CN105493326B - 用于燃料电池系统的集成气体管理设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池的集成气体管理设备(GMD)，包括：气气加湿器，该气气加湿器用于将水从第二气体转移到第一气体；附连到该加湿器核的第一端的热交换器，该热交换器用于冷却第一气体；和/或附连到加湿器核的第二端的水分离器，该水分离器用于将液态水从第二气体中移除。该GMD任选地可包括在该热交换器和加湿器核的第一端之间的隔热板。该GMD进一步包括用于允许第一气体绕开该加湿器的旁通管线。第一气体可包括阴极增压空气，并且第二气体可包括阴极排气。

Description

用于燃料电池系统的集成气体管理设备
相关申请的交叉引用
本申请要求以下的优先权和权益：2013年6月27日提交的美国临时专利申请No.61/840,200；2013年9月25日提交的美国临时专利申请No.61/882,210；及2013年10月15日提交的德国实用新型申请No.20 2013 009 257.9；其内容通过援引纳入在此。
发明领域
本发明涉及用于燃料电池系统的气体管理设备(GMD)，诸如用于加湿并冷却燃料电池系统中的阴极增压空气和/或用于从燃料电池系统中的阴极排气中移除水的集成GMD。
发明背景
燃料电池系统通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来生成电力。许多燃料电池系统使用气态燃料(诸如氢分子)和气态氧化剂(诸如氧分子)。空气通常被用作氧化剂的来源。氢气和氧气之间的反应生成水，其在燃料电池的废气中排出。
许多燃料电池且尤其是用于汽车推进的燃料电池基于质子交换膜(PEM)技术。这些燃料电池包含PEM膜，这些PEM膜在约50-120℃的范围中起作用并且必须被保持湿润以实现燃料电池的最优性能和耐久性。
在空气被用作气态氧化剂的情况下，在空气被馈送到燃料电池的阴极之前，空气被空气压缩器提升至燃料电池的操作压力。然而，在压缩期间，空气可被加热到约200℃或更高的温度，该温度与燃料电池的操作温度相比要高的多。因此，受压的增压空气必须在它到达燃料电池堆叠之前被增压空气冷却器冷却到期望温度。
加湿设备可被定位成嵌入在空气压缩器和燃料电池堆叠之间，以便将增压空气的含水量增加到足够的水平以防止燃料电池的膜脱水。已知通过传送来自燃料电池的废气中的水蒸汽来加湿增压空气，例如如在Vanderwees等人的已公开专利申请no.US 2012/0181712 Al(在本文中被称为Vanderwees V12)或Stroebel等人的WO 2013/092630 Al中公开的，两者都通过援引整体纳入在此。在加湿设备是如Vanderwees等人所公开的膜加湿器的情况下，它将具有比受压的增压空气的温度显著更低的操作温度。因此，还期望在增压空气到达该加湿设备之前冷却增压空气。
通过前面的讨论，显而易见需要众多组件来处理燃料电池系统中的馈送气流和排出气流。尤其在车辆系统中，这些组件必须全部容适在有限的空间内。因此，为了节省空间、降低成本并简化这些系统的复杂特性，存在提供降低组件的数目并在这些组件之间提供更直接的连接的集成气体管理设备的需要。然而，要求这些系统在整体上被紧密密封。
发明概述
本发明的目的是使燃料电池加湿器与以下中的任一者或多者集成：水冷式增压空气冷却器、气冷式增压空气冷却器、阳极热交换器、水分离器、(诸)隔热板、排水阀、传感器、加热器、旁通阀和各组件之间的通路。燃料电池加湿器的集成降低了燃料电池系统中组件的数目，减小了系统封装空间并降低了系统成本。
在本发明的一些实施例中，一个具体目的是将包括薄板堆叠的燃料电池加湿器的核与热交换器和/或水分离器集成。燃料电池核与热交换器和/或水分离器的集成提供进一步的特定益处，因为它允许加湿器结构的刚性结构端板之一或两者都被去除。在该结构中，热交换器和/或水分离器的刚性允许该热交换器和/或水分离器用作向加湿器结构的板堆叠提供刚性的刚性结构端板，并且这些板在该热交换器和/或水分离器之间被压缩并密封在一起。根据一实施例，提供有一种集成气体管理设备(GMD)，该GMD包括气气加湿器核以及附连到该加湿器核的第一端的热交换器。
根据另一实施例，提供有一种GMD，该GMD包括气气加湿器核以及附连到该加湿器核的第二端的水分离器。
根据又一实施例，提供有一种GMD，该GMD包括气气加湿器核、附连到该加湿器核的第一端的热交换器以及附连到该加湿器核的第二端的水分离器。
该加湿器核定义一个或多个第一气体流道以及一个或多个第二气体流道，该加湿器核具有第一端和第二端；与第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及与第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；其中，这些管道从第一端延伸通过加湿器核到第二端。
热交换器可被附连到加湿器核的第一端并包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，并且还包括第一出气开口，通过该第一出气开口，该至少一个第一气体流道与加湿器核的第一进气管道流动连通。
水分离器可被附连到加湿器核的第二端。水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中该水分离器的第二进气开口与加湿器核的第二出气管道流动连通。
由此，本发明的目的是提供一种燃料电池加湿器，该燃料电池加湿器被集成在还包括热交换器和水分离器中的至少一者的系统中，其中该系统是以紧凑方式构造的。加湿器系统需要被均质地压缩以被紧密地密封，以便防止气体和湿度的任何泄漏。由此，这些压缩元件必须按以下方式组合：使得它们提供足够的刚性来允许紧密密封。在有利的实施例中，本发明的目的是提供一种燃料电池加湿器系统，该系统在没有分开的端板的情况下工作，以实现对实际加湿器核的压缩。
本发明的目的由此通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括：
(a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括：
-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中，这些管道从所述第一端延伸通过加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
所述热交换器进一步包括第一出气开口，通过所述第一出气开口，所述至少一个第一气体流道与所述加湿器核的第一进气管道流动连通。
该集成气体管理设备提供特定的机械刚性以实现对加湿器核的压缩，并仅需要有限的封装空间。由于它不需要分开的导管或软管，该集成GMD示出了降低数目的接口并由此示出更少的密封表面。总之，这导致改善的密封。然而，它集成热交换器有时是有利的，并且该方式促成对加湿器堆叠的加热，以使该加湿器堆叠在非常冷的启动条件期间操作。
本发明的目的还通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括：
(a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括：
-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中，这些管道从第一端延伸通过加湿器核中到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通。
该实施例还在没有分开的管道系统的情况下起作用，其涉及降低的要被密封的接口的数目，使得该密封被改善。同时，该集成GMD需要更短的路径，并且该方式允许更紧凑的构造。通过该解决方案，在水分离器中聚集和冻结的水可由于改善的热集成而被更容易的解冻。
本发明的目的还通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括：
(a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括：
-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中，这些管道从所述第一端延伸通过加湿器核到所述第二端；
(b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
所述热交换器进一步包括第一出气开口，通过所述第一出气开口，所述至少一个第一气体流道与所述加湿器核的第一进气管道流动连通；以及
(c)附连到所述加湿器核的第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通。
该实施例为加湿器核的压缩提供极好的机械刚度，因为该加湿器核被同时嵌入在热交换器和水分离器之间，这允许具有非常短的路径的尤其紧凑的构造。在给定集成GMD也不需要任何分开的管道系统的情况下，接口的数目被降低，并且由此密封被改善。冷启动时改善的热集成促成对水分离器中已聚集和冷凝的水的解冻，这尤其因为为此可使用流向整个系统的冷却剂。
在一实施例中，热交换器的第一出气开口与加湿器的第一进气管道对准，并与加湿器的第一进气管道流动连通。这提供甚至更短的气体路径并且密封也被改善了。
