JP7360468B2 - 気体状の媒体を圧送するための、燃料電池システムのアノード回路のための圧送ユニット、および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、特に燃料電池駆動部を有する車両で適用するために意図される、気体状の媒体を、特に水素を圧送するための、燃料電池システムのアノード回路のための圧送ユニットに関する。さらに本発明は、このような圧送ユニットを有する燃料電池システムに関する。

車両分野では液体燃料のほか、気体状の燃料もいっそう大きな役割を将来的に果たすことになる。特に燃料電池駆動部を有する車両では、水素ガス流が制御されなければならない。その際にガス流は、液体燃料を噴射する場合のように不連続的に制御されるのではなく、少なくとも１つの高圧タンクからガスが取り出され、中圧配管システムの供給流配管を介して圧送ユニットへ案内される。この圧送ユニットが、低圧配管システムの接続配管を介してガスを燃料電池へと案内する。

特許文献１より、再循環ファンと、圧力のもとにある気体状の媒体のドライブジェットによって駆動されるジェットポンプとを有する、気体状の媒体を圧送および／または再循環させるための、燃料電池システムのための圧送ユニットが公知であり、燃料電池のアノード出力部が圧送ユニットの入力部と流体接続され、圧送ユニットの出力部が燃料電池のアノード入力部と流体接続される。

特許文献２より、圧力のもとにある気体状の媒体が調量弁によってジェットポンプに供給される、気体状の媒体を圧送および／または再循環させるための燃料電池システムが公知である。

特許文献１から公知の圧送ユニット、および特許文献２から公知の燃料電池システムは、それぞれ一定の欠点を有する。その場合、圧送ユニットの各コンポーネントは、特に再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁は、管路の形態の、および場合により内側に位置するチャネルを有する追加の分配プレートの形態の流体接続によって相互に、および／または燃料電池と、少なくとも部分的に接続される。このとき各コンポーネントは少なくとも部分的に、管路により互いに接続された別個のモジュールとして存在する。このとき一方では、多数の流動進路変更およびこれに伴う流動損失が、特に空間の３つすべての次元で生じる。そのために圧送ユニットの効率が低下する。さらに、管路による圧送ユニットの各コンポーネントの接続は、管路が圧送ユニットの耐用寿命を通じて、特に温度変化が激しい場合に、特に溶接および／または溶着された管路での密閉性の問題につながり得るという意味から不都合である。他方では、少なくとも部分的に別個のモジュールとして個々のコンポーネントが配置されることで、これらが全体として、設計スペースおよび／または幾何学的な容積に対して広い表面を形成するという欠点が生じる。そのため、特に車両全体の停車時間が長い場合に、各コンポーネントすなわち再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁の急速な冷却が促進され、このことはアイスブリッジの形成の増加、およびこれに伴う各コンポーネントおよび／または燃料電池システム全体の損傷の増加につながる可能性があり、このことは、ひいては圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの信頼性および／または耐用寿命の低下につながる可能性がある。さらに別の欠点は、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムおよび／または車両全体のコールドスタート特性の低下にある。特に摂氏０°を下回る温度のとき、生じている可能性があるアイスブリッジを取り除くために、加熱エネルギーおよび／または熱エネルギーが各コンポーネントすなわち再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁へそれぞれ個別に注入されなければならないからである。

ドイツ特許第１０２０１１１０５７１０Ｂ４号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２０１４１０５９９５Ａ１号明細書

本発明によると、気体状の媒体を、特に水素を圧送および／または再循環させるための燃料電池システムのための圧送ユニットが提案され、以下において水素をＨ_２と呼ぶ。さらに本発明は、このような圧送ユニットを有する燃料電池システムに関する。このとき圧送ユニットは少なくとも１つの再循環ファンを含み、圧送ユニットは少なくとも１つの接続配管によってアノード領域の出力部と少なくとも間接的に流体接続され、圧送ユニットは別の接続配管によってアノード領域の入力部と流体接続される。

請求項１に関して圧送ユニットは、圧送ユニットがコンポーネントすなわち再循環ファンに追加して別のコンポーネントとしてジェットポンプおよび調量弁を有するように構成され、気体状の媒体のための各コンポーネントの流動輪郭、ならびに／または各コンポーネントすなわち再循環ファン、ジェットポンプ、および調量弁は、少なくともほぼ完全に共通のハウジングの中に配置される。このようにして、直接的で可能な限り短い流動配管が圧送ユニットの各コンポーネントの間で成立し、特に、再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁の間で成立するという利点を得ることができる。さらに、圧送ユニット内での気体状の媒体の流動進路変更および／または流動方向の変化の回数を、可能な限り少ない回数に減らすことができる。各コンポーネントが共通のハウジングの中で、およびそれに伴って短い相互の距離で、位置決めされるからである。このとき各コンポーネントすなわち再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁の流入開口部と流出開口部は互いに共通のハウジングの中で、流動接続部の可能な限り短い長さと可能な限り少ない流動進路変更とが各コンポーネントの間で生じるように相互に配置される。このとき流動輪郭は少なくともほぼ完全に共通のハウジングの中にあり、外部の管路および／または外部の分配プレートを少なくともほぼ完全に省略することができる。このように、一方では非密閉の管路系統に基づく非密閉性を減らすことができ、このことは圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの故障確率を低減する。他方では、このようにして圧送ユニットおよび／または燃料電池システムでの摩擦損失およびまたは流動損失を減らすことができ、それにより、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの効率を改善することができる。

