(57)【要約】特に燃料電池（１１）用の一体型水分離器を備えた加湿器（３７）であって、水蒸気透過膜（３８）と、水を分離するための分離器要素（４８、４９）とを備え、膜（３８）が、第１の側（４０）において第１の湿ったガス流れのための第１のチャネル（４１）と接触し、第２の側（４２）において加湿される第２の乾燥したガス流れのための第２のチャネル（４３）と接触しており、燃料電池の排気ガス流れと作動媒体流れとの間の最適な水分の交換を可能にする加湿器（３７）を提供するために、複数の別々の分離器要素（４８、４９）を膜（３８）の第１の側（４０）に配置することが提案される。さらに、上述した加湿器を備えた燃料電池システムおよび乗り物が提供される。
2019503047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気透過膜（３８）と、水を分離するための分離器要素（４８、４９）とを備え、膜（３８）が、第１の側（４０）において第１の湿ったガス流れのための第１のチャネル（４１）と接触し、第２の側（４２）において加湿される第２の乾燥したガス流れのための第２のチャネル（４３）と接触し、複数の別々の分離器要素（４８、４９）が、膜（３８）の第１の側（４０）に配置されていることを特徴とする、特に燃料電池（１１）用のプロセスガスを加湿するための加湿器（３７）。
【請求項２】
分離器要素（４８）のうちの少なくとも一部が、膜（３８）と接触して液体体積を受けるように設計されることを特徴とする請求項１に記載の加湿器（３７）。
【請求項３】
分離器要素（４８、４９）を支持する複数の流れウェブ（４７）が、膜（３８）の第１の側（４０）に配置され、流れウェブ（４７）は、膜（３８）の第２の側（４２）に配置することもでき、第１の側（４０）の流れウェブ（４７）に相当するように配置することができることを特徴とする請求項１または２に記載の加湿器（３７）。
【請求項４】
流れウェブ（４７）のうちの少なくとも一部が、分離器要素として設計されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の加湿器（３７）。
【請求項５】
加湿器（３７）は、プレート加湿器であり、分離器要素（４８、４９）は、膜（３８）を支持するように設計できることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の加湿器（３７）。
【請求項６】
第１のチャネル（４０）、第２のチャネル（４３）および膜（３８）の複数の層を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の加湿器（３７）。
【請求項７】
加湿器（３７）は、分離された水を収集するための収集容器（４６）であって、第１のチャネルに接続された収集容器（４６）を備え、収集容器（４６）は、分離された液体水用の排水口を供え、この排水口は、溢流出口および／または制御可能な排水弁として設計できることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の加湿器（３７）。
【請求項８】
第１の側（４０）の膜（３８）には、部分的に多孔質被覆（５０）が設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の加湿器（３７）。
【請求項９】
燃料電池スタック（１０）と、
アノード作動媒体を燃料電池スタック（１０）に供給するためのアノード供給経路（２１）を有しかつ燃料電池スタック（１０）からアノード排気ガスを排出するためのアノード排気ガス経路（２２）を有するアノード供給ユニット（２０）と、
カソード作動媒体を燃料電池スタック（１０）に供給するためのカソード供給経路（３１）および燃料電池スタック（１０）からカソード排気ガスを排出するためのカソード排気ガス経路（３２）を有するカソード供給ユニット（３０）と、
請求項１〜８のいずれか１つに記載の加湿器（３７）であって、アノード供給ユニット（２０）および／またはカソード供給ユニット（３０）内に配置される、加湿器（３７）と、
燃料電池スタック（１０）からの湿った排気空気の流れ方向に加湿器（３７）の下流に配置された、任意選択のタービン（３６）と、
