Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Flüssigkeitsabscheider, insbesondere von Flüssigkeitsabscheidern, welche für den Zusammenbau und die Versorgung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich sind.

Beispielsweise eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel ist aus der DE 10 2004 049 623 B4 bekannt.

Aus der DE 10 2017 212 091 Al ist eine Fluidführungseinheit zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator und/oder Kühlmittel zu den Brennstoffzellenelementen und/oder zur Abführung von Brennstoff und/oder Oxidator und/oder Abgas und/oder Kühlmittel von den Brennstoffzellenelementen bekannt. Die Fluidführungseinheit umfasst einen Grundkörper. Dieser umfasst mehrere Fluidleitungen und Anschlussstellen zum Anschließen von Zuführleitungen und/oder Abführleitungen und/oder Zusatzkomponenten der Brennstoffzellenvorrichtung.

In vielen Brennstoffzellenstapeln wird aus Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) Wasser gebildet. Auch in Brennstoffzellen die mit anderen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol betrieben werden, fällt Wasser als ein Produkt der elektrochemischen Umsetzung an.

Zusätzlich werden in der Regel unterschiedliche Mengen an Wasser durch die zugeführte Luft in die Brennstoffzelle eingetragen.

Das in der Brennstoffzelle vorliegende Wasser kann bekanntermaßen insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen zu Problemen beim Start eines Fahrzeugs führen. Auch im laufenden Betrieb können Flüssigkeitsansammlungen im Leitungssystem von Brennstoffzellen zu Problemen führen. Je nach Betriebszustand eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs kann es zu Schwankungen des Wassergehalts der in den Brennstoffzellenstack zugeführten Fluide (beispielsweise Wasserstoff und Luft) kommen. Dadurch wird ein kontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzelle unter optimalen Bedingungen erschwert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, mit der auch unter extremen Bedingungen, wie beispielsweise bei niedrigen Temperaturen und bei unstetiger Fahrt, ein zuverlässiger Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Flüssigkeitsabscheider um einen Flüssigkeitsabscheider für eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere um einen Flüssigkeitsabscheider für eine Brennstoffzellenvorrichtung eines Fahrzeugs. Jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Der Flüssigkeitsabscheider ist zur Abscheidung von Flüssigkeit auch aus anderen Fluiden geeignet. Er ist überall mit besonderem Vorteil einsetzbar, wo der Flüssigkeitsgehalt der Fluidströme schwankt und/oder die abgeschiedene Flüssigkeit zunächst in einem Flüssigkeitssammelbereich verbleiben muss, der nahe an dem Fluidleitkanal liegt, aus der die Flüssigkeit abgeschieden wurde.

Bei dem Fluidleitkanal kann es sich um jede Form von Kanal handeln, in dem ein Fluid geführt werden kann. Typischerweise erstreckt sich der Fluidleitkanal von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass. Es ist aber auch denkbar, dass mehrere Fluideinlässe und/oder Fluidauslässe vorliegen, die Führung des Fluids im Fluidleitkanal also verzweigt ist.

Der Flüssigkeitsabscheider umfasst einen Auffangbereich zum Auffangen von Flüssigkeit aus einem im Fluidleitkanal führbaren Fluid. Bei dem Fluid handelt es sich typischerweise um ein Gas, das Flüssigkeitströpfchen enthält. Der Auffangbereich ist typischerweise ein Bereich einer Innenoberfläche einer Fluidleitkanalwand. In dem Bereich wird Flüssigkeit aus dem Fluid, bevorzugt Flüssigkeitströpfchen aus dem Gas, aufgefangen. Der Auffangbereich kann beispielsweise an einer in Strömungsrichtung des Fluids radial außen liegenden Kanalwand des Fluidleitkanals liegen. Die Dichte der Tröpfchen ist größer als die des umgebenden Gases, so dass die Tröpfchen aus dem strömenden Fluid nach außen treiben und im Auffangbereich auftreffen. Ein Auffangbereich kann aber beispielsweise auch in einem weniger schnell durchströmten Bereich des Fluidleitkanals liegen. Dort können die Scherkräfte so gering sein, dass einmal in Kontakt mit der Oberfläche der Kanalwand getretene Flüssigkeit dort verbleibt und nicht direkt wieder vom strömenden Fluid abgelöst wird. Auch eine Oberfläche eines weiter unten näher beschriebenen Flüssigkeitsleitelements kann einen Auffangbereich bilden.

Der Flüssigkeitsabscheider umfasst vorzugsweise einen aus dem Fluidleitkanal abzweigenden Flüssigkeitsdurchlass. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Öffnung in der Kanalwand, durch die Flüssigkeit aus dem Fluidleitkanal austreten kann.

Der Flüssigkeitsabscheider umfasst außerdem vorzugsweise einen Flüssigkeitssammelbereich, in den der Flüssigkeitsdurchlass mündet. Der Flüssigkeitssammelbereich ist über den Flüssigkeitsdurchlass vorzugsweise so mit dem Fluidleitkanal verbunden, dass durch den Flüssigkeitsdurchlass aus dem Fluidleitkanal ausgetretene Flüssigkeit in den Flüssigkeitssammelbereich abtropfen und/oder abfließen kann.

Der Flüssigkeitsabscheider ermöglicht bei niedrigen Temperaturen einen zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle. Durch die gezielte Abfuhr von Flüssigkeit, typischerweise Wasser, in den Flüssigkeitssammelbereich können anderweitige unerwünschte Wasseransammlungen im Leitungssystem auf ein Minimum reduziert oder gänzlich verhindert werden. Der Flüssigkeitssammelbereich kann wiederum so gestaltet werden, dass ein Volumen gegebenenfalls zurückbleibenden Wassers möglichst klein ist. Wenn es einfriert, schmilzt es beim nachfolgenden Betrieb der Brennstoffzelle sehr schnell.

Der Flüssigkeitsabscheider ermöglicht vorzugsweise auch bei unstetiger Fahrt einen zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle, etwa beim Beschleunigen, Bremsen oder bei Kurvenfahrt. Einmal durch den Flüssigkeitsdurchlass ausgetretene Flüssigkeit gelangt auch dann, wenn sie im Flüssigkeitsbereich stark schwappt, etwa wegen starkem Beschleunigen, Bremsen oder bei Kurvenfahrt, nicht wieder in nennenswerter Menge in den Fluidleitkanal zurück. Ein Eintrag von schwappendem Wasser über das Anoden- oder Kathodengas lässt sich durch die Erfindung vorzugsweise weitestgehend vermeiden.

Ein Übergang vom Auffangbereich zum Flüssigkeitsdurchlass kann eine Abströmzone bilden, durch die eine im Auffangbereich auffangbare Flüssigkeit zum Flüssigkeitsdurchlass abströmen kann. Denkbar ist, dass an der inneren Oberfläche der Kanalwand in unmittelbarer Nähe des Flüssigkeitsdurchlasses keine oder wenig Flüssigkeit aufgefangen wird. Dennoch kann dort gesammelte Flüssigkeit vorzugsweise zum Flüssigkeitsdurchlass strömen, so dass dort eine Abströmzone vorliegt.

Zum Flüssigkeitsdurchlass führt bevorzugt ein Flüssigkeitsleitelement hin. Ein bevorzugtes Flüssigkeitsleitelement erstreckt sich von einer inneren Oberfläche der Kanalwand in den Fluidleitkanal hinein und verläuft an der inneren Oberfläche der Kanalwand entlang.

Günstig kann es sein, wenn das Flüssigkeitsleitelement sich über die gesamte Länge des Flüssigkeitsleitelements im Durchschnitt um 3 % bis 40 %, beispielsweise um 5% bis 30 %, des lokalen Radius von der inneren Oberfläche der Kanalwand in den Fluidkanal hinein erstreckt. Mit dem lokalen Radius ist der mittlere Radius in dem Bereich des Kanals gemeint, in dem sich das Flüssigkeitsleitelement befindet. Dies gewährleistet vorzugsweise, dass aufgefangene Flüssigkeit entlang des Flüssigkeitsleitelements zum Flüssigkeitsdurchlass abströmen kann, ohne in größerem Umfang über das Flüssigkeitsleitelement hinweg mitgerissen und dabei wieder in das strömende Fluid eingetragen zu werden. Dies gewährleistet vorzugsweise außerdem, dass der Strömungswiderstand im Fluidleitkanal gering bleibt.

