[0001] 本发明涉及液体分离器的领域，尤其是对于燃料电池装置的燃料电池堆的组装和供电所需的液体分离器的领域。

[0002] 例如，从DE 10 2004 049 623B4中已知用于燃料电池堆的端板。

[0003] 从DE 10 2017 212 091A1中已知流体引导单元，其用于向燃料电池元件供应燃料和/或氧化剂和/或冷却剂和/或用于从燃料电池元件中引出燃料和/或者氧化剂和/或排气和/或冷却剂。流体引导单元包括基体。其包括多个流体管路和用于联接燃料电池装置的供应管路和/或引出管路和/或者附加部件的联接部位。

[0004] 在许多燃料电池堆中，由氢气(H2)和氧气(O2)形成水。在由其他燃料、例如甲醇驱动的燃料电池中也会不断产生作为电化学转化的产物的水。

[0005] 附加地，通常不同量的水通过供应的空气被带入燃料电池中。

[0006] 众所周知，尤其是在非常低的温度下，存在于燃料电池中的水可能在启动车辆时导致问题。燃料电池的管路系统中的液体积聚也可能在运行过程中导致问题。根据燃料电池驱动的车辆的运行状态，被供应到燃料电池堆中的流体(例如氢气和空气)的含水量可能发生波动。由此使得燃料电池在最佳条件下的连续运行变得困难。

[0128] 本发明的图1至图3和图5至图14所示的实施方式示出了不同的液体分离器100。这些液体分离器尤其适用于燃料电池装置。然而，它们也适合用于在其他装置中的液体分离。

[0129] 在这些图中示出的液体分离器100分别包括流体导引通道104。该液体分离器还包括收集区域106，用于从可在流体导引通道104中被引导的流体中收集液体。此外，该液体分离器包括从流体导引通道104分支出的液体通路110，和液体通路110通入其中的液体积聚区域112。

[0130] 在图1所示的液体分离器100中，流体导引通道104具有弯曲部114。收集区域形成在流体导引通道104的沿流体的流动方向位于径向外侧的通道壁116处，其中仅一个收集区域标示有附图标记106。

[0131] 图1说明了如何在根据本发明的液体分离器106中利用弯曲部114分离液滴。流动的流体中的较大液滴在弯曲部114的区域中被特别强烈地朝向位于径向外侧的通道壁驱赶，并且常常在位于更上游的收集区域106处就已经被分离。这一点通过轨迹T1以简化的方式示出。流动的流体中的较小液滴在弯曲部114的区域中被不那么强烈地朝向弧形外侧的通道壁116驱赶，并且常常在位于更下游的收集区域106处才被分离。这一点通过轨迹T2以简化的方式示出。相应地从在流体导引通道104中流动的流体中收集的液体从收集区域106被朝向下游最近的液体通路驱赶，从而使被收集的液体朝液体通路110流出并且穿过液体通路到达流体不穿流或者较少穿流的液体积聚区域112。

[0132] 换言之，液滴碰到通道壁116，累积成液膜或将收集区域106润湿。流动或由此产生的剪切力将膜驱使到液体通路110中，其中液体在穿过液体通路110时被离析并到达液体积聚区域112。

[0133] 图2所示的液体分离器100具有被构造为螺旋形的流体导引通道104。在此处所示的示例中，流体导引通道被构造为螺旋形地围绕限定了冷却剂引导区212的通道。在此处所示的示例中还设置有引导通向液体通路110的液体导引元件146。

[0134] 液体积聚区域112在通道壁的外侧处延伸，并在流体导引通道104之外将液体通路110连接起来。因此，通过双重的底部实现液体引出。

[0135] 替选地，也可以通过无纺布的纤维之间的开口来限定液体通路。例如，可以在图2所示的液体通路110之内安置无纺布。

[0136] 通过螺旋形的引导部可以特别容易地实现高程度的弯曲部，从而提高分离效率。流体偏转超过180°，由此产生看起来是沿着螺旋轴线交错的流动。

[0137] 由于螺旋形的弯曲部，交错的流动剖面 位于不同的平面上。与图2中的图示不同，螺旋形的流体导引通道也可以被构造得不具有液体导引元件146。替代地或附加地，流体导引通道的远离观察者的边界也可以随着流体导引通道升高。

