DE102022212595A1 - Silencer for an exhaust system of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer (1) für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems (2) mit einer Kavität (10), einer innerhalb der Kavität (10) angeordneten Schalldämpfvorrichtung (20) zur Reduzierung eines Geräusches des Abgasstroms (S), einer innerhalb der Kavität (10) stromaufwärts der Schalldämpfvorrichtung (20) angeordneten Wasserabscheidevorrichtung (30) zur Abtrennung von Wasser aus dem Abgasstrom (S), wobei die Wasserabscheidevorrichtung (30) ein in der Wasserabscheidekammer (31) angeordnetes Prallelement (32) zur radialen Aufweitung des durch die Eintrittsöffnung (11) einströmenden Abgasstroms (S) sowie stromabwärts des Prallelements (32) ein trichterförmiges Leitelement (33) zur radialen Verjüngung des durch das Prallelement (32) aufgeweiteten Abgasstroms (S) aufweist.The invention relates to a silencer (1) for an exhaust line of a fuel cell system (2) with a cavity (10), a sound-damping device (20) arranged within the cavity (10) for reducing noise from the exhaust gas flow (S), a water separation device (30) arranged within the cavity (10) upstream of the sound-damping device (20) for separating water from the exhaust gas flow (S), wherein the water separation device (30) has an impact element (32) arranged in the water separation chamber (31) for radially expanding the exhaust gas flow (S) flowing in through the inlet opening (11), and downstream of the impact element (32) a funnel-shaped guide element (33) for radially tapering the exhaust gas flow (S) expanded by the impact element (32).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15.The present invention relates to a silencer for an exhaust system of a fuel cell system with the features of
Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, z.B. Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, z.B. Sauerstoff, in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt, um die erzeugte elektrische Energie direkt mittels eines Elektroantriebs in Bewegung umzuwandeln oder in einer Antriebsbatterie zeitweise zwischenzuspeichern. Brennstoffzellen können außer Wasserstoff auch andere Brennstoffe nutzen, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas.A fuel cell converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, e.g. hydrogen, and an oxidizing agent, e.g. oxygen, into electrical energy. Fuel cells are used, for example, in fuel cell vehicles to convert the electrical energy generated directly into movement using an electric drive or to temporarily store it in a drive battery. Fuel cells can also use other fuels in addition to hydrogen, in particular methanol, butane or natural gas.
Zur Zuführung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels werden in einem Brennstoffzellensystem mehrere mechanische Vorrichtungen verwendet, die im Betrieb mit einer Geräuschentwicklung einhergehen, die als störend empfunden werden kann. Um die im Brennstoffzellensystem erzeugten Geräusche zu verringern, werden Schalldämpfer in dem Brennstoffzellensystem, z.B. in einem Abgasstrang, installiert.To supply the fuel and the oxidizing agent, a fuel cell system uses several mechanical devices that generate noise during operation, which can be perceived as disturbing. To reduce the noise generated in the fuel cell system, silencers are installed in the fuel cell system, e.g. in an exhaust system.
Die in diesem Zusammenhang verwendeten Schalldämpfer können dabei auf dem Reflexionsprinzip oder auf dem Absorptionsprinzip basieren. Ein Reflexionsschalldämpfer besteht aus Kammern unterschiedlicher Größe, die untereinander z.B. durch ein sich durch die Kammern erstreckendes perforiertes Rohr verbunden sind. Die Schallwellen werden in den Kammern reflektiert. Durch die Koppelung der einzelnen Kammern entstehen sogenannte Resonatoren, in denen die Schallwellen reflektiert werden, sich nach dem Interferenzprinzip teilweise gegenseitig auslöschen und somit gedämpft werden. Einzelne Kammern können dabei durch ihre Größe und/oder das Lochmuster der Perforation im Rohr an einen bestimmten zu dämpfenden Frequenzbereich angepasst werden. Je größer die Anzahl der vorhandenen Kammern, desto effizienter wird in der Regel die Dämpfung. Ein Absorptionsschalldämpfer hat in der Regel nur eine Kammer, in der ein perforiertes Rohr verläuft. Die Kammer ist mit einem schallabsorbierenden Material, z.B. einer langfaserigen Mineralwolle, gefüllt. Die Schallwellen dringen durch das perforierte Rohr in das schallabsorbierende Material ein und werden durch Reibungseffekte in Wärme umgewandelt. Die erzielte Dämpfung hängt von dem verwendeten Material, der Stopfdichte, der Länge und der Schichtdicke der Kammer ab.The silencers used in this context can be based on the reflection principle or the absorption principle. A reflection silencer consists of chambers of different sizes that are connected to one another, for example by a perforated pipe that extends through the chambers. The sound waves are reflected in the chambers. By coupling the individual chambers, so-called resonators are created in which the sound waves are reflected, partially cancel each other out according to the interference principle and are thus dampened. Individual chambers can be adapted to a specific frequency range to be dampened by their size and/or the hole pattern of the perforation in the pipe. The larger the number of chambers present, the more efficient the damping is. An absorption silencer usually has only one chamber in which a perforated pipe runs. The chamber is filled with a sound-absorbing material, e.g. long-fiber mineral wool. The sound waves penetrate through the perforated pipe into the sound-absorbing material and are converted into heat by friction effects. The attenuation achieved depends on the material used, the stuffing density, the length and the layer thickness of the chamber.
Das bei der Stromerzeugungsreaktion in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle entstehende Abgas, das insbesondere von der Kathode der Brennstoffzelle abgeführt wird, enthält Wasser (meist in Form von Wasserdampf und Wassertröpfchen) und hat eine Abgastemperatur im Bereich von 80 °C. Dadurch, dass die Abgastemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Wassers liegt, lässt sich das Wasser nur schlecht verdampfen und abführen. Dringt allerdings zu feuchtes Abgas in den Schalldämpfer ein, kondensiert der Wasserdampf insbesondere an den Oberflächen des Schalldämpfers, was negative Auswirkungen auf die Funktion des Schalldämpfers hat - unabhängig davon, ob dieser auf dem Reflexionsprinzip oder dem Absorptionsprinzip basiert. In ungünstigen Fällen bewirkt die sich in dem Schalldämpfer angesammelte Feuchtigkeit eine zusätzliche Geräuschentwicklung, das als unangenehm empfunden wird.The exhaust gas produced during the electricity generation reaction in a hydrogen-oxygen fuel cell, which is discharged in particular from the cathode of the fuel cell, contains water (mostly in the form of water vapor and water droplets) and has an exhaust gas temperature in the range of 80 °C. Because the exhaust gas temperature is below the boiling point of water, the water is difficult to evaporate and discharge. However, if exhaust gas that is too moist penetrates the silencer, the water vapor condenses, particularly on the surfaces of the silencer, which has a negative impact on the function of the silencer - regardless of whether it is based on the reflection principle or the absorption principle. In unfavorable cases, the moisture that has accumulated in the silencer causes additional noise, which is perceived as unpleasant.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schalldämpfer für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, mit dem eine zuverlässige Verringerung der mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems verbundenen Geräusche unter zumindest teilweiser Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik erreicht werden kann. Zumindest soll eine Alternative zu bestehenden Lösungen geschaffen werden. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Schalldämpfer bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a silencer for an exhaust system of a fuel cell system, with which a reliable reduction in the noise associated with the operation of the fuel cell system can be achieved while at least partially avoiding the disadvantages of the prior art. At least an alternative to existing solutions should be created. Furthermore, the object of the present invention is to provide a fuel cell system with such a silencer.
