特許 7093411 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-21

(45)【発行日】2022-06-29

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04291 20160101AFI20220622BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220622BHJP

   B01D 45/12 20060101ALI20220622BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20220622BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04291

H01M8/04 N

B01D45/12

B01D53/22

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020528102

(86)(22)【出願日】2018-10-24

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-15

(86)【国際出願番号】 EP2018079075

(87)【国際公開番号】W WO2019105656

(87)【国際公開日】2019-06-06

【審査請求日】2020-05-21

(31)【優先権主張番号】102017221302.7

(32)【優先日】2017-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】クルツ ミヒャエル

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－０４２６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－００８６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１８６４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－００８３８１７（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－ ８／０６６８

Ｂ０１Ｄ ４５／００－４５／１８

Ｂ０１Ｄ ５３／２２－５３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入口（１６）を介して媒体が供給される少なくとも１つの容器（６）を備える、気体成分Ｈ２から少なくとも１つの液体成分Ｈ２Ｏを分離する気液分離器（２）であって、前記少なくとも１つの容器（６）において前記媒体の前記少なくとも１つの液体成分の分離が行われ、前記媒体の前記分離された成分が前記少なくとも１つの容器（６）から排出弁（４６）を介して排出され、前記媒体の残った気体成分Ｈ２が、第１出口（１８）を介して流出管路（５）へ戻される、気液分離器（２）において、前記液体成分Ｈ２Ｏに加えて気体成分Ｎ２が前記気液分離器（２）によって前記媒体から分離され、
前記少なくとも１つの容器（６）は容器壁（１７）と仕切壁（８）と仕切縁（１５）と鎮静室（１２）とリザーバ（１４）と出口流路（２０）とを有し、前記仕切壁（８）は前記容器壁（１７）に向いた側にノズル先端（１３）を有し、前記容器壁（１７）は湾曲領域（２３）を有し、前記仕切縁（１５）は先のとがった先端領域を有し、
前記仕切壁（８）の前記ノズル先端（１３）と前記容器壁（１７）の前記湾曲領域（２３）との間に前記媒体の流通する流通路が形成され、当該流通路の前記媒体の流れ方向下流側の出口に前記仕切縁（１５）の前記先端領域が配置される、
ことを特徴とする、気液分離器。

【請求項2】

前記成分Ｈ２Ｏ、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１に記載の気液分離器（２）。

【請求項3】

前記媒体は、前記入口（１６）と接続される前記鎮静室（１２）から来て前記湾曲領域（２３）および／または前記ノズル先端（１３）に沿って流れ方向Ｖに流過する際に、前記成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２がその程度にもとづいてより小さく偏向され、成分Ｈ２がその程度にもとづいてより大きく偏向されるように偏向され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】

前記媒体は、前記湾曲領域（２３）および／または前記ノズル先端（１３）に沿って流過した後に前記仕切縁（１５）に当たり、前記成分Ｈ２は、前記出口流路（２０）への流れ方向ＶＩＩに方向転換され、前記成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は、前記リザーバ（１４）への流れ方向ＶＩに方向転換され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5】

複数の容器（６ａ、ｂ）を有し、第１容器（６ａ）は前記入口（１６）と少なくとも１つの管（３５）と鎮静室（１２）とを有し、前記管（３５）は前記第１容器（６ａ）内に配置されており、第２容器（６ｂ）は、リザーバ（１４）とセンサ系（２２）とを有し、前記管（３５）は、前記第１容器（６ａ）の前記入口（１６）および前記第２容器（６ｂ）の前記リザーバ（１４）と流体的に結合されてい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6】

前記管（３５）は管壁（３６）を形成し、前記管壁（３６）は膜（３４）として形成されており、前記膜（３４）は前記媒体の成分Ｈ２に対して透過性であり、前記膜（３４）は前記媒体の成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２に対して不透過性であることを特徴とする、請求項５に記載の気液分離器（２）。

【請求項7】

前記媒体の成分Ｈ２の前記管（３５）から外への移動が行われるのに対して、前記媒体の前記成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の前記管（３５）から外への移動が阻止されることを特徴とする、請求項６に記載の気液分離器（２）。

【請求項8】

前記管（３５）の内部領域と外部領域との間に圧力差が生じ、それによって前記媒体の成分Ｈ２の前記管（３５）の外への移動が支援されることを特徴とする、請求項７に記載の気液分離器（２）。