Günstig kann es ferner sein, wenn das Flüssigkeitsleitelement an der inneren Oberfläche der Kanalwand bevorzugt spiralförmig verläuft. Spiralförmig bedeutet, dass das Flüssigkeitsleitelement parallel zu mindestens einem Teil einer Windung einer gedachten Spirale verläuft, die sich an der inneren Oberfläche des Fluidleitkanals spiralförmig umlaufend vom Fluideinlass zum Fluidauslass erstreckt. Der spiralförmige Verlauf bewirkt, dass Flüssigkeit entlang des Flüssigkeitsleitelements in eine definierte Richtung abfließt.

Vorzugsweise sind ein oder mehrere Flüssigkeitsleitelemente, insbesondere sämtliche Flüssigkeitsleitelemente, schräg zu einer lokalen Erstreckung oder Ausrichtung des Fluidleitkanals ausgerichtet. Insbesondere schließen beispielsweise rippenförmige oder stegförmige Flüssigkeitsleitelemente einen Winkel von mindestens ungefähr 5°, vorzugsweise mindestens ungefähr 15°, und/oder höchstens ungefähr 60°, vorzugsweise höchstens ungefähr 45°, mit der jeweiligen lokalen Erstreckung oder Ausrichtung des Fluidleitkanals ein.

Die lokale Erstreckung oder Ausrichtung ist insbesondere eine Tangente, welche an einem Mittelpfad des Fluidleitkanals anliegt, wobei der Mittelpfad durch alle in radialer Richtung mittig angeordneten Mittelpunkte des Fluidleitkanals verläuft.

Bei einem spiralförmigen Verlauf eines oder mehrerer Flüssigkeitsleitelemente beträgt ein Steigungswinkel der gedachten Spirale bezüglich einer Spiralmittelachse bevorzugt mindestens 5°, beispielsweise mindestens 15° und/oder höchstens ungefähr 60°, vorzugsweise höchstens ungefähr 45°. Bevorzugt können ein Auffangbereich und ein davon beabstandeter Flüssigkeitsdurchlass auf derselben Seite eines spiralförmig verlaufenden Flüssigkeitsleitelements ausgebildet sein. Vorzugsweise entlang des Flüssigkeitsleitelements verläuft dann eine Abströmzone vom Auffangbereich zum Flüssigkeitsdurchlass. Dies kann den Vorteil bieten, dass relativ viel Flüssigkeit auch aus einem großen Auffangbereich gezielt durch einen relativ kleinen Flüssigkeitsdurchlass abgeschieden werden kann. Das Risiko eines Zurückschwappens von Flüssigkeit aus dem Sammelbereich in den Fluidleitkanals lässt sich dadurch vorzugsweise noch weiter verringern. Bei unstetiger Fahrt wird so insbesondere ein noch zuverlässigerer Betrieb der Brennstoffzelle sichergestellt.

Der Flüssigkeitsdurchlass kann jede Form haben.

Ein bevorzugter Flüssigkeitsdurchlass hat einen länglichen Querschnitt. Die größte Länge des Querschnitts ist dabei vorzugsweise mindestens doppelt, bevorzugt mindestens dreimal so groß, wie die dazu orthogonal gemessene größte Breite des Querschnitts.

Vorteilhaft kann es sein, wenn ein oder mehrere Flüssigkeitsleitelemente mit jeweils einem oder mehreren Flüssigkeitsdurchlässen Zusammenwirken.

Günstig kann es sein, wenn jeweils ein oder mehrere Flüssigkeitsdurchlässe an jeweils ein oder mehrere Flüssigkeitsleitelemente angrenzen.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Flüssigkeitsdurchlässe an eine Abscheideseite eines oder mehrere Flüssigkeitsleitelemente angrenzen, insbesondere derart, dass an dem einen oder den mehreren Flüssigkeitsleitelementen abgeschiedene Flüssigkeit direkt zu dem einen oder den mehreren Flüssigkeitsdurchlässen leitbar ist.

Vorteilhaft kann es sein, wenn jeweils ein oder mehrere Flüssigkeitsdurchlässe sich längs jeweils eines oder mehrerer Flüssigkeitsleitelemente erstrecken. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Flüssigkeitsdurchlässe schlitzförmig ausgebildet sind.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mehrere rippenförmige Flüssigkeitsleitelemente und mehrere schlitzförmige Flüssigkeitsdurchlässe vorgesehen sind, welche beispielsweise paarweise miteinander zusammenwirkend angeordnet und/oder ausgebildet sind. Insbesondere kann an jedes rippenförmige Flüssigkeitsleitelement jeweils ein schlitzförmiger Flüssigkeitsdurchlass angrenzen.

Der Flüssigkeitsdurchlass ist in der Kanalwand bevorzugt parallel zu einem Flüssigkeitsleitelement ausgerichtet. Dies kann den Vorteil haben, dass die Ausrichtung des Flüssigkeitsdurchlasses dann genau zugeschnitten auf die entlang des Flüssigkeitsleitelements hin zum Flüssigkeitsdurchlass in einem schmalen Streifen abströmende Flüssigkeit ist.

Es kann bevorzugt sein, wenn je Flüssigkeitsleitelement mindestens ein Flüssigkeitsdurchlass vorliegt. Dies verkürzt die mittlere Länge der Abströmzonen.

Bevorzugte erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider sind Fliehkraft- Abscheider, beispielsweise kann der Fluidleitkanal eine oder mehrere Krümmungen aufweisen oder spiralförmig, zyklonförmig oder drallförmig geführt sein.

Erfindungsgemäß kann in einem Auffangbereich und/oder einer Abströmzone ein flüssigkeitsleitendes Material angeordnet sein. Als flüssigkeitsleitendes Material eignet sich ein Vlies, ein hinreichend flüssigkeitsdurchlässiges, poröses Material (beispielsweise ein Schaum), ein Gewebe, ein Netz oder ein gelochtes oder geschlitztes Flachmaterial, das beispielsweise Längskanäle oder Querkanäle aufweisen kann und/oder einen doppelten Boden zur Kanalwand ausbildet. Diese flüssigkeitsleitenden Materialien verhindern vorzugsweise, dass einmal im Auffangbereich aufgefangene Tröpfchen vom strömenden Fluid wieder abgerissen und dadurch wieder in den Fluidstrom aufgenommen werden. Bereits aufgefangene Tropfen können folglich vorzugsweise noch sicherer bis in den Flüssigkeitssammelbereich hinein abfließen.

Bevorzugt weist der Fluidleitkanal mindestens eine Krümmung, beispielsweise mindestens zwei Krümmungen, auf. Weiterhin bevorzugt ist mindestens ein Teil des Auffangbereichs an einer in Strömungsrichtung des Fluids radial außen liegenden Kanalwand des Fluidleitkanals gebildet.

In der Krümmung durchläuft das Fluid vorzugsweise eine Strömungskurve. Der Auffangbereich liegt in dieser Strömungskurve insbesondere außen, beispielsweise in einem kurvenäußeren Bereich.

Die in Strömungsrichtung des Fluids radial außen liegende Kanalwand ist also insbesondere die Kanalwand, die die Strömungskurve nach außen begrenzt, insbesondere zur Kurvenaußenseite hin begrenzt.

Bevorzugt kann auch mindestens ein Flüssigkeitsdurchlass an einer in Strömungsrichtung des Fluids radial außen liegenden Kanalwand des Fluidleitkanals gebildet sein. Dies kann den Vorteil einer verkürzten Abströmzone haben, so dass weniger aufgefangene Flüssigkeit vom Fluid erneut mitgerissen wird und dadurch letztlich die Flüssigkeitsabscheidung verbessert wird.

Die Krümmung kann die Krümmung eines spiralförmig ausgebildeten Fluidleitkanals sein. Losgelöst von der oben beschriebenen Möglichkeit eines spiralförmigen Verlaufs eines Flüssigkeitsleitelements oder zusätzlich hierzu kann der Fluidleitkanal selbst spiralförmig ausgebildet sein. Der Fluidleitkanal kann beispielsweise spiralförmig um einen Kühlmittelkanal herum ausgebildet sein.

Erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider können mindestens eine, bevorzugt mindestens zwei, besonders bevorzugt mindestens drei, beispielsweise mindestens vier, zwischen Flüssigkeitssammelbereich und Fluidleitkanal angeordnete Rückströmbarriere(n) aufweisen.

Die Rückströmbarriere ist (bzw. die Rückströmbarrieren sind) bevorzugt so angeordnet, dass jede Gerade, die irgendeinen Flüssigkeitsdurchlass des Fluidleitkanals schneidet und die eine gedachte Kugel am Grund des Flüssigkeitssammelbereichs schneidet, auch mindestens eine Rückströmbarriere schneidet.