Diese Aufgabe wird durch einen Schalldämpfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Vorteile und Merkmale sind der allgemeinen Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.This object is achieved by a silencer having the features of
Der erfindungsgemäße Schalldämpfer für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems weist eine Kavität auf, durch die ein Abgasstrom des Brennstoffzellensystems entlang eines Strömungspfades von einer Einlassöffnung der Kavität zu einer Auslassöffnung der Kavität strömen kann. Ferner weist der Schalldämpfer eine innerhalb der Kavität angeordnete Schalldämpfvorrichtung zur Reduzierung eines Geräusches des Abgasstroms auf, wobei die Schalldämpfvorrichtung zumindest eine Schalldämpfkammer aufweist. Der Schalldämpfer weist zudem eine Wasserabscheidevorrichtung zur Abtrennung von Wasser aus dem Abgasstrom auf. Die Wasserabscheidevorrichtung weist zumindest eine Wasserabscheidekammer auf und ist ebenfalls innerhalb der Kavität und stromaufwärts der Schalldämpfvorrichtung angeordnet, derart, dass der durch die Einlassöffnung einströmende Abgasstrom zuerst die Wasserabscheidevorrichtung, insbesondere die gesamte Wasserabscheidevorrichtung, passieren muss, bevor der Abgasstrom in die Schalldämpfvorrichtung strömt. Die Wasserabscheidevorrichtung weist ein in der Wasserabscheidekammer angeordnetes Prallelement zur radialen Aufweitung eines durch die Eintrittsöffnung einströmenden Abgasstroms sowie stromabwärts des Prallelements ein trichterförmiges Leitelement zur radialen Verjüngung des durch das Prallelement aufgeweiteten Abgasstroms auf.The silencer according to the invention for an exhaust system of a fuel cell system has a cavity through which an exhaust gas flow of the fuel cell system can flow along a flow path from an inlet opening of the cavity to an outlet opening of the cavity. Furthermore, the silencer has a silencer device arranged within the cavity for reducing noise of the exhaust gas flow, wherein the silencer device has at least one silencer chamber. The silencer also has a water separator device for separating water from the exhaust gas flow. The water separator device has at least one water separator chamber and is also arranged within the cavity and upstream of the silencer device, such that the exhaust gas flow flowing in through the inlet opening must first pass through the water separator device, in particular the entire water separator device, before the exhaust gas flow flows into the silencer device. The water separation device has an impact element arranged in the water separation chamber for radially expanding an exhaust gas flow flowing in through the inlet opening and, downstream of the impact element, a funnel-shaped guide element for radially tapering the exhaust gas flow expanded by the impact element.
Der Abgasstrom, der beispielsweise von der Kathode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgeführt und dem Schalldämpfer mittelbar oder unmittelbar zugeführt wird, kann durch die Eintrittsöffnung der Kavität in die Wasserabscheidekammer strömen. Insbesondere bildet die Eintrittsöffnung der Kavität gleichzeitig die Eintrittsöffnung der Wasserabscheidekammer. In der Wasserabscheidekammer wird der Abgasstrom durch das Prallelement zunächst aufgeweitet und anschließend durch das stromabwärts angeordnete trichterförmige Leitelement wieder verjüngt, bevor der Abgasstrom dem Schalldämpfer zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Abgasstrom in der Wasserabscheidekammer an einer möglichst großen Oberfläche entlanggeführt, an der im Abgas enthaltenes Wasser kondensieren kann. Das Wasser kann hierbei an dem Prallelement, an dem trichterförmigen Leitelement und an einer die Wasserabscheidekammer begrenzenden Wandung, insbesondere einer Wandung eines Gehäuses des Schalldämpfers, kondensieren. Dadurch wird ein hoher Entfeuchtungsgrad erzielt, so dass eine Beeinträchtigung der Funktion der stromabwärts angeordneten Schalldämpfervorrichtung durch zu feuchtes Abgas verringert oder gänzlich verhindert wird.The exhaust gas flow, which is discharged, for example, from the cathode of a fuel cell of the fuel cell system and fed directly or indirectly to the silencer, can flow through the inlet opening of the cavity into the water separation chamber. In particular, the inlet opening of the cavity simultaneously forms the inlet opening of the water separation chamber. In the water separation chamber, the exhaust gas flow is first widened by the impact element and then narrowed again by the funnel-shaped guide element arranged downstream before the exhaust gas flow is fed to the silencer. In this way, the exhaust gas flow in the water separation chamber is guided along as large a surface as possible on which water contained in the exhaust gas can condense. The water can condense on the impact element, on the funnel-shaped guide element and on a wall delimiting the water separation chamber, in particular a wall of a housing of the silencer. This achieves a high degree of dehumidification, so that any impairment of the function of the downstream silencer device due to excessively humid exhaust gases is reduced or completely prevented.
Durch die konstruktive Ausgestaltung der Wasserabscheidekammer kann auf wasserabsorbierendes Material verzichtet werden, was den konstruktiven Aufbau des Schalldämpfers vereinfacht. Das kondensierte Wasser sammelt sich je nach Einbauposition des Schalldämpfers aufgrund der Gravitation in einen vorbekannten Bereich der Wasserabscheidekammer und kann von dort in einfacher Weise aktiv oder passiv abgeführt werden.The design of the water separation chamber means that water-absorbing material is not required, which simplifies the design of the silencer. Depending on the installation position of the silencer, the condensed water collects in a known area of the water separation chamber due to gravity and can be easily drained away actively or passively from there.
Unter „Wasserabscheidevorrichtung“ ist eine Vorrichtung zu verstehen, die primär der Abtrennung von Wasser (und/oder einer anderen Flüssigkeit) aus dem Abgas dient. Eine Schalldämpfvorrichtung ist somit nicht als Wasserabscheidevorrichtung anzusehen, selbst wenn es in der Schalldämpfkammer ebenfalls zu einer gewissen Kondensation und Abführung von Feuchtigkeit kommt.A "water separation device" is a device that primarily serves to separate water (and/or another liquid) from the exhaust gas. A silencer device is therefore not to be regarded as a water separation device, even if a certain amount of condensation and removal of moisture also occurs in the silencer chamber.
Vorzugsweise weist das Prallelement einen von seinem stromaufwärts gelegenen Ende zu seinem stromabwärts gelegenen Ende einen insbesondere stetig zunehmenden Querschnitt auf. Hierdurch erfolgt eine graduelle radiale Aufweitung des Abgasstromes an den Außenflächen des Prallelements. Zur Begünstigung einer gleichmäßigen und geräuscharmen Strömung kann das Prallelement zumindest teilweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Das Prallelement kann hierbei einen kegelförmigen, kegelstumpfförmigen oder paraboloidförmigen Strömungskörper aufweisen. Das stromaufwärts gelegene Ende des Prallelements kann als insbesondere abgerundete Spitze ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Prallelement hohl - z.B. in Form einer mit ihrer Spitze zur Einlassöffnung ausgerichteten Kappe - ausgebildet, was die Materialkosten und das Gewicht des Schalldämpfers verringert.The impact element preferably has a cross-section that increases continuously from its upstream end to its downstream end. This results in a gradual radial expansion of the exhaust gas flow on the outer surfaces of the impact element. To promote a uniform and quiet flow, the impact element can be at least partially rotationally symmetrical. The impact element can have a conical, truncated cone or paraboloid flow body. The upstream end of the impact element can be designed as a rounded tip. The impact element is preferably hollow - e.g. in the form of a cap with its tip aligned with the inlet opening - which reduces the material costs and the weight of the silencer.