【請求項9】

少なくとも２つの管（３５）が１つの管束（３７）に統合され、前記管（３５）はそれぞれ、前記第１容器（６ａ）の前記入口（１６）および前記第２容器（６ｂ）のリザーバ（１４）と流体的に結合されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の気液分離器（２）。

【請求項10】

燃料電池（３０）への水素供給および／または燃料電池からの水素排出を制御するための、請求項１～９のいずれか１項に記載の気液分離器（２）を備える燃料電池アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入口を介して媒体が供給される、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、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、少なくとも１つの容器において媒体の少なくとも１つの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、ガスが少なくとも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、燃料電池によって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、導入管を介して排ガスが供給されるケースを有する。ケースにおいて、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Ｈ_２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。さらにケースは排ガス出口を有し、分離および貯留された水は、この排ガス出口を介してケースから外に放出される。

【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】

導入管を介してケースに導入される燃料電池の排ガスは、水成分と並んで他の重い成分、特に、以下にＮ_２と呼ばれる特に気体窒素も含むので、水素と並んでこの成分が、例えば出口管を介してケースから再び燃料電池へ搬送される。それにより気液分離器には、略純粋な水素だけではなく、他の重い成分、例えばＮ_２も燃料電池に戻されるという欠点がある。それにより燃料電池の、したがって燃料電池システムの効率が低下する。これに代えて、気体Ｎ_２成分を排出するために、例えば吐出弁（Ａｂｌａｓｓｖｅｎｔｉｌ）の形態の付加的なコンポーネントが燃料電池システムに必要であろう。しかしそのような吐出弁は、Ｎ_２の放出時にはいつもＨ_２分の分離もされるという欠点を有する。その一方で、特に吐出弁の形態の付加的コンポーネントを燃料電池システムに設ける必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１４２２０８９１号明細書

【発明の概要】

【0007】

請求項１に関連して、液体成分、特に以下にＨ_２Ｏと呼ばれる水に加えて、気体成分Ｎ_２が媒体から分離される気液分離器を提示する。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複数の望ましくない成分を気液分離器によって同時に分離するという利点を得ることができる。それにより燃料電池、特にアノード側でエネルギーを生成するために必要とされる媒体の気体成分の分量が増える。これは特に、気液分離器の貫流が行われた後に再び燃料電池に戻されるＨ_２である。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を高くする一方で、燃料電池の運転時の副産物および／または廃棄物として生じる望ましくない成分が気液分離器によって分離され、したがって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比較的多くの分量の成分を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、請求項１に記載の気液分離器の本発明による実施形態によって、燃料電池システムにおいて気体Ｎ_２を排出するための、例えば吐出弁の形態の付加的コンポーネントの必要がなくなる。なぜなら気液分離器がこの仕事を引き受けるからである。このようにすることで、付加的コンポーネントである吐出弁の必要がなくなるので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Ｈ_２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。

【0008】

従属請求項は本発明の好ましい展開形態に該当する。

【0009】

特に有利な一実施形態では、本発明による気液分離器の実施形態によって、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が遠心原理によって媒体から、特に媒体の成分Ｈ_２から分離される。このようにすることで成分Ｈ_２から成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２を分けるために、特に燃料電池システムによって、および／または上位システムである車両によって付加的エネルギーが提供される必要がない、ならびに／あるい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る。このことは、入口を介して少なくとも１つの容器に供給される媒体が、遠心原理によって成分を分けるために必要な流入速度をすでに有しており、エネルギー付加により媒体を加速させる必要がないということにもとづく。したがって媒体へのエネルギー、特に運動エネルギーのさらなる導入は必要でなくなる。それにより燃料電池システムの効率を高めることができ、運転コストを削減することができる。

【0010】

有利な一展開形態では、少なくとも１つの容器は、容器壁と仕切壁と仕切縁と鎮静室とリザーバと出口流路とを有し、仕切壁は、容器壁に向いた側にノズル先端を有し、容器壁は湾曲領域を有する。このようにすることで、媒体から成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２をほぼ完全に分離することが可能であるという、および／または媒体から少なくとも大部分の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が分離されるという利点を得ることができる。それによって第１出口を介して少なくとも１つの容器から流出管路を通って燃料電池に戻される媒体が、略完全に、または少なくとも大部分が成分Ｈ_２からなることを保証することができる。それにより、特に燃料電池のアノード領域におけるエネルギー生成に必要なのはほとんどＨ_２のみであることから、燃料電池の効率を高めることができる。さらに、オプションで少なくとも１つの容器と燃料電池との間にあり、かつ燃料電池への連続的な搬送流をもたらす再循環ポンプと組み込まれたジェットポンプの効率も高めることができる。このことは、燃料電池システム全体の能率および／または効率を改善することができ、それにより運転コストを削減できるという利点を提供する。