在一实施例中，水分离器的第二进气开口与加湿器的第二出气管道对准，并与加湿器的第二出气管道流动连通。此处再一次，气流路径被减少了，并且密封被改善。
在一实施例中，集成GMD进一步包括加湿器核和热交换器之间的隔热板。在热交换器中，发生高达200℃或甚至稍微更高的入流温度。隔热板防止加湿器的过热。此外，隔热板避免优选由铝合金组成的热交换器以及加湿器核之间的直接接触。这些元件具有不同的热膨胀系数，并因此在与隔热板的平面平行的方向上不同地延伸。隔热板可使这些不同的膨胀平衡，并且该方式改善了密封。由于该系统不需要附加的端板，完整系统的热质量被降低，并且结果整个系统可以快速得多的对温度改变作出响应。这一隔热板的典型厚度(该厚度不包括在该板的平面中的任何气体通路)的范围在0.5到20mm之间，优选在2到15mm之间。
在一实施例中，隔热板包括塑料材料。这是有利的，因为它既具有更少的重量，同样还具有更少的系统热质量，使得反应时间被降低了。如果加湿器核也由塑料制成，则由塑料制成的隔热板可通过胶贴被安装到加湿器核。这导致改善的密封。
在一实施例中，隔热板包括第一气体开口，通过该第一气体开口，在热交换器的第一出气开口和加湿器的第一进气管道之间提供流动连通。再次，短气体路径和非常紧凑的构造可被实现。该实施例也与极好的密封有关。
在一实施例中，该隔热板在加湿器核的第一端处关闭第一出气管道、第二进气管道和第二出气管道。通过该方式，该隔离板形成加湿器核和热交换器之间的选择性密封板。气体可被直接引导通过加湿器核，使得不需要附加的导管。这对密封和紧凑两者都是有利的。
在一实施例中，集成GMD进一步包括旁通管线，该旁通管线具有与加湿器核的第一进气管道流动连通的第一端以及与加湿器核的第一出气管道流动连通的第二端。旁通允许干燥气体包围加湿器核，使得这些干燥气体直接流到针对干燥气体的出气管道中，并朝向到燃料电池堆叠的气流通过加湿器核。在该实施例中，湿润气体和干燥气体通过旁通管线的混合允许人们控制朝向燃料电池堆叠离开集成GMD的气体的湿度。此外，旁通管线在关断时有助于将多余的水从燃料电池堆叠中移除。
在一实施例中，旁通管线被定位在加湿器核的第二端。在该实施例中，干燥空气并不通过进气管道进入加湿器核，而直接通向流向燃料电池堆叠的干燥出口气体。
在一不同的实施例中，集成GMD进一步包括加湿器核和热交换器之间的隔热板，其中旁通管线与隔热板集成。该实施例的特征在于紧凑的构造和良好的热集成。在该情况下，隔热板的典型厚度在10mm到70mm的范围内，优选在20mm和50mm之间。
在又一实施例中，集成GMD进一步包括旁通管线，该旁通管线具有与加湿器核的第一进气管道流动连通的第一端和与加湿器核的第一出气管道流动连通的第二端；其中，该旁通管线被定位在加湿器核的第二端处；并且其中该旁通管线通过提供在水分离器中的通道与加湿器核的第一进气和出气管道流动连通，通过该水分离器的所述通道被隔离以避免与水分离器的水分离腔流动连通。
在一实施例中，旁通管线与水分离器集成。通过这种方式，集成GMD包括降低数目的组件，并且由此非常紧凑。
在一实施例中，旁通管线与水分离器的盖子集成。这使得该盖子也有可能关闭旁通管线。由于它可被铸造，而无需模具中复杂的模具凹穴，因此它可被容易且快速地生产。该实施例在需要集成阀(因为阀提供所需的空间)的情况下尤其有利。
在一实施例中，旁通管线与热交换器集成。这是用于实现紧凑构造的替换方法。它可用很短的生产时间实现，因为它允许使用诸如浮雕、焊接和铜焊之类的金属成型技术。
在给定用于在该集成GMD内实现旁通管线的不同可能的情况下，有可能对顾客的需求和/或要求作出响应。
在一实施例中，集成GMD进一步包括提供在所述旁通管线中的旁通阀。这允许对旁通气流的主动控制。
在一实施例中，水分离器具有平坦底部表面，通过该平坦底部表面，该水分离器可被机械地附连到加湿器核的第二端。该实施例的特征在于容易装配且易于制造，并且允许实现利用简单的密封轮廓的优化密封。该密封还可被集成到水分离器的底部表面中，这允许实现没有隔离板的构造。在给定水分离器的平坦底部表面的情况下，加湿器核是以同质方式来压缩的。
在一实施例中，水分离器的底部表面具有四个开口，这些开口中的每一者与加湿器的管道之一对准，并且这四个开口之一包括水分离器的第二进气开口。另一方面，这允许实现短通路，并由此允许实现紧凑构造。另一方面，随着这些开口有水流动，流被优化，并且压降降低了。
在一实施例中，水分离器进一步包括水分离腔周围的侧壁，其中水分离器的第二出气开口被提供在该侧壁内，并且其中该侧壁还提供有用于将液态水从水分离腔中排出的排水开口，其中该排水开口与水分离腔连通。这允许实现将液态水从水分离腔并由此从朝向排气装置离开水分离腔的湿气流中高效排出。
在一实施例中，在水分离器被定向成该水分离器被安装在车辆中时将被定向成的那样的情况下，排水开口被定位在侧壁的最低侧壁部分中。这确保在车辆处于水平定向时将液态水从水分离腔中排出。
在一实施例中，排水开口被定位在最低侧壁部分的最低点中，并且其中该侧壁部分的内表面被成形为向上离开该开口的斜面。这确保当车辆处在特定的正常倾斜范围中时，将液态水从水分离腔中排出，同时在车辆被倾斜时防止有多余的液态水流回到加湿器核或排气装置的下游。这确保加湿器核和所有部件(诸如在排气装置下游的水分离腔后面的蜗轮或压力控制阀)两者的没有缺陷的操作。
在一实施例中，侧壁部分的斜面相对于水平轴具有一角度，该角度大于车辆在正常使用期间将经历的最大倾斜角。这确保在车辆在所有方向都处于指定的0到20°的正常倾斜范围时，将液态水从水分离腔中受控地排出。
在一实施例中，排水开口被定位在所述开口中被定位在水分离器的相对角处的两个开口之间。这提供额外的安全性，以将所有液态水从气流中排出，以防一些液滴被进一步载送到水分离腔的第二出口。
在一实施例中，排水开口提供有用于选择性地打开和关闭该排水开口的阀。利用该阀，可例如按基于时间的方式或在最大水位被水分离腔中的液位传感器测量到的情况下，将聚集的液态水从水分离腔中释放出。
在一替换实施例中，排水开口提供有从水分离腔中排水的无源控制装置。这样的排水的无源控制装置可包括虹吸管或毛细管，其自动允许将多余的水从水分离腔中排出。
在一实施例中，该排水开口被定位成紧邻所述开口之一。这允许对接近这些开口的液态水的高效排出。
在一实施例中，侧壁进一步包括与第二进气管道流动连通的第二进气开口以及与第一出气管道流动连通的第一出气开口。这些开口允许将气体从加湿器核的进气管道和出气管道引导到在远离加湿器核的一侧上毗邻水分离腔的各部件。这使得气体通路非常紧凑。
在一实施例中，水分离器包括冷却剂流道，其与热交换器的至少一个冷却剂流道流动连通。这允许实现水分离腔中受控的温度。利用该特征，有可能使用冷却剂流动来在冷启动期间将任何冰解冻，冰是在车辆冷存储期间在水分离腔中形成的。
在一实施例中，加湿器核中交替的第一气体流道和第二气体流道被可渗透水蒸汽的膜分隔。
在一实施例中，热交换器机械地附连到加湿器。这可取决于给定的安装情况以及压缩加湿器核所需的力通过螺丝、螺钉、夹圈或胶贴来实现。
在一实施例中，加湿器核被压缩在热交换器和水分离器之间。这允许实现该加湿器的非常紧凑的设置，因为取代附加的庞大端板，使用了热交换器和水分离器的机械稳定性和刚性。
在一实施例中，加湿器核是包括由透湿膜分隔的各加湿器板的堆叠的加湿器堆叠，这是具有平坦膜的板式加湿器的高效设立。
在一实施例中，加湿器核包括导管束，这些导管中的每一者都具有导管壁，该导管壁包括透水膜。因此，加湿器可具有交替结构，包括具有中空纤维膜的导管式加湿器。
在一实施例中，集成GMD进一步包括用于加热包含氢气的还原剂气流的阳极气体加热器。这允许实现对阳极热交换器的紧凑且高效的集成，因为来自空气热交换器的多余热量可直接被用来加热阳极气流。
在一实施例中，阳极气体加热器与热交换器集成，并且其中该热交换器是进一步包括至少一个还原剂气体流道的三流道热交换器。这允许实现对阳极热交换器的非常紧凑和成本高效的集成，因为三流道热交换器可仅用最小的额外成本按与标准的双流体热交换器相同的方式生产。
在一实施例中，集成GMD进一步包括用于用阴极排气来冷却包含氧气的氧化剂气流的阴极气体冷却器；其中，该阴极气体冷却器与热交换器集成，并且其中该热交换器是进一步包括针对阴极排气的至少一个气体流道的三流道热交换器。这允许实现对工厂的全阴极气体平衡的附加热集成。由此，来自阴极压缩器的多余热量可被导入阴极排气流中。这增加了排气流的温度水平，从而防止液态水朝向定位在排气装置的下流的部件(诸如，涡轮或压力控制阀)流动。此外，这防止将大量热量加载到车辆的冷却剂回路中。
附图简述
现将参照附图仅作为示例进一步描述本发明，其中：
图1是示出根据本发明的第一实施例的燃料电池气体管理设备的各组件的示意图；
图1A是示出根据本发明的第二实施例的燃料电池气体管理设备的各组件的示意图；
图2是根据本发明的一实施例的集成设备的第一透视图；
图3是根据图2的集成设备的第二透视图；
图4是示出图2和图3的设备中的各个体组件的分解透视图；
图5是示出图2和图3的设备中的水分离器的主体的俯视透视图；
图5b和5c是图2和图3的设备中的替换水分离器的主体的顶部透视图；
图5d是图2和图3的设备中的替换水分离器的主体的局部顶部平面图；
图6是图2和图3的设备中的水分离器的主体的底部透视图；
图7是示出根据本发明的第二实施例的集成设备中的各个体组件的分解透视图；
图8是示出根据本发明的集成设备的加湿器板的可能结构的分解图；
图9和10是示出具有集成旁通管线和阀的端板的透视图；以及