Dies kann den Vorteil haben, dass eine Kraft, die auf eine in der gedachten Kugel am Grund des Flüssigkeitssammelbereichs befindliche Flüssigkeit hin zu irgendeinem Flüssigkeitsdurchlass wirkt, die dort befindliche Flüssigkeit nicht direkt durch diesen Flüssigkeitsdurchlass befördern kann. Beim Bremsen, Beschleunigen oder bei Kurvenfahrt kommt es dann umso seltener zu einem unerwünschten Rückstrom von gesammelter Flüssigkeit in den Fluidleitkanal. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn dieser gewünschte Effekt für einen möglichst großes Volumen sammelbarer Flüssigkeit eintritt.

Die gedachte Kugel kann beispielsweise den Durchmesser einer größten Kugel haben, die gerade noch durch irgendeinen der Flüssigkeitsdurchlässe passt. Wenn mehrere Flüssigkeitsdurchlässe vorhanden sind, ist also derjenige Flüssigkeitsdurchlass maßgeblich, durch den die größte Kugel passt.

Mit einer gedachten Kugel am Grund des Flüssigkeitssammelbereichs ist gemeint, dass die Kugel an einem tiefsten Punkt des Flüssigkeitssammelbereichs liegt. Die gedachte Kugel ist am Grund des Flüssigkeitssammelbereichs beispielsweise nächstmöglich zu einem Flüssigkeitsauslass. Erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider können beispielsweise einander überlappende Rückstrom barrieren aufweisen. Einander überlappende Rückströmbarrieren sind Rückströmbarrieren, die zueinander so angeordnet sind, dass eine durch einen Flüssigkeitsdurchlass führende Gerade zuerst eine Rückströmbarriere und dann eine andere Rückströmbarriere schneidet. Einander überlappende Rückströmbarrieren sind bevorzugt Rückströmbarrieren, die zueinander so angeordnet sind, dass eine durch einen Flüssigkeitsdurchlass führende erste Gerade zuerst eine Rückströmbarriere, dann eine zweite und dann eine optionale dritte Rückstrom barriere schneidet.

Die Rückströmbarriere(n) kann (können) jede Form aufweisen. Sie kann (können) beispielsweise Barriereflächenelemente, Schwallflächenelemente oder Rippen umfassen.

Je zwei Barriereflächenelemente können beispielsweise zusammen eine satteldachförmige Rückstrom barriere bilden.

Schwallflächenelemente können beispielsweise ausgehend von Wänden des Flüssigkeitssammelbereichs ausgebildet sein.

Bevorzug werden die Rückströmbarrieren, beispielsweise Barriereflächenelemente und/oder Schwallflächenelemente, so ausgebildete und/oder geformt und/oder angeordnet, dass sie in einem Spritzgießverfahren herstellbar sind. Mindestens ein Teil von deren Oberflächen verläuft bevorzugt in Entformungsrichtung von einer der beim Spritzgussverfahren verwendeten Werkzeughälften.

Mindestens eine Rückstrom barriere kann einen sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnenden Umlenkbereich definieren.

Unter dem sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnenden Umlenkbereich wird ein sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnender Bereich verstanden. Mit der Bezeichnung „Umlenkbereich" wird lediglich klargestellt, dass eine im Flüssigkeitssammelbereich stehende Flüssigkeit, die durch eine einwirkende Kraft in diesen Bereich geschleudert werden kann, anschließend wieder aus diesem Bereich zurück in den Flüssigkeitssammelbereich abfließen oder abtropfen kann.

Der sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnende Umlenkbereich weist bevorzugt zwei Oberflächen auf. Die Oberflächen gehen in einem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich ineinander über. Von diesem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich erstrecken sie sich in weiter vom Fluidleitkanal entfernt liegende Bereiche. Dies bewirkt, dass Flüssigkeit, die in den Umlenkbereich geschleudert wird, über diese beiden Oberflächen abfließen kann.

Der sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnende Umlenkbereich kann allein durch die Rückströmbarriere definiert sein. Er kann aber auch durch eine Rückstrom barriere in Verbindung mit einer anderen Oberfläche des Flüssigkeitsabscheiders definiert sein, beispielsweise in Verbindung mit einer inneren Oberfläche einer in den Flüssigkeitssammelbereich hinabführenden Wand.

Der Umlenkbereich kann zum Fluidleitkanal hin beispielsweise durch gegeneinander geneigte Barriereflächenelemente, durch ein Schwallflächenelement und/oder durch ein parallel zum angrenzenden Fluidleitkanalabschnitt ausgerichtetes Barriereflächenelement abgeschirmt sein.

Bei gegeneinander geneigten Barriereflächenelementen weist der sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnende Umlenkbereich typischerweise je eine Oberfläche beider Barriereflächenelemente auf. Diese Oberflächen sind einander zugewandt und gehen in einem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich ineinander über. Von diesem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich erstrecken sie sich in weiter vom Fluidleitkanal entfernt liegende Bereiche. Dies bewirkt, dass Flüssigkeit, die in den Umlenkbereich geschleudert wird, über diese beiden einander zugewandten Oberflächen der Barriereflächenelemente abfließen kann.

Bei Schwallflächenelementen weist der sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnende Umlenkbereich typischerweise je eine Oberfläche eines Schwallflächenelements und eine nicht durch ein Schwallflächenelement gebildete Oberfläche auf. Diese Oberflächen sind einander zugewandt und gehen in einem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich ineinander über. Von diesem näher am Fluidleitkanal liegenden Bereich erstrecken sie sich in weiter vom Fluidleitkanal entfernt liegende Bereiche. Dies bewirkt, dass Flüssigkeit, die in den Umlenkbereich geschleudert wird, über diese beiden einander zugewandten Oberflächen abfließen kann.

Parallel zum angrenzenden Fluidleitkanalabschnitt bedeutet vorzugsweise, dass eine Neigung gegenüber dem Fluidleitkanalabschnitt höchstens 20°, insbesondere höchstens 10°, beträgt.

Mindestens zwei, besonders bevorzugt mindestens drei, beispielsweise mindestens vier Rückströmbarrieren können beispielsweise je einen sich zum Flüssigkeitssammelbereich hin öffnenden Umlenkbereich definieren. Die Umlenkbereiche können zum Fluidleitkanal hin beispielsweise durch gegeneinander geneigte Barriereflächenelemente und/oder durch Schwallflächenelemente abgeschirmt sein.

Ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsabscheider kann Rippen aufweisen. Die Rippen können einen Labyrinthweg definieren. Der Labyrinthweg kann in den Flüssigkeitssammelbereich oder innerhalb des Flüssigkeitssammelbereichs verlaufen.

Rippen können beispielsweise vom parallel zum angrenzenden Fluidleitkanalabschnitt ausgerichteten Barriereflächenelement und/oder vom Boden des Flüssigkeitssammelbereichs ausgebildet sein. Die Rippen können dann beispielsweise im Wesentlichen senkrecht verlaufen. Im Allgemeinen ist es bevorzugt, den Flüssigkeitsabscheider und/oder die Fluidführungseinheit, die den Flüssigkeitsabscheider aufweist, in mehrere Bauteile geteilt durch Spritzguss herzustellen.

Aufgrund der Bauteilteilung kann es vorteilhaft sein, die Rückstrom barrieren vertikal oder horizontal verlaufend auszubilden.

Wenn die Bauteiltrennung horizontal verläuft und der Flüssigkeitsabscheider zusätzlich Rückströmbarrieren aufweisen soll, können diese beispielsweise am Boden des Flüssigkeitssammelbereichs angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können an einem über dem Flüssigkeitssammelbereich anzuordnenden Bauteil Rückströmbarrieren angeordnet sein, die sich im zusammengebauten Zustand der Fluidführungseinheit nach unten in den Flüssigkeitssammelbereich hinab erstrecken. Bei dem über dem Flüssigkeitssammelbereich anzuordnenden Bauteil kann es sich um einen Rückströmbarriereeinsatz handeln. Es kann sich bei dem über dem Flüssigkeitssammelbereich anzuordnenden Bauteil aber auch um ein Bauteil handeln, das einen unteren Teil der Kanalwand aufweist.

Wenn die Bauteiltrennung vertikal verläuft und der Flüssigkeitsabscheider zusätzlich Rückströmbarrieren aufweisen soll, können diese beispielsweise an mindestens einem der beiden Seitenbauteile des Flüssigkeitsabscheiders oder der Fluidführungseinheit angeordnet sein, die im zusammengebauten Zustand den Flüssigkeitssammelbereich definieren.

Bevorzugt ist im Flüssigkeitssammelbereich ein Flüssigkeitsauslass ausgebildet. Ein bevorzugter Flüssigkeitsauslass kann einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnehmen, was beispielsweise durch ein Drainageventil erzielt werden kann.