Das trichterförmige Leitelement begrenzt von seinem stromaufwärts gelegenen Ende zu seinem stromabwärts gelegenen Ende einen Strömungskanal mit insbesondere stetig abnehmendem Strömungsquerschnitt. Auf diese Weise wird der durch das Prallelement aufgeweitete Abgasstrom wieder eingefangen, wobei durch die Trichterform die Entstehung von Verwirbelungen - wie sie häufig im Bereich spitzer Ecken auftreten - verringert oder sogar vermieden wird. Hierdurch lässt sich ein Druckverlust im Schalldämpfer verringern. Ferner kann an das an dem trichterförmigen Leitelement kondensierte Wasser gravitationsbedingt an der Oberfläche des Leitelements entlangrutschen und auf diese Weise z.B. einer Abflussöffnung in der Wasserabscheidekammer abgeführt werden. Zur Begünstigung einer laminaren und geräuscharmen Strömung kann das trichterförmige Leitelement rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Insbesondere weist das trichterfömrige Leitelement eine konkave Oberfläche auf, an der der Abgasstrom entlangströmen kann. Dies begünstigt eine laminare und geräuscharme Strömung und vergrößert die zur Verfügung stehende Kondensationsoberfläche. Insbesondere sind Prallelement und trichterförmiges Leitelement in Längsrichtung des Schalldämpfers bzw. in Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms voneinander beabstandet. The funnel-shaped guide element defines a flow channel from its upstream end to its downstream end, with a flow cross-section that in particular is constantly decreasing. In this way, the exhaust gas flow expanded by the impact element is captured again, with the funnel shape reducing or even preventing the formation of turbulence - which often occurs in the area of sharp corners. This reduces pressure loss in the silencer. Furthermore, water condensed on the funnel-shaped guide element can slide along the surface of the guide element due to gravity and in this way be discharged, for example, to a drain opening in the water separation chamber. To promote a laminar and low-noise flow, the funnel-shaped guide element can be designed to be rotationally symmetrical. In particular The funnel-shaped guide element has a concave surface along which the exhaust gas flow can flow. This promotes a laminar and low-noise flow and increases the available condensation surface. In particular, the impact element and the funnel-shaped guide element are spaced apart from one another in the longitudinal direction of the silencer or in the main flow direction of the exhaust gas flow.
Vorzugsweise weist die Schalldämpfvorrichtung ein sich durch die Schalldämpfkammer erstreckendes perforiertes Rohr auf. Insbesondere ist ein stromaufwärts befindliches Rohrende mit dem trichterförmige Leitelement derart verbunden, dass das Rohrinnere mit der Wasserabscheidekammer in fluidleitender Verbindung steht. Vorzugsweise ist ein stromabwärts befindliches Rohrende mit der Auslassöffnung verbunden. Die Perforation des Rohres stellt dabei eine fluidleitende Verbindung mit der übrigen Schalldämpfkammer her. Die Schalldämpfvorrichtung kann grundsätzlich als Reflexionsschalldämpfer oder als Absorptionsschalldämpfer ausgebildet sein. Bevorzugt bildet die Schalldämpfvorrichtung einen Reflexionsschalldämpfer aus. Hierdurch kann in der Schalldämpfvorrichtung in einfacher Weise eine ergänzende Entfeuchtung durch Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers an den Oberflächen der Wandungen der Schalldämpfkammer erfolgen. Die Größe der Schalldämpfkammer und/oder das Lochmuster der Perforation im Rohr können dabei einen bestimmten zu dämpfenden Frequenzbereich angepasst werden.The silencer device preferably has a perforated pipe extending through the silencer chamber. In particular, an upstream pipe end is connected to the funnel-shaped guide element in such a way that the inside of the pipe is in fluid communication with the water separation chamber. A downstream pipe end is preferably connected to the outlet opening. The perforation of the pipe creates a fluid connection with the rest of the silencer chamber. The silencer device can basically be designed as a reflection silencer or as an absorption silencer. The silencer device preferably forms a reflection silencer. This makes it easy to carry out additional dehumidification in the silencer device by condensing the water contained in the exhaust gas on the surfaces of the walls of the silencer chamber. The size of the silencer chamber and/or the hole pattern of the perforation in the pipe can be adapted to a specific frequency range to be dampened.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist der Querschnitt des Prallelements an seinem stromabwärts gelegenen Ende größer als der Strömungsquerschnitt der Einlassöffnung. Auf diese Weise wird der Abgasstrom in ein großes Volumen aufgeweitet und kann entlang einer großen Kondensationsoberfläche geführt werden.In a preferred embodiment of the silencer according to the invention, the cross-section of the impact element at its downstream end is larger than the flow cross-section of the inlet opening. In this way, the exhaust gas flow is expanded into a large volume and can be guided along a large condensation surface.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist das Prallelement zur Erzeugung eines Dralls in dem Abgasstrom ausgebildet. Bevorzugt weist das Prallelement hierzu ein oder mehrere Leitelemente, auf, z.B. in Form von Leitschaufeln, die durch ihre Formgebung den an dem Prallelement entlangströmenden Abgasstrom in eine Drallbewegung um eine parallel zur Längsrichtung des Schalldämpfers bzw. zur Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms verlaufende Rotationsachse versetzen. Durch die Drallbewegung wird der Strömungspfad des Abgasstromes gekrümmt und somit verlängert, wodurch eine Entfeuchtung weiter begünstigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Prallelement auch eine oder mehrere Vertiefungen als Leitelemente aufweisen. In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the impact element is designed to generate a swirl in the exhaust gas flow. For this purpose, the impact element preferably has one or more guide elements, e.g. in the form of guide vanes, which, due to their shape, cause the exhaust gas flow flowing along the impact element to swirl around an axis of rotation running parallel to the longitudinal direction of the silencer or to the main flow direction of the exhaust gas flow. The swirl movement curves the flow path of the exhaust gas flow and thus lengthens it, which further promotes dehumidification. Alternatively or additionally, the impact element can also have one or more depressions as guide elements.
