特表 2024-537363 可動の弁装置を備えた燃料電池用の水分離装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-10

(54)【発明の名称】可動の弁装置を備えた燃料電池用の水分離装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241003BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024522289

(86)(22)【出願日】2022-10-11

(85)【翻訳文提出日】2024-05-15

(86)【国際出願番号】 EP2022078263

(87)【国際公開番号】W WO2023062013

(87)【国際公開日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】102021211698.1

(32)【優先日】2021-10-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519031896

【氏名又は名称】ヴィテスコ テクノロジーズ ゲー・エム・ベー・ハー

【氏名又は名称原語表記】Ｖｉｔｅｓｃｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓｓｔｒａｓｓｅ １２，９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】フロリアン ブラウン

(72)【発明者】

【氏名】マティアス ブリーク

(72)【発明者】

【氏名】ヘンリー マイスガイアー

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AC05

5H127AC07

5H127AC09

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA33

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB18

5H127DC87

5H127EE19

5H127EE23

(57)【要約】

燃料電池（３）用の水分離装置（４００）であって、燃料電池（３）から導出された水を含むガス混合物から水を分離する分離装置（４３０，５３０）と、分離装置（４３０，５３０）により分離された水（６００）を回収するための回収容積（４４１）を備えた容器（４４０，５４０）と、回収容積（４４１）に接続された可動の弁装置（４５１０）を備えた凍結防止装置（４５００）と、を備えており、凍結防止装置（４５００）は、回収容積（４４１）内の水（６００）が凍結すると、弁装置（４５１０）が回収容積（４４１）を拡大させながら凍結位置の方向に移動し、かつ回収容積（４４１）内で凍結した水（６００）が融解すると、弁装置（４５１０）は回収容積（４４１）を縮小させながら融解位置の方向に移動するように形成されている、水分離装置（４００）を提案する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池（３）用の水分離装置（４００）であって、
前記燃料電池（３）から導出された水を含むガス混合物から水を分離する分離装置（４３０）と、
前記分離装置（４３０）により分離された水を回収するための回収容積（４４１）を備えた容器（４４０）と、
前記回収容積（４４１）に接続された摺動可能な弁装置（４５１０）を備えた凍結防止装置（４５００）と、
を備えており、
前記凍結防止装置（４５００）は、前記回収容積（４４１）内の水（６００）が凍結すると、前記弁装置（４５１０）が前記回収容積（４４１）を拡大させながら凍結位置の方向に移動し、かつ前記回収容積（４４１）内で凍結した水（６００）が融解すると、前記弁装置（４５１０）は前記回収容積（４４１）を縮小させながら融解位置の方向に移動するように形成されている、水分離装置（４００）。

【請求項2】

当該水分離装置（４００）内で分離された液状の水を、前記弁装置（４５１０）を介して放出するための放出通路（４６００）を有している、請求項１記載の水分離装置（４００）。

【請求項3】

前記放出通路（４６００）は、前記容器（４４０）の隔壁（４４２）内に形成されており、前記弁装置（４５１０）と流体接続されている、請求項２記載の水分離装置（４００）。

【請求項4】

前記凍結防止装置（４５００）は、前記融解位置の方向に向けられた戻し力を前記弁装置（４５１０）に加える戻し装置（４５２０）を有しており、前記弁装置（４５１０）が前記凍結位置の方向に移動すると、前記戻し力は強まり、前記弁装置（４５１０）が前記融解位置の方向に移動すると、前記戻し力は弱まる、請求項１から３までのいずれか１項記載の水分離装置（４００）。

【請求項5】

前記戻し装置（４５２０）は、前記弁装置（４５１０）に力を伝達するように接続された機械的なばね、エラストマーまたはガススプリングを有している、請求項４記載の水分離装置（４００）。

【請求項6】

前記容器（４４０）は、隔壁（４４２）内に開口（４４５）を有しており、前記弁装置（４５１０）は、前記開口（４４５）内に摺動可能に配置されており、前記戻し装置（４５２０）は、前記弁装置（４５１０）の、前記回収容積（４４１）とは反対の側に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の水分離装置（４００）。