Der Flüssigkeitsauslass ist bevorzugt in einem vom Flüssigkeitssammelbereich nach unten abzweigenden Auslassbereich angeordnet. Dessen größter Querschnitt überschreitet 2 cm ² , insbesondere 1 cm ² , beispielsweise 0,5 cm ² , bevorzugt nicht.

Der Auslassbereich kann eine sacklochförmige Vertiefung sein. Deren Wände können so steil und deren Durchmesser so gering sein, dass sie die tiefste Stelle des Flüssigkeitssammelbereichs bildet. Die Tiefe der sacklochförmigen Vertiefung kann insbesondere im Bereich von 2 mm bis 20 mm, bevorzugt 3 mm bis 12 mm, gewählt sein, beispielsweise 6 mm betragen.

Es ist besonders bevorzugt, wenn im Flüssigkeitssammelbereich ein Flüssigkeitsauslass ausgebildet ist, wobei der Flüssigkeitsauslass so im Flüssigkeitssammelbereich ausgebildet ist, dass er in einer ersten Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders und in einer zweiten Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders zum Auslassen von abgeschiedener Flüssigkeit verwendet werden kann. Dabei ist die zweite Ausrichtung zur ersten Ausrichtung bevorzugt um 90° gekippt.

Gerade dies kann bewirken, dass der Flüssigkeitsabscheider universell einsetzbar ist, sowohl an Brennstoffzellenstapeln, die in liegender Zellausrichtung verbaut sind als auch an Brennstoffzellenstapeln, die in stehender Zellausrichtung verbaut sind.

Bei der liegenden Zellausrichtung liegen die gestapelten Elemente (Membran- Elektroden-Abordnungen, Bipolarplatten etc.) aufeinander. Das heißt, dass die Schwerkraft orthogonal zu den Mittelebenen der gestapelten Elemente wirkt.

Bei der stehenden Zellausrichtung stehen die gestapelten Elemente (Membran-Elektroden-Abordnungen, Bipolarplatten etc.). Das heißt, dass die Schwerkraft entlang der Mittelebenen der gestapelten Elemente wirkt.

Der Brennstoffzellenstapel mit stehender Zellausrichtung ist also gegenüber dem Brennstoffzellenstapel mit liegender Zellausrichtung um 90° gekippt. Wenn der Flüssigkeitsauslass so im Flüssigkeitssammelbereich ausgebildet ist, dass er in einer ersten Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders und in einer zweiten Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders, die zur ersten Ausrichtung um 90° gekippt ist, zum Auslassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider verwendet werden kann, lässt sich der Flüssigkeitsabscheider also problemlos gleichermaßen an Brennstoffzellenstapeln mit stehender und liegender Zellausrichtung verbauen. Der Flüssigkeitsabscheider ist dann also universell an Brennstoffzellenstapeln mit stehender und liegender Zellausrichtung einsetzbar. Dies verringert den Fertigungsaufwand, da keine Anpassung an die stehende oder liegende Stapelform notwendig ist.

Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider einen oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs angeordneten Einlass auf. Der Einlass kann beispielsweise mit einem Purgeventil ausgestattet sein. Der Begriff „oberhalb" bezieht sich dabei auf mindestens eine der beiden genannten Ausrichtungen des Flüssigkeitsabscheiders. Einen oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs angeordneten Einlass weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider also auf, wenn in einer der beiden Ausrichtungen des Flüssigkeitsabscheiders der Einlass oberhalb einer Oberfläche einer Flüssigkeit zu liegen kommen kann, die sich im Flüssigkeitssammelbereich am Flüssigkeitsauslass sammeln kann. Der Begriff „oberhalb" bezieht sich bevorzugt auf die beiden genannten Ausrichtungen des Flüssigkeitsabscheiders. Einen oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs angeordneten Einlass weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider dann also auf, wenn in den beiden Ausrichtungen des Flüssigkeitsabscheiders der Einlass oberhalb einer Oberfläche einer Flüssigkeit zu liegen kommen kann, die sich im Flüssigkeitssammelbereich am Flüssigkeitsauslass sammeln kann.

Bevorzugt befindet sich in einem Übergang vom Auffangbereich zum Flüssigkeitsdurchlass keine Kante, die von einer auffangbaren Flüssigkeit beim Abströmen in den Flüssigkeitsdurchlass zu überwinden wäre. Da sich im Übergang keine Kante befindet, bleiben die Adhäsionskräfte erhalten und die Flüssigkeit wird in den Flüssigkeitssammelbereich geschleppt. Dies führt zu einer noch zuverlässigeren Abfuhr überschüssiger Flüssigkeit aus dem Fluidleitkanal.

Bei einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider kann der Fluidleitkanal mindestens einen ersten Abschnitt mit geweitetem Kanalquerschnitt aufweisen und/oder es kann mindestens ein Teil des Auffangbereichs an einem in diesem ersten Abschnitt liegenden ersten Kanalwandabschnitt gebildet sein. Der erste Abschnitt kann in einen zweiten Abschnitt des Fluidleitkanals mit geringerem Kanalquerschnitt übergehen. Im Abschnittsübergang vom ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt ist bevorzugt eine Flüssigkeitsbarriere ausgebildet.

Bevorzugt mündet eine Krümmung des Fluidleitkanals mit geringerem Querschnitt in den ersten Abschnitt mit geweitetem Kanalquerschnitt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeit, beispielsweise einer wässrigen Flüssigkeit, aus einem Fluid, wobei: aus dem Fluid in einem Fluidleitkanal die Flüssigkeit abgeschieden und die abgeschiedene Flüssigkeit durch einen aus dem Fluidleitkanal abzweigenden Flüssigkeitsdurchlass in einen Flüssigkeitssammelbereich geführt und darin gesammelt wird.

Das Fluid kann mindestens 10 Vol.-%, bevorzugt mindestens 30 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Vol.-%, eines gasförmigen Brennstoffs, beispielsweise H2, enthalten. So sind zu rezyklierende Anodengase vieler Brennstoffzellen zusammengesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt ein Verfahren zur Abscheidung einer wässrigen Flüssigkeit aus einem Gas, wobei das Gas wenigstens teilweise aus einem Gasstrom gebildet wird, der aus einem Brennstoffzellenstack erhalten wird und mindestens 10 Vol.-% H2 enthält. Das Fluid kann alternativ beispielsweise Luft enthalten. Die Luft kann in einem vorgelagerten Reinigungsschritt beispielsweise schon mindestens teilweise von Schwebstoffen befreit worden sein.

Die Erfindung betrifft auch eine Fluidführungseinheit für eine Brennstoffzellenvorrichtung, aufweisend einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider. Der Fluidleitkanal kann so in einen Korpus aufgenommen sein, dass ein Korpusbodenelement einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs bildet. Alternativ kann an mindestens einem Kanalbasiselement ein Bodenelement angeordnet sein. Das Bodenelement bildet dann einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs.

Wenn der Fluidleitkanal so in einen Korpus aufgenommen ist, dass ein Korpusbodenelement einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs bildet, kann der Flüssigkeitsauslass bevorzugt durch das Korpusbodenelement ausgebildet sein.

Wenn an mindestens einem Kanalbasiselement ein Bodenelement angeordnet ist und das Bodenelement einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs bildet, kann der Flüssigkeitsauslass bevorzugt durch das Bodenelement ausgebildet sein.

Der Flüssigkeitsabscheider ist relativ zu den übrigen Bestandteilen der Fluidführungseinheit typischerweise unbeweglich. Was oben im Hinblick auf zwei verschiedene Ausrichtungen des Flüssigkeitsabscheiders und das Auslassen von Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsauslass beschrieben wurde, gilt bevorzugt auch wenn der Flüssigkeitsauslass durch das Korpusbodenelement oder durch das Bodenelement ausgebildet ist.

Der Flüssigkeitsauslass kann im Flüssigkeitssammelbereich so ausgebildet sein, dass er in einer ersten Ausrichtung der Fluidführungseinheit und in einer zweiten Ausrichtung der Fluidführungseinheit zum Auslassen von Flüssigkeit aus der Fluidführungseinheit verwendet werden kann. Dabei ist die zweite Ausrichtung zur ersten Ausrichtung bevorzugt um 90° gekippt.

Bei der Fluidführungseinheit kann der oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs angeordnete Einlass in die Fluidführungseinheit hineinführen. Der Einlass kann z.B. durch einen Wandbereich hindurchführen, der das Inneren der Fluidführungseinheit zur umgebenden Atmosphäre mindestens teilweise abgrenzt.

Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders oder einer erfindungsgemäßen Fluidführungseinheit, wobei das Bauteil umfasst: einen Teil eines Fluidleitkanals und mindestens einen Teil eines aus dem Teil des Fluidleitkanals abzweigenden Flüssigkeitsdurchlasses.

Günstig kann es sein, wenn das Bauteil ferner Folgendes umfasst: mindestens einen Teil eines Bodenelements, das einen Boden eines Flüssigkeitssammelbereichs bildet, in den der Flüssigkeitsdurchlass oder der Teil des Flüssigkeitsdurchlasses mündet, und/oder mindestens einen Teil eines zum Flüssigkeitsdurchlass oder zum Teil des Flüssigkeitsdurchlasses hinführenden Flüssigkeitsleitelements.

Der Teil des Fluidleitkanals weist vorzugsweise mindestens eine Krümmung auf.

Bevorzugt ist das Bauteil durch Spritzguss erhältlich oder durch Spritzguss hergestellt.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteilset zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders oder einer erfindungsgemäßen Fluidführungseinheit. Bevorzugt ist das Bauteilset ein Spritzgussbauteilset. Bevorzugt sind die Bauteile durch Spritzguss erhältlich oder durch Spritzguss hergestellt. Merkmale der Erfindung, die in Verbindung mit einem Gegenstand der Erfindung beschrieben sind, also in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider, der erfindungsgemäßen Fluidführungseinheit, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Bauteil oder dem erfindungsgemäßen Bauteilset, gelten vorzugsweise ebenso für jeden anderen Gegenstand der Erfindung.

Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines

Flüssigkeitsabscheiders;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit spiralförmig ausgebildetem Fluidleitkanal;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit gekrümmtem Fluidleitkanal;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders ohne erfindungsgemäßen Flüssigkeitsdurchlass;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit erfindungsgemäßem Flüssigkeitsdurchlass;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit Schwallflächenelementen; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit Barriereflächenelementen;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Wirkung des Flüssig- keitsabscheiders aus Fig. 7 bei gekipptem Fahrzeug;

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen unterschiedlicher Flüssigkeitsabscheider mit durch Rippen definierten Labyrinthwegen;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsabscheiders mit oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs angeordnetem Einlass und im Flüssigkeitssammelbereich ausgebildeten Flüssigkeitsauslass;

Fig. 12 eine vergrößerte schematische Darstellung des Flüssigkeitsauslasses aus Fig. 11;

Fig. 13 eine schematische Schnittdarstellung von einem Teilbereich eines Flüssigkeitsabscheiders ohne Kante im Übergang in den Flüssigkeitsdurchlass;

Fig. 14 eine schematische Schnittdarstellung von einem Teilbereich eines Flüssigkeitsabscheiders mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten und Flüssigkeitsbarriere;

Fig. 15A, B schematische Schnittdarstellungen von Teilbereichen von Flüssigkeitsabscheidern mit Krümmungen und unterschiedlichen Kanalquerschnitten;

Fig. 16 eine schematische Schnittdarstellung von einem Teilbereich einer Gasfördereinrichtung und einer Gasverteilungsschicht einer Brennstoffzelle; Fig. 17-19 schematische perspektivische Darstellungen von einem Kanalabdeckelement und einem Kanalbasiselement sowie einem damit gebildeten Fluidleitkanal;

Fig. 20-24 schematische perspektivische Darstellungen einer Fluidführungseinheit, wobei der gemäß Fig. 17-19 gebildete Fluidleitkanal in einen Korpus aufgenommen ist;

Fig. 25-26 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Fluidführungseinheit aus Fig. 20-24 längs der Linie 1-1 in Fig. 24 in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen;

Fig. 27 und 28 schematische perspektivische Darstellungen der Fluidführungseinheit aus Fig. 20-24 ohne Kanalabdeckelement;

Fig. 29 und 30 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Fluidführungseinheit aus Fig. 27 und 28, längs der Linie 2-2 in Fig. 28 in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen;

Fig. 31-35 schematische perspektivische Darstellungen von einem Kanalbasiselement sowie einem daran angeordnetem ein Bodenelement;

Fig. 36-39 schematische perspektivische Darstellungen einer Fluidführungseinheit, worin der Fluidleitkanal aus dem Kanalbasiselement gemäß Fig. 31-35 sowie einem als Korpus fungierenden Kanalabdeckelement gebildet ist;

Fig. 40 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Fluidführungseinheit aus Fig. 36-39 längs der Linie 3-3 in Fig. 39 in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen; Fig. 41-44 schematische perspektivische Darstellungen des

Kanalabdeckelements der Fluidführungseinheit aus Fig. 36-39;

Fig. 45 und 46 zwei schematische vertikale Schnitte durch das Kanalabdeckelement aus Fig. 41-44 längs der Linien 4-4 und 5- 5 in Fig. 44.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die in den Fig. 1 bis 3 und 5 bis 14 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung zeigen unterschiedliche Flüssigkeitsabscheider 100. Diese eignen sich insbesondere für Brennstoffzellenvorrichtungen. Sie eignen sich jedoch auch zur Flüssigkeitsabscheidung in anderen Vorrichtungen.

Die in diesen Figuren gezeigten Flüssigkeitsabscheider 100 umfassen jeweils einen Fluidleitkanal 104. Sie umfassen auch einen Auffangbereich 106 zum Auffangen von Flüssigkeit aus einem im Fluidleitkanal 104 führbaren Fluid. Außerdem umfassen sie einen aus dem Fluidleitkanal 104 abzweigenden Flüssigkeitsdurchlass 110 und einen Flüssigkeitssammelbereich 112, in den der Flüssigkeitsdurchlass 110 mündet.

Beim in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitsabscheider 100 weist der Fluidleitkanal 104 eine Krümmung 114 auf. Auffangbereiche, von denen nur einer mit Bezugszeichen 106 gekennzeichnet ist, sind an einer in Strömungsrichtung des Fluids radial außen liegenden Kanalwand 116 des Fluidleitkanals 104 gebildet.

Fig. 1 illustriert, wie Tropfen in erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheidern 106 mit Krümmung 114 abgeschieden werden. Größere Tropfen werden im Bereich der Krümmung 114 im strömenden Fluid besonders stark hin zur radial außen liegenden Kanalwand abgetrieben und häufig schon an weiter stromaufwärts gelegenen Auffangbereichen 106 abgeschieden. Dies ist vereinfacht durch Trajektorie TI dargestellt. Kleinere Tropfen werden im Bereich der Krümmung 114 im strömenden Fluid weniger stark hin zur kurvenäußeren Kanalwand 116 abgetrieben und häufig erst an weiter stromabwärts gelegenen Auffangbereichen 106 abgeschieden. Dies ist vereinfacht durch Trajektorie T2 dargestellt. Aus den Auffangbereichen 106 wird die aufgefangene Flüssigkeit jeweils von dem im Fluidleitkanal 104 strömenden Fluid hin zum stromabwärts nächstliegenden Flüssigkeitsdurchlass abgetrieben, so dass die aufgefangene Flüssigkeit zum Flüssigkeitsdurchlass 110 abströmt und durch den Flüssigkeitsdurchlass hindurch in den vom Fluid nicht oder viel schwächer durchströmten Flüssigkeitssammelbereich 112 gelangt.

Anders formuliert treffen die Tropfen auf die Kanalwand 116, akkumulieren zu einem Flüssigkeitsfilm bzw. benetzen die Auffangbereiche 106. Die Strömung bzw. die daraus resultierenden Scherkräfte treiben den Film in die Flüssigkeitsdurchlässe 110, wobei die Flüssigkeit beim Durchtreten durch die Flüssigkeitsdurchlässe 110 abreißt und in den Flüssigkeitssammelbereich 112 gelangt.

Der in Fig. 2 gezeigte Flüssigkeitsabscheider 100 weist einen spiralförmig ausgebildeten Fluidleitkanal 104 auf. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Fluidleitkanal spiralförmig um einen Kanal herum ausgebildet, der eine Kühlmittelführzone 212 definiert. Außerdem sind im hier gezeigten Beispiel zu Flüssigkeitsdurchlässen 110 hinführende Flüssigkeitsleitelemente 146 vorgesehen.

Der Flüssigkeitssammelbereich 112 erstreckt sich an der Außenseite der Kanalwand und verbindet die Flüssigkeitsdurchlässe 110 außerhalb des Fluidleitkanals 104. Die Flüssigkeitsabfuhr erfolgt somit also durch einen doppelten Boden.