【0011】

有利な一実施形態では、媒体は鎮静室から来て湾曲領域および／またはノズル先端に沿って流れ方向Ｖに流過する際に、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２がその程度（Ｍａβｅ）にもとづいてより小さく偏向され、軽い成分Ｈ_２がその程度にもとづいてより大きく偏向されるように偏向される。このようにすることで、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２およびＨ_２がノズル先端に沿って流過するときの加速によって、より重い成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２を軽い成分Ｈ_２から、特に遠心原理によってより良く分離できるように加速および偏向されるという利点を得ることができる。それにより、気液分離器の能率と、したがって燃料電池システム全体の効率とを高めることができる。

【0012】

特に有利な一展開形態では、媒体は、湾曲領域および／またはノズル先端に沿って流過した後に仕切縁に当たり、軽い成分Ｈ_２は、出口流路への流れ方向ＶＩＩに方向転換され、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、リザーバへの流れ方向ＶＩに方向転換される。このようにすることで、分離プロセスにおいて媒体と媒体の異なった成分とが、仕切縁がない場合の媒体の比較的強い制動と比べて、仕切縁によってそれほど強く制動されない。したがって仕切縁は、特に遠心原理による媒体のより軽い成分Ｈ_２からのより重い成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の分離プロセスを支援する。それによりリザーバへのＨ_２Ｏ、Ｎ_２の、かつ第１出口へのＨ_２の効率の良い、かつ流れ損失の少ない流れが可能になる。さらに、Ｈ_２含分が高い媒体は、そこから流れ方向に流出管路を通ってさらに移動することができ、その際、少なくとも１つの容器の領域において、Ｈ_２含分が高い媒体の移送を可能にするポンプまたはファンなどのさらなる流体搬送コンポーネントの必要がない。それにより少なくとも１つの容器の領域における、または少なくとも１つの容器における、特に電気的に駆動されるポンプまたはファンといったさらなる流体搬送コンポーネントを作動させる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、運転コストを削減することができる。

【0013】

有利な一展開形態では、気液分離器は複数の容器を有し、第１容器は入口と少なくとも１つの管と鎮静室とを有し、管は第１容器内に配置されている。さらに、第２容器は、リザーバとセンサ系とを有し、管は、第１容器の入口および第２容器のリザーバと流体的に結合されている。さらに、管は管壁を形成し、管壁は膜として、特に半透過性膜として形成されており、特にそれぞれの成分の分子サイズにもとづいて、膜は媒体の成分Ｈ_２に対して透過性であり、膜は媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２に対して不透過性である。このようにすることで、媒体から、特にＨ_２から成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２を略完全に分離されるように気液分離器による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、可能な限り高いＨ_２分量を燃料電池に、特に流出管路と流入管路とを通して戻し、それにより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ことを確保することができる。

【0014】

有利な一展開形態では、媒体の成分Ｈ_２の管から外への、特に管壁を通って鎮静室への移動が行われる。その間、媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の管から外への、特に管壁を通る移動は阻止される。このようにすることで、流出管路を通って再循環ポンプへ、および／または組み込まれたジェットポンプへＨ_２Ｏ、Ｎ_２がほとんど流れることができないか、またはごくわずかな分量のＨ_２Ｏ、Ｎ_２しか流れることができないという利点を得ることができる。それにより再循環路における腐食しやすい部品および／または可動部品が成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２によって損なわれる危険を排除することができるか、または少なくとも低減することができる。さらに再循環ポンプおよび／または組み込まれたジェットポンプの電気部品がＨ_２Ｏ、Ｎ_２の導入によって損なわれ、このことが、特に電気的短絡による損傷の形態で起こり、それによって燃料電池システム全体に損害が及ぼされかねないという危険が排除されるか、または少なくとも低減される。それにより再循環ポンプおよび／または組み込まれたジェットポンプおよび／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、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。

【0015】

有利な一実施形態では、管の内部領域と外部領域との間に圧力差が生じ、それによって媒体の成分Ｈ_２の管から外への、特に管壁を通って鎮静室への移動が支援される。このようにすることで、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２からＨ_２を分離するための付加的エネルギーが気液分離器に必要となることを阻止することができる。なぜなら燃料電池の運転中は接続管路を通る後続媒体（ｎａｃｈｓｔｒｏｅｍｅｎｄｅ Ｍｅｄｉｕｍ）によって圧力差が維持されるからである。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、運転コストを削減することができる。