【請求項7】

燃料電池装置（２）であって、
陽極装置（４）と陰極装置（５）とを有する燃料電池（３）であって、前記陽極装置（４）は、該陽極装置（４）から水を含むガス混合物を導出する陽極出口（４１）を有しており、前記陰極装置（５）は、該陰極装置（５）から水を含むガス混合物を導出する陰極出口（５１）を有している、燃料電池（３）と、
前記陽極出口（４１）および／または前記陰極出口（５１）に接続された、請求項１から６までのいずれか１項記載の少なくとも１つの水分離装置（４００）と、
を備える、燃料電池装置（２）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可動の弁装置を備えた凍結防止装置を有する、燃料電池用の水分離装置に関する。本発明はさらに、このような水分離装置を有する、自動車用の燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

乗用車および商用車の電化の枠内で、燃料電池も電気エネルギ源として使用されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との間の化学反応に基づき電気エネルギを得るガルバニ電池のことである。自動車分野では、燃料として好適には水素が使用される。酸化剤としては、空気中の酸素が用いられる。燃料電池は、半透膜によって互いに隔離された２つの電極（陽極および陰極）を含む。両方の反応相手、すなわち燃料と酸化剤とが、電極に連続的に供給される。この場合、膜は、反応に際して放出されるイオン種、例えばプロトンに対してのみ透過性を有する。酸化剤と燃料との間の反応に際して電気エネルギが放出され、この電気エネルギが自動車の電動モータの運転に用いられる。燃料として水素が用いられ、かつ酸化剤として酸素が用いられる場合、陰極側には水が反応生成物として生じる。燃料電池の運転の過程において、（空気の主成分としての）窒素と水とが、陰極から膜を介して陽極にも徐々に拡散する。このことは望ましくない。それというのも、窒素と水とが水素供給通路を遮断し、陽極内の水素の均一な分布を低下させ、これにより、燃料電池の効率がネガティブに損なわれるからである。陽極および陰極における水の濃縮を回避するためには、水を電極から取り除かねばならない。このことは、吹出しにより行われることが多い。電極を離れる水含有ガス混合物（エアロゾル）は、出口側で水分離器に供給され、水分離器内で、残留ガスから水が分離される。この場合、分離された水は、回収容器に捕集され、弁を介して時々排出される。水の氷点を下回る燃料電池の運転時には、回収容器および弁の領域に氷が形成されることがある。これにより生じる極めて高い押圧力に基づき、水分離器、回収容器および弁が損傷または破壊される恐れがある。氷が形成されるリスクは、燃料電池の運転停止状態において特に大きくなる。氷の形成を回避するために、関係するコンポーネントを電気的に、または伝熱流体を用いて加熱することができる。しかしながら、このために必要な技術的なインフラストラクチャは手間がかかり、高コストであり、かつ故障しやすい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明の課題は、水の氷点を下回る温度においても、低コストおよび小さな技術的な手間と同時に、改良された運転確実性の点で優れている、燃料電池用の水分離装置ならびに燃料電池装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この課題は、独立請求項の対象によって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。

【0005】

請求項１記載の燃料電池用の水分離装置は、燃料電池から導出された水を含むガス混合物から水を分離する分離装置を有している。水分離装置にはさらに、分離装置により分離された水を回収または捕集するための回収容積を備えた容器が付属している。水分離装置にはさらに、回収容積から水を放出するための、可動のまたは摺動可能な弁装置を備えた凍結防止装置が付属しており、弁装置は回収容積に、圧力を伝達するように接続されており、凍結防止装置は、回収容積内の水が凍結すると、弁装置が回収容積を拡大させながら凍結位置の方向に移動し、かつ回収容積内で凍結した水が融解すると、弁装置は回収容積を縮小させながら融解位置の方向に戻るように形成されている。