Die Flüssigkeitsdurchlässe könnten alternativ auch durch die Öffnungen zwischen den Fasern eines Vlieses definiert sein. Das Vlies könnte beispielsweise innerhalb der in Fig. 2 gezeigten Flüssigkeitsdurchlässe 110 angebracht sein.

Durch die spiralförmige Führung lässt sich eine starke Krümmung besonders einfach verwirklichen, so dass die Abscheideleistung erhöht wird. Die Fluidumlenkung beträgt mehr als 180°, wodurch es zu einer aus Sicht entlang der Spiralachse kreuzenden Strömung kommt.

Durch die spiralförmige Krümmung befinden sich die kreuzenden Strömungsprofile in unterschiedlichen Ebenen. Abweichend von der Darstellung in Fig. 2 kann der spiralförmige Fluidleitkanal auch ohne die Flüssigkeitsleitelemente 146 ausgebildet sein. Stattdessen oder zusätzlich kann auch die vom Betrachter abliegende Begrenzung des Fluidleitkanals mit dem Fluidleitkanal ansteigen.

Durch die spiralförmige Führung um die Kühlmittelführzone 212 kann an der radial innen liegenden Kanalwand Kondensation vermieden werden. Ein dort anfallendes Kondensat könnte aufgrund der vollumfänglichen Strömung ansonsten schwer abgeführt werden.

Fig. 3 veranschaulicht, wie ein Flüssigkeitssammelbereich 112 relativ zu Fluidleitkanal 104, Auffangbereichen 106 und Flüssigkeitsdurchlässen 110 beispielsweise angeordnet sein kann.

Fig. 4 veranschaulicht, wie Flüssigkeit, die aus einem Auffangbereich 106 über eine Abströmzone 108 in einen Flüssigkeitssammelbereich 112 abgeströmt ist, in einen Fluidleitkanal 104 eines Flüssigkeitsabscheiders 100 zurückströmen kann, wenn der Flüssigkeitssammelbereich 112 zum Fluidleitkanal 104 hin offen ist. Wenn eine Kraft auf eine im Flüssigkeitssammelbereich 112 stehende Flüssigkeit in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung wirkt, schwappt die Flüssigkeit in den Fluidleitkanal 104 und wird mit dem darin geführten Fluid schlimmstenfalls bis in einen Brennstoffzellenstack hinein befördert. Sollte die Flüssigkeit in die Fluidströmung des Fluidleitkanals gelangen, so wird dieses durch die darin wirkenden, hohen Scherkräfte jedenfalls zerstäubt bzw. in Richtung Fluidauslass mitgeschleppt.

Fig. 5 bis 10 veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, um die Flüssigkeit auch unter einwirkenden Kräften, etwa bei Verzögerungen, Beschleunigungen oder Kurvenfahrt, im Flüssigkeitssammelbereich zu halten.

Bei dem Flüssigkeitsabscheider 100 gemäß Fig. 5 sind Kanalwandabschnitte zum Flüssigkeitsdurchlass 110 hingeneigt.

Die beiden Kanalwandabschnitte halten einen großen Teil der Flüssigkeit im Flüssigkeitssammelbereich 112. Dies ist bei Verzögerungen, Beschleunigungen oder Kurvenfahrt vorteilhaft. Ein Teil der gesammelten Flüssigkeit schwappt nicht in den Fluidleitkanal 104 zurück.

Fig. 6 bis 10 zeigen Ausführungsformen mit zusätzlichen Rückströmbarrieren 118. Diese definieren Umlenkbereiche 120, die sich zum Flüssigkeitssammelbereich 112 hin öffnen.

Der Umlenkbereich 120 kann zum Fluidleitkanal 104 hin durch ein oder mehrere Schwallflächenelemente 124 abgeschirmt sein, wie in Fig. 6 gezeigt. Sich zum Flüssigkeitssammelbereich 112 hin öffnende Umlenkbereiche 120 können dann beispielsweise im Übergang der Schwallflächenelemente in eine Wand des Flüssigkeitssammelbereichs 112 ausgebildet sein, wie ebenfalls in Fig. 6 gezeigt.

Alternativ kann ein Umlenkbereich 120 zum Fluidleitkanal 104 hin beispielsweise durch gegeneinander geneigte Barriereflächenelemente 122 abgeschirmt sein, wie in Fig. 7 gezeigt. Sich zum Flüssigkeitssammelbereich 112 hin öffnende Umlenkbereiche 120 können dann beispielsweise im Übergang zwischen jeweils zwei gegeneinander geneigten Barriereflächenelemente 122 ausgebildet sein, wie ebenfalls in Fig. 7 gezeigt. Die Wirkung von Rückströmbarrieren 118 und Barriereflächenelementen 122 und der dadurch in der Ausführungsform der Fig. 7 definierten Umlenkbereiche 120 illustriert Fig. 8. Bei einer Neigung des Fahrzeugs und/oder bei durch Verzögerung, Beschleunigung oder Kurvenfahrt auftretenden Kräften wird ein Rückströmen von Flüssigkeit in den Fluidleitkanal 104 effektiv verhindert.

Ein Umlenkbereich 120 kann zum Fluidleitkanal 104 hin beispielsweise auch durch ein im Wesentlichen parallel zum angrenzenden Fluidleitkanalabschnitt ausgerichtetes Barriereflächenelement 122 abgeschirmt sein, wie in Fig. 9 gezeigt. In Fig. 9 gehört das Barriereflächenelement zu einem Rückströmbarriereeinsatz 136.

Die Ausführungsformen der Fig. 9 und 10 weisen Rippen 126 auf. Diese definieren einen Labyrinthweg 128, der in den Flüssigkeitssammelbereich 112 oder innerhalb des Flüssigkeitssammelbereichs 112 verläuft. In der Ausführungsform der Fig. 9 verlaufen die Rippen 126 im Wesentlichen senkrecht. In der Ausführungsform der Fig. 10 verlaufen die Rippen 128 im Wesentlichen waagrecht.

Bevorzug werden die Rückströmbarrieren 118, Barriereflächenelemente 122 und Schwallflächenelemente 124 so angeordnet, dass sie durch Spritzguss erhältlich sind. Mindestens ein Teil von deren Oberflächen verläuft bevorzugt in Entformungsrichtung von einer der beim Spritzguss verwendeten Schalen. Durch die Gestaltung der Spritzgussform wird es auf besonders einfache Weise möglich, den Flüssigkeitssammelbereich 112 feingliedrig in viele kleine Unterbereiche aufzuteilen, so dass ein Schwappen und das damit einhergehende Risiko eines Rückströmens von Flüssigkeit in den Fluidleitkanal 104 mit geringstmöglichem Aufwand weiter minimiert wird.

Aus den beiden weiter unten anhand von Fig. 17 bis 30 und 31 bis 46 genauer beschriebenen beiden Ausführungsformen erfindungsgemäßer Flüssigkeitsabscheider 100 wird deutlich, dass der Fluidleitkanal 104 aus mindestens zwei durch Spritzguss herstellbaren Bauteilen definiert werden kann, dem sogenannten Kanalbasiselement 180 und dem sogenannten Kanalabdeckelement 160.

Je nach vorgesehener Spritzguss-Entformungsrichtung besteht dabei grundsätzlich die Möglichkeit, Rückströmbarrieren 118, Barriereflächenelemente 122 und Schwallflächenelemente 124 so anzuordnen, dass sie durch Spritzguss direkt jeweils mindestens teilweise am Kanalbasiselement 180 und Kanalabdeckelement 160 ausgebildet werden. Ähnliches gilt für die Flüssigkeitsleitelemente 146.

Es kann auch ein weiteres separates Bauteil beispielsweise durch Spritzguss erzeugt werden, beispielsweise ein Einsatz mit dem in Fig. 9 gezeigten Barriereflächenelement 122 und den sind von diesem Barriereflächenelement aus erstreckenden Rippen 126. Der Einsatz kann beim späteren Zusammenbau des Fluidleitkanals 104, des Flüssigkeitsabscheiders 100 oder der Fluidführungseinheit 200 zwischen Kanalbasiselement 180 und Kanalabdeckelement 160 oder auch zwischen mindestens eines dieser Elemente und einen unten ebenfalls im Hinblick auf Fig. 17 bis 46 näher beschriebenen Korpus 220 eingebracht werden.