【0016】

特に有利な一展開形態では、少なくとも２つの管が１つの管束に統合され、これらの管はそれぞれ、第１容器の入口および第２容器のリザーバと流体的に結合されている。こうすることで、膜のより大きい表面積を利用可能にすることができ、それによってより大きい体積の媒体を処理することができるという利点を得ることができる。その際、膜の比較的大きい表面積増加と比べて、必要とされる追加の構造空間はごくわずかである。さらに、膜の表面積増加によって、圧力差がより小さい場合でも媒体の成分の分離を達成することができる。それにより、燃料電池システムの効率を高めることができ、運転コストを削減することができる。さらに気液分離器をコンパクトで省スペース的な構造方式で実現することができる。

【0017】

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。図面において、

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施例による本発明の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】気液分離器の、図１にＩＩＩで示されたノズルの断面図である。

【図3】第２実施例による本発明の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4】気液分離器の膜の断面斜視図である。

【図5】気液分離器の、図３にＩＶで示された管束の断面斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１および図２の図示は、本発明による気液分離器２の第１実施例を有する燃料電池システム１を示し、気液分離器２は、液体成分、特にＨ_２Ｏに加えて気体成分Ｎ_２を媒体から分離する。その際、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、本発明による気液分離器２を用いて媒体から、特に媒体の成分Ｈ_２から遠心原理によって分離される。

【0020】

図１において、燃料電池３０と、気液分離器２と、オプションの再循環ポンプ９とが管路によって互いに流体的に結合された燃料電池システム１が示される。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Ｈ_２と酸素、すなわちＯ_２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。その際、本発明による気液分離器２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、再循環させるために気液分離器２へ導かれる。この場合、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Ｈ_２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Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２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を通って気液分離器２の入口１６へ流れ込む。これに代えて、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は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Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２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と、これらの成分が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Ｈ_２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。

【0021】

気液分離器２は、入口１６の他に少なくとも１つの容器６と第１出口１８とを有する。その際、少なくとも１つの容器６は、容器壁１７と仕切壁８と仕切縁１５と鎮静室１２とリザーバ１４と出口流路２０とを有し、仕切壁８は、容器壁１７に向いた側にノズル先端１３を有し、容器壁１７は湾曲領域２３を有している。

【0022】

少なくとも１つの容器６において、媒体は、鎮静室１２から来て流れ方向Ｖに湾曲領域２３および／またはノズル先端１３に沿って流過するときに、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２がそれらの程度にもとづいてより小さく偏向され、軽い成分Ｈ_２はその程度にもとづいてより大きく偏向されるように偏向される。それによって媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２がリザーバ１４へ導かれるのに対して、媒体の成分Ｈ_２は、少なくとも１つの容器６における出口流路２０の領域へ導かれる。

【0023】

さらに、図１には、少なくとも１つの容器６がセンサ系２２を有し、このセンサ系は、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の濃度および／またはリザーバ１４の領域における圧力を測定し、排出弁４６と少なくとも間接的に接続されていることが示される。センサ系２２が成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の濃度に関した特定の値および／または圧力を検出すると直ちに排出弁４６の制御が行われ、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、排出弁４６によって少なくとも１つの容器６から、特にリザーバ１４の領域から放出および／または導出される。これに代えてセンサ系２２は、所定のＨ_２Ｏ分量およびＮ_２分量で応答して排出弁４６を開く。その際、気液分離器２の例示的実施形態では、排出弁４６は、少なくとも１つの容器６の最深点に配置されていてもよく、それにより重力によって、および／または重力の支援によりリザーバ１４を略完全に空にすることが保証される。

【0024】

出口流路２０の領域にあり、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２から分かれた、特に湾曲領域２３およびノズル先端１３によって分けられたＨ_２は、これが出口流路２０に到達した後に、さらに少なくとも１つの容器６の第１出口１８へ流れ、そしてそこから流れ方向ＩＩに流出管路５を介してさらに、燃料電池システム１におけるオプションの部品として設けられていてもよい再循環ポンプ９へ流れる。再循環ポンプ９およびは、媒体、特にＨ_２を搬送および／または圧縮するために用いられる。その際、再循環ポンプ９は、特に、媒体の搬送流が停止に至るかもしれない燃料電池システム３１の動作点および／または動作状態において燃料電池３０への媒体の連続的な搬送流を保証すべきである。媒体は再循環ポンプ９を通過した後に節点７に到達する。節点は、例えば組み込まれたジェットポンプ１０（図３に図示）として形成されていてもよく、媒体は、節点７から流れ方向ＩＩに、かつ流入管路３を通って燃料電池３０へ流れ、媒体は、特に流入管路３から燃料電池３０のアノード領域３１へ流れ込む。

