水分离器和燃料电池装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池装置的水分离器、特别是用于机动车辆的水分离器，以及一种具有这种水分离器的燃料电池装置。


背景技术：

2.一段时间以来，燃料电池装置通过气道实现，通过该气道将空气输送到燃料电池装置的燃料电池，其中空气中的氧气成分用于燃料电池中发生的冷燃烧。输送到燃料电池的空气在流入燃料电池之前必须先加湿，因为否则通常用于燃料电池的聚合物电解质膜可能发生不希望的脱水，并降低与之相关联的燃料电池的效率。为了防止这种脱水，通常在气道中设置加湿器，输送到燃料电池的空气能够在其流入燃料电池中之前通过该加湿器进行加湿。通常这种加湿器包括至少一个透水但不透气的膜。在加湿器中，该膜将湿空气流与低湿空气流分开。当湿空气流和低湿空气流现在分别在不同侧流过该膜时，来自湿空气流的湿度经由该膜进入到低湿空气流中，从而低湿空气流被加湿，湿空气流被除湿。湿空气流能够由燃料电池的废气实现，低湿空气流能够由环境空气实现。
3.然而，在此必须确保输送到加湿器的湿空气不是潮湿的，使得在加湿器的膜上发生水滴的形成。膜上的这些水滴减少了膜的可用于空气流之间的湿度交换的面积，这可能会损害加湿器的整体效率。同样，期望离开加湿器的除湿的空气流尽可能没有水滴，因为这些水滴能够对布置在气道中的加湿器下游的任何单元造成机械损坏或腐蚀性损坏。
4.在这种背景下，水分离器经常被布置在燃料电池装置的气道中。然而，这种水分离器通常结构上复杂，并且因此昂贵、低效、或者需要相当大的流体节流阻力，其以负的方式强烈地减慢流过水分离器的空气流。
5.因此，本发明的目的，特别是用于消除以上提到的缺点，提出一种用于燃料电池装置的水分离器以及具有这种水分离器的燃料电池装置的新方法。
6.该问题通过根据独立权利要求1的水分离器以及通过根据相关的权利要求15的燃料电池装置来解决。优选的实施例是从属权利要求的主题。


技术实现要素：

7.因此，本发明的基本思想是为水分离器配备以栅格状的方式构造的插入件，该插入件布置在由水分离器的壳体限定的壳体内部，并且包括彼此间隔开布置的杆，在流过插入件的情况下，空气能够在所述杆之间流过。
8.因此，有利地，当加载有水滴的空气流撞击到杆上时，由于这种水滴的质量惯性和伴随撞击的空气流的方向的强制改变，被空气流携带的水能够以特别简单的方式与空气流分离。水分离器在此能够以结构相对简单的方式实现，这节约了成本。另外，水分离器具有极低的流体节流阻力，因此空气流在流过水分离器时几乎没有减慢。特别地，以这种方式，在很大程度上甚至完全防止了流过水分离器的空气中的不希望的压降。这有利的结果是，只有一小部分空气流的动能在水分离器中消散，使得空气流在流过水分离器之后，仍然能
够用于驱动存在于水分离器下游的任何单元。
9.根据本发明的用于燃料电池装置的水分离器用于去除包含在空气中的水滴。这种燃料电池装置优选地适合于机动车辆，并且能够在机动车辆中用于提供用于机动车辆的电力驱动装置的电驱动能量。水分离器包括沿着延伸方向延伸的壳体，该壳体限定能够被空气流过的壳体内部。优选地，延伸方向基本上平行于空气流动方向延伸，在操作水分离器时空气沿着该空气流动方向流过壳体内部。另外，水分离器具有布置在壳体内部中的至少一个(第一)栅格状插入件，该插入件包括彼此间隔开布置并且横向于延伸方向延伸的杆，使得空气能够穿过插入件。壳体在此具有进气口和出气口，壳体内部通过该进气口和出气口流体地通向外部，使得空气能够经由进气口进入壳体内部，并且能够在穿过至少一个插入件之后从壳体内部离开。如以上已经指示的，根据本发明的水分离器具有能够以结构简单的方式实现的结构。另外，水分离器特别有效并且具有特别低的流体节流阻力，这会导致另外的优点。
