本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的特征的用于燃料電池系統(tǒng)的排氣區(qū)段的消聲器。本發(fā)明還涉及具有權(quán)利要求15的特征的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、燃料電池將連續(xù)供給的燃料(例如氫氣)和氧化劑(例如氧氣)的化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池例如用于燃料電池車輛中以便通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接將所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)或?qū)⑵渑R時(shí)存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)電池中。除了氫氣之外，燃料電池還可以使用其他燃料，特別是甲醇、丁烷、或天然氣。

2、為了供給燃料和氧化劑，在燃料電池系統(tǒng)中使用多個(gè)機(jī)械裝置，這些機(jī)械裝置在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生噪聲，這些噪聲可能讓人感到不舒服。為了減少燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的噪聲，將消聲器安裝在燃料電池系統(tǒng)中，例如安裝在排氣區(qū)段中。

3、在此情形中使用的消聲器在此可以基于諧振原理或吸收原理。諧振器型消聲器由不同尺寸的腔室組成，這些腔室例如通過(guò)延伸穿過(guò)這些腔室的穿孔管彼此連接。聲波在腔室中反射。借助于將各個(gè)腔室聯(lián)接在一起，形成了所謂的諧振器，聲波在這些諧振器中反射，根據(jù)干涉原理彼此部分地抵消，并且因此被消聲。在此，各個(gè)腔室就其尺寸和/或管中的穿孔的孔圖案而言可以被適配于要消聲的特定頻率范圍。存在的腔室的數(shù)量越多，消聲通常變得越有效。吸收型消聲器通常僅具有一個(gè)腔室，穿孔管在該腔室中延伸。腔室填充有吸聲材料，例如長(zhǎng)纖維礦棉。聲波穿過(guò)穿孔管進(jìn)入吸聲材料中并且通過(guò)摩擦效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱量。所獲得的消聲取決于所使用的材料、填充密度、以及腔室的長(zhǎng)度和厚度。

4、在氫-氧燃料電池中在發(fā)電反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的排氣(特別地從燃料電池的陰極排出)含有水(通常呈蒸汽和水滴的形式)并且具有在80℃范圍內(nèi)的排氣溫度。因?yàn)榕艢鉁囟鹊陀谒姆序v溫度，所以水的蒸發(fā)和排出可能效果較差。然而，如果過(guò)度潮濕的排氣進(jìn)入消聲器，則蒸汽特別地冷凝在消聲器的表面上，這對(duì)消聲器的功能具有負(fù)面影響，而不管消聲器是基于諧振原理還是吸收原理。在不利的情況下，積聚在消聲器中的水分引起額外的噪聲產(chǎn)生，這是令人不愉快的。

5、為了解決這個(gè)問(wèn)題，us2013?175114a1披露了一種混合式消聲器，其中基于諧振原理，在消聲裝置的上游布置有基本上完全充滿吸水材料的除濕腔室。然而，為了確保合適的除濕功能，除濕腔室的容積必須比消聲裝置的容積大得多。然而，排氣在除濕腔室中只能除濕到一定程度，使得在消聲裝置中繼續(xù)形成的冷凝物必須被伸入消聲裝置中的吸水材料的一部分吸收。此外，由吸水材料吸收的水不能容易地排出，而是通常必須通過(guò)泵吸走。總體上，這因此導(dǎo)致混合式消聲器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，占據(jù)相對(duì)大量的結(jié)構(gòu)空間并且生產(chǎn)和操作成本高昂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的排氣區(qū)段的消聲器，通過(guò)該消聲器可以可靠地降低與燃料電池系統(tǒng)的操作相關(guān)的噪聲，同時(shí)避免了現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺點(diǎn)。至少，將提供現(xiàn)有解決方案的替代方案。本發(fā)明的目的還在于提供一種具有這種消聲器的燃料電池系統(tǒng)。

2、該目的通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的消聲器和具有權(quán)利要求15的特征的燃料電池系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的特征是從屬權(quán)利要求的主題?？梢栽谝话阏f(shuō)明和示例性實(shí)施例中找到另外的優(yōu)點(diǎn)和特征。