さらに、各コンポーネントの流動輪郭および／または各コンポーネントが少なくともほぼ完全に共通のハウジングの中に配置されることで、特に各コンポーネントすなわち再循環ファン、ジェットポンプ、および調量弁を含む圧送ユニットの総表面積を、設計スペースおよび／または幾何学的な容積に対して縮小することができるという利点がある。このようにして、特に車両全体の停車時間が長い場合に、各コンポーネントすなわち再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁の急速な冷却が防止されるという利点を得ることができ、このことは、アイスブリッジの形成の低減および／または回避につながる。その際には、各コンポーネントすなわち再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁が作動時に、たとえば電気式のアクチュエータおよび／または磁気式のアクチュエータによって熱を生成するという現象が利用されるという利点があり、共通のハウジングの中のすべてのコンポーネントの冷却を回避するためにこのような熱を利用することができる。さらに、共通のハウジングの中に各コンポーネントが配置されることにより、圧送ユニットの全体として縮小された容積のもとで、特に車両全体の停車時間が長いときに、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの改善されたコールドスタート能力を実現することができる。共通のハウジングを加熱するために少ない質量しか加熱しなくてよく、個々のコンポーネントの既存の熱を利用できるからである。さらにはその際に、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの故障確率を低減することができ、耐用寿命を伸ばすことができる。

従属請求項に記載の方策により、請求項１に記載の圧送デバイスの好ましい発展例が可能である。従属請求項は、本発明の好ましい発展例に関する。

好ましい実施形態では、再循環ファンは、圧縮機ホイールの回転軸に対して回転対称に延びる周回する外側の仕切りリングを有する圧縮機ホイールを有し、回転軸と反対を向くほうの圧縮機ホイールの側には圧送ユニットのハウジングの中に少なくとも部分的にカプセル封じされた分離室および／または排出通路がある。さらに、成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２が気体状の媒体から再循環ファンで分離され、この分離は特に遠心原理によって再循環ファンで行われる。このようにして一方では、少なくとも１つのサイドチャネルおよび／または圧送セルの少なくとも部分的なカプセル封じがハウジング内の外側領域に対して、特に分離室に対して行われるという利点を得ることができる。そのようにして、再循環ファンおよびそれに伴って圧送ユニットの効率を改善することができる。他方では、重い成分を再循環ファンの圧縮機室から、特に圧縮機ホイールの外側の仕切りリングとハウジングとの間にある分離室へと排出することができ、ならびに／またはさらにそこから再循環ファンのハウジングおよび燃料電池システムの外へ排出できるという利点を得ることができる。このことは、再循環ファンおよび／または燃料電池システムの効率の向上を耐用寿命全体を通じて維持できるという利点を提供する。気体状の媒体中のＨ_２の割合および／または濃度を高めることができ、それに対して気体状の媒体中の重い成分の、特にＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の割合および／または濃度を下げることができるからである。さらに、圧縮機室の領域から重い成分が導出されることで、燃料電池システムがオフになった状態のときに低い周囲温度のもとで、特に圧縮機ホイールなどの可動部品とハウジングとの間にいわゆるアイスブリッジが形成されるのが防止されるという利点が得られる。このようなアイスブリッジは燃料電池システムの、特に再循環ファンの始動を困難にし、または完全に妨げることになる。このように再循環ファンの本発明に基づく構成により、再循環ファンおよび／または駆動部の、特に電気式の駆動部の回転部品の、アイスブリッジ形成に基づく損傷を防止することができる。このことは、燃料電池システムおよび／または車両のいっそう高い信頼性につながる。重い成分を導出するために遠心原理が利用されることで、各成分すなわちＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２をほぼ完全に媒体から、特にＨ_２から分離することができるように、分離プロセスが改善されるという利点を得ることができる。それにより、可能な限り高い割合のＨ_２が燃料電池へ還流することを保証することができ、それによって一方では燃料電池の効率および／または出力を高めることができる。さらに、各成分すなわちＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２を成分Ｈ_２から分離するために、特に燃料電池システムおよび／または上位システムである車両から追加のエネルギーを提供しなくてよく、および／またはわずかな量のエネルギーしか提供しなくてよいという利点を得ることができる。このように、再循環ファンによる分離プロセスの最善の効率を遠心原理によって惹起できるようにするために、特に運動エネルギーであるエネルギーを媒体へさらに導入することが必要なくなる。それにより燃料電池の効率を高めることができ、動作コストを削減することができる。

圧送ユニットの好ましい構成では、再循環ファンとジェットポンプは、再循環ファンの圧縮機ホイールの回転軸がジェットポンプの長軸に対して少なくとも近似的に垂直に延びるように、共通のハウジングの中で相互に配置される。さらに、再循環ファンのガス吐出開口部がジェットポンプの第１の流入部および／または吸込領域へと直接的に移行し、統合された流動通路を形成する。さらに、統合された流動通路は共通のハウジングの内部で湾曲部を形成することができ、再循環ファンとジェットポンプとの間での気体状の媒体の進路変更および／または流動案内は湾曲部の領域でのみ行われる。このことは、流動配管の長さおよび／または流動進路変更の回数に基づく圧送ユニット内部での流動損失および／または圧力損失を低減できるという利点を提供する。さらに、再循環ファンとジェットポンプにおける流動案内が平行な平面に延びるという利点があり、気体状の媒体が特に再循環ファンでスワール流のエネルギーによって付勢される再循環ファンからの流出のときに、気体状の媒体が湾曲部の領域を経由して、好ましくは運動量移転および／またジェットポンプ効果を当該領域および／またはジェットポンプの混合管の領域で改善することができるようにジェットポンプの吸込領域へ導入されることによって、この好ましい効果を向上させることができる。さらに、気体状の媒体の流動進路変更がいっそう少なくなり、それによって圧送ユニット内部での流動損失をいっそう減らすことができる。このとき、湾曲部の領域での統合された流動通路の幾何学的な成形は、摩擦を低減するように設計される。それにより、特に燃料電池システムのほぼすべての動作点および／または圧力状況のもとで、圧送ユニットの効率を改善することができ、圧送ユニットを作動させるためのエネルギーコストを削減することができる。さらに、各コンポーネントすなわち再循環ファンおよびジェットポンプの相互の配置によって、圧送ユニットのコンパクトな設計形態を惹起することができ、その結果、圧送ユニットが特に車両全体の中でいっそう少ない設計スペースしか必要としないという利点を得ることができる。

