液体分离器的制作方法

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。

背景技术：

1、例如，从de 10 2004 049 623b4中已知用于燃料电池堆的端板。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于燃料电池的装置，即使在极端条件下、例如在低温下和不稳定的行驶时也能够利用该装置实现燃料电池的可靠的运行。

2、根据本发明，该目的通过以下技术方案的特征得以实现。

3、优选地，液体分离器是用于燃料电池装置的液体分离器、尤其是用于车辆的燃料电池装置的液体分离器。然而本发明不限于此。液体分离器还适用于从其他流体中分离液体。在下述情况下可以以特别有利的方式应用该液体分离器，即流体流的液体含量波动和/或分离的液体必须首先留在位于流体导引通道附近的液体积聚区域中，液体从其中被分离。

4、流体导引通道可以是流体可以在其中被引导的任何形式的通道。流体导引通道通常从流体入口延伸到流体出口。然而也可以考虑，存在多个流体入口和/或流体出口，亦即流体在流体导引通道中的引导被分岔。

5、液体分离器包括收集区域，用于从能在流体导引通道中被引导的流体中收集液体。流体通常是包含小液滴的气体。

6、收集区域通常是流体导引通道壁的内表面的区域。在该区域中，从流体中收集液体，优选地从气体中收集小液滴。收集区域例如可以位于流体导引通道的沿流体的流动方向位于径向外侧的通道壁处。小液滴的密度大于周围气体的密度，因此小液滴从流动的流体中被向外驱使，并在收集区域中碰撞。但是，收集区域例如也可以位于流体导引通道的被不那么快速穿流的区域中。该处的剪切力可以非常小，从而液体一旦与通道壁的表面接触就留在该处，并且不会直接再从流动的流体处脱离。在后面的下文中进一步描述的液体导引元件的表面也可以形成收集区域。

7、液体分离器优选地包括从流体导引通道分支出的液体通路。在此其通常是通道壁中的开口，液体可以穿过该开口从流体导引通道离开。

8、此外，液体分离器优选地包括液体积聚区域，液体通路通入该液体积聚区域中。液体积聚区域优选地经由液体通路与流体导引通道连接成，使得通过液体通路从流体导引通道离开的液体能够滴落和/或流出到液体积聚区域中。

9、液体分离器能够使燃料电池在低温下可靠地运行。通过有针对性地将液体、通常是水引出到液体积聚区域中，可以将管路系统中的在其他地方不期望的水积聚减少到最小程度或彻底防止。液体积聚区域又可以被设计成使得在某些情况下残留的水的体积尽可能小。当其冻结时，其会在燃料电池的后续运行中很快融化。

10、即使在不稳定行驶时，诸如在加速、制动或转弯时，液体分离器优选地能够实现燃料电池的可靠运行。液体通过液体通路一旦离开，即使当其在液体区域中诸如由于高程度地加速、制动或转弯而猛烈冲溅(schwappen)，也不会以值得一提的量返回到流体导引通道中。通过本发明可以优选地尽可能避免冲溅的水经由阳极或阴极气体被带入。

11、从收集区域到液体通路的过渡部可以形成流出区，可在收集区域中被收集的液体可以通过该流出区朝液体通路流出。可以考虑，在通道壁的紧邻液体通路的内表面处没有或几乎没有液体被收集。然而在该处积聚的液体优选地可以朝液体通路流动，使得在该处存在流出区。

12、液体导引元件优选地朝向液体通路进行引导。优选的液体导引元件从通道壁的内表面延伸到流体导引通道中并且在内表面处沿着通道壁延伸。

13、可以有益的是，液体导引元件以液体导引元件的整个长度从通道壁的内表面到流体通道中平均延伸了局部半径的3％至40％、例如5％至30％。局部半径是指液体导引元件所在的通道的区域中的平均半径。这优选地确保被收集的液体能够沿着液体导体元件朝液体通路流出，而不会在较大程度上经由液体导体元件被裹挟走并且在这种情况下再次被带入流动的流体中。这优选地还确保了流体导引通道中的流动阻力保持为较低的。

14、还可以有益的是，通道壁的内表面处的液体导引元件优选地以螺旋形延伸。螺旋形是指液体导引元件平行于假想的螺旋线的回旋部的至少一部分延伸，该假想的螺旋线在流体导引通道的内表面处从流体入口朝流体出口螺旋地周向地延伸。螺旋形延伸使液体在限定的方向上沿着液体导引元件流出。

