EP4623473A2 - Schalldämpfer für einen abgasstrang eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Schalldämpfer für einen abgasstrang eines brennstoffzellensystems

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EP4623473A2
EP4623473A2 EP23804917.5A EP23804917A EP4623473A2 EP 4623473 A2 EP4623473 A2 EP 4623473A2 EP 23804917 A EP23804917 A EP 23804917A EP 4623473 A2 EP4623473 A2 EP 4623473A2
Authority
EP
European Patent Office
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silencer
water
exhaust gas
chamber
gas flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP23804917.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Sperling
Markus Linzmaier
Axel Flach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ContiTech Techno Chemie GmbH
Original Assignee
ContiTech Techno Chemie GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ContiTech Techno Chemie GmbH filed Critical ContiTech Techno Chemie GmbH
Publication of EP4623473A2 publication Critical patent/EP4623473A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/20—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a flow director or deflector
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a silencer for an exhaust system of a fuel cell system with the features of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with the features of claim 15.
  • a fuel cell converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, e.g. hydrogen, and an oxidizing agent, e.g.
  • 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.
  • a fuel cell system uses several mechanical devices that generate noise during operation, which can be perceived as disturbing.
  • silencers are installed in the fuel cell system, e.g. in an exhaust system.
  • 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 pre- The more chambers there are, the more efficient the damping is.
  • An absorption silencer usually has only one chamber, through which a perforated pipe runs.
  • the chamber is filled with a sound-absorbing material, e.g. long-fiber mineral wool.
  • a sound-absorbing material e.g. long-fiber mineral wool.
  • the sound waves penetrate the sound-absorbing material through the perforated pipe and are converted into heat by friction effects.
  • the damping achieved depends on the material used, the stuffing density, the length and the layer thickness of the chamber.
  • 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.
  • US 2013 175114 A1 proposes a hybrid silencer in which a dehumidification chamber is connected upstream of a silencer device based on the reflection principle, which is essentially completely filled with a water-absorbing material.
  • the dehumidification chamber In order to ensure a suitable dehumidification function, however, the dehumidification chamber must have a significantly larger volume than the silencer device. Nevertheless, the exhaust gas in the dehumidification chamber can only be dehumidified to a certain extent, so that the condensate that continues to form in the silencer device must be absorbed by a part of the water-absorbing material that protrudes into the silencer device. In addition, the water absorbed by the water-absorbing material cannot be easily drained away. but usually has to be sucked out using a pump. Overall, this results in a relatively complex structure of the hybrid silencer, which takes up a relatively large amount of space and is complex to manufacture and operate.
  • 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.
  • the silencer according to the invention for an exhaust line 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 sound-damping device arranged within the cavity for reducing noise of the exhaust gas flow, wherein the sound-damping device has at least one sound-damping chamber. The silencer also has a water separating device for separating water from the exhaust gas flow.
  • the water separating device has at least one water separating chamber and is also arranged within the cavity and upstream of the sound-damping device, such that the exhaust gas flow flowing in through the inlet opening must first pass through the water separating device, in particular the entire water separating device, before the exhaust gas flow flows into the sound-damping device.
  • the water separating device has an impact element arranged in the water separating chamber for radial expansion 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.
  • 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.
  • the silencer has at least one heating element for heating the condensation sieve. This ensures that the close-meshed condensation sieve does not freeze at low outside temperatures.
  • the at least one heating element for heating the condensation sieve is preferably arranged on or in the support structure on which the condensation sieve is mounted.
  • the funnel-shaped guide element forms a partition wall between the water separation chamber and the sound-damping chamber.
  • 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.
  • 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.
  • a perforated pipe extends through the silencer chambers, with the silencer chambers being separated from one another outside the pipe by partition walls.
  • the silencer device preferably has two, particularly preferably four silencer chambers.
  • the cavity extends along a longitudinal central axis and in particular rotationally symmetrical about the longitudinal central axis, wherein the water separator device and the silencer device are arranged centered on the longitudinal center axis.
  • the exhaust gas flow therefore only has to change its flow direction slightly when passing from the water separator device to the silencer device, which promotes a uniform and quiet flow of the exhaust gas flow.
  • a compact design of the silencer can be achieved in this way.