[0138] 通过围绕冷却剂引导区212的螺旋形的引导部可以避免在位于径向内侧的通道壁处的冷凝。在该处不断产生的冷凝物可能由于全方位的 流动在其他情况下难以被引出。

[0139] 图3阐明了，例如可以如何将液体积聚区域112相对于流体导引通道104、收集区域106和液体通路110进行布置。

[0140] 图4阐明了在液体积聚区域112朝向流体导引通道104敞开的情况下，从收集区域106经由流出区108流出到液体积聚区域112中的液体可能流回液体分离器100的流体导引通道104中的方式。当力沿箭头所示的方向作用在出现于液体积聚区域112中的液体上时，液体冲溅到流体导引通道104中，并且在最坏的情况下与在其中被引导的流体一起被输送至燃料电池堆中。如果液体需到达流体导引通道的流体流中，则其无论如何都被在其中作用的高剪切力粉碎且朝流体出口方向被带走。

[0141] 图5至图10阐明了本发明的示例性实施方式，从而即使在在诸如减速、加速或转弯时的作用力下也使液体保持在液体积聚区域中。

[0142] 在根据图5的液体分离器100中，通道壁区段朝向液体通路110倾侧。

[0143] 两个通道壁区段将大部分液体保持在液体积聚区域112中。这一点在减速、加速或转弯时是有利的。积聚的液体的部分不会冲溅回到流体导引通道104中。

[0144] 图6至图10示出了具有附加的回流屏障118的实施方式。该回流屏障限定了朝向液体积聚区域112敞开的偏转区域120。

[0145] 可以通过一个或多个波浪面元件124对偏转区域120朝向流体导引通道104进行遮掩，如图6所示。朝向液体积聚区域112敞开的偏转区域120于是例如可以被构造在波浪面元件到液体积聚区域112的壁的过渡部中，同样如图6所示。

[0146] 替选地，例如通过相对于彼此倾斜的屏障面元件122可以对偏转区域120朝向流体导引通道104进行遮掩，如图7所示。朝向液体积聚区域112敞开的偏转区域120于是例如可以被构造在相应两个相对于彼此倾斜的屏障面元件122之间的过渡部中，同样如图7所示。

[0147] 图8说明了回流屏障118和屏障面元件122以及在图7的实施方式中由此限定的偏转区域120的效果。在车辆倾斜时和/或在由于减速、加速或转弯而产生力时有效地防止液体回流到流体导引通道104中。

[0148] 例如，还可以通过基本上平行于邻接的流体导引通道区段地取向的屏障面元件122对偏转区域120朝向流体导引通道104进行遮掩，如图9所示。在图9中，屏障面元件属于回流屏障嵌件136。

[0149] 图9和图10的实施方式具有肋126。该肋限定了迷宫式路径128，该迷宫式路径延伸到液体积聚区域112中或在液体积聚区域之内延伸。在图9的实施方式中，肋126基本上竖立式地延伸。在图10的实施方式中，肋128基本上横卧式地延伸。

[0150] 优选地，回流屏障118、屏障面元件122和波浪面元件124被布置为使得它们可通过注射成型获得。其表面的至少一部分优选地沿从在注射成型时使用的壳体之一脱模的方向延伸。通过注射成型模具的设计，可以以特别简单的方式将液体积聚区域112精细地划分成多个小的子区域，从而以尽可能小的成本将液体回流到流体导引通道104中的冲溅和由其产生的风险进一步最小化。

[0151] 从根据本发明的液体分离器100的在下文根据图17至图30和图31至图46进一步描述的两个实施方式中可以清楚地看出，流体导引通道104可以由能通过注射成型制造的至少两个构件限定，即所谓的通道基部元件180和所谓的通道覆盖元件160。