15、优选地，一个或多个液体导引元件、尤其是所有液体导引元件以斜向于流体导引通道的局部的延展或取向的方式进行取向。尤其地，肋形或隔片形的液体导引元件与流体导引通道的相应的局部的延展或取向例如围成至少约5°、优选地至少约15°和/或至多约60°、优选地至多约45°的角度。

16、局部的延展或取向尤其是贴靠在流体导引通道的中心路径处的切线，其中中心路径延伸穿过流体导引通道的在径向方向上居中布置的所有中心点。

17、在一个或多个液体导引元件的螺旋形延伸中，假想的螺旋线相对于螺旋中心轴线的上升角度优选地为至少5°、例如至少15°和/或至多约60°、优选地至多约45°。

18、优选地，收集区域和与其间隔开的液体通路可以被构造在螺旋形延伸的液体导引元件的同一侧上。于是优选地，从收集区域到液体通路的流出区沿着液体导引元件延伸。这可以提供如下优点，即也可以有针对性地通过相对小的液体通路从大的收集区域中分离相对多的液体。由此优选地可以进一步降低液体从积聚区域冲溅回到流体导引通道中的风险。因此在不稳定的行驶中，尤其确保了燃料电池的更加可靠的运行。

19、液体通路可以具有任何形状。

20、优选的液体通路具有长形的截面。该截面的最大长度在此是截面的以与其正交的方式被测量的最大宽度的优选地至少两倍、优选地至少三倍。

21、可以有利的是，一个或多个液体导引元件与相应的一个或多个液体通路共同作用。

22、可以有益的是，相应的一个或多个液体通路与相应的一个或多个液体导引元件邻接。

23、例如可以规定，一个或多个液体通路与一个或多个液体导引元件的分离侧邻接、尤其以下述方式邻接，即，使得在一个或多个液体导引元件处被分离的液体可以直接被导引至一个或多个液体通路。

24、可以有利的是，相应的一个或多个液体通路沿着相应的一个或多个液体导引元件延伸。

25、尤其可以规定，一个或多个液体通路被构造为狭缝形。

26、例如可以规定，设置有多个肋形的液体导引元件和多个狭缝形的液体通路，其例如被布置和/或被构造为以成对的方式彼此共同作用。尤其地，每个肋形的液体导引元件可以相应地与狭缝形的液体通路邻接。

27、液体通路在通道壁中优选地与液体导引元件平行地取向。这可以具有如下优点，即液体通路的取向因此精确地适配于沿着液体导引元件朝向液体通路以窄的条带流出的液体。

28、可以优选的是，每个液体导引元件都有至少一个液体通路。这缩短了流出区的平均长度。

29、优选的根据本发明的液体分离器是离心分离器，例如流体导引通道可以具有一个或多个弯曲部，或者以螺旋形、旋风形或旋涡形的方式进行引导。

30、根据本发明，可以在收集区域和/或流出区中布置液体导引材料。无纺布、液体可充分渗透的多孔材料(例如泡沫)、织物、网或被穿孔或被开槽的扁平材料适合作为液体导引材料，其例如可以具有纵向通道或横向通道和/或构造了相对于通道壁的双重的底部。

31、该液体导引材料优选地防止曾在收集区域中被收集的液滴再次被流动的流体离析并由此再次被接纳到流体流中。因此，已经收集的液滴优选地可以更稳妥地流动到液体积聚区域中。

32、优选地，流体导引通道具有至少一个弯曲部、例如至少两个弯曲部。进一步优选地，收集区域的至少一部分形成在流体导引通道的沿流体的流动方向位于径向外侧的通道壁处。

33、流体在弯曲部中优选地流过流动曲线。收集区域在该流动曲线中尤其位于外侧、例如弧形外侧的区域中。

34、因此，沿流体的流动方向位于径向外侧的通道壁尤其是对流动曲线向外进行限制的通道壁、尤其是朝向曲线外侧进行限制的通道壁。

35、优选地，在流体导引通道的沿流体的流动方向位于径向外侧的通道壁处也可以形成至少一个液体通路。这可以具有缩短的流出区的优点，从而被收集的液体更少地再被流体裹挟，并且由此最终改进了液体分离。