Vorzugsweise ist das trichterförmige Leitelement zur Zuführung des verjüngten Abgasstroms zur Schalldämpfervorrichtung ausgebildet. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter Aufbau des Schalldämpfers realisierbar, bei dem auf weitere Strukturen zur Zuführung des Abgasstroms verzichtet werden kann.Preferably, the funnel-shaped guide element is designed to feed the tapered exhaust gas flow to the silencer device. In this way, a particularly compact design of the silencer can be realized, in which further structures for feeding the exhaust gas flow can be dispensed with.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weist der Schalldämpfer ein die die Wasserabscheidekammer in zwei Teilkammern trennendes Kondensationssieb auf. Auf diese Weise wird der Abgasstrom gezwungen, das in der Wasserabscheidekammer angeordnete Kondensationssieb zu passieren. Das in dem Abgasstrom enthaltene Wasser kann an dem Siebbelag kondensieren, wodurch der Entfeuchtungsgrad der Wasserabscheidevorrichtung weiter erhöht wird. Insbesondere bildet ein Geflecht, Drahtgewebe, Drahtgitter und/oder Lochblech den Siebbelag aus. Bevorzugt hat das Kondensationssieb eine Maschenweite von mindestens 160 µm, bevorzugt mindestens 300 µm, besonders bevorzugt mindestens 500 µm, und maximal 1000 µm, bevorzugt maximal 900 µm. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass mit derartigen Maschenweiten gute Entfeuchtungsergebnisse erzielt werden können. Vorzugsweise ist das Kondensationssieb stromabwärts des Prallelements angeordnet, so dass der Abgasstrom bereits aufgeweitet und an einer möglichst großen Kondensationsoberfläche entlanggeführt wird, bevor er auf das Kondensationssieb auftrifft. Besonders bevorzugt ist das Kondensationssieb zumindest teilweise innerhalb des trichterförmigen Leitelements angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Abgasstrom von dem trichterförmigen Leitelement auf das Kondensationssieb gerichtet und vor dem Passieren des Kondensationssiebs verdichtet, so dass ein Druckverlust durch den Strömungswiderstands des Kondensationssiebes verringert wird. Vorzugsweise ist das Kondensationssieb zylindermantelförmig ausgebildet. Mit dieser einfachen konstruktiven Ausgestaltung kann das Kondensationssieb optimal in der Wasserabscheidekammer zwischen dem Prallelement und dem trichterförmigen Leitelement positioniert werden. Bevorzugt ist das Kondensationssieb an einer das Prallelement von dem trichterförmigen Leitelement beabstandenden Stützkonstruktion gelagert. Die Stützkonstruktion kann ein oder mehrere sich in Längsrichtung des Schalldämpfers bzw. in Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms erstreckende Stützelemente (z.B. in Form Stützstreben) aufweisen. Vorzugsweise weist der Schalldämpfer zumindest ein Heizelement zum Beheizen des Kondensationssiebes auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das engmaschige Kondensationssieb bei niedrigen Außentemperaturen nicht einfriert. Um eine günstige Heizleistung bereitzustellen, ist das zumindest eine Heizelement zum Beheizen des Kondensationssiebes bevorzugt an oder in der Stützkonstruktion angeordnet, an der das Kondensationssieb gelagert ist.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the silencer has a condensation sieve that separates the water separation chamber into two sub-chambers. In this way, the exhaust gas flow is forced to pass through the condensation sieve arranged in the water separation chamber. The water contained in the exhaust gas flow can condense on the sieve lining, which further increases the degree of dehumidification of the water separation device. In particular, a mesh, wire mesh, wire grid and/or perforated sheet forms the sieve lining. The condensation sieve preferably has a mesh size of at least 160 µm, preferably at least 300 µm, particularly preferably at least 500 µm, and a maximum of 1000 µm, preferably a maximum of 900 µm. It has surprisingly been found that good dehumidification results can be achieved with such mesh sizes. The condensation screen is preferably arranged downstream of the impact element, so that the exhaust gas flow is already expanded and guided along the largest possible condensation surface before it hits the condensation screen. The condensation screen is particularly preferably arranged at least partially within the funnel-shaped guide element. In this way, the exhaust gas flow is directed from the funnel-shaped guide element onto the condensation screen and compressed before passing through the condensation screen, so that a pressure loss due to the flow resistance of the condensation screen is reduced. The condensation screen is preferably designed in the shape of a cylinder jacket. With this simple structural design, the condensation screen can be optimally positioned in the water separation chamber between the impact element and the funnel-shaped guide element. The condensation screen is preferably mounted on a support structure that spaced the impact element from the funnel-shaped guide element. The support structure can have one or more support elements (e.g. in the form of support struts) extending in the longitudinal direction of the silencer or in the main flow direction of the exhaust gas flow. Preferably, the silencer has at least one heating element for heating the condensation screen. This ensures that the close-meshed condensation screen does not freeze at low outside temperatures. In order to provide a favorable heating output, the at least one heating element for heating the condensation screen is tion sieve is preferably arranged on or in the support structure on which the condensation sieve is mounted.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers bildet das trichterförmige Leitelement eine Trennwand zwischen der Wasserabscheidekammer und der Schalldämpfkammer aus. Auf diese Weise wird eine Abtrennung der beiden Kammern zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig durch ein und dieselbe Struktur erreicht, wodurch ein besonders kompakter Aufbau des Schalldämpfers insbesondere mit einem unmittelbaren Übergang von Wasserabscheidekammer zur Schalldämpfkammer realisierbar ist.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the funnel-shaped guide element forms a partition wall between the water separation chamber and the sound-damping chamber. In this way, the two chambers are separated at least partially, preferably completely, by one and the same structure, whereby a particularly compact design of the silencer can be realized, in particular with a direct transition from the water separation chamber to the sound-damping chamber.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weist die Schalldämpfvorrichtung stromabwärts der Schalldämpferkammer zumindest eine weitere Schalldämpfkammer auf. Aufgrund seiner konstruktiven Ausgestaltung eignet sich der erfindungsgemäße Schalldämpfer optimal für eine in einfacher Weise zu implementierende Erweiterung der Schalldämpfervorrichtung um eine oder mehrere Schalldämpfkammern. Dadurch wird sowohl die Dämpfung als auch die ergänzende Entfeuchtung begünstigt. Jede der Schalldämpfkammern kann dabei durch ihre Größe und/oder das entsprechende Lochmuster der Perforation im Rohr an einen anderen zu dämpfenden Frequenzbereich angepasst werden. Insbesondere erstreckt sich ein perforiertes Rohr durch die Schalldämpfkammern, wobei die Schalldämpfkammern außerhalb des Rohres durch Trennwände voneinander abgetrennt sind. Zur optimalen Dämpfung weist die Schalldämpfvorrichtung bevorzugt zwei, besonders bevorzugt vier Schalldämpfkammern auf.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the silencer device has at least one further silencer chamber downstream of the silencer chamber. Due to its structural design, the silencer according to the invention is ideally suited for an extension of the silencer device by one or more silencer chambers, which can be implemented in a simple manner. This promotes both the damping and the additional dehumidification. Each of the silencer chambers can be adapted to a different frequency range to be dampened by its size and/or the corresponding hole pattern of the perforation in the pipe. In particular, a perforated pipe extends through the silencer chambers, with the silencer chambers being separated from one another outside the pipe by partition walls. For optimal damping, the silencer device preferably has two, particularly preferably four silencer chambers.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers erstreckt sich die Kavität entlang einer Längsmittelachse und insbesondere rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse, wobei die Wasserabscheidevorrichtung und die Schalldämpfvorrichtung zentriert zur Längsmittelachse angeordnet sind. Somit muss der Abgasstrom beim Übergang von der Wasserabscheidevorrichtung in die Schalldämpfvorrichtung seine Strömungsrichtung nur geringfügig ändern, wodurch eine gleichmäßige und geräuscharme Strömung des Abgasstromes begünstigt wird. Ferner kann auf diese Weis ein kompakter Aufbau des Schalldämpfers realisiert werden. Insbesondere sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung zentriert zur Längsmittelachse angeordnet. Bevorzugt ist die Kavität zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, zylindrisch oder aus mehreren koaxial zueinander ausgerichteten zylindrischen Teilkavitäten ausgebildet.