Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider mit einem Drosselelement, eine Verwen dung eines Wasserabscheiders und ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserab scheider.

Stand der Technik

EP 1167743 B1 offenbart einen Wasserabscheider, der als Drallabscheider ausgebildet ist. Der Wasserabscheider umfasst ein Innenrohr und ein Außenrohr, welche in axialer Richtung aufeinander folgend angeordnet sind, wobei das Innenrohr mit einem axialen Abschnitt in das Außenrohr hineinragt und das Außenrohr über einen Wasserauslass verfügt, der tangential in Drallrichtung angeordnet ist.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Wasserabscheider zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung eines Wasserabscheiders anzugeben.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Wasserabscheider.

Die vorgenannten Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung gelöst mit einem Wasserabscheider, umfassend einen strömungsführenden Innenraum und einen Was serauslass, der an den Innenraum angeschlossen ist, wobei der Wasserauslass ein strö mungsführendes Drosselelement aufweist, das als Einlegeteil ausgebildet und form schlüssig und/oder kraftschlüssig in den Wasserauslass eingebettet ist.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben gelöst durch eine Ver wendung eines Wasserabscheiders zur Gasstrombegrenzung in einer Drainageleitung. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben gelöst durch ein Brenn stoffzellensystem mit einem Kathodenzuluftpfad und einem Kathodenabluftpfad einer Brennstoffzelleneinheit und mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wasserabschei der, wobei der wenigstens eine Wasserabscheider in dem Kathodenabluftpfad angeord net und zur Luftstrombegrenzung in einem Drainagepfad des Wasserabscheiders vor gesehen ist.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Wasserabscheider vorgeschlagen, umfas send einen strömungsführenden Innenraum und einen Wasserauslass, der an den In nenraum angeschlossen ist, wobei der Wasserauslass ein strömungsführendes Dros selelement aufweist, das als Einlegeteil ausgebildet und formschlüssig und/oder kraft schlüssig in den Wasserauslass eingebettet ist.

Dadurch, dass das Einlegeteil in den Wasserauslass eingebettet ist, sind keine zusätzli chen Dichtungen oder Befestigungsmittel nötig, um das Drosselelement mit dem Was serauslass zu verbinden. Dies ist kostengünstig. Zudem wird der Zusammenbau verein facht. Ferner ist dies günstig für die Lebensdauer des Drosselelements.

Vorteilhaft kann der Wasserabscheider aus Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise ist zumindest der Wasserauslass aus Kunststoff gebildet.

Vorteilhaft kann der Wasserabscheider als Drallabscheider ausgebildet sein, bei dem der Wasserauslass im bestimmungsgemäßen Zustand tangential in Drallrichtung ange ordnet ist.

In einer alternativen Ausgestaltung kann der Wasserabscheider als Drallabscheider aus gebildet sein, bei dem der Wasserauslass radial nach außen und in einem Winkel zur Längsachse angeordnet ist.

Günstigerweise weist der Innenraum des Wasserabscheiders ein Innenrohr und ein Au ßenrohr auf, welche in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei das Innenrohr am Übergang zum Außenrohr einen kleineren Durchmesser aufweist, als das Außenrohr und das Außenrohr den Wasserauslass aufweist.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment mittels eines Heißeinsatzverfahrens oder Spritzgussverfahrens in den Wasseraus lass eingebettet sein.

Beim Heißeinsatzverfahren, auch als Heat-Set-Insert Verfahren bekannt, wird das Ein- legeteil erhitzt und in einen Hohlraum des Wasserauslasses eingepresst. Die Tempera tur des Einlegeteils schmilzt lokal den Kunststoff des Wasserauslasses auf. Nach dem Erstarren ist das Einlegeteil fest, insbesondere formschlüssig, mit dem Material des Was serauslasses verbunden.

Beim Spritzgussverfahren oder Umspritzverfahren wird das Einlegeteil in das entspre chende Werkzeug eingelegt und mit dem Material, insbesondere Kunststoffmaterial, wel ches den Wasserauslass bzw. den Wasserabscheider bildet, umspritzt. Nach dem Er starren des Kunststoffmaterials ist das Einlegeteil fest, insbesondere formschlüssig, zu mindest teilweise mit dem Material des Wasserauslasses umgeben.

