CN117098586A - 具有节流元件的水分离器、水分离器的应用和具有水分离器的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水分离器(10)，其包括导流的内腔(18)和被连接到该内腔(18)上的水出口(30)，其中所述水出口(30)具有导流的节流元件(50)，所述节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力锁合地被嵌入到所述水出口(30)中。此外，本发明涉及一种水分离器的应用以及一种具有水分离器的燃料电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及具有节流元件的水分离器、水分离器的应用和具有水分离器的燃料电池系统。
背景技术
EP 1167743 B1公开了一种水分离器，其被构造为涡旋分离器。所述水分离器包括内管和外管，所述内管和外管沿着轴向方向相继地布置，其中所述内管以轴向区段伸入到所述外管中，并且所述外管拥有水出口，所述水出口沿着涡旋方向切向地布置。
发明内容
本发明的一个任务是，提供一种得到改进的水分离器。
本发明的另一个任务是，说明水分离器的应用。
另一个任务在于，提供一种具有这样的水分离器的燃料电池系统。
前述任务根据本发明的一个方面通过一种水分离器来解决，所述水分离器包括导流的内腔以及水出口，所述水出口被连接到所述内腔上，其中所述水出口具有导流的节流元件，所述节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力锁合地被嵌入到所述水出口中。
根据本发明的另一方面，所述任务通过用于在排出管路中限制气流的水分离器的应用来解决。
根据本发明的另一方面，所述任务通过一种燃料电池系统来解决，所述燃料电池系统具有燃料电池单元的阴极进气路径和阴极排气路径并且具有至少一个按本发明的水分离器，其中所述至少一个水分离器布置在阴极排气路径中并且被设置用于在水分离器的排出路径中进行气流限制。
本发明的有利的设计方案和优点由其它权利要求、说明书和附图得出。
根据本发明的一个方面，提出一种水分离器，其包括导流的内腔以及水出口，该水出口被连接到所述内腔上，其中所述水出口具有导流的节流元件，该节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力锁合地被嵌入到所述水出口中。
由于所述插入件被嵌入到水出口中，所以不需要附加的密封件或固定器件来将节流元件与水出口连接起来。这是成本低廉的。此外，装配被简化。此外，这对所述节流元件的使用寿命来说是有利的。
有利的是，所述水分离器能够由塑料构成。优选至少所述水出口由塑料构成。
有利的是，所述水分离器能够被构造为涡旋分离器，其中所述水出口在按照规定的状态中沿着涡旋方向切向地布置。
在一种作为替代方案的设计方案中，所述水分离器能够被构造为涡旋分离器，其中所述水出口径向向外地并且相对于所述纵轴线以一定的角度来布置。
所述水分离器的内腔有利地具有内管和外管，所述内管和外管沿着轴向方向相继地布置，其中所述内管在相对于外管的过渡部处具有比外管小的直径并且所述外管具有水出口。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述节流元件能够借助于热插入方法或注塑方法被嵌入到水出口中。
在也被称为Heat-Set-Insert(热套插入)方法的热插入方法中，对所述插入件进行加热并且将其压入到水出口的空腔中。所述插入件的温度局部地使水出口的塑料熔化。在凝固之后，所述插入件牢固地、尤其形状锁合地与水出口的材料相连接。
在注塑方法或挤压包封方法中，将所述插入件插入到相应的模具中并且用材料、特别是塑料材料来挤压包封，所述材料形成水出口或者水分离器。在塑料材料凝固之后，所述插入件牢固地、尤其形状锁合地至少部分地被水出口的材料包围。
作为替代方案，能够考虑其他固定方法，用这些固定方法能够将所述插入件嵌入到水出口中。例如，所述插入件能够设有外螺纹、特别是自攻外螺纹并且被拧入到水出口中。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述节流元件能够具有狭窄部位，该狭窄部位具有处于1mm与4mm之间、尤其处于1.5mm与3mm之间的直径。该狭窄部位允许水的排出、但是限制在水分离器中被脱水的气体的排出。所述狭窄部位的沿着流动方向的长度能够根据想要的应用领域和在那里存在的框架条件来加以选择。