を備える、乗り物。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の加湿器を備える、および／または、請求項９に記載の燃料電池システム（１００）を備える、乗り物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池用のプロセスガスを加湿するための加湿器であって、水蒸気透過膜と、水を分離するための分離器要素とを備え、膜が、第１の側において第１の湿ったガス流れのための第１のチャネルと接触し、第２の側において加湿される第２の乾燥したガス流れのための第２のチャネルと接触している、加湿器、加湿器を備えた燃料電池システム、およびそのような加湿器および／またはそのような燃料電池システムを備えた乗り物に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸素の化学反応を利用して水を生成するとともに電気エネルギーを生成する。この目的のために、燃料電池は、核心となる構成要素として膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）として知られるものを含み、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性（通常プロトン伝導性）の膜と、膜の両側に配置された各触媒電極（アノードおよびカソード）とのシステムである。電極は通常、支持された貴金属、特に白金を備える。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、膜とは反対側の電極の側で膜電極アッセンブリの両側に配置可能である。通常、燃料電池は、スタックとして配置された複数のＭＥＡによって形成され、これらの電力出力は、加法的である。個々の膜電極アッセンブリの間にバイポーラプレート（流れ場プレートとも呼ばれる）が一般に配置されており、個々の電池への作動媒体つまり反応物の供給を確実にし、また一般に冷却のために使用される。バイポーラプレートはさらに、膜電極アッセンブリへの電気伝導性接触を確実にする。
【０００３】
燃料電池の作動中に、燃料（アノード作動媒体）特に水素Ｈ2または水素含有ガス混合物が、アノード側へと開いているバイポーラプレートの流れ場を介してアノードに供給され、そこで、電子を放出するＨ2のＨ+への電気化学的酸化が生じる（Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-）。プロトンＨ+は、気密な仕方で反応室を互いに分離しかつ電気的に絶縁する電解質または膜を介して、アノード室からカソード室へ輸送（水の結合したまたは無水の輸送で）される。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに案内される。Ｏ2のＯ2-への還元が生じ、電子を吸収する（１／２Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｏ2-）ように、酸素または酸素含有ガス混合物（例えば空気）が、カソード側へと開いているバイポーラプレートの流れ場を介してカソードに供給される。同時に、酸素陰イオンが、膜を介して輸送されたプロトンとカソード室内で反応し、水を生成する（Ｏ2-＋２Ｈ+  →  Ｈ2Ｏ）。
【０００４】
現在の最も先進的な燃料電池技術は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）に基づき、膜は、加湿された高分子電解質（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））で作成され、水が結合した電解質の伝導が水和プロトンを介して生じる。このような高分子電解質膜は、プロトン伝導のために水の存在に依存する。特定の温度より下では、カソードで生成した生成水は依然として、膜の加湿のための十分な水分の供給源であり得る。しかしながら、より高い温度では、水分は、カソード排気ガスと一緒に燃料電池スタックから次第に除去される。燃料電池膜が乾燥し切るのを防止するために、水分の除去は、水を能動的に供給することによって補償する必要がある。
【０００５】
例えば、通常カソード室に供給される空気である、燃料電池に供給されるプロセスガスを加湿するために、外部加湿装置（加湿器）を使用することが知られている。このプロセスでは、特に、カソード室の排気空気と一緒にスタックから除去される水分の一部が再循環される。
【０００６】
燃料電池システムのアノード／カソード排気ガス経路はさらに、例えばアノード／カソード供給経路内の圧縮機を駆動するように、排気ガスの膨張を用いてエネルギーを生成するためのタービンを備える。このタービンは、排気ガス中に含まれる液体水によって、または凝縮物生成によって損傷を受ける可能性がある。そのため、タービンは通常、加湿器の下流で、任意選択的にはさらなる水分離器の下流で、排気ガスライン内に配置される。従来技術では、加湿器と水分離器の互いに対するさまざまな配置が知られている。
