(57)【要約】  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り駆動されるジェットポンプ（４）と、ノズル（１２）を有する調量弁（６）とを有する、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（３１）のための圧送ユニット（１）であって、圧送ユニット（１）は複合型の弁・ジェットポンプ構造（２）として製作され、気体状の媒体が調量弁（６）によりジェットポンプ（４）に供給され、ジェットポンプ（４）は本体（８）を有し、ジェットポンプ（４）は燃料電池（２９）のアノード入口（３）と接続されている。本発明によると、ジェットポンプ（４）から燃料電池（２９）のアノード入口（３）への、流動方向ＶＩＩに流れる気体状の媒体の進路変更および／または方向転換は進路変更領域（２２）でのみ行われ、ジェットポンプ（４）は本体（８）と結合された別個の閉止カバー（５）を有し、気体状の媒体のための進路変更領域（２２）および／または進路変更領域（２２）の進路変更・案内ジオメトリーはコンポーネントである閉止カバー（５）にのみ構成される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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り駆動されるジェットポンプ（４）と、ノズル（１２）を有する調量弁（６）とを有する、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（３１）のための圧送ユニット（１）であって、前記圧送ユニット（１）は複合型の弁・ジェットポンプ構造（２）として製作され、気体状の媒体が前記調量弁（６）により前記ジェットポンプ（４）に供給され、前記ジェットポンプ（４）は本体（８）を有し、前記ジェットポンプ（４）は燃料電池（２９）のアノード入口（３）と接続されている、圧送ユニットにおいて、前記ジェットポンプ（４）から前記燃料電池（２９）の前記アノード入口（３）への、流動方向ＶＩＩに流れる気体状の媒体の進路変更および／または方向転換は進路変更領域（２２）でのみ行われ、前記ジェットポンプ（４）は前記本体（８）と結合された別個の閉止カバー（５）を有し、気体状の媒体のための前記進路変更領域（２２）および／または前記進路変更領域（２２）の進路変更・案内ジオメトリーはコンポーネントである前記閉止カバー（５）にのみ構成されることを特徴とする圧送ユニット。
【請求項２】
前記閉止カバー（５）は好ましくは円筒状の外側形状を有する進路変更接続管（１５）を有し、前記閉止カバー（５）の前記進路変更接続管（１５）は前記本体（８）に組み付けられた状態にあるとき長軸（３０）の方向に延び、前記進路変更接続管（１５）は好ましくは切欠き（１７）をその内側形状に有し、前記切欠き（１７）は特に気体状の媒体の流動案内のための役目を果たすことを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項３】
前記閉止カバー（５）と前記燃料電池（２９）の前記アノード入口（３）との間に接続ピース（２６）があ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（１）。
【請求項４】
前記進路変更接続管（１５）の前記切欠き（１７）は前記ジェットポンプ（４）のデフューザ領域（２０）と前記接続ピース（２６）とを少なくとも間接的に互いに流体接続することを特徴とする、請求項２または３に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項５】
前記進路変更接続管（１５）の前記切欠き（１７）は、それが前記デフューザ領域（２０）の流動断面に対して、および前記接続ピース（２６）の流動断面に対して開いているように成形され、それにより、気体状の媒体が前記進路変更接続管（１５）を流動方向ＶＩＩに貫流することができることを特徴とする、請求項４に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項６】
前記進路変更領域（２２）で前記進路変更接続管（１５）によって気体状の媒体の進路変更および／または方向転換がほぼ直角に行われることを特徴とする、請求項２から５に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項７】
前記進路変更接続管（１５）は前記切欠き（１７）の領域でその内側に位置する流動断面に少なくとも近似的に球形の内面（１９）を少なくとも部分的に有することを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項８】
前記閉止カバー（５）は取外し可能な結合によって、特にねじ止めによって、前記本体（８）と結合され、それにより前記閉止カバー（５）を前記本体（８）から取り外すことができることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項９】
部分ピースである前記本体（８）および／または前記閉止カバー（５）は比熱容量の小さい材料または合金から製造されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項１０】
コンポーネントである前記ジェットポンプ（４）の前記本体（８）および／または前記閉止カバー（５）は金属材料または合金から製造されることを特徴とする、請求項２から９のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項１１】