【0006】

氷は、水よりも約８～１０％だけ大きな比体積を有している。容器内に集められた水が凍結して氷を形成すると、氷の膨張または十分な容積補償が不可能な場合には、極めて高い押圧力が生じる。本発明の根底を成す思想は、回収容積において可変の容積補償を可能にする凍結防止装置を設けることにある。換言すると、凍結防止装置は、回収容積内で水が凍結した場合には、回収容積の必要に応じた拡大を可能にすると共に、回収容積内で氷が液化した場合には、回収容積の相応の縮小を可能にする。弁装置は、互いに反対の側に位置する２つの表面側を有している。弁装置は、一方の表面側では回収容積に押圧力を伝達するように接続されており、かつ充填レベルに応じて、回収容積内に集められた水または氷に押圧力を伝達するように接続されている。他方の表面側では、弁装置は周辺環境（大気圧、周囲空気）に力を伝達するように接続されている。代替的に、弁装置は他方の表面側において、回収容積側の力とは反対向きの力を他方の表面側に加える戻し装置に接続されていてもよい（請求項２参照）。弁装置は、摺動区間に沿って可動にまたは摺動可能に支持されている。弁装置はこの摺動区間に沿って、互いに反対の側に位置する表面側においてそれぞれ弁装置に作用する力が平衡になる位置を占める。回収容積内に水が存在している場合、弁装置は融解位置にある。回収容積内の水が凍結すると、その結果、弁装置に対する押圧力が片側で高まることになる。この場合には、弁装置が摺動区間に沿って凍結位置の方向に移動すると、凍結位置では再び力の平衡状態が生じることになる。回収容積内の氷が融解すると、その結果、氷の体積の減少に基づき（例えば弁装置と融解する氷との間の空間における退去作用に基づき）、回収容積の側の弁装置に対する押圧力が片側で低下することになる。この場合には、弁装置が摺動区間に沿って、再び力の平衡状態が生じるまで融解位置の方向に移動する。凍結防止装置は、氷の形成に基づく水分離装置の損傷を回避するために、回収容積の拡大が十分に大きくなるように寸法設定されている。例えば凍結防止装置を、氷形成時に回収容積を少なくとも８％だけ拡張または拡大させることができるように形成または寸法設定することができる。これにより、回収容積内に氷が形成された場合の水分離装置の損傷を確実に回避することができる。これにより、水分離装置の運転確実性が、氷点を下回る温度でも保証されている。コストおよび故障しやすさは低い。電気的な加熱または流体に基づく加熱を省くことができ、このことは、水分離装置のコスト、技術的な手間および故障しやすさを大幅に低下させる。凍結防止装置の一部として弁装置を用いることにより、この弁装置に二重の機能が与えられ、これにより、コスト、部品の数、および構造上の手間が小さく抑えられる。

【0007】

１つの構成では、水分離装置は、水分離装置内で分離された液状の水を、弁装置を介して放出するための放出通路を有している。例えば、一実施形態では、放出通路は、容器の隔壁内に形成されており、弁装置と流体接続されている。したがって、水の放出は特に簡単であり、かつ／または、水分離装置は特に頑丈かつ／または廉価であってよい。

【0008】

水分離装置の１つの構成では、凍結防止装置は、弁装置に力を伝達するように接続され、融解位置の方向に向けられた戻し力を弁装置に加える戻し装置を有しており、この場合、弁装置が凍結位置の方向に移動すると、戻し力は強まり、弁装置が融解位置の方向に移動すると、戻し力は弱まる。

【0009】

戻し装置は、融解位置への弁装置の戻り動作を保証する。さらに、戻し装置を相応に選択することにより、戻し力を調整することが可能である。

【0010】

この場合、戻し装置は、１つの構成では弁装置に力を伝達するように接続された（例えば金属またはプラスチックから成る）機械的なばね、エラストマー（例えばゴム）またはガススプリングを有していてよい。

【0011】

これらは、戻し装置の極めて効率的で、確実かつ廉価な構成形式であり、幾何学形状および使用材料の相応の選択により、相応の材料選択および寸法設定による戻し力の適合を可能にする。

【0012】

水分離装置の１つの構成では、容器は、隔壁に中空室を有しており、この場合、弁装置は、中空室内に摺動可能に配置されており、戻し装置は、弁装置の、回収容積とは反対の側に配置されている。

【0013】

本開示の別の態様に基づき説明する燃料電池装置は、
陽極装置と陰極装置とを有する燃料電池であって、陽極装置は、陽極装置から水を含むガス混合物を導出する陽極出口を有しており、陰極装置は、陰極装置から水を含むガス混合物を導出する陰極出口を有している、燃料電池と、
陽極出口および／または陰極出口に接続された、請求項１から４までのいずれか１項記載の少なくとも１つの水分離装置と、
を有している。

