JP6330059B2 - 燃料電池スタックの排ガスを処理するための処理装置、燃料電池システム、及び燃料電池システムを有する車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料電池スタックの排ガスを処理するための処理装置に関する。本処理装置は、燃料電池スタック内に導入され得る媒体を加湿するために排ガスを活用するように適合されている、加湿器を含む。更に、排ガス中の液体水の含有量を低減する働きをする水分離器が設けられる。加湿器及び水分離器は、共通の構造ユニット内に統合されている。更に、本発明は、そのような処理装置を有する燃料電池システム、及び燃料電池システムを有する車両に関する。

特許文献１は、中空糸膜式加湿器が燃料電池の上流に配置される燃料電池システムについて記載している。燃料電池の排ガスは、加湿媒体として、加湿器へと供給される。中空糸膜式加湿器及びその下流の蒸気／液体分離器は、燃料電池の出口管における圧力損失を減少させるように、統合され得る。

特許文献２は、燃料電池システムのための加湿器について記載している。ここでは、水分離器もまた、乾燥剤を有する管を受容するハウジング内に配置される。湿潤媒体は、乾燥剤を格納する管の間の隙間を通って流れ、これによって湿気が吸収される。蓄積された湿気は次いで、別の媒体によって吸収され、これもまた加湿器を通って流れる。加湿の働きをする媒体は、液体水の液滴がそれから分離するように、管の間の隙間を通って流れた後に、タービュレータを用いて回転運動をするように設定される。収集された液体水は、出口を介して、加湿器のハウジングから排出される。

ＤＥ １０１ １０ ４１９ Ａ１ ＵＳ ２００５／００４５０４３ Ａ１

排ガスを処理するためのそのような処理装置は、比較的大きなスペースと、相当な数の構成要素とを必要とする。
したがって、本発明の目的は、設置スペースに対する要件が特に少ない、最初に言及した種類の処理装置、そのような処理装置を有する燃料電池システム、ならびにそのような燃料電池システムを有する車両を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する処理装置、請求項９の特徴を有する燃料電池システム、及び請求項１０の特徴を有する車両によって解決される。本発明の便宜的な進展を伴う有利な構成は、従属請求項において特定される。

本発明による処理装置において、加湿器の流出領域は、加湿器の流入領域の通過可能な断面積よりも大きい、排ガスが通過可能な断面積を有する。更に、構造ユニットにおいて、流出領域を退出する際に分離される液体水用の少なくとも１つの収集領域が設けられる。これは、湿気を輸送する働きをする、加湿器の領域内の通過可能な断面積を拡大することによって、排ガスの流れの減速が達成されることへの認識に基づく。これが、特に高いランレングスを必要とすることなく、液体の確実な分離を結果としてもたらす。

したがって、増加する通過可能な断面積と関連付けられる、加湿器の幾何学形状によって、加湿器内において減速された流れが存在するという状況が活用される。流出領域において、排ガスは、そこと関連付けられる非常に低い流速を有し、良好に分散された様式で、比較的大面積で退出する。この排ガスの流速の減速によって、特に効率的な液体水の分離が流出領域において達成され得る。

したがって、流出領域における排ガスの低い退出速度は、この場所で、ならびに処理装置の直後において液体水の分離を実行するために活用される。

しかしながら、流入領域から流出領域までの工程内においても、かつ／または流入領域自体の内部においても、液体水の効率的な分離が、重力の補助によって、ならびに密度差に起因して達成可能である。すなわち、液体水の分離は、排ガスが加湿器の流入領域から流出領域へと向かって流れている間に既に起こっている。

このように水分離器の機能が加湿器に統合されているため、本設置スペースは特に効率的に活用され、特に大きな設置スペースが、構造ユニット内における加湿器及び水分離器の連続的配置と比較して、節約することができる。これはまた、さもなければ水分離のために設けられねばならなかった構成要素の節約とも関連付けられる。したがって、これらの構成要素と関連付けられる費用もまた、低減することができる。