  • the inlet opening and the outlet opening are arranged centered on the longitudinal center axis.
  • the cavity is at least partially, preferably completely, cylindrical or formed from several coaxially aligned cylindrical partial cavities.
  • 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.
  • 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.
  • the housing and/or the structure consists predominantly of a material comprising a thermoplastic.
  • the silencer has a water collecting chamber which at least partially surrounds the water separation chamber and which has a drain opening is in a fluid-conducting connection with the water separation chamber 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.
  • 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 the dehumidification. It also prevents accumulated water from being transported by the exhaust gas flow towards the silencer and impairing 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 drained out of the water collection chamber in a simple manner, e.g. actively via a drain opening - 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.
  • 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 into the water collection chamber, in particular independently due to gravity.
  • 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.
  • the opening for the condensed water is preferably arranged in a corner of the silencer chamber.
  • 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.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 4 is a front view of an impact element as it can be used in one of the embodiments according to Fig. 1 or 2.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a fuel cell system 2 according to the invention.
  • Hydrogen 5 and oxygen-containing air 6 are fed to a fuel cell 3, in this case a hydrogen-oxygen fuel cell.
  • a compressor is often used to feed the air 6, the operation of which is accompanied by considerable noise.
  • a silencer 1 according to the invention is arranged in the exhaust line 4 of the fuel cell system 2.
  • An exhaust gas supply line 4a conveys an exhaust gas flow S from the fuel cell 1 to the silencer 1, while an exhaust gas discharge line 4a conveys the dehumidified and noise-reduced exhaust gas flow S away from the silencer 1 - e.g. towards a tailpipe of the exhaust line 4.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a silencer 1 according to the invention for an exhaust line 4 of a fuel cell system 2 in a sectional view.
  • the silencer 1 has a cavity 10 through which an exhaust gas flow S of the fuel cell system can flow from an inlet opening 11 to an outlet opening 12.
  • the position of the inlet opening 11 and the outlet opening define a main flow direction R, which in the present case runs parallel to the longitudinal center axis A of the silencer 1.
  • a silencer device 20 for reducing noise of the exhaust gas flow S is arranged within the cavity 10.
  • a water separator device 30 for separating water from the exhaust gas flow S is arranged within the cavity 10 upstream of the silencer device 20, wherein the water separator device 30 has a water separator chamber 31.
  • an impact element 32 is arranged for radially expanding the exhaust gas flow S flowing in through the inlet opening 11. Downstream of the impact element 32, a funnel-shaped guide element 33 is arranged for radially tapering the exhaust gas flow S expanded by the impact element 32.
  • the exhaust gas flow S can be guided from the fuel cell 3 into the cavity 10 via an exhaust gas feed line 4a (Fig. 1) of the exhaust line 4, which can be attached to the inlet nozzle 16 of the silencer 1.
  • the exhaust gas flow S is expanded by the impact element 32 and can thus be guided along an inner surface of a wall 35 delimiting the water separation chamber 31 before the exhaust gas flow S is tapered again by the funnel-shaped guide element 33 arranged downstream.
  • the exhaust gas flow S is thus guided along as large an area as possible on which water contained in the exhaust gas can condense.
  • the exhaust gas flow S is dehumidified to a high degree before the exhaust gas flow S is fed to the silencer device 20.
  • the function of the silencer device 20 is thus not impaired by excessive amounts of moisture. Furthermore, noise development due to moisture accumulating in the silencer device 20 is avoided.
  • the dehumidified and noise-free exhaust gas can be led away from the silencer 1 via an exhaust gas discharge line 4b (Fig. 1 ) of the exhaust line 3, which can be attached to the outlet nozzle 17 of the silencer 1.
  • the impact element 32 Due to the shape of the impact element 32, i.e. due to the cross-section that increases steadily from its upstream end 321 to its downstream end 322, a gradual radial expansion of the exhaust gas flow S occurs on the outer surfaces of the impact element 32.
  • the cross-section of the impact element 32 at its downstream end 322 is larger than the flow cross-section of the inlet opening 11.
  • the impact element 32 is essentially rotationally symmetrical and has a conical flow body with a rounded tip.
  • the impact element 32 is hollow.