【０００７】
ＤＥ１０２０１２０１８８６３Ａ１では、気体／気体加湿装置が開示されており、この加湿装置を通過して、燃料電池へと流れる作動媒体流れと、燃料電池から流出する排気ガス流れとが流れ、これらは、加湿装置の内部で水蒸気透過膜によって分離される。気体／気体加湿装置はさらに、水分排気ガスの流れ方向に膜の下流で一体化された一体型水分離器を備える。
【０００８】
燃料電池システム内に同様に構成された加湿器がＤＥ１０２０１３００３５９９Ａ１に開示されており、そこでは、衝撃保護要素が、加湿器に流入する湿ったガスが膜に直接衝突すること、そしてそれを液体水で塞ぐことを防止する。
【０００９】
ＤＥ１０２０１２０１４６１１Ａ１には、燃料電池システム用の分離器が記載されており、この分離器は、親水性膜を利用し、この膜を通って、液体水が通過でき、従って、ガスの流れから分離可能である。
【００１０】
下流分離器を備える上述した加湿器は、加湿器が膜を均一に加湿するのを確実に保証することができないという不利益を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明の目的は、最新技術の不利益の少なくとも一部を克服しかつ燃料電池の排気ガス流れと作動媒体流れとの間の最適な水分の交換を可能にする燃料電池システム用の加湿器を提案することである。
【００１２】
本発明によれば、特に燃料電池用のプロセスガスを加湿するための加湿器が提供され、この加湿器は、水蒸気透過膜と、水（水蒸気）を分離するための分離器要素とを備え、膜が、第１の側において第１の水蒸気含有、従って湿った、ガス流れのための第１のチャネルと接触し、第２の側において加湿される第２の乾燥したガス流れのための第２のチャネルと接触し、複数の別々の分離器要素が、膜の第１の側に配置されている。
【００１３】
このような仕方で、例えば燃料電池スタックまたは燃料電池システムにおいて、有利には、燃料電池スタックから来る排気空気の水分の一部が、燃料電池スタックのための乾燥した供給空気に移動可能であり、それによって、高温での作動中の燃料電池の電力密度および耐用寿命が増大する。上述した燃料電池の電力密度および耐用寿命の増大に加えて、排気空気から熱エネルギーおよび圧力エネルギーなどの残留エネルギーを回収するように燃料電池システム内のタービンを通って排気空気が伝達されるが、水滴がこのタービンを損傷する可能性があるので、しばしば水を分離する必要がある。
【００１４】
加湿器内に水分離器を一体化することによって、加湿器の下流に配置されるひょっとしたら１つのさらなる水分離器だけが必要となることが、さらに達成される。
【００１５】
本発明による加湿器内に使用するための適切な親水性膜は、当業者に知られている。例えば、膜は、Ｎａｆｉｏｎを含むか、またはＮａｆｉｏｎから成ることができる。
【００１６】
本発明による加湿器は好ましくは、平面の膜を備えたプレート加湿器であり、第１および第２のチャネル、膜、および分離器要素を備えた前記の構造は、加湿器スタックを得るような繰り返しの仕方で構成可能であり、加湿器スタックは、膜の表面積の増大により、さまざまな燃料電池システムのそれぞれの与えられた条件に有利に適合可能である。
【００１７】
分離器要素は好ましくは、膜を加湿する水を表面積全体に亘って分離するように膜の表面積全体に亘って分配され、それによって、結果として望ましくない圧力変動が生じ得るガス流れの速度を減少させずに、有利に加湿器の効率の増大が達成される。
【００１８】
分離器要素は好ましくは、膜に隣接する複数の流れウェブによって固定され、流れウェブはさらに、２つのガス流れの間の最適な水分の交換を生じさせるように慎重に膜に亘ってガス流れを案内する。さらに、流れウェブは有利には、分離器要素としても役に立つ。
【００１９】
分離器要素は有利にはまた、膜を支持しまたは安定化させるように使用される。
【００２０】
対応する流れウェブはまた、加湿されるガス流れを案内するように膜の第２の側に設けられ得る。
【００２１】
流れウェブは好ましくは、直線的な仕方で延在するが、例えば、流れウェブが同様に分離器要素として少なくとも部分的に役に立つものである場合、流れウェブが直線的な仕方で案内されない流れウェブの好ましい実施例も提供される。
【００２２】