【0014】

この燃料電池装置の利点に関しては、水分離装置の、同様に燃料電池装置にも当てはまる構成を参照されたい。

【0015】

以下に、本発明を実施例に基づき添付の図面を参照してより詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】自動車用の燃料電池装置の概略図である。

【図2】燃料電池および付属する水分離装置の概略図である。

【図3】凍結防止装置の基本的な構成および基本的な機能形式を示す概略図である。

【図4】凍結防止装置の基本的な構成および基本的な機能形式を示す概略図である。

【図5】凍結防止装置の様々な実施例を示す概略図である。

【図6】凍結防止装置の様々な実施例を示す概略図である。

【図7】凍結防止装置の様々な実施例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１には、燃料電池装置２の一実施例を備えた自動車１が概略的に示されている。燃料電池装置２の核心部は、ガルバニ電池として機能する本来の燃料電池３である。燃料電池３は、電解質装置６（イオン導体）によって互いに隔離された陽極装置４と陰極装置５とを有している。電解質装置６は、例えば高分子電解質膜として形成されていてよく、この高分子電解質膜は、プロトンに対してのみ透過性を有するが、電子に対しては透過性を有さない。代替的に、特定のセラミックまたは他の固体電解質が使用されてもよい。陽極装置４および陰極装置５は、電極板または双極板（図示せず）を有しており、電極板または双極板は、好適には金属または炭素から製造されており、例えば白金またはパラジウム等の触媒でコーティングされている。

【0018】

燃料電池装置２にはさらに、陽極装置４に燃料を供給するために陽極装置４の入口８に連結された燃料供給装置７が含まれる。燃料供給装置７は燃料タンク９を有しており、燃料タンク９内には燃料が貯蔵されている。本実施例では燃料として、液状またはガス状の形態で、極めて高い圧力（例えば３５０ｂａｒ～７００ｂａｒ）下で燃料タンク９内に貯蔵されている水素が用いられる。燃料タンク９は、供給導管１０を介して陽極装置４の入口８に接続されている。燃料タンク９の下流側（矢印）において供給導管１０内には、遮断弁１１と減圧器１２とが相前後して配置されている。減圧器１２は、ガス圧力を約１０ｂａｒ～３０ｂａｒに低下させる。供給導管１０内のさらに下流には、電気作動式の調量弁１３が設けられており、調量弁１３により、陽極装置４内への水素の的確な調量が可能である。この場合、調量弁１３の制御は、燃料電池装置２に対応して配置された制御装置１４により行われ、制御装置１４は、調量弁１３に電気的に接続されている。調量弁１３と陽極装置４との間には、さらに圧力センサ１５が配置されており、圧力センサ１５は、制御装置１４に接続されて、制御装置１４に、陽極装置４の入口８における水素圧力値を供給する。陽極装置４内の圧力は、燃料電池３の運転時に０．８ｂａｒ～４ｂａｒの範囲内で変動する。

【0019】

燃料電池装置２にはさらに、陰極装置５に酸化剤を供給するために陰極装置５に連結された酸化剤供給装置１６が含まれる。本実施例では、空気中の酸素が酸化剤として用いられ、酸化剤供給装置１６を介して陰極装置５に供給される。陰極装置５内の酸素圧力が十分に高いことを保証するために、酸化剤供給装置１６は別の圧力センサ１７を有しており、別の圧力センサ１７は制御装置１４に、陰極装置５の入口１８における酸素圧力または空気圧力を供給する。

【0020】

陽極装置４の側の水素は、陰極装置５の側の空気中の酸素と反応して水を形成し、このとき陽極装置４と陰極装置５との間に直流電流が生じる。この直流は、自動車１の電気駆動モータ（図示せず）の運転に使用することができる。

【0021】

時間の経過と共に、窒素および水の一部が陰極装置５から高分子電解質膜６を通り、陽極装置４に向かって拡散する。ただし、これらの２つの物質の拡散は望ましくない。それというのも、これらの物質は水素用の供給通路を遮断し、さらに膜面全体にわたる水素の均一な分布を妨げるからである。

【0022】

燃料電池の有効性および効率を維持するために、各反応生成物は、陽極装置４および陰極装置５から導出される。

【0023】

このために、陽極装置４は、反応生成物を陽極装置４から取り除く、すなわち導出することができる陽極出口４１を有している。陽極装置４の側の反応生成物は、実質的に、主成分として水蒸気、窒素および水素から成るガス混合物である。