  • the funnel-shaped guide element 33 defines a flow channel with a continuously decreasing flow cross-section from its upstream end 331 to its downstream end 332. In this way, the exhaust gas flow S expanded by the impact element 32 is captured again, whereby the Funnel shape reduces or even prevents the formation of turbulence and the associated pressure loss. Condensed water can slide along the surface of the guide element 33 due to gravity, e.g. in the direction of the drain opening 41, and can thus be drained away more easily. To promote a laminar and quiet flow, the funnel-shaped guide element 33 is designed to be rotationally symmetrical about the longitudinal center axis A. The funnel-shaped guide element 33 has a concave surface along which the exhaust gas flow S can flow.
  • the funnel-shaped guide element 33 forms a partition between the water separation chamber 31 and the sound dampening chamber 21a. Impact element 32 and funnel-shaped guide element 33 are spaced apart from one another in the longitudinal direction of the silencer 1 or in the main flow direction R of the exhaust gas flow S.
  • the funnel-shaped guide element 33 is designed to feed the tapered exhaust gas flow S to the silencer device 20, ie the downstream end 332 of the funnel-shaped guide element 33 is directly connected to the upstream end of the perforated pipe 22.
  • the funnel-shaped guide element 32 and the perforated pipe 22 are formed in one piece.
  • the silencer device 20 forms a reflection silencer with four silencer chambers 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, through which a perforated tube 22 extends and which are further separated from one another by three partition walls 23a, 23b, 23c.
  • the cavity 10 extends along the longitudinal center axis A of the silencer 1 and is rotationally symmetrical about the longitudinal center axis A.
  • the cavity 10 is cylindrical.
  • the water separator device 30 and the silencer device 20 are arranged centered on the longitudinal center axis A. This promotes a uniform and quiet flow of the exhaust gas flow, since in particular there is no need to change the main flow direction R (flow reversal).
  • the advantageous flow behavior is also This is facilitated by the fact that the inlet opening 11 and the outlet opening 12 are arranged centered to the longitudinal center axis A.
  • the silencer 1 has a housing 13 which delimits the outer surface of the cylindrical cavity 10. In the present case, the housing 13 also delimits an inlet-side front side of the cavity 10, while an outlet-side front side is delimited by a separate cover 15. Due to the structural design of the silencer 1, in particular due to the rotational symmetry of the individual components of the silencer 1 about the longitudinal center axis A, particularly simple production is possible.
  • the silencer 1 can have a structure 14 which can be assembled from modules or formed as a single piece and which can be inserted as a whole into the housing 13, the structure 14 together with the housing 13 forming the water separating device 30 and the sound damping device 20.
  • the housing 13 for this purpose provides an insertion opening for the structure 14 on the outlet side which can be closed with the cover 15.
  • the cover 15 can also be fastened to the structure 14 or formed as a single piece with it.
  • the structure 14 can, for example, have the impact element 32, the funnel-shaped guide element 33, the perforated tube 22 and the partition walls 23a, 23b, 23c for separating the sound-damping chambers 21a, 21b, 21c, 21d.
  • the structure 14 can, for example, have a support structure 50 which fastens the impact element 32 to the funnel-shaped guide element 33 at a distance from the funnel-shaped guide element 33.
  • the structure has a further support structure 51 which spaced the impact element 32 from the housing 13 in the region of the inlet-side front side of the cavity 10.
  • it can also be advantageous to divide the structure 14 into individual modules on at least one cross-sectional plane.
  • the silencer 1 has a water collection chamber 40 which partially surrounds the water separation chamber 31 and which is in fluid communication with the water separation chamber via a drain opening 41 in such a way that water separated from the exhaust gas flow S can flow out of the water separation chamber 31 into the water collection chamber 40 by gravity and be collected there. Separating water can thus be optimally removed from the Water separation chamber 31.
  • the shape of the funnel-shaped guide element 33 promotes a directed flow of the separated water in the direction of the discharge opening 41.
  • the water collected in the water collection chamber 40 can be easily drained from the water collection chamber or from the silencer, e.g. via a drain opening 42, actively - e.g. by a pump - or passively - e.g. automatically due to gravity.
  • the water collection chamber 40 only has to surround a small area of the water separation chamber 31 - e.g. an area located at the bottom with respect to the direction of gravity G, which can be located approximately between a "5 o'clock position" and a "7 o'clock position" when viewed parallel to the longitudinal center axis A.