[0152] 原则上，在此可以根据预定的注射成型‑脱模方向将回流屏障118、屏障面元件122和波浪面元件124布置成，使得它们分别通过注射成型至少部分地直接构造在通道基部元件180和通道覆盖元件160处。这同样适用于液体导引元件146。

[0153] 例如，也可以通过注射成型生产其他单独的构件、例如嵌件，其具有图9所示的屏障面元件122和从该屏障面元件延伸出的肋126。可以在通道基部元件180和通道覆盖元件160之间的流体导引通道104、液体分离器100或流体引导单元200的后续组装中引入嵌件，或者也可以在这些元件中的至少一者和下文参照图17至图46进一步描述的主体220之间引入嵌件。

[0154] 附加地，图11和图12示出了构造在液体积聚区域112中的液体出口130。其可以采取打开或关闭状态，这可以例如通过此处未示出的泄放阀得以实现。图12示出了图11的放大的节段X。液体出口130布置在从液体积聚区域112向下分支出的、图12所示的出口区域2 2 2
132中。出口区域的最大截面不超过2cm、优选不超过1cm、例如不超过0.5cm。

[0155] 例如，出口区域132是袋孔形的凹部，其壁非常陡峭并且其直径非常小，使得其形成液体积聚区域112的最深处。其体积优选地是非常小的。袋孔形的凹部的深度可以是例如6mm。因此，如果液体已经通过泄放阀被放出，则始终仅可以有非常小的液体体积留在该处。

[0156] 此外，图11示出了布置在液体积聚区域112上方的入口134。其也可以采取打开或关闭状态，这可以例如通过此处未示出的控流阀得以实现。入口在液体分离器的上部区域/气体引导区域中被布置成，使得没有液体积聚在入口134的区域中。

[0157] 当液体积聚区域112中的液体超过一定水平时，泄放阀可以被打开一段时间，并且液体可以通过液体出口130放出，而在流体通道中被引导的大量流体(例如在其中被引导的含H2气体)不会逸出。

[0158] 图13示出了液体分离器的子区域。从收集区域106到液体通路110的过渡部形成流出区108。收集的液体可以通过该流出区朝液体通路110流出。流出以与重力相反的在此处所示的取向进行。收集的液体在通道壁116的表面处从在流体导引通道104中流动的流体中被带走。

[0159] 在图13所示的实施方式中，从收集区域106到液体通路110的过渡部中没有棱边。因此，在收集的液体流出到液体通路110中时不必克服棱边。

[0160] 在图13所示的实施方式中，液体通路110周向地(umlaufend)构造在通道壁中。周向的液体通路110用于将在收集区域106中收集的、在通道表面处被带走的液体引导至不被穿流的静止区域中。其过渡到液体积聚区域112中。由于过渡部中不具有棱边，所以附着力维持不变，并且液体被带到液体积聚区域112中。

[0161] 在所示截面中无法看出静止区域在通道壁的外表面处围绕流体导引通道104地引导。首先向左通过液体通路到达静止区域的液体接下来在倾斜的泄出面150上围绕流体导引通道流动。因此，液体最终到达图13中的右侧所示的液体积聚区域112。

[0162] 图14示出了流体导引通道的区段的截面。流体导引通道具有第一区段138，该第一区段具有加宽的通道截面。收集区域106形成在位于该第一区段138中的第一通道壁区段140处。第一区段138过渡到流体导引通道104的具有较小截面的第二区段142中。液体屏障
144被构造在从第一区段138到第二区段142的区段的过渡部中。

[0163] 在具有加宽的通道截面的区段138的边缘区域中流速较低。与此相应地，剪切力也非常小，使得通道壁的表面处的液体不会被向上流动的流体裹挟。

[0164] 另外，液体屏障144还确保了，在某些情况下被带走的液体不能进入具有较小截面的流体导引通道的第二区段142中。

[0165] 例如，液体屏障144可以由形成第二区段142的管路的端部形成，其中该端部延伸到第一区段138中，如图14所示。通过这种逆着流动进入的、伸缩管状的布置可以以特别简单的方式制造液体屏障。

