(57)【要約】  媒体が供給される収集容器（１２）を備える、気体成分、特にＨ２から少なくとも１つの液体成分、特にＨ２Ｏを分離する気液分離器（２）であって、媒体の少なくとも液体成分の収集容器（１２）への分離が行われ、媒体の分離された部分が排出弁（４６）を介して収集容器（１２）から排出される。この場合、本発明によれば、気液分離器（２）は再循環ポンプ（９）のハウジング（１１）に組み込まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が供給される収集容器（１２）を備える、気体成分、特にＨ２から少なくとも１つの液体成分、特にＨ２Ｏを分離する気液分離器（２）であって、前記媒体の少なくとも前記液体成分の前記収集容器（１２）への分離が行われ、前記媒体の前記分離された部分が排出弁（４６）を介して前記収集容器（１２）から排出される、気液分離器において、再循環ポンプ（９）のハウジング（１１）に組み込まれていることを特徴とする、気液分離器（２）。
【請求項２】
流れ方向ＩＩで前記再循環ポンプ（９）のコンプレッサ室（２６）の下流に置かれ、特に出口（１８）の領域に位置することを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器（２）。
【請求項３】
流れ方向ＩＩで前記再循環ポンプ（９）のコンプレッサ室（２６）の上流に置かれ、特に入口（１６）の領域に位置することを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器（２）。
【請求項４】
前記気液分離器（２）によって、前記液体成分Ｈ２Ｏに加えて、気体成分Ｎ２が前記媒体から分離されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液分離器（２）。
【請求項５】
流出流路（２０）と仕切縁（８）と前記収集容器（１２）とを有し、前記流出流路（２０）が、特に前記仕切縁（８）の領域において、流れ方向ＩＩにまず第１テーパ部（１５）を、次いで半径（１７）を有する屈曲部（１９）を具備することを特徴とする、請求項２に記載の気液分離器（２）。
【請求項６】
前記入口（１６）と仕切縁（８）と前記収集容器（１２）とを有し、前記入口（１６）が、特に前記仕切縁（８）の領域において、流れ方向ＩＩにまず第２テーパ部（２１）を、次いで半径（１７）を有する屈曲部（１９）を具備することを特徴とする、請求項３に記載の気液分離器（２）。
【請求項７】
前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２は、遠心原理によって前記媒体から分離されることを特徴とする、請求項４に記載の気液分離器（２）。
【請求項８】
前記媒体は、前記第１テーパ部および／または前記第２テーパ部（１５、２１）の流過時に流れ方向ＩＩに加速されることと、前記媒体は、前記屈曲部（１９）を流れ方向ＩＩに流過するときに、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２がその程度にもとづいてより大きく偏向され、前記軽い成分Ｈ２がその程度にもとづいてより小さく偏向されるように偏向されることと、を特徴とする、請求項５〜７に記載の気液分離器（２）。
【請求項９】
前記媒体は、前記屈曲部（１９）の流過時に前記仕切縁（８）に当たり、前記軽い成分Ｈ２は、前記出口（１８）への流れ方向ＶＩＩに偏向され、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２は、前記収集容器（１２）への流れ方向ＶＩに偏向され、特に前記軽い成分Ｈ２のわずかな分量が一緒に前記収集容器（１２）に偏向され得ることを特徴とする、請求項８に記載の気液分離器（２）。
【請求項１０】
Ｈ２は、前記収集容器（１２）から吸引接続部（２９）を介して前記再循環ポンプ（９）の流入流路（７）へ戻されることを特徴とする、請求項２および９に記載の気液分離器（２）。
【請求項１１】
Ｈ２は、前記収集容器（１２）から吸引接続部（２９）を介して前記再循環ポンプ（９）の前記流入流路（７）または前記流出流路（２０）へ戻されることを特徴とする、請求項３および９に記載の気液分離器（２）。
【請求項１２】
前記吸引接続部（２９）は絞り部材（１４）を有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の気液分離器（２）。
【請求項１３】
前記収集容器（１２）と前記吸引接続部（２９）との間の領域に膜室（２３）が位置し、前記膜室（２３）は、特に膜挿入物（２５）を有することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の気液分離器（２）。
【請求項１４】
前記膜挿入物（２５）は、半浸透膜（３４）として形成されており、前記媒体の前記軽い成分Ｈ２が前記膜（３４）を通り抜けて移動できるのに対して、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２が前記膜（３４）を通り抜けて移動することは、特に分子サイズにもとづいて可能でないことを特徴とする、請求項１３に記載の気液分離器（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体成分から少なくとも１つの液体成分を分離する気液分離器に関し、気液分離器は、再循環ポンプのハウジングに組み込まれており、特に燃料電池駆動装置を有する車両の燃料電池システムにおいて使用するために、媒体の少なくとも液体成分の分離が行われる。
【背景技術】
【０００２】