  • the water collection chamber 40 can therefore have a significantly smaller internal volume than the water separation chamber 31.
  • the cavity 10 and the water collection chamber 40 are separated by a wall of the cavity 10, whereby a compact structure of the silencer 1 is achieved.
  • a wall delimiting the water collection chamber 40 can also be part of the housing 13 and in particular be formed integrally therewith. In this case, a partition wall that can be inserted into the housing 13 can be provided, which separates the water separation chamber 31 from the water collection chamber 40.
  • the water collection chamber 40 also partially surrounds the sound-damping chambers 21a, 21b, 21c, 21d and is in fluid communication with the sound-damping chambers 21a, 21b, 21c, 21d via openings 41a, 41b, 41c such that water condensed from the exhaust gas flow S from the sound-damping chambers 21a, 21b, 21c, 21d can flow out of the sound-damping chambers 21a, 21b, 21c, 21d into the water collection chamber 40 independently due to gravity. In this way, water accumulation in the sound-damping device 20 is avoided, which could otherwise have a negative effect on the noise dampening.
  • the openings 41 a, 41 b, 41 c for the condensed water are preferably arranged in the corners of the sound-damping chambers 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, wherein adjacent sound-damping chambers 21a, 21 b, 21 c, 21 d have a common opening 41a, 41 b, 41 c in the region of an end face of the respective partition wall 23a, 23b, 23c.
  • the water collection chamber 40 extends substantially along the total length L of the cavity 10.
  • the silencer 1 has a heating element 43 for heating at least part of a wall delimiting the water collection chamber 40. 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 43 is embedded in the wall and extends along at least half of the total length L of the water collection chamber 40.
  • the heating element 43 can alternatively be embedded in an area of the wall delimiting the water collection chamber 40 that surrounds the discharge opening 42. Several heating elements 43 can also be provided.
  • the condensation sieve 34 is arranged downstream of the impact element 32 so that the exhaust gas flow S is already expanded and guided along as large a condensation surface as possible before it hits the condensation sieve 34.
  • the condensation screen 34 is arranged partially within the funnel-shaped guide element 33. In other words, the condensation screen 34 and the funnel-shaped guide element 33 overlap in a longitudinal section. In this way, the exhaust gas flow S is directed from the funnel-shaped guide element 33 onto the condensation screen 34 and before passing through the condensation screen 34 compressed so that a pressure loss is reduced by the flow resistance of the condensation sieve 34.
  • the condensation sieve 34 is designed in the shape of a cylinder jacket and is mounted on the support structure 50 which spaced the impact element 32 from the funnel-shaped guide element 33.
  • a first module of the structure 14 can have the impact element 32 and the further support structure 51 and a second module of the structure 14 can have the support structure 50, the condensation sieve 43, the funnel-shaped guide element 33 and possibly the components belonging to the sound-damping device 20 (perforated pipe 22, partition walls 23a, 23b, 23c).
  • the first module of the structure 14 can also have a cover that at least partially delimits the inlet-side end face of the cavity 10.
  • the second module of the structure 14 can also have a cover that at least partially delimits the outlet-side end face of the cavity 10.

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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.

Description

Beschreibung
Schalldämpfer für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems
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.
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.
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.
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 vor- handenen 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.
Das bei der Stromerzeugungsreaktion in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff- zelle 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.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird in der US 2013 175114 A1 ein hybrider Schalldämpfer vorgeschlagen, bei dem einer auf dem Reflexionsprinzip basierenden Schalldämpfvorrichtung eine Entfeuchtungskammer vorgeschaltet ist, die im Wesentlichen vollständig mit einem wasserabsorbierenden Material gefüllt ist. Um eine geeignete Entfeuchtungsfunktion zu gewährleisten, muss die Entfeuchtungskammer allerdings ein wesentlich größeres Volumen aufweisen als die Schalldämpfervorrichtung. Trotzdem kann das Abgas in der Entfeuchtungskammer lediglich zu einem gewissen Grad entfeuchtet werden, so dass das sich in der Schalldämpfervorrichtung weiterhin bildende Kondensat durch einen in die Schalldämpfervorrichtung hineinragenden Teil des wasserabsorbierenden Materials aufgenommen werden muss. Überdies lässt sich das durch das wasserabsorbierende Material aufgenommene Wasser nicht in einfacher Weise abführen, sondern muss in der Regel mithilfe einer Pumpe abgesaugt werden. Insgesamt ergibt sich daher ein relativ komplexer Aufbau des hybriden Schalldämpfers, der relativ viel Bauraum einnimmt und aufwendig in der Herstellung und im Betrieb ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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 rotationssym metrisch 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.
