(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル（１２）と環状に構成されたディフューザ（１６）とを有する、燃料電池システムのための送出ユニット（８）であって、前記ディフューザ（１６）は前記送出ユニット（８）の内部に配置された調整部材（１８）を通じて軸方向（４２）へ位置調節可能であり、
前記ノズル（１２）と前記ディフューザ（１６）の間に環状隙間（４４）が構成されており、
前記環状隙間（４４）は、一方のディフューザ面（４８）および他方のノズル面（５０）によって区切られており、
前記環状隙間（４４）は、前記ディフューザ（１６）の軸方向位置に応じて連通個所の方向で狭隘化している、ことを特徴とする送出ユニット（８）。
【請求項２】
前記ディフューザ（１６）は前記調整部材（１８）を含む軸受個所（２０）に収容されることを特徴とする、請求項１に記載の送出ユニット（８）。
【請求項３】
前記調整部材（１８）は電磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の送出ユニット（８）。
【請求項４】
前記ノズル（１２）は前記送出ユニット（８）に定置に収容され、前記ディフューザ（１６）はこれに対して相対的に軸方向（４２）へ位置調節されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の送出ユニット（８）。
【請求項５】
前記ディフューザ（１６）は、ばね（２４）によって軸方向（４２）に初期応力をかけられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の送出ユニット（８）。
【請求項６】
前記ばね（２４）は、前記送出ユニット（８）の極（１０）に圧入された圧入リング（２２）に支持されることを特徴とする、請求項５に記載の送出ユニット（８）。
【請求項７】
前記ディフューザ（１６）は前記調整部材（１８）が操作されていない状態のとき封止部材（２６）によって第１のＨ２流入部（２８）を閉止することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の送出ユニット（８）。
【請求項８】
前記調整部材（１８）を操作するために前記環状隙間（４４）への第１のＨ２流入部が開かれ、前記調整部材（１８）が相応に操作されたとき前記ディフューザ面（４８）と前記ノズル面（５０）の間の間隙幅を調整可能であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の送出ユニット（８）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の送出ユニット（８）の燃料電池システムでの利用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構造のための送出ユニットおよびその利用法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１より、水素を提供するための少なくとも１つのエジェクタ本体を含む、燃料電池システムのための多段式エジェクタが公知であり、エジェクタ体の各々が相前後して位置するように配置された複数のノズルを含み、事前設定された空所が残され、相応のノズルにおける該空所の直径はエジェクタ本体の取込側からその外方の側へと見たときに拡大していく。さらに、個々のノズルの間の１つ空所または複数の空所と接続された複数のサブ取込部が、エジェクタ本体の外側表面に形成される。エジェクタ本体はハウジングの中に収容され、再循環する水素を収容するためのメイン取込部を含んでいる。この多段式エジェクタは、再循環する水素の量を増やすことによってシステム性能を向上させる。さらに、再循環する水素ガスの還流を最終的に防止するために、少なくとも１つの安全弁がエジェクタの取込位置に設けられている。コールドスタート能力を改善するために、エジェクタの周りに延びる少なくとも１つの加熱装置が設けられている。
【０００３】
特許文献２は、燃料電池のためのエジェクタに関する。このエジェクタは燃料電池で利用され、取込接続部と、吐出接続部と、吸込接続部と、酸化をするガスのための接続部とを有するエジェクタ本体を含んでいる。さらに３つのチャンバが本体に設けられ、ならびに、駆動ガスが流出するノズル穴を有するノズルが設けられ、さらに、ノズルを介して供給される駆動ガスと、燃料電池から放出されるガスとを混合して吸込接続部へと供給するディフューザが設けられている。さらに、ノズルに沿って軸方向に、その中に設けられた中空スペースへと延びるニードル状のコンポーネントが、本体の一方の側に収容されている。互いに向かい合う第１および第２のダイアフラムが配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，６８７，１７１Ｂ２号明細書