图11是示出根据本发明的第三实施例的集成设备中的各个体组件的分解透视图。
详细描述
在以下描述中，对“第一气体”和“第二气体”作出广泛的参考。在其中该描述涉及用于处理燃料电池系统的阴极的氧化剂气流的集成气体管理设备(GMD)的各实施例中，将理解，“第一气体”为包含氧分子(通常包括环境空气)的氧化剂气体。在该情况下，在第一气体是氧化剂气体的情况下，GMD有时在本文中被称为“空气管理设备”或“AMD”。在环境空气被用作氧化剂气体的情况下，它被压缩到大于环境压力的压力，例如在一空气压缩器中高达约2巴。氧化剂气体具有相对较低的含水量，并可例如具有约-25℃的露点温度。
在其中该描述涉及用于处理燃料电池系统的阳极的还原剂气流的集成GMD的各实施例中，将理解，“第一气体”为包含氢分子的还原剂气体。在该情况下，在第一气体是还原剂气体的情况下，GMD有时在本文中被称为“氢气管理设备”或“HMD”。
在以下讨论的本发明的一些实施例中，GMD包含执行关于氧化剂气流和还原剂气流两者的处理功能的组件。例如，该GMD可包括用于在氧化剂气流和还原剂气流中的一者或两者中进行热交换的分开的或集成的装置。例如，GMD可包括组合热交换器，该组合热交换器包括用于在氧化剂气体中进行热交换的部分以及用于在还原剂气体中进行热交换的部分。
还将理解，“第二气体”是燃料电池阴极的排气，包括已到达燃料电池中的空气，并且其具有降低的含氧量以及相对较高的含水蒸气量，因为氧气被消耗了，而水则通过燃料电池中的化学反应被产生。例如，阴极排气可具有多于约30℃(在大多数情况下多于约70℃)的露点温度。
以下描述集中于以下各实施例：其中GMD是AMD，其主要目的是处理燃料电池系统中的阴极增压空气，并且其中“第一气体”是包含氧分子的氧化剂气体，并且“第二气体”是燃料电池阴极的排气。以下现描述根据本发明的一实施例的集成AMD 10。
图1是示出燃料电池系统中的多个组件的示意图，并且在虚线所包围的区域内的各组件表示可被集成在AMD 10中的组件。在输出侧，氧化剂气体(在本文中其包括环境空气)从环境空气212的源流经阴极空气输入管线210到燃料电池堆叠104的阴极102，在该阴极，该氧化剂气体与包含氢气的还原剂气体反应。AMD 10被定位在从进气口212接收阴极空气的空气压缩器100的下游以及阴极102的上游。
在排气侧，所耗费的在燃料电池堆叠104中反应的氧化剂气体被从阴极102的排气口108排出，并流经阴极排气管线214到燃料电池系统的排气出口216。AMD10被定位在阴极102的排气端口108的下游以及排气出口216的上游。任选地，AMD 10被定位在可驱动压缩器100的涡轮110的上游。替换地，AMD 10可被定位在压力调节阀(未示出)的上游，或者阴极排气可从AMD 10直接流到排气出口216。
尽管AMD 10主要用于处理阴极增压空气，图1示出AMD 10可以任选地集成在向燃料电池堆叠104供应还原剂气体时所涉及的至少一个组件。该选项在图1中被示出，其示出包含氢分子的还原剂气体从氢气源200流经氢气输入管线218到燃料电池堆叠104的阳极106，在该阳极，该还原剂气体与氧化剂气体反应。所耗费的在燃料电池堆叠104中反应的还原剂气体被从阳极106的排气口222排出，并流经阳极排气管线224到燃料电池系统的排气出口226。如图1中所示出的，AMD 10被定位在氢气输入管线218中，该氢气输入管线218在氢气源220的下游并在阳极106的上游。
AMD 10和燃料电池堆叠104可被集成在燃料电池系统的冷却剂循环系统中。在这方面，图1示出了冷却剂循环管线228，通过该冷却剂循环管线228，液体冷却剂被循环经过燃料电池堆叠104并经过AMD 10。如图所示，AMD 10可在冷却剂循环系统中被定位在燃料电池堆叠104的下游，使得在冷却剂通过燃料电池堆叠104后，AMD 10通过管线228接收冷却剂。一旦冷却剂通过AMD 10，该冷却剂就可流经散热器230中要被冷却的管线228，并随后在该冷却剂返回燃料电池堆叠104的路上通过冷却剂泵232。将领会，散热器230可包括风扇，并且旁通管线和旁通阀可被提供以准许冷却剂在某些操作条件下(诸如在冷启动条件下)绕开散热器230。
从图1可看出燃料电池系统的若干组件被结合在AMD 10中，并且这些组件在以下被详细描述。集成AMD 10的功能是在来自压缩器100的经压缩的增压空气到达阴极102的进气口之前冷却并任选地加湿经压缩的增压空气，并移除并任选地恢复来自阴极排气的水。任选地，如以下所讨论的，AMD 10还可包括用于加热还原剂气体的装置。如在图1和图1A的示意图中以及在图2和图3的透视图中示出的，集成AMD 10包括气气加湿器核12(在本文中也被称为加湿器堆叠12)、热交换器32、水分离器48、具有旁通阀80的旁通管线70。图1和图1A示出通过AMD 10的冷却剂被循环通过热交换器32。任选地，如图1和图1A所示，冷却剂可被循环通过水分离器48以在燃料电池的冷启动期间使结冰的水融化，如以下进一步讨论的。同样，如在图1和图1A示出，但未在其他附图中示出的，AMD 10可进一步包括还原剂气体热交换器234，如以下进一步讨论的。
图1A是示出燃料电池系统中的多个组件的示意图，并且在虚线所包围的区域内的各组件表示可被集成在AMD 10'中的组件，AMD 10'是以上描述的AMD 10的经略微修改的版本。AMD 10'中的相同组件由相同的参考标记标识，并且以上对这些组件的描述同等地适用于AMD 10。以下将不重复对这些元件的描述。相反，以下讨论将关注于AMD 10和AMD 10'之间的差异。
AMD 10'包括AMD 10的所有元件，并且进一步集成阴极气体冷却器21，该阴极气体冷却器21可包括气气增压空气冷却器，该气气增压空气冷却器从空气压缩器100接收热增压空气并用相对较冷的气流来冷却热增压空气。在所示的实施例中，冷却气流包括通过排气口108从阴极102排出并通过加湿器堆叠12和水分离器48的阴极排气。导管23将阴极排气从水分离器驱动到气气增压空气冷却器21。在从阴极气体冷却器21流出后，经加热的阴极排气可被用于驱动涡轮110。
阴极气体冷却器21可被集成到热交换器32，在该情况下，热交换器32将包括三流道热交换器，如图1A中的虚线25所指示的。这有助于降低燃料电池系统中的组件的数目，并由此有助于节省空间和降低成本。这样的集成三流道热交换器的示例被描述在2013年2月26日提交并在2013年8月29日作为2013/0224613 Al公开的共同转让的美国专利申请No.13/777,626中。
加湿器堆叠12包括加湿器板14的堆叠，其定义交替的第一气体流道16和第二气体流道18，如图8中所示出的。图2示出堆叠12中的加湿器板14的堆叠，但没有按比例示出。此外，为了方便，示出加湿器堆叠12的其他附图没有示出各个体板14。加湿器板14和加湿器堆叠14可具有如Vanderwees'712中描述的结构，并且图8根据Vanderwees'712示出湿式或干式加湿器板14的示例。每一板14都定义第一(干燥)气体流道16或第二(湿润)气体流道18，其中毗邻的板14由可渗透水蒸气的膜(未示出)以及(诸)扩散介质层(未示出)分隔。加湿器板14是薄且可弯曲的，并且通常由塑料或耐腐蚀的金属构成，并且在其边缘附近提供有可压缩密封材料142，使得堆叠12中的板14和膜86通过压缩被彼此密封。
该压缩可由机械紧固件提供，诸如通过板14的堆叠中的孔144并从堆叠12的一端延伸到另一端的螺钉或辐条(未示出)，或者包裹在堆叠12外部的可弯曲的镶条或皮带(未示出)。所示出的板14针对逆流式加湿器堆叠12，并且堆叠12中的管道在图8中被示出。在替换布置中，加湿器堆叠中的板14可被胶合地联结并密封在一起。
虽然这些附图示出具有包括板14的堆叠的核的膜加湿器，但将领会，AMD 10的加湿器不一定是膜加湿器，并且加湿器核也不一定由板14的堆叠构成。因此，参考标记12在本文中用于指示加湿器堆叠12或者更一般地用于指示可具有任何合适的构造的加湿器核。例如，加湿器核12可改为包括被包围在外壳内的导管束，并在导管束的末端处提供有管道空间，并且这些管道空间与热交换器32和水分离器48中的开口连通。在这样的加湿器中，导管壁中的每一者都包括透水膜，使得水分可在流经导管的气体以及流过导管的外表面的气体之间交换。
加湿器堆叠12具有在图4中的堆叠14的底部示出的第一端20以及位于图4中的堆叠12的顶部的第二端22。加湿器堆叠12还包括多个进气管道和出气管道，其与堆叠12的板14所定义的气体流道16和18流动连通。具体地，加湿器堆叠12包括第一进气管道24和第一出气管道26，其与第一气体流道16流动连通。如可从图4中看出的，第一进气和出气管道24、26被定位在加湿器堆叠12的对角相对角处，并且由此第一气体以箭头X的方向沿着对角线流动路径横穿第一气体流道16。
加湿器堆叠12还包括第二进气管道28和第二出气管道30，其与加湿器板14所定义的第二气体流道18流动的连通。第二进气和出气管道28、30还被定位在加湿器堆叠12的对角相对角处，并且由此第二气体以箭头Y的方向沿着对角线流动路径横穿第二气体流道18。该流动方向是有利的，因为当AMD 10被安装在燃料电池系统中时，将第二进气管道28固定在第二出气管道30上方将是合适的。因此，与加湿器堆叠12内部的第二气流分隔开的任何液态水都通过重力朝向出气管30向外流动。