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the cavity extends along a longitudinal central axis and in particular rotationally symmetrical about the longitudinal central axis, with the water separator and the silencer device being arranged centered on the longitudinal central axis. The exhaust gas flow therefore only has to change its flow direction slightly when passing from the water separator to the silencer device, which promotes a uniform and quiet flow of the exhaust gas flow. Furthermore, a compact design of the silencer can be achieved in this way. In particular, the inlet opening and the outlet opening are arranged centered on the longitudinal central axis. The cavity is preferably at least partially, preferably completely, cylindrical or made up of several coaxially aligned cylindrical partial cavities.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weist der Schalldämpfer ein die Kavität zumindest teilweise begrenzendes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse zumindest die Mantelfläche(n) der Kavität begrenzt, wobei der Schalldämpfer eine aus Modulen zusammenbaubar oder einstückig ausgebildete Struktur aufweist, die als Ganzes in das Gehäuse einsetzbar ist, wobei die Struktur zusammen mit dem Gehäuse die Wasserabscheidevorrichtung und die Schalldämpfvorrichtung ausbildet. Das Gehäuse kann dabei zumindest eine Einsetzöffnung freigeben, durch die die Struktur in das Gehäuse eingesetzt werden kann. Die Einsetzöffnung kann mittels eines separaten Deckels verschließbar sein. Alternativ kann ein Teil der Struktur den Deckel ausbilden und bei in dem Gehäuse eingesetzter Struktur die Einsetzöffnung verschließen. Insbesondere weist die Struktur das Prallelement, das trichterförmige Leitelement, das perforierte Rohr sowie bei Vorliegen mehrerer Schalldämpfkammern eine oder mehrere Trennwände zur Abtrennung der Schalldämpfkammern auf. Die Struktur kann z.B. eine Stützkonstruktion aufweisen, die das Prallelement von dem trichterförmigen Leitelement beabstandet an dem trichterförmigen Leitelement befestigt.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the silencer has a housing that at least partially delimits the cavity, the housing delimiting at least the outer surface(s) of the cavity, the silencer having a structure that can be assembled from modules or formed in one piece and can be inserted into the housing as a whole, the structure together with the housing forming the water separating device and the sound-damping device. The housing can release at least one insertion opening through which the structure can be inserted into the housing. The insertion opening can be closed by means of a separate cover. Alternatively, part of the structure can form the cover and close the insertion opening when the structure is inserted into the housing. In particular, the structure has the impact element, the funnel-shaped guide element, the perforated tube and, if there are several sound-damping chambers, one or more partition walls for separating the sound-damping chambers. The structure may, for example, comprise a support structure which fastens the impact element to the funnel-shaped guide element at a distance from the funnel-shaped guide element.
Vorzugsweise besteht das Gehäuse und/oder die Struktur überwiegend aus einem Werkstoff, das einen Thermoplasten aufweist.Preferably, the housing and/or the structure consists predominantly of a material comprising a thermoplastic.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weist der Schalldämpfer eine die Wasserabscheidekammer zumindest teilweise umgebende Wasserauffangkammer auf, die über eine Abflussöffnung derart mit der Wasserabscheidekammer in fluidleitender Verbindung steht, dass aus dem Abgasstrom abgeschiedenes Wasser aus der Wasserabscheidekammer, insbesondere gravitationsbedingt selbstständig, in die Wasserauffangkammer abfließen und dort aufgefangen werden kann. Auf diese Weise wird das abgeschiedene Wasser aus der Wasserabscheidekammer abgeführt, wodurch eine Wasseransammlung in der Wasserabscheidevorrichtung vermieden wird, die sich sonst negativ auf die Entfeuchtung auswirken könnte. Ferner wird verhindert, das angesammeltes Wasser durch den Abgasstrom in Richtung der Schalldämpfvorrichtung transportiert wird und deren Funktion beeinträchtigt. Eine zuverlässige Abführung von Wasser aus der Wasserabscheidekammer ist für die Funktion des Schalldämpfers entscheidend, da z.B. bei Volllastfahrt einer 100 kW-Brennstoffzelle bereits etwa 0,5 L Wasser aus dem Abgas abgeschieden werden kann. Das in der Wasserauffangkammer aufgefangene Wasser kann in einfacher Weise z.B. über eine Aubführöffnung aktiv - z.B. durch eine Pumpe - oder passiv - z.B. gravitationsbedingt selbstständig - aus der Wasserauffangkammer abgeführt werden. Die Wasserauffangkammer muss lediglich einen kleinen Bereich der Wasserabscheidekammer umgeben - z.B. einen bezüglich der Gravitationsrichtung unten liegenden Bereich. Die Wasserauffangkammer kann somit ein wesentlich geringeres Innenvolumen aufweisen als die Wasserabscheidekammer. Vorzugsweise sind die Kavität und die Wasserauffangkammer durch eine Wandung der Kavität getrennt, wodurch ein kompakter Aufbau des Schalldämpfers erreicht wird.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the silencer has a water collection chamber which at least partially surrounds the water separation chamber and which is in fluid communication with the water separation chamber via a drain opening in such a way that water separated from the exhaust gas flow can flow out of the water separation chamber, in particular independently due to gravity, into the water collection chamber and be collected there. In this way, the separated water is drained from the water separation chamber, thereby preventing water from accumulating in the water separation device, which could otherwise have a negative effect on dehumidification. It is also prevented that accumulated water is transported by the exhaust gas flow towards the silencer and impairs its function. Reliable drainage of water from the water separation chamber is crucial for the function of the silencer, since, for example, when a 100 kW fuel cell is running at full load, around 0.5 L of water can be separated from the exhaust gas. The water collected in the water collection chamber can be easily drained out of the water collection chamber, e.g. via a discharge opening, either actively - e.g. by a pump - or passively - e.g. independently due to gravity. The water collection chamber only has to surround a small area of the water separation chamber - e.g. an area that is located at the bottom in relation to the direction of gravity. The water collection chamber can therefore have a much smaller internal volume than the water separation chamber. The cavity and the water collection chamber are preferably separated by a wall of the cavity, which results in a compact design of the silencer.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers umgibt die Wasserauffangkammer ferner die Schalldämpfkammer zumindest teilweise und steht über eine Öffnung derart mit der Schalldämpfkammer in fluidleitender Verbindung, dass aus dem Abgasstrom kondensiertes Wasser aus der Schalldämpfkammer, insbesondere gravitationsbedingt selbstständig, in die Wasserauffangkammer abfließen kann. Auf diese Weise wird das abgeschiedene Wasser aus der Schalldämpfkammer abgeführt, wodurch eine Wasseransammlung in der Schalldämpfvorrichtung vermieden wird, die sich sonst negativ auf die Geräuschdämpfung auswirken könnte. Um die Funktion nicht zu beeinträchtigen ist die Öffnung für das kondensierte Wasser bevorzugt in einer Ecke der Schalldämpfkammer angeordnet. Vorzugsweise ist bei Vorliegen mehrerer durch eine Trennwand getrennter, benachbarter Schalldämpfkammern eine gemeinsame Öffnung im Bereich einer Stirnseite der Trennwand angeordnet, wobei kondensiertes Wasser aus beiden Schalldämpfkammern durch die Öffnung in die Wasserauffangkammer abfließen kann.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the water collection chamber furthermore surrounds the silencer chamber at least partially and is in fluid communication with the silencer chamber via an opening in such a way that water condensed from the exhaust gas flow can flow out of the silencer chamber, in particular independently due to gravity, into the water collection chamber. In this way, the separated water is drained out of the silencer chamber, thereby preventing water from accumulating in the silencer device, which could otherwise have a negative effect on the noise reduction. In order not to impair the function, the opening for the condensed water is preferably arranged in a corner of the silencer chamber. Preferably, if there are several adjacent silencer chambers separated by a partition wall, a common opening is arranged in the area of one end of the partition wall, whereby condensed water from both silencer chambers can flow through the opening into the water collection chamber.