分離器要素は好ましくは、第１のチャネルの高さに相当する高さを有する。対照的に、流れウェブは、同様にこの高さを有することができるが、ガス流れはより低い高さでさえも案内されるので、より低い高さを有することもできる。流れウェブが、少なくとも部分的に分離器要素として設計される場合も、第１のチャネルの高さに相当する高さが好ましい。
【００２３】
分離器要素、および任意選択の流れウェブも好ましくは、燃料電池システムの特定の作動状態において排気空気内で利用可能な水がより少ない場合ですら、加湿のために有利にいつも十分な水が利用可能であるよう、分離器要素、および任意選択の流れウェブも膜と接触して液体体積を吸収できるように、少なくとも部分的に設計される。
【００２４】
このような分離器要素を形成するために、これらは、重力に関連して、水を受けることができる凹部を有する必要がある。この凹部は、膜へと、好ましくはチャネルの壁へと開いているように設計される。
【００２５】
本発明の特に好ましい実施例によれば、加湿器は、膜を貫通せずに、膜上を流れる分離された水を収集するための収集容器を含む。この収集容器は、膜の領域に配置され、さらに、第１のチャネルに接続される。この収集容器は、燃料電池システムの特定の作動状態において蓄積される全ての水を受けることはできないので、この収集容器は好ましくは、溢流出口および／または制御可能な排水弁として設計可能な排水口を含む。
【００２６】
収集容器の領域において、分離器要素は、付加的に液体体積を受けるために使用されず、分離のために使用されるだけで十分である。
【００２７】
この収集容器はさらに、より多くの水が必要とされる作動状態のための水用の貯蔵器として役に立つ。この目的のために、膜は好ましくは、水を引き出すよう収集容器内に直接的または間接的に延在するように設計される。
【００２８】
すでに記載したように、分離器要素および任意選択の流れウェブも膜と接触して液体体積を受けるように設計可能である。この実施例では、収集容器に隣接して配置された分離器要素、および任意選択の流れウェブは、純粋な分離器要素として設計可能である。
【００２９】
好ましい実施例によれば、分離器要素および／または流れウェブは、このような仕方で、水が、膜の近傍に貯蔵可能であり、必要なときに放出可能であるように、多孔質材料から作成可能である。
【００３０】
さらに、膜には一方の側で部分的に多孔質被覆が設けられることが規定可能であり、分離器要素は好ましくは、湿ったガスがこの被覆に亘って流れた後でのみ利用可能である。被覆は好ましくは、分離された水が毛細管現象のような仕方で被覆を介して膜全体に供給されるように、分離器要素によって分離された水用の収集容器内にはみ出す。
【００３１】
加湿器は、第１のガス流れおよび第２のガス流れが、交差流、向流、または並流で案内されるように、設計可能である。上述した流れウェブは、それに応じて設計可能である。
【００３２】
本発明によれば、燃料電池スタックと、アノード作動媒体を燃料電池スタックに供給するためのアノード供給経路を有しかつ燃料電池スタックからアノード排気ガスを排出するためのアノード排気ガス経路を有するアノード供給ユニットと、カソード作動媒体を燃料電池スタックに供給するためのカソード供給経路および燃料電池スタックからカソード排気ガスを排出するためのカソード排気ガス経路を有するカソード供給ユニットと、を備える燃料電池システムがまた請求され、加湿器は、アノード供給ユニットおよび／またはカソード供給ユニット内に配置される。
【００３３】
本発明はさらに、本発明による加湿器または燃料電池システムを備えた乗り物に関係する。
【００３４】
本発明のさらなる好ましい実施例は、従属請求項に述べられる残りの特徴から明らかとなるであろう。
【００３５】
本願に記載された本発明のさまざまな実施例は有利には、個々の場合に特に明記しない限り、互いに組み合わせ可能である。
【００３６】
本発明は、添付の図面に基づいて例示的な実施例において以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】加湿器を備えた、本発明による燃料電池システムの概略図を示す。