36、弯曲部可以是被构造为螺旋形的流体导引通道的弯曲部。引申于或附加于液体导引元件的螺旋形延伸的上述方案，流体导引通道本身可以被构造为螺旋形的。

37、例如，流体导引通道可以被构造为以螺旋形的方式围绕冷却剂通道。

38、根据本发明的液体分离器可以具有至少一个、优选地至少两个、特别优选地至少三个、例如至少四个布置在液体积聚区域和流体导引通道之间的回流屏障。

39、回流屏障(或多个回流屏障)优选地被布置成，与流体导引通道的任何液体通路相交的并且与液体积聚区域的基底处的假想的球体相交的每条直线也与至少一个回流屏障相交。

40、这可以具有如下优点，即朝向位于液体积聚区域的基底处的假想的球体中的液体作用到任何液体通路的力不能将位于该处的液体直接输送穿过该液体通路。在制动、加速或转弯时，积聚的液体以不期望的方式回流到流体导引通道中的情况就更少见了。可以特别有利的是，这种期望的效果使得能积聚尽可能大体积的液体。

41、例如，假想的球体可以具有刚好穿过液体通路中的任一者的最大球体的直径。如果有多个液体通路，则取决于最大的球体穿过的那个液体通路。

42、液体积聚区域的基底处的假想的球体意味着球体位于液体积聚区域的最低点处。假想的球体在液体积聚区域的基底处例如尽可能靠近液体出口。

43、例如，根据本发明的液体分离器可以具有彼此重叠的回流屏障。彼此重叠的回流屏障是相对于彼此以下述方式布置的回流屏障，即引导穿过液体通路的直线首先与一个回流屏障相交，然后与另一个回流屏障相交。彼此重叠的回流屏障优选地是如下回流屏障，其相对于彼此布置成使得引导穿过液体通路的第一直线首先与一个回流屏障相交，然后与第二回流屏障相交并且然后与可选的第三回流屏障相交。

44、一个或多个回流屏障可以具有任何形状。其可以包括例如屏障面元件、波浪面元件或肋。

45、例如，每两个屏障面元件可以共同形成双坡屋顶形的回流屏障。

46、例如，波浪面元件可以被构造为起始于液体积聚区域的壁。

47、优选地，回流屏障(例如屏障面元件和/或波浪面元件)被构造和/或形成为和/或被布置为，使得其能够在注射成型工艺中被制造。其表面的至少一部分优选地沿从在注射成型工艺中使用的工具半部之一脱模的方向延伸。

48、至少一个回流屏障可以限定朝向液体积聚区域敞开的偏转区域。

49、朝向液体积聚区域敞开的偏转区域可被理解为朝向液体积聚区域敞开的区域。术语“偏转区域”仅说明了出现于液体积聚区域中的可由于作用力被抛入该区域中液体接下来可以再次从该区域中流出或滴落返回到液体积聚区域中。

50、朝向液体积聚区域敞开的偏转区域优选地具有两个表面。该表面在更靠近流体导引通道的区域中过渡到彼此中。其从该更靠近流体导引通道的区域延伸到更远离流体导引通道的区域中。这使得被抛入偏转区域的液体可以经由这两个表面流出。

51、朝向液体积聚区域敞开的偏转区域可以仅由回流屏障限定。但是，其也可以通过回流屏障与液体分离器的另一表面关联地来限定，例如与朝向液体积聚区域进行引出的壁的内表面关联。

52、例如通过相对于彼此倾斜的屏障面元件、通过波浪面元件和/或通过平行于邻接的流体导引通道区段取向的屏障面元件可以将偏转区域朝向流体导引通道进行遮掩。

53、在相对于彼此倾斜的屏障面元件中，朝向液体积聚区域敞开的偏转区域通常针对两个屏障面元件各具有一个表面。该表面面向彼此并且在更靠近流体导引通道的区域中过渡到彼此中。其从该更靠近流体导引通道的区域延伸到更远离流体导引通道的区域中。这使得被抛入偏转区域的液体可以经由屏障面元件的这两个面向彼此的表面流出。

54、在波浪面元件中，朝向液体积聚区域敞开的偏转区域通常分别具有波浪面元件的表面和并非由波浪面元件形成的表面。该表面面向彼此并且在更靠近流体导引通道的区域中过渡到彼此。其从该更靠近流体导引通道的区域延伸到更远离流体导引通道中。这使得被抛入偏转区域的液体可以经由这两个面向彼此的表面流出。