車両分野においては、将来的に液体燃料と並んで気体燃料の役割が益々重要になる。特に燃料電池駆動装置を有する車両では水素ガス流を制御する必要がある。この場合、ガス流は、液体燃料を噴射するときのように断続的に制御されなくなり、ガスは少なくとも１つの高圧タンクから取り出され、中圧配管システムの流入管路を介してエジェクタユニットに導かれる。このエジェクタユニットは、ガスを低圧配管システムの接続管路を介して燃料電池へ送る。特に未使用の水素と不活性成分、特に水および窒素とからなる燃料電池の排ガスは再循環路を介して再循環される。
【０００３】
特許文献１から、燃料電池から放出される気体成分、特に排ガスから液体成分、特に水を分離するための気液分離器が知られている。その際、この気液分離器はハウジングを形成し、導入管を介してこのハウジングに排ガスが供給される。ハウジングにおいて、排ガス中に含まれる水が排ガスから分離される。その後、以下にＨ２と呼ばれる水素などの物質を含む排ガスが出口管を介して燃料電池に戻される。さらにハウジングが排ガス接続部を有し、分離および貯留された水は、この排ガス接続部を介してハウジングから外へ排出される。
【０００４】
特許文献１から公知の気液分離器には多少の欠点がある。
【０００５】
公知の気液分離器は追加部品として、燃料電池システムの周辺において、特に流体的に結合される必要がある。つまり気液分離器は追加構成要素として存在し、それ専用のハウジングと専用の管路結合とを必要とする。
導入管を介してハウジングに導入される燃料電池の排ガスは、以下にＨ２Ｏと呼ばれる水成分と並んで、他の重い成分、特に、以下にＮ２と呼ばれる気体窒素も含み、窒素は、Ｈ２と並んで再びハウジングから、例えば出口管を介して再び燃料電池へ送られる。したがって気液分離器は略純粋なＨ２だけでなく、例えばＮ２などの他の重い成分も燃料電池へ返送するという欠点を有する。それにより燃料電池、したがって燃料電池システムの効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１４２２０８９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
請求項１を参照して、再循環ポンプのハウジングに組み込まれる気液分離器が提示される。このように気液分離器は再循環ポンプのハウジングに組み込まれているので、気液分離器が付加的ハウジングを必要としないという利点を得ることができる。それによって別個の気液分離器ハウジングのための材料コストおよび／または製造コストを節減できるので、コスト削減を達成することができる。さらに、再循環ポンプのハウジングへの気液分離器の組み込みは、構成要素である再循環ポンプおよび／または気液分離器および／または燃料電池システム全体のために必要となる取付スペースが少なくなる、特に車両における取付スペースが少なくなるという利点を提供する。なぜなら、一つには別個の気液分離器ハウジングの所要スペースが必要でなくなり、および／または、特に気液分離器が再循環ポンプの内部の流れ管路に直接配置される場合、気液分離器を流体的に結合するための供給管路および排出管路がいらなくなるからである。それによって、再循環ポンプおよび／または気液分離器および／または燃料電池システム全体内の流れ抵抗が低減され、それによって効率を高めること、および／または運転コストを低減することができる。さらに、必要でなくなった供給管路および排出管路の組立コストおよび材料コストを節減することができる。
【０００８】
さらに、再循環ポンプのハウジングに気液分離器を組み込むことによって、気液分離器および／または再循環ポンプおよび／または燃料電池システム全体の冷間始動特性を改善できるという利点を得ることができる。したがって気液分離器が再循環ポンプのハウジングに組み込まれるので、気液分離器が低温に対してより良好に保護される。低温では、気液分離器に収集された液体Ｈ２Ｏが凍結し、それによって気液分離器を損傷する、ならびに／または燃料電池および／もしくは車両の冷間始動過程において、燃料電池システムにおける流動開始により一緒に送られる氷片が燃料電池システムの他の構成要素および／もしくは燃料電池自体を損傷する危険がある。したがって再循環ポンプおよび／または気液分離器および／または燃料電池システム全体の故障の可能性を低減することができる。
【０００９】
従属請求項は、本発明の好ましい展開形態に該当する。
【００１０】
特に有利な一実施形態では、気液分離器は、流れ方向で再循環ポンプのコンプレッサ室の下流に置かれ、特に出口の領域に位置する。このようにすることで、気液分離器が媒体から、特にＨ２から成分Ｈ２Ｏの分離を達成するための付加的エネルギーが必要とされないという利点を得ることができる。このために再循環ポンプによって媒体を加速および／または圧縮し、媒体が相応の速度および／または相応の圧力を備えることで十分であり、それによって気液分離器による媒体からの成分Ｈ２Ｏの分離を実行することができる。この場合、特に気液分離器が再循環ポンプの下流に置かれることが有利である。したがって気液分離器の領域に、例えばポンプなどの付加的構成要素の必要がない。それによって気液分離器および／または再循環ポンプおよび／または燃料電池システム全体の効率を高めることができ、運転コストを低減することができる。これに加えて、例えばポンプなど、気液分離器の領域のさらなる構成要素のためのさらなる部品コストがかからず、それによって燃料電池システム全体のコストを低減することができる。
【００１１】