前記複合型の弁・ジェットポンプ構造（２）は発熱体（１１）を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項１２】
前記ジェットポンプ（４）の前記デフューザ領域（２０）の端部区域、前記進路変更領域（２２）、前記ジェットポンプ（４）の接続ピース（２６）、および前記アノード入口（３）の、流動方向ＶＩＩに対して直交して延びるそれぞれの横断面は少なくとも近似的に同じであることを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項１３】
前記調量弁（６）は比例弁（６）として製作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（１）。
【請求項１４】
前記ノズル（１２）と前記ジェットポンプ（４）の混合管（１８）は回転対称に製作され、前記ノズル（１２）は前記ジェットポンプ（４）の前記混合管（１８）に対して同軸に延びることを特徴とする、請求項１に記載の圧送ユニット（１）。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧送ユニット（１）を有している燃料電池システム（３１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、特に水素を圧送および／または制御するための、燃料電池システムのための圧送ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
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つのタンクから、特に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。
【０００３】
特許文献１より、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調量弁とを有する、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ための圧送ユニットが公知である。その場合、圧送ユニットは複合型の弁・ジェットポンプ構造として製作されていてよく、第１の流入部、吸込領域、混合管、およびデフューザ領域という各コンポーネントを有し、調量弁は第２の流入部とノズルとを有する。このとき圧送ユニットにより媒体を、特にドライブ媒体を、ノズルを通して取り出すことができ、そして、この媒体が再循環媒体と混合される。このときドライブ媒体の流動を、調量弁によって制御することができる。
【０００４】
特許文献１から公知の圧送ユニットは一定の欠点を有し得る。
【０００５】
燃料電池のアノード入口に圧送ユニットを取り付けるとき、圧送されるべき媒体が圧送ユニットの下流側で、特にデフューザ領域の貫流後に、それがアノード入口へ流れ込むことができるようになる前に、進路変更されなければならない。そのような進路変更のときに、特に圧送されるべき媒体の流動進路変更のとき、たとえばパイプラインシステムとして製作される流動配管システムで、圧送ユニットと、特に複合型の弁・ジェットポンプ構造と、アノード入口との間で、進路変更に基づいて流動損失および／または圧力損失が生じることがある。その際に燃料電池システム全体の、特に弁・ジェットポンプ構造の、効率が低下する。さらに、パイプラインによる圧送ユニットとアノード入口との結合は、パイプラインで燃料電池システムの耐用寿命全般を通じて、特に温度変動が激しい場合に、密閉性の問題が特に溶接および／または溶着されたパイプラインに生じ得るという意味で不都合である。そのために、燃料電池システム全体の故障確率が高くなる。
【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１０２０１４１０５９９５号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明では、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、以下においては水素をＨ２と表示する。
【０００８】
請求項１の記載によれば、ジェットポンプから燃料電池のアノード入口への、流動方向ＶＩＩに流れる気体状の媒体の進路変更および／または方向転換は進路変更領域でのみ行われ、ジェットポンプは本体と結合された別個の閉止カバーを有し、気体状の媒体のための進路変更領域および／または進路変更領域の進路変更・案内ジオメトリーはコンポーネントである閉止カバーにのみ構成される。このようにして、進路変更・案内ジオメトリーをジェットポンプに統合することができ、圧送ユニットと、特にデフューザ領域と、燃料電池のアノード入口との間の流動配管システムおよび／またはパイプラインシステムでの、圧送されるべき媒体のそれ以外の進路変更は一切必要なくなる。さらに、進路変更に基づく流動損失および／または圧力損失を可能な限り少なく抑えることができる。この目的のために、気体状の媒体のための進路変更領域における半径および／または進路変更領域の進路変更・案内ジオメトリーは、圧送されるべき媒体と、特にＨ２と、進路変更領域の流動ジオメトリーの表面との間で可能な限り低い摩擦が生じるように製作される。このようにして、湾曲による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に基づき、圧力損失と摩擦損失を低減することができ、それによって圧送ユニットおよび／または弁・ジェットポンプ構造および／または燃料電池システム全体の効率が改善される。