3、根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池系統(tǒng)的排氣區(qū)段的消聲器具有腔體，燃料電池系統(tǒng)的排氣流可以沿著流動(dòng)路徑從腔體的入口開(kāi)口通過(guò)腔體流到腔體的出口開(kāi)口。消聲器還具有消聲裝置，該消聲裝置布置在腔體內(nèi)，用于降低排氣流的噪聲，其中，消聲裝置具有至少一個(gè)消聲腔室。消聲器另外具有用于從排氣流中除去水的水分離裝置。水分離裝置具有至少一個(gè)水分離腔室，并且同樣布置在腔體內(nèi)和消聲裝置的上游，其方式為使得通過(guò)入口開(kāi)口流入的排氣流首先必須穿過(guò)水分離裝置，特別是整個(gè)水分離裝置，然后排氣流流入消聲裝置。水分離裝置具有：擋板元件，該擋板元件布置在水分離腔室中，用于徑向地拓寬通過(guò)入口開(kāi)口流入的排氣流；以及漏斗形引導(dǎo)元件，該漏斗形引導(dǎo)元件位于擋板元件的下游，用于徑向地縮窄被擋板元件拓寬的排氣流。

4、例如從燃料電池系統(tǒng)的燃料電池的陰極排出并且直接或間接地供給到消聲器的排氣流可以通過(guò)腔體的入口開(kāi)口流入水分離腔室。特別地，腔體的入口開(kāi)口同時(shí)形成水分離腔室的入口開(kāi)口。在水分離腔室中，排氣流首先被擋板元件拓寬并且然后被布置在下游的漏斗形引導(dǎo)元件再次縮窄，然后排氣流被供給到消聲器。以此方式，排氣流在水分離腔室中沿著盡可能大的表面被引導(dǎo)，該排氣中所包含的水可以冷凝在該表面上。在此，水可以冷凝在擋板元件上、漏斗形引導(dǎo)元件上、以及界定水分離腔室的壁上，特別是消聲器的殼體的壁上。其結(jié)果是，獲得了高度的除濕，使得減少或完全防止了由過(guò)度潮濕的排氣對(duì)布置在下游的消聲裝置的功能的損害。

5、借助于水分離腔室的結(jié)構(gòu)配置，可以省略吸水材料，這簡(jiǎn)化了消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。冷凝水根據(jù)消聲器的安裝位置在重力作用下積聚在水分離腔室的先前已知區(qū)域中，并且可以以簡(jiǎn)單的方式主動(dòng)地或被動(dòng)地從其中排出。

6、“水分離裝置”應(yīng)被理解為一種主要用于從排氣中除去水(和/或不同液體)的裝置。因此，即使在消聲腔室中也發(fā)生了一定量的冷凝和水分排出，消聲裝置也不應(yīng)被認(rèn)為是水分離裝置。

7、擋板元件優(yōu)選地具有特別是從其上游端到其下游端不斷增大的截面。其結(jié)果是，在擋板元件的外表面處排氣流逐漸徑向拓寬。為了促進(jìn)均勻且低噪聲的流動(dòng)，擋板元件可以具有至少部分旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的設(shè)計(jì)。擋板元件在此可以具有圓錐形、截頭圓錐形、或拋物形流動(dòng)本體。擋板元件的上游端可以被設(shè)計(jì)為特別是修圓端頭。擋板元件優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為中空的，例如呈帽的形式，其端頭朝向入口開(kāi)口定向，這降低了消聲器的材料成本和重量。

8、漏斗形引導(dǎo)元件從其上游端到其下游端界定流動(dòng)截面特別地不斷減小的流動(dòng)管道。以此方式，被擋板元件拓寬的排氣流再次被截留，其中，漏斗形狀減少或甚至避免了在尖銳拐角區(qū)域中常見(jiàn)的湍流形成。結(jié)果是，消聲器中的壓力損失可以減小。此外，已經(jīng)冷凝在漏斗形引導(dǎo)元件上的水可以在重力作用下沿著引導(dǎo)元件的表面滑動(dòng)并且以此方式例如被排出到水分離腔室中的流出開(kāi)口。為了促進(jìn)層流且低噪聲的流動(dòng)，漏斗形引導(dǎo)元件可以具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱設(shè)計(jì)。特別地，漏斗形引導(dǎo)元件具有凹形表面，排氣流可以沿著該凹形表面流動(dòng)。這促進(jìn)了層流且低噪聲的流動(dòng)并且擴(kuò)大了可用的冷凝表面。特別地，擋板元件和漏斗形引導(dǎo)元件在消聲器的縱向方向上或在排氣流的主流動(dòng)方向上彼此間隔開(kāi)。