有利的是，所述作为插入件来构成的导流的节流元件在沿着流动方向的第一区段中具有变细的、尤其锥形的流入横截面，具有较小直径的真正的节流区域与所述流入横截面毗连。所述节流区域例如能够被构造为与整个节流元件相比更短的、柱筒形的通道区段。在节流区域的下游能够毗连着具有扩大的横截面的通道区段，该通道区段使流动减慢并且吸收以高速流经节流区域的流体的能量。所述扩大的横截面例如能够具有跳跃式的或连续的横截面扩展部。在这样的构造中，在节流元件的下游能够使用具有比节流元件的材料小的抵抗力的材料。在节流元件的下游，流体例如能够在塑料管路或弹性体软管中被导引。在一种作为替代方案的实施方式中，所述导流的节流元件具有柱筒形的第一横截面和在下游与其邻接的短的柱筒形的第二横截面，该第二横截面具有比所述节流区域明显小的横截面。具有较大横截面、比如具有与所述第一通道区段的横截面相同或相似的横截面的第三通道区段与所述节流区域毗连。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述节流元件能够由金属或塑料或陶瓷构成。金属的使用特别有利地使一种具有非常精细的结构、像比如尺寸非常小的狭窄部位的节流元件成为可能，所述非常精细的结构在塑料中只能用非常高级的并且昂贵的塑料材料来制造。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，对于特殊的运行状态来说，所述节流元件能够被构造用于接近流体的声速、尤其是声速的至少90％的流速。通过节流元件在水出口中的嵌入，所述节流元件也能够持久地经得住高负荷。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述节流元件能够具有柱筒形的外壳。这种形状对热插入方法是有利的，以便将节流元件作为插入件嵌入到水出口中。
特别有利的是所述节流元件的外壳上的滚花结构或其它的凹处，以便与水出口的材料形成形状锁合。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述节流元件能够具有柱筒形的外壳，该外壳在外周缘上具有一条或多条环绕的槽或沿者轴向方向或相对于纵向方向以一定角度地指向的沟槽或滚花结构。外周面上的弯曲的凹处或呈钻孔或凹陷的形式的各个凹处也是可能的。其中各个形状或者所述形状的组合对注塑方法来说是有利的，在所述注塑方法中所述节流元件作为插入件被插入到注塑模具中并且能够以结构化的外表面与周围的塑料防丢失地楔住。
根据所述水分离器的一种有利的设计方案，所述水分离器的内腔能够被构造用于对水进行涡旋分离。有利的是，所述水分离器在内腔中能够具有外管，该外管具有扩宽的用于水的分离区域。此外有利的是，所述水分离器在内腔中能够具有内管，该内管具有扩宽的减速区域。同样有利的是，所述水出口能够通过漏斗形的区域与内腔相连接。
根据本发明的另一方面，提出按本发明的水分离器用于在排出管路中进行气流限制的应用，所述排出管路运送从气流中提取的液体。所述水分离器包括导流的内腔以及水出口，所述水出口被连接到所述内腔上，其中所述水出口具有导流的节流元件，该节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力锁合地被嵌入到水出口中。通过所述节流元件在水出口中的嵌入，能够限制与被分离出的水一起从水出口中排出的气流的份额的损失。
能够节省附加的密封件和连接器件。节流元件与水出口之间的连接即使在存在高负荷的情况下也有利地是耐久的。
根据本发明的另一方面，提出一种燃料电池系统，其具有燃料电池单元的阴极进气路径和阴极排气路径并且具有至少一个按本发明的水分离器，其中所述至少一个水分离器布置在阴极排气路径中并且被设置用于在排出路径中进行气流限制。
在本发明的另一种有利的实施方式中，所述按本发明的水分离器能够布置在燃料电池系统的阳极回路中，以便例如在水进入到燃料电池中之前将其分离出来。
有利的是，所述节流元件能够减少燃料电池单元的排气的损失，使得涡轮增压器的由排气驱动的涡轮机能够以高效率来运行。
通过所述节流元件在水出口中的嵌入，能够限制与被分离出的水一起从水出口中排出的气流的份额的损失。能够节省附加的密封件和连接器件。节流元件与水出口之间的连接即使在存在高负荷的情况下也有利地是耐久的。
附图说明