さらに、進路変更領域がジェットポンプに、特に閉止カバーに統合されることで、弁・ジェットポンプ構造の出口と燃料電池のアノード入口との間に可能な限り短い間隔が存在し、そのようにして、いっそう短い流動配管が構成されるという利点を得ることができる。それにより、流動損失および／または圧力損失を少なく抑えることができ、それによって燃料電池システムの効率をいっそう改善することができる。さらに、圧送ユニットの本発明に基づく構成により、燃料電池システムの非密閉性の危険が低減されるという利点も得ることができる。なぜならば、特に、ジェットポンプと燃料電池との間のパイプラインシステムがまったく必要でなくなるか、または、短縮された形態でしか必要なくなるからである。さらに、ジェットポンプへの進路変更領域の統合は、たとえば追加のダクトの形態の他の設計スペースが必要ないという意味で好ましい。そのようにして、圧送ユニットのコンパクトな設計形態という利点を得ることができる。
【０００９】
従属請求項に記載されている方策により、請求項１に記載されている圧送ユニット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。
【００１０】
圧送ユニットの好ましい実施形態では、閉止カバーは、好ましくは円筒状の外側形状を有する進路変更接続管を有し、閉止カバーの進路変更接続管は本体に組み付けられた状態にあるとき長軸の方向に延び、進路変更接続管は好ましくは切欠きをその内側形状に有し、切欠きは特に気体状の媒体の流動案内のための役目を果たす。さらに圧送ユニットは、進路変更領域で進路変更接続管によって気体状の媒体の進路変更および／または方向転換がほぼ直角に行われるように製作される。このようにして、可能な限り少ない摩擦損失が生じるように、気体状の媒体の進路変更を実現することができ、それにより、ジェットポンプおよび／または圧送ユニットおよび／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。さらに、ジェットポンプとアノード入口との間にいかなる他のパイプラインも必要なく、それにより、進路変更を具体化するための、特に気体状の媒体の流動進路変更を具体化するための、追加のコンポーネントの個数が削減される。さらに、比較的少ないコンポーネントしか必要ないので、このようにして燃料電池システムの複雑性を低減することができる。それにより材料コスト、製造コスト、および組立コストを削減することができる。さらに、燃料電池システムの設計材料の質量を低減することができ、および／または熱容量を低減することができ、それによって圧送ユニットのいっそう迅速な加熱が実現され、そのようにして、形成されたアイスブリッジをいっそう迅速に縮減することができる。このようにして、圧送ユニットの加熱が遅すぎるときにコールドスタートプロセスで表面から剥がれることがあるアイスブリッジおよび／または圧送されるべき媒体中で共に圧送される氷粒子による、圧送ユニットの各コンポーネントの損傷、および燃料電池システムのその他のコンポーネントの損傷、特にスタックの隔膜などの損傷が防止される。
【００１１】
圧送ユニットの好ましい発展例では、閉止カバーと燃料電池のアノード入口との間に接続ピースがある。このようにして、ジェットポンプと、特に閉止カバーと、アノード入口との間の流動接続を可能な限り短く、少なくともほぼ流動損失なしに具体化できるという利点を得ることができる。このようにして摩擦損失の低減に基づき、圧送ユニットの効率およびそれに伴って燃料電池システム全体の効率を高めることができる。さらに、ジェットポンプの本体の一部として接続ピースが統合されることに基づき、ジェットポンプのそれぞれの部分ピースの間にある、圧送ユニットの流動領域における移行部を、流動最適化して製作することができる。それにより圧送ユニットの流動抵抗を、特に部分ピースであるデフューザ領域、進路変更領域、および接続ピースの各領域で低減することができる。本発明に基づく実施形態により、内側の流動断面で圧送されるべき媒体の流速を高いレベルに保つことができ、摩擦損失および／または流動損失がほぼ発生しない。それにより、圧送ユニットの効率およびそれに伴って燃料電池システム全体の効率を高めることができる。さらに、本発明に基づく圧送ユニットの実施形態により、圧送ユニットおよび／または複合型の弁・ジェットポンプ構造を省スペースかつコンパクトな設計形態で、燃料電池のエンドプレートと結合できるという利点を得ることができ、それにより、車両全体での燃料電池システムの所要スペースと設計スペースを削減することができる。
【００１２】
特別に好ましい実施形態では、進路変更接続管の切欠きはジェットポンプのデフューザ領域と接続ピースとを少なくとも間接的に互いに流体接続する。さらに進路変更接続管の切欠きは、それがデフューザ領域の流動断面に対して、および接続ピースの流動断面に対して開いているように成形され、それにより、気体状の媒体が進路変更接続管を流動方向ＶＩＩに貫流することができる。さらに、進路変更接続管は切欠きの領域でその内側に位置する流動断面に少なくとも近似的に球形の内面を少なくとも部分的に有する。このようにして、部分ピースであるデフューザ領域、進路変更領域、および接続ピースの間での圧送ユニットの流動断面における移行部が、可能な限り滑らかに流動最適化されて製作されるという利点を得ることができる。このとき特に、圧送されるべき媒体の渦流形成や流動失速を生じるように作用しかねない間隙やエッジが、これらの移行部の領域でほぼ回避される。流動断面におけるこのような種類の間隙やエッジは、圧送されるべき媒体の流動の渦流形成や減速につながる可能性がある。