【特許文献２】米国特許第８，９９９，５９３Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明によると、燃料電池システムのための送出ユニットが提案され、送出ユニットはノズルとディフューザとを有し、ディフューザは送出ユニットの内部に配置された調整部材を通じて軸方向へ位置調節可能である。ディフューザは、第１のＨ２流入部を開放または閉止すると同時に、軸方向へ位置調節可能なディフューザと送出ユニットに定置に配置されたノズルとの間に製作された環状隙間の間隙幅を調節するように配置されるのが好ましい。それにより、駆動ガスが第１のＨ２流入部から流出する環状隙間と、本発明により提案される送出ユニットによって送出されるべき再循環物のための流動断面との間の断面比率の変更が行われ、それに伴ってＨ２再循環の制御が必要に応じて行われる。断面比率ＡＲｅｚｉｒｋｕｌａｔ／ＡＲｉｎｇｓｐａｌｔを８から５０の間の広い範囲で変更することができる。第１のＨ２流入部における流動断面が小さく調整されるほど、第１のＨ２供給部を介して流れ込んだ駆動ガス媒体のいっそう高い吐出速度が生じる。第１のＨ２流入部から吐出される駆動ガス媒体の吐出速度が高くなるほど、本発明により提案される送出ユニットによっていっそう多くの送出を設定することができる。
【０００６】
本発明で提案される解決法によれば、ディフューザは、調整部材を含んでいる軸受個所に収容される。調整部材は電磁石として製作されていてよいのが好ましい。電磁石への通電が行われる電磁石の電気接続部が、送出ユニットから導出される。
【０００７】
送出ユニットに定置に収容されたノズルと、軸方向へ位置調節可能なディフューザとの間に環状隙間が構成される。この環状隙間に第１のＨ２流入部が連通し、これを介して、送出されるべき他の気体状の媒体のための気体状の駆動媒体として、本例では特にＨ２再循環の役目を果たす水素が流入する。
【０００８】
送出ユニットに定置に配置されたノズルと、軸方向へ位置調節可能なディフューザとの間の環状隙間は、一方ではディフューザ面によって、および他方ではノズル面によって区切られる。ディフューザは、送出ユニットに定置に配置されたノズルに対して相対的に軸方向へ位置調節可能であり、それにより、ノズル面とディフューザ面の間の環状隙間の環状隙間幅を変更することができる。
【０００９】
本発明により提案される解決法の別の実施形態では、軸方向へ能動的に位置調節可能なディフューザは、ばねによって軸方向に初期応力をかけられる。休止状態にあるとき、ばねは、ディフューザが第１のＨ２流入部を共に閉止するシートへと向かう方向にディフューザを押圧する。ディフューザを付勢するばねはそれ自体、送出ユニットの極に圧入された圧入部に支持される。この極に圧入された圧入リングの軸方向位置に応じて、ばねストロークと、ばねがディフューザを休止位置へと付勢する初期応力とを調整することができる。ディフューザは、調整部材が操作されていない状態にあるとき、たとえばエラストマーシールリングなどとして構成される封止部材によって第１のＨ２流入部を閉止する。特に電磁石として構成される調整部材が操作されると、ディフューザがこれに対して作用するばねの初期応力に抗して軸方向へ位置調節され、それにより第１のＨ２流入部が解放され、他方では、それと同時に環状隙間の間隙幅が調整される。電磁石構造の位置調節ストロークは軸方向で０μｍから１０００μｍの間、好ましくは０μｍから５００μｍの間、特別に好ましくは０μｍから３００μｍの間である。操作部材への通電に応じて、第１のＨ２流入部が開いたときに、ノズル面とディフューザ面の間の環状隙間の間隙幅を変えることができる。それに伴い、気体状のＨ２が環状隙間から吐出される流速に影響を及ぼし、そのようにしてＨ２再循環に影響を及ぼすことができる。
【００１０】
本発明により提案される送出ユニットの１つの好ましい利用可能性は、燃料電池システムでの利用法にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の解決法に伴って得られる利点は、本発明により提案される送出ユニットによって、ディフューザの能動的な位置調節が送出ユニットの内部の調整ユニットを通じて行われることにある。そのようにして、第１のＨ２流入部から吐出される、気体状の駆動媒体としての役目を果たすＨ２の流速に影響を及ぼすことができ、それに伴って、燃料電池システムにおけるＨ２再循環を必要に即して制御することができる。ＡＲｅｚｉｒｋｕｌａｔ／ＡＲｉｎｇｓｐａｌｔの流動断面を変更することで、特にＨ２である再循環物についての一定の流動断面のままで、中央の流動通路への環状隙間の吐出開口部を拡大または縮小することができ、それにより第１のＨ２流入部から吐出される気体状の駆動ガスの、すなわち中央の流動断面におけるＨ２の、流速の低下または上昇が調整される。