【0025】

図２は、図１に示された気液分離器２のノズル１１の部分ＩＩＩを示す。媒体は、湾曲領域２３および／または仕切壁８のノズル先端１３に沿って流れ方向Ｖに流過した後に仕切縁１５に当たり、軽い成分Ｈ２は、出口流路２０への流れ方向ＶＩＩに偏向され、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２はリザーバ１４への流れ方向ＶＩに偏向される。その際、湾曲領域２３は容器壁１７の一部である。さらに仕切縁１５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、残った媒体、特にＨ２からの成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２の分離は、これらの成分の質量（Ｍａｓｓｅｎ）が異なることにもとづいて行われ、成分Ｈ２Ｏ、Ｎ２は、より軽い成分Ｈ２よりも重い。その際、湾曲領域２３に沿って流れ、ノズル先端１３を通過するときに遠心力が成分に作用し、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。

【0026】

その際、これに加えて、仕切壁８と容器壁１７との間、特にノズル先端１３と湾曲領域２３との間の流れ通路が流れ方向Ｖに先細りになり、および／または仕切壁８と容器壁１７との間の距離が流れ方向Ｖに小さく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Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２およびＨ_２を有する媒体の流速を高め、それにより遠心力効果を大きくし、したがって分離を容易にすることができる。さらに、仕切縁１５の配置が分離プロセスに有利に作用し、仕切縁の配置は、流れ方向Ｖの媒体を、つまり一方で重い成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２をリザーバ１４に向かう流れ方向ＶＩに分割することを容易にし、他方、軽い成分Ｈ_２を出口流路２０に向かう流れ方向ＶＩＩに分割することを容易にする。その際、さらにこれに加えて、媒体の流れ方向Ｖおよび／または成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の流れ方向ＶＩが少なくとも略重力の作用方向に延びるように気液分離器２および／または少なくとも１つの容器６および／またはノズル１１が向けられているならば有利に作用する。その際、成分Ｈ_２の流れ方向ＶＩＩは、特に仕切縁１５に沿って通過が行われた後に重力の作用方向と少なくとも略逆に延びる。それによって、遠心原理によるより重い成分とより軽い成分の分離を、付加的に重力の作用によって支援することができ、したがってより効率の良い分離を達成することができる。

【0027】

図３は、第２実施例による本発明の気液分離器２を有する燃料電池システム１の模式図を示す。この場合、燃料電池３０がアノード領域３１とカソード領域３２とを有することが示されている。カソード領域３２には、吸引路２９によってカソード側の流れ方向ＩＶに空気、特にＯ_２が供給される。図３において、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がアノード領域３１から流れ方向ＩＩに接続管路４を介して気液分離器２へ導かれることが示されている。その際、気液分離器２は複数の容器６ａ、ｂを有し、第１容器６ａは、入口１６と少なくとも１つの管３５と鎮静室１２とを有し、管３５が第１容器６ａ内に配置されており、第２容器６ｂは、リザーバ１４とセンサ系２２とを有し、管３５が第１容器６ａの入口１６および第２容器６ｂのリザーバ１４と流体的に結合されている。気液分離器２の別の例示的実施形態では、少なくとも２つの管３５が１つの管束３７に統合されてもよく、これらの管３５はそれぞれ、第１容器６ａの入口１６と、かつ第２容器６ｂのリザーバ１４と流体的に結合されている。さらにセンサ系２２は第２容器６ｂ内のＨ_２Ｏ分量とＮ_２分量とを連続的に測定し、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の濃度に関した特定の値および／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Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が排出弁４６によって第２容器６ｂから、特にリザーバ１４の領域から放出および／または導出される。成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が排出弁４６によって第２容器６ｂから導出された後に、これらの成分は、戻し管路１９を介して燃料電池システム１の吸引路２９に到達する。そこから成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、流れ方向ＩＶに吸引路２９を通ってさらにカソード領域３２へ流れる。

