JP7411666B2 - 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 - 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ず、各コンポーネントが互いに離れて配置されているために、各々のコンポーネントが別々に加熱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。

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、調量弁、および分離器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を圧送ユニットの各コンポーネントの間で成立させることができ、特に、再循環ファンおよび／またはジェットポンプおよび／または調量弁および／または分離器の間で成立させることができ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／または調量弁および／または分離器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、このようにして特に配管長さや進路変更の回数に基づく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、調量弁、および分離器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／または調量弁および／または分離器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／または調量弁および／または分離器が作動時に、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。さらに、分離器が別の別個のアノード回路のコンポーネントとして、外部の管路および／または外部の分配プレートによって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／または調量弁と接続されなくてよいという利点がある。

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。

圧送ユニットの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Ｎ_２を少なくとも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、他方ではアノード回路に外部から少ないＨ_２しか供給しなくてよい。

さらに、各成分すなわちＨ_２Ｏおよび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発展例では、気体状の媒体の成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２を再循環ファンから分離器へ遠心原理および／または重力原理および／または圧力差によって誘導することができる。このようにして、成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２を再循環ファンから分離器へ運ぶために、たとえばポンプなどの他のコンポーネントを使用しなくてすむという利点を得ることができる。もともと再循環ファンですでに生じる既存の遠心力および／または重力および／または高い圧力だけによって、特に気体状の媒体を運ぶために、相乗効果を利用して成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２を再循環ファンから分離器へ運ぶことができる。さらに、分離器での分離プロセスおよび／またはその他のプロセスを、再循環ファンから導入される圧力および／またはエネルギーによってさらに改善し、および／または効率を高めることができる。このようにして、再循環ファンおよび／または分離器および／または燃料電池システム全体の効率を改善することができる。

圧送ユニットの特別に好ましい発展例では、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。このようにして、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得ることができる。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、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。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。

圧送ユニットの特別に好ましい実施形態では、分離器は、特に分離器の集合容器は、再循環ファンの圧縮機室および／または分離室と少なくとも間接的に流体接続され、この接続は回転軸に対して少なくとも近似的に垂直に延びる排出通路によって行われる。このようにして、気体状の媒体の重い成分を、特にＨ２Ｏおよび／またはＮ２を、再循環ファンの圧縮機室および／または分離室から集合容器へ直接導出することができ、他のコンポーネントおよび／または外部の管路系統および／または外部の分配プレートがこれらの間に存在しないという利点を得ることができる。このようにして、分離器の集合容器と、再循環ファンの圧縮機室および／または分離室との間の流動損失を低減することができる。さらに、圧力勾配の形態の必要なエネルギーを、または再循環ファンから分離器へと重い成分を導出するための質量流量を生成するために必要なエネルギーを、削減することができる。流動損失を減らすことができ、したがって、再循環ファンに由来する既存の圧力エネルギーおよび／または加速エネルギーだけでほぼ足りるからである。さらに、回転軸に対して近似的に垂直に延びる排出通路によって、この接続が行われるのが好ましい。このようにして、特に同じく回転軸に対して垂直に作用する、圧縮機ホイールの回転により生起される遠心力が、重い成分に対して最大の効果と最大限可能な効率とをもって、特にこれが排出通路を介して排出されるときに作用できることを保証することができる。このように、圧送ユニットおよび／または再循環ファンおよび／または分離器の効率を改善することができる。

好ましい発展例では、排出通路は用途に即した使用時に、低い測地学上の高さで再循環ファンに、特に分離室に配置される。さらに流出穴が、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ていてよい。このようにして、重い成分を分離室および／または集合容器から導出するために重力を利用できるという利点を得ることができる。このとき、分離室および／または集合容器の圧力レベルが低下したときにも、重い成分を少なくともほぼ重力によってのみ各コンポーネントから、またそれに伴って圧送ユニットおよび／または燃料電池システムから、導出することができるように配慮することができる。さらに分離器の集合容器は、本発明に基づく流出穴が配置される場合、少なくともほぼ完全に空にすることが可能であり、それに伴って、低い測地学上の高さに配置された流出穴を通して重い成分をほぼ完全に導出することができる。このように、望ましくない重い成分の分離度を改善することができ、それにより、再循環ファンおよび／または分離器および／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。