9、消聲裝置優(yōu)選地具有延伸穿過(guò)消聲腔室的穿孔管。特別地，位于上游的管端被連接到漏斗形引導(dǎo)元件，其方式為使得管內(nèi)部與水分離腔室流體地連接。位于下游的管端優(yōu)選地連接至出口開(kāi)口。因此，管的穿孔建立了與消聲腔室的其余部分的流體連接。消聲裝置原則上可以被設(shè)計(jì)為諧振器型消聲器或吸收型消聲器。消聲裝置優(yōu)選地形成諧振器型消聲器。結(jié)果是，通過(guò)使排氣中所含的水冷凝在消聲腔室的壁的表面上，可以以簡(jiǎn)單的方式在消聲裝置中發(fā)生補(bǔ)充除濕。消聲腔室的尺寸和/或管中的穿孔的孔圖案因此可以適配于要消聲的特定頻率范圍。

10、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的優(yōu)選實(shí)施例中，擋板元件在其下游端處的截面大于入口開(kāi)口的流動(dòng)截面。以此方式，排氣流被拓寬成大體積并且可以沿著大冷凝表面被引導(dǎo)。

11、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，擋板元件被設(shè)計(jì)成在排氣流中產(chǎn)生渦旋。為此目的，擋板元件優(yōu)選地具有一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)元件(例如呈引導(dǎo)葉片的形式)，這些引導(dǎo)元件憑借其形狀使沿著擋板元件流動(dòng)的排氣流繞平行于消聲器的縱向方向或平行于排氣流的主流動(dòng)方向延伸的旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)。排氣流的流動(dòng)路徑因渦旋運(yùn)動(dòng)而被彎曲并且因此被延長(zhǎng)，其結(jié)果是進(jìn)一步促進(jìn)除濕。替代性地或附加地，擋板元件還可以具有一個(gè)或多個(gè)凹部作為引導(dǎo)元件。

12、漏斗形引導(dǎo)元件優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成將縮窄的排氣流供給至消聲裝置。以此方式可以實(shí)現(xiàn)消聲器的特別緊湊的結(jié)構(gòu)，其中可以省略用于供給排氣流的另外的結(jié)構(gòu)。

13、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，消聲器具有將水分離腔室分隔成兩個(gè)子腔室的冷凝篩。以此方式，迫使排氣流穿過(guò)布置在水分離腔室中的冷凝篩。包含在排氣流中的水可以冷凝在篩襯里上，其結(jié)果是進(jìn)一步增加了水分離裝置的除濕程度。特別地，網(wǎng)、線網(wǎng)、絲網(wǎng)和/或穿孔板形成篩襯里。冷凝篩的網(wǎng)尺寸優(yōu)選地為至少160μm、優(yōu)選地為至少300μm、特別優(yōu)選地為至少500μm、并且不超過(guò)1000μm、優(yōu)選地不超過(guò)900μm。已經(jīng)出人意料地表明，利用這樣的網(wǎng)尺寸可以獲得良好的除濕結(jié)果。冷凝篩優(yōu)選地布置在擋板元件的下游，使得排氣流在撞擊冷凝篩之前已經(jīng)被拓寬并且沿著盡可能大的冷凝表面被引導(dǎo)。冷凝篩特別優(yōu)選地至少部分地布置在漏斗形引導(dǎo)元件內(nèi)。以此方式，排氣流從漏斗形引導(dǎo)元件被引導(dǎo)到冷凝篩上并且在其穿過(guò)冷凝篩之前被壓縮，使得由于冷凝篩的流動(dòng)阻力而引起的壓力損失減小。冷凝篩網(wǎng)優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成具有圓柱形表面。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)配置，冷凝篩可以最佳地定位在水分離腔室中位于擋板元件與漏斗形引導(dǎo)元件之間。冷凝篩優(yōu)選地安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，該支撐結(jié)構(gòu)將擋板元件與漏斗形引導(dǎo)元件間隔開(kāi)。支撐結(jié)構(gòu)可以具有在消聲器的縱向方向上或在排氣流的主流動(dòng)方向上延伸的一個(gè)或多個(gè)支撐元件(例如，呈支撐支柱的形式)。消聲器優(yōu)選地具有用于加熱冷凝篩的至少一個(gè)加熱元件。以此方式確保窄網(wǎng)冷凝篩在低外部溫度下不凍結(jié)。為了提供有利的加熱能力，用于加熱冷凝篩的至少一個(gè)加熱元件優(yōu)選地布置在安裝有冷凝篩的支撐結(jié)構(gòu)上或支撐結(jié)構(gòu)中。