【図２】分離器要素および直線の流れチャネルを備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【図３】第２の実施例による分離器要素および直線の流れチャネルを備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【図４】液体体積を受けるように構成された分離器要素および直線の流れチャネルを備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【図５】第２の実施例による液体体積を受けるように構成された分離器要素および直線の流れチャネルを備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【図６】液体体積を受けるように構成された分離器要素および波形の流れチャネルを備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【図７】分離器要素および液体体積を受けるように設計された多孔質分離器要素を備えた、本発明による加湿器の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、本発明の好ましい実施例による、全体が参照符号１００で表された燃料電池システムを示す。燃料電池システム１００は、詳細は図示していない乗り物、特に燃料電池システム１００によって電気エネルギーが供給される電気的牽引モータを備えた電気自動車の一部である。
【００３９】
燃料電池システム１００は、スタックの形態で配置された複数の個々の電池１１を含む、核心となる構成要素としての燃料電池スタック１０を備える。個々の各電池１１は、イオン伝導性の高分子電解質膜１４によって互いに分離されたそれぞれのアノード室１２およびカソード室１３を備える。アノード室１２およびカソード室１３は、燃料電池反応のそれぞれの部分反応に触媒作用を及ぼすそれぞれの触媒電極であるアノードまたはカソード（図示せず）を備える。アノード電極およびカソード電極は、大きな比表面積を有する導電性担体材料例えば炭素をベースにした材料に支持されて存在する触媒材料例えば白金を備える。さらに、参照符号１５で表されたそれぞれのバイポーラプレートが、このような２つの膜電極アッセンブリの間に配置され、アノード室１２およびカソード室１３に作動媒体を供給するように使用され、さらに、個々の燃料電池１１の間に電気的接続を確立する。
【００４０】
燃料電池スタック１０に作動ガスを供給するために、燃料電池システム１００は、一方にアノード供給ユニット２０と、他方にカソード供給ユニット３０とを備える。
【００４１】
アノード供給ユニット２０は、アノード作動媒体（燃料）例えば水素を燃料電池スタック１０のアノード室１２に供給するように使用されるアノード供給経路２１を備える。この目的のために、アノード供給経路２１は、燃料貯蔵タンク２３を燃料電池スタック１０のアノード入口に接続する。アノード供給ユニット２０はさらに、燃料電池スタック１０のアノード出口を介してアノード室１２からアノード排気ガスを除去するアノード排気ガス経路２２を備える。燃料電池スタック１０のアノード側１２のアノード作動圧力は、アノード供給経路２１内の設定手段２４を用いて設定可能である。さらにアノード供給ユニット２０は図示のように、アノード排気ガス経路２２をアノード供給経路２１に接続する燃料再循環ライン２５を備えることができる。一般に超化学量論的に使用される燃料をスタックに戻してそれを使用するために、燃料を再循環させるのが一般的である。再循環の割合を設定するために使用可能な圧縮機２６が、一例として燃料再循環ライン２５に配置される。
【００４２】
カソード供給ユニット３０は、酸素含有カソード作動媒体特に周囲領域から取り込まれる空気を燃料電池スタック１０のカソード室１３に供給するカソード供給経路３１を備える。カソード供給ユニット３０はさらに、燃料電池スタック１０のカソード室１３からカソード排気ガス（特に排気空気）を除去し、これを任意選択的に図示していない排気ガスシステムに供給するカソード排気ガス経路３２を備える。
【００４３】
カソード作動媒体を供給しかつ圧縮するために、圧縮機３３がカソード供給経路３１内に配置される。図示した例示的な実施例では、圧縮機３３は、対応する電力電子機器３５を備えた電気モータ３４によって駆動される、主に電気モータで作動される圧縮機として構成される。圧縮機３３はさらに、共用シャフト（図示せず）を介して支持する仕方で（ひょっとしたら可変タービン構造を有する）カソード排気ガス経路３２内に配置されたタービン３６によって駆動可能である。
【００４４】