特別に好ましい発展例では、集合容器は流出穴を有し、流出穴を介しての集合容器からのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の放出を排出弁によって制御することができる。これに加えて排出弁のみにより、アノード回路全体からのＨ_２Ｏの放出を行うことができる。さらに排出弁のみにより、アノード回路全体からのＮ_２および／またはＨ_２の放出を行うことができる。このようにして、燃料電池システムおよび／または圧送ユニットおよび／または再循環ファンの動作状態に応じて、集合容器および／またはアノード回路全体に存在する媒体を、特にＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２などの重い成分を、排出弁によっていつ、どれだけ排出すべきかを制御することができる。このとき排出弁の制御のために援用可能な、アノード回路および／またはアノード回路の個々のコンポーネントにおける、特に集合容器におけるパラメータは、たとえばそれぞれ次のものであり得る：温度、圧力、気体状の媒体中のＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の割合、燃料電池の動作状態、再循環ファンの回転数、容積流量、質量流量。このようにして、燃料電池システムおよび／または圧送ユニットおよび／または再循環ファンの効率を改善することができ、アノード回路から分離されるＨ_２の割合を減らすことができ、アノード回路から分離されるＨ_２ＯおよびＮ_２の割合を高めることができる。さらに、車両全体の動作状態および／または走行状況を斟酌することができるように、重い成分の排出を行うことができる。

しかしながらさらに排出弁は、燃料電池システムおよび／または圧送ユニットおよび／または再循環ファンからのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２および／またはＨ_２の排出が選択的に行われるパージ弁の役割も担うことができる。

好ましい実施形態では、遮蔽弁が排出通路にあり、再循環ファンと分離器との間の少なくとも間接的な流体接続を遮蔽弁によって開放または閉止することができる。このようにして、遮蔽弁が必要に応じて開放または閉止されることにより、分離器の集合容器からの重い成分の改善された放出を得ることができるという利点を得ることができる。このとき一方では、排出弁が開いているときに気体状の媒体が再循環ファンから排出通路を介して集合容器へ逃げるのを防止するために、遮蔽弁を閉じたまま保つことができ、このとき特にＨ_２が逃げるのが防止される。また他方では、再循環ファンからの、特に分離室からの圧力および／または容積流を、集合容器からの重い成分をより良く空にするために、およびより良く排出するために利用することができるように、遮蔽弁を開くこともできる。このようにして分離器の効率を改善することができ、ならびに／または気体状の媒体および／もしくはＨ_２に対するＨ_２Ｏおよび／もしくはＮ_２の分離度を高めることができ、それにより、燃料電池システム全体の効率を改善することができる。

特別に好ましい実施形態では、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し、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、特に集合容器もしくは分離室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／または分離室および／または集合容器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。 ハウジングの中に再循環ファン、ジェットポンプ、調量弁、および分離器を有する圧送ユニットを示す斜視断面図である。 図２にＡ－Ａで表されている圧送ユニットの、特に再循環ファンおよび分離器の、斜視断面図である。 図３にＩＩで表されている、再循環ファンの圧縮機室および／または分離室の部分である。 図３にＩＩＩで表されている分離器の部分である。 図５にＩＶで表されている再循環ファンの部分、および排出通路を有する分離器の部分である。

図１は、圧送ユニット３を有する本発明の燃料電池システム１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は圧送ユニット３とタンク４２とを有している。

ここではアノード領域３８は第１の接続配管２３によって圧送ユニット３と流体接続され、気体状の媒体は流動方向Ｖでアノード領域３８から圧送ユニット３へと流れる。ここでは圧送ユニットに、アノード領域３８から燃料電池２に流れ込む再循環物に追加して、ドライブ媒体がタンク４２から供給される。圧送ユニット３の貫流が完了した後、再循環物とドライブ媒体とからなる気体状の媒体は、第２の接続配管２５を介して流動方向Ｖで燃料電池のアノード領域３８へと流れ戻る。