14、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，漏斗形引導(dǎo)元件在水分離腔室與消聲腔室之間形成分隔壁。以此方式，通過(guò)同一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)腔室至少部分地、優(yōu)選地完全地分隔，其結(jié)果是可以實(shí)施消聲器的特別緊湊的結(jié)構(gòu)，特別是從水分離腔室到消聲腔室具有直接過(guò)渡。

15、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，消聲裝置在消聲腔室的下游具有至少一個(gè)另外的消聲腔室。由于其結(jié)構(gòu)配置，根據(jù)本發(fā)明的消聲器最佳地適合于通過(guò)一個(gè)或多個(gè)消聲腔室簡(jiǎn)單地實(shí)施消聲裝置的擴(kuò)展。結(jié)果是，促進(jìn)了消聲和補(bǔ)充除濕。每個(gè)消聲腔室在此可以就其尺寸和/或管中的穿孔的對(duì)應(yīng)孔圖案而言被適配于要消聲的不同頻率范圍。特別地，穿孔管延伸穿過(guò)這些消聲腔室，其中，這些消聲腔室在管外部通過(guò)分隔壁彼此分隔開(kāi)。為了最佳消聲，消聲裝置優(yōu)選地具有兩個(gè)消聲腔室、特別優(yōu)選地為四個(gè)消聲腔室。

16、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，腔體沿著縱向中心軸線延伸并且特別是繞縱向中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地延伸，其中，水分離裝置和消聲裝置被布置成使得它們以縱向中心軸線為中心。因此，當(dāng)排氣流從水分離裝置進(jìn)入消聲裝置中時(shí)，排氣流僅需略微改變其流動(dòng)方向，其結(jié)果是促進(jìn)了排氣流的均勻且低噪聲的流動(dòng)。此外，以此方式，可以實(shí)現(xiàn)消聲器的緊湊結(jié)構(gòu)。特別地，入口開(kāi)口和出口開(kāi)口被布置成使得它們以縱向中心軸線為中心。腔體優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為至少部分地、優(yōu)選地完全為圓柱形，或由彼此同軸定向的多個(gè)圓柱形子腔體形成。

17、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，消聲器具有至少部分地界定腔體的殼體，其中，殼體至少界定腔體的圓柱形表面，其中，消聲器具有結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體被形成為使得其可以由模塊組裝或一體地形成并且可以整體插入殼體中，其中，結(jié)構(gòu)體與殼體一起形成水分離裝置和消聲裝置。殼體在此可以騰出至少一個(gè)插入開(kāi)口，結(jié)構(gòu)體可以穿過(guò)該至少一個(gè)插入開(kāi)口插入殼體中。插入開(kāi)口可以借助于單獨(dú)的蓋來(lái)封閉。替代性地，結(jié)構(gòu)體的一部分可以形成蓋，并且在結(jié)構(gòu)體已經(jīng)插入殼體中時(shí)，封閉插入開(kāi)口。特別地，結(jié)構(gòu)體具有擋板元件、漏斗形引導(dǎo)元件、穿孔管、以及當(dāng)存在多個(gè)消聲腔室時(shí)用于分隔消聲腔室的一個(gè)或多個(gè)分隔壁。結(jié)構(gòu)體可以具有例如與漏斗形引導(dǎo)元件間隔開(kāi)的支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)將擋板元件緊固在漏斗形引導(dǎo)元件上。