In Fig. 11 und 12 ist zusätzlich ein im Flüssigkeitssammelbereich 112 ausgebildeter Flüssigkeitsauslass 130 gezeigt. Dieser kann einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnehmen, was beispielsweise durch ein hier nicht dargestelltes Drainageventil erzielt werden kann. Fig. 12 zeigt den vergrößerten Ausschnitt X aus Fig. 11. Der Flüssigkeitsauslass 130 ist in einem vom Flüssigkeitssammelbereich 112 nach unten abzweigenden, in Fig. 12 gezeigten, Auslassbereich 132 angeordnet. Der größte Querschnitt des Auslassbereichs überschreitet 2 cm ² , bevorzugt 1 cm ² , beispielsweise 0,5 cm ² , nicht.

Der Auslassbereich 132 ist beispielsweise eine sacklochförmige Vertiefung, deren Wände so steil sind und deren Durchmesser so gering ist, dass sie die tiefste Stelle des Flüssigkeitssammelbereichs 112 bildet. Ihr Volumen ist vorzugsweise minimal. Die Tiefe der sacklochförmigen Vertiefung kann beispielsweise 6 mm betragen. Dort kann also immer nur ein sehr kleines Flüssigkeitsvolumen verbleiben, wenn Flüssigkeit durch das Drainageventil abgelassen worden ist.

Fig. 11 zeigt außerdem einen oberhalb des Flüssigkeitssammelbereichs 112 angeordneten Einlass 134. Auch dieser kann einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnehmen, was beispielsweise durch ein hier nicht dargestelltes Purgeventil erzielt werden kann. Der Einlass ist in einem oberen Bereich/gasführenden Bereich des Flüssigkeitsabscheiders angeordnet, so dass sich im Bereich des Einlasses 134 keine Flüssigkeit sammelt.

Wenn die Flüssigkeit im Flüssigkeitssammelbereich 112 einen bestimmten Füllstand überschreitet, kann das Drainageventil für einen Moment geöffnet werden und die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsauslass 130 abgelassen werden, ohne dass signifikante Mengen eines im Fluidkanal geführten Fluids, z. B. eines darin geführten Hz-haltigen Gases, entweichen würden.

Fig. 13 zeigt einen Teilbereich eines Flüssigkeitsabscheiders. Ein Übergang vom Auffangbereich 106 zum Flüssigkeitsdurchlass 110 bildet eine Abströmzone 108. Durch diese Abströmzone kann aufgefangene Flüssigkeit zum Flüssigkeitsdurchlass 110 abströmen. Das Abströmen erfolgt in der hier gezeigten Ausrichtung entgegen der Schwerkraft. Aufgefangene Flüssigkeit wird vom Fluid, das im Fluidleitkanal 104 strömt, an der Oberfläche der Kanalwand 116 mitgeschleppt.

Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform befindet sich im Übergang vom Auffangbereich 106 zum Flüssigkeitsdurchlass 110 keine Kante. Von der aufgefangenen Flüssigkeit muss beim Abströmen in den Flüssigkeitsdurchlass 110 also keine Kante überwunden werden. Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform ist der Flüssigkeitsdurchlass 110 umlaufend in der Kanalwand ausgebildet. Der umlaufende Flüssigkeitsdurchlass 110 dient dazu, im Auffangbereich 106 aufgefangene Flüssigkeit, die an der Kanaloberfläche mitgeschleppt wird, in einen nicht durchströmten Ruhebereich zu führen. Dieser geht in einen Flüssigkeitssammelbereich 112 über. Da sich im Übergang keine Kante befindet, bleiben die Adhäsionskräfte erhalten und die Flüssigkeit wird in den Flüssigkeitssammelbereich 112 geschleppt.

In dem gezeigten Schnitt ist nicht zu erkennen, dass der Ruhebereich an der äußeren Oberfläche der Kanalwand um den Fluidleitkanal 104 herumgeführt ist. Flüssigkeit, die zunächst nach links durch den Flüssigkeitsdurchlass in den Ruhebereich gelangt, fließt anschließend auf einer geneigten Ablauffläche 150 um den Fluidleitkanal herum. So gelangt die Flüssigkeit letztlich in den in Fig. 13 rechts dargestellten Flüssigkeitssammelbereich 112.

Fig. 14 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Fluidleitkanals. Der Fluidleitkanal weist einen ersten Abschnitt 138 mit geweitetem Kanalquerschnitt auf. Der Auffangbereich 106 ist an einem in diesem ersten Abschnitt 138 liegenden ersten Kanalwandabschnitt 140 gebildet. Der erste Abschnitt 138 geht in einen zweiten Abschnitt 142 des Fluidleitkanals 104 mit geringerem Querschnitt über. Im Abschnittsübergang vom ersten Abschnitt 138 in den zweiten Abschnitt 142 ist eine Flüssigkeitsbarriere 144 ausgebildet.

In den Randbereichen des Abschnitts 138 mit geweitetem Kanalquerschnitt ist die Strömungsgeschwindigkeit gering. Dementsprechend sind auch die Scherkräfte so gering, dass Flüssigkeit an der Oberfläche der Kanalwand nicht vom nach oben strömenden Fluid mitgerissen wird.

Darüber hinaus sorgt auch die Flüssigkeitsbarriere 144 dafür, dass gegebenenfalls doch mitgeschleppte Flüssigkeit nicht in den zweiten Abschnitt 142 des Fluidleitkanals mit geringerem Querschnitt eindringen kann. Die Flüssigkeitsbarriere 144 kann beispielsweise durch ein Ende einer Leitung gebildet sein, die den zweiten Abschnitt 142 bildet, wobei das Ende sich bis in den ersten Abschnitt 138 hinein erstreckt, wie in Fig. 14 gezeigt. Durch eine derartige, gegen die Strömung eindringende, tauchrohrartige Anordnung, lässt sich eine Flüssigkeitsbarriere auf besonders einfache Weise herstellen.

Der Flüssigkeitsdurchlass 110 kann beim Flüssigkeitsabscheider gemäß Fig. 14 stromaufwärts in einem hier nicht dargestellten Abschnitt gebildet sein. Dann kann mit der Schwerkraft abfließende Flüssigkeit entlang der inneren Oberfläche des ersten Kanalwandabschnitts 140 zum Flüssigkeitsdurchlass gelangen.

Auch die schematischen Schnittdarstellungen der Fig. 15A und 15B zeigen Teilbereiche von Flüssigkeitsabscheidern mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten. Diese weisen zusätzlich Krümmungen auf. Damit können im Zusammenhang mit der Erfindung Druckverluste minimiert werden. Außerdem sind auch die hier gezeigten Teilbereiche auf besonders einfache Weise aus mehreren, durch Spritzguss erhältlichen Bauteilen, beispielsweise einem Kanalabdeckelement 160 und einem Kanalbasiselement 180, herstellbar.

Durch geschickte Umlenkung und Aufweitung können beispielsweise mit Fluidleitkanalabschnitten, wie sie in Fig. 15A und 15B gezeigt, sind, Druckverluste minimiert werden. Damit lassen sich Bereich, in denen sich Flüssigkeit unerwünscht sammelt bzw. staut und Reibungsverluste zwischen Strömung und Wänden verringern.

Bei mehrschaligem Aufbau kann dies vorteilhaft im Spritzgussverfahren abgebildet werden. Eine obere Schale kann beispielsweise zugleich ein Kanalabdeckelement 160 bilden. Sie definiert einen in der Darstellung der Fig. 15A von oben nach unten verlaufenden Kanalabschnitt, der sich bereits vor der Umlenkung aufweitet. Des Weiteren beinhaltet die Umlenkung einen inneren Radius am Kanalabdeckelement 160, der ausreichend groß gewählt wird um ein unerwünschtes Sammeln bzw. Stauen von Flüssigkeit zu vermeiden („strömungsoptimierter Rohrbogen"). Der Umlenkwinkel beträgt vorzugsweise für eine Umlenkung von 90° mehr als 270°, wie in Fig. 15A durch die Winkel alpha und beta angedeutet.

Die obere und die untere Schale bzw. Kanalabdeckelement 160 und Kanalbasiselement 180 bilden bevorzugt einen Diffusor, der Druckverluste vermeidet/minimiert (siehe oben).

Randbedingungen, wie beispielsweise der Querschnitt eines Verteilers für einen Brennstoffzellenstack sowie eine eingeschränkte Bauhöhe können dazu führen, dass ein schnell strömendes Fluid innerhalb geringer Bauhöhe umgelenkt werden soll. Hierbei kann es vorteilhaft sein, das Fluid so umzulenken, wie im Zusammenhang mit Fig. 15A beschrieben.

Fig. 15B zeigt auf der linken Seite eine zusätzliche Umlenkung die gleichzeitig aufgeweitet ist. Übergänge zwischen der hier nicht abgegrenzt dargestellten oberen und unteren Schale bzw. Kanalabdeckelement 160 und Kanalbasiselement 180 können beispielsweise wie in Fig. 15A liegen.