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、分離器１０とを有している。このとき再循環ファン８は、一例としての実施形態では、第１の接続配管２３によってアノード領域３８と流体接続されていてよく、および／または排出通路４６によって分離器１０と流体接続されていてよく、および／または第１の流入部２８によってジェットポンプ４と接続されていてよい。さらにジェットポンプ４は、第２の流入部３６によって調量弁６と接続されていてよい。このとき接続は特に統合された流動経路として、共通のハウジング７（ここには図示せず、図２参照）に製作されていてよい。さらに調量弁６は、タンク４２とジェットポンプ４との間にあってよい。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。このとき再循環ファン８から分離器１０への、特に分離器１０の集合容器３１への、Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２の導出を行うことができる。さらに分離器１０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。さらに再循環ファン８と分離器１０の間には、特に排出通路４６の領域に遮蔽弁５１がある。

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２１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する。制御装置２１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５１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２１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４４，５１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、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はコンポーネントすなわち再循環ファン８に追加して、別のコンポーネントとしてジェットポンプ４、調量弁６、および分離器１０を有しており、気体状の媒体のための各コンポーネント４，６，８，１０の流動輪郭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。

ここでは再循環ファン８は圧縮機ホイール１２を有しており、圧縮機ホイール１２は、水平方向に延びる回転軸４８を中心として回転可能なようにハウジング７に支承されている。ここでは駆動部４７が、特に電気式の駆動部４７が、圧縮機ホイール１２の回転駆動部４７としての役目を果たし、トルクおよび／または回転運動の伝達は、駆動部４７からたとえば駆動シャフトを介して行われる。さらにハウジング７は、ガス取込開口部１４（ここには図示せず、図３参照）と、ガス吐出開口部１６とを構成する。ここではガス取込開口部１４とガス吐出開口部１６は、特に少なくとも１つのサイドチャネル１９を介して、互いに流体接続されている。さらにハウジング７は圧縮機室３０の領域に、第１の周回するサイドチャネル１９ａおよび／または第２の周回するサイドチャネル１９ｂを有している。ここでは多数の圧送セルが回転軸４８を中心として周回するように、回転軸４８を中心としてほぼ完全に周回するハウジング７の圧縮機室３０の中で圧縮機ホイール１２に延びている。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。

ここでは再循環ファン８の圧縮機室３０は、ガス吐出開口部１６および／または第１の流入部２８を介して、ジェットポンプ４の吸込領域１１と流体接続されている。このとき第１の流入部２８は、統合された流動通路４１としてハウジング７に形成されるように構成されており、湾曲部４３を構成している。湾曲部４３は、気体状の媒体と統合された流動通路４１との間の摩擦損失を可能な限り低く抑えることができるように、流動最適化されて構成される。さらに、気体状の媒体が再循環ファン８での圧縮機室３０の通過に基づいて付勢を受けるスワール流のエネルギーおよび／または運動エネルギーを、統合された流動通路４１の湾曲部４３の貫流時にできる限り少なくともほぼ損失なしに維持することができる。そのようにして、圧送ユニット３の高い効率を惹起することができる。

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２の接続配管２５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の流入部３６を通して圧送ユニット３の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８の領域から次の再循環媒体が追加圧送される。調量弁６の開放時間と開放頻度を変更および／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１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２には、デフューザ領域１５および／または吐出マニホールド１７の領域に、低圧センサ４５がハウジング７に省スペースに、および／または統合されて配置されることが示されており、それによって少ない設計スペースしか必要ない。さらに、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ることが示されている。

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Ａ－Ａ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、調量弁６、および分離器１０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。一例としての実施形態では、ハウジング７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。