【0024】

陰極装置５は、反応生成物を陰極装置５から取り除く、すなわち導出することができる陰極出口５１を有している。陰極装置５の側の反応生成物は、一般に、主成分として水蒸気、窒素および酸素から成るガス混合物である。

【0025】

図１に、図２に関連して認められるように、燃料電池装置２の本実施例は、陽極装置４に対応して配置された第１の水分離装置４００を有している。第１の水分離装置４００は、陽極出口４１に流体接続された第１のガス入口４０１を有している。第１の水分離装置４００は、陽極出口４１から漏出する水を含むガス混合物から水を分離するように形成されている。分離された液状の水が少なくとも一時的に第１の水分離装置４００内に残留するのに対して、分離されたガス成分は、分離過程の直後に第１の水分離装置４００から第１のガス出口４０２を介して流出する。分離されたガス成分は、次いで選択的に、内部にファン２１が配置された再循環経路２０を介して陽極装置４の入口へ戻されるか、または制御可能な第１のガス弁４１０を介して周辺環境に放出される。第１の水分離装置４００内で分離された液状の水は、第１の水分離装置４００に対応して配置された制御可能な第１の弁装置４５１０と第１の放出通路４６００とを介して、時々放出されることができる。

【0026】

本実施例では、燃料電池装置２は、陰極装置５に対応して配置された第２の水分離装置５００を有している。第２の水分離装置５００は、陰極出口５１に流体接続された第２のガス入口５０１を有している。第２の水分離装置５００は、陰極出口５１から漏出する水を含むガス混合物から水を分離するように形成されている。分離された液状の水が少なくとも一時的に第２の水分離装置５００内に残留するのに対して、分離されたガス成分は、分離過程の直後に第２の水分離装置５００から第２のガス出口５０２を介して周辺環境へ流出する。第２の水分離装置５００内で分離された液状の水は、第２の水分離装置５００に対応して配置された制御可能な第２の弁装置５５１０と第２の放出通路５６００とを介して、時々放出されることができる。

【0027】

代替的に、陽極装置４または陰極装置５に対応して配置された１つの水分離装置のみが設けられていてもよい。

【0028】

図２に概略的に示すように、第１の水分離装置４００は、陽極装置４から導出された水を含むガス混合物から水を分離する第１の分離装置４３０と、分離された水を回収する第１の容器４４０と、第１の凍結防止装置４５００とを有している。

【0029】

さらに、図２に概略的に示すように、第２の水分離装置５００も同様に、陰極装置５から導出された水を含むガス混合物から水を分離する第２の分離装置５３０と、分離された水を回収する第２の容器５４０と、第２の凍結防止装置５５００とを有している。

【0030】

第１の分離装置４３０および第２の分離装置５３０は、例えばサイクロン分離器として形成されていてよい。第１の容器４４０または第２の容器５４０は、第１の水分離装置４００もしくは第２の水分離装置５００と一体に形成されていてもよいし、または別個のコンポーネントとして形成されていてもよい。

【0031】

図３～図７には、第１の凍結防止装置４５００および第１の水分離装置４００の一部の実施例が概略的に示されている。以下では、第１の凍結防止装置４５００のみの構成および機能形式を説明する。ただし、説明の内容は全て、同じ構成の第２の凍結防止装置５５００にも同様に転用され得る。第１の凍結防止装置４５００の基本的な作用形式および基本的な構成を、図３および図４に基づき説明する。次に、図５～図７に基づき、具体的な構造の実施例を説明するが、この場合、基本的な作用形式および基本的な構成は、これらの実施例にも当てはまる。

【0032】

最初に図３および図４を参照する。第１の水分離装置４００の第１の容器４４０は、隔壁４４２により仕切られた第１の回収容積４４１を有している。図３には、第１の水分離装置４００が、既に第１の回収容積４４１内に水６００が回収された状態で示されている。

【0033】

第１の容器４４０の隔壁４４２内には、中空室４４３が形成されている。このために、隔壁４４２内に開口４４５が形成されており、開口４４５は、第１の凍結防止装置４５００によって周辺環境に対して液密または気密に閉鎖されている。第１の凍結防止装置４５００は、第１の容器４４０の隔壁４４２にねじ締結、接着結合、または溶接結合によって取り付けられていてよい。