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. 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.
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 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. 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.
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 pm, bevorzugt mindestens 300 pm, besonders bevorzugt mindestens 500 pm, und maximal 1000 pm, bevorzugt maximal 900 pm. 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) auf- weisen. 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 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 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 einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers erstreckt sich die Kavität entlang einer Längsmittelachse und insbesondere rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse, wobei die Wasserabschei- devorrichtung 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 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.
Vorzugsweise besteht das Gehäuse und/oder die Struktur überwiegend aus einem Werkstoff, das einen Thermoplasten aufweist.
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 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 Trenn- wand 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.
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.
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.
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.
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.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, einen von der Brennstoffzelle abgehenden Abgasstrang sowie ein in dem Abgasstrang installierten erfindungsgemäßen Schalldämpfer auf. Die vor- sowie nachbeschrie- benen Vorteile des Schalldämpfers werden auf diese Weise für das Brennstoffzellensystem entsprechend realisiert.
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.
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.
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:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer Schnittdarstellung;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Schalldämpfers in einer Schnittdarstellung; und
Fig. 4 eine Frontansicht eines Prallelements, wie es in einem der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 oder 2 eingesetzt werden kann.
Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind - sofern dienlich - mit identischen Be- zugsziffern versehen. 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.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2. Einer Brennstoffzelle 3, im vorliegenden Fall einer Wasser- stoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, werden Wasserstoff 5 und sauerstoffhaltige Luft 6 zugeführt. Zur Zuführung der Luft 6 wird häufig ein Kompressor verwendet, dessen Betrieb mit einer erheblichen Geräuschentwicklung einhergeht. Im Abgasstrang 4 des Brennstoffzellensystems 2 ist ein erfindungsgemäßer Schalldämpfer 1 angeordnet. Eine Abgaszuleitung 4a befördert einen Abgasstrom S der Brennstoffzelle 1 zu dem Schalldämpfer 1 , während eine Abgasableitung 4a den entfeuchteten und geräuschverminderten Abgasstrom S von dem Schalldämpfer 1 weg befördert - z.B. hin zu einem Endrohr des Abgasstrangs 4.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers 1 für einen Abgasstrang 4 eines Brennstoffzellensystems 2 in einer Schnittdarstellung. Der Schalldämpfer 1 weist eine Kavität 10 auf, durch die ein Abgasstrom S des Brennstoffzellensystems von einer Einlassöffnung 11 zu einer Auslassöffnung 12 strömen kann. Die Position der Einlassöffnung 11 und der Auslassöffnung definieren hierbei eine Hauptströmungsrichtung R, die im vorliegenden Fall parallel zur Längsmittelachse A des Schalldämpfers 1 verläuft. Innerhalb der Kavität 10 ist eine Schalldämpfvorrichtung 20 zur Reduzierung eines Geräusches des Abgasstroms S angeordnet. Ferner ist innerhalb der Kavität 10 stromaufwärts der Schalldämpfvorrichtung 20 eine Wasserabscheidevorrichtung 30 zur Abtrennung von Wasser aus dem Abgasstrom S angeordnet, wobei die Was- serabscheidevorrichtung 30 eine Wasserabscheidekammer 31 aufweist. Innerhalb der Wasserabscheidekammer 31 ist ein Prallelement 32 zur radialen Aufweitung des durch die Eintrittsöffnung 11 einströmenden Abgasstromes S angeordnet. Stromabwärts des Prallelements 32 ist ein trichterförmiges Leitelement 33 zur radialen Verjüngung des durch das Prallelement 32 aufgeweiteten Abgasstroms