18、殼體和/或結(jié)構(gòu)體優(yōu)選地主要由包括熱塑性塑料的材料組成。

19、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，消聲器具有水收集腔室，該水收集腔室至少部分地圍繞水分離腔室并且經(jīng)由流出開(kāi)口與水分離腔室流體地連接，其方式為使得從排氣流中分離的水可以特別是在重力作用下自動(dòng)地流出水分離腔室、流入水收集腔室中并且被收集在該水收集腔室。以此方式，分離的水從水分離腔室中排出，其結(jié)果是避免了水分離裝置中的水的積聚，否則水的積聚可能對(duì)除濕產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，防止了所收集的水通過(guò)排氣流朝消聲裝置的方向被輸送并且防止消聲裝置的功能受到不利影響。從水分離腔室可靠地排出水對(duì)于消聲器的功能是至關(guān)重要的，因?yàn)槔?，?dāng)以100kw燃料電池全功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以從排氣中分離多達(dá)約0.5l的水。收集在水收集腔室中的水可以以簡(jiǎn)單的方式從水收集腔室中排出，例如經(jīng)由排放開(kāi)口主動(dòng)地(例如經(jīng)由泵)或被動(dòng)地(例如在重力作用下自動(dòng)地)排出。水分離腔室僅需圍繞水分離腔室的小區(qū)域，例如相對(duì)于重力方向位于底部的區(qū)域。因此，水收集腔室的內(nèi)部容積可以比水分離腔室的內(nèi)部容積小得多。腔體和水收集腔室優(yōu)選地由腔體的壁分隔開(kāi)，其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了消聲器的緊湊結(jié)構(gòu)。

20、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，水收集腔室此外至少部分地圍繞消聲腔室并且經(jīng)由開(kāi)口與消聲腔室流體地連接，其方式為使得從排氣流冷凝的水可以特別是在重力作用下自動(dòng)地流出消聲腔室、流入水收集腔室中。以此方式，分離的水從消聲腔室中排出，其結(jié)果是避免了消聲裝置中的水的積聚，否則水的積聚可能對(duì)噪聲消聲產(chǎn)生負(fù)面影響。為了不會(huì)不利地影響功能，優(yōu)選地將用于冷凝水的開(kāi)口布置在消聲腔室的拐角中。當(dāng)存在由分隔壁分開(kāi)的多個(gè)相鄰消聲腔室時(shí)，優(yōu)選地在分隔壁的端側(cè)的區(qū)域中布置有公共開(kāi)口，其中，冷凝水可以通過(guò)開(kāi)口從兩個(gè)消聲腔室流出而進(jìn)入水收集腔室。

21、水收集腔室優(yōu)選地沿著腔體總長(zhǎng)度的至少一半、優(yōu)選為腔體總長(zhǎng)度的至少三分之二延伸。結(jié)果是，促進(jìn)了水收集腔室的儲(chǔ)存容量。此外，可以實(shí)現(xiàn)消聲器的緊湊結(jié)構(gòu)。

22、在根據(jù)本發(fā)明的消聲器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，消聲器具有加熱元件，該加熱元件用于加熱界定水收集腔室的壁的至少一部分。以此方式，還可以在預(yù)期冷凝物凍結(jié)的低外部溫度下確保水的排出。加熱元件在此可以沿著水收集腔室的總長(zhǎng)度的至少一半、優(yōu)選為總長(zhǎng)度的至少三分之二延伸。加熱元件優(yōu)選地嵌入在界定水收集腔室的壁的圍繞排放開(kāi)口的區(qū)域中。

23、消聲器在各自情況下可以在入口開(kāi)口的區(qū)域中和出口開(kāi)口的區(qū)域中設(shè)置有端口，排氣區(qū)段的排氣管線部分可以緊固到該端口。

24、根據(jù)上面已經(jīng)描述的內(nèi)容和下面進(jìn)一步描述的內(nèi)容，開(kāi)頭所述的目的也通過(guò)具有權(quán)利要求15的特征的燃料電池系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

25、根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池、始于燃料電池的排氣區(qū)段、以及安裝在排氣區(qū)段中的根據(jù)本發(fā)明的消聲器。上面和下面描述的消聲器的優(yōu)點(diǎn)以此方式對(duì)應(yīng)地實(shí)施用于燃料電池系統(tǒng)。

26、在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)比較入口開(kāi)口和出口開(kāi)口處的相對(duì)濕度和溫度，已經(jīng)表明，根據(jù)本發(fā)明的消聲器能夠從排氣流中分離大約75％到80％的水分。

27、要明確指出的是，本發(fā)明的上述實(shí)施例(各自單獨(dú)地使用或以任何技術(shù)上有意義的方式彼此組合地使用)各自都可與獨(dú)立權(quán)利要求的主題組合。