[0166] 液体通路110在根据图14的液体分离器中可以形成在在此未示出的区段的上游。然后，随着重力流出的液体可以沿着第一通道壁区段140的内表面到达液体通路。

[0167] 图15A和15B的示意性剖视图还示出了具有不同的通道截面的液体分离器的子区域。其具有附加的弯曲部。因此，结合本发明可以使压力损失最小化。此外，此处所示的子区域也可以以特别简单的方式由可通过注射成型获得的多个构件、例如通道覆盖元件160和通道基部元件180制造而成。

[0168] 例如利用如图15A和15B所示的流体通道区段可以通过巧妙的偏转和扩宽使压力损失最小化。由此可以使液体在其中以不期望的方式积聚或堆积的区域减小，并且可以减小流和壁之间的摩擦损失。

[0169] 在多壳体结构的情况下，这一点可以有利地体现在注射成型工艺中。例如，上部壳体可以同时形成通道覆盖元件160。其限定了在图15A的图示中从上向下延伸的通道区段，该通道区段在偏转之前已被扩宽。此外，偏转涵盖了在通道覆盖元件160处的内径，该内径被选择得足够大，以避免液体的不期望的积聚或堆积(“流动优化的曲管”)。对于90°的偏转，偏转角度优选地为多于270°，如图15A中角度α和β所示。

[0170] 上部壳体和下部壳体或通道覆盖元件160和通道基部元件180优选地形成扩散器，其避免/最小化压力损失(见上文)。

[0171] 边缘条件、例如用于燃料电池堆的分配器的截面以及受限的结构高度可能导致快速流动的流体需在较小的结构高度内偏转。在这种情况下可以有利的是，如结合图15A所描述的那样对流体进行偏转。

[0172] 图15B在左侧示出了同时被扩宽的附加的偏转。此处未分界的上部壳体和下部壳体、或通道覆盖元件160和通道基部元件180之间的过渡部例如可以如图15A所示。

[0173] 图16示意性地示出了燃料电池的气体输送机构148和气体分配层300，例如它们可以布置在根据本发明的液体分离器的下游，以将H2引导到燃料电池堆中或对H2进行回收。

[0174] 优选地，气体输送机构148(例如可以是喷射器)的H2出口与气体分配层的入口同轴或仅略微倾斜。这是基于最高的质量流量而得到的压力损失最小的结构。

[0175] 图17示出了用于根据本发明的液体分离器的第一实施方式和用于根据发明的流体引导单元200的第一实施方式的通道覆盖元件160和通道基部元件180。图18和图19示出了由元件160和180形成的流体导引通道104。

[0176] 在图17上侧所示的通道覆盖元件160具有流体入口218和液体通路110的一部分。在图17下侧所示的通道基部元件180具有流体出口210、液体通路110的另一部分和液体导引元件146。

[0177] 在图17中，在通道基部元件180处标示出用于从在流体导引通道104中被引导的流体中收集液体的收集区域106中的一者。当然，收集区域也延伸到通道覆盖元件160的邻接区域中。然而，由于通道覆盖元件160的对应的表面在图17的立体图中被遮盖，因此它们在该处未配设有附图标记。这类似地适用于在位于流体出口210附近的弯曲部114中沿流体的流动方向形成在位于径向外侧的通道壁116处的收集区域。

[0178] 如从图17中可以看出，从收集区域106到液体通路110的过渡部形成了流出区108。在收集区域106中被收集的液体可以通过流出区108朝液体通路110流出。

[0179] 在图19中可以很好地看到，液体通路110的一部分被构造在通道壁116的底侧处。

[0180] 图20至图24示出了流体引导单元200的示意性立体图。流体引导单元200包括主体220，根据图17至图19形成的流体导引通道被接纳到该主体中。

[0181] 流体引导单元200具有冷却剂引导区212、空气导引区214、液体出口130和入口134。液体出口130例如可以配备有泄放阀。入口134例如可以配备有控流阀。