Fig. 16 zeigt schematisch eine Gasfördereinrichtung 148 und eine Gasverteilungsschicht 300 einer Brennstoffzelle, wie sie beispielsweise stromabwärts von einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein können, um H2 in den Brennstoffzellenstack zu führen bzw. zu rezyklieren.

Vorzugsweise ist der Hz-Auslass aus der Gasfördereinrichtung 148, bei der es sich beispielsweise um einen Ejektor handeln kann, koaxial oder nur leicht geneigt zum Einlass in die Gasverteilungsschicht. Das ist aufgrund des höchsten Massenstroms ein Aufbau, bei dem die geringsten Druckverluste auftreten. Fig. 17 zeigt ein Kanalabdeckelement 160 und ein Kanalbasiselement 180 für eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders und für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidführungseinheit 200. Fig. 18 und 19 zeigen einen mit diesen Elementen 160 und 180 gebildeten Fluidleitkanal 104.

Das in Fig. 17 oben gezeigte Kanalabdeckelement 160 weist einen Fluideinlass 218 und einen Teil der Flüssigkeitsdurchlässe 110 auf. Das in Fig. 17 unten gezeigte Kanalbasiselement 180 weist einen Fluidauslass 210, einen anderen Teil der Flüssigkeitsdurchlässe 110 und Flüssigkeitsleitelemente 146 auf.

Einer der Auffangbereiche 106 zum Auffangen von Flüssigkeit aus einem im Fluidleitkanal 104 geführten Fluid ist in Fig. 17 am Kanalbasiselement 180 gekennzeichnet. Die Auffangbereiche erstrecken sich selbstverständlich auch bis in die angrenzenden Bereiche des Kanalabdeckelements 160 hinein. Dort sind sie jedoch nicht mit Bezugszeichen versehen, da die entsprechenden Oberflächen des Kanalabdeckelements 160 in der Perspektive der Fig. 17 verdeckt sind. Ähnliches gilt für die Auffangbereiche, die in der näher am Fluidauslass 210 liegenden Krümmung 114 in Strömungsrichtung des Fluids an der radial außen liegenden Kanalwand 116 gebildet sind.

Wie in Fig. 17 zu erkennen ist, bildet ein Übergang vom Auffangbereich 106 zum Flüssigkeitsdurchlass 110 eine Abströmzone 108. Durch die Abströmzone 108 kann eine im Auffangbereich 106 aufgefangene Flüssigkeit zum Flüssigkeitsdurchlass 110 abströmen.

In Fig. 19 ist gut zu erkennen, dass ein Teil der Flüssigkeitsdurchlässe 110 an einer Unterseite der Kanalwand 116 ausgebildet ist.

Fig. 20 bis 24 zeigen schematische perspektivische Darstellungen einer Fluidführungseinheit 200. Die Fluidführungseinheit 200 umfasst einen Korpus 220, in den der gemäß Fig. 17 bis 19 gebildete Fluidleitkanal aufgenommen ist. Die Fluidführungseinheit 200 weist eine Kühlmittelführzone 212, eine Luftleitzone 214, einen Flüssigkeitsauslass 130 und einen Einlass 134 auf. Der Flüssigkeitsauslass 130 kann beispielsweise mit einem Drainageventil ausgestattet sein. Der Einlass 134 kann beispielsweise mit einem Purgeventil ausgestattet sein.

Bei der Fluidführungseinheit 200 der Fig. 20-24 ist der Fluidleitkanal 104 so in einen Korpus 220 aufgenommen, dass ein in Fig. 22 bis 24 zu erkennendes Korpusbodenelement 222 einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs 112 bildet.

Da das Kanalbasiselement 180 nahezu vollständig vom umgebenden Korpus 220 verdeckt ist, wird darauf im Zusammenhang mit Fig. 20 bis 24 nicht näher eingegangen. Das in den Korpus aufgenommene Kanalbasiselement 180 ist jedoch in Fig. 27 und 28 gut zu erkennen. Dort wird die Fluidführungseinheit 200 der ersten Ausführungsform ohne das Kanalabdeckelement 160 gezeigt.

Der als Flüssigkeitsabscheider 100 fungierende Bereich ist unterhalb des Kanalbasiselements nach unten ebenfalls durch einen Bereich des Korpus 220 begrenzt, wobei dieser Bereich eine Öffnung für den Fluidauslass 210 aufweist (vgl. Fig. 23 und 24). Die Fluidführungseinheit 200 weist außerdem mehrere Sensoraufnahmebereiche 216 auf. In die Sensoraufnahmebereiche 216 können beispielsweise Sensoren zur Messung von Flüssigkeitsständen aufgenommen werden.

In den Schnittansichten der Fig. 25, 26, 29 und 30 ist auch das Kanalbasiselement 180 gut zu erkennen. Diese Figuren zeigen auch, dass zwischen Kanalbasiselement 180 und Korpus 220 ein Hohlraum ausgebildet ist, der als Flüssigkeitssammelbereich 112 dient. Dieser erstreckt sich auch bis in den Bereich nahe des Fluidauslasses 210. Folglich kann sämtliche Flüssigkeit, die durch einen der Flüssigkeitsdurchlässe 110 gelangt, sich nahe am Flüssigkeitsauslass 130 sammeln und gezielt durch ein Drainageventil ausgelassen werden.

Fig. 31 bis 35 zeigen verschiedene Ansichten eines Kanalbasiselements 180 für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders und für eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidführungseinheit 200.

Abweichend von der ersten Ausführungsform ist am Kanalbasiselement 180 ein Bodenelement 182 angeordnet, das einen Boden des Flüssigkeitssammelbereichs 112 bilden kann.

Außerdem ist bei der zweiten Ausführungsform der Fluideinlass 218 durch das Bodenelement 182 hindurch ausgeführt.

Die in Fig. 36 bis 39 in unterschiedlichen Ansichten gezeigte Fluidführungseinheit 200 der zweiten Ausführungsform umfasst einen Korpus 220. Zur Herstellung der Fluidführungseinheit 200 wird das Kanalbasiselement 180 in den Korpus 220 aufgenommen.

Im Flüssigkeitssammelbereich ist ein Flüssigkeitsauslass 130 so ausgebildet, dass er in einer ersten Ausrichtung der Fluidführungseinheit 200 (siehe Fig.

38) und in einer zweiten Ausrichtung der Fluidführungseinheit 200 (siehe Fig.

39) jeweils zum Auslassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider verwendet werden kann, wie durch die dicken schwarzen Pfeile symbolisiert. Der Vergleich der Fig. 38 und 39 zeigt, dass die zweite Ausrichtung zur ersten Ausrichtung um 90° gekippt ist.

Die Fluidführungseinheit 200 bzw. der darin ausgebildete Flüssigkeitsabscheider lassen sich also an Brennstoffzellenstapeln mit stehender und liegender Zellausrichtung verbauen. Bei der zweiten Ausführungsform fungiert der Korpus 220 zugleich als Kanalabdeckelement 160. Der Korpus 220 ist in Fig. 41 bis 44 ohne das Kanalbasiselement 180 gezeigt. Auch die Fig. 45 und 46 zeigen den Korpus 220 in Schnittansichten ohne Kanalbasiselement 180.

Insbesondere die Fig. 40, 41 und 45 zeigen, dass der Korpus 220 und die obere Hälfte des Fluidleitkanals 104 einstückig ausgebildet sein kann.

Bezugszeichenliste:

Flüssigkeitsabscheider 100

Fluidleitkanal 104

Auffangbereich 106

Abströmzone 108

Flüssigkeitsdurchlass 110

Flüssigkeitssammelbereich 112

Krümmung 114

Kanalwand 116

Rückstrom barriere 118

Umlenkbereich 120

Barriereflächenelement 122

Schwallflächenelement 124

Rippe 126

Labyrinthweg 128

Flüssigkeitsauslass 130

Auslassbereich 132

Einlass 134

Rückstrom ba rriereei nsatz 136 erster Abschnitt 138 erster Kanalwandabschnitt 140 zweiter Abschnitt 142

Flüssigkeitsbarriere 144

Flüssigkeitsleitelement 146

Gasfördereinrichtung 148

Ablauffläche 150

Kanalabdeckelement 160

Kanalbasiselement 180

Bodenelement 182

Fluidführungseinheit 200

Fluidauslass 210

Kühlmittelführzone 212 Luftleitzone 214

Sensoraufnahmebereich 216

Fluideinlass 218

Korpus 220

Korpusbodenelement 222

Gasverteilungsschicht 300