还可从图4的箭头X和Y中看出，第一和第二气体一般将以相反的方向流动，并且由此加湿器堆叠12被配置成使这两个气流逆向流动。然而，将领会，加湿器堆叠12可改为被配置成使得这些气体同向流动或错流。
管道24、26、28、30从第一端20延伸经过加湿器堆叠12到第二端22。在所示的实施例中，这些管道以垂直方式延伸在第一端20和第二端22之间，其中管道的第一端和第二端是开放的。
热交换器32被附连到或并入加湿器堆叠12的第一端20，并且一般与加湿器堆叠12具有相同的外形和尺寸。因此，热交换器32还具有与Vanderwees'712中描述的端板72或173类似的厚结构端板的形式和功能。热交换器32可具有任何期望的结构，并且包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道。例如，热交换器32可包括定义多个交替的气体流道和冷却剂流道的极板对的堆叠，并且可包括由这些极板对组成的刚性铜焊组件。热交换器32的刚度由此向加湿器堆叠12提供原本通过常规加湿器的厚结构端板提供的结构刚度，并准许该结构端板被省略。这有助于降低成本并节省空间。将领会，热交换器32的结构可与本文中描述的热交换器的结构不同，而不背离本发明。因此，热交换器32的结构在这些附图中被示意性地示出。
如图3所示，热交换器32的背对加湿器堆叠12的表面(也被称为“远极面”)提供有冷却剂装置88和90，冷却剂装置88和90与热交换器32的至少一个冷却剂流道流动连通。冷却剂装置88、90中的每一者可以是进气装置或出气装置，这取决于冷却剂流经热交换器32的方向。热交换器32的远极面上还示出第一气体通过其进入集成AMD 10的第一进气开口38，并且取决于热交换器32的结构可包括第一进气管道。例如，第一进气开口38可直接从空气压缩器100处接收热的受压的增加空气。
如图4中所示，面向加湿器堆叠12的热交换器32的表面(也被称为“邻面”)提供有第一出气开口40，至少一个第一气体流道通过该第一出气开口40被密封成与加湿器堆叠12的第一进气管道24流动连通。取决于热交换器32的结构，第一出气开口40可包括第一出气管道。如从图4中可看出的，第一出气开口40可与加湿器堆叠12的第一进气管道24对准，并由此被定位在热交换器32的相应角处。
如所示出的，第一进气和出气开口38、40可被定位在热交换器32的相对端处，使得第一气体流道基本上在热交换器32的整个长度上延伸。类似地，冷却剂装置88、90被定位在热交换器32的相对端处，使得冷却剂以与流经第一气体流道的第一气体逆向流动或同向流动的方式横穿冷却剂流道，这取决于冷却剂流的方向。
如图1所示，AMD 10可包括还原剂气体加热器234，其被定位在阴极空气输入管线210以及氢气输入管线248中。在一些实施例中，还原剂气体加热器234可包括与热交换器32物理地分隔开的气气热交换器。在该情况下，在第一气体通过热交换器32之后，由第一气体保持的多余热量将被转移到还原剂气体加热器234中的还原剂气体中。阳极气体加热器234可如图1所示在阴极空气输入管线210中被定位在热交换器32的下游，但这并不是必须的。
相反，阳极气体加热器234可被定位在热交换器32的上游。
在图1的实施例中，还原剂气体加热器234可被物理地集成在热交换器32中。在该情况下，热交换器32将包括三流道热交换器，该三流道热交换器包括一个或多个第一气体流道(用于氧化气体)、一个或多个冷却剂流道和一个或多个还原剂气体流道。在这样的构造中，热量将通过第一气体、冷却剂或两者被转移到还原剂气体中，这取决于这些流道在三流道热交换器32内的布置。
在图1A的实施例中，还原剂气体加热器234以及阴极气体冷却器21中的一者或两者可被物理地集成在热交换器32中，或者所有三个热交换器21、32和234可彼此集成。因此，热交换器21、32和234的功能可由三个双流道热交换器、一个四流道热交换器、或者一双流道热交换器和一三流道热交换器来执行。
在加湿器堆叠12是根据Vanderwees V12来构造的情况下，该加湿器堆叠12将由通过可渗透水蒸汽的膜分隔开的薄的、可弯曲的、塑料板14的压缩堆叠构成。相反，热交换器32通常将具有铜焊构造，并且将包括铝或铝合金。由于热交换器32与热增压空气接触，它将处于比加湿器堆叠12的操作温度高的温度处。因此，为了防止破坏加湿器堆叠12，期望降低从热交换器32传导到加湿器堆叠12的热量。因此，AMD 10可包括定位在热交换器32和加湿器堆叠12之间的平坦隔热板44。隔热板44通常包括塑料材料，并具有通过其提供热交换器32的第一出气开口40和加湿器堆叠12的第一进气管道24之间的流动连通的第一气体开口46。例如，如附图所示，隔热板44的开口46可以被定位在角落处，与热交换器32的第一出气开口40以及加湿器堆叠12的第一进气管道24对准。隔热板44的典型厚度的范围在0.5mm到20mm之间，例如在2mm到15mm之间。
不是包括分开的组件，将领会，隔热板44可包括热交换器32的聚合物基板，例如具有与在通过援引作为整体纳入在此的国际公开No.WO 2012/104077 Al中描述的聚合物垫片承板相似的结构。
由于在本实施例中隔热板44仅具有一个开口46，因此它关闭并密封了第一出气管道26的第一端(即图4中的较低端)、第二进气管道28以及加湿器堆叠12的第二出气管道30。同样，板44提供平坦密封表面，加湿器堆叠12是相对该平坦密封表面来压缩的。在堆叠12是相对铜焊热交换器的端板来压缩的情况下，更难以实现良好且均匀的压缩，并由此实现对热交换器32以及加湿器堆叠12的开口或管道的安全密封。由此，隔热板44提供热隔离，并且有助于改善加湿器堆叠12的密封和压缩，并且还对AMD 10的总刚度有贡献。
将领会，隔热板44在本发明的所有实施例中都不被需要。例如，将领会，在正常操作条件下，流经热交换器32的冷却剂将处于与第一气流相比显著更低的温度。因此，有可能通过以下方式来提供加湿器堆叠12的足够的热隔离：将热交换器32构造成使得该热交换器32的紧邻加湿器堆叠12的第一通道或流道为冷却剂流道。在不需要隔热板44来实现对加湿器堆叠12的热隔离的情况下，将领会，热交换器32可提供有供实现与加湿器堆叠12良好密封和压缩的平坦基板。例如，该基板可由铝或铝合金加工而成。
甚至在其中存在隔热板44的实施例中，也可期望构造热交换器32，使得第一通道或流道是冷却剂流道，以提供附加的热保护。
如图4所示，水分离器48被附连到加湿器堆叠12的第二端22，并且一般与加湿器堆叠12具有相同的外形和尺寸。因此，水分离器48还具有如Vanderwees V12中的加湿器堆叠12的厚端板的形式和功能。水分离器48具有向加湿器堆叠12提供原本会由常规加湿器的后结构端板提供的结构刚度的刚性结构，并由此准许该结构端板被忽略。结果，加湿器堆叠12可按与Vanderwees V12中的加湿器的核被压缩在厚端板72、173之间相同的方式被压缩在热交换器32和水分离器48之间。加湿器堆叠12的结构端板的消除通过降低组成AMD 10的组件的数目并准许更多的向加湿器堆叠12分派的封装空间而导致附加的成本和空间节省。将领会，在仅热交换器32或水分离器48之一与加湿器堆叠12集成的情况下，也将实现这些益处中的一些。在该情况下，加湿器堆叠12的一端将提供有热交换器32或水分离器48，而堆叠12的另一端将提供有如Vanderwees'712中描述的结构端板72或173。
水分离器48包括内部水分离腔50，该内部水分离腔50被底壁52、侧壁54和盖子64包围。在所示的实施例中，低壁52和侧壁54被整体地形成，并且盖子64被分开地形成，但是这并不是必须的。在附图中示出的实施例中，其中加湿器堆叠12具有矩形形状，水分离器48具有相应的矩形形状，并且由此侧壁54由附图中被标记为56、58、60和62的四个侧壁部分组成。水分离器48的壁52、54和盖子64由刚性塑料材料形成以向AMD 10提供附加的刚度，其提供对加湿器堆叠12内的板14和膜的更好的压缩和密封。为了提供实现对加湿器堆叠12的足够、均匀的压缩所必须的所需机械刚度，附加的肋条可被提供在壁52和/或盖子64之间，和/或附加的支承结构可被提供在壁52和盖子64之间以加强水分离器48的结构。
水分离腔50可填充有将帮助将液态水与第二气流分离的材料。该材料可采取各种形式，包括开孔金属或泡沫塑料或织物、一层或多层金属或塑料舵片或紊流剂、或其他气液分离结构，其可被堆叠、滚卷或以其他方式安装以填充腔50。例如，图5示出水分离腔50的其中气液分离器元件51的堆叠被提供在腔50中的一部分。图5示出提供在腔50的一部分中的分离器元件51，然而将领会，分离器元件51将基本上填充腔50在开口68和66之间的完整体积。
每一分离器元件51包括片或板，该片或板具有从分离器元件51的表面向外突出的三角形突片、突出部分或突出形式的多个增强53，并且其在本文中也被称为三角翼突片或突出。这样的三角翼突片在2013年6月27日提交的共同待审美国临时申请No.61/840,159中描述。相邻层的分离器元件51的三角翼突片53可按多种方式布置。例如，相邻的分离器元件51的三角翼突片53可被布置成彼此内嵌，或者它们可被交错和/或嵌套。一些可能的布置在以上提到的美国临时申请No.61/840,159中的图6-15中示出。