S angeordnet. Der Abgasstrom S kann von der Brennstoffzelle 3 über eine Abgaszuleitung 4a (Fig. 1 ) des Abgasstrangs 4, die an dem Einlassstutzen 16 des Schalldämpfers 1 befestigt werden kann, in die Kavität 10 geleitet werden. In der Wasserabscheidekammer 31 wird der Abgasstrom S durch das Prallelement 32 aufgeweitet, und kann somit an einer Innenfläche einer die Wasserabscheidekammer 31 begrenzenden Wandung 35 entlanggeführt werden, bevor der Abgasstrom S durch das stromabwärts angeordnete trichterförmige Leitelement 33 wieder verjüngt wird. Der Abgasstrom S wird dadurch an einer möglichst großen Fläche entlanggeführt, an der im Abgas enthaltenes Wasser kondensieren kann. Der Abgasstrom S wird in hohem Maße entfeuchtet, bevor der Abgasstrom S der Schalldämpfvorrichtung 20 zugeführt wird. Die Funktion der Schalldämpfvorrichtung 20 wird somit nicht durch zu große Feuchtigkeitsmengen beeinträchtigt. Ferner wird eine Geräuschentwicklung durch sich in der Schalldämpfvorrichtung 20 ansammelnde Feuchtigkeit vermieden. Das entfeuchtete und von Geräuschen befreite Abgas kann über eine Abgasableitung 4b (Fig. 1 ) des Abgasstrangs 3, die an dem Auslassstutzen 17 des Schalldämpfers 1 befestigt werden kann, von dem Schalldämpfer 1 weggeführt werden.
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.
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.
Die Schalldämpfvorrichtung 20 bildet im vorliegenden Fall einen Reflexionsschalldämpfer mit vier Schalldämpfkammem 21 a, 21 b, 21 c, 21 d aus, durch die sich ein perforiertes Rohr 22 erstreckt und die im Übrigen von drei Trennwänden 23a, 23b, 23c voneinander abgetrennt werden.
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.
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 21 a, 21 b, 21 c, 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.
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.
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.
Die Wasserauffangkammer 40 umgibt ferner die Schalldämpfkammem 21a, 21 b, 21 c, 21 d teilweise und steht über Öffnungen 41 a, 41 b, 41 c derart mit den Schalldämpfkammern 21a, 21 b, 21 c, 21 d in fluidleitender Verbindung, dass aus dem Abgasstrom S kondensiertes Wasser aus den Schalldämpfkammern 21 a, 21 b, 21 c, 21 d 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 41 a, 41 b, 41 c für das kondensierte Wasser bevorzugt in den Ecken der Schalldämpfkammern 21 a, 21 b, 21 c, 21 d angeordnet, wobei benachbarte Schalldämpfkammern 21a, 21 b, 21 c, 21 d eine gemeinsame Öffnung 41a, 41 b, 41 c im Bereich einer Stirnseite der jeweiligen Trennwand 23a, 23b, 23c aufweisen. Zur Bereitstellung einer ausreichenden Aufnahmekapazität erstreckt sich die Wasserauffangkammer 40 im Wesentlichen entlang der Gesamtlänge L der Kavität 10.
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.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers 1 für einen Abgasstrang 4 eines Brennstoffzellensystems 2 in einer Schnittdarstellung. Der Schalldämpfer 1 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Schalldämpfer 1 des ersten Ausführungsbeispiels lediglich dadurch, dass der Schalldämpfer 1 ein die die Wasserabscheidekammer 31 in zwei Teilkammern 311 , 312 trennendes Kondensationssieb 34 aufweist. Um von der ersten Teilkammer 311 in die zweite Teilkammer zu gelangen, muss der Abgasstrom das Kondensationssieb 34 passieren, wobei das in dem Abgasstrom S enthaltene Wasser an dem Siebbelag kondensieren kann. Der Siebbelag kann von einem Geflecht, Drahtgewebe, Drahtgitter und/oder Lochblech ausgebildet sein. Das Kondensationssieb 34 ist stromabwärts des Prallelements 32 angeordnet, so dass der Abgasstrom S bereits aufgeweitet und an einer möglichst großen Kondensationsoberfläche entlanggeführt wird, bevor er auf das Kondensationssieb 34 auftrifft. Zudem ist das Kondensationssieb 34 teilweise innerhalb des trichterförmigen Leitelements 33 angeordnet. Mit anderen Worten überlappen Kondensationssieb 34 und trichterförmiges Leitelement 33 in einem Längsabschnitt. Auf diese Weise wird der Abgasstrom S von dem trichterförmigen Leitelement 33 auf das Kondensationssieb 34 gerichtet und vor dem Passieren des Kondensationssiebs 34 verdichtet, so dass ein Druckverlust durch den Strömungswiderstands des Kondensationssiebes 34 verringert wird. Das Kondensationssieb 34 ist zylindermantelförmig ausgebildet und an der das Prallelement 32 von dem trichterförmigen Leitelement 33 beabstandenden Stützkonstruktion 50 gelagert.