Bevorzugt erstreckt sich die Wasserauffangkammer entlang zumindest der Hälfte der Gesamtlänge, bevorzugt zumindest zwei Drittel der Gesamtlänge der Kavität. Hierdurch wird die Aufnahmekapazität der Wasserauffangkammer begünstigt. Ferner kann ein kompakter Aufbau des Schalldämpfers realisiert werden.The water collection chamber preferably extends along at least half of the total length, preferably at least two thirds of the total length of the cavity. This improves the absorption capacity of the water collection chamber. Furthermore, a compact design of the silencer can be achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weist der Schalldämpfer ein Heizelement zum Beheizen zumindest eines Teils einer die Wasserauffangkammer begrenzenden Wandung auf. Auf diese Weise kann eine Abführung des Wassers auch bei niedrigen Außentemperaturen, bei denen mit einem Einfrieren des Kondensats zu rechnen ist, gewährleistet werden. Das Heizelement kann sich dabei entlang zumindest der Hälfte der Gesamtlänge, bevorzugt zumindest zwei Drittel der Gesamtlänge der Wasserauffangkammer erstrecken. Vorzugsweise ist das Heizelement in einem die Abführöffnung umgebenden Bereich der die Wasserauffangkammer begrenzenden Wandung eingebettet.In a further preferred embodiment of the silencer according to the invention, the silencer has a heating element for heating at least part of a wall delimiting the water collection chamber. In this way, the water can be drained away even at low outside temperatures, where freezing of the condensate is to be expected. The heating element can extend along at least half of the total length, preferably at least two thirds of the total length of the water collection chamber. The heating element is preferably embedded in an area of the wall delimiting the water collection chamber that surrounds the drain opening.
Der Schalldämpfer kann jeweils im Bereich der Einlassöffnung und im Bereich der Auslassöffnung mit einen Stutzen versehen sein, an den ein Abgasleitungsabschnitt des Abgasstranges befestigt werden kann.The silencer can be provided with a nozzle in the area of the inlet opening and in the area of the outlet opening, to which an exhaust pipe section of the exhaust system can be attached.
Gemäß dem bereits vor- sowie dem weiter unten nachbeschriebenen wird die eingangs gestellte Aufgabe auch durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.According to what has already been described above and what has been described below, the object posed at the outset is also achieved by a fuel cell system having the features of
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, einen von der Brennstoffzelle abgehenden Abgasstrang sowie ein in dem Abgasstrang installierten erfindungsgemäßen Schalldämpfer auf. Die vor- sowie nachbeschriebenen Vorteile des Schalldämpfers werden auf diese Weise für das Brennstoffzellensystem entsprechend realisiert.The fuel cell system according to the invention has a fuel cell, an exhaust line leading from the fuel cell and a silencer according to the invention installed in the exhaust line. The advantages of the silencer described above and below are realized accordingly for the fuel cell system in this way.
In Laborversuchen hat sich durch Vergleich der relativen Luftfeuchtigkeit sowie der Temperatur an Einlass- und Auslassöffnung herausgestellt, dass der erfindungsgemäße Schalldämpfer in der Lage ist, ca. 75 % bis 80 % der Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom abzuscheiden.In laboratory tests, by comparing the relative humidity and the temperature at the inlet and outlet openings, it was found that the silencer according to the invention is able to separate approximately 75% to 80% of the moisture from the exhaust gas stream.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung jeweils für sich oder in einer beliebigen technisch sinnvollen Kombination auch untereinander jeweils mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche kombinierbar sind.It is expressly pointed out that the embodiments of the invention explained above can be combined with the subject matter of the independent claims, either individually or in any technically reasonable combination, including with one another.
Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung und den Zeichnungen entnehmen. In den schematischen Figuren zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer Schnittdarstellung; -
3 ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer Schnittdarstellung; und -
4 eine Frontansicht eines Prallelements, wie es in einem der Ausführungsbeispiele gemäß1 oder 2 eingesetzt werden kann.
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1 an embodiment of a fuel cell system according to the invention; -
2 a first embodiment of a silencer according to the invention in a sectional view; -
3 a second embodiment of a silencer according to the invention in a sectional view; and -
4 a front view of an impact element as it is in one of the embodiments according to1 or2 can be used.
Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind - sofern dienlich - mit identischen Bezugsziffern versehen.Parts that have the same or similar effect are provided with identical reference numbers where appropriate.
Einzelne technische Merkmale der nachbeschriebenen Ausführungsbeispiele können auch in Kombination mit vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und etwaiger weiterer Ansprüche zu erfindungsgemäßen Gegenständen kombiniert werden.Individual technical features of the embodiments described below can also be used in combination with the previously described embodiments. play a role and the features of the independent claims and any further claims are combined to form subject matter according to the invention.
Der Abgasstrom S kann von der Brennstoffzelle 3 über eine Abgaszuleitung 4a (
Durch die Form des Prallelements 32, d.h. durch den von seinem stromaufwärts gelegenen Ende 321 zu seinem stromabwärts gelegenen Ende 322 stetig zunehmenden Querschnitt, erfolgt eine graduelle radiale Aufweitung des Abgasstromes S an den Außenflächen des Prallelements 32. Um eine ausreichende radiale Aufweitung des Abgasstroms S zu erzielen, ist der Querschnitt des Prallelements 32 an seinem stromabwärts gelegenen Ende 322 größer als der Strömungsquerschnitt der Einlassöffnung 11. Zur Begünstigung einer gleichmäßigen und geräuscharmen Strömung ist das Prallelement 32 im Wesentlichen um rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen kegelförmigen Strömungskörper mit abgerundeter Spitze auf. Zur Reduktion des Gewichts ist das Prallelement 32 hohl ausgebildet.Due to the shape of the
