(57)【要約】流体を混合するための装置、特にガス噴射弁、ノズル弁、混合ノズルまたはジェットコンプレッサが提案される。このために、第１の流体を案内するための第１の流体案内装置（１２）と、第２の流体を案内するための第２の流体案内装置（１３）とが設けられており、この場合、流体は、両流体案内装置（１２，１３）に接続している混合領域（１６）で互いに混合される。さらに、両流体案内装置（１２，１３）のうちの少なくとも一方の流体案内装置に、当該流体に乱流を生ぜしめるための手段（２０）と、当該流体の流れ方向に関して前記乱流を生ぜしめるため手段（２０）の下流側に配置された加熱装置とが対応配置されており、該加熱装置により流体が、混合領域（１６）に到達する前に加熱可能である。提案される装置は、特に、水素と飽和水蒸気との混合に、かつこの混合物の、燃料電池への供給に役立つ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混合するための装置、特にガス噴射弁、混合ノズルまたはジェットコンプレッションノズルにおいて、第１の流体を案内するための第１の流体案内装置（１２）と、第２の流体を案内するための第２の流体案内装置（１３）とが設けられており、流体が、両流体案内装置（１２，１３）に接続している混合領域（１６）で互いに混合されるようになっており、両流体案内装置（１２，１３）のうちの少なくとも一方の流体案内装置に、当該流体に乱流を生ぜしめるための手段（２０）と、当該流体の流れ方向に関して前記乱流を生ぜしめるための手段（２０）の下流側に配置された加熱装置とが対応配置されており、該加熱装置により流体が、混合領域（１６）に到達する前に加熱可能であることを特徴とする、流体を混合するための装置。
【請求項２】
乱流を生ぜしめるための手段（２０）が、流体の流れにさらされているかまたは該流れの中に設けられている物体、特に棒材（２０）または棒材装置、リングまたはリング装置、小板、有孔板、シャワーヘッドまたはスクリーンを有している、請求項１記載の装置。
【請求項３】
乱流を生ぜしめるための手段（２０）が、次いで加熱装置にさらされる流体のできるだけ効果的な加熱が行われるように形成および／または配置されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
加熱装置が、乱流を生ぜしめるための手段（２０）のすぐ後ろに、特に該手段（２０）に対して間隔を保って平行に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
加熱装置が電気的な加熱装置であって、熱線（１４，１４′）または熱リングあるいは熱線（１４，１４′）または熱リング装置を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
第１の流体案内装置（１２）が少なくとも部分的に、基体（１８）内の特に円筒対称的な切欠によって形成されており、該切欠が、基体（１８）内に形成された中央通路（２３）に開口している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
中央通路（２３）が流体混合装置（５）の出口（１０）に通じていて、該出口（１０）の周辺で特に漏斗状に広がっている、請求項６記載の装置。
【請求項８】
第２の流体案内装置（１３）が、特に基体（１８）の切欠に対称的に挿入されていて、基体（１８）内に形成された中央通路（２３）に開口している、請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
第１の流体案内装置（１２）および／または第２の流体案内装置（１３）が、少なくともほぼ漏斗、カートリッジまたはノズルの形状を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
第２の流体案内装置（１３）が、その内部で案内された第２の流体を混合領域（１６）で中央通路（２３）内に噴入し、この場合、第１の流体案内装置（１２）内で案内された第１の流体と混合するようになっている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
両流体案内装置（１２，１３）のうちの少なくとも一方が、表面に少なくとも部分的に、特にテフロン製のコーティング（２５）を備えており、該コーティング（２５）が、当該流体または当該流体に含まれている成分の付着、沈殿または凝縮を阻むように作用する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
