情况。因此，根据本发明的液体分离器尤其适用于此类应用，但在其应用方面并不限于此。

附图说明

根据本发明的液体分离器的另外的有利的设计方案及其应用也由在下文参照附图被详细描述的实施例得出。其中：

图1示出具有燃料电池系统的示例性的车辆，燃料电池系统具有根据本发明的作为水分离器的液体分离器；

图2示出根据本发明的液体分离器的可能结构的横截面。

具体实施方式

在图1的图示中可以看出非常示意性示出的车辆1，该车辆应具有燃料电池系统2，燃料电池系统被设置成用于提供电力，尤其是被设置成用于为车辆提供电驱动功率。在此由燃料电池3构成了燃料电池系统2的核心，该燃料电池典型地被构造为单体电池的堆垛。该结构在下文中也被称为燃料电池堆或燃料电池栈。该结构例如可以构造有作为电解质的质子交换膜，即具有所谓的PEM燃料电池。燃料电池堆3在其阴极侧6上由空气输送装置4、例如流体压缩机供应空气，空气经由进气线路5和气体/气体加湿器10在此所示的实施例中流入燃料电池堆3的阴极侧6中。耗尽氧气的空气从燃料电池堆3的阴极侧6再次通过气体/气体加湿器10经由排气线路7流出。在此，湿气经由加湿器10被送出到进气线路5中的供气中。然后，废气进入废气涡轮机8中，在废气涡轮机中，废气膨胀以便回收热能和压力能。电机11一方面与该废气涡轮机8作用连接，另一方面与流体压缩机4作用连接。这种也被称为电涡轮增压器20或马达辅助的涡轮增压器的结构被用于向燃料电池系统2有效地供应空气，就这方面来说是已由现有技术已知的，因此不需要进一步探讨。

燃料电池堆3的阳极侧12被经由压力调节和计量阀14从压缩气体存储器13供送氢气。未消耗掉的氢气从燃料电池堆3的阳极侧12经由再循环线路16返回到作为再循环输送装置的气体喷射泵15并与也被用作气体喷射泵15的推进射流的新鲜氢气混合，并重新输送给阳极侧12。替选或补充于该气体喷射泵15，在此也可以设置有再循环鼓风机。现在，在再循环线路16中或在被称为阳极回路的用于再循环未消耗掉的氢气的结构中存在有液体分离器17，该液体分离器在这里所示的实施例中经由出口阀18与周围环境连接。同样可以很好想到的是，例如接驳在排气线路7之前或尤其是接驳在废气涡轮机8之后。所有这些对于燃料电池系统的本领域技术人员来说都是清楚的，从而没有必要进一步探讨。

在下文中，现在尤其详细描述液体分离器或水分离器17。在图2的图示中，其结构在横截面中被示意性地示出。水分离器17、用19标记的壳体，例如应作为注塑成型件由塑料制成。与包围内部体积空间21的壳体19直接接触地设有出口阀18。现在，对于液体分离器17的功能性决定性的是，在上游与再循环线路16相连的流入开口22之后设有撞击元件23，该撞击元件阻挡了来自再循环线路16的载有液体的气流的整个流动横截面。该撞击元件23可以优选与壳体19一件式地并同样由塑料构成。从再循环线路16通过流入开口22流入到内部体积空间21中的载有液态的液滴的流体碰撞在该撞击元件23上并被急剧偏转。其中所含的水集聚在撞击元件23处并如在此所示地沿在液体分离器17的按规定使用情况下的重力g的方向向下并沿着壳体19的一部分滴落到在内部体积空间21的被气体流过的部分的下方布置在其中的收集区域24中，该收集区域与出口阀18连接。已经完全或很大程度上去除了液体的气体然后根据用25标记的箭头通过液体分离器17的内部体积空间21并通过流出开口26在上游再次流出到再循环线路16中。

在收集区域24中存在导热元件30，其沿根据箭头25的气体流的方向探伸超出于该收集区域，该导热元件例如由铝合金制成。导热元件由第一板31构成，第一板至少部分地布置在收集区域24中，并探伸到那里收集的液体中，液体在此通过液面被示出。连接元件32同样由铝合金制成，并优选与板31一件式地实施，或者至少与该板以导热非常好的方式连接、例如焊接，连接元件朝撞击元件23的方向探伸并优选与该撞击元件机械地连接，例如卡接、铆接、螺纹连接、粘接或类似方式连接。连接元件32原则上可以被实施为穿孔板、一定数量的杆、格栅或类似结构。也可以想到由一个或多个板构成的结构，板垂直于图平面地在很大程度上阻挡了或不完全地阻挡了内部体积空间21的流动横截面。因此，在有多个撞击元件23的情况下也能想到多个连接元件32或将这多个撞击元件全部彼此连接起来一个连接元件32。

连接元件32以及部分地还有导热元件30的板31现在吸收根据箭头25流动的气流的热量。与由于撞击元件23由塑料制成并且因此导热差而留在液滴中的热量一起，这导致在导热元件30的相对较短的路径上将热量引入到收集区域24中，更确切地还附加于液体本身中已经含有的热量。这导致在液体分离器或水分离器17的运行时收集区域24中的液体得到很好的加热，从而可以避免结冰的风险或至少使之降低到最小程度。

Claims (10)

1.一种用于载有液体的气流的液体分离器(17)，所述液体分离器具有内部体积空间(21)，所述内部体积空间具有至少一个撞击元件(23)以及用于被分离的液体的收集区域(24)，

其特征在于，

在收集区域(24)中布置有由导热好的材料制成的导热元件(30)，所述导热元件朝向至少一个撞击元件(23)的方向探伸到内部体积空间(21)中的气体流(25)中，其中，撞击元件(23)由比导热元件(30)导热差的材料构成。

2.根据权利要求1所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

所述导热元件(30)与所述至少一个撞击元件(23)彼此连接。

3.根据权利要求1或2所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

所述导热元件(30)由金属构成，所述至少一个撞击元件(23)由塑料构成。

4.根据权利要求2或3所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

所述导热元件(30)包括板元件(31)和用于所述至少一个撞击元件(23)的连接元件(32)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

导热元件(30)具有一个或多个板，所述一个或多个板在面积上小于所述内部体积空间(21)的能被流过的横截面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

导热元件(30)具有至少一个穿孔的板、多个杆和/或至少一个格栅。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

围绕内部体积空间(21)的壳体(19)与所述至少一个撞击元件(23)被一件式地实施。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

设置有恰好一个撞击元件(23)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的液体分离器(17)，

其特征在于，

所述收集区域(24)具有出口阀(18)，或所述收集区域(24)直接与出口阀连接，通过出口阀以能切换的方式使所述收集区域(24)与周围环境或其他部件连接。

10.一种在燃料电池系统(2)的废气流中使用液体分离器(17)作为水分离器的应用。

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