55、平行于邻接的流体导引通道区段优选地意味着相对于流体导引通道区段的斜度至多为20°、尤其至多为10°。

56、至少两个、特别优选地至少三个、例如至少四个回流屏障可以例如分别限定了一个朝向液体积聚区域敞开的偏转区域。例如通过相对于彼此倾斜的屏障面元件和/或通过波浪面元件可以对偏转区域朝向流体导引通道进行遮掩。

57、根据本发明的液体分离器可以具有肋。肋可以限定迷宫式路径。迷宫式路径可以延伸到液体积聚区域中或者在液体积聚区域之内延伸。

58、例如，肋可以由以平行于邻接的流体导引通道区段的方式取向的屏障面元件和/或由液体积聚区域的底部构造而成。于是，肋例如可以基本上竖立式地延伸。

59、通常优选的是，液体分离器和/或具有液体分离器的流体引导单元被划分为多个构件地通过注射成型制造而成。

60、基于构件划分可以有利的是，回流屏障被构造为竖直或水平地延伸。

61、如果构件分隔(bauteiltrennung)水平地延伸并且液体分离器应当具有附加的回流屏障，则这些回流屏障例如可以布置在液体积聚区域的底部处。替选地或附加地可以在待布置在液体积聚区域之上的构件处布置回流屏障，其在流体引导单元的组装状态下向下延伸到液体积聚区域中。待布置在液体积聚区域之上的构件可以是回流屏障嵌件。其可以是待布置在液体积聚区域之上的构件，也可以是具有通道壁的下部的构件。

62、如果构件分隔竖直地延伸并且液体分离器应当具有附加的回流屏障，则这些回流屏障例如可以布置在液体分离器或流体引导单元的两个侧部构件中的至少一者处，其在组装状态下限定了液体积聚区域。

63、优选地，在液体积聚区域中构造有液体出口。优选的液体出口可以采取打开或关闭状态，这例如可以通过泄放阀(drainageventil)来实现。

64、液体出口优选地布置在从液体积聚区域向下分支出的出口区域中。优选地，该出口区域的最大截面不超过2cm2、尤其不超过1cm2、例如不超过0.5cm2。

65、出口区域可以是袋孔形的凹部。其壁可以非常陡峭并且其直径非常小，使得其形成液体积聚区域的最深处。袋孔形的凹部的深度可以尤其地在2mm到20mm的范围内进行选择、优选地在3mm到12mm的范围内进行选择、例如为6mm。

66、特别优选的是，在液体积聚区域中构造有液体出口，其中液体出口在液体积聚区域中被构造成，使得其可以在液体分离器的第一取向和液体分离器的第二取向的情况下被用于排出分离的液体。第二取向在此相对于第一取向优选地翻转了90°。

67、这就使得液体分离器可以以通用的方式被应用，即既可以应用在以卧式的电池取向安装的燃料电池堆处，又可以应用在以立式的电池取向安装的燃料电池组处。

68、在卧式的电池取向的情况下，堆叠的元件(膜电极组件、双极板等)位于彼此之上。这意味着重力以正交于堆叠的元件的中心面的方式作用。

69、在立式的电池取向的情况下，堆叠的元件(膜电极组件、双极板等)竖立。这意味着重力以沿着堆叠的元件的中心面的方式作用。

70、因此，具有立式的电池取向的燃料电池堆相对于具有卧式的电池取向的燃料电池堆翻转了90°。

71、如果液体出口在液体积聚区域中被构造成，使得其能够在液体分离器的第一取向和液体分离器的第二取向(第二取向相对于第一取向翻转了90°)的情况下被用于将液体从液体分离器中排出，则液体分离器就可以毫无问题地以同样的方式安装在具有立式和卧式的电池取向的燃料电池堆处。于是，液体分离器因此可以以通用的方式被应用于具有立式和卧式的电池取向的燃料电池堆。这减少了加工成本，因为不需要对立式或卧式的堆叠形式进行调整。

72、优选地，根据本发明的液体分离器具有布置在液体积聚区域上方的入口。例如，入口可以配备有控流阀(purgeventil)。术语“在......上方”在此涉及液体分离器的上述两种取向中的至少一者。因此，当入口在液体分离器处于两种取向中的一者的情况下可以位于液体的表面上方时(该液体可以在液体积聚区域中积聚在液体出口处)，根据本发明的液体分离器具有布置在液体积聚区域上方的入口。术语“在......上方”优选地涉及液体分离器的上述两种取向。因此，当入口在液体分离器处于两种取向中的情况下可以位于液体的表面上方时(该液体可以在液体积聚区域中积聚在液体出口处)，根据本发明的液体分离器具有布置在液体积聚区域上方的入口。