基体（１８）の切欠に挿入されていて、外側（２４）が第１の流体に接触している第２の流体案内装置（１３）が、前記外側（２４）に少なくとも部分的に、特に混合領域（１６）の周辺でコーティング（２５）を備えている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
ガス噴射弁、ノズル弁、ジェットコンプレッサとして使用されるかまたは燃料電池内への燃料供給のために、特に水素と水蒸気とを混合するために使用される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、流体を混合するための装置、特にガス噴射弁、混合ノズルまたはジェットコンプレッションノズルであって、例えば燃料電池内への燃料供給装置として使用される装置に関する。
【０００２】
従来技術
燃料電池の運転時に、水素と飽和水蒸気とから成る混合物を燃料電池に供給し、その場合、水素と飽和水蒸気との混合量と、その組成とをノズル弁を介して調量するかもしくは調節することが公知である。
【０００３】
この場合、供給された水蒸気がノズル内部もしくはノズル弁内部で凝縮し、これにより凍結ひいてはノズル閉塞もしくはノズルとこのノズルに後置接続された燃料電池の機能欠陥またはノズルの効率の著しい低下を招くという問題がしばしば生じる。
【０００４】
本発明の課題は、氷結または凝縮による故障が起こらない、燃料電池内への燃料供給装置としても使用可能な、流体を混合するための、特に水素と特に飽和水蒸気とを混合するための装置を提供することである。
【０００５】
発明の利点
本発明による、流体を混合するための装置は、例えば凝縮、閉塞または氷結による運転時の効率低下または故障が効果的に抑制され、これにより、総じて、従来技術に比べて著しく改善された運転確実性と信頼性とが達成されるという利点を有している。本発明による装置の場合、特に、水の凝縮によって装置の出口領域が凍結する事態には至らないことが保証されている。
【０００６】
本発明の有利な改良は、従属請求項に記載の構成によって得られる。
【０００７】
乱流を生ぜしめるための手段が、流体の流れにさらされているかもしくはこの流れの中に設けられている物体、特に棒材または棒材装置、リングまたはリング装置、小板、有孔板、シャワーヘッドあるいはスクリーンを有しており、こうした物体が特に加熱装置のできるだけ直前に、当該物体を介して生ぜしめられた乱流によって加熱装置から該加熱装置の周りを流れる流体への特に効果的な熱伝達が達成されるように配置されていると、特に有利である。
【０００８】
さらに、このようにして本発明による装置に供給された流体は、より均一にも加熱される。この関連において、加熱装置が、乱流を生ぜしめるための手段のすぐ後ろに、特にこの手段に対して間隔を保って平行に配置されていると、特に有利である。その他の点では、流体の特に簡単な加熱が、例えば熱線、熱リングあるいは適当な線材またはリング装置を有する電気的な加熱装置の使用によって達成される。
【０００９】
第１の流体案内装置と第２の流体案内装置の特に効果的な配置形式は、第１の流体案内装置が少なくとも部分的に、有利には金属製の基体内の円筒対称的な切欠によって形成され、この切欠が、基体内に形成された中央通路に開口しており、この場合、この中央通路がさらに流体混合装置の出口に向かう方向で有利には漏斗状に広がっていることによって得られる。この場合、第２の流体案内装置は、有利には基体の前記切欠に対称的に挿入されており、これにより、第２の流体案内装置内で案内された第２の流体も、中央通路内に流れ込む。
【００１０】
この場合、第１の流体案内装置および／または第２の流体案内装置、特に両流体案内装置が、少なくともほぼノズルの形状あるいは有利には漏斗またはカートリッジの形状を有していると、特に有利であるとわかった。
【００１１】
第１の流体案内装置と第２の流体案内装置とは特に、有利には第２の流体案内装置がこの装置内で案内された第２の流体を中央通路内に噴入し、さらにこの場所において第２の流体を、第１の流体案内装置内で案内された第１の流体と混合するように形成されかつ配置される。この限りにおいて、混合のために第１の流体と第２の流体とは、中央通路の領域における混合領域で初めて合流する。
【００１２】