10.在水分离器的有利的进一步的改进方案中，水分离器包括至少一个第二栅格状插入件，该插入件具有横向于延伸方向延伸的杆，该杆彼此间隔开地布置，使得空气能够穿过第二插入件。在此，沿着延伸方向观察，第一插入件的杆中的至少一个至少部分地优选以不透明的方式与存在于第二插入件的两个杆之间的至少一个中间空间重叠。特别优选地，确定第二插入件的杆之间的垂直于延伸方向的中间空间的距离小于或等于相对于延伸方向与该中间空间重叠的第一插入件的至少一个杆的平行于该中间空间测量的宽度。由此，能够提高通过水分离器从加载有水滴的相同送风气流中分离的水的分离程度。
11.根据水分离器的更优选的进一步的改进方案，沿着延伸方向观察，第二插入件的杆中的至少一个至少部分地优选以不透明的方式与存在于第一插入件的杆之间的至少一个中间空间重叠。这使得能够进一步增加分离程度。
12.水分离器的另一有利的进一步的改进方案使得(第一和/或第二)插入件的杆布置在横向于，特别是垂直于延伸方向的平面中。在此，(第一和/或第二)插入件的杆优选地基本上彼此平行地延伸。这种插入件能够以特别优惠的价格，特别是初级成形的方式生产。
13.在水分离器的更有利的进一步的改进方案中，存在沿着延伸方向交替地彼此堆叠的至少两个第一插入件和至少两个第二插入件。这使得能够使用被构建为相同部件的第一插入件或第二插入件，这特别是在大量应用的情况下，通过利用规模经济带来成本优势。
14.根据水分离器的更优选的进一步的改进方案，存在沿着延伸方向交替地彼此堆叠的多个第一插入件和第二插入件。由此，能够增加分离程度。
15.水分离器的另一有利的进一步的改进方案使得(第一或第二)插入件的杆的至少一个，优选全部沿着横向于延伸方向延伸的杆方向延伸。在此，与杆的至少一个，优选每个的杆方向横向，特别是垂直的横截面具有弯曲的、特别是镰刀形的几何形状。这种杆有利地在机械上特别刚性。另外，弯曲的横截面允许空气流的特别有效的偏转，从而由于通过空气流输送的水滴的质量惯性，能够实现特别高的分离程度。
16.根据水分离器的更优选的进一步的改进方案，至少一个、特别是每个(第一和/或第二)插入件具有两个端板，这两个端板通过相应的插入件的杆以支杆状的方式彼此连接。在此，端板的至少一个的、优选每个的外侧邻接壳体的壳体内侧。这允许插入件在壳体内部的定位特别精确。
17.在水分离器的更有利的进一步的改进方案中，壳体内部包括分离区，在该分离区中布置有至少一个，特别是每个插入件。另外，壳体内部包括用于收集水的水收集区，所述水与将要或者已被引导通过壳体内部的空气分离。有利地，分离出的水能够因此在水收集区中储存，并且如果适用，则能够用于下游设施，特别是作为冷却介质。
18.在水分离器的另一有利的进一步的改进方案中，壳体具有分隔壁，该分隔壁在壳体内部中将水收集区局部地与分离区分离，使得流过壳体内部的空气的空气流基本上、特别是仅存在于分离区中。由此，能够有效地防止已经分离的水被离开水分离器的空气流携带。
19.根据水分离器的另一优选的进一步的改进方案，在壳体内部中布置有屏蔽件，该屏蔽件具有横向于延伸方向延伸的u形横截面。在此，在分隔壁中形成有开口，以用于将在分离区中与空气分离的水引导到水收集区。屏蔽件横向于延伸方向与分隔壁的开口重叠，使得屏蔽件的u形横截面的u形基座面向开口布置，并且u形横截面的从u形基座突出的u形腿远离开口布置。由此，能够更好地防止或至少减少由离开水分离器的空气流带走在水收集区中收集的分离的水。
20.在水分离器的更优选的另外的改进方案中，壳体在水收集区的区域中具有出水口，该出水口打开壳体内部的水收集区，以将水从水收集区中流体地朝向外排出。因此，水能够有利地以与空气分离的方式被排出水分离器。