さらに、圧送ユニットの本発明に基づく実施形態により、圧送ユニットの組立のためのコンポーネントの必要数を減らすことができ、このことは、ひいては圧送ユニットのコスト削減につながる。さらに、互いにアライメント不良がある圧送ユニットの各コンポーネントに基づく組立不良の確率が低減され、このことは、ひいては作動時に圧送ユニットの故障確率を低減する。

燃料電池システムの特別に好ましい実施形態では、気体状の媒体からの成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２の分離はアノード回路で再循環ファンおよび／または分離器によって行われる。それにより、重い成分であるＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の早期かつ迅速な分離を惹起できることを保証することができるという利点があり、それにより、燃料電池システムの効率が向上する。アノード回路を通して重い成分が可能な限り短いあいだしか一緒に搬送されなくてよいからであり、そのような搬送は効率の低下を招くことになる。重い成分の割合の分だけ少ないＨ_２しか気体状の媒体中で運ぶことができなくできなり、また、重い成分のほうが大きい質量を有するからである。さらに、アノード回路から重い成分を分離および／または導出するために再循環ファンと分離器が利用される、燃料電池システムの一例としての実施形態では、特に各コンポーネントが直列につながれている場合に累積効果を生起することができる。このようにして燃料電池システムの効率をいっそう向上させることができる。

燃料電池システムの好ましい実施形態では、分離器は流動方向Ｖで圧送ユニットに対して前置されてアノード回路に配置され、アノード領域は第１の接続配管によって分離器と流体接続され、分離器は第２の接続配管によって圧送ユニットと流体接続され、圧送ユニットは第３の接続配管によってアノード領域と流体接続される。さらに帰還配管を介して、再循環ファンから分離器へのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出を流動方向ＶＩに行うことができる。このとき、回転軸と反対を向くほうの圧縮機ホイールの側でそれぞれ圧送ユニットのハウジングの中にある、少なくとも部分的にカプセル封じされた分離室および／または排出通路は、帰還配管を介して分離器の集合容器と少なくとも間接的に流体接続される。さらに、分離室および／または排出通路は分離器の集合容器に対して高い圧力レベルを形成し、再循環ファンから分離器へのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出は流動方向ＶＩで行われる。このようにして、いっそう高い圧力レベルを、および／または再循環ファンでの回転運動に基づいて気体状の媒体が付勢される遠心力を、排出通路を介しての分離室からの重い成分Ｈ_２Ｏおよび／もしくはＮ_２の改善された排出を惹起するために、ならびに／または分離器の集合容器への帰還案内を惹起するために、利用することができる。このとき、特に集合容器と比較して高い圧力が分離室で生じている圧力勾配が、排出通路および／または帰還配管を通して重い成分を圧送ユニットから分離器の集合容器へ導出するために利用される。さらに帰還配管によって、および／または上に説明した分離室と集合容器との間の圧力勾配によって、集合容器の中にあるＨ_２が、特に第２の接続配管を介してアノード回路へと運ばれるプロセスを改善することができる。このように、水分離器の利用とそれぞれの配置によって、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムの効率を高めることができるという利点を得ることができる。

さらに、帰還配管によって分離器と圧送ユニットが直接的に接続されることで、圧送ユニットからの水分離度の向上を惹起することができ、それにより、車両全体の長期の停車時間および特に０℃を下回る低い温度のもとでも、圧送ユニットおよび／または燃料電池システムに、特に隔膜に損傷を与えかねないアイスブリッジを圧送ユニットの水が形成し得ない。さらに本発明による燃料電池システムの構成は、特に圧送ユニットにある、Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２を放出する役目を果たすパージ弁を不要にするので、いっそう少ない圧力損失および／またはアノード回路からのＨ_２の損失しか生じず、さらにはいっそう少ないコンポーネントしか必要なくなり、その結果、燃料電池システム全体の材料コストおよび／または製造コストを削減することができる。

燃料電池システムの好ましい発展例では、集合容器は排出弁を有し、排出弁は用途に即した使用時に低い測地学上の高さで集合容器に配置され、アノード回路の領域からの全部のＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出が排出弁を介して行われる。このとき第２の接続配管は高い測地学上の高さで集合容器に配置される。それにより、特に分離器の集合容器の中で残りの気体状の媒体から分離される気体状の媒体の重い成分が、特にＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２が、重力を利用したうえで、排出弁の近傍の低い測地学上の高さの領域に集まることが保証されるという利点がある。そして重い成分を排出弁を介して、さらには流出部を介して分離器から、およびこれに伴ってアノード回路から導出することができ、Ｈ_２が一緒に導出されることは少なくともほとんどなく、したがって燃料電池システムによるエネルギー獲得のためにこれが失われることがない。さらに、重量を利用したうえで、特に分離器の集合容器の中で残りの気体状の媒体から分離される気体状の媒体の軽い成分が、特にＨ_２が、高い測地学上の高さの領域に、特に第２の接続配管の領域に集まることが保証されるという利点がある。そして軽い成分を分離器の集合容器から導出して、アノード回路の第２の接続配管に導入することができる。このようにして、燃料電池システムの効率を改善することができる。

燃料電池システムの特別に好ましい実施形態では、アノード領域から来て流入する気体状の媒体が進路変更および／または分割され、それにより軽い成分Ｈ_２が第２の接続配管の方向へ誘導され、重い成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２がリザーバの方向へ誘導されるように、分離エッジが集合容器に配置される。このことは、軽い成分からの重い成分の分離と導出を分離器で、特に集合容器で実現することができ、燃料電池システムの効率を改善することができるという利点を有する。さらに分離エッジによって、軽い成分Ｈ_２が集合容器の高い測地学上の高さへと誘導されるのに対して、重い成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２が低い測地学上の高さの領域へと誘導され、第１の接続配管で生じている圧力によって、および第１の接続配管から集合容器に流れ込んで分離エッジに当たる気体状の媒体の流速によって、分離プロセスが分離エッジにより強化されるという利点を得ることができる。このように、分離器での流動損失および／または圧力損失が少なく保たれ、燃料電池システムの効率を改善することができる。