【0028】

図３において、媒体が燃料電池３０のアノード領域３１から来て入口１６を介して第１容器６ａに流れ込むことが示され、この場合、媒体は、少なくとも１つの管３５または気液分離器２の管束３７に流れ込む。次いで管３５または管束３７を介して、残った媒体、特にＨ_２からの成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の分離が行われる。このことは管３５または管束３７の管壁３６の透過性（Ｄｕｒｃｈｌａｅｓｓｉｇｋｅｉｔ）、特に浸透性（Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔａｅｔ）によって可能にされ、その際、成分Ｈ_２は、特に成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２よりも分子サイズが小さいことから管壁３６を通って鎮静室１２に拡散することができる。成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、特に成分Ｈ_２よりも分子サイズが大きいことから管壁３６を通り抜けて拡散することができず、それゆえ管３５または管束３７の全長を通って第２出口２４を介して第２容器６ｂに導かれ、そこに集められる。気液分離器２の可能な一実施形態では、第２出口２４は、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が第２容器６ｂから第２出口２４を介して管３５または管束３７へ流れ戻ることが阻止されるように形成されている。

【0029】

鎮静室１２に集められた媒体、特に成分Ｈ_２は、最終的に流れ方向ＩＩに流出管路５を通って再循環ポンプ９へ流れる。再循環ポンプ９によって行われる媒体の圧縮プロセスおよび加速プロセスが図１の説明において詳しく解説されている。特に略完全にＨ_２である媒体は、再循環ポンプ９からさらに、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内ではいわゆるジェットポンプ効果が生じる。そのために気体作動媒体、特にＨ_２が、タンク２７、特に高圧タンク２７からジェットポンプ１０の外部のタンク管路２１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の吸引領域へ搬送される。次いで作動媒体は、高圧下で吸引領域に導入される。その際、気体作動媒体は、流れ方向ＩＩの向きで流れる。高圧タンク２７からジェットポンプ１０の吸引領域へ流れ、かつ作動媒体として用いられるＨ_２は、吸引領域に流れ込む再循環媒体との圧力差を有し、その際、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の吸引領域に搬送される。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、媒体間の内部摩擦と乱流が発生する。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。

【0030】

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、混合された媒体が流入管路３を通って燃料電池３０へ、特にアノード領域３１へ流れる。

【0031】

図４において、管壁３６の膜３４が示され、膜３４が断面斜視図で示されている。この場合、膜３４は半透過性膜３４として形成されており、図４に示されるように、特にそれぞれの成分の分子サイズにもとづいて、膜３４は、媒体の成分Ｈ_２に対して透過性であり、膜３４は、媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２に対して不透過性である。その際、媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２が膜３４の構造、特に格子構造を通って拡散するには大きすぎるのに対して、媒体の成分Ｈ_２は、膜３４の構造を通って拡散するのに十分に小さい。

【0032】

図５は、管３５が管壁３６を形成することを示し、その際、管壁３６が膜３４として形成され、特にそれぞれの成分の分子サイズにもとづいて、膜３４は、媒体の成分Ｈ_２に対して透過性であり、膜３４は、媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２に対して不透過性である。その際、図５において、複数の管３５が１つの管束３７に統合されていてもよいことが示されている。気液分離器２の可能な一実施形態では、管３５は互いに平行に延びる。その際、媒体の成分Ｈ_２がそれぞれの管３５から外へ、特に管壁３６を通って鎮静室１２へ移動するのに対して、媒体の成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２の、特に管壁３６を通って管３５から外への移動は阻止されることが示されている。したがって成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、第２出口２４の方向にのみさらに流れることができ、成分Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２は、第２出口２４を通って第２容器６ｂへさらに流れる（図３に図示）。気液分離器２の有利な一実施形態では、管３５または管束３７の内部領域と外部領域との間に圧力差が生じ、それによって媒体の成分Ｈ_２の管３５または管束３７から外へ、特に管壁３６を通って鎮静室１２への移動が支援される。

【0033】

本発明は、本明細書中に記載された実施例および本明細書中に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】

【0034】

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
６、６ａ、６ｂ 容器
８ 仕切壁
９ 再循環ポンプ
１０ ジェットポンプ
１１ ノズル
１２ 鎮静室
１３ ノズル先端
１４ リザーバ
１５ 仕切縁
１６ 入口
１７ 容器壁
１８ 出口
２０ 出口流路
２２ センサ系
２３ 湾曲領域
２９ 吸引路
３０ 燃料電池
３１ アノード領域
３２ カソード領域
３４ 膜
３５ 管
３６ 管壁
３７ 管束
４６ 排出弁
ＩＩ、Ｖ、ＶＩ、ＶＩＩ 流れ方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】