21.根据水分离器的更有利的另外的改进方案，壳体包括第一壳体部分和第二壳体部分，其彼此相邻地设置以限定壳体内部，其中优选地，在壳体部分之间存在密封件。在此，突出部设置在第一壳体部分上的内侧上。至少一个(第一)插入件一方面布置在该突出部上以用于固定在壳体上，另一方面布置在第二壳体部分上。这允许将至少一个插入件紧固在壳体上，这特别容易实现。此外，能够省去用于固定插入件的附加紧固装置。
22.水分离器的更优选的进一步的改进方案使得堆叠的沿着延伸方向的相邻的插入件彼此支撑，以固定在壳体内部中。在此，堆叠的相对于延伸方向的最外面的两个插入件之一经由突出部支撑在第一壳体部分上，并且两个最外面的插入件中的另一个支撑在第二壳体部分上。优选地，为了支撑被支撑在第二壳体部分上的最外面的插入件，在该插入件与第二壳体部分之间存在至少一个适配器部件，该适配器部件邻接第一壳体部分和/或第二壳体部分上。这允许将所有插入件紧固在壳体上，这特别容易实现。此外，能够省去用于固定插入件的附加紧固装置。
23.本发明还涉及燃料电池装置，特别是用于机动车的燃料电池装置。燃料电池装置包括气道，空气能够沿着流动方向流过该气道。在气道中布置有燃料电池和加湿器，该加湿器用于加湿输送到燃料电池的空气。在此，在气道中，根据本发明的(第一)水分离器(如上所述)布置在加湿器与燃料电池之间的燃料电池的下游。替代地或附加地，在气道中，根据本发明并且对应于上述描述的(第二)水分离器布置在加湿器的下游。根据本发明的水分离器的优点也转移到具有这种水分离器的燃料电池装置。
附图说明
24.本发明的其它重要特征和优点将从从属权利要求、附图和借助于附图的相关附图说明中得出。
25.应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的以及以下将进一步解释的特征不仅能够用于分别示出的组合，也能够用于其他组合或单独使用。
26.本发明的优选示例实施例在附图中示出，并且在下面的描述中更详细地解释，其中，相同的附图标记是指相同或相似或功能相同的部件。
27.分别示意性示出，
28.图1以分解图示出了根据本发明的水分离器的示例，
29.图2以沿着水分离器的壳体的延伸方向的截面示出了图1的示例，
30.图3以沿着水分离器的壳体的延伸方向并且横向于杆的方向的截面示出了根据本发明的水分离器的另一示例，其中水分离器的插入件的杆沿着该方向延伸，
31.图4以沿着该延伸方向并且横向于杆的方向的局部剖视图示出了根据本发明的水分离器的另外的示例，
32.图5以沿着水分离器的壳体的延伸方向的局部剖视图示出了根据本发明的水分离器的另外的示例，
33.图6以横向于水分离器的壳体的延伸方向的截面示出了根据本发明的水分离器的另外的示例，
34.图7作为示例，以结构图的形式示出了根据本发明的燃料电池装置。
具体实施方式
35.在图1中，示意性地示出了根据本发明的水分离器1的示例，如图7中的示例所示，其适合于在根据本发明的燃料电池装置2中使用。这种燃料电池装置2能够安装在机动车辆中(附图中未示出)，并且因此能够是这种机动车辆的一部分。水分离器1用于去除包含在空气l中的水滴。
36.根据图1，水分离器包括壳体3，该壳体沿着延伸方向e延伸。壳体3限定了壳体内部4，该壳体内部能够被空气l流过。壳体3具有进气口7和出气口8。
37.图2以沿着延伸方向e的截面示出了图1的组装好的水分离器1。能够看出，在壳体内部4中布置有至少一个栅格状第一插入件5，该第一插入件包括彼此间隔开布置并且横向于延伸方向e延伸的杆6。在所示示例中，水分离器1具有两个这种第一插入件5。第一插入件5被配置为使得空气l能够穿过插入件5。通过进气口7和出气口8，壳体3的壳体内部4通向外部，使得空气l能够经由进气口7进入壳体内部4，并且能够在穿过第一插入件5之后再次从壳体内部4离开。