特別に好ましい発展例では、帰還配管は遮蔽弁を有し、遮蔽弁は再循環ファンと分離器との間にあり、特に集合容器との間にある。このとき第１のセンサ機構および／または第２のセンサ機構が制御装置と接続され、特に第１のセンサ機構は分離器のパラメータを連続的に検出し、第２のセンサ機構は再循環ファンのパラメータを連続的に検出する。このとき制御装置は、特にそれぞれのセンサ機構により検出されるパラメータをベースとして、排出弁および／または遮蔽弁の開放と閉止を制御する。このようにして、センサ機構により検出されたデータをベースとする排出弁および／または遮蔽弁の制御によって、特に開放および閉止によって、気体状の媒体で重い成分の特定の濃度がセンサ機構により確認されたときに、ならびに／または燃料電池システムのさまざまな領域で特定の圧力レベルおよび／もしくは温度レベルが確認されたときに、および／もしくはこれを超過したときに、可能な限り常に重い成分を燃料電池システムのアノード回路および／または分離室から導出できるという利点を得ることができる。さらに、生じている可能性のある圧力勾配、および／またはアノード回路からの、特に圧送ユニットおよび／または再循環ファンおよび／または第１の接続配管および／または第２の接続配管からの流動および／または質量流量を利用して、重い成分を可能な限り効率的に、かつ少なくともほぼ追加のエネルギーコストなしに、アノード回路から導出し、または相応の分離を惹起することができる。このようにして、燃料電池システムの効率を高めることができる。

本発明は、ここで説明している実施例およびその中で強調されている態様に限定されるものではない。むしろ特許請求の範囲に記載されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある、特許請求の範囲に記載されている構成要件および／または利点の数多くの改変および／または組合せが可能である。

次に図面を参照しながら、本発明について詳しく説明する。

圧送ユニットと分離器とを有する、本発明による燃料電池システムを示す模式図である。 本発明に基づく分離器を示す模式的な断面図である。 ハウジングの中に再循環ファン、ジェットポンプ、および調量弁を有する圧送ユニットを示す斜視断面図である。 図３にＩＩで示す再循環ファンの圧縮機室の部分である。 図４にＩＩＩで示す分離室の部分である。

図１は、圧送ユニット３と分離器１０とを有する本発明の燃料電池システムの模式図を示している。

ここで図１には、燃料電池システム１が燃料電池２を有し、燃料電池２はアノード領域３８とカソード領域４０とを有することが示されている。ここでは燃料電池２のアノード領域３８はアノード回路９と接続されており、アノード回路９は、分離器１０と、圧送ユニット３と、タンク４２とを有している。ここでは分離器１０は圧送ユニット３に対して流動方向Ｖで前置されてアノード回路９に配置されており、アノード領域３８は第１の接続配管２３によって分離器１０と流体接続され、分離器１０は第２の接続配管２５によって圧送ユニット３と流体接続され、圧送ユニット３は第３の接続配管２７によってアノード領域３８と流体接続されている。さらに圧送ユニット３は、再循環ファン８と、ジェットポンプ４と、調量弁６とを有しており、調量弁６はタンク４２とジェットポンプ４の間にある。一例としての実施形態では、調量弁６はジェットポンプ４と少なくともほぼ直接的に接続され、調量弁６がジェットポンプ４に統合されて製作されるので、これら両方のコンポーネントの間に外部の管路は存在せず、または、管路による流動損失を回避するために、外部の管路ができる限り短く製作される。

ここでは圧送ユニット３の再循環ファン８は、燃料電池２から来る未使用の再循環物を第１の流入部２８を介してジェットポンプ４へ運び込む。さらに、特にドライブ媒体である圧力のもとにあるＨ_２が、ジェットポンプ４の流動方向ＶＩＩで調量弁６により供給されて、第２の流入部３６を介してジェットポンプ４に流れ込む。さらにアノード回路９では再循環ファン８および／または分離器１０により、気体状の媒体からの成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２の分離が行われる。ここでは再循環ファン８は、帰還配管２１によって分離器１０と接続されている。このときＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の分離は、再循環ファン８から分離器１０へと流動方向ＶＩに行うことができる。さらに帰還配管２１は遮蔽弁２６を有しており、遮蔽弁２６は再循環ファン８と分離器１０との間にあり、特に分離器１０の集合容器３１との間にある。さらに分離器の集合容器３１には排出弁４４があり、これにより、気体状の媒体から分離された重い成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２を、アノード回路９および／または燃料電池システム１から導出することができる。

さらに図１には、第１のセンサ機構２２および／または第２のセンサ機構２４が制御装置１４と接続されていることが示されており、特に、第１のセンサ機構２２は分離器１０のパラメータを連続的に検出し、第２のセンサ機構２４は再循環ファン８のパラメータを連続的に検出し、制御装置１４は、特にセンサ機構２２，２４により検出されるパラメータをベースとして、排出弁４４および／または遮蔽弁２６の開放と閉止を制御する。このとき検出されるパラメータは、たとえば気体状の媒体のさまざまな成分の、たとえばＨ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２、および／または汚れ粒子などの、圧力、温度、容積流量、濃度であってよい。このときセンサ機構２２，２４は、たとえば圧送ユニット３に直接組み付けられていてもよい。制御装置１４に格納されている相応のロジックまたは計算法により、たとえば記憶ユニットを有するＣＰＵの形態で、検出されたデータをベースとして弁２６，４４の相応の制御および／または開放および／または閉止を、アノード回路９および／または燃料電池システム１からの重い成分の最善の排出を行うことができるように実行することができ、できる限り多い量の軽い成分Ｈ_２をアノード回路９へ再び帰還させることができる。