有利な一展開形態では、気液分離器は、流れ方向で再循環ポンプのコンプレッサ室の上流に置かれ、特に入口の領域に位置する。このようにすることでＨ２Ｏを送られるべき媒体と一緒に再循環ポンプ、特にコンプレッサ室を貫流させなければならないという欠点を回避することができる。それによって再循環ポンプの効率を改善することができ、燃料電池においてエネルギー生成のために必要とされるＨ２の搬送量を増やし、それによって燃料電池の効率および／または能力を高めることができるという利点を得ることができる。その一方で、再循環ポンプのコンプレッサ室および／または再循環ポンプへのＨ２Ｏの流入を防ぐか、または少なくとも低減することができる。再循環ポンプに流入するＨ２Ｏは、再循環ポンプの可動部品および／または非耐食性の部品および／または電気部品を損傷させる可能性がある。Ｈ２Ｏの流入により再循環ポンプの部品が損傷すると電気的短絡が生じる可能性があり、この場合もまた燃料電池システム全体が損傷される可能性がある。したがって本発明の実施形態による気液分離器では、再循環ポンプおよび／または燃料電池システム全体の寿命を延ばすことができる。さらに燃料電池システム全体の故障の可能性を低減することができる。
【００１２】
有利な一実施形態では、気液分離器によって、液体成分Ｈ２Ｏに加えて気体成分Ｎ２が媒体から気液分離器によって分離される。このようにすることで、特に燃料電池からの再循環媒体の廃棄物である媒体の所望でない複数の成分が同時に気液分離器によって分離されるという利点を得ることができる。それによって、燃料電池システムにおいて燃料電池、特にアノード側でエネルギー生成のために必要とされる媒体の気体成分の分量が増加する。気液分離器によってＨ２から成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が分けられ、再循環ポンプの流出流路から外へ収集容器に導かれる。このことは、燃料電池および／または燃料電池システムの効率が高められる一方で、燃料電池の運転時に副産物および／または廃棄物として生じる所望でない成分を気液分離器によって分離することができ、それにより燃料電池におけるエネルギー生成のために必要とされる成分をより多く燃料電池に戻すことができるという利点を提供する。さらに、本発明による気液分離器の実施形態によって、燃料電池システムにおいて、気体Ｎ２を排出するために、例えば排出弁の形態の付加的構成要素が必要でなくなる。なぜならその仕事を気液分離器が引き受けるからである。したがって気液分離器は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２を媒体から一工程で分離する。このようにすることでＮ２を放出するための付加的な構成要素である排出弁が必要でなくなり、コストを節減できるという利点を得ることができる。さらに燃料電池システムの運転時のＨ２の必要量を低減することができ、そのこともまた運転コストにおけるコスト節減につながる。
【００１３】
特に有利な一展開形態では、気液分離器は、流出流路と仕切縁と収集容器とを有し、流出流路が、特に仕切縁の領域において、流れ方向にまず第１テーパ部を、次いで半径を有する屈曲部を具備する。このようにすることで、媒体および媒体の異なった成分は、仕切縁による分離プロセスにおいて、仕切縁がない場合の媒体のより大きい制動と比べて、それほど大きく制動されない。それにより仕切縁は媒体のより軽い成分Ｈ２からの重い成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の分離プロセスを支援する。それによって収集容器へのＨ２Ｏ、Ｎ２の、および出口へのＨ２の効率のよい、かつ流れ損失の少ない流出が可能になる。さらにＨ２含分の高い媒体が、そこから流れ方向にさらに流出管路を移動することができ、その際、Ｈ２含分の高い媒体のさらなる移送を可能にするために、少なくとも１つの容器の領域においてポンプまたはファンなどのさらなる流れ送り構成要素の必要がない。それにより、少なくとも１つの容器の領域、または少なくとも１つの容器におけるさらなる流れ送り構成要素、特に電気的に駆動されるポンプまたはファンの運転のためのエネルギーを低減することができる。それによって燃料電池システムの効率を高めることができ、運転コストを低減することができる。
【００１４】
有利な一実施形態では、気液分離器は、入口と仕切縁と収集容器とを有し、入口が、特に仕切縁の領域において、流れ方向にまず第２テーパ部を、次いで半径を有する屈曲部を具備する。このようにすることで、成分Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２からなる媒体が入口および第２テーパ部の流過時にまず加速され、次いで屈曲部によって流れ方向が転換されることをもたらすことができる。この場合、媒体は、特に媒体に対して生じる遠心力が最大である外側にある領域において仕切縁に当たる。それによって、特にＨ２より高い程度（Ｍａβｅ）を有する成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が流れ方向に、屈曲の外側領域に向かって、したがって仕切縁および収集容器に向かって偏向されるのに対して、成分Ｈ２は、そのより小さい程度にもとづいて屈曲の外側領域に向かってより小さく偏向され、それにより屈曲部のカーブ内側領域にわたってどちらかといえばより短い経路をとるという利点が生じる。それによって媒体のＨ２Ｏ、Ｎ２の高分量を達成することができ、したがって出口を介して再循環ポンプから流出する媒体が成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２を略全く含まないように気液分離器の分離プロセスの効率を高めることができるという利点が生じる。それによって燃料電池システム全体の効率を改善することができる。
【００１５】