有利な構成において、流入領域は、排ガスが半径方向に通過できる、中空糸膜のバンドル内に配置されるチャネルとして形成される。ここでは、流出領域はバンドルの外側によって構成される。そして、排ガスは、チャネルから好ましくは実質的に円筒形のバンドルの外側に向かって流れ、それによって比較的多量の液体水がバンドルの内部で既に分離できる。加えて、液体水の分離は、チャネル自体で、ならびに特にチャネルからバンドルを構成する中空糸膜の領域への移行において、既に起こっている。

チャネルがバンドルの中心に配置される場合に、特に均一な低い流速、及びバンドルの外側でそれを退出する排ガスの特に良好な分散が達成可能である。これもまた、液体水の分離に貢献する。

液体水用の少なくとも１つの収集領域と連通する隙間が、バンドルの外側と、構造ユニットのハウジング壁との間に設けられる場合、更に有利であることが証明されている。この隙間を介して、少なくとも概ね液体水を含まない排ガスが、一方では処理装置から特に妨げられることなく排出され得る。したがって、他方では、排ガスから分離された液体水が、単純かつプロセスの見地からは安定な様式で、液体水用の収集領域に到達し得る。これが、処理装置の機能性を向上させる。更に、液体水の分離が、隙間の境界を形成する構造ユニットのハウジング壁において起こる。

好ましくは、一方でバンドルの外側に隣接し、他方でハウジング壁に隣接する、複数のウェブが設けられる。そのようなウェブはバンドルを外側から支持し、それによって安定性を確保し、特にバンドルの寸法安定性を確保する。加えて、隙間のサイズを、ウェブの高さで良好に調節することができる。

上述の機能を特に良好に満たすために、ウェブを、バンドルの円周方向において互いに均一に離間して隙間内に配置することが、特に設けられ得る。

更に、チャネルを包囲するバンドルの中空糸膜を支持する支持構造体が設けられる場合に、バンドルの安定性に貢献する。それによって、通過可能な所望の断面積を有する流入領域としてのチャネルの機能もまた、単純かつ永続的に確保され得る。

支持構造体がコイルスプリングの様式で形成される場合に、排ガスが外周側で中空糸膜の周囲を流れる、チャネルからバンドルへの排ガスの特に妨げられない移行が達成可能である。

更に、バンドルが実質的に円筒形に形成され、構造ユニットのハウジングの少なくとも底部が少なくとも１つの角領域を有し、これによって液体水用の少なくとも１つの収集領域が構成される場合が有利である。少なくとも下部における、構造ユニットの角のある、特に長方形の様式での形成は、燃料電池システムにおけるその製造及びその配置を容易にする。加えて、さもなくば円筒形のバンドルにおいては使用されない角領域が、ここでは特に良好に、すなわち液体水を収集するために活用され得る。したがって、液体水は、中空糸膜のバンドルを通る排ガスの流れを妨げない。

２つのバンドルが構造ユニットのハウジング内に配置される場合、排ガス経路における特に低い圧力損失が達成可能である。すなわち、両方のバンドルの中空糸膜に対応する、いくつかの中空糸膜を有する単一のバンドルを提供するよりも、２つのバンドルそれぞれで、必要とされる流入領域から流出領域への経路はより短くて済む。

加えて、処理装置のそのような構成においては、液体水用の少なくとも１つの収集領域は、２つのバンドルの間に設けられるハウジングの底部の凹部内に形成することができる。したがって、２つのバンドルの間のスペースもまた、良好に、すなわち分離された液体水を収集するために活用できる。これは特に、例えば円筒形のバンドルが対称性に配置される場合、及び／または凹部がＶ字型に形成される場合にあてはまる。

構造ユニットのハウジング内に２つのバンドルを収容することで、２つのバンドルと、ハウジングの天井領域との間のスペースに、排ガス用の、少なくとも概ね液体水を含まない、少なくとも１つの更なる収集領域が設けられ得る。したがって、２つの好ましくは円筒形のバンドルの間の、この上部の隙間は、乾燥した排ガス用の流出領域として使用できる。

最後に、２つのバンドルを互いに離間して保持する、保持構造体が設けられる場合、有利であることが証明されている。すなわち、２つのバンドルの間のスペースは、液体水を収集するため、ならびに少なくとも概ね液体水を含まない乾燥した排ガスを収集するために特に良好に使用できる。