このように、圧送ユニットの本発明に基づく実施形態により、流動断面における内部の流動抵抗を低減させることができ、それによって圧送ユニットの効率が高くなる。さらに、進路変更接続管および／または進路変更接続管の切欠きのこのような種類の本発明に基づく実施形態により、進路変更接続管というコンポーネントに進路変更・流動ジオメトリーを刻設するだけでよいので、圧送ユニットの進路変更領域の低コストな製造を実現することができる。さらに、進路変更接続管を含む閉止カバーが、特に切削加工による製造方法である製造方法のために、ジェットポンプの本体への可能な組付けの前に容易にアクセス可能であり、比較的小型のコンポーネントを加工するだけでよく、加工機械にクランプするだけでよい。このように製造コスト、加工コスト、および部品コストを削減することができる。さらに、このようにしていっそう高い拡散密閉性をもたらすことができる。なぜならば、ジェットポンプの混合管と燃料電池のアノード入口との間の流動断面を構成する各コンポーネントが可能な限り少ないインターフェースしか有さないからである。この場合、各コンポーネントの間のインターフェースは、結合方法に不具合が生じた場合に非密閉性に対して脆弱である。このように、燃料電池システムの流動断面の非密閉性に基づく圧送ユニットの故障確率を低減することができる。
【００１３】
好ましい実施形態では、圧送ユニットの閉止カバーは取外し可能な結合によって、特にねじ止めによって、本体と結合される。この場合、特にねじ止めを外したときに、閉止カバーを本体から取り外すことができる。このようにして、たとえば周囲温度が低いときの、および／またはコールドスタート手順のときの氷粒子によって、圧送ユニットの進路変更領域の流動断面が損傷した場合に、ねじ止めを外すことによる閉止カバーの交換によって、低コストで迅速に損傷を除去できるという利点を得ることができる。整備作業および／または補修作業の場合にも、ねじ止めによって迅速かつ破壊加工なしに閉止カバーを本体から分離することができ、それによって整備性が向上し、整備コストおよび／または運転コストを削減することができる。さらに、進路変更領域および／またはこれに隣接する流動領域が損傷したとき、圧送ユニット全体を取り替えなければならないのを防ぐことができ、その代わりに閉止カバーを交換するだけで足りる。
【００１４】
圧送ユニットの特別に好ましい実施形態では、部分ピースである本体および／または閉止カバーは比熱容量の低い材料または合金から製造される。さらに、コンポーネントであるジェットポンプの本体および／または閉止カバーは金属材料または合金から製造されていてよい。さらに、複合型の弁・ジェットポンプ構造は発熱体を有することができる。燃料電池システムの作動時には燃料電池の領域の水がカソード領域からアノード領域へ隔膜を通って拡散することができるので、この水がアノード側の流動領域で共に流動して特定の個所に溜まる可能性がある。車両のスイッチがオフになり、それに伴って燃料電池システムのスイッチがオフになると、特に０℃を下回る低い温度のもとで車両の停車時間が長いときに、この水が凍結していわゆるアイスブリッジを形成することがある。このようなアイスブリッジが、燃料電池システムおよび／または圧送ユニットおよび／またはジェットポンプのコンポーネントを損傷させることがである。したがって、使用される材料の改善された熱伝導性により、本体および／または閉止カバーという各部分ピースの、およびそれに伴って圧送ユニット全体の、いっそう迅速な加熱をもたらすことができる。本発明による圧送ユニットの迅速な加熱を具体化するためのさらに別の方策は、発熱体の利用である。このようにして、コールドスタート手順の枠内で、圧送ユニットおよび／または燃料電池システム全体が低い温度のもとで動作を開始する前に、発熱体が特に電気エネルギーであるエネルギーの供給を受けることができ、発熱体がこのエネルギーを熱および／または熱エネルギーに変換する。このようなプロセスが、圧送ユニットの他のコンポーネントの低い比熱容量によって補助されるのが好ましく、これらのコンポーネントによって熱エネルギーが圧送ユニット全体へ迅速に浸透することができ、生じているアイスブリッジを除去することができる。各部分ピースおよび圧送ユニットが迅速に加熱されることで、特に熱注入による溶解によって、生じているアイスブリッジをいっそう迅速に除去することができる。さらにはコールドスタートプロセスのとき、発熱体のスイッチオン後に熱エネルギーが短時間でノズルまで浸透することができ、生じているアイスブリッジをノズルの領域で、および調量弁のアクチュエータの領域で加熱し、そのようにして除去することができる。それにより、圧送ユニットの各コンポーネントの損傷に基づく故障確率を低減することができる。このようにして、アイスブリッジをいっそう迅速に溶かして除去することができるので、圧送ユニットおよびそれに伴って燃料電池システム全体のコールドスタート能力を改善することができる。さらに、少ないエネルギーを、特に電気エネルギーおよび／または熱エネルギーを、使用される発熱体によって圧送ユニットへ注入するだけでよい。それにより、特に低い周囲温度および／または車両の長い停車時間に基づいて頻繁なコールドスタートプロセスがなされるときに、圧送ユニットおよび燃料電池システム全体の運転コストを削減することができる。さらに、本発明に基づく材料が使用されることで、圧送ユニットにより圧送されるべき媒体および／または圧送ユニットの周囲に由来するたとえば化学品などのその他の成分に対して、高い耐性を実現することもできる。このことは、ひいては圧送ユニットの耐用寿命を伸ばし、ハウジングの材料損傷に基づく故障確率を低減することができる。