本発明により提案される送出ユニットのコンパクトな設計形態を実現するために、特に電磁石として構成される調整部材がディフューザのための軸受個所に組み込まれるのが好ましい。電気接続部すなわちコイル接続部は、収容部と蓋ならびに極にある穴を通して、送出ユニットの両方の側で外部に向かって案内される。送出ユニットの個々のコンポーネント、すなわち極、ノズル、ならびに軸方向へ位置調節可能なディフューザのためにノズルに構成される軸受個所が、たとえば長手方向で相互にねじ止めされていてよい。各コンポーネントのねじ止めに代えて、これらがピン止めまたはその他の仕方で摩擦接合式に相互に結合されていてよく、それにより、保守目的や補修目的での分解が可能なままに保たれる。
【００１２】
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】
【００１３】
【図１】軸方向へ位置調節可能なディフューザを有する本発明の送出ユニットの一実施態様である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１の図面には、軸方向へ位置調節可能なディフューザを有する本発明に基づく送出ユニットの一実施態様を見ることができる。
【００１５】
図１の図面には、対称軸に対して回転対称に構成された、本発明に基づいて提案される送出ユニット８の縦断面図を見ることができる。送出ユニットは、極１０と、送出ユニット８に定置に支承されたノズル１２とを含んでいる。磁気的な分離部が符号１４によって表されている。送出ユニット８は、実質的に環状に製作された、特に磁気コイルとして製作される調整部材１８によって操作されるディフューザ１６を含んでいる。磁気コイルの形態の調整部材１８は、環状に構成されたディフューザ１６のための軸受個所２０の内部に収容されている。
図１の図面から明らかなとおり、実質的に環状に構成されたディフューザ１６は、ばね２４によって軸方向に付勢されている。ばね２４は圧入リング２２に支持されている。圧入リング２２は極１０に圧入されている。ばね２４によってディフューザ１６に及ぼされるべき所望の初期応力に応じて、極１０の内側外套面への圧入リング２２の組付けが行われる。調整部材１８が休止位置にあるとき、圧入リング２２に支持されるばね２４がディフューザをノズル１２に向かって押圧する。ノズル１２とディフューザ１６の間に形成されるシートに、好ましくは環状に構成されるエラストマーシール材２６が配置されていてよい。ばね２４によってディフューザ１６に及ぼされる初期応力により、第１のＨ２流入部２８が閉止される。閉止された第１のＨ２流入部２８により、Ｈ２が送出ユニット８の流動断面に達することはできない。第１のＨ２流入部２８から吐出されるＨ２は、たとえば本発明により提案される送出ユニット８の中央の流動通路で別の第２の流入部３６を介して燃料電池スタックから送出される気体状の再循環物、特にＨ２再循環物のための気体状の駆動媒体としての役目を果たす。
【００１６】
磁気回路３０は、極１０、ノズル１２、および軸方向４２へ位置調節可能なディフューザによって形成される。
【００１７】
第１のＨ２流入部２８に加えて、送出ユニット８に定置に収容されたノズル１２は第２のＨ２流入部３６を備えている。この第２のＨ２流入部３６を介して、送出ユニット８の中央の流動断面に気体状の水素が流れる。第１のＨ２流入部２８を介して送出ユニット８の中央の流動通路に流れ込む、駆動媒体としての役目を果たす気体状のＨ２の流速に応じて、第２の流入部３６を介して流れ込む再循環物、特にＨ２再循環物が送出される。第１のＨ２流入部２８から送出ユニット８の中央の流動断面に流入するＨ２の流速の大きさが、第２のＨ２流入部３６からのＨ２再循環物の送出速度を規定する。
【００１８】
図１の図面から明らかなように、第１のＨ２流入部２８はノズル１２を通って延びて、シートの領域でエラストマーシール材２６に連通する。すでに述べたとおり、第１のＨ２流入部２８はディフューザ１６が休止位置にあるとき、ばね２４によって及ぼされる初期応力に基づいて閉止される。好ましくは磁気コイルとして構成される調整部材１８が操作されるとただちに、位置調節可能なディフューザ１６が、調整部材が無通電の状態にあるときの休止位置から引き付けられて、本発明により提案される送出ユニット８の中央の流動断面へのＨ２流入部２８の連通部が解放される。特に磁気コイルとして構成される調整部材１８への通電に応じて、連通個所が大きい流動断面または小さい流動断面を有する。第１のＨ２流入部２８の連通個所における流動断面に依存して、第１のＨ２流入部２８から中央の流動断面へと流れ出る気体状の駆動媒体の吐出速度が生じる。
【００１９】