【0034】

第１の凍結防止装置４５００には、図３および図４に単に概略的に示す第１の弁装置４５１０が付属している。第１の弁装置４５１０は、中空室４４３内または開口４４５内に配置されており、そこで摺動区間（双方向矢印）に沿って摺動するように、もしくは可動に、もしくは滑動するように支持されている。第１の弁装置４５１０は、一方の表面側において、回収容積４４１内の水に、押圧力を伝達するように接続されている。本実施例では、この表面側は、水６００と直接接触している。反対側に位置する表面側において、第１の弁装置４５１０は、第１の凍結防止装置４５００の戻し装置４５２０に押圧力を伝達するように接続されている。この接続は、戻し装置４５２０に対応して配置された１つまたは複数の接続部材４５２１を介して行われる。第１の弁装置４５１０を介して、水６００を回収容積４４１から、第１の容器４４０の隔壁４４２内に形成されかつ弁装置４５１０に流体接続された第１の放出通路４６００を介して放出することができる。

【0035】

図３では、回収容積４４１内の水６００は、液体の形態で存在している。第１の弁装置４５１０は、摺動区間に沿って融解位置に位置している。融解位置では、第１の弁装置４５１０は、摺動区間の方向において安定した力の平衡状態にある。互いに反対の側に位置する表面側に作用する力は、それぞれ相殺されている。

【0036】

水の氷点を下回る周囲温度では、特に燃料電池３が比較的長時間運転されないと、回収容積４４１内の水６００の凍結が生じ得る。氷は、液状の水よりも約９％大きな比体積を有している。第１の回収容積４４１内の水６００が凍結すると、第１の弁装置４５１０の、第１の回収容積４４１に面した表面側において、押圧力の増大が生じる。この一時的な押圧力の非平衡状態は、第１の弁装置４５１０が融解位置（図３）から摺動区間に沿って回収容積４４１を拡大しながら凍結位置（図４）へ摺動または移動することにつながる。

【0037】

図４では、回収容積４４１内の水は完全に凍結して、氷７００を形成している。第１の弁装置４５１０は、摺動区間（双方向矢印）に沿って凍結位置に位置している。凍結位置では、第１の弁装置４５１０は、摺動区間の方向において再び安定した力の平衡状態にある。互いに反対の側に位置する表面側に対する押圧力は、相殺されている。水の凍結による体積膨張は終了している。これに相応して、図４に示す回収容積４４１は、図３に示した回収容積よりも大きくなっている。

【0038】

戻し装置４５２０は、接続部材４５２１を介して弁装置４５１０に押圧力を伝達するように接続されており、弁装置４５１０に、融解位置の方向に向けられた戻し力を加えるように形成されている。

【0039】

戻し装置４５２０は、弁装置４５１０が融解位置から凍結位置へ移動するほど、戻し力が漸進するように形成されていてよい。つまり、融解位置から凍結位置の方向への弁装置４５１０の移動は、回収容積４４１を拡大させながら、かつ戻し力を増大させながら行われる。

【0040】

回収容積４４１内の氷７００が融解すると、生じた水６００は、氷７００よりも小さな容積を占める。弁装置４５１０の、回収容積４４１に面した表面側に対する押圧力は減少し、戻し装置４５２０によって弁装置４５１０に加えられる戻し力よりも小さくなる。この力の非平衡状態に基づき、弁装置４５１０は融解位置（図３）の方向に、再び力の平衡状態が生じるまで移動する。つまり、凍結位置から融解位置の方向への弁装置４５１０の移動は、回収容積４４１を縮小させながら、かつ戻し力を弱めながら行われる。

【0041】

第１の凍結防止装置４５００は、第１の回収容積４４１を必要に応じて、内部に含まれる水の凝集状態に応じて適合させることを可能にする。第１の回収容積４４１内に含まれる水が凍結した場合、第１の凍結防止装置４５００は、第１の回収容積４４１を拡大させ、これにより、生じた氷は、そのより大きな比体積に相応して十分に膨張することができ、第１の水分離装置４００または第１の容器４４０の損傷につながる恐れのある極度に大きな押圧力が生じることはない。第１の凍結防止装置４５００は、水の凍結時に生じる自然な体積の膨張が第１の回収容積４４１の拡大によって相殺され、これにより、極度に高い押圧力および第１の水分離装置４００の損傷が回避されるように形成されている。よって、凍結防止装置４５００は、水が凍結した場合に約９％～１６％だけ、回収容積４４１の拡大を可能にする。つまり、弁装置４５１０が凍結位置にある場合、回収容積は例えば約９％～１６％だけ、弁装置４５１０が融解位置にある場合よりも大きくなっている。