【００１５】
圧送ユニットの好ましい発展例では、ジェットポンプのデフューザ領域の端部区域、進路変更領域、ジェットポンプの接続ピース、およびアノード入口の、流動方向ＶＩＩに対して直交して延びるそれぞれの横断面は少なくとも近似的に同じである。このようにして、圧送ユニットにおける媒体の容積流量およびこれに伴って流速を一定に保つことができ、それにより、媒体の加速や減速によるエネルギー損失を低減することができる。これに加えて、流動断面が変化する際に発生する、圧送ユニットの流動領域の壁部と媒体の摩擦損失も低減される。このように、圧送ユニットの本発明に基づく実施形態によって、流動断面における内部の流動抵抗を低減することができ、それにより圧送ユニットの効率が向上する。さらに、圧送ユニットの各部分ピースの横断面がこのように成形されることで、進路変更領域で気体状の媒体が進路変更されるとき、摩擦損失および／または圧力損失および／または流動損失が低く抑えられるという利点を得ることができる。それが可能である理由は、たとえば進路変更領域の前、進路変更領域の中、および／または進路変更領域の後での変化する横断面のような、媒体の進路変更に加わる前述した損失を引き起こす他の設計上の施工部が圧送ユニットに存在しないことである。このような種類の施工部は媒体の流動の逆流につながる可能性があり、そうした流動の逆流がさらなる摩擦損失および／または圧力損失および／または流動損失につながり、そのために圧送ユニット全体の効率がいっそう低下する。
【００１６】
特別に好ましい実施形態では、調量弁は比例弁として製作される。このようにして、圧送ユニットの重量が削減され、コンパクトな設計形態を実現できるという利点を得ることができる。なぜならば、比例弁として製作された調量弁は比較的少ない設計スペースしか必要とせず、比較的少ない自重を有するからである。さらに比例弁により、調量弁の別案の技術的な実施形態と比較して、いっそう正確で迅速な調量弁の制御をもたらすことができる。このように、ジェットポンプの吸込領域および／または混合管へ調量弁によって供給される駆動媒体の量と時点をいっそう正確に調量できるという利点を得ることができ、それにより、ジェットポンプおよびそれに伴って圧送ユニット全体の効率を改善することができる。
【００１７】
好ましい発展例では、圧送ユニットのノズルと混合管は回転対称に製作され、ノズルはジェットポンプの混合管に対して同軸に延びる。このようにして、ジェットポンプの再循環物と駆動媒体との改善された混合を、特に吸込領域および／または混合管で実現できるという利点を得ることができる。さらに、調量弁に由来する駆動媒体から再循環物への改善された運動量移動を、吸込領域および混合管の領域で行うことができる。このようにして圧送ユニットの効率を高めることができ、同じ圧送出力のもとでの圧送ユニットの運転コストを引き下げることができる。
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】複合型の弁・ジェットポンプ構造を有する圧送ユニットを示す模式的な断面図である。
【図２】圧送ユニットの本発明に基づく閉止カバーを示す斜視図である。
【図３】弁・ジェットポンプユニットと燃料電池とを有する燃料電池システムを示す模式的な部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１の図面は、圧送ユニット１の模式的な断面図を示しており、圧送ユニット１は複合型の弁・ジェットポンプ構造２を有している。ここでは、複合型の弁・ジェットポンプ構造２は調量弁６とジェットポンプ４とを有しており、調量弁６は、例示としてねじ止めによりジェットポンプ４と結合されており、特に、ジェットポンプ４の本体８と結合される。
【００２１】
ジェットポンプ４は、コンポーネントである本体８および閉止カバー５を有している。ここではジェットポンプ４は、これらのコンポーネントのそれぞれ一方または両方の領域に、第１の流入部２８、第２の流入部３６ａ、吸込領域７、混合管１８、デフューザ領域２０、および進路変更領域２２および／または接続ピース２６を有している。調量弁６は、第２の流入部３６ｂ、第１のシール部材１４、第２のシール部材１６、およびノズル１２を有している。ここでは調量弁６は、特に長軸３０の方向で、ジェットポンプ６に、特にジェットポンプ６の本体８にある開口部に差し込まれる。閉止カバー５は、圧送ユニット１の例示としての実施形態では、長軸３０の方向で本体８に差し込まれ得る。
【００２２】
さらに図１には、複合型の弁・ジェットポンプ構造２が、圧送されるべき媒体により流動方向ＶＩＩで貫流されることが示されている。弁・ジェットポンプ構造２の貫流される領域の大部分は少なくとも近似的に管状に構成されており、特にＨ２である気体状の媒体を、圧送ユニット１のなかで圧送および／または案内する役目を果たす。ここでは気体状の媒体は、本体８の内部にある中央の流動領域２１を長軸３０と平行に流動方向ＶＩＩへ貫流し、中央の流動領域２１は、吸込領域７におけるノズル１２の連通部の領域で始まり、混合管１８、デフューザ領域２０を通って進路変更領域２２まで延びている。ここでは弁・ジェットポンプ構造２には、一方では第１の流入部２８を通して再循環物が供給され、この再循環物は特に燃料電池２９のアノード領域に由来する、特にスタックに由来する未使用のＨ２であり、再循環物が水および窒素を有することもできる。ここで再循環物は、第１の流動経路Ｖで弁・ジェットポンプ構造２に流れ込む。