図２は、本発明に基づく分離器１０の模式的な断面図を示している。ここでは分離器１０は集合容器３１を有しており、集合容器３１は帰還配管２１および／または第１の接続配管２３および／または第２の接続配管２５によって、燃料電池システム１のアノード回路９と接続され、および／またはたとえば再循環ファン８などの燃料電池システム１のさまざまなコンポーネントと接続される。さらに集合容器３１は排出弁４４および／または流出部３２を有しており、これによって重い成分を、特にＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２を、周囲に放出することができ、または燃料電池システム１のカソード回路に帰還させることができる。このとき排出弁４４および／または流出部３２は、たとえば低い測地学上の高さで集合容器３１に配置され、それは特に、重い成分を重力によって集合容器３１の当該領域へと誘導するため、および／または集めるためである。このときアノード回路９の領域からの全部のＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出を、排出弁４４を介して行うことができる。このとき集合容器３１の低い測地学上の高さの領域は、リザーバ１８と呼ばれる。排出弁４４と反対を向くほうのリザーバ１８の側のリザーバ１８の上方に、ここではリザーバ１８の溢れ防止部としての役目を果たす少なくとも１つの壁部がある。それに対して第２の接続配管２５は集合容器３１のこれと向かい合う側に、たとえば集合容器３１の高い測地学上の高さに配置されていてよい。

さらに図２には、アノード領域３８から来て第１の接続配管を介して流入する、特に再循環物である気体状の媒体が進路変更および／または分割され、それにより軽い成分Ｈ_２が第２の接続配管２５の方向へ誘導され、重い成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２がリザーバ１８の方向へ誘導されるように、分離エッジ３７が集合容器３１に配置されることが示されている。その際には気体状の媒体に対する重力の効果が利用され、これによって軽い成分が、特に第２の接続配管２５のほうを向く分離エッジ３７の側で、分離エッジ３７の上側領域へと誘導され、重い成分はその高い質量に基づき、特にリザーバ１８のほうを向く分離エッジ３７の側で、分離エッジ３７の下側領域へと誘導される。分離エッジ３７により、軽い成分と重い成分の分割が促進される。それぞれの成分が、集合容器３１の中で高い測地学上の高さの領域へ、または低い測地学上の高さの領域へ、それぞれ偏向されるからである。さらに集合容器３１の高い測地学上の高さの領域に、一例としての実施形態においては、特に集合容器３１が第２の接続配管２５に流体接続される領域に、隔膜室３３があることが示されている。このとき隔膜室３３は、特に隔膜インサート３５を有する。ここでは隔膜インサート３５は半透性の隔膜として構成されており、媒体の軽い成分Ｈ_２は隔膜を通過して動くことができ、それに対して、成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２が隔膜を通る通過運動は、特に分子量に基づいて可能でない。このとき、集合容器３１から第２の接続配管２５へと達するべき気体状の媒体は、隔膜室３３および／または隔膜インサート３５および／または隔膜を通過しなければならない。さらに、分離器１０の本発明による実施形態に基づき、集合容器３１の中で重力の利用によって気体状の媒体の各成分の層形成が実現されるという利点を得ることができる。

さらに図２には、分離器１０が第１のセンサ機構２２を有することが示されており、第１のセンサ機構２２は集合容器３１に由来するパラメータを連続的に検出し、第１のセンサ機構２２および／または制御装置１４は検出されたデータを評価および／または処理し、および／またはＣＰＵによりコンピュータ評価し、制御装置１４によって排出弁４４が操作される。別の一例としての実施形態では、センサ機構２２はリザーバ１８の領域での分離器１０の充填レベルも検出して、この検出されたデータを、特にＣＰＵおよび／または制御装置１４による評価のために援用することができ、それにより、たとえば特定の充填レベルを超えたときに排出弁４４が操作され、そのようにしてリザーバ１８が空にされる。このとき制御装置１４による排出弁４４の操作は、機械式および／または電気式および／または電子式および／またはその他の方式で行うことができ、排出弁４４の全面的および／または部分的な開放または閉止が可能である。このような方式の制御は、さらに、図２には図示していない遮蔽弁２６や第２のセンサ機構２４についても、制御装置１４によって類似および／または呼応する仕方で適用される。

図３は、再循環ファン８と、ジェットポンプ４と、調量弁６とを有する圧送ユニット３の斜視断面図を示している。ここでは、圧送ユニット３がコンポーネントすなわちジェットポンプ４に追加して、別のコンポーネントとして再循環ファン８および調量弁６を有することが示されており、気体状の媒体のための各コンポーネント４，６，８の流動輪郭、および／または各コンポーネント４，６，８は少なくともほぼ完全に共通のハウジング７の中に配置されている。このとき一例としての実施形態では、ハウジングは２部分、３部分、または多部分から製作されていてよい。このとき個々の部分は特に同じ材料からなり、および／または少なくとも近似的に同じ熱膨張係数を有する。ここでは再循環ファン８は、回転軸４８を中心として回転可能な圧縮機ホイール１２と少なくともカルダン式に駆動シャフトにより結合された駆動部４７、特に電気式の駆動部４７を有する。駆動部４７から圧縮機ホイール１２にトルクが伝達されると、ただちに圧縮機ホイール１２が回転運動し、少なくとも１つの圧送セル２０が回転軸４８を中心として周回するように回転運動で圧縮機室３０を通って共通のハウジング７の中を動く。その際にそのつど常に１つの圧送セル２０が、圧縮機ホイール１２の２つの羽根板５の間に配置される。このとき、すでに圧縮機室３０の中にある気体状の媒体が少なくとも１つの圧送セル２０によって一緒に動き、その際に圧送および／または圧縮される。さらに、少なくとも１つの圧送セル２０と少なくとも１つのサイドチャネル１９との間で気体状の媒体の運動が行われ、特に流動交換が行われる。そのとき圧送作用にとって決定的なのは、少なくとも１つのサイドチャネル１９の内部で作動時に循環流を形成できることである。