在所示的实施例中，三角翼突片53被布置成在分离器元件51中的每一者上彼此间隔相关，并且分离器元件51被布置在堆叠中。替换地，堆叠可通过堆叠各个体板或者通过将较大的片滚卷成多个层来形成。在分离器元件51是布置在堆叠中的各个体板的情况下，这些板可提供有定位凹痕(诸如在美国临时申请No.61/840,159的图27中示出的那些定位凹痕)或其他合适的定位结构。此外，三角翼突片53可被提供在水分离器48的底壁52或者盖子64的内表面和/或侧壁54的内表面上。
用于布置分离液态水的材料可替换地包括管状分离器，诸如在Wagner等人的美国专利No.7,785,401中公开的那些管状分离器，该美国专利通过援引作为整体纳入在此。排水孔112被提供在水分离器50的侧壁54中，并且将被提供在于AMD10的操作期间面向下(例如，处于图5中示出的定向)的侧壁部分60中，以准许冷凝物从腔50中的重力排出。如所示出的，排水孔112被定位在侧壁部分60的最低点中，其使得排水孔112比侧壁部分60的周围部分更低，由此改善液态水朝向排水孔112的排出。侧壁部分60的内表面中朝向排水孔112的平滑成形的斜面也促进排水。从图5还可看出，水分离器48的第二进气开口66被定位在水分离器48的角附近，并且沿着侧壁部分60被定位成与加湿器堆叠12的第二出气管道30对准。此外，第二进气开口66被定位在水分离腔50的较低部分，其中侧壁部分60的内表面朝向开口66倾斜，使得来自水分离腔50的液态水可被鼓励流向第二进气开口66。然而，期望允许水聚集在该区域中，使得它可进入加湿器堆叠12的管道30。因此，第二排水孔126被提供在侧壁部分60中第二气体流开口66的附近。排水孔126可延伸经过侧壁部分60到水分离器48的外部。然而，在所示的实施例中，第二排水孔126通过经过侧壁部分60的内部水通道128被连接到排水孔112，使得由第二排水孔126聚集的液体水被通过排水开口112从水分离器48中流出。
为了方便的目的，水分离器48的侧壁54被示为在其周界的一些部分周围相对较厚，并且在其周界的其他部分周围相对较薄。为了改善可制造性并降低重量，将领会，水分离器48的较厚区域可在厚度方面被降低和/或被挖空，使得侧壁54可在其周界周围具有相对恒定的厚度，同时维持如上讨论的足够刚度。
图5b和图5c示出水分离器的交替构造，并且在以下被讨论。图5b和图5c中示出的水分离器与以上讨论的水分离器48相似。因此，除了另外陈述，否则对水分离器48的各元件的描述同等地适用于图5b和图5c的水分离器。同样，在附图以及以下描述中，水分离器中的相同元件通过相同的参考标记来标识。
在图5b所述的水分离器48b中，第一气流以相对于水分离器48相反的方向流经水分离器48b。在图5b中，开口66和68的位置被倒转，使得第二气体进入在水分离器48b的右上角处的第二进气开口66，并从右向左流动，从而通过在水分离器48b的左下角处的第二出气开口68离开水分离器46b。第二气流流经水分离器48b的方向由图5b中的箭头67指示。
第一和第二旁通开口76、78在水分离器48b中的位置可与在水分离器48中的相同，或者它们可如图5b中所示的那样被倒转，以便维持与第二气流逆流。
在图5b的实施例中，挡板65被提供在水分离腔50内部开口68的前面处，以防止残留在第二气流中的液态水的液滴离开水分离器48并进入诸如蜗轮之类的紧邻AMD 10的下游定位的组件。在该实施例中，排水开口112和126延伸经过侧壁部分60并准许水从水分离腔50中的重力排出。
在水分离器48b中，第一出气开口114和第二进气开口116被提供在侧壁54的部分2中。这些开口114、116两者与加湿器的相应管道26、28连通。如图5b中的虚线所指示的，第二进气开口116不与水分离腔50连通。然而，由于期望避免液体水在管道28中的任何累积(该液态水将被定位在图5b的配置中的底部处)，因此可期望提供通过图5b中的虚线所包围的区域的排水孔(未示出)，以便准许液态水从属管道28流出并进入排水孔126。
图5c示出根据本发明的进一步实施例的水分离器48c。根据该实施例，侧壁54的内表面被成形为提供液体水从水分离器48c的内部冷凝腔50中的更高效的排出。在这方面，如图5c中示出的水分离器48c的定向对应于水分离器48c被安装在车辆中时和/或在使用时的定向。也就是说，其中提供有排水孔112和126的侧壁部分60将是最低的侧壁部分，并且以该定向向下地面对水分离器48c，从而允许液态水通过重力从腔50排出。出于该原因，侧壁部分60被成形为使得液态水将流向开口112、126，而不管其中安装有水分离器48c的车辆的任何倾斜。因此开口112、126被定位在侧壁部分60的最低点中，并且侧壁部分60的内表面被成形为向上离开开口126的斜面。侧壁部分60的倾斜部分236、238、240(例如，由侧壁部分60的外表面表示)相对于水平轴测量的角度α、β、θ可从约15-45度(例如约20-40度)，并且大于车辆在正常使用期间将经历的最大倾斜角。
在倾斜部分236、238汇合的点242处，侧壁部分60轻微弯曲。同样，侧壁部分60和58被一起平滑地混合在倾斜部分240中，从而避免可影响液态水的排出的任何垂直或水平表面。
在图5c的水分离器48c中，泄漏开口112、126在所有时间都是打开的。情况不一定是这样的。例如，图5d示出根据本发明的另一实施例的在开口66附近的水分离器48d的一部分，其中开口126采用侧壁部分60的内表面和外表面之间的圆柱通道的形式。开口126被定位在圆柱通道的各端之间的阀244选择性地打开和关闭。阀244可包括圆柱阀元件246，在阀244打开时，该圆柱阀元件246具有与开口126对准并形成该开口126的一部分的流道248，如图5d中所示出的。通过如图5d中的弯曲箭头所指示地将阀元件246旋转足以使流道248移动得不再与开口126对准的量来关闭阀244。
阀244可保持被关闭，直到液态水在开口66的底部聚集。为了操作阀244，传感器(未示出)可被提供在其中提供有开口126的侧壁部分60的最低点中。在传感器感测到液态水在该区域中的存在时，该传感器向控制器(未示出)发送将阀244打开达足以通过开口126将水排出的时间段的信号。阀244可被提供在侧壁部分60中(如图5d所示)或可被定位在水分离器48d的外部。可为开口112提供类似的布置。
在一替换实施例中，排水开口126可提供有从水分离腔50中排水的无源控制装置。这样的排水的无源控制装置可包括虹吸管或毛细管(未示出)，其自动允许将多余的水从水分离腔50中排出。
在很冷的条件下，在水分离器48内沿着侧壁部分60处可存在液态水的某种冻结，尤其是在排水孔112、126周围的区域中。由于该原因，水分离器48还可包括内部冷却剂流道84(图5)，该内部冷却剂流道84纵向延伸经过侧壁54的在一对冷却剂装置120和122(其在图3中被最佳的看出)之间的侧壁部分60。内部冷却剂流道84紧邻排水孔112、126和内部水通道128地通过。这准许水分离器48被系统冷却回路内的冷却剂主动地加热，以便将沿着侧壁部分60聚集的任何冰融化，并保持排水孔112、126打开。如图3中同样示出的，水分离器48中的冷却剂装置122可通过沿着AMD 10的末端延伸的导管或软管124被连接热交换器32的冷却剂装置88。替换地，水分离器可被电加热以将腔50中的冰融化。图1和图1A中还示意性地示出通过水分离器48的冷却剂通道84。
取代以上描述的外部导管或软管124，设备10可提供有通过加湿器堆叠12的内部冷却剂通道。例如，密封通道可由加湿器板14中的各对准的开口形成，其中任选地导管被插入这些对准的开口中。
水分离器48包括第二进气开口66和第二出气开口68，两者都与内部水分离腔50流动的连通。第二进气开口66被形成在水分离器48的底壁52内，并且与加湿器堆叠12的第二出气管道30流动的连通并对准。第二出气开口68被形成在水分离器48的侧壁54中，并提供第二气流通过其朝向车辆的排气口离开AMD 10的出口。因此，在操作中，水分离器48直接从加湿器堆叠12的出气侧接收第二气流，其中第二气流流经第二进气开口66、流经水分离腔50并最后流经第二出气开口68以离开AMD 10。
水分离器48还提供有众多开口，这些开口不与冷凝物从第二气流的移除直接相关，并且这些开口准许水分离器用作供第一气流流动的管道。这些开口包括在侧壁54中的第一出气开口114、侧壁54中的外部的第二进气开口16(也见图6)、第一旁通开口76以及第二旁通开口78。这些附加开口的功能将在以下解释。
虽然附图中没有示出，但加湿器堆叠12、热交换器32、隔热板44和水分离器48通过机械装置联结在一起以形成集成的刚性结构。例如，这些组件可按在Vanderwees V12中描述的方式提供有外部的有孔法兰或提供有针对机械紧固件(诸如螺钉)的内部孔。替换地，AMD 10的各组件可通过包括金属、塑料、碳纤维或其组合的皮带保持在一起。
为了允许热胀冷缩以及由加湿器堆叠12中使用的材料的蠕变造成的固定，同时维持该集成结构的足够的压缩和刚度，机械紧固件或皮带可被配备有弹性元件，诸如弹簧、盘型弹簧等。还有可能在皮带内包括弹性组件或区域。弹性元件有助于在AMD 10的使用期内维持加湿器堆叠12上恒定的压缩力，由此在AMD 10的所有层和组件之间提供安全密封，同时维持加湿器堆叠12的压缩以及AMD 10的刚度。
此外，在热交换器32具有隔热板44或如在以上提到的国际公开No.WO 2012/104077中描述的聚合物基板的情况下，该板可提供有热交换器32通过其联结到加湿器堆叠12和水分离器的有孔法兰。将领会，这些组件的机械连接进一步降低了组成AMD 10的各组件之间(尤其是热交换器32和加湿器抵达12之间)的热收缩。