そのような保持構造体は、少なくともある特定の領域にそれぞれのバンドルを取り囲む少なくとも１つの補強要素を有し得る。そして、この保持構造体は、バンドルの安定な保持、及びその寸法安定性を確保する。

特に車両において採用できる、本発明による燃料電池システムは、本発明による処理装置を含む。ここでは、燃料電池スタックのカソードの排ガスは、好ましくは、燃料電池スタックのカソードへと導入され得る酸化剤を加湿するために、加湿器において使用することができる。更に、少なくとも概ね液体水を含まない排ガスが、ラインを介して、燃料電池システムの排ガスターボチャージャーのタービンへと供給される場合が有利である。乾燥した排ガスがタービンに供給されるという点において、タービンは損傷を受けず、特にタービンの凍結が有効に防止される。

そのような燃料電池システムは、特に車両の燃料電池システムにとっては通常である、複数の更なる構成要素を含み得るが、それらについてはここで詳細に説明する必要はない。

本発明による車両は、本発明による燃料電池システムを含む。

本発明による処理装置に関して記載される利点及び好ましい実施形態はまた、本発明による燃料電池システム及び本発明による車両に対しても当てはまる。

説明において上述された特徴及び特徴の組み合わせ、ならびに下の図の説明において言及され、かつ／あるいは図単独で示される特徴及び特徴の組み合わせは、それぞれに特定された組み合わせでのみ使用可能であるだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせで、あるいは単独で使用可能である。したがって、明確に図に示されていない、あるいは説明されていないが、説明された実装形態の別個の特徴の組み合わせから生じ、生み出すことができる実装形態もまた、本発明によって包括され、開示されているものとみなされるべきである。

本発明の更なる利点、特徴、及び詳細は、特許請求の範囲、以下の好ましい実施形態の説明から、ならびに図面に基づいて、明白である。

車両用の燃料電池システムの中空糸加湿器の部分断面図が示され、ここでは中空糸加湿器は同時に水分離器として形成されている。

車両の燃料電池システム１０において、燃料電池反応のために提供される酸化剤を加湿する働きをする、加湿器１２が図に示されている。この酸化剤は、例えば酸素または空気であってもよい。加湿された空気は加湿器１２を退出し、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１６のカソード１４に供給される。燃料電池スタック１６のアノード１８は、燃料電池スタック１６で起こる燃料電池反応のための燃料として、水素を供給され得る。ここでは、燃料電池反応において形成される生成水を含有する、カソード１４の排ガスは、湿潤剤として加湿器１２へと供給される。対応する排ガスライン２０が、図において概略的に示される。

加湿器１２においては、排ガスからの液体水の分離が同時に起こる。したがって、加湿器１２及び水分離器は、共通の構造ユニット内に統合されており、ここでは供給空気の加湿及び排ガスからの液体水の除去の両方が、共通のハウジング２２内で起こっている。

ここでは、加湿器１２のハウジング２２内に、複数の中空糸膜を含む２つのファイバーバンドル２４が配置されている。それぞれのファイバーバンドル２４の中心には、チャネル２６の形態である流入領域が設けられており、これを介して、カソード１４の湿潤排ガスが、それぞれのファイバーバンドル２４内に入る。それぞれのチャネル２６を包囲する個々の中空糸は、それぞれのチャネル２６に対して平行に配向される。加湿される供給空気はこれらの中空糸を通って流れ、その後、加湿器１２から燃料電池スタック１６のカソード１４へと送られる。

カソード１４の排ガスは、加湿器１２内を、それぞれのチャネル２６から、半径方向に、好ましくは円筒形に形成されたそれぞれのファイバーバンドル２４の外側２８に向けて流れる。流出領域は、それぞれのファイバーバンドル２４のこの外側２８によって提供され、ここでは、排ガスの流速は減速され、排ガスは大面積に良好に分散されて、それぞれのファイバーバンドル２４を退出する。

排ガスの流速の減速は、それぞれのチャネル２６の外側面に対応する、チャネル２６において利用できる通過可能な断面積が、外側２８の領域において利用できる通過可能な断面積よりも小さいことから引き起こされる。チャネル２６から外側２８への経路における通過可能な断面積の増加が、流速の低減を結果としてもたらす。