他方では、第２の流入部３６を通して第２の流動経路ＶＩで、弁・ジェットポンプ構造２の外部から気体状の駆動媒体が、特にＨ２が、弁・ジェットポンプ構造２の切欠きおよび／または本体８および／または調量弁６に流れ込み、この駆動媒体はタンク３４から来ることができ、高い圧力のもとにある。ここでは第２の流入部３６ａ，ｂは、本体８および／または調量弁６という各コンポーネントを通って延びている。駆動媒体は調量弁６からアクチュエータおよび全面的に閉止可能な弁部材によって、特に断続的に、ノズル１２を通して吸込領域７および／または混合管１８へと放出される。ノズル１２を通って流れる、駆動媒体としての役目を果たすＨ２は、第１の流入部２８から圧送ユニット１に流れ込む再循環媒体に対して圧力差を有しており、駆動媒体は特に少なくとも１０バールの比較的高い圧力を有する。いわゆるジェットポンプ効果が生じるようにするために、再循環媒体は、たとえば圧送ユニット１に前置されたサイドチャネル圧縮機１０（図１には図示せず）を利用することで、これよりも低い圧力および少ない質量流量で圧送ユニット１の中央の流動領域へと圧送される。このとき駆動媒体は上述した圧力差をもって、かつ、特に音速に近いものであり得る高い速度をもって、ノズル１２を通って吸込領域７および／または混合管１８の中央の流動領域２１に流れ込む。ここではノズル１２は流動断面の形態の内側の切欠きを有していて、これを通って気体状の媒体が、特に調量弁６から来て吸込領域７および／または混合管１８へ流入するように流れることができる。このとき駆動媒体が、すでに吸込領域７および／または混合管１８の中央の流動領域にある再循環媒体に当たる。駆動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、内側の摩擦と渦流がそれぞれの媒体の間で生起される。その際に、高速の駆動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生じる。この応力が運動量移動をもたらし、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ＶＩＩに加速され、再循環媒体に圧力降下が生じ、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の領域から次の再循環媒体が追加圧送される。このような効果をジェットポンプ効果と呼ぶことができる。調量弁６による駆動媒体の供給調量を制御することで、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３１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。調量弁６が閉じた状態になっている、圧送ユニット１の一例しての動作状態では、駆動媒体が第２の流入部３６からジェットポンプ４の中央の流動領域へ追加流入するのを妨げることができ、その結果、流動方向ＶＩＩで再循環媒体に向かって駆動媒体が吸込領域７および／または混合管１８へそれ以上流れ込むことができなくなり、そのようにしてジェットポンプ効果が中断する。
【００２３】
混合管１８を通過した後、特に再循環媒体と駆動媒体とからなる、圧送されるべき混合された媒体が流動方向ＶＩＩでデフューザ領域２０に流れ込み、デフューザ領域２０で流速の低下が起こり得る。そこから媒体は流動方向ＶＩＩでデフューザ領域２０から進路変更領域２２に流れ込み、そこで相応の進路変更を受けて、さらにそこから接続ピース２６を介して燃料電池２９のアノード入口３へと流れ込む。
【００２４】
ここでは閉止カバー５は切欠き１７を有する進路変更接続管１５を有しており、進路変更接続管１５は本体８の開口部に突入するとともに、成形部１７によってジェットポンプ４の流動領域および／または流動断面を進路変更領域２２で構成する。ここでは進路変更接続管１５の切欠き１７によって、ジェットポンプ４のデフューザ領域２０と接続ピース２６とが少なくとも間接的に互いに流体接続される。さらに、進路変更接続管５の切欠き１７は、デフューザ領域２０の流動断面および接続ピース２６の流動断面に対して開いているように成形され、その結果、気体状の媒体が進路変更接続管１５を流動方向ＶＩＩに貫流することができる。このようにして進路変更領域２２で進路変更接続管１５により、気体状の媒体の進路変更および／または方向転換をほぼ直角に行うことができる。このとき閉止カバー５は取外し可能な結合によって、特にねじ止めによって、本体８と結合されており、それにより、閉止カバー５を本体８から取り外すことができる。さらに、閉止カバー５は本体８とは異なる材料で製作されていてよく、これら両方の材料は特に相違する熱膨張係数を有する。さらに閉止カバー５は、一例としての実施形態では、組立および本体８への差込の前に、かつねじ止めによる固定の前に、特に進路変更接続管１５の直径が縮小するように冷却することができる。このようにして、閉止カバー５の、特に進路変更接続管１５の、縮小された直径に基づいて簡易化された組付けを実現することができる。周囲温度に達すると直径が膨張して、閉止カバー５および本体８という各コンポーネントの間の改善されたシール特性および／またはカプセル封じ特性を実現できるというさらなる利点がある。さらに、閉止カバー５と本体８との間に第３のシール部材があってよい。
【００２５】