其它优点由以下附图说明得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求以组合的形式包含大量特征。本领域的技术人员也会适宜地单个地考虑这些特征并且将其概括为其它有意义的组合。附图示例性地示出如下：
图1示出了根据本发明的一种实施例的具有部分剖开的水出口的水分离器的侧视图；
图2示出了具有按照图1的节流元件的水分离器的剖面图；
图3示出了图2中的节流元件的剖面图的放大的细节；
图4示出了图1中的具有漏斗形的水出口的水分离器的俯视图；
图5示出了节流元件的第一种实施方式的等轴视图；
图6示出了图5中的节流元件的侧视图；
图7示出了图5中的节流元件的剖面；
图8示出了节流元件的第一种实施方式的等轴视图；
图9示出了图8中的节流元件的侧视图；
图10示出了图8中的节流元件的剖面；
图11示出了节流元件的第一种实施方式的等轴视图；
图12示出了图11中的节流元件的侧视图；
图13示出了图11中的节流元件的剖面；并且
图14示出了具有阴极进气路径和阴极排气路径的燃料电池系统的简化图示。
具体实施方式
在附图中，相同的或同类的组件用相同的附图标记来表示。附图仅仅示出了示例并且不应该限制性地来理解。
为了解释本发明，图1至3示出了本发明的一种实施例。图1以侧视图示出了处于垂直布置中的水分离器10，其具有部分剖开的水出口30。流体的入口在本图示中来自上方，水出口在侧面。图2示出了处于水平布置中的水分离器10的剖面图，其具有按照图1的导流的节流元件50。流体的入口在本图示中来自右侧，水出口向下。图3示出了图2中的节流元件50的剖面图的放大的细节。
所述水分离器10有利地被构造为涡旋分离器并且在壳体11的内腔18中包括内管12和外管22，所述内管和外管沿着轴向方向彼此相继地布置。所述内管12在相对于外管22的过渡部处具有比外管22小的直径。所述外管22具有栓塞形的水出口30，其中所述节流元件50布置在水出口30的自由端部处，所述节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力配合地被嵌入到水出口30中。
所述在内管12与外管22之间的过渡部布置在水分离器10的分离区域24之内，所述栓塞状的水出口30通过漏斗形的区域20连接到所述分离区域上。因此，被分离出的水能够被收集并且通过起作用的重力到达水出口30处。
这在图4中详细地示出，图4示出了图2中的水分离器10的俯视图，该水分离器具有处于内腔18与栓塞形的水出口30之间的漏斗形的区域20。所述水出口30从分离器的中心线径向向外延伸。在水分离器的安装位置中，所述出口30处于水分离器的周缘中的最低点处，如例如在图2中所示。
图5至7示出了节流元件50的第一种实施例，其中图5示出了等轴视图，图6示出了侧视图，并且图7示出了沿着在图6中绘出的线条VII-VII穿过图5中的节流元件50的截面的视图。
所述节流元件50在沿着流动方向的第一通道区段62中具有变细的、尤其锥形的流入横截面，狭窄部位60的真正的节流区域与所述流入横截面毗连。这个节流区域与整个节流元件50的长度相比能够被构造为短的、柱筒形的区段。在具有狭窄部位60的节流区域的下游毗连着柱筒形的通道区段64，该通道区段具有相对于狭窄部位而扩大的横截面。所述通道区段64的横截面沿着流动方向朝节流元件50的端部在多个区段中进一步扩大。
在内部区域中，所述狭窄部位60布置在两个通道区域62、64之间。所述节流元件50的外壳54柱筒形地且光滑地构成。对于所述节流元件至少部分地沿着纵向方向被水出口的材料包围这种情况来说，就用于将所述节流元件50嵌入到水出口中的热插入方法而言，这种设计方案是可能的。
图8至10示出了节流元件50的另一种实施例，其中图8示出了等轴视图，图9示出了侧视图，并且图10示出了沿着在图9中绘出的线条X-X穿过图8中的节流元件50的截面的俯视图。
在内部区域中，所述狭窄部位60布置在两个通道区域62、64之间。所述节流元件50的外壳54柱筒形地构成并且具有轴向指向的沟槽56。这种设计方案对用于将节流元件50嵌入到水出口中的注塑方法来说是有利的。
图11至13示出了节流元件50的另一种实施例，其中图11示出了等轴视图，图12示出了侧视图，并且图13示出了沿着在图12中绘出的线条XIII-XIII穿过图11中的节流元件50的截面的俯视图。