有利な一展開形態では、気液分離器によって、成分Ｈ２ＯおよびＮ２が遠心原理によって媒体から分離される。さらに、媒体は、第１テーパ部および／または第２テーパ部の流過時に流れ方向に加速される。これに加えて、媒体は、流れ方向に屈曲部を流過するときに、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２がその程度にもとづいてより大きく偏向され、軽い成分Ｈ２がその程度にもとづいてより小さく偏向されるように方向が偏向される。このようにすることで、気液分離器によって、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が略完全に媒体から、特にＨ２から分離され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。それによって可能な限り高分量のＨ２を燃料電池に戻すことを確保でき、それによって燃料電池の効率および／または能力を高めることができる。さらに成分Ｈ２から成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２を分けるために、特に燃料電池システムにより、および／または上位のシステムである車両により付加的なエネルギーを提供する必要がない、および／またはごくわずかな量のエネルギーが提供されさえすればよいという利点を得ることができ、利点が得られ得る。このことは、第１テーパ部または第２テーパ部を流れる媒体が、特にベンチュリノズルのような働きをするそれぞれのテーパ部によって加速されることにより、高い流速を有することにもとづいている。この高い流速は、遠心原理によって成分を分ける際に有利に作用する。遠心原理によって気液分離器による分離プロセスの最適な能率をもたらすことができるようにするために、媒体にエネルギー、特に運動エネルギーをさらに導入する必要はない。それによって、燃料電池システムの効率を高めることができ、運転コストを低減することができる。
【００１６】
有利な一実施形態では、媒体が屈曲部の流過時に仕切縁に当たり、軽い成分Ｈ２は、出口への流れ方向に偏向され、成分Ｈ２ＯおよびＮ２は、収集容器への流れ方向に偏向され、特にわずかな分量の軽い成分Ｈ２が一緒に収集容器に偏向されてもよい。このようにすることで、分離プロセス時に仕切縁によって媒体と媒体の異なった成分とが仕切縁のない場合の媒体のより大きい制動と比べて、それほど大きく制動されない。したがって仕切縁は、媒体のより軽い成分Ｈ２からの重い成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の分離プロセスを、特に遠心原理によって支援する。それによって、収集容器へのＨ２Ｏ、Ｎ２の、および出口へのＨ２の効率の良い、かつ流れ損失の少ない流出が可能になる。さらにＨ２含分の高い媒体が、そこから流れ方向にさらに出口を通って移動することができ、その際、Ｈ２含分の高い媒体のさらなる移送を可能にするために、少なくとも１つの容器の領域においてポンプまたはファンなどのさらなる流れ送り構成要素の必要がない。それにより、少なくとも１つの容器の領域、または少なくとも１つの容器におけるさらなる流れ送り構成要素、特に電気的に駆動されるポンプまたはファンの運転のためのエネルギーを低減することができる。それによって燃料電池システムの効率を高めることができ、運転コストを低減することができる。
【００１７】
特に有利な一展開形態では、Ｈ２は、収集容器から吸引接続部を介して再循環ポンプの流入流路へ戻される。さらに、Ｈ２は、収集容器から吸引接続部を介して再循環ポンプの流入管路または流出流路へ戻される。このようにすることで、分離プロセス時に不都合にも、かつ不利にもＨ２Ｏ、Ｎ２とともに収集容器に流れる成分Ｈ２が、排出弁による収集容器の排気時にＨ２Ｏ、Ｎ２と一緒に外へ排出されることがないという利点を得ることができる。むしろ成分Ｈ２を再循環プロセスに戻すことができ、したがって燃料電池システムに戻すことができ、そこでこの成分を燃料電池における新たなエネルギー取得のために利用可能である。それによって、エネルギー取得のために燃料電池システムの外部から、例えば高圧タンクから追加移送するＨ２が少なくて済む。それによって、燃料電池システムの運転コストと、最終的に車両全体の運転コストを低減することができる。それによってさらにＨ２が可燃性であることから、例えば地下駐車場における車両の停止中などの特定の状況下で安全性が損なわれかねない、燃料電池システムの外側の領域へのＨ２の導出量の増加の必要を阻止することができる。さらに、燃料電池の効率および／または能力を高めることができるという利点を得ることができる。
【００１８】
有利な一実施形態では、吸引接続部は、絞り部材を有する。収集容器と再循環ポンプおよび燃料電池システムの流路とのさらなる接続を形成する吸引接続部にもとづいて、特定の前提条件下で再循環ポンプの効率が悪化する可能性がある。なぜなら、再循環ポンプは、コンプレッサ室においてコンプレッサホイールによって付加的エネルギーを生成しなければならず、かつ吸引接続部にもとづいて、特に流入流路の領域における低圧側と、特に流出流路の領域における高圧側との間で連続的な圧力交換と、したがって圧力損失とが起こるからである。ここで、収集容器の領域と再循環ポンプの流路との間を可能な限り大きく絞ることをもたらす絞り部材が使用されることにより、再循環ポンプの効率損失を小さく抑えることができる。したがって絞り部材によって、圧力損失が、例えば小さい流路径の横断面（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｄｕｒｃｈｍｅｓｓｅｒｑｕｅｒｓｃｈｎｉｔｔ）によって低減される。それによって高圧側と低圧側との間の圧力損失を小さく抑えることができ、それにより再循環ポンプの効率を高めることができ、運転コストを低減することができる。
【００１９】