燃料電池システム１００はさらに、本発明による加湿器３７を備える。加湿器３７は、一方で、カソード作動ガスが通過できるように、カソード供給経路３１内に配置される。他方で、それは、カソード排気ガスが通過できるように、カソード排気ガス経路３２内に配置される。加湿器３７は、平面の設計を有する複数の水蒸気透過膜３８を備える。比較的乾燥したカソード作動ガス（空気）が、膜３８の一方の側に亘って流れ、比較的湿ったカソード排気ガス（排気ガス）が、他方の側に亘って流れる。カソード排気ガス中の水蒸気のより高い分圧によって駆動されて、水蒸気は、膜を介してカソード作動ガス中へと移動し、従ってカソード作動ガスは加湿される。
【００４５】
タービン３６の上流で、加湿器３７の下流に配置されたカソード排気ガス経路の部分は付加的に、水分離器３８を備え、水分離器３８は、加湿器３７を通過した後でさえカソード排気ガス中に依然として飛沫同伴される水蒸気によるタービンへの損傷を防止する。
【００４６】
アノード供給ユニット２０およびカソード供給ユニット３０のさまざまな付加的な詳細は、理解しやすいように簡略化した図１には図示しない。結果として燃料電池反応から生じる生成水を凝縮させて排出するために、アノード排気ガス経路２２内に水分離器を設置することも可能である。最後に、アノード排気ガスライン２２は、アノード排気ガスおよびカソード排気ガスが共用の排気ガスシステムを介して除去されるように、カソード排気ガスライン３２内に開くことができる。カソード供給ユニット３０は、カソード供給ライン３１をカソード排気ガスライン３２に接続し、従って、燃料電池スタック１０のバイパスを表す、廃棄ゲートラインを備えることもできる。
【００４７】
燃料電池システム１００の全ての設定手段２４、２６、３８は、制御可能または制御不能の弁またはフラップとして設計可能である。燃料電池スタック１０を周囲領域から隔離できるように、対応するさらなる設定手段をライン２１、２２、３１、３２内に配置可能である。
【００４８】
図２〜図７に示す加湿器の実施例は、より理解しやすいように高度に簡略化されかつひょっとしたら正確でない仕方で示される。膜３８は、第１の側４０において第１の湿ったガス流れ（図１で説明したカソード排気ガス）を有する第１のチャネル４１に隣接し、第２の側４２において加湿される第２のガス流れ（カソード作動ガス）を有する第２のチャネル４３に隣接しており、常に像平面内に配置される。従って、図２〜図７の膜の上面図では、第１の側４０を見ることができ、第１の側４０を介して、第１の湿ったガス流れがチャネル４１内を流れる。矢印４４で表される分離された水は、膜３８を介して重力ｇの方向に案内される。膜３８、第１のチャネル４１および第２のチャネル４３は、図示しないハウジングの一部であるフレーム４５内に固定される。フレーム４５はさらに、液体水用のの収集容器４６を備えており、液体水は、膜３８の領域で分離され、矢印４４に示すように重力に従い、収集容器４６が配置されている膜３８の下部に到達し、収集容器４６内に案内される。加湿器３７のこの構成により、燃料電池システム１００の対応する作動状態において、第１のガス流れが低い水分含有量を有しているだけの場合でさえ、膜３８が、毛細管現象を通して、水を収集容器から重力ｇとは反対に膜３８の乾燥領域へと伝えるので、膜３８の加湿は、収集容器４６内に存在する水を通して起こり得る。収集容器は、過剰な水を排出するために、ここでは図示しない溢流出口、排水弁または同様のものを含むことができる。
【００４９】
湿ったガス流れが沿って案内される膜３８の第１の側４０には、図２〜図５、図７から明らかなように、直線の流れウェブ４７が互いに平行して配置され、流れウェブ４７は、ガス流れを膜３８の表面積全体に亘って案内するとともに、膜３８を支持する。流れウェブ４７は好ましくは、液体水が容易に収集容器４６に到達できるように、湿ったガス流れを含む第１のチャネル４１より低い高さを有する。分離器要素４８が、図２、図３、図７に示すように、流れウェブ４７に配置されており、そこで、湿ったガス流れ内に飛沫同伴される水が、分離され、次いで、膜３８を介して重力の方向に排出され、プロセスにおいて膜を加湿する。説明したように、液体水は、分離器要素３８において分離され、同時に、膜３０の表面積も、湿ったガス流れ自体によって加湿される。これは、加湿器３７の全ての実施例に当てはまる。分離器要素４８は、互いの上に（図２）または互いにずれて（図３）流れウェブ４７に配置できる。分離器要素が、例えば、分離器要素４８を通してより強力な加湿を経験するよう一般に他の領域より乾燥した膜３８の領域を確保するように、膜３８の表面積に亘って不均一に分布されることも規定される。分離器要素４８の高さは好ましくは、最も高い可能な効率を達成するようにかつ膜３８を支持するように、第１のチャネルの高さに相当する。しかしながら、分離器要素４８は、膜３８の表面積に亘って、特定の領域が、目標となる仕方で、より強力に加湿可能となるように、さまざまな高さを有することもできる。