38.在图1和2的示例中，水分离器1还包括至少一个第二栅格状插入件9，该第二插入件包括横向于延伸方向e延伸的杆6。第二插入件9的杆6彼此间隔一定距离布置，使得空气l能够穿过第二插入件9。在所示示例中，存在两个这种第二插入件9。第一插入件5以及(替代地或附加地)第二插入件9能够被实现为相同的部件。第一插入件5以及(替代地或附加地)第二插入件9的杆6能够如图所示彼此等距布置。
39.在图3中，以沿着延伸方向e且横向于杆方向s的截面示出了根据本发明的水分离器1的另外的示例，例如第一插入件5和第二插入件9的杆6沿着杆方向s延伸。
40.能够从图3的图示看出，沿着延伸方向e观察，第一插入件5的杆6中的至少一个至少部分地与存在于第二插入件9的两个杆6之间的至少一个中间空间10重叠。在所示示例
中，在沿着延伸方向e观察的情况下，存在于第二插入件9的杆6的两个相邻杆之间的所有中间空间10分别通过第一插入件5的杆6以不透明的方式重叠。以完全相同的方式，在沿着延伸方向e观察的情况下，存在于第一插入件5的两个相邻杆6之间的中间空间10也通过第二插入件9的杆6(以如示例所示的不透明的方式)至少部分地重叠。根据所示示例，在沿着延伸方向e观察的情况下，存在于第一插入件5的杆6的两个相邻杆之间的所有中间空间10分别通过第二插入件9的杆6以不透明的方式重叠。根据所示的示例，垂直于延伸方向e在第二插入件9的杆6之间建立中间空间10的距离可以小于或等于第一插入件5的至少一个杆6的平行于该中间空间测量的宽度，该宽度相对于延伸方向e与该中间空间10重叠。
41.根据图1至3，第一插入件5和第二插入件9的杆分别布置在横向于延伸方向e延伸的平面中。在所示示例中，该平面以与延伸方向e成角度的方式延伸。该平面能够垂直于延伸方向e延伸。如附图中的示例所示，第一插入件5和第二插入件9的杆6能够彼此平行地延伸。
42.在图1至3中，水分离器1包括沿着延伸方向e以交替的方式彼此堆叠的两个第一插入件5和两个第二插入件9。然而，水分离器1也能够具有相应地沿着延伸方向e以交替的方式彼此堆叠的多个第一插入件5和第二插入件9。
43.图3还示出了第一插入件5或第二插入件9的杆6中的至少一个(在示例实施例中为每个)具有带有横向于其杆方向s延伸的弯曲几何形状12的横截面11。横截面11例如垂直于各个杆6的杆方向s延伸。在所示示例中，弯曲几何形状12被构造成镰刀形的。在此，在图3中还能够看出，杆6被定向成使得横截面11的弯曲几何形状12的弯曲的背部面向壳体3的进气口7。
44.在图4中，以横向于杆方向s的横截面详细示出了根据本发明的水分离器1的另外的示例。与图3的示例相反，根据图4，杆6被定向成使得横截面11的弯曲几何形状12的弯曲的背部远离进气口7。横截面11的垂直于延伸方向e测量的几何形状12能够为6mm宽。在插入件5、9的两个杆6之间的垂直于杆方向s测量的距离能够为4mm。相对于延伸方向，能够在两个相邻插入件5、9的杆6之间存在2mm至15mm的距离。例如，该距离能够为5mm至10mm。替代地或附加地，在两个相邻插入件5、9的杆6之间的距离能够是垂直于杆方向s测量的杆6的宽度的一半到三倍，其中，所述距离能够根据期望的分离程度和压力损失而变化。
45.然而，根据图3和图4，所有插入件5、9的所有杆6具有横截面11的相同定向的几何形状12，替代地，横截面11的几何形状12的这种定向也能够仅在插入件5、9内相同，并且能够在插入件5、9之间(例如相反地)或甚至在插入件5、9内变化，然而这未在附图中示出。当然，插入件5、9的杆6也能够实现为具有不同的横截面几何形状。此外，能够想到的是，第一插入件5的杆6配备有均匀横截面几何形状，其与第二插入件的杆6的均匀横截面的几何形状不同。
46.另外，从图1能够看出，第一插入件5和第二插入件9分别具有两个端板13。插入件5、9中的相应一个的端板13通过其杆6以支杆状彼此连接。参见图2至4，端板13的至少一个(例如端板13中的每个)的外侧14邻接在壳体3的壳体内侧15上。端板13能够被周向框架包围。