第２の流入部３６により、圧力のもとにあるドライブ媒体が調量弁６に供給され、このドライブ媒体が調量弁６の開放と閉止によってノズルを介して吸込領域１１に供給されて、そこで再循環ファン８から来る再循環物と合流する。ここではジェットポンプ４は、特にその長軸５０に沿って延びる流動方向ＶＩＩＩで、吸込領域１１、混合管１３、およびテーパ状に延びるデフューザ領域１５、ならびに吐出マニホールド１７を有しており、これが第３の接続配管２７と接続される。このときジェットポンプ４の内部でいわゆるジェットポンプ効果が起こる。そのために、第２の供給部３６を通して外部から気体状のドライブ媒体が、特にＨ_２が、特にタンク４２から調量弁６へ流入する。そしてドライブ媒体は調量弁６の開放によって、特に高い圧力のもとで吸込領域１１に入る。このとき気体状のドライブ媒体は、流動方向ＶＩＩＩの方向に流れる。第２の流入部３６から吸込領域１１に流れ込んでドライブ媒体としての役目を果たすＨ_２は、第１の流入部２８から吸込領域１１に流入する再循環媒体に対して圧力差を有しており、ドライブ媒体は特に少なくとも１０バールの高い圧力のもとにある。ジェットポンプ効果を発生させるために、低い圧力と低い質量流量とを有する再循環媒体が、ジェットポンプ４の吸込領域１１に運び込まれる。そのときドライブ媒体が、上述した圧力差と、特に音速に近い高い速度とをもって、調量弁６を通って吸込領域１１へ流入する。その際にドライブ媒体が、すでに吸込領域１１に入っている再循環媒体に当たる。ドライブ媒体と再循環媒体との間の高い速度差および／または圧力差に基づき、内部摩擦と乱流がそれぞれの媒体の間で生成される。そのときに高速のドライブ媒体と、これよりも大幅に低速の再循環媒体との間の境界層でせん断応力が発生する。この応力が運動量移動を惹起し、再循環媒体が加速されて一緒に運ばれる。混合は運動量保存の法則に従って行われる。その際に再循環媒体が流動方向ＶＩに加速され、再循環媒体にも圧力降下が生じ、それによって吸引作用が始まり、そのようにして第１の流入部２８および／または再循環ファンの領域から次の再循環媒体が追加圧送される。調量弁６の開放時間と開放周波数を変更および／または調節することで、再循環媒体の圧送率を調節することができ、燃料電池システム１１全体のそのつどの必要性に合わせて、動作状態や動作要求事項に即して適合化することができる。

さらに図３には、圧送ユニット３のコンポーネント４，６，８がハウジング７の中でそれぞれコンパクトに相互に配置されることが示されている。ここでは再循環ファン８とジェットポンプ４は、再循環ファン８の圧縮機ホイール１２の回転軸４８がジェットポンプ４の長軸５０に対して少なくとも近似的に垂直に延びるように、共通のハウジング７の中で相互に配置されている。このようにして、一方では圧送ユニット３の表面積および／または車両内の所要の設計スペースを減らすことができる。他方では、たとえば再循環ファン８のガス吐出開口部１６が、特に一方の湾曲部４３の流動最適化されて統合された流動通路４１を介して、ジェットポンプ４の吸込領域１１および／または第１の流入部２８にほぼ直接流れることができるように、コンポーネント４，６，８の流動輪郭を省スペースに相互に配置することができ、再循環ファン８とジェットポンプ４の間での気体状の媒体の進路変更および／または流動案内は湾曲部４３の領域でのみ行われる。このように、コンポーネント４，６，８の接続のために追加の管路が少なくともほぼ必要ない。さらに、第２のセンサ２４および／または低圧センサ４５が省スペースに、および／または統合されてハウジング７の中に配置され、それによりいっそう少ない設計スペースしか必要ない。

特に熱伝導性の材料からなる駆動部４７を加熱することができるという利点があり、このことは、特に圧送ユニット３および／または車両のコールドスタート手順のときに好ましい。その際に駆動部４７が加熱して、その熱伝導性に基づき、圧縮機ホイール１２およびその他の圧送ユニット３および／またはハウジング７のコンポーネントに熱エネルギーを伝達する。特に長期間にわたって、および／または氷点を下回る低い周囲温度のもとで、圧送ユニット３および／または車両が停止していると、液体が凍結してアイスブリッジが形成される。このようなアイスブリッジは、発進および／または始動および／または作動のときに、圧送ユニット３および／または燃料電池システム１の損傷につながりかねない。駆動部４７の加熱によってアイスブリッジが溶け、液体が固体から液体の凝集状態に変わり、排出することができる。このとき駆動部４７の配置は、ハウジング７への熱導入が可能な限り迅速かつ効率的に進行するようになっているのが好ましい。さらにこのとき、統合されたハウジングの特別な成形、およびハウジングについての複合材料の使用が、いっそう優れた熱伝導性につながり得る。別案として、一例としての実施形態では、特にスタックである燃料電池２に由来する熱効果を、統合されたハウジング７の加熱または冷却のために利用することができる。さらに、調量弁６のアクチュエータを熱源として利用することができ、駆動部４７に類似する作用をするという利点がある。

図４には、図３にＩＩで表されている再循環ファン８の圧縮機室３０の部分が、圧縮機ホイール１２とともに示されている。ここでは圧縮機ホイール１２が、圧縮機ホイール１２の回転軸４８に対して回転対称に延びる、周回する外側の仕切りリング３９を有することが示されている。このとき回転軸４８と反対を向くほうの圧縮機ホイール１２の側には、再循環ファンおよび／または圧送ユニット３のハウジング７の中に、特に少なくとも１つのサイドチャネル１９により少なくとも部分的にカプセル封じされた分離室３４および／または排出通路４６がある。さらに、圧縮機ホイール１２は対称軸４９に対して対称に構成されており、対称軸４９は回転軸４８に対して直交して延びている。さらに、圧縮機ホイール１２の羽根板５の突き出した輪郭が示されており、この輪郭は、対称軸４９に沿った別の断面で合流している。