【００５０】
分離器要素４８は同様に、収集容器４６の領域に設けられるが、好ましくは、分離器要素４８が、流れウェブ４７を使用せずに、膜３８に隣接するよう配置可能となるように、そこに流れウェブ４７が配置される必要はない。これは、図２〜図７による全ての実施例に当てはまる。
【００５１】
加湿器３７の分離器要素４８の特に好ましい実施例が、図４に示されており、そこでは、分離器要素４８は、液体水の所定の体積（液体体積）を受けるように設計され、膜３８に隣接する。これは、重力ｇに関連して、分離された水を受けることができる凹部が分離器要素４８に形成されるので、達成される。分離器要素４８またはその凹部は、分離器要素４８の凹部内の水が膜３８と直接接触するよう、膜３８へと開いているように設計される。分離器要素４８の高さは凹部と共に好ましくは、他方の側の凹部が好ましくは第１のチャネル４１の壁によって範囲が定められるように、第１のチャネル４１の高さに相当する。この側では、凹部は、閉じているように設計することもできるが、これは、製造の複雑さを増大させることを伴うので、開いている設計が好ましい。収集容器４６の領域の分離器要素４８は、ここでは、収集容器４６内の水が膜３８の加湿のために利用できるので、凹部なしで設計できる。
【００５２】
図５は、図４に対する分離器要素４８の代替の実施例を示し、分離器要素４８は、液体水の所定の体積（液体体積）を受けることができるように設計され、膜３８に隣接する。ここでは、これらの分離器要素４８は、曲げられた細長い材料片によって形成され、この曲がりが、液体水を受けるための凹部を形成する。先の実施例でのように、水は次いで、膜３８および第１のチャネル４１の壁と直接接触する。図４において説明したように、収集容器４６の領域の分離器要素４８は、凹部を有していない。
【００５３】
図６は、加湿器３７の実施例を示し、そこでは、流れウェブ４７は、有利には、湿ったガスが、膜のより大きな領域に亘って案内され、よりいっそう均一な加湿が達成できるように、波形である。流れウェブ４７の波形の構成に適合するように、同様に水を受けるための凹部を有する分離器要素４８がその上に設けられる。凹部の横方向の範囲は、図４、図５の実施例に類似して設計される。さらなる分離器要素４９が、波形の流れウェブ４７の最高点に配置されており、水を分離するだけで、膜３８と接触して水を保持しない。図４において説明したように、収集容器４６の領域の分離器要素４８は、凹部を有していない。
【００５４】
図７の加湿器３７の実施例では、膜３８の一部に、ガス流れの大部分の水分を吸収しこれを加湿のために膜３８に均一に放出する多孔質層５０が設けられる。多孔質被覆５０を通過した後にのみガス流れが亘って流れる膜３８の一部は、再び、分離器要素４８であり、分離器要素４８は、多孔質被覆５０との接触を通して分離されない水の部分がガス流れから除去可能となるように、流れウェブ３７に配置される。分離器要素４８において分離された水は、収集容器４８に到達し、その中に、多孔質被覆５０が設けられた膜３８がはみ出し、膜３８が再びこの水を引き寄せるので、この水はまた、膜３８に亘って分布可能である。分離器要素４８および凹部は、図４について説明したように、収集容器４６の領域には形成されない。
【符号の説明】
【００５５】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…個々の電池
１２…アノード室
１３…カソード室
１４…高分子電解質膜
１５…バイポーラプレート
２０…アノード供給ユニット
２１…アノード供給経路
２２…アノード排気ガス経路
２３…燃料タンク
２４…設定手段
２５…燃料再循環ライン
２６…圧縮機
３０…カソード供給ユニット
３１…カソード供給経路
３２…カソード排気ガス経路
３３…圧縮機
３４…電気モータ
３５…電力電子機器
３６…タービン
３７…加湿器
３８…膜
３９…分離器
４０…第１の側
４１…第１のチャネル
４２…第２の側
４３…第２のチャネル
４４…矢印
４５…フレーム
４６…収集容器
４７…流れウェブ
４８…分離器要素
４９…さらなる分離器要素
５０…多孔質被覆
ｇ…重力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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