Alternativ sind andere Befestigungsmethoden denkbar, mit denen das Einlegeteil in den Wasserauslass eingebettet werden kann. Beispielsweise kann das Einlegeteil mit einem Außengewinde, insbesondere einem selbstschneidenden Außengewinde, versehen sein und in den Wasserauslass eingeschraubt sein.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment eine Engstelle mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 1 ,5 mm und 3 mm, aufweisen. Die Engstelle erlaubt den Austritt von Wasser, limitiert jedoch den Austritt des Gases, das im Wasserabscheider entwässert wird. Die Länge der Engstelle in Strömungsrichtung kann abhängig von dem beabsichtigten Ein satzgebiet und den dort herrschenden Rahmenbedingungen gewählt werden.

Vorteilhaft weist das strömungsführende Drosselelement, ausgebildet als Einlegeteil, in einem in Strömungsrichtung ersten Abschnitt einen sich verjüngenden, insbesondere konischen, Einströmquerschnitt auf, dem sich der eigentliche Drosselbereich mit gerin gem Durchmesser anschließt. Der Drosselbereich kann beispielsweise als ein im Ver hältnis zum gesamten Drosselelement kurzer, zylindrischer Kanalabschnitt ausgebildet sein. Stromabwärts des Drosselbereichs kann sich ein Kanalabschnitt mit sich aufwei tendem Querschnitt anschließen, der die Strömung verlangsamt und die Energie des mit hoher Geschwindigkeit durch den Drosselbereich strömenden Fluids aufnimmt. Der sich aufweitende Querschnitt kann beispielsweise eine sprunghafte oder kontinuierliche Querschnittserweiterung aufweisen. Bei einem derartigen Aufbau kann stromabwärts des Drosselelements ein Werkstoff mit geringerer Widerstandskraft als das Material des Drosselelements verwendet werden. Stromab des Drosselelements kann das Fluid bei spielsweise in einer Kunststoffleitung oder einem Elastomerschlauch geführt werden.

In einer alternativen Ausführung weist das strömungsführende Drosselelement einen ersten zylindrischen Querschnitt auf und daran stromabwärts angrenzenden zweiten kur zen, zylindrischen Querschnitt mit einem deutlich geringeren Querschnitt als der Dros selbereich auf. Dem Drosselbereich kann sich ein dritter Kanalabschnitt mit einem grö ßeren Querschnitt, beispielweise mit einem Querschnitt gleich oder ähnlich dem Quer schnitt des ersten Kanalabschnitts anschließen.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment aus Metall oder Kunststoff oder Keramik gebildet sein. Die Verwendung von Metall erlaubt besonders vorteilhaft ein Drosselelement mit sehr feinen Strukturen, wie etwa sehr klein dimensionierten Engstellen, die in Kunststoff nur mit sehr hochwertigen und teuren Kunststoffmaterialien herzustellen sind.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment für eine Strömungsgeschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit des Fluids, ins besondere mindestens 90% der Schallgeschwindigkeit, für besondere Betriebszustände ausgebildet sein. Durch das Einbetten des Drosselelements in den Wasserauslass kann das Drosselelement auch hohen Belastungen dauerhaft standhalten.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment einen zylinderförmigen Außenmantel aufweisen. Diese Form ist günstig für ein Heißeinsatzverfahren, um das Drosselelement als Einlegeteil in den Wasserauslass ein zubetten.