図１に示す第１のシール部材１４および／または第２のシール部材１６の役割は、第２の流動経路ＶＩを介して調量弁６に流れ込む、高い圧力のもとにある駆動媒体のカプセル封じである。それぞれのシール部材は、ここでは調量弁６のまわりを周回するシール部材１４，１６として、特にＯリングとして製作される。このとき少なくとも１つのシール部材１４，１６は、少なくとも１つのシール部材１４，１６が調量弁６と本体８との間のカプセル封じの作用を実現することによって、駆動媒体が第２の流入部３６の領域から外に出ることができて、および／または圧送されるべき媒体が本体８および／または調量弁６の内部から外に出ることができて、弁・ジェットポンプ構造２の外部領域へ出ることができるのを防止する。弁・ジェットポンプ構造２の外部領域では、圧送されるべき媒体が周囲の酸素と不都合な反応を引き起こして、圧送ユニット１および／または車両全体を損傷させることになりかねない。
【００２６】
さらに、図１に示すジェットポンプ４は、ジェットポンプ効果と圧送効率を追加的に改善し、および／またはコールドスタートプロセスおよび／または製造・組立コストをいっそう改善する、技術的な特徴を有している。ここでは、部分ピースであるデフューザ領域２０はその内側の流動断面の領域でテーパ状に、特に流動方向ＶＩＩで拡大していくように延びている。部分ピースであるデフューザ領域２０がこのように成形されることで、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されるという好ましい効果を得ることができ、それにより、圧送ユニット１の可能な圧送容量をいっそう向上させることができ、それにより、圧送されるべき媒体を、特にＨ２を、いっそう多く燃料電池２９に供給することができ、それにより、燃料電池システム３１全体の効率を向上させることができる。
【００２７】
本発明によると調量弁６は、改善された調量機能および吸込領域７および／または混合管１８への駆動媒体の正確な調量を可能にするために、比例弁６として製作されていてよい。圧送ユニット１の流動ジオメトリーと効率をいっそう改善するために、ノズル１２と混合管１８は回転対称に製作され、ノズル１２はジェットポンプ４の混合管１８に対して同軸に延びる。
【００２８】
図２には、本発明による進路変更接続管１５を有する閉止カバー５が斜視図として示されている。ここでは閉止カバー５は、好ましくは円筒形の外側形状を有する進路変更接続管１５を有しており、閉止カバー５の進路変更接続管１５は、本体８に組み付けられた状態にあるとき長軸３０の方向に（図１に示すように）延び、進路変更接続管１５はその内側形状に切欠き１７を有するのが好ましく、切欠き１７は特に気体状の媒体の流動案内のための役目を果たす。さらに図２には、進路変更接続管１５が切欠き１７の領域でその内側に位置する流動断面に、少なくとも近似的に球形の内面１９を少なくとも部分的に有することが示されている。このような少なくとも近似的に球形の内面１９に基づき、圧送されるべき媒体がジェットポンプ４の進路変更領域２２で進路変更されるときにいっそう少ない摩擦損失しか生じない。なぜならば、そのようにして、圧送されるべき媒体と、閉止カバー５の内面１９および／または流動ジオメトリーとの間の摩擦が低減されるからである。このようにして、摩擦損失および／または圧力損失および／または流動損失がこの領域で低く抑えられ、それによって圧送ユニット１の効率が改善される。内面１９は可能な限り少ない表面粗さも有しており、このことは流動損失のいっそうの低減につながる。
【００２９】
図２に示すように、進路変更接続管１５は内面１９の領域に、内面１９の球形の輪郭から他の流動断面への移行部が流動最適化されて製作されるように他のデフューザ領域２０および接続ピース２６の流動断面に向かって終わる、球形の内面１９の輪郭を有している。それにより圧送ユニット１の流動抵抗を、特にデフューザ領域２０、進路変更領域２２、および接続ピース２６という各部分ピースの領域で低減することができる。本発明に基づく実施形態により、圧送されるべき媒体の流動速度を内側の流動断面で一定に保つことができ、摩擦および／または流動損失がほぼ生じることがない。それにより、弁・ジェットポンプ構造２と圧送ユニット１の効率、およびこれに伴って燃料電池システム３１全体の効率を高めることができる。このとき内側の流動断面が平滑に、かつ流動最適化されて製作され、その結果、内側の流動断面に位置する各表面が当該領域で連続するので、可能な限り低い流動抵抗しか生じない。内側の流動断面に位置する各部分ピースの表面の機械式の後処理に基づいて、表面の流動最適化のいっそうの改善を得ることができ、それは、これらがたとえばばり取りされ、研削され、フライス加工され、または研磨されることによってであるが、このことは物質接合式の結合方法が適用される場合にのみ可能であり、特に、本体８および／または閉止カバー５が金属の部分ピースである場合にのみ可能である。
【００３０】
図３の図面は、弁・ジェットポンプユニット２と、燃料電池２９と、任意選択のコンポーネントである水分離機２４およびサイドチャネル圧縮機１０とを有する燃料電池システム３１の模式的な部分断面図を示している。ここには、複合型の弁・ジェットポンプ構造２が燃料電池２９に組み付けられ、および／または取り付けられることが示されており、弁・ジェットポンプ構造２は特に燃料電池２９のエンドプレート１３の上に組み付けられる。ここで図３には、流動方向ＶＩＩで長軸３０に対して平行にジェットポンプ４を貫流する気体状の媒体が、燃料電池２９のアノード入口３に入る前に、進路変更およびこれに伴う流動方向転換を受ける必要があることが示されている。
【００３１】
このとき図３には、流動方向ＶＩＩに流れる気体状の媒体の進路変更および／または方向転換が、ジェットポンプ４から燃料電池２９のアノード入口３に至るまで進路変更領域２２でのみ行われることが示されており、ジェットポンプ４は、本体８と結合された別個の閉止カバー５を有しており、気体状の媒体のための進路変更領域２２および／または進路変更領域２２の進路変更・案内ジオメトリーは、コンポーネントである閉止カバー５にのみ構成される。