ここには、外側の仕切りリング３９の領域に少なくとも１つの外側に位置する周回する環状鍔２９ａ，ｂを有する圧縮機ホイール１２が示されている。外側に位置するこの環状鍔２９ａ，ｂは対称軸４９に対して軸方向に延びており、回転軸４８と反対を向くほうの外側の仕切りリング３９の側に延びている。ここでは少なくとも１つの外側に位置する環状鍔２９ａ，ｂは、対称軸４９に対して軸方向および／または径方向に、ハウジング３のハウジング上側部分７および／またはハウジング下側部分８と少なくともほぼ当接し、および／またはこれとともに気体状の媒体が少なくともほぼ克服することができないわずかなクリアランスを形成する。少なくとも１つの外側に位置する周回する環状鍔２９ａ，ｂを有する圧縮機ホイール１２と、ハウジング７との間にわずかなクリアランスが形成され得ることによって、分離室３４からの少なくとも１つのサイドチャネル１９の少なくとも部分的なカプセル封じを実現することができる。

さらに図４には、分離室３４が少なくとも部分的に回転軸４８を中心として周回するように、ハウジング７と外側の仕切りリング３９との間に構成されることが示されている。したがって、重い成分は少なくとも１つのサイドチャネル１９および圧送セル２０の領域から導出されて、分離室３４の領域に集められる。気体状の媒体のこのような重い成分は、たとえば燃料電池システム１の作動に由来する望ましくない廃棄物および／または副産物であり得る。重い成分が排出されることで、圧送ユニット３の圧送・圧縮作用を高めることができる。燃料電池２での電流生成のために必要となる、圧送されるべき気体状の媒体の割合、特にＨ_２の割合が、圧送セル２０および少なくとも１つのサイドチャネル１９で高くなるからである。それにより、圧送ユニット３の効率を高めることができる。作動にとって望ましくない重い成分を一緒に運ばなくてよくなるからである。

図５は、図４にＩＩＩで表されている分離室３４の部分を示している。ここでは、成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２が気体状の媒体から再循環ファン８で分離されることが示されており、この分離は特に再循環ファン８で遠心原理によって行われる。ここには、分離室３４が排出通路４６を介して帰還配管２１と少なくとも間接的に流体接続されることが示されており、帰還配管２１は圧送ユニット３および／または再循環ファン８を分離器１０の集合容器３１と少なくとも間接的に流体接続する。ここでは分離室３４および／または排出通路４６は、分離器１０の集合容器３１に対して高い圧力レベルを形成することができ、再循環ファン８から分離器１０へのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出は流動方向ＶＩで行われる。

このような分離室３４の構成により、気体状の媒体に由来する重い成分、特にＮ_２および／またはＨ_２Ｏを排出することができ、この分離室３４に集めることが可能である。このとき、特にＨ_２である残りの気体状の媒体に比較して高い質量に基づく重い成分の大きい遠心力を利用して、重い成分が遠心力によって回転軸４８から遠く離れるように移動し、それにより流動方向ＩＸで少なくとも１つのサイドチャネル１９から圧縮機ホイール１２とハウジング７との間で、特にわずかなクリアランスの領域で、分離室３４の中へ通過して移動し、その際に遠心力分離が生じるようにするために、作動時の圧縮機ホイール１２の回転が利用されるのが好ましい。分離室３４の測地学上でもっとも低い点に、追加の排出通路４６があるのが好ましい。その場合、分離室３４の中に集められた気体状の媒体の重い成分に対する重力および／または遠心力の作用により、排出通路４６を介して帰還配管２１への自動的な導出が行われるという利点があり、たとえば機械式のポンプ排出などの他の方策を講じる必要がない。さらに、再循環ファン８の作動時に引き続き重い成分が分離室３４へ追加流入し、それにより、すでにそこにある重い成分が排出通路４６を通って押し出されることによって、排出通路４６を介しての重い成分の外部への自動的な導出の効果が強化される。

さらにこのことは、重い成分が一方では圧送セル２０および／または少なくとも１つのサイドチャネル１９の領域から排出され、他方では、圧送ユニット３からの排出通路４６を介して分離室３４の領域からも排出できるという利点を提供する。それにより、特に圧縮機ホイール１２や軸受などの回転するコンポーネントの損傷というリスクが防止される。燃料電池システム１がオフになった状態のとき低い周囲温度のもとで、たとえばＨ_２Ｏなどの残りの重い成分が、再循環ファン８の始動時にこれらのコンポーネントを損傷させる恐れがあるアイスブリッジ形成につながることがないからである。そのような損傷は、排出通路４６を介しての重い成分の導出によって防止される。さらに、重い成分が導出されることで、燃料電池システム１がオフになった状態のとき低い周囲温度のもとで、特に圧縮機ホイール１２やハウジング７などの可動部品の間にいわゆるアイスブリッジが形成されることが防止されるという利点が得られる。

本発明は、ここで説明した実施例およびそこで強調されている側面だけに限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある数多くの改変が可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 圧送ユニット
４ ジェットポンプ
６ 調量弁
７ ハウジング
８ 再循環ファン
９ アノード回路
１０ 分離器
１１ 吸込領域
１２ 圧縮機ホイール
１４ 制御装置
１６ ガス吐出開口部
１８ リザーバ
２１ 帰還配管
２２ 第１のセンサ機構
２４ 第２のセンサ機構
２３，２５，２７ 接続配管
２６ 遮蔽弁
２８ 第１の流入部
３１ 集合容器
３４ 分離室
３７ 分離エッジ
３８ アノード領域
３９ 仕切りリング
４１ 流動通路
４３ 湾曲部
４４ 排出弁
４６ 排出通路
４８ 回転軸
５０ 長軸

Claims (17)