有利な一展開形態では、収集容器と吸引接続部との間の領域に膜室が位置し、膜室は、特に膜挿入物を有する。さらに、膜挿入物は、半浸透膜として形成されており、媒体の軽い成分Ｈ２が膜を通って移動することができるのに対して、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が膜を通り抜けて移動することは、特にその分子サイズにもとづいて可能でない。このようにすることで、吸引接続部を介した低圧と高圧側との間の圧力損失が少なくなるという利点を得ることができる。なぜなら、膜が圧力低下作用を有するからである。さらに、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は膜を通過するには分子サイズが大きすぎるので、吸引接続部を介して再循環ポンプおよび燃料電池システムに戻り得ることが膜によって阻止されるという利点を得ることができる。しかし分離プロセス時に、不都合にも、かつ不利にもＨ２Ｏ、Ｎ２とともに収集容器に流出した成分Ｈ２は、膜に浸透し、したがって膜を通過することができる。なぜなら、Ｈ２の分子サイズがＨ２Ｏ、Ｎ２の分子サイズより小さいからである。さらに、Ｈ２Ｏが液体の状態の場合、膜は、Ｈ２Ｏが吸引接続部を通過することを表面張力にもとづいて阻止する。それによって、再循環ポンプおよび燃料電池システム全体の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例による気液分離器を有する燃料電池システムの模式図である。
【図２】第２実施例による気液分離器の模式図である。
【図３】第３実施例による気液分離器の模式図である。
【図４】第４実施例による気液分離器の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
【００２２】
図１による図示は、本発明の第１実施例による気液分離器２を有する燃料電池システム１を示し、気液分離器２は、例示的実施形態では、媒体から液体成分Ｈ２Ｏに加えて気体成分Ｎ２を分離し、特に気体成分Ｎ２は成分Ｈ２より高い程度を有する。
【００２３】
図１において、気液分離器２を有する再循環ポンプ９が示される燃料電池システム１が示され、気液分離器２は、再循環ポンプ９のハウジング１１に組み込まれている。さらに、燃料電池システム１が燃料電池３０と、組み込まれたジェットポンプ１０とを有することが示されている。この場合、構成要素である気液分離器２を有する再循環ポンプ９と組み込まれたジェットポンプ１０と燃料電池３０とは、管路によって流体的に互いに結合されている。燃料電池３０は、アノード領域３１とカソード領域３２とを有し、特に車両において水素、すなわちＨ２と、酸素、すなわちＯ２との反応によってエネルギーを生成するために用いられる。この場合、エネルギーを電気エネルギーの形で生成することができる。
【００２４】
この場合、本発明による気液分離器２および／または再循環ポンプ９は、接続管路４を介してアノード領域３１と流体的に結合されている。その際、特に燃料電池３０のアノード領域３１からの再循環媒体である媒体は、再循環のために再循環ポンプ９へ導かれる。その際、再循環媒体は略完全に、燃料電池３０内で酸素と化学的または電気的に反応しなかった未使用のＨ２と、燃料電池３０内のエネルギー取得プロセスからの廃棄物Ｈ２Ｏ、Ｎ２とからなる。その際、媒体は、アノード側の流れ方向ＩＩに接続管路４を通って再循環ポンプ９の入口１６へ流れ込む。これに代えて、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２を不活性ガス分と呼ぶこともでき、これらの成分は、燃料電池３０のアノード領域３１においてエネルギー取得のために用いることができない。したがって、燃料電池システム１の運転全体の効率が再循環路における成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２によって低下する。なぜならこれらの成分が気液分離器２によって分離されない場合、これらの成分は全アノード路を通じて、特に接続管路４と流出管路５と再循環ポンプ９とオプションで設けられた組み込まれたジェットポンプ１０と流入管路３とを通って一緒に送られることになるからである。したがって、その場合、燃料電池３０におけるエネルギー取得のために必要な成分Ｈ２が搬送および／または再循環される程度および／または体積も少なくなり得る。
【００２５】
さらに図１において、媒体が入口１６を介して流れ方向ＩＩに第２テーパ部２１を通って再循環ポンプ９の流入流路７に流れることが示されている。その際、媒体は、第２テーパ部２１の直径が縮径することにもとづいて加速されてから、流入流路７を通って再循環ポンプ９のコンプレッサ室２６に流入する。その際、ハウジング１１内の再循環ポンプ９はコンプレッサホイール１３を有し、コンプレッサホイール１３はコンプレッサ室２６に入っており、コンプレッサホイール１３は回転方向３５の回転を行う。外周にブレード翼３７が配置されているコンプレッサホイール１３の回転によって、再循環ポンプ９のコンプレッサ室２６において気体媒体の加速および／または圧縮が回転方向３５に流入流路７の領域から流出流路２０の領域へ行われる。コンプレッサホイール３７により気体媒体の加速および／または圧縮が行われた後に、気体媒体は流出流路２０から第１テーパ部１５を通って屈曲部１９の領域に流れる。屈曲部１９は半径１７を有し、屈曲部１９の領域において気体媒体の方向転換および／または流れ案内が行われる。その際、媒体が屈曲部１９を流れ方向ＩＩに流過するときに、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が遠心原理によって媒体から分離される。その際、媒体は、第１テーパ部１５を流過するときに流れ方向ＩＩに加速され、その後、媒体は、屈曲部１９を流れ方向ＩＩに流過するときに、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２がその程度にもとづいてより大きく偏向され、軽い成分Ｈ２は、その程度にもとづいてより小さく偏向されるように偏向される。