Das trichterförmige Leitelement 33 begrenzt von seinem stromaufwärts gelegenen Ende 331 zu seinem stromabwärts gelegenen Ende 332 einen Strömungskanal mit stetig abnehmendem Strömungsquerschnitt. Auf diese Weise wird der durch das Prallelement 32 aufgeweitete Abgasstrom S wieder eingefangen, wobei durch die Trichterform die Entstehung von Verwirbelungen und ein damit einhergehender Druckverlust verringert oder sogar vermieden wird. Zum kann kondensiertes Wasser gravitationsbedingt an der Oberfläche des Leitelements 33 z.B. in Richtung der Abflussöffnung 41 entlangrutschen und so besser abgeführt werden. Zur Begünstigung einer laminaren und geräuscharmen Strömung ist das trichterförmige Leitelement 33 um die Längsmittelachse A herum rotationssymmetrisch ausgebildet. Das trichterförmige Leitelement 33 eine konkave Oberfläche auf, an der der Abgasstrom S entlangströmen kann. Dies begünstigt eine laminare und geräuscharme Strömung und vergrößert die zur Verfügung stehende Kondensationsoberfläche. Um einen möglichst kompakten Aufbau des Schalldämpfers 1 zu realisieren, bildet das trichterförmige Leitelement 33 eine Trennwand zwischen der Wasserabscheidekammer 31 und der Schalldämpfkammer 21a aus. Prallelement 32 und trichterförmiges Leitelement 33 sind in Längsrichtung des Schalldämpfers 1 bzw. in Hauptströmungsrichtung R des Abgasstroms S voneinander beabstandet. Das trichterförmige Leitelement 33 ist zur Zuführung des verjüngten Abgasstroms S zur Schalldämpfervorrichtung 20 ausgebildet, d.h. das stromabwärtsseitige Ende 332 des trichterförmigen Leitelements 33 schließt unmittelbar an das stromaufwärtsseitige Ende des perforierten Rohres 22 an. Im vorliegenden Fall sind das trichterförmige Leitelement 32 und das perforierte Rohr 22 einstückig ausgebildet.The funnel-shaped
Die Schalldämpfvorrichtung 20 bildet im vorliegenden Fall einen Reflexionsschalldämpfer mit vier Schalldämpfkammern 21 a, 21 b, 21c, 21 d aus, durch die sich ein perforiertes Rohr 22 erstreckt und die im Übrigen von drei Trennwänden 23a, 23b, 23c voneinander abgetrennt werden.In the present case, the
Die Kavität 10 erstreckt sich entlang der Längsmittelachse A des Schalldämpfers 1 und rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse A. Im vorliegenden Fall ist die Kavität 10 zylindrisch ausgebildet. Die Wasserabscheidevorrichtung 30 und die Schalldämpfervorrichtung 20 sind zentriert zu der Längsmittelachse A angeordnet. Dadurch wird eine gleichmäßige und geräuscharme Strömung des Abgasstromes begünstigt, da insbesondere auf einen Wechsel der Hauptströmungsrichtung R (Strömungsumkehr) verzichtet wird. Das vorteilhafte Strömungsverhalten wird auch dadurch begünstigt, dass die Einlassöffnung 11 und die Auslassöffnung 12 zentriert zur Längsmittelachse A angeordnet sind.The
Der Schalldämpfer 1 weist ein Gehäuse 13 auf, das die Mantelfläche der zylindrischen Kavität 10 begrenzt. Im vorliegenden Fall begrenzt das Gehäuse 13 zusätzlich auch eine einlassseitige Stirnseite der Kavität 10, während eine auslassseitige Stirnseite von einem separaten Deckel 15 begrenzt wird. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Schalldämpfers 1, insbesondere aufgrund der Rotationssymmetrie der einzelnen Bestandteile des Schalldämpfers 1 um die Längsmittelachse A, wird eine besonders einfache Herstellung ermöglicht. Der Schalldämpfer 1 kann eine aus Modulen zusammenbaubar oder einstückig ausgebildete Struktur 14 aufweisen, die als Ganzes in das Gehäuse 13 einsetzbar ist, wobei die Struktur 14 zusammen mit dem Gehäuse 13 die Wasserabscheidevorrichtung 30 und die Schalldämpfvorrichtung 20 ausbildet. Im vorliegenden Fall gibt das Gehäuse 13 hierzu auslassseitig eine mit dem Deckel 15 verschließbare Einsetzöffnung für die Struktur 14 frei. Der Deckel 15 kann auch an der Struktur 14 befestigt sein oder einstückig mit dieser ausgebildet sein. Die Struktur 14 kann beispielsweise das Prallelement 32, das trichterförmige Leitelement 33, das perforierte Rohr 22 sowie die Trennwände 23a, 23b, 23c zur Abtrennung der Schalldämpfkammern 21a, 21b, 21c, 21 d aufweisen. Die Struktur 14 kann z.B. eine Stützkonstruktion 50 aufweisen, die das Prallelement 32 von dem trichterförmigen Leitelement 33 beabstandet an dem trichterförmigen Leitelement 33 befestigt. Im vorliegenden Fall weist die Struktur eine weitere Stützkonstruktion 51 auf, die das Prallelement 32 im Bereich der einlassseitigen Stirnseite der Kavität 10 von dem Gehäuse 13 beabstandet. Es kann in einigen Anwendungsfällen auch vorteilhaft sein, die Struktur 14 an zumindest einer Querschnittsebene in einzelne Module zu teilen.The
Der Schalldämpfer 1 weist eine die Wasserabscheidekammer 31 teilweise umgebende Wasserauffangkammer 40 auf, die über eine Abflussöffnung 41 derart mit der Wasserabscheidekammer in fluidleitender Verbindung steht, dass aus dem Abgasstrom S abgeschiedenes Wasser aus der Wasserabscheidekammer 31 gravitationsbedingt selbstständig, in die Wasserauffangkammer 40 abfließen und dort aufgefangen werden kann. Abgeschiedenes Wasser kann somit optimal aus der Wasserabscheidekammer 31 abfließen. Die Form des Prallelements 32 sowie die Form des trichterförmigen Leitelements 33 begünstigen einen gerichteten Fluss des abgeschiedenen Wassers in Richtung der Abflussöffnung 41.The
Das in der Wasserauffangkammer 40 aufgefangene Wasser kann in einfacher Weise z.B. über eine Abführöffnung 42 aktiv - z.B. durch eine Pumpe - oder passiv - z.B. gravitationsbedingt selbstständig - aus der Wasserauffangkammer bzw. aus dem Schalldämpfer abgeführt werden. Die Wasserauffangkammer 40 muss lediglich einen kleinen Bereich der Wasserabscheidekammer 31 umgeben - z.B. einen bezüglich der Gravitationsrichtung G unten liegenden Bereich, der sich aus einer Blickrichtung parallel zur Längsmittelachse A etwa zwischen einer „5-Uhr-Position“ und einer „7-Uhr-Position“ befinden kann. Die Wasserauffangkammer 40 kann somit ein wesentlich geringeres Innenvolumen aufweisen als die Wasserabscheidekammer 31. Die Kavität 10 und die Wasserauffangkammer 40 sind durch eine Wandung der Kavität 10 getrennt, wodurch ein kompakter Aufbau des Schalldämpfers 1 erreicht wird. Eine die Wasserauffangkammer 40 begrenzende Wandung kann ebenfalls Teil des Gehäuses 13 sein und insbesondere einstückig mit diesem ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine in das Gehäuse 13 einschiebbare Trennwand vorgesehen sein, die die Wasserabscheidekammer 31 von der Wasserauffangkammer 40 abtrennt.The water collected in the
Die Wasserauffangkammer 40 umgibt ferner die Schalldämpfkammern 21a, 21 b, 21c, 21d teilweise und steht über Öffnungen 41a, 41b, 41c derart mit den Schalldämpfkammern 21a, 21b, 21c, 21d in fluidleitender Verbindung, dass aus dem Abgasstrom S kondensiertes Wasser aus den Schalldämpfkammern 21a, 21b, 21c, 21d gravitationsbedingt selbstständig in die Wasserauffangkammer 40 abfließen kann. Auf diese Weise wird eine Wasseransammlung in der Schalldämpfvorrichtung 20 vermieden, die sich sonst negativ auf die Geräuschdämpfung auswirken könnte. Um die Funktion der Schalldämpfvorrichtung 20 nicht zu beeinträchtigen sind die Öffnungen 41a, 41b, 41c für das kondensierte Wasser bevorzugt in den Ecken der Schalldämpfkammern 21a, 21b, 21c, 21d angeordnet, wobei benachbarte Schalldämpfkammern 21a, 21b, 21c, 21d eine gemeinsame Öffnung 41a, 41b, 41c im Bereich einer Stirnseite der jeweiligen Trennwand 23a, 23b, 23c aufweisen.The