在某些操作条件下，期望第一气流绕开加湿器堆叠12。如图1所示，这导致第一气流直接从热交换器32流到燃料电池堆叠104的阴极102。为了提供进一步的成本和空间节省以及总体系统中的组件数目的降低，旁通也被引入AMD 10中。在这方面，AMD 10进一步包括旁通管线70，该旁通管线70具有与加湿器堆叠12中的第一进气管道24流动连通的第一端72以及与加湿器堆叠12的第一出气管道26流动连通的第二端74。
此外，如附图中所示出的，旁通管线70的第二端74和第一出气管道26两者都与水分离器48的侧壁54中的第一出气开口114流动连通。
因此，根据该布置，第一气流通过第一出气开口114离开AMD 10，而不管该第一气流绕开加湿器堆叠12还是流经加湿器堆叠12的第一气体流道16。由此，朝向燃料电池堆叠104流动的第一气流中的水分含量可根据特定操作条件使用旁通阀80来调整或改变。例如，可期望在燃料电池堆叠104很冷时(例如，在启动时)，使得阴极空气绕开加湿器12，以便避免水在堆叠104中的气体流道中的冷凝。同样，可期望在堆叠关闭期间采样旁通来帮助净化来自堆叠104的水，并避免水在电池堆叠104中冻结。
第一气体经过旁通管线70的流动由定位在旁通管线70中的旁通阀80控制。阀80可由一个或多个传感器电子地控制，以测量进入AMD 10的第一气流的湿度。旁通阀80可采样各种形式，并准许在第一气流朝向阴极102流动时调整并优化第一气流中的含水量。在其关闭位置中，阀80堵塞旁通管线70，并且在其打开位置中，阀80准许第一气流流经旁通管线，并且显著地规避加湿器堆叠12。此外，在旁通阀80为流量阀的情况下，AMD 10可实现第一气流的经加湿部分和干燥部分的不同混合比，以提供对馈送到燃料电池堆叠104的第一气流的良好控制的加湿。
图2中示出的阀80包括蝶形阀，该蝶形阀具有在其中央轴上可枢转地安装到阀杆140的可旋转阀元件138，该阀杆140可绕与通过旁通管线70的气流方向垂直的轴旋转。杆140的一端可从阀体突出以啮合驱动机制(未示出)。在图2中，示出了处于关闭位置的阀80，其中阀元件138阻塞了旁通管线70。阀元件138在任一方向旋转90度都将完全地打开旁通管线70以准许第一气流的旁流。将领会，阀80不一定是蝶形阀，而可以是任何类型的阀，诸如球形阀、片状阀、圆柱形阀或滑动阀。
在图2所示的实施例中，阀80被定位在旁通管线70的第二端74。然而，将领会，阀80的位置可改变。例如，阀80可被定位在旁通管线70的第一端72处或者第一端72和第二端74之间的任何点处。替换地，阀80可被纳入到水分离器48的主体(例如，水分离器48的内部开口76或78)中。
在旁通阀80打开的情况下，第一气体以加湿器堆叠12的第一出气管道26的方向直接从第一进气管道24流经旁通管70，第一气体通过第一出气开口114从该第一出气管道26离开AMD 10，并且仅第一气体中的小量气体流经加湿器堆叠12的第一气体流道16。因此，旁通管线70高效地准许第一气体绕开加湿器堆叠12并直接从热交换器32流到燃料电池堆叠104的阴极102而不会被加湿。
在旁通阀80被关闭的情况下，第一气体进入第一进气管道24、流经其被第二气体加湿的气体流道16、进入第一出气管道26并随后通过第一出气开口114离开AMD 10。
在图1到图5中示出的实施例中，旁通管线70被提供在AMD 10的水分离器48侧上加湿器堆叠12的第二端22处。由于水分离器48用作端板，它完全覆盖加湿器堆叠12的第二端22。因此，旁通管线70的第一端72通过水分离器48的第一旁通开口76以及形成在盖子64中的开口130与加湿器抵达12的第一进气管24流动连通，并且旁通管线70的第二端74类似地通过水分离器48的第二旁通开口78和盖子64中的开口132与第一出气管26流动连通，其还与水分离器48的侧壁54中的第一出气开口114流动连通。由此，旁通开口76、78提供通过水分离器48的主体的通道，并被隔离与水分离器48的水分离腔50流动连通。
不是在AMD 10的水分离器48侧处提供旁通管线70，将领会，旁通管线70可改为被提供在AMD的热交换器32侧。现在以下参考图7的分解图描述根据本发明的第二实施例的集成空气管理设备(AMD)200，其中相同的组件用相同的参考标记标识。
在图7中示出的AMD 200中，加湿器堆叠12与以上描述的AMD 10中的加湿器堆叠相同。旁通管线70和旁通阀80也与以上描述的那些相同，只是它们被定位在AMD 200的相对端处。在图7的实施例中，在旁通阀打开的情况下，旁通管线70的第一端72直接从热交换器32的第一出气开口40中接收第一气流，其中第一出气开口40在热交换器32的两侧上都打开，并可包括与多个所述第一气体流道连通的管道。该流通过旁通管线70一直到第二端74，其中旁通管线70与加湿器堆叠12中的第一出气管道26流动连通。在热交换器32和隔热板44基本上覆盖加湿器堆叠12的整个第一端20的情况下，热交换器32和隔热板44两者分别提供有通道134和136，以准许旁通管线70和第一出气管道26之间的流动连通。将领会，热交换器32的通道134不与热交换器32的至少一个第一气体流道或至少一个冷却剂流道连通。一旦第一气体流道通过加湿器堆叠12的第一出气管道26，该第一气体就以燃料电池堆叠104的阴极102的方向通过第一出气开口114离开AMD 10。
将领会，旁通管线70可被集成在水分离器48的结构中，例如被集成在水分离器48的加厚侧壁54或盖子64中，被集成在热交换器32的加厚端板中，或被集成在热交换器32和加湿器堆叠12之间的隔热板44中，该板包括气流和集成旁通阀80的通路。现在以下参考图9到图11描述可具有集成旁通管线70的AMD 10的各组件的各示例，其中相同的参考元件由相同的参考标记标识。
图9示出可被密封到根据本发明的AMD的任一端的端板150的一实施例，从而要么以图7的旁通管线的方式被密封到热交换器的远极面，要么取代图4中示出的水分离器48的盖子64而包括水分离器48的盖子。端板150包括较低表面，该较低表面包括开口130、132。开口130被定位在旁通管线70的第一端72，而开口132被定位在旁通管线70的第二端74。旁通阀80被定位在第一端72和第二端74之间的旁通管线70中，并可任选地包括蝶形阀，该蝶形阀包括可枢转地安装到阀杆140的可旋转阀元件138，阀杆140的至少一端可从端板150的表面突出。
在端板150取代水分离器48的盖子64的情况下，开口130被定位成使得与水分离器48的开口76流动连通，并且开口132将被定位成使得与水分离器48的开口78流动连通。在端板150被密封到热交换器32的远极面的情况下，开口130被定位成使得与热交换器32的开口40流动连通，同时开口132将被定位成使得与热交换器32的开口134流动连通。
图10示出稍微不同的端板152，其与端板150共享许多相同的元件。以上对这些元件的描述同等地适用于端板152，并且不将被重复。以下描述仅关注于端板152和端板150之间的差异。
不是蝶形旁通阀80，端板152包括以下旁通阀80：该旁通阀80具有容纳在端板152的圆柱形凹部156中的圆柱形阀元件154，并具有可被旋转成与旁通管线70对准以及被旋转成从旁通管线70偏离的中央通道158，如图10中的双向箭头所指示的。
图11示出将旁通管线70集成在根据本发明的AMD的组件中的又一可能性。在该实施例中，旁通管线70被集成到定位在加湿器堆叠12和热交换器32之间的隔热板160中。图11中的板160比AMD 10的板44厚，以包封旁通管线70。板160的典型厚度在10mm到70mm的范围中，例如在20mm和50mm之间。板160的增加的厚度可在隔热方面提供附加的优势。图11中的隔热板160的结构与以上描述的端板150、152的结构相似。在这方面，板60包括延伸通过那里(如图7的隔热板44中)的第一开口46和第二开口136。
然而，在隔热板160中，第一开口46与旁通管线70的第一端72流道连通，并且第二开口136与旁通管线的第二端74流道连通，旁通管线70被完全包封在隔热板160内。隔热板160的旁通阀80一般被示为被定位在旁通管线70的第一端72和第二端74之间。阀80可具有本文中描述的任何配置，并且也被包封在隔热板160内。
与图7中的隔热板40一样，隔热板160的第一开口46与热交换器32的开口40以及加湿器堆叠12的第一进气管道24流动连通。在旁通阀80被关闭的情况下，第一气流通过在热交换器32和加湿器堆叠12之间的第一开口46的流动被准许。
类似地，隔热板160的第二开口134在其底部表面被关闭，并且在其顶部表面与加湿器堆叠12的第一出气管道26流动连通。因此，在旁通阀80打开的情况下，第一气流通过旁通管线70并通过第二开口134进入加湿器堆叠12的流动被准许。
虽然本发明已参考其具体实施例被描述，但它不旨在限于此。相反，本发明旨在覆盖落入以下权利要求的范围的所有实施例。

Claims (56)

1.一种集成气体管理设备(GMD)，包括：
(a)气气加湿器核，包括：
一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道；
第一端和第二端；
与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及
与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中所述管道从所述第一端延伸通过所述加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