【0042】

次に、図５～図７に基づき、凍結防止装置４５００の有利な実施例および弁装置４５１０をより詳細に説明する。この場合、引き続き有効な図３および図４に関する説明内容を超える構造の態様および作用形式のみを説明する。

【0043】

図５～図７には、弁装置４５１０の可能な実施形態がより詳細に示されている。弁装置４５１０は、弁部分４５１１でもって、隔壁４４４内に形成された開口４４５内に突入しており、かつ制御部分４５１２でもって外側に向かって隔壁４４４を越えて突出している。弁部分４５１１の外径には、中空室４４３を外部に対して液密にシールする複数のシール４５１３が設けられており、この場合、弁装置４５１０の摺動性は引き続き保証され続ける。弁部分４５１１と制御部分４５１２との間の移行部に、弁装置４５１０は仕切り板４５１４を有しており、仕切り板４５１４は半径方向（弁装置４５１０の摺動方向に対して横方向）において外側に向かって延在している。弁装置４５１０は、その制御部分４５１２と仕切り板４５１４とでもって容器４４０の外側に留まっており、融解位置では仕切り板４５１４でもって隔壁４４４に当接する。

【0044】

弁部分４５１１には、流れ通路Ｓを備えた弁板４５１５が配置されており、この場合、弁板４５１５の、回収容積４４１とは反対の側の流れ通路Ｓの縁部に、弁座が形成されている。弁部分４５１１にはさらに、可動の弁体４５１６が配置されている。この弁体４５１６は、弁装置４５１０の閉鎖状態では液密式に弁座４５１５に当接する。弁装置４５１０の開放状態では、弁体４５１６が弁座４５１５から持ち上がって流れ通路Ｓを開放し、これにより、水が回収容積４４１から流れ通路Ｓを通流することができるようになっている。開放状態では、流れ通路Ｓは放出通路４６００に流体接続されており、放出通路４６００は、図５～図７では一部が弁装置４５１０の半径方向外縁部に接して延びかつ一部は容器４４０の隔壁４４４内に延びているため、水を、流れ通路Ｓと放出通路４６００とを介して容器４４０から導出することができる。

【0045】

弁装置４５１０は、電磁弁として形成されている。制御部分４５１２内には電磁アクチュエータが設けられており、電磁アクチュエータは、弁体４５１６に結合された可動子４５１７と、可動子４５１７を取り囲むコイル巻線４５１９ａと、磁極片４５１８とを有している。コイル巻線４５１９ａには、弁装置４５１０を開閉するために電流供給部４５１９ｂを介して電流／電圧を供給することができる。弁装置４５１０は、その板状部分４５１０ａにおいて、容器壁４４４に取り付けられた２つのボルト４５２３に滑り支持されている。

【0046】

図５～図７に示す実施例では、戻し装置４５２０は、容器壁４４４に取り付けられた２つ以上のボルト４５２３と、ボルト４５２３の軸部に被せられた接続部材４５２１としての２つの機械的なばねと、を有している。機械的なばね４５２１は、金属またはプラスチックから成るコイルばねまたは皿ばねとして形成されていてよい。弁装置４５１０は、その仕切り板４５１４でもって、２つ以上のボルト４５２３に滑り支持されている。このために、仕切り板４５１４は、ボルト４５２３の軸部が貫通した複数の貫通孔を備えている。機械的なばね４５２１は、その一方の端部においてボルト４５２３の頭部に支持されており、かつ反対側の端部において弁体４５１０の仕切り板４５１４に支持されている。これにより、弁装置４５１０は弾性的にかつ力を伝達するように戻し装置４５２０に接続されており、この場合、凍結位置の方向に弁装置４５１０が移動すると、戻し力は強まり（機械的なばねが圧縮され、これにより緊縮する）、反対の移動方向では弱まる（機械的なばねが弛緩する）。ボルト４５２３の頭部は、機械的なストッパとして働き、弁装置４５１０の移動行程を制限する。