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.
Fig. 4 zeigt ein Prallelement 32 in einer Frontansicht (Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung R), wie es auch in dem ersten oder in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Das Prallelement 32 ist hierbei zur Erzeugung eines Dralls in dem Abgasstrom S ausgebildet. Hierzu weist das Prallelement 32 zusätzlich zu seinem in den Fig. 2 und 3 gezeigten kegelförmigen Strömungskörper ferner mehrere Leitelemente in Form von Leitschaufeln 323 auf, die durch ihre Formgebung den an dem Prallelement 32 entlangströmenden Abgasstrom S in eine Drallbewegung um die Längsmittelachse des Schalldämpfers versetzen. Durch die Drallbewegung wird der Strömungspfad des Abgasstromes S gekrümmt und somit verlängert, wodurch eine Entfeuchtung weiter begünstigt wird.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. 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.
1 Schalldämpfer
2 Brennstoffzellensystem
3 Brennstoffzelle
4 Abgasstrang
4a Abgaszuleitung des Abgasstrangs
4b Abgasableitung des Abgasstrangs
5 Wasserstoff
6 Luft
10 Kavität des Schalldämpfers
11 Einlassöffnung der Kavität
12 Auslassöffnung der Kavität
13 Gehäuse des Schalldämpfers
14 Struktur des Schalldämpfers
15 Deckel des Schalldämpfers
16 Einlassstutzen des Schalldämpfers
17 Auslassstutzen des Schalldämpfers
20 Schalldämpfvorrichtung des Schalldämpfers
21a-d Schalldämpfkammem der Schalldämpfvorrichtung
22 perforiertes Rohr der Schalldämpfvorrichtung
23a-c Trennwände der Schalldämpfvorrichtung
30 Wasserabscheidevorrichtung
31 Wasserabscheidekammer der Wasserabscheidevorrichtung
311 erste Teilkammer der Wasserabscheidekammer
312 zweite Teilkammer der Wasserabscheidekammer
32 Prallelement der Wasserabscheidevorrichtung
321 stromaufwärts gelegenes Ende des Prallelements
322 stromabwärts gelegenes Ende des Prallelements
323 Leitelemente des Prallelements
33 trichterförmiges Leitelement der Wasserabscheidevorrichtung
331 stromaufwärts gelegenes Ende des trichterförmigen Leitelements
332 stromabwärts gelegenes Ende des trichterförmigen Leitelements
34 Kondensationssieb der Wasserabscheidevorrichtung
35 die Wasserabscheidekammer begrenzende Wandung
40 Wasserauffangkammer des Schalldämpfers
41 Abflussöffnung der Wasserauffangkammer
41 a-c Öffnungen der Wasserauffangkammer 42 Abführöffnung der Wasserauffangkammer
43 Heizelement des Schalldämpfers
50 Stützkonstruktion
51 weitere Stützkonstruktion A Längsmittelachse des Schalldämpfers
G Gravitationsrichtung
L Gesamtlänge der Kavität
R Hauptströmungsrichtung des Abgasstromes
S Abgasstrom

Claims

Patentansprüche
1 . Schalldämpfer (1 ) für einen Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems (2) mit einer Kavität (10), durch die ein Abgasstrom (S) des Brennstoffzellensystems von einer Einlassöffnung (11 ) zu einer Auslassöffnung (12) strömen kann, einer innerhalb der Kavität (10) angeordneten Schalldämpfvorrichtung (20) zur Reduzierung eines Geräusches des Abgasstroms (S), wobei die Schalldämpfvorrichtung (20) zumindest eine Schalldämpfkammer (21 a, 21 b, 21 c, 21 d) aufweist, einer innerhalb der Kavität (10) stromaufwärts der Schalldämpfvorrichtung (20) angeordneten Wasserabscheidevorrichtung (30) zur Abtrennung von Wasser aus dem Abgasstrom (S), wobei die Wasserabscheidevorrichtung (30) zumindest eine Wasserabscheidekammer (31 ) aufweist, 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.
2. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Prallelement (32) einen von seinem stromaufwärts gelegenen Ende (321 ) zu seinem stromabwärts gelegenen Ende (322) einen insbesondere stetig zunehmenden Querschnitt aufweist.
3. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Querschnitt des Prallelements (32) an seinem stromabwärts gelegenen Ende (322) größer ist als der Strömungsquerschnitt der Einlassöffnung (11 ).
4. Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prallelement (32) zur Erzeugung eines Dralls in dem Abgasstrom (S) ausgebildet ist.
5. Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem die Wasserabscheidekammer (31 ) in zwei Teilkammern (311 , 312) trennenden Kondensationssieb (34).
6. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 5, wobei das Kondensationssieb (34) zwischen dem Prallelement (32) und dem trichterförmigen Leitelement (33) angeordnet ist.
7. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 6, wobei das Kondensationssieb (34) zylindermantelförmig ausgebildet ist.
8. Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das trichterförmige Leitelement (33) eine Trennwand zwischen der Wasserabscheidekammer (31 ) und der Schalldämpfkammer (21a) ausbildet.
9. Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalldämpfvorrichtung (20) stromabwärts der Schalldämpferkammer (21a) zumindest eine weitere Schalldämpfkammer (21b, 21c, 21 d) aufweist.
10. Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Kavität (10) entlang einer Längsmittelachse (A) und insbesondere rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse (A) erstreckt, wobei die Wasserabscheidevorrichtung (30) und die Schalldämpfvorrichtung (20) zentriert zur Längsmittelachse (A) angeordnet sind.
11 . Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 10, wobei die Kavität (10) zylindrisch ausgebildet ist oder aus mehreren koaxial zueinander ausgerichteten zylindrischen Teilkavitäten ausgebildet ist, wobei der Schalldämpfer (1 ) ein die Kavität (10) zumindest teilweise begrenzendes Gehäuse (13) aufweist, wobei das Gehäuse (13) zumindest die Mantelfläche(n) der Kavität (10) begrenzt, wobei der Schalldämpfer (1 ) eine aus Modulen zusammenbaubar oder einstückig ausgebildete Struktur (14) aufweist, 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.
12. Schalldämpfer (1 ) mit einer die Wasserabscheidekammer (31 ) zumindest teilweise umgebenden Wasserauffangkammer (40), die über eine Abflussöffnung (41 ) derart mit der Wasserabscheidekammer (31 ) in fluidleitender Verbindung steht, dass aus dem Abgasstrom (S) abgeschiedenes Wasser aus der Wasserabscheidekammer (31 ), insbesondere gravitationsbedingt selbstständig, in die Wasserauffangkammer (40) abfließen und dort aufgefangen werden kann.
13. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 12, wobei die Wasserauffangkammer (40) ferner die Schalldämpfkammer(n) (21 a, 21 b, 21 c, 21 d) zumindest teilweise umgibt und über eine Öffnung (41 a, 41 b, 41 c) derart mit der oder den Schalldämpfkammer(n) (21 a, 21 b, 21 c, 21 d) in fluidleitender Verbindung steht, dass aus dem Abgasstrom (S) kondensiertes Wasser aus der oder den Schalldämpfkammer(n) (21 a, 21 b, 21 c, 21 d), insbesondere gravitationsbedingt selbstständig, in die Wasserauffangkammer (40) abfließen kann.
14. Schalldämpfer (1 ) nach Anspruch 12 oder 13 mit einem Heizelement (43) zum Beheizen zumindest eines Teils einer die Wasserauffangkammer (40) begrenzenden Wandung.
15. Brennstoffzellensystem (2) mit einer Brennstoffzelle (3), einem von der Brennstoffzelle (3) abgehenden Abgasstrang (4) und einem in dem Abgasstrang (4) installierten Schalldämpfer (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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