流速の減速に起因して、液体水が、それぞれのファイバーバンドル２４の外側２８において分離される。したがって、それぞれのファイバーバンドル２４からの低い退出速度が、液体水の分離を直接続いて実行するために使用される。

チャネル２６によって構成される流入領域から外側２８へ向かって半径方向に流れる排ガスの方向は、図において矢印３０によって図示される。チャネル２６から外側２８へ向かう経路において、湿潤排ガスは、中空糸膜の周囲を流れ、これによって供給空気は加湿された流れとなる。ここで、供給空気の加湿が起こる。加えて、チャネル２６から外側２８へと向って流れる途中で、水もまた分離される。

ファイバーバンドル２４を通って長手方向に延在する管の様式で形成されるチャネル２６においても、液体水の分離が既に起こっている。分離された液体水が、重力に起因して、ならびに排ガスのガス状構成成分に関する密度差に起因して移動する好ましい方向が、図では、それぞれのファイバーバンドル２４において更なる矢印３９によって図示されている。

それぞれのファイバーバンドル２４の中空糸膜は加湿される供給空気がチャネル２６の軸方向に通過できるのに対して、それぞれのチャネル２６は末端側で閉鎖しているという点から、チャネル２６からの排ガスの放射退出が達成される。すなわち、チャネル２６の軸端においては、それぞれのファイバーバンドル２４の個々の中空糸膜は、好ましくは成形化合物によって形成される、チャネル２６を閉鎖する末端プレートを貫通する。

それぞれのファイバーバンドル２４の外側２８において分離された液体水は、ハウジング２２のハウジング壁３４と、それぞれのファイバーバンドル２４の外側２８との間に形成される隙間３２から、液体水の収集領域３６へと入る。ここでは、収集領域３６は、ハウジング２２の底部３８におけるＶ字型の凹部として形成されている。この溝型の凹部は、ハウジング２２内に対称性に配置された２つのファイバーバンドル２４の間で、中心に配置される。液体水は、収集領域３６から、出口（ここでは図示せず）を介して排出することができる。

ここで、ハウジング２２は、上部領域においては、互いに隣接して配置される円筒形のファイバーバンドル２４の輪郭に適合されているが、ハウジング２２の底部側の部分的領域は、直方体型に形成されている。しかしながら、ここでは、直方体型の部分的領域を有するハウジング２２内に、１つまたは２つの円筒形のファイバーバンドル２４を収容することで生まれる、さもなくば使用されない角領域を、分離した液体水を収集するために使用することができる。

ここではまた、ファイバーバンドル２４の上部部分的領域と、ハウジング２２の天井領域４２とによって境界が形成される、ハウジング２２内のスペース４０も、すなわち乾燥した排ガスを排出するために使用され、したがってこの排ガスから、液体水が少なくとも概ね分離される。このスペース４０によって提供される上部収集領域から、その後、乾燥した排ガスは排ガスターボチャージャーのタービン４４に向かって流れ、その圧縮機ホイールが加湿器１２に供給される供給空気を圧縮するが、ここではその様式はより詳細には示さない。

各ファイバーバンドル２４において、好ましくは、それぞれのチャネル２６の良好な寸法安定性を確保する支持構造体が提供される。この支持構造体は、コイルスプリング４６として形成されてもよい。ここでは、コイルスプリング４６は、チャネル２６を直に包囲する中空糸膜に隣接する。

ここでは、それぞれのチャネル２６の軸方向に延在するウェブ４８が、隙間３２を中空に保ち、それによって乾燥した排ガスがそこを良好に通過できることが確保される。ウェブ４８は、それぞれのファイバーバンドル２４の外側２８に配置される。

更に、２つのファイバーバンドル２４の間に、２つのファイバーバンドル２４を互いに離間して保持する、保持構造体５０が設けられる。この保持構造体５０は追加的にリブ５２を有し、このリブ５２は、円周方向において少なくともある程度それぞれのファイバーバンドル２４を取り囲み、したがってそれぞれのファイバーバンドル２４を補強する働きをする。ここでは、リブ５２は、それぞれのチャネル２６の軸方向において、互いに均一に離間している。対応する様式で、ウェブ４８は、円周方向において互いに均一に離間して、それぞれのファイバーバンドル２４の外側２８に配置されている。