【００３２】
図３には、一方で、未使用の気体状の媒体が燃料電池２９のアノード出口９から、特にスタックから、流動方向ＶＩＩでエンドプレート１３を通り、任意選択の水分離機２４および任意選択のサイドチャネル圧縮機１０を経由して、弁・ジェットポンプ構造２の第１の流入部２８に入ることが示されている。そこから気体状の媒体は吸込領域７に流れ込み、部分的にジェットポンプ４の混合管１８に流れ込む。ここでは水分離機２４は、燃料電池２９の作動時に発生して気体状の媒体とともに、特にＨ２とともにアノード出口９を通って弁・ジェットポンプ構造２へ戻るように流れる水をシステムから排出する役割を有する。このようにして、気体状および／または液体状で存在し得る水が、再循環ファン１０および／またはジェットポンプ４および／または調量弁６へ入り込むことができない。なぜならば、そのような水が水分離機２４によって気体状の媒体からすでに直接分離されて、燃料電池システム３１から圧送デバイスにより排出されるからである。それにより、圧送ユニット１および／または燃料電池システム３１の各コンポーネントの、特に各コンポーネントの可動部分の、腐食による損傷を防ぐことができ、それにより、貫流されるすべてのコンポーネントの耐用寿命が延びる。さらに、燃料電池システム３１の水の早期の迅速な分離は、圧送ユニット１の効率を高めることができる。このことは、圧送ユニット１の他のコンポーネントを通って水が気体状の媒体とともに、特にＨ２とともに圧送されなくてすむことによって根拠づけられ、効率の低下を引き起こすことになる。なぜならば、圧送ユニット１の中で、水の割合だけ少ない気体状の媒体しか圧送することができず、水のほうが質量が大きいからである。このように、水分離機２４の使用とそれぞれの配置によって、圧送ユニット１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。進路変更領域２２での進路変更接続管１５を介しての媒体の進路変更により、媒体がその後の過程で別の進路変更を受けなくてすみ、吐出エルボ２２の通過後はほぼ新たな進路変更や摩擦損失なしに、またはわずかな進路変更や摩擦損失だけで、アノード入口３に流れ込むことができる。一例としての実施形態では、弁・ジェットポンプ構造２および／または圧送ユニット１は、燃料電池２９のエンドプレート１３に対して平行に配置されるのが好ましい。このことは特に、燃料電池システム３１が車両の表面または内部での設計上の制約に基づいてコンパクトな寸法を有し得るときに当てはまる。したがって、ジェットポンプ４から外に出たアノードガス流は、燃料電池２９のアノード入口３へ到達するために、ほぼ直角に、または少なくとも鋭角で進路変更されなければならない。このとき圧送ユニット１の流動領域は、ジェットポンプ４のデフューザ領域２０の端部区域、進路変更領域２２、ジェットポンプ４の接続ピース２６、および燃料電池２９のアノード入口３の、流動方向ＶＩＩに対して直交して延びるそれぞれの横断面が、少なくとも近似的に同じになるように製作される。
【００３３】
さらに図３には、閉止カバー５と燃料電池２９のアノード入口３との間に接続ピース２６があることが示されている。この接続ピース２６は本体８の一部として構成されており、接続ピース２６によって、圧送されるべき媒体が他の流動進路変更なしに、かつ他の摩擦損失および／または流動損失および／または圧力損失をほぼ生じずに、進路変更領域２２から燃料電池２９のアノード入口３へと流れることができる。このときジェットポンプ４および／または本体８はアノード入口３と流体接続されており、さらに、燃料電池２９への、特にエンドプレート１３への、弁・ジェットポンプ構造２の少なくとも追加の機械的な取付けが可能である。このとき弁・ジェットポンプ構造２および／またはサイドチャネル圧縮機１０および／または水分離機２４の燃料電池２９への、特にエンドプレート１３への取付けは、形状接合式および／または摩擦接合式および／または物質接合式に行うことができる。これに加えて、コンポーネントである弁・ジェットポンプ構造２および／またはサイドチャネル圧縮機１０および／または水分離機２４が共通のハウジングの中に配置されていてよく、またはその他の仕方で互いに結合されていてよい。
【００３４】
さらに、部分ピースである本体８および／または閉止カバー５は、比熱容量の小さい材料または合金で製作されており、コンポーネントであるジェットポンプ４の本体８および／または閉止カバー５は金属材料または合金で製作されている。このような部分ピースの例示としての施工形態は、特に流動領域で各コンポーネントの迅速な加熱を促進し、それに伴って、コールドスタート手順のときのアイスブリッジの回避を促進する。さらにこの場合、複合型の弁・ジェットポンプ構造２が発熱体１１を有するのが好ましく、これによって圧送ユニット１の各コンポーネントの迅速な加熱を実現することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  圧送ユニット
２  弁・ジェットポンプ構造
３  アノード入口
４  ジェットポンプ
５  閉止カバー
６  調量弁
８  本体
１１  発熱体
１２  ノズル
１５  進路変更接続管
１７  切欠き
１８  混合管
１９  内面
２０  デフューザ領域
２２  進路変更領域
２６  接続ピース
２９  燃料電池
３０  長軸
３１  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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