73、优选地，从收集区域到液体通路的过渡部中没有可收集的液体在流出到液体通路中时可能需要克服的棱边。由于在过渡部中没有棱边，所以附着力维持不变并且液体被带到液体积聚区域中。这实现了更可靠地从流体导引通道中引出多余的液体。

74、在根据本发明的液体分离器中，流体导引通道可以具有至少一个具有加宽的通道截面的第一区段和/或收集区域的至少一部分可以形成在位于该第一区段中的第一通道壁区段处。第一区段可以过渡到流体导引通道的具有较小通道截面的第二区段中。从第一区段到第二区段的区段过渡部中优选地构造有液体屏障。

75、优选地，流体导引通道的具有较小截面的弯曲部通入具有加宽的通道截面的第一区段中。

76、本发明还涉及一种用于从流体中分离液体、例如含水液体的方法，其中：

77、从流体导引通道中的流体中分离液体，并且分离的液体通过从流体导引通道分支出的液体通路被引导到液体积聚区域中并且在其中积聚。

78、流体可以包含至少10体积％、优选地至少30体积％、特别优选地至少70体积％的气态燃料、例如h2。因此，许多燃料电池的待回收的阳极气体是混合的。

79、根据本发明的方法优选地是用于从气体中分离含水液体的方法，其中气体至少部分地由从燃料电池堆中获得的并且包含至少10体积％h2的气体流形成。

80、替选地，流体例如可以包含空气。在之前的清洁步骤中，空气例如可能已经至少部分地清除了悬浮物质。

81、本发明还涉及一种用于具有根据本发明的液体分离器的燃料电池装置的流体引导单元。流体导引通道可以以下述方式被接纳到主体中，即主体底部元件形成液体积聚区域的底部。替选地，底部元件可以布置在至少一个通道基部元件处。底部元件于是形成液体积聚区域的底部。

82、如果流体导引通道以下述方式被接纳到主体中，即主体底部元件形成液体积聚区域的底部，则液体出口可以优选地由主体底部元件构造而成。

83、如果在至少一个通道基部元件处布置有底部元件并且底部元件形成液体积聚区域的底部，则液体出口可以优选地由底部元件构造而成。

84、液体分离器通常相对于流体引导单元的其余组成部分是不可移动的。即使液体出口由主体底部元件或底部元件构造而成，上面关于液体分离器的两种不同取向和通过液体出口排出液体所描述的内容优选地同样适用。

85、液体出口在液体积聚区域中可以被构造为，使得其可以在流体引导单元的第一取向和流体引导单元的第二取向的情况下被用于将液体从流体引导单元中排出。第二取向在此相对于第一取向优选地翻转了90°。

86、在流体引导单元中，布置在液体积聚区域上方的入口可以引导到流体引导单元中。例如，入口可以引导穿过壁区域，该壁区域将流体引导单元的内部与周围大气至少部分地隔开。

87、本发明还涉及一种用于制造根据本发明的液体分离器或根据本发明的流体引导单元的构件，其中该构件包括：流体导引通道的一部分和从流体导引通道的该部分分支出的液体通路的至少一部分。

88、可以有益的是，构件还包括：

89、底部元件的至少一部分，其形成液体积聚区域的底部，液体通路或液体通路的该部分通入该液体积聚区域中，和/或朝向液体通路或液体通路的该部分进行引导的液体导引元件的至少一部分。

90、流体导引通道的该部分优选地具有至少一个弯曲部。

91、优选地，构件可通过注射成型获得或通过注射成型制造而成。

92、本发明还涉及一种用于制造根据本发明的液体分离器或根据本发明的流体引导单元的构件组。优选地，构件组是注射成型构件组。优选地，构件可通过注射成型获得或通过注射成型制造而成。

93、本发明的结合本发明的主题(即结合根据本发明的液体分离器、根据本发明的流体引导单元、根据本发明的方法、根据本发明的构件或根据本发明的构件组)所描述的特征优选地同样适用于本发明的任何其他主题。

94、本发明的其他优选特征和/或优点是实施例的以下描述和图示的主题。