さらに図３には、特にタンク４２から来て第２の流入部３６を介して調量弁６へと流入するドライブ媒体の圧力を検出する中圧センサ５７を、調量弁６が有することが示されている。さらに、再循環ファン８はガス取込開口部１４とガス吐出開口部１６を有し、ならびに圧縮機ホイール１２を有することが示されている。ここでは圧縮機ホイール１２は、それぞれ２つの羽根板の間にそれぞれ圧送セル２０を構成し、圧送セル２０は、外方に向かって回転軸４８と反対を向く側に外側の仕切りリング３９を有している。このときハウジング７と、圧縮機ホイール１２の外側の仕切りリング３９との間に分離室３４が構成され、その中で重い成分がたとえば遠心原理により高い質量に基づいて分離され、および／または集められる。さらに分離器１０は、特に分離器１０の集合容器３１は、再循環ファン８の圧縮機室３０および／または分離室３４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、この接続は、回転軸４８に対して少なくとも近似的に垂直に延びる排出通路４６によって行われる。気体状の媒体の重い成分、たとえばＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２は、再循環ファン８から、特に分離室３４から、分離器１０および／または集合容器３１へと遠心原理および／または重力原理および／または圧力差によって誘導される。さらに集合容器３１は流出穴５２を有しており、流出穴５２を介しての集合容器３１からのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の放出を排出弁４４により制御することができる。ここでは流出穴５２は集合容器３１と反対を向くほうの端部で、閉止部材５４の弁座５３によって閉止されており、流出穴５２およびこれに伴って排出弁４４の開放は電気式のアクチュエータ２７により行われる。このとき弁座５３は閉止部材５４の離反運動を通じて開放され、閉止部材５４がアクチュエータ２７を通じて動く。さらにアクチュエータ２７は、電磁式のアクチュエータ２７として製作されていてよい。開いた弁座５３および／または開いた排出弁４４のもとで、気体状の媒体が、特に重い成分が、以後の配管への接続部２６としての役目を果たす領域へとさらに流れ、これがたとえば重い成分を燃料電池２のカソード領域４０へ戻るように運ぶ。しかしながら別案では、重い成分を周囲に放出することもできる。

さらに図３には、共通のハウジング７の中にある集合容器３１が閉止ねじ５６によって閉止されることが示されており、集合容器３１のより良いカプセル封じのために、シール部材５５がハウジング７と閉止ねじ５６との間にある。閉止ねじ５６の使用は、製造工学上の利点と製造コストの利点をもたらす。さらに一例としての実施形態では、低圧センサ４５および／または中圧センサ５７が第１のセンサ機構２２および／または第２のセンサ機構２４の一部であってよい。

圧送ユニット３の一例としての実施形態では、アノード回路９全体からのＨ_２Ｏの放出を排出弁４４のみによって行うことができる。圧送ユニット３の別の一例としての実施形態では、アノード回路９全体からのＮ_２および／またはＨ_２の放出を排出弁４４のみによって行うことができる。このように、他のドレイン弁および／またはパージ弁をアノード回路９に設けなくてすみ、それによって圧送ユニット３のコストを削減することができる。

図４には、図２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８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。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は回転軸４８に対して径方向に延びており、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７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。分離室３４は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との間に構成されている。圧縮機ホイール１２の回転速度が増すと、気体状の媒体の重い成分に対して圧縮機室３０で作用する力が、特にセントリフューガルフォースおよび／または遠心力が大きくなり、それにより、重い成分が流動方向ＩＸでそれぞれのサイドチャネル１９ａ，ｂおよび／または圧縮機室３０から、それぞれの環状鍔２９ａ，ｂとハウジング７との間を通って分離室３４に流れ込む。このように重い成分が、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。このようにして、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、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。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、たとえばＮ_２および／またはＨ_２および／または汚れ粒子であり得る。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、圧送ユニット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。

さらに図４には、排出通路４６が用途に即した使用時に低い測地学上の高さで再循環ファン８に、特に分離室３４に、配置されることが示されている。

図５は、図３にＩＩＩで表されている分離器１０の部分を示している。ここには、分離室３４が排出通路４６を介して分離器１０の集合容器３１と少なくとも間接的に流体接続されることが示されている。ここでは分離室３４および／または排出通路４６は、分離室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。ここでは流出穴５２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３１に配置される。集合容器３１に集められた気体状の媒体の重い成分は、流出穴５２を介して、圧送ユニット３の外部領域へと排出される。流出穴５２およびこれに伴って分離器１０の集合容器３１を開放または閉止するためにアクチュエータ２７が操作され、このアクチュエータ２７は排出弁４４の一部である。

図６には、排出通路４６に遮蔽弁５１があることが示されており、再循環ファン８、特に分離室３４と、分離器１０との間の少なくとも間接的な流体接続を、特に遮蔽弁５１によって開放または閉止することができる。