さらに、両流体案内装置のうちの少なくとも一方の流体案内装置が表面に少なくとも部分的にコーティング、特にテフロンコーティングを備えており、このコーティングが、流体案内装置内で案内された流体または流体案内装置の外側でこの流体案内装置に接触している流体の付着、沈殿または凝縮を阻むように作用すると、有利である。
【００１３】
この場合、基体の切欠に挿入された第２の流体案内装置がその外側に少なくとも部分的に、特に混合領域の周辺かもしくは第１の流体案内装置と第２の流体案内装置との中央通路内への開口部の周辺で、前記コーティングを備えていると、特に有利である。このようにして、まさしく危機的な混合領域で意図的に、噴入時の温度降下による水蒸気の凝縮と、特に氷結とを阻むような作用が生ぜしめられる。
【００１４】
実施例
次に本発明を、図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図１には流体混合装置５が示されており、この流体混合装置５はガス噴射弁もしくは混合ノズルとして構成されている。流体混合装置５は、特に、ノズルを通って流出する強い流れが、より弱い別の流れを連行するジェットコンプレッションノズルである。例えば、当該流体混合装置５では水素と飽和水蒸気とが、混合装置５の内部の完全混合管内でかもしくは混合領域で互いに混合される。
【００１６】
このために流体混合装置５は基体１８を有しており、この基体１８は、環状通路を有するスリーブ１９によって包囲されており、前記環状通路を介して基体１８に、第１の流体、例えば水素または水素を含有するガスが供給可能である。さらに、基体１８内には漏斗状の切欠が設けられており、この切欠は中央通路２３に開口しており、この中央通路２３は流体混合装置５の、漏斗状に広がっている出口１０に通じている。図１によるスリーブ１９もしくは基体１８は、有利には、円筒対称的に形成されている。
【００１７】
さらに図１には、流体混合装置５の入口１１の領域において、形成された前記漏斗状の切欠内に、本実施例ではカートリッジ状に形成された第２の流体案内装置１３が挿入されており、この第２の流体案内装置１３の内部で、第２の流体、例えば飽和水蒸気、または飽和水蒸気とガスとの混合物が案内されている様子が示されている。
【００１８】
さらに、基体１８内の漏斗状の切欠内への第２の流体案内装置１３の挿入によって、第１の流体案内装置１２が生ぜしめられ、この第１の流体案内装置１２内に、前記環状通路を介してまず第１の流体が、第２の流体から分離された状態で案内されている。
【００１９】
次いで、第１の流体案内装置１２内で案内された第１の流体と、第２の流体案内装置１３内で案内された第２の流体との混合が、両流体案内装置１２，１３が開口している混合領域１６で初めて行われる。
【００２０】
次にこの混合領域１６から、生ぜしめられた流体混合物が、中央通路２３を介して流体混合装置５の出口１０に案内される。
【００２１】
ここで強調したいのは、第２の流体案内装置１３が選択的に、漏斗またはノズルの形状で形成されていてもよいということである。しかしこの場合、第２の流体は常に、第２の流体案内装置１３の内部の第２の流体案内領域１７内で案内されている。
【００２２】
さらに図１には、流体混合装置５の入口１１の領域で、第２の流体案内装置１３に加熱装置が前置されており、この加熱装置が、保持リングの形状で構成されている第１の支持体１５を有していることが示されている。加熱装置はこのほかに、電気的に加熱された熱線１４を有しており、この熱線１４は、複数の構成部材（図示せず）を備えた汎用の接触接続部２２により、流体混合装置５の運転時に、公知の形式で電気的に加熱される。
【００２３】
最後に、加熱装置には、第２の流体に乱流を生ぜしめるための手段が前置されている。この手段は、具体的には、支持リングの形状の第２の支持体２１と、この支持リングもしくは第２の支持体２１に結合された乱流発生装置２０とによって形成される。
【００２４】
乱流発生装置２０は、例えば棒材、特に丸棒材、有孔板、スクリーン、シャワーヘッドあるいはこれらのエレメントの装置または組み合わせである。
【００２５】
乱流発生装置２０の課題は、入口１１から出発する、流体混合装置５に供給される第２の流体に乱流を生ぜしめ、これにより、乱流発生装置２０に後置された加熱装置を介してかもしくは加熱された熱線１４によって、第２の流体の、特に効果的で均一な加熱が行われるようにし、その上で、第２の流体が第２の流体案内装置１３を介して混合領域１６に流入し、そこで第１の流体に混合されるようにすることである。