1. 燃料電池（２）のアノード領域（３８）から気体状の媒体を圧送するための、燃料電池システム（１）のアノード回路（９）のための圧送ユニット（３）であって、前記圧送ユニット（３）は少なくとも１つのジェットポンプ（４）を含み、前記圧送ユニット（３）は少なくとも１つの接続配管（２３，２５）により前記アノード領域（３８）の出力部と少なくとも間接的に流体接続され、前記圧送ユニット（３）は別の接続配管（２７）により前記アノード領域（３８）の入力部と流体接続される、圧送ユニットにおいて、前記圧送ユニット（３）は前記ジェットポンプ（４）に追加して再循環ファン（８）および調量弁（６）を有し、前記ジェットポンプ（４）、前記再循環ファン（８）および前記調量弁（６）を含む気体状の媒体のためのコンポーネント（４，６，８）の流動輪郭、および／または前記コンポーネント（４，６，８）は、少なくともほぼ完全に共通のハウジング（７）の中に配置され、
   前記再循環ファン（８）は、圧縮機ホイール（１２）の回転軸（４８）に対して回転対称に延びる周回する外側の仕切りリング（３９）を有する圧縮機ホイール（１２）を有し、前記回転軸（４８）と反対を向くほうの前記圧縮機ホイール（１２）の側には前記圧送ユニット（３）の前記ハウジング（７）の中に少なくとも部分的にカプセル封じされた分離室（３４）および／または排出通路（４６）があることを特徴とする圧送ユニット。
2. 成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２が気体状の媒体から前記再循環ファン（８）で分離され、この分離は遠心原理によって前記再循環ファン（８）で行われることを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（３）。
3. 前記再循環ファン（８）と前記ジェットポンプ（４）は、前記再循環ファン（８）の圧縮機ホイール（１２）の回転軸（４８）が前記ジェットポンプ（４）の長軸（５０）に対して少なくとも近似的に垂直に延びるように、共通の前記ハウジング（７）の中で相互に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（３）。
4. 前記再循環ファン（８）のガス吐出開口部（１６）が前記ジェットポンプ（４）の第１の流入部（２８）および／または吸込領域（１１）へと直接的に移行し、統合された流動通路（４１）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（３）。
5. 統合された前記流動通路（４１）は共通の前記ハウジング（７）の内部で湾曲部（４３）を形成し、前記再循環ファン（８）と前記ジェットポンプ（４）との間での気体状の媒体の進路変更および／または流動案内が前記湾曲部（４３）の領域でのみ行われることを特徴とする、請求項４に記載の圧送ユニット（３）。
6. 前記気体状の媒体は、水素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（３）
7. 燃料電池（２）の水素供給および／または水素排出を制御するために請求項１から６までのいずれか１項に記載の圧送ユニット（３）を有している燃料電池システム（１）。
8. 気体状の媒体からの成分Ｈ_２Ｏおよび／または成分Ｎ_２の分離が前記アノード回路（９）で前記再循環ファン（８）および／または分離器（１０）により行われることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム（１）。
9. 前記分離器（１０）は流動方向Ｖで前記圧送ユニット（３）に対して前置されて前記アノード回路（９）に配置され、前記アノード領域（３８）は第１の接続配管（２３）によって前記分離器（１０）と流体接続され、前記分離器（１０）は第２の接続配管（２５）によって前記圧送ユニット（３）と流体接続され、前記圧送ユニット（３）は第３の接続配管（２７）によって前記アノード領域（３８）と流体接続されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。
10. 帰還配管（２１）を介して前記再循環ファン（８）から前記分離器（１０）へのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出が流動方向ＶＩで行われることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。
11. 回転軸（４８）と反対を向くほうの前記圧縮機ホイール（１２）の側で前記圧送ユニット（３）の前記ハウジング（７）の中にあり少なくとも部分的にカプセル封じされた分離室（３４）および／または排出通路（４６）が前記帰還配管（２１）を介して前記分離器（１０）の集合容器（３１）と少なくとも間接的に流体接続され、前記分離室（３４）および／または前記排出通路（４６）は前記分離器（１０）の前記集合容器（３１）に対して高い圧力レベルを形成し、前記再循環ファン（８）から前記分離器（１０）へのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出は流動方向ＶＩで行われることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム（１）。
12. 前記集合容器（３１）は排出弁（４４）を有し、前記排出弁（４４）は用途に即した使用時に低い測地学上の高さで前記集合容器（３１）に配置され、前記アノード回路（９）の領域からの全部のＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出が前記排出弁（４４）を介して行われることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム（１）。
13. 前記第２の接続配管（２５）は高い測地学上の高さで前記分離器（１０）の集合容器（３１）に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム（１）。
14. 前記アノード領域（３８）から来て流入する気体状の媒体が進路変更および／または分割され、それにより軽い成分Ｈ_２が前記第２の接続配管（２５）の方向へ誘導され、重い成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２がリザーバ（１８）の方向へ誘導されるように、分離エッジ（３７）が前記集合容器（３１）に配置されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池システム（１）。
15. 前記帰還配管（２１）は遮蔽弁（２６）を有し、前記遮蔽弁（２６）は前記再循環ファン（８）と前記分離器（１０）との間にあることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム（１）。
16. 前記帰還配管（２１）は遮蔽弁（２６）を有し、前記遮蔽弁（２６）は前記再循環ファン（８）と前記集合容器（３１）との間にあることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム（１）。
17. 第１のセンサ機構（２２）が制御装置（１４）と接続され、前記第１のセンサ機構（２２）は前記分離器（１０）のパラメータを連続的に検出し、前記制御装置（１４）は、前記第１のセンサ機構（２２）により検出されるパラメータをベースとして、前記排出弁（４４）および／または前記遮蔽弁（２６）の開放と閉止を制御する、
    および／または
    第２のセンサ機構（２４）が制御装置（１４）と接続され、前記第２のセンサ機構（２４）は前記再循環ファン（８）のパラメータを連続的に検出し、前記制御装置（１４）は、前記第２のセンサ機構（２４）により検出されるパラメータをベースとして、前記排出弁（４４）および／または前記遮蔽弁（２６）の開放と閉止を制御する、
    ことを特徴とする、請求項１５または１６に記載の燃料電池システム（１）。

Images