その際、重い成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は流れ方向ＶＩに収集容器１２に流れ込み、それにより媒体から分離され、略完全にＨ２である媒体は流れ方向ＶＩＩに再循環ポンプ９の出口１８に向かってさらに（流れる）。その際、収集容器１２は、屈曲部１９の外径１７に配置されている。しかし、成分Ｈ２が分離プロセスの際に不都合にもＨ２Ｏ、Ｎ２とともに収集容器１２に流れることが考えられる。このＨ２が燃料電池システム１におけるさらなるエネルギー取得プロセスのために失われないようにするために、Ｈ２を、収集容器１２から吸引接続部９を介して再循環ポンプ９の流入流路７へ戻すことが予定されている。
【００２６】
さらに、図１において、収集容器１２がその下領域に排出弁４６を有し、排出弁４６がセンサ系２２と接続されていることが示されている。その際、センサ系２２は、Ｈ２Ｏ分とＮ２分とを、そして場合によっては収集容器１２におけるＨ２分および／または収集容器１２における圧力を連続的に検出し、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の濃度に関して特定の値、および／または圧力を超えると直ちに排出弁４６の制御が行われ、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が排出弁４６によって収集容器１２から、特に下領域から外へ放出される、および／または導かれる。燃料電池システム１の可能な例示的実施形態では、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は、排出弁４６によってオプションの戻し管路を介して燃料電池システム１の吸引路に達する。そこから成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は、吸引路を通ってさらに燃料電池３０のカソード領域３２に流れる。例示的実施形態では、吸引接続部２９が設けられており、この吸引接続部によって収集容器１２からのＨ２を導いて流入流路７に戻すことができ、それによりＨ２は燃料電池回路から導出されない。
【００２７】
図１から見て取れるように、第１実施例による気液分離器２は、流れ方向ＩＩで再循環ポンプ９のコンプレッサ室２６の下流に配置され、気液分離器２は、特に出口１８の領域に位置する。
【００２８】
媒体が再循環ポンプ９を流過し、出口１８を通って出て行った後に、特に略完全にＨ２である媒体がさらに流れ方向ＩＩに流出管路５を介して組み込まれたジェットポンプ１０に流れる。ジェットポンプ１０内には、いわゆるジェットポンプ効果が生じる。これに加えて、タンク２７、特に高圧タンク２７からの気体の作動媒体、特にＨ２が、例えばジェットポンプ１０の外側からタンク管路３３を通ってジェットポンプ１０に流れ込む。さらに、再循環媒体が再循環ポンプ９からジェットポンプ１０の吸引領域に送られる。次いで作動媒体が高圧下で吸引領域に導入される。その際、気体の作動媒体は流れ方向ＩＩの向きに流れる。高圧タンク２７からジェットポンプ１０の吸引領域に流れ、作動媒体として用いられるＨ２は、吸引領域に流れ込む再循環媒体との圧力差を有し、作動媒体は、特に少なくとも１０ｂａｒの比較的高い圧力を有する。ジェットポンプ効果が生じるようにするため、再循環媒体は、小さい圧力と小さい程度流（Ｍａβｅｎｓｔｒｏｍ）でジェットポンプ１０の吸引領域に送られる。その際、作動媒体は、上述の圧力差と、特に音速に近い高速とで吸引領域に流れ込む。その際、作動媒体は、すでに吸引領域にある再循環媒体に当たる。高速および／または作動媒体と再循環媒体との間の圧力差にもとづいて、媒体間に内部摩擦と乱流が生成される。その際、高速の作動媒体とはるかに低速の再循環媒体との間の境界層にせん断応力が発生する。この応力が力積の伝達（Ｉｍｐｕｌｓｕｅｂｅｒｔｒａｇｕｎｇ）をもたらし、再循環媒体が加速されて連れ去られる。運動量保存の原理（Ｐｒｉｎｚｉｐ  ｄｅｒ  Ｉｍｐｕｌｓｅｒｈａｌｔｕｎｇ）により混合が行われる。その際、再循環媒体は流れ方向ＩＩに加速され、再循環媒体についても圧力降下が生じ、それによって吸引作用が始まり、したがって再循環ポンプ９の領域からさらなる再循環媒体が追加搬送される。
【００２９】
ジェットポンプ１０において再循環媒体が作動媒体によって加速され、かつ２つの媒体が混合された後に、特に略完全にＨ２である新たに発生した媒体が流入管路３を通って燃料電池３０へ、特にアノード領域３１へ流れる。
【００３０】
図２の第２実施例による気液分離器２の模式図において、流出流路２０が屈曲部１９の領域に仕切縁８を有することが示される。その際、媒体は、屈曲部１９を流過するときに仕切縁８に当たり、軽い成分Ｈ２が出口１８への流れ方向ＶＩＩに偏向され、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は収集容器１２への流れ方向ＶＩに偏向され、特にわずかな分量の軽い成分Ｈ２が一緒に収集容器１２に偏向されてもよい。その際、仕切縁８は、分離プロセスに有利に作用する。なぜなら媒体の流れ方向ＶＩＩの重い成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２への分割は収集容器１２へ容易にし、その一方で軽い成分Ｈ２の流れ方向ＶＩＩの分割は出口１８へ容易にするからである。その際、媒体は、屈曲部１９を流過するときに屈曲部１９の外側領域に、特にカーブの外側領域に配置されている仕切縁８に当たる。さらに仕切縁８が先のとがった、および／またはくさび状の領域を有し、この領域が成分Ｈ２からの成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の分離を、特に遠心原理によって支援する。その際、屈曲部１９を流過するときに、媒体の成分に遠心力が作用し、このこともまたより軽い成分Ｈ２からの成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の分離を特に遠心原理によって容易にする。