【００２６】
図２には、第２の流体案内装置１３並びに図１に示した加熱装置と乱流を生ぜしめるための手段とが、拡大して示されている。図２には特に、第２の流体案内装置１３が、第１の流体案内装置１２内で案内された第１の流体に接触しているその外側２４に、コーティング２５を備えていることが示されている。
【００２７】
このコーティング２５は、とりわけ第２の流体案内装置１３の開口領域に、すなわち、混合領域１６の周辺に位置する領域に設けられている。
【００２８】
コーティング２５は、例えばテフロンコーティングであって、第２の流体案内装置１３の外側２４への流体の付着、特に沈殿または凝縮を回避するために役立つ。
【００２９】
図３ａには、図１もしくは図２による加熱装置の平面図が示されている。この場合、加熱装置が保持リング１５と熱線１４とによって形成され、この熱線１４が保持リング１５の直径に沿って延在していることが示されている。図３ｂには、第１の熱線１４を電気的に加熱するための接触接続部２２が、よりはっきりと示されている。
【００３０】
図４ａには、加熱装置の、図３ａに対して択一的な実施例が示されている。この場合、互いに垂直に延在する２本の熱線１４，１４′が設けられており、これらの熱線１４，１４′は、それぞれ対応する接触接続部２２を介して電気的に加熱される。さらに図４ｂには、第１の熱線１４もしくは第２の熱線１４′が、相前後して間隔を保って配置されていることが示されている。
【００３１】
その他の点では、さらに、第２の支持体２１もしくは支持リングが、接触接続部２２は別として、絶縁材から構成されていることを指摘したい。加えて、図４ａもしくは図４ｂによる実施例では、有利には、第１の熱線１４と第２の熱線１４′とが交差している領域において、これらの熱線１４，１４′が互いに絶縁されるようになっている。この絶縁部は、例えば、熱線１４，１４′間で交差領域に配置された絶縁板か、または熱線１４，１４′のうちの一方の熱線の、前記交差領域に被着された絶縁被覆部であってよい。
【００３２】
流体混合装置５内の両流体の流れは、先述した実施例の場合、とりわけ混合領域１６で著しく加速されるので、この場所で、典型的に音速に近い流速が生じる。混合領域１６の周辺では、流速の増加は、同時に流体の圧力上昇および温度上昇にも結び付くので、流体混合装置５の出口１０における降下せしめられた温度は、出口１０における圧力に対応する水蒸気の飽和温度をはるかに下回る。この限りでは、出口１０における流体混合物の温度が、水蒸気が凝縮する温度を下回る場合には、そこに形成されている圧力のもとで流体混合装置５が凍結する結果となり得る。この凍結を阻むように加熱装置が、第２の流体の、すなわち例えば第２の流体として供給された飽和水蒸気の、予防的なまたは混合に先行する加熱によって、より高い温度になるように作用する。
【００３３】
具体的には、本実施例の場合、加熱装置なしの運転時に流体混合装置５の出口１０の領域に、入口１１における温度に対して約４５°Ｃだけ低下された温度が生じる。この場合、加熱装置による第２の流体の加熱は、出口１０における流体混合物が常に、飽和水蒸気が凝縮しないかもしくは水蒸気がこの場所において過熱されている温度を有しているように、制御される。
【００３４】
総じて、当該流体混合装置５によって、出口１０の領域で流出する流体混合物の温度が水蒸気の飽和温度を上回っているので、この場所で水凝縮が生じるおそれはなくなる。これにより、流体混合装置５を用いて、この流体混合装置５に後置接続された、化学反応のために水蒸気で湿らされた水素を必要とする燃料電池が、確実にかつ支障なく運転され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
流体混合装置の１実施例の断面図である。
【図２】
図１の部分図である。
【図３ａ】
図１または図２による加熱装置の平面図である。
【図３ｂ】
図３ａによる加熱装置の、図示した切断線に沿った断面図である。
【図４ａ】
図３ａによる加熱装置の別の実施例である。
【図４ｂ】
図４ａによる加熱装置の、図示した切断線に沿った断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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