軸方向４２へのディフューザ１６の能動的な位置調節は、軸受個所２０にカプセル封じされて収容される、好ましくは磁気コイルとして構成される調整部材１８への通電によって行われる。調整部材１８への通電が行われると、ばね２４によって生成される初期応力に抗してディフューザ１６が引き付けられ、第１のＨ２流入部２８の端部にあるシートが開く。それと同時に、特に磁気コイルとして構成される調整部材１８への通電に応じて第１のＨ２流入部２８の開放が行われ、それにより、環状隙間４４の幅４６が変化するようになっている。一方における送出ユニット８に定置に配置されたノズル１２と、他方における軸方向４２へ能動的に位置調節可能なディフューザ１６との間の環状隙間４４は、調整部材１８への通電度に応じて拡張または狭隘化される。
【００２０】
第１のＨ２流入部２８が開いているとき、気体状のＨ２が環状隙間４４を通って、本発明により提案される送出ユニット８の対称軸５２と平行にこれを貫流する、第２のＨ２流入部３６を介して送出ユニットへ妨げられることなく流入する再循環するＨ２流へと流れ込む。ノズル１２と位置調節可能なディフューザ１６の間の環状隙間４４は、一方では、送出ユニット８に定置に配置されたノズル１２のノズル面５０によって区切られるとともに、他方では、軸方向４２へ位置調節可能なディフューザ１６のディフューザ面４８によって区切られる。環状隙間４４は、ディフューザ面４８と定置のノズル面５０とのそれぞれ異なる傾きに基づき、位置調節可能なディフューザ１６の軸方向位置に応じて連通個所の方向で狭隘化していく。調整部材１８が通電されていないとき、位置調節可能なディフューザ１６に挿入されているエラストマーシール材２６の形態の封止部材が第１のＨ２流入部２８を閉止する。それにより、位置調節可能なディフューザ１６は封止機能を有しており、このことは、第１のＨ２流入部２８が閉じているとき、気体状の駆動媒体としての役目を果たすＨ２の流入が妨げられることを意味し、すなわち、このケースでは第１のＨ２流入部２８はオフになる。
【００２１】
磁気的な分離部１４は、好ましくは気密性の物質接合式の接合プロセスによって、ノズル１２および極１０と結合されている。好ましくは磁気コイルとして構成される調整部材１８の詳しくは図示しない接続部を、送出ユニット８の収容部と蓋ならびに極１０にある穴を通して、送出ユニット８の両方の側で外部に向かって案内することができる。
【００２２】
本発明により提案される送出ユニット８の図１に示す実施態様では、第１のＨ２流入部２８は水平方向区域４０と垂直方向区域３８とを有している。したがって第１のＨ２流入部２８は、送出ユニット８に定置に配置されたノズル１２の材料を通って直角に延びている。ノズル１２の材料へ製造工学的に好都合に、上述した垂直方向区域３８ならびに水平方向区域４０を特別に簡単な仕方で穴として製作することができる。選択される直径に応じて、第１のＨ２流入部２８を通過する気体状のＨ２質量流量が第１のＨ２流入部２８を通して生じる。
【００２３】
図１に示す実施態様では、再循環する気体状のＨ２はノズル１２の第２のＨ２流入部３６を通ってメイン流動断面へと送出ユニット８の対称軸５２の領域で流れ込むのに対して、軸方向４２へ位置調節可能なディフューザ１６によって、磁気コイルとして構成された調整部材１８が操作されたときに第１のＨ２流入部２８の開放または閉止を実現することができる。送出ユニット８の第１のＨ２流入部２８が開いた後、好ましくは磁気コイルとして構成されて軸受個所２０に支承される調整部材１８が相応に通電されれば、環状隙間４４の幅４６の変更を実現することができる。それによってひいては必要に応じて、特に部分負荷動作のときに、流入する気体状のＨ２の流速に的確に影響を及ぼすことが可能である。送出ユニット８の対称軸５２の領域における環状隙間４４の連通個所で吐出される気体状のＨ２の流速に依存して、噴射ポンプ効果に基づき、再循環するＨ２が燃料電池スタックから第２の流入部３６へ案内される。それに対して、好ましくは磁気コイルとして構成される調整部材１８が通電されていないとき、第１のＨ２流入部２８が閉じられる。その吐出個所がノズル１２の材料の中で、封止機能を及ぼすエラストマーシール材２６の形態の封止部材によって閉じられるからである。符号５４により、噴射ポンプとして構成される送出ユニット８のニードルが表されている。
【００２４】
本発明は、ここに記載されている実施例およびその中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。
【符号の説明】
【００２５】
８  送出ユニット
１２  ノズル
１６  ディフューザ
１８  調整部材
２０  軸受個所
２４  ばね
２６  エラストマーシール材
２８  Ｈ２流入部
４２  軸方向
４４  環状隙間
４８  ディフューザ面
５０  ノズル面
【図１】
0006937848.tif 000002