【0047】

図５では、回収容積４４１内の水は、液体の形態で存在している。弁装置４５１０は、融解位置にある。機械的なばね４５２１は弛緩しているか、または極僅かにのみ圧縮されている。回収容積内の水６００が凍結すると、体積の膨張に基づき回収容積４４１を拡大させつつ、弁装置４５１０が凍結位置の方向に摺動する。弁装置４５１０は、機械的なばね４５２１を圧縮しながらボルト４５２３の頭部の方向に滑動する。図６では、回収容積４４１内の水６００は完全に凍結している。弁装置４５１０は、凍結位置にある。機械的なばね４５２１は強力に圧縮されており、弁装置４５１０を融解位置へと押し退ける戻し力を生ぜしめる。回収容積４４１内の水が体積を縮小させながら再び融解すると直ちに、機械的なばね４５２１が弁装置４５１０を融解位置へと押し戻す。

【0048】

図７に示す実施例は、図５および図６に示した実施例と、やはりばねとして働く２つのスリーブ状のエラストマーが接続部材４５２１として設けられている点においてのみ相違している。その他の機能形式は、図５および図６に示した実施例と同様である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2024-05-15

【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】

燃料電池（３）用の水分離装置（４００）であって、
前記燃料電池（３）から導出された水を含むガス混合物から水を分離する分離装置（４３０）と、
前記分離装置（４３０）により分離された水を回収するための回収容積（４４１）を備えた容器（４４０）と、
前記回収容積（４４１）に接続された摺動可能な弁装置（４５１０）を備えた凍結防止装置（４５００）と、
を備えており、
前記凍結防止装置（４５００）は、前記回収容積（４４１）内の水（６００）が凍結すると、前記弁装置（４５１０）が前記回収容積（４４１）を拡大させながら凍結位置の方向に移動し、かつ前記回収容積（４４１）内で凍結した水（６００）が融解すると、前記弁装置（４５１０）は前記回収容積（４４１）を縮小させながら融解位置の方向に移動するように形成されている、水分離装置（４００）。

【請求項2】

当該水分離装置（４００）内で分離された液状の水を、前記弁装置（４５１０）を介して放出するための放出通路（４６００）を有している、請求項１記載の水分離装置（４００）。

【請求項3】

前記放出通路（４６００）は、前記容器（４４０）の隔壁（４４２）内に形成されており、前記弁装置（４５１０）と流体接続されている、請求項２記載の水分離装置（４００）。

【請求項4】

前記凍結防止装置（４５００）は、前記融解位置の方向に向けられた戻し力を前記弁装置（４５１０）に加える戻し装置（４５２０）を有しており、前記弁装置（４５１０）が前記凍結位置の方向に移動すると、前記戻し力は強まり、前記弁装置（４５１０）が前記融解位置の方向に移動すると、前記戻し力は弱まる、請求項１から３までのいずれか１項記載の水分離装置（４００）。

【請求項5】

前記戻し装置（４５２０）は、前記弁装置（４５１０）に力を伝達するように接続された機械的なばね、エラストマーまたはガススプリングを有している、請求項４記載の水分離装置（４００）。

【請求項6】

前記容器（４４０）は、隔壁（４４２）内に開口（４４５）を有しており、前記弁装置（４５１０）は、前記開口（４４５）内に摺動可能に配置されており、前記戻し装置（４５２０）は、前記弁装置（４５１０）の、前記回収容積（４４１）とは反対の側に配置されている、請求項１記載の水分離装置（４００）。

【請求項7】

燃料電池装置（２）であって、
陽極装置（４）と陰極装置（５）とを有する燃料電池（３）であって、前記陽極装置（４）は、該陽極装置（４）から水を含むガス混合物を導出する陽極出口（４１）を有しており、前記陰極装置（５）は、該陰極装置（５）から水を含むガス混合物を導出する陰極出口（５１）を有している、燃料電池（３）と、
前記陽極出口（４１）および／または前記陰極出口（５１）に接続された、請求項１記載の少なくとも１つの水分離装置（４００）と、
を備える、燃料電池装置（２）。

【国際調査報告】