47.图5以沿着水分离器的壳体3的延伸方向e的局部剖视图示出了根据本发明的水分离器1的另外的示例。能够看出，壳体内部4包括其中布置有插入件5、9的分离区16。壳体内
部4还包括用于收集水w的水收集区17，水与被引导通过壳体内部4的空气l分离。水收集区17能够相对于重力方向布置在分离区16下方的水分离器1的操作位置中，使得在插入件5、9处与空气l分离的水w能够通过重力作用转移到水收集区17中。还能够看出，壳体3包括分隔壁18，该分隔壁在壳体内部4中将水收集区17局部地与分离区16分离。在此，分隔壁18将水收集区17与分离区16分离，使得在水分离器1的操作中流过壳体内部4的空气l的空气流f基本上存在于分离区16中。
48.图6以横向于水分离器的壳体3的延伸方向e的截面示出了根据本发明的水分离器1的另外的示例。因此，在壳体内部4中存在屏蔽件19，该屏蔽件具有横向于延伸方向e延伸的u形横截面20。在此，开口21布置在分隔壁18中(能够例如在图2和5中看出)，以用于将在分离区16中与空气l分离的水w引导到水收集区17中。屏蔽件19横向于延伸方向e与分隔壁18的该开口21重叠，使得屏蔽件的u形横截面20的u形基座22面向开口21布置，并且u形横截面20的从u形基座22突出的u形腿23远离开口21布置。
49.另外，图6示出了壳体3能够在水收集区17的区域中具有出水口24。出水口24打开壳体内部4的水收集区17，以用于将水w从水收集区17朝外部液体地排出。
50.根据图1至3，壳体3包括第一壳体部分3a和第二壳体部分3b。壳体3的壳体部分3a、3b彼此相邻地布置以限定壳体内部4。在第一壳体部分3a与第二壳体部分3b之间可以存在密封件。突出部25布置在第一壳体部分3a上的内侧，该突出部能够突出到壳体内部4中。至少一个插入件5、9能够借助于突出部25一方面支撑在壳体部分3a上，另一方面支撑在第二壳体部分3b上，以固定在壳体3上。
51.在图1至3的示例中，堆叠的沿着延伸方向e的相邻的插入件5、9彼此支撑，以固定在壳体内部4中。相对于延伸方向e，堆叠中的两个最外面的插入件5、9之一经由突出部25支撑在第一壳体部分3a上。相对于延伸方向e，堆叠中的两个最外面的插入件5、9中的另一个支撑在第二壳体部分3b上。为了支撑被支撑在第二壳体部分3b上的最外面的插入件5、9，例如在该插入件5、9与第二壳体部分3b之间存在至少一个适配器部件26，该适配器部件邻接在第一壳体部分和/或第二壳体部分3b上。
52.在图7中，通过示例示出了根据本发明的燃料电池装置2的结构图。因此，燃料电池装置2包括气道27，空气l能够沿着流动方向f流过该气道。在气道27中布置有燃料电池28和加湿器29，该加湿器用于加湿输送到燃料电池28的空气l。另外，根据所示的示例，布置有根据本发明的两个水分离器1，如图1至6中所示的和以上所述的水分离器。在气道27中，燃料电池装置2的水分离器1的第一个布置在加湿器29与燃料电池28之间的燃料电池28的下游。在气道27中，水分离器1的第二个布置在加湿器29的下游。第一水分离器1能够用作水预分离器。第二水分离器1能够用作水细分离器。与水细分离器相比，水预分离器可具有较少数量的插入件5、9。燃料电池装置2还可以另外包括流动机器30，其能够借助于没有水滴的空气l来驱动。
53.根据图2和5，其中分别布置有第一插入件5和第二插入件9的杆6的平面能够相对于延伸方向e倾斜，从而各个插入件5、9的上部区域指向进气口7的方向，该插入件5、9的下部区域指向出水口24的方向。这意味着沿着延伸方向e所测量的各个插入件5、9的上部区域的距离小于在该插入件的下部区域与进气口7之间的平行于延伸方向测量的距离。