Zur Bereitstellung einer ausreichenden Aufnahmekapazität erstreckt sich die Wasserauffangkammer 40 im Wesentlichen entlang der Gesamtlänge L der Kavität 10.To provide sufficient absorption capacity, the
Der Schalldämpfer 1 weist ein Heizelement 43 zum Beheizen zumindest eines Teils einer die Wasserauffangkammer 40 begrenzenden Wandung auf. Auf diese Weise kann eine Abführung des Wassers auch bei niedrigen Außentemperaturen, bei denen mit einem Einfrieren des Kondensats zu rechnen ist, gewährleistet werden. Das Heizelement 43 ist dabei in die Wandung eingebettet und erstreckt sich entlang zumindest der Hälfte der Gesamtlänge L der Wasserauffangkammer 40. Das Heizelement 43 kann alternativ in einem die Abführöffnung 42 umgebenden Bereich der die Wasserauffangkammer 40 begrenzenden Wandung eingebettet sein. Es können auch mehrere Heizelemente 43 vorgesehen sein.The
In der zweiten Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Struktur 14 zumindest an einer Querschnittsebene zwischen dem Prallelement 32 und dem trichterförmigen Leitelement 33 in einzelne Module zu teilen, so dass das Kondensationssieb 34 in einfacher Weise an der Struktur 14 befestigt werden kann. Beispielsweise kann ein erstes Modul der Struktur 14 das Prallelement 32 und die weitere Stützkonstruktion 51 aufweisen und ein zweites Modul der Struktur 14 die Stützkonstruktion 50, das Kondensationssieb 43, das trichterförmige Leitelement 33 und ggf. die zur Schalldämpfvorrichtung 20 gehörenden Bauteile (perforiertes Rohr 22, Trennwände 23a, 23b, 23c) aufweisen. Das erste Modul der Struktur 14 kann auch einen Deckel aufweisen, der die einlassseitige Stirnseite der Kavität 10 zumindest teilweise begrenzt. Das zweite Modul der Struktur 14 kann auch einen Deckel aufweisen, der die auslassseitige Stirnseite der Kavität 10 zumindest teilweise begrenzt.In the second embodiment, it is advantageous to divide the
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt.It should be noted that “comprising” does not exclude other elements or steps, and “a” or “an” does not exclude a plurality.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Patentansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt. The scope of the present invention is given by the patent claims and is not limited by the features explained in the description or shown in the figures.
Bezugszeichenliste (Teil der Beschreibung)List of reference symbols (part of the description)
- 11
- Schalldämpfersilencer
- 22
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 33
- BrennstoffzelleFuel cell
- 44
- AbgasstrangExhaust system
- 4a4a
- Abgaszuleitung des AbgasstrangsExhaust gas supply line of the exhaust system
- 4b4b
- Abgasableitung des AbgasstrangsExhaust gas discharge of the exhaust system
- 55
- Wasserstoffhydrogen
- 66
- LuftAir
- 1010
- Kavität des SchalldämpfersSilencer cavity
- 1111
- Einlassöffnung der KavitätInlet opening of the cavity
- 1212
- Auslassöffnung der KavitätOutlet opening of the cavity
- 1313
- Gehäuse des SchalldämpfersSilencer housing
- 1414
- Struktur des SchalldämpfersStructure of the silencer
- 1515
- Deckel des SchalldämpfersSilencer cover
- 1616
- Einlassstutzen des SchalldämpfersInlet port of the silencer
- 1717
- Auslassstutzen des SchalldämpfersSilencer outlet port
- 2020
- Schalldämpfvorrichtung des SchalldämpfersSilencer silencer device
- 21a-d21a-d
- Schalldämpfkammern der SchalldämpfvorrichtungSilencing chambers of the silencer device
- 2222
- perforiertes Rohr der Schalldämpfvorrichtungperforated pipe of the silencer
- 23a-c23a-c
- Trennwände der SchalldämpfvorrichtungPartition walls of the silencer
- 3030
- WasserabscheidevorrichtungWater separator
- 3131
- Wasserabscheidekammer der WasserabscheidevorrichtungWater separation chamber of the water separation device
- 311311
- erste Teilkammer der Wasserabscheidekammerfirst sub-chamber of the water separation chamber
- 312312
- zweite Teilkammer der Wasserabscheidekammersecond sub-chamber of the water separation chamber
- 3232
- Prallelement der WasserabscheidevorrichtungImpact element of the water separator
- 321321
- stromaufwärts gelegenes Ende des Prallelementsupstream end of the impact element
- 322322
- stromabwärts gelegenes Ende des Prallelementsdownstream end of the impact element
- 323323
- Leitelemente des PrallelementsGuide elements of the impact element
- 3333
- trichterförmiges Leitelement der Wasserabscheidevorrichtungfunnel-shaped guide element of the water separator
- 331331
- stromaufwärts gelegenes Ende des trichterförmigen Leitelementsupstream end of the funnel-shaped guide element
- 332332
- stromabwärts gelegenes Ende des trichterförmigen Leitelementsdownstream end of the funnel-shaped guide element
- 3434
- Kondensationssieb der WasserabscheidevorrichtungCondensation sieve of the water separator
- 3535
- die Wasserabscheidekammer begrenzende WandungWall defining the water separation chamber
- 4040
- Wasserauffangkammer des SchalldämpfersSilencer water collection chamber
- 4141
- Abflussöffnung der WasserauffangkammerDrain opening of the water collection chamber
- 41a-c41a-c
- Öffnungen der WasserauffangkammerOpenings of the water collection chamber
- 4242
- Abführöffnung der WasserauffangkammerDrain opening of the water collection chamber
- 4343
- Heizelement des SchalldämpfersHeating element of the silencer
- 5050
- StützkonstruktionSupport structure
- 5151
- weitere Stützkonstruktionfurther support structure
- AA
- Längsmittelachse des SchalldämpfersLongitudinal center axis of the silencer
- GG
- GravitationsrichtungGravitational direction
- LL
- Gesamtlänge der KavitätTotal length of cavity
- RR
- Hauptströmungsrichtung des AbgasstromesMain flow direction of the exhaust gas flow
- SS
- AbgasstromExhaust gas flow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely to provide the reader with better information. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2013175114 A1 [0006]US 2013175114 A1 [0006]
Claims (15)
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
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PCT/DE2023/200219 WO2024109995A2 (en) | 2022-11-25 | 2023-10-26 | Muffler for an exhaust gas section of a fuel cell system |
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DE102022212595.9A DE102022212595A1 (en) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | Silencer for an exhaust system of a fuel cell system |
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US20130175114A1 (en) | 2012-01-11 | 2013-07-11 | Jin-suck HEO | Hybrid silencer with gas-liquid separating function in fuel cell system |
-
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- 2022-11-25 DE DE102022212595.9A patent/DE102022212595A1/en active Pending
-
2023
- 2023-10-26 WO PCT/DE2023/200219 patent/WO2024109995A2/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130175114A1 (en) | 2012-01-11 | 2013-07-11 | Jin-suck HEO | Hybrid silencer with gas-liquid separating function in fuel cell system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024109995A2 (en) | 2024-05-30 |
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