所述热交换器进一步包括第一出气开口，所述至少一个第一气体流道通过所述第一出气开口与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通；
其中所述热交换器和所述气气加湿器核之间不存在结构化端板。
2.一种集成气体管理设备(GMD)，包括：
(a)气气加湿器核，包括：
一个或多个第一气体流道及一个或多个第二气体流道；
第一端和第二端；
与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及
与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中所述管道从所述第一端延伸通过所述加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通；
其中所述水分离器和所述气气加湿器核之间不存在结构化端板。
3.一种集成气体管理设备(GMD)，包括：
(a)气气加湿器核，包括：
一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道；
第一端和第二端；
与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及
与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中所述管道从所述第一端延伸通过所述加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
所述热交换器进一步包括第一出气开口，所述至少一个第一气体流道通过所述第一出气开口与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通；以及
(c)附连到所述加湿器核的所述第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通；
其中述热交换器和所述气气加湿器核之间不存在结构化端板，并且所述水分离器和所述气气加湿器核之间也不存在结构化端板。
4.根据权利要求1和3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述热交换器的所述第一出气开口与所述加湿器的所述第一进气管道对准并与所述加湿器的所述第一进气管道流动连通。
5.根据权利要求2到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器的所述第二出气管道对准并与所述加湿器的所述第二出气管道流动连通。
6.根据权利要求1或3所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括在所述加湿器核和所述热交换器之间的隔热板。
7.根据权利要求6所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述隔热板包括塑料材料。
8.根据权利要求6所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述隔热板包括第一气体开口，通过所述第一气体开口，在所述热交换器的所述第一出气开口和所述加湿器的所述第一进气管道之间提供流动连通。
9.根据权利要求6所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述隔热板在所述加湿器核的所述第一端关闭所述第一出气管道、所述第二进气管道和所述第二出气管道。
10.根据权利要求1到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括旁通管线，所述旁通管线具有与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通的第一端以及与所述加湿器核的所述第一出气管道流动连通的第二端。
11.如权利要求10所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线被定位在所述加湿器核的所述第二端处。
12.根据权利要求10所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括在所述加湿器核和所述热交换器之间的隔热板，其中所述旁通管线与所述隔热板集成。
13.根据权利要求2到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括旁通管线，所述旁通管线具有与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通的第一端以及与所述加湿器核的所述第一出气管道流动连通的第二端，所述旁通管线被定位在所述加湿器核的所述第二端处，所述旁通管线通过提供在所述水分离器中的通道与所述加湿器核的第一进气和出气管道流动连通，通过所述水分离器的所述通道被隔离以避免与所述水分离器的所述水分离腔流动连通。
14.根据权利要求13所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线与所述水分离器集成。
15.根据权利要求14所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线与所述水分离器的盖子集成。
16.根据权利要求10所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线与所述热交换器集成。
17.根据权利要求10所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括提供在所述旁通管线中的旁通阀。
18.根据权利要求2或3所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器具有平坦底部表面，通过所述平坦底部表面，所述水分离器被机械地附连到所述加湿器核的所述第二端。
19.根据权利要求18所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器的所述底部表面具有四个开口，所述开口中的每一者与所述加湿器的管道之一对准，并且所述四个开口之一包括所述分离器的所述第二进气开口。
20.根据权利要求19所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器进一步包括所述水分离腔周围的侧壁，其中所述水分离器的所述第二出气开口被提供在所述侧壁内，并且其中所述侧壁还提供有用于将液态水从所述水分离腔中排出的排水开口，其中所述排水开口与所述水分离腔连通。
21.根据权利要求20所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，在所述水分离器被安装在车辆中时，所述排水开口被定位在所述侧壁的最低侧壁部分中。
22.根据权利要求21所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口被定位在所述最低侧壁部分的最低点中，并且其中所述侧壁部分的内表面被成形为向上离开该开口的斜面。
23.根据权利要求22所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述斜面相对于水平轴具有一角度，所述角度大于所述车辆在正常使用期间将经历的最大倾斜角。
24.根据权利要求23所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口被定位在所述开口中被定位在所述水分离器的相对角处的两个开口之间。
25.根据权利要求20所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口提供有用于选择性地打开和关闭所述排水开口的阀。
26.根据权利要求25所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口被定位成紧邻所述开口之一。
27.根据权利要求20所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述侧壁进一步包括与所述第二进气管道流动连通的第二进气开口以及与所述第一出气管道流动连通的第一出气开口。
28.根据权利要求3所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器包括与所述热交换器的至少一个冷却剂流道流动连通的冷却剂流道。
29.根据权利要求1到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核的交替的第一气体流道和第二气体流道被可渗透水蒸气的膜分隔开。
30.根据权利要求1或3所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述热交换器被机械地附连到所述加湿器。
31.根据权利要求3所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核被压缩在所述热交换器和所述水分离器之间。