Besonders vorteilhaft ist eine Rändelstruktur oder andere Vertiefungen an dem Außen mantel des Drosselelements, um einen Formschluss mit dem Material des Wasseraus lasses zu bilden.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann das Drosselele ment einen zylinderförmigen Außenmantel aufweisen, der am Außenumfang ein oder mehrere umlaufende Nuten oder in axialer Richtung oder in einem Winkel zur Längsrich tung weisende Riefen oder Rändelstrukturen aufweist. Möglich sind auch gekrümmte Vertiefungen an der Mantelfläche oder einzelne Vertiefungen in Form von Bohrungen oder Eindellungen. Einzelne Formen davon oder eine Kombination der Formen ist vor teilhaft für ein Spritzgussverfahren, bei dem das Drosselelement als Einlegeteil in ein Spritzwerkzeug eingelegt wird und sich mit der strukturierten Außenfläche mit dem um gebenden Kunststoff verliersicher verkeilen kann.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Wasserabscheiders kann der Innenraum des Wasserabscheiders zur Drallabscheidung des Wassers ausgebildet sein. Vorteilhaft kann der Wasserabscheider im Innenraum ein Außenrohr aufweisen, das einen sich er weiternden Abscheidebereich für das Wasser aufweist. Weiterhin vorteilhaft kann der Wasserabscheider im Innenraum ein Innenrohr aufweisen, das einen sich erweiternden Verzögerungsbereich aufweist. Ebenso vorteilhaft kann der Wasserauslass mit dem In nenraum über einen trichterförmigen Bereich verbunden sein.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines erfindungsge mäßen Wasserabscheiders vorgeschlagen zur Gasstrombegrenzung in einer Drainage leitung, die aus einem Gasstrom extrahierte Flüssigkeit transportiert. Der Wasserab scheider umfasst einen strömungsführenden Innenraum und einen Wasserauslass, der an den Innenraum angeschlossen ist, wobei der Wasserauslass ein strömungsführendes Drosselelement aufweist, das als Einlegeteil ausgebildet und formschlüssig und/oder kraftschlüssig in den Wasserauslass eingebettet ist. Durch das Einbetten des Dros selelements in den Wasserauslass kann ein Verlust eines Anteils des Gasstroms, der mit dem abgeschiedenen Wasser aus dem Wasserauslass austritt, begrenzt werden. Zusätzliche Dichtungen und Verbindungsmittel können eingespart werden. Die Verbin dung zwischen Drosselelement und Wasserauslass ist vorteilhaft dauerfest auch bei ho hen Belastungen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschla gen, mit einem Kathodenzuluftpfad und einem Kathodenabluftpfad einer Brennstoffzel leneinheit und mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wasserabscheider, wobei der wenigstens eine Wasserabscheider in dem Kathodenabluftpfad angeordnet und zur Luft strombegrenzung in einem Drainagepfad vorgesehen ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der erfindungsgemäße Wasserabscheider in dem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems angeordnet sein, um Wasser abzuscheiden, beispielsweise vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle.

Vorteilhaft kann das Drosselelement einen Verlust der Abluft der Brennstoffzelleneinheit verringern, so dass eine von der Abluft angetriebene Turbine eines Turboladers mit ho her Effizienz betrieben werden kann.

Durch das Einbetten des Drosselelements in den Wasserauslass kann ein Verlust eines Anteils des Gasstroms, der mit dem abgeschiedenen Wasser aus dem Wasserauslass austritt, begrenzt werden. Zusätzliche Dichtungen und Verbindungsmittel können einge spart werden. Die Verbindung zwischen Drosselelement und Wasserauslass ist vorteil haft dauerfest auch bei hohen Belastungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus derfolgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeich nungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Be schreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fach mann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Wasserabscheiders nach einem Ausführungsbei spiel der Erfindung mit teilweise aufgeschnittenem Wasserauslass; Figur 2 eine Schnittdarstellung des Wasserabscheiders mit einem Drosselelement nach Figur 1 ;

Figur 3 ein vergrößertes Detail der Schnittdarstellung des Drosselelements aus Fi- gur 2; Figur 4 eine Draufsicht auf den Wasserabscheider aus Figur 1 mit trichterförmigem Wasserauslass;

Figur 5 eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführung eines Drosselelements; Figur 6 eine Seitenansicht des Drosselelements aus Figur 5; Figur 7 ein Schnitt durch das Drosselelement aus Figur 5; Figur 8 eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführung eines Drosselelements; Figur 9 eine Seitenansicht des Drosselelements aus Figur 8; Figur 10 ein Schnitt durch das Drosselelement aus Figur 8; Figur 11 eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführung eines Drosselelements; Figur 12 eine Seitenansicht des Drosselelements aus Figur 11 ; Figur 13 ein Schnitt durch das Drosselelement aus Figur 11 ; und Figur 14 eine vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit Kathoden zuluftpfad und Kathodenabluftpfad.

Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verste hen.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigen Figuren 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfin- düng. Figur 1 zeigt einen Wasserabscheider 10 in einer senkrechten Anordnung in einer Seitenansicht mit teilweise aufgeschnittenem Wasserauslass 30. Der Einlass des Fluids ist in dieser Darstellung von oben, der Wasserauslass seitlich. Figur 2 zeigt eine Schnitt darstellung des Wasserabscheiders 10 in einer waagrechten Anordnung mit einem strö mungsführenden Drosselelement 50 nach Figur 1. Der Einlass des Fluids ist in dieser Darstellung von rechts, der Wasserauslass nach unten. Figur 3 zeigt eine vergrößertes Detail der Schnittdarstellung des Drosselelements 50 aus Figur 2. Der Wasserabscheider 10 ist günstigerweise als Drallabscheider ausgebildet und um fasst in einem Innenraum 18 eines Gehäuses 11 ein Innenrohr 12 und ein Außenrohr 22, welche in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Das Innenrohr 12 weist am Übergang zum Außenrohr 22 einen kleineren Durchmesser auf; als das Au ßenrohr 22. Das Außenrohr 22 weist den zapfenförmigen Wasserauslass 30 auf, wobei am freien Ende des Wasserauslasses 30 das Drosselelement 50 angeordnet ist, das als Einlegeteil ausgebildet und formschlüssig und/oder kraftschlüssig in den Wasserauslass 30 eingebettet ist.

Der Übergang zwischen Innenrohr 12 und Außenrohr 22 ist innerhalb eines Abscheide bereichs 24 des Wasserabscheiders 10 angeordnet, an den sich der zapfenförmige Was serauslass 30 über einen trichterförmigen Bereich 20 anschließt. So kann abgeschiede nes Wasser gesammelt und durch die wirkende Schwerkraft zum Wasserauslass 30 ge langen.

Dies ist in Figur 4 im Detail dargestellt, die eine Draufsicht des Wasserabscheiders 10 aus Figur 2 mit dem trichterförmigem Bereich 20 zwischen Innenraum 18 und dem zap fenförmigen Wasserauslass 30 zeigt. Der Wasserauslass 30 erstreckt sich von der Mit tellinie des Abscheiders radial nach außen. In der Einbaulage des Wasserabscheiders befindet sich der Auslass 30 am tiefsten Punkt im Umfang des Wasserabscheiders, wie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt.

Figuren 5 bis 7 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drosselelements 50, wobei Figur 5 eine isometrische Ansicht, Figur 6 eine Seitenansicht und Figur 7 eine Ansicht auf eine Schnittebene entlang der in Figur 6 eingezeichneten Linie Vll-Vll durch das Drosselelement 50 aus Figur 5 zeigt.

Das Drosselelement 50 weist in einem in Strömungsrichtung ersten Kanalabschnitt 62 einen sich verjüngenden, insbesondere konischen, Einströmquerschnitt auf, dem sich der eigentliche Drosselbereich der Engstelle 60 anschließt. Dieser Drosselbereich kann im Verhältnis zur Länge des gesamten Drosselelements 50 als kurzer, zylindrischer Ab schnitt ausgebildet sein. Stromabwärts des Drosselbereichs mit der Engstelle 60 schließt sich ein zylindrischer Kanalabschnitt 64 mit gegenüber der Engstelle aufgeweitetem Querschnitt an. Der Querschnitt des Kanalabschnitts 64 weitet sich in Strömungsrichtung zum Ende des Drosselelements 50 in Abschnitten weiter auf.