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
１２ 圧縮機ホイール
２１ 制御装置
２２ 第１のセンサ機構
２４ 第２のセンサ機構
２３，２５ 接続配管
２８ 第１の流入部
３０ 圧縮機室
３１ 集合容器
３４ 分離室
３８ アノード領域
３９ 仕切りリング
４４ 排出弁
４６ 排出通路
４８ 回転軸
５０ 長軸
５１ 遮蔽弁
５２ 流出穴

Claims (16)

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つの再循環ファン（８）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）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（２５）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）は前記再循環ファン（８）に追加してジェットポンプ（４）、調量弁（６）、および分離器（１０）を有し、前記再循環ファン（８）、前記ジェットポンプ（４）、前記調量弁（６）、および前記分離器（１０）を含む気体状の媒体のためのコンポーネント（４，６，８，１０）の流動輪郭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、
   前記アノード領域（３８）の前記出力部と前記少なくとも１つの接続配管（２３）によって直接的に流体接続された前記再循環ファン（８）と前記分離器（１０）との間の流体接続を、前記再循環ファン（８）と前記分離器（１０）との間の排出通路（４６）に設けられた遮蔽弁（５１）によって開放または閉止することができることを特徴とする圧送ユニット。
2. 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）があ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. 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または２に記載の圧送ユニット（３）。
4. 気体状の媒体の成分Ｈ_２Ｏおよび／またはＮ_２が前記再循環ファン（８）から前記分離器（１０）へ遠心原理および／または重力原理および／または圧力差によって誘導されることを特徴とする、請求項３に記載の圧送ユニット（３）。
5. 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）の前記圧縮機ホイール（１２）の前記回転軸（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２に記載の圧送ユニット（３）。
6. 前記分離器（１０）は、前記再循環ファン（８）の圧縮機室（３０）および／または前記分離室（３４）と少なくとも間接的に流体接続され、前記接続は前記回転軸（４８）に対して少なくとも近似的に垂直に延びる前記排出通路（４６）によって行われることを特徴とする、請求項２に記載の圧送ユニット（３）。
7. 前記分離器（１０）の集合容器（３１）は、前記再循環ファン（８）の圧縮機室（３０）および／または前記分離室（３４）と少なくとも間接的に流体接続され、前記接続は前記回転軸（４８）に対して少なくとも近似的に垂直に延びる前記排出通路（４６）によって行われることを特徴とする、請求項２に記載の圧送ユニット（３）。
8. 前記排出通路（４６）は用途に即した使用時に低い測地学上の高さで前記再循環ファン（８）に配置されることを特徴とする、請求項６または７に記載の圧送ユニット（３）。
9. 前記排出通路（４６）は用途に即した使用時に低い測地学上の高さで前記再循環ファン（８）の前記分離室（３４）に配置されることを特徴とする、請求項６または７に記載の圧送ユニット（３）。
10. 前記集合容器（３１）は流出穴（５２）を有し、前記流出穴（５２）を介しての前記集合容器（３１）からのＨ_２Ｏおよび／またはＮ_２の放出を排出弁（４４）によって制御することができることを特徴とする、請求項７に記載の圧送ユニット（３）。
11. 前記流出穴（５２）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）に配置されることを特徴とする、請求項１０に記載の圧送ユニット（３）。
12. 前記排出弁（４４）のみにより前記アノード回路（９）全体からのＨ_２Ｏの放出が行われることを特徴とする、請求項１０に記載の圧送ユニット（３）。
13. 前記排出弁（４４）のみにより前記アノード回路（９）全体からのＮ_２および／またはＨ_２の放出が行われることを特徴とする、請求項１０に記載の圧送ユニット（３）。
14. 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（２１）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（２１）は、前記センサ機構（２２，２４）により検出されるパラメータをベースとして、前記排出弁（４４）および／または前記遮蔽弁（５１）の開放と閉止を制御することを特徴とする、請求項１０に記載の圧送ユニット（３）。
15. 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）
16. 請求項１から１５までのいずれか１項に記載の圧送ユニット（３）を有する燃料電池システム（１）の利用法において、車両で走行駆動部および／または補助負荷部に電気エネルギー供給をするための利用法。

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