32.根据权利要求1到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核是加湿器堆叠，所述加湿器堆叠包括被可渗透水蒸气的膜分隔开的加湿器板的堆叠。
33.根据权利要求1到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核包括导管束，所述导管中的每一者具有包括透水膜的导管壁。
34.根据权利要求1到3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括用于加热包含氢气的还原剂气流的还原剂气体加热器。
35.根据权利要求1或3之一所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括用于加热包含氢气的还原剂气流的还原剂气体加热器，所述还原剂气体加热器与所述热交换器集成，并且其中所述热交换器是进一步包括至少一个还原剂气体流道的三流道热交换器。
36.一种集成气体管理设备(GMD)，包括：
(a)气气加湿器核，包括：
一个或多个第一气体流道；
一个或多个第二气体流道；
第一端和第二端；
与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及
与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中所述管道从所述第一端延伸通过所述加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
所述热交换器进一步包括第一出气开口，所述至少一个第一气体流道通过所述第一出气开口与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通；以及
(c)附连到所述加湿器核的所述第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通；
其中所述水分离器具有平坦底部表面，通过所述平坦底部表面，所述水分离器被机械地附连到所述加湿器核的所述第二端；
其中所述水分离器的所述底部表面具有四个开口，所述开口中的每一者与所述加湿器的管道之一对准，并且所述四个开口之一包括所述分离器的所述第二进气开口；
其中所述水分离器进一步包括所述水分离腔周围的侧壁，其中所述水分离器的所述第二出气开口被提供在所述侧壁内，并且其中所述侧壁还提供有用于将液态水从所述水分离腔中排出的排水开口，其中所述排水开口与所述水分离腔连通；以及
其中在所述水分离器被定向成所述水分离器被安装在车辆中时将被定向成的那样的情况下，所述排水开口被定位在所述侧壁的最低侧壁部分中。
37.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述热交换器的所述第一出气开口与所述加湿器的所述第一进气管道对准并与所述加湿器的所述第一进气管道流动连通。
38.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器的所述第二出气管道对准并与所述加湿器的所述第二出气管道流动连通。
39.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括在所述加湿器核和所述热交换器之间的隔热板，其中所述隔热板包括塑料材料。
40.根据权利要求39所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述隔热板包括第一气体开口，通过所述第一气体开口，在所述热交换器的所述第一出气开口和所述加湿器的所述第一进气管道之间提供流动连通；以及
所述隔热板在所述加湿器核的所述第一端关闭所述第一出气管道、所述第二进气管道和所述第二出气管道。
41.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括旁通管线，所述旁通管线具有与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通的第一端以及与所述加湿器核的所述第一出气管道流动连通的第二端；并且其中所述旁通管线被定位在所述加湿器核的所述第二端处。
42.根据权利要求41所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括在所述加湿器核和所述热交换器之间的隔热板。
43.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括旁通管线，所述旁通管线具有与所述加湿器核的所述第一进气管道流动连通的第一端以及与所述加湿器核的所述第一出气管道流动连通的第二端；
所述旁通管线被定位在所述加湿器核的所述第二端处；
所述旁通管线通过提供在所述水分离器中的通道与所述加湿器核的第一进气和出气管道流动连通，通过所述水分离器的所述通道被隔离以避免与所述水分离器的所述水分离腔流动连通。
44.根据权利要求43所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线与所述水分离器集成。
45.根据权利要求44所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述旁通管线与所述水分离器的盖子集成。
46.根据权利要求41所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括提供在所述旁通管线中的旁通阀。
47.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口被定位在所述最低侧壁部分的最低点中；
其中所述侧壁部分的内表面被成形为向上离开该开口的斜面；以及
所述斜面相对于水平轴具有一角度，所述角度大于所述车辆在正常使用期间将经历的最大倾斜角。
48.根据权利要求47所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口被定位在所述开口中被定位在所述水分离器的相对角处的两个开口之间，并且其中所述排水开口被定位成紧邻所述开口之一。
49.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述排水开口提供有用于选择性地打开和关闭所述排水开口的阀。
50.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述侧壁进一步包括与所述第二进气管道流动连通的第二进气开口以及与所述第一出气管道流动连通的第一出气开口。
51.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述水分离器包括与所述热交换器的至少一个冷却剂流道流动连通的冷却剂流道。
52.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核被压缩在所述热交换器和所述水分离器之间。
53.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核是加湿器堆叠，所述加湿器堆叠包括被可渗透水蒸气的膜分隔开的加湿器板的堆叠。
54.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，所述加湿器核包括导管束，所述导管中的每一者具有包括透水膜的导管壁。
55.根据权利要求36所述的集成气体管理设备(GMD)，其特征在于，进一步包括用于加热包含氢气的还原剂气流的阳极气体加热器；
所述阳极气体加热器与所述热交换器集成，并且其中所述热交换器是进一步包括至少一个还原剂气体流道的三流道热交换器。
56.一种集成气体管理设备(GMD)，包括：
(a)气气加湿器核，包括：
一个或多个第一气体流道；
一个或多个第二气体流道；
第一端和第二端；
与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及
与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
其中所述管道从所述第一端延伸通过所述加湿器核到所述第二端；以及
(b)附连到所述加湿器核的所述第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的所述第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通；
其中所述水分离器具有平坦底部表面，通过所述平坦底部表面，所述水分离器被机械地附连到所述加湿器核的所述第二端；
其中所述水分离器的所述底部表面具有四个开口，所述开口中的每一者与所述加湿器的管道之一对准，并且所述四个开口之一包括所述分离器的所述第二进气开口；
其中所述水分离器进一步包括所述水分离腔周围的侧壁，其中所述水分离器的所述第二出气开口被提供在所述侧壁内，并且其中所述侧壁还提供有用于将液态水从所述水分离腔中排出的排水开口，其中所述排水开口与所述水分离腔连通；以及
其中在所述水分离器被定向成所述水分离器被安装在车辆中时将被定向成的那样的情况下，所述排水开口被定位在所述侧壁的最低侧壁部分中。
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