【００３１】
その場合、これに加えて、流出流路２０が第１テーパ部１５によって流れ方向ＩＩに先細りになることが有利に作用する。それによって、この時点ではまだすべての成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２およびＨ２を有する媒体の流速を高め、それにより遠心力効果が大きくなり、したがって分離を容易にすることができる。その際、これに加えて、さらに仕切縁８が流出流路２０および／または屈曲部１９の最低点に、したがって重力の作用方向に向いた側に位置するように流出流路２０の屈曲部１９の領域に仕切縁８が配置されているならば有利に作用する。それによって、より重い成分とより軽い成分との遠心原理による分離を重力の作用によって支援することができ、それによってより効率のよい分離を達成することができる。
【００３２】
この場合、第２実施例による気液分離器２は、収集容器１２と、例えば再循環ポンプ９の流入流路７との間に吸引接続部２９を形成しない。それによって流出流路２０と流入流路７との間の圧力低下を阻止することができる。
【００３３】
図３において、第３実施例による気液分離器２の模式図が示されている。この場合、吸引接続部２９が絞り部材１４を有することが示されている。これに加えて、収集容器１２と吸引接続部２９との間の領域に膜室２３が位置することが示され、膜室２３は、特に膜挿入物２５を有している。この場合、膜挿入物２５は、半浸透膜３４として形成されており、媒体の軽い成分Ｈ２は膜３４を通り抜けて移動できるのに対して、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が膜３４を通り抜けて移動することは、特に分子サイズにもとづいて可能でない。この場合、吸引接続部２９は、収集容器１２の少なくとも略最高点に、したがって収集容器１２の、重力の作用方向から離反した側に位置するのに対して、排出弁４６は、収集容器１２の最低点に、したがって収集容器１２の、重力の作用方向に向いた側に位置する。それによってより重い成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２が収集容器１２内のその高い程度にもとづいて、どちらかといえば排出弁４６の方向に流れ、したがって重力の作用方向に向いた収集容器１２の下側の容積を満たすという利点を得ることができる。これとは異なり、より軽い成分Ｈ２は、収集容器１２におけるその小さい程度にもとづいて、もとづいて、どちらかといえば排出弁４６の方向に流れ、したがって重力の作用方向から離反した収集容器１２の上側の容積を満たす。それによって、重力の利用により収集容器１２において成分が層状に積み重なることによって、高分量の成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２を排出弁４６によって排出することができるのに対して、排出弁４６によるＨ２の流出は略完全に阻止されることがもたらされるという利点を得ることができる。さらに、重力の利用により収集容器１２において成分が層状に積み重なることによって、高分量の成分Ｈ２を、吸引接続部２９によって再循環ポンプに戻すことができることをもたらすことができる。
【００３４】
その際、成分Ｈ２は、吸引領域２９を介して、第２テーパ部２１の領域の後に位置する入口１６の、および／または流入流路７の領域に導かれ、この場合、この領域に特にジェットポンプ効果が形成される。
【００３５】
図４は、気液分離器２が流れ方向ＩＩで再循環ポンプ９のコンプレッサ室２６の上流に配置され、特に入口１６の領域に位置することを示す。この場合、再循環ポンプ９は、入口１６と仕切縁８と収集容器１２とを有し、入口１６は、流れ方向ＩＩにまず第２テーパ部２１を、次いで半径１７を有する屈曲部１９を特に仕切縁８の領域に具備する。媒体は、第２テーパ部２１を流過するときに流れ方向ＩＩに加速される。さらに、媒体は、流れ方向ＩＩに屈曲部１９を流過するときに、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２がその程度にもとづいてより大きく偏向され、軽い成分Ｈ２がその程度にもとづいてより小さく偏向されるように偏向される。その際、仕切縁８によって成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２と部分的にＨ２も収集容器１２へ偏向される。その際、Ｈ２は、収集容器１２から吸引接続部２９によって再循環ポンプ９の流出流路２０へ戻される。
【００３６】
本発明は本明細書中に記載された実施例、およびそのなかで強調された態様に限定されない。むしろ請求項に記載された範囲内で多数の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１    燃料電池システム
２    気液分離器
３    流入管路
４    接続管路
５    流出管路
７    流入流路
８    仕切縁
９    再循環ポンプ
１０  ジェットポンプ
１１  ハウジング
１２  収集容器
１３  コンプレッサホイール
１４  絞り部材
１５  第１テーパ部
１６  入口
１７  半径
１８  出口
１９  屈曲部
２０  流出流路
２１  第２テーパ部