Im Innenbereich ist die Engstelle 60 zwischen zwei Kanalbereichen 62, 64 angeordnet. Der Außenmantel 54 des Drosselelements 50 ist zylindrisch und glatt ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist möglich für ein Heißeinsatzverfahren zum Einbetten des Drosselele ments 50 in den Wasserauslass für den Fall, dass das Drosselelement zumindest teil weise in Längsrichtung vom Material des Wasserauslasses umschlossen ist. Figuren 8 bis 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drosselelements 50, wobei Figur 8 eine isometrische Ansicht, Figur 9 eine Seitenansicht und Figur 10 eine Draufsicht auf eine Schnittebene entlang der in Figur 9 eingezeichneten Linie X-X durch das Drosselelement 50 aus Figur 8 zeigt. Im Innenbereich ist die Engstelle 60 zwischen zwei Kanalbereichen 62, 64 angeordnet. Der Außenmantel 54 des Drosselelements 50 ist zylindrisch ausgebildet und weist axial gerichtete Riefen 56 auf. Diese Ausgestaltung ist günstig für ein Spritzgussverfahren zum Einbetten des Drosselelements 50 in den Wasserauslass. Figuren 11 bis 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drosselelements 50, wobei Figur 11 eine isometrische Ansicht, Figur 12 eine Seitenansicht und Figur 13 eine Draufsicht auf eine Schnittebene entlang der in Figur 12 eingezeichneten Linie Xlll-Xlll durch das Drosselelement 50 aus Figur 11 zeigt. Im Innenbereich ist die Engstelle 60 zwischen zwei Kanalbereichen 62, 64 angeordnet. Der Außenmantel 54 des Drosselelements 50 ist zylindrisch ausgebildet und weist um laufende Nuten 58 auf. Diese Ausgestaltung ist günstig für ein Spritzgussverfahren zum Einbetten des Drosselelements 50 in den Wasserauslass. Figur 14 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines an sich bekannten Brennstoffzellen systems 100 mit einer Brennstoffzelleneinheit 120 mit einem Kathodenzuluftpfad 122 und Kathodenabluftpfad 124. Über den Kathodenzuluftpfad 122 wird der Brennstoffzel leneinheit 120 Umgebungsluft zugeführt, die über eine Reinigungsstufe 102 gefiltert und über einen Kompressor eines T urboladers 110 angesaugt und verdichtet wird. Die ver dichtete Luft wird in einem Wärmetauscher 104 abgekühlt und mit einem Befeuchter 106 mit definierter Feuchte versehen. In der Brennstoffzelleneinheit 120 reagiert der Luftsauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser, das als Luft/Wassergemisch über den Kathodenabluftpfad 124 aus der Brennstoffzellen einheit 120 abgeführt wird. Einen Teil des Wassers kann die Kathodenabluft im Befeuch ter 106 an die Kathodenzuluft abgeben. Stromab des Befeuchters ist ein Wasserabschei der 10 angeschlossen, der entsprechend den vorstehenden Ausführungsbeispielen aus- gebildet sein kann und insbesondere ein in den Wasserauslass des Wasserabscheiders 10 eingebettetes strömungsführendes Drosselelement 50 aufweist. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Drainagepfad 130 abgeführt, während die getrocknete Katho denabluft der Turbine des Turboladers 110 zugeführt wird. Die Positionierung des Wasserabscheiders 10 stromauf der Turbine des Turboladers 110 ist besonders günstig. Durch das Drosselelement 50 kann der Verlust an Katho denabluft vermindert werden, was energetisch günstig für den Betrieb des Turboladers 110 ist. Das Drosselelement 50 vermindert den Fluidstrom im Drainagepfad 130, der ohne das Drosselelement aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus stromauf und stromab der T urbine unzulässig groß wäre.

Es sind im Brennstoffzellensystem 100 weitere nicht näher bezeichnete Wasserabschei der eingezeichnet. Diese können ebenfalls ein derartiges Drosselelement aufweisen, oder ohne ein solches ausgebildet sein.

In einem derartigen System sind die Belastungen des Wasserabscheiders 10 im Betrieb hoch. Es kann ein erheblicher Druckabfall am Wasserabscheider 10 bis zu mehreren bar auftreten. Die durch den Wasserabscheider 10 strömende Kathodenabluft kann in die sem Bereich eine Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit des Fluids, insbe- sondere mindestens 90% der Schallgeschwindigkeit, erreichen oder die Schallgeschwin digkeit überschreiten, wobei Temperaturen bis 100°C möglich sind. Durch die Verwendung eines Wasserabscheiders 10 mit im Wasserauslass eingebette tem Drosselelement 50 kann vorteilhaft trotz derartig hohen Belastungen ein stabiler dauerhafter Betrieb erreicht werden. Das Drosselelement 50 kann aus widerstandsfähi gem Material ausgebildet sein, während für den Wasserabscheider 10 weniger hochwer- tiges Material verwendet werden kann.