在内部区域中，所述狭窄部位60布置在两个通道区域62、64之间。所述节流元件50的外壳54柱筒形地构成并且具有环绕的槽58。这种设计方案对用于将节流元件50嵌入到水出口中的注塑方法来说是有利的。
图14示出了本身已知的燃料电池系统100的简化图，该燃料电池系统具有燃料电池单元120，所述燃料电池单元则具有阴极进气路径122和阴极排气路径124。环境空气通过阴极进气路径122被输送给所述燃料电池单元120，所述环境空气通过净化级102被过滤并且通过涡轮增压器110的压缩机被吸入且被压缩。被压缩的空气在热交换器104中被冷却并且用加湿器106来设有限定的湿度。
在所述燃料电池单元120中，空气氧与氢反应形成水，水作为空气/水混合物通过阴极排气路径124被从所述燃料电池单元120中排出。阴极排气能够在所述加湿器106中将一部分的水释放给阴极进气。在加湿器的下游毗连着水分离器10，所述水分离器能够根据前述实施例来构成并且尤其具有被嵌入到水分离器10的水出口中的导流的节流元件50。被分离出的水在排出路径130中被排出，而干燥的阴极排气则被输送给涡轮增压器110的涡轮。
所述水分离器10在涡轮增压器110的涡轮机上游的定位是特别有利的。通过所述节流元件50能够减少阴极排气的损失，这在能量上有利于所述涡轮增压器110的运行。所述节流元件50减少了排出路径130中的流体流，该流体流在没有节流元件的情况下由于在涡轮机上游和下游的不同的压力水平而是不允许的大。
在所述燃料电池系统100中绘出了其它未详细标明的水分离器。这些水分离器同样能够具有这样的节流元件或者在没有这样的节流元件的情况下构成。
在这样的系统中，所述水分离器10在运行中的负荷较高。可能会在所述水分离器10上出现高达多巴的明显的压力降。在这个区域中，通过所述水分离器10流动的阴极排气可能达到接近流体的声速的速度、特别是声速的至少90％或者超过声速，其中温度可能达到100℃。
通过具有被嵌入在水出口中的节流元件50的水分离器10的应用，尽管如此高的负荷仍然能够有利地实现稳定的持久的运行。所述节流元件50能够由耐抗的材料来构成，而对所述水分离器10来说则能够使用不那么高级的材料。
Claims (10)
1.水分离器(10)，包括导流的内腔(18)和被连接到该内腔(18)上的水出口(30)，其中所述水出口(30)具有导流的节流元件(50)，所述节流元件被构造为插入件并且形状锁合地和/或传力锁合地被嵌入到所述水出口(30)中。
2.根据权利要求1所述的水分离器，其中所述节流元件(50)借助于热插入方法或注塑方法被集成到所述水出口(30)中。
3.根据权利要求1或2所述的水分离器，其中所述节流元件(50)具有狭窄部位(60)，所述狭窄部位具有处于1mm与4mm之间、尤其处于1.5mm与3mm之间的直径。
4.根据前述权利要求中任一项所述的水分离器，其中所述节流元件(50)由金属或塑料或陶瓷构成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的水分离器，其中所述节流元件(50)具有柱筒形的外壳(54)。
6.根据权利要求5所述的水分离器，其中所述柱筒形的外壳(54)在外周缘上具有沿着轴向方向指向的沟槽(56)或一条或多条环绕的槽(58)或滚花结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的水分离器，其中所述水出口(20)切向地沿着涡旋方向或者径向向外地并且相对于所述水分离器的纵轴线以一定的角度来布置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的水分离器，其中所述水出口(20)通过漏斗形的区域与所述内腔(18)相连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的水分离器(10)用于在排出路径(130)中进行气流限制的应用，所述排出路径运送从气流中提取的液体。
10.燃料电池系统(100)，具有燃料电池单元(120)的阴极进气路径(122)和阴极排气路径(124)并且具有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的水分离器(10)，其中所述至少一个水分离器(10)布置在所述阴极排气路径(124)中并且被设置用于在排出路径(130)中限制空气流。
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