[0182] 在图20至图24的流体引导单元200中，流体导引通道104以下述方式被接纳到主体220中，即可以从图22至图24中看出的主体底部元件222形成液体积聚区域112的底部。

[0183] 由于通道基部元件180几乎完全被包围的主体220遮盖，因此不结合图20至图24对此进行详细讨论。然而，在图27和图28中可以很好地看到被接纳到主体中的通道基部元件180。在该处示出了不具有通道覆盖元件160的第一实施方式的流体引导单元200。

[0184] 用作液体分离器100的区域在通道基部元件下方向下同样由主体220的区域进行限制，其中该区域具有用于流体出口210的开口(参见图23和图24)。流体引导单元200还具有多个传感器接纳区域216。例如，用于测量液位的传感器可以被接纳在传感器接纳区域216中。

[0185] 在图25、图26、图29和图30的剖视图中，也可以很好地看到通道基部元件180。这些图还示出了，在通道基部元件180和主体220之间构造有空腔，该空腔用作液体积聚区域112。其也延伸到流体出口210附近的区域中。

[0186] 因此，所有通过液体通路110中的一者到达的液体都可以在液体出口130附近积聚并有针对性地通过泄放阀排出。

[0187] 图31至图35示出了用于根据本发明的液体分离器的第二实施方式和用于根据发明的流体引导单元200的第二实施方式的通道基部元件180的不同视图。

[0188] 与第一实施方式不同，在通道基部元件180处布置有底部元件182，其可以形成液体积聚区域112的底部。

[0189] 此外在第二实施方式中，流体入口218被实施为穿过底部元件182的。

[0190] 第二实施方式的在图36至图39中以不同视图示出的流体引导单元200包括主体220。为了制造流体引导单元200，通道基部元件180被接纳到主体220中。

[0191] 液体出口130在液体积聚区域中被构造成，使得其可以分别在流体引导单元200的第一取向(参见图38)和流体引导单元200的第二取向(参见图39)的情况下被用于将液体从液体分离器中排出，如黑色粗箭头所示。图38和图39的比较表明，第二取向相对于第一取向翻转了90°。

[0192] 因此，流体引导单元200或被构造在其中的液体分离器可以安装在具有立式和卧式的电池取向的燃料电池堆处。

[0193] 在第二实施方式中，主体220同时用作通道覆盖元件160。在图41至图44中示出了不具有通道基部元件180的主体220。图45和图46还以剖视图示出了不具有通道基部元件180的主体220。

[0194] 图40、图41和图45尤其示出了，主体220和流体导引通道104的上半部可以被构造为一件式的。

[0195] 附图标记说明

[0196] 液体分离器 100

[0197] 流体导引通道 104

[0198] 收集区域 106

[0199] 流出区 108

[0200] 液体通路 110

[0201] 液体积聚区域 112

[0202] 弯曲部 114

[0203] 通道壁 116

[0204] 回流屏障 118

[0205] 偏转区域 120

[0206] 屏障面元件 122

[0207] 波浪面元件 124

[0208] 肋 126

[0209] 迷宫式路径 128

[0210] 液体出口 130

[0211] 出口区域 132

[0212] 入口 134

[0213] 回流屏障嵌件 136

[0214] 第一区段 138

[0215] 第一通道壁区段 140

[0216] 第二区段 142

[0217] 液体屏障 144

[0218] 液体导引元件 146

[0219] 气体输送机构 148

[0220] 泄出面 150

[0221] 通道覆盖元件 160

[0222] 通道基部元件 180

[0223] 底部元件 182

[0224] 流体引导单元 200

[0225] 流体出口 210

[0226] 冷却剂引导区 212

[0227] 空气导引区 214

[0228] 传感器接纳区域 216

[0229] 流体入口 218

[0230] 主体 220

[0231] 主体底部元件 222

[0232] 气体分配层 300