代替的実施形態においては、単一のファイバーバンドル２４がハウジング内に配置され、その角領域が、分離した液体水の収集及び乾燥した排ガスの排出のために使用され得る。

加えて、統合された水分離器を有する、図に示される加湿器１２の様式で形成される中空糸加湿器によって、燃料電池スタック１６へと供給される燃料もまた加湿できる。

１０ 燃料電池システム
１２ 加湿器
１４ カソード
１６ 燃料電池スタック
１８ アノード
２０ 排ガスライン
２２ ハウジング
２４ ファイバーバンドル
２６ チャネル
２８ 外側
３０ 矢印
３２ 隙間
３４ ハウジング壁
３６ 収集領域
３９ 矢印
３８ 底部
４０ スペース
４２ 天井領域
４４ タービン
４６ コイルスプリング
４８ ウェブ
５０ 保持構造体
５２ リブ

Claims (9)

1. 燃料電池システム（１０）の燃料電池スタック（１６）の排ガスを処理するための処理装置であって、前記燃料電池スタック（１６）内に導入され得る媒体を加湿するために前記排ガスを使用することができる加湿器（１２）と、前記排ガス中の液体水の含有量を低減するための水分離器とを含み、前記加湿器（１２）及び前記水分離器が共通の構造ユニット内に統合されている、処理装置において、
   前記加湿器（１２）の流出領域（２８）が、前記加湿器（１２）の流入領域（２６）の通過可能な断面積よりも大きい、通過可能な断面積を有し、前記流出領域（２８）を退出する際に分離される前記液体水用の少なくとも１つの収集領域（３６）が、前記構造ユニット内に設けられること、および
   前記流入領域（２６）が、前記排ガスが半径方向に通過できる、実質的に円筒形の中空糸膜のバンドル（２４）内、中心に配置されるチャネルとして形成され、前記流出領域（２８）が前記バンドル（２４）の外側によって構成されることを特徴とする、処理装置。
2. 前記バンドル（２４）の前記外側と、前記構造ユニットのハウジング壁（３４）との間に、前記液体水用の前記少なくとも１つの収集領域（３６）と連通する隙間（３２）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
3. 一方で前記バンドル（２４）の前記外側に隣接し、他方で前記ハウジング壁（３４）に隣接する、前記バンドル（２４）の円周方向において、互いに均一に離間する複数のウェブ（４８）、及び／または前記チャネルを包囲する前記バンドル（２４）の前記中空糸膜用のコイルスプリング（４６）として形成される支持構造体を特徴とする、請求項２に記載の処理装置。
4. 前記バンドル（２４）が実質的に円筒形に形成され、前記構造ユニットのハウジング（２２）の少なくとも底部が少なくとも１つの角領域を有し、これによって前記液体水用の前記少なくとも１つの収集領域（３６）が構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の処理装置。
5. ２つの対称性に配置されるバンドル（２４）が前記構造ユニットのハウジング（２２）内に配置され、前記液体水用の前記少なくとも１つの収集領域（３６）が、前記２つのバンドル（２４）の間に設けられる前記ハウジング（２２）の底部（３８）のＶ字型の凹部内に形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の処理装置。
6. 前記排ガス用の、少なくとも概ね液体水を含まない、少なくとも１つの更なる収集領域が、前記２つのバンドル（２４）と、前記ハウジング（２２）の天井領域（４２）との間のスペース（４０）に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の処理装置。
7. 前記２つのバンドル（２４）を互いに離間して保持し、少なくともある特定の領域に前記それぞれのバンドル（２４）を取り囲む少なくとも１つの補強要素（５２）を有する、保持構造体（５０）を特徴とする、請求項５または６に記載の処理装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の処理装置を含む、車両用の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック（１６）のカソード（１４）の前記排ガスが、前記燃料電池スタック（１６）の前記カソード（１４）へと導入され得る酸化剤を加湿するために、前記加湿器（１２）において使用することができ、少なくとも概ね液体水を含まない前記排ガスが、前記燃料電池システム（１０）の排ガスターボチャージャーのタービン（４４）へと供給され得る、燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システム（１０）を有する、車両。

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