２２  センサ系
２３  膜室
２５  膜挿入物
２６  コンプレッサ室
２７  タンク、高圧タンク
２９  吸引接続部
３０  燃料電池
３１  アノード領域
３２  カソード領域
３３  タンク管路
３４  膜
３５  回転方向
３７  ブレード翼
４６  排出弁
【図１】
2021502247.tif 000003
【図２】
2021502247.tif 000004
【図３】
2021502247.tif 000005
【図４】
2021502247.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月13日(2020.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が供給される収集容器（１２）を備える、気体成分、特にＨ２から少なくとも１つの液体成分、特にＨ２Ｏを分離する気液分離器（２）であって、前記媒体の少なくとも前記液体成分の前記収集容器（１２）への分離が行われ、前記媒体の前記分離された部分が排出弁（４６）を介して前記収集容器（１２）から排出される、気液分離器において、再循環ポンプ（９）のハウジング（１１）に組み込まれていることを特徴とする、気液分離器（２）。
【請求項２】
流れ方向ＩＩで前記再循環ポンプ（９）のコンプレッサ室（２６）の下流に置かれ、特に出口（１８）の領域に位置することを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器（２）。
【請求項３】
流れ方向ＩＩで前記再循環ポンプ（９）のコンプレッサ室（２６）の上流に置かれ、特に入口（１６）の領域に位置することを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器（２）。
【請求項４】
前記気液分離器（２）によって、前記液体成分Ｈ２Ｏに加えて、気体成分Ｎ２が前記媒体から分離されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液分離器（２）。
【請求項５】
流出流路（２０）と仕切縁（８）と前記収集容器（１２）とを有し、前記流出流路（２０）が、特に前記仕切縁（８）の領域において、流れ方向ＩＩにまず第１テーパ部（１５）を、次いで半径（１７）を有する屈曲部（１９）を具備することを特徴とする、請求項２に記載の気液分離器（２）。
【請求項６】
前記入口（１６）と仕切縁（８）と前記収集容器（１２）とを有し、前記入口（１６）が、特に前記仕切縁（８）の領域において、流れ方向ＩＩにまず第２テーパ部（２１）を、次いで半径（１７）を有する屈曲部（１９）を具備することを特徴とする、請求項３に記載の気液分離器（２）。
【請求項７】
前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２は、遠心原理によって前記媒体から分離されることを特徴とする、請求項４に記載の気液分離器（２）。
【請求項８】
前記媒体は、前記第１テーパ部および／または前記第２テーパ部（１５、２１）の流過時に流れ方向ＩＩに加速されることと、前記媒体は、前記屈曲部（１９）を流れ方向ＩＩに流過するときに、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２がその程度にもとづいてより大きく偏向され、前記軽い成分Ｈ２がその程度にもとづいてより小さく偏向されるように偏向されることと、を特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の気液分離器（２）。
【請求項９】
前記媒体は、前記屈曲部（１９）の流過時に前記仕切縁（８）に当たり、前記軽い成分Ｈ２は、前記出口（１８）への流れ方向ＶＩＩに偏向され、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２は、前記収集容器（１２）への流れ方向ＶＩに偏向され、特に前記軽い成分Ｈ２のわずかな分量が一緒に前記収集容器（１２）に偏向され得ることを特徴とする、請求項８に記載の気液分離器（２）。
【請求項１０】
Ｈ２は、前記収集容器（１２）から吸引接続部（２９）を介して前記再循環ポンプ（９）の流入流路（７）へ戻されることを特徴とする、請求項２または９に記載の気液分離器（２）。
【請求項１１】
Ｈ２は、前記収集容器（１２）から吸引接続部（２９）を介して前記再循環ポンプ（９）の前記流入流路（７）または前記流出流路（２０）へ戻されることを特徴とする、請求項３または９に記載の気液分離器（２）。
【請求項１２】
前記吸引接続部（２９）は絞り部材（１４）を有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の気液分離器（２）。
【請求項１３】
前記収集容器（１２）と前記吸引接続部（２９）との間の領域に膜室（２３）が位置し、前記膜室（２３）は、特に膜挿入物（２５）を有することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の気液分離器（２）。
【請求項１４】
前記膜挿入物（２５）は、半浸透膜（３４）として形成されており、前記媒体の前記軽い成分Ｈ２が前記膜（３４）を通り抜けて移動できるのに対して、前記成分Ｈ２ＯおよびＮ２が前記膜（３４）を通り抜けて移動することは、特に分子サイズにもとづいて可能でないことを特徴とする、請求項１３に記載の気液分離器（２）。
【国際調査報告】
2021502247.tif 000007
2021502247.tif 000008
2021502247.tif 000009
2021502247.tif 000010
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