KR102881148B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템

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Abstract

본 발명은 애노드 챔버(20)와 캐소드 챔버(21)를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택(19), 유입 공기 라인(22)을 통해 캐소드 챔버(21)에 공기를 공급하기 위한 적어도 하나의 공기 이송 장치(3), 캐소드 챔버(21)로부터의 배출 공기 라인(23), 애노드 챔버(20)에 연료를 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 장치(26), 애노드 챔버(20) 주변의 미사용 연료의 재순환을 위한 적어도 하나의 애노드 회로(28), 및 캐소드 바이패스(37)를 갖는 연료 전지 시스템(2)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 캐소드 바이패스 라인(37)이 유입 공기 라인(22)의 밸브 장치(35)의 영역 전 또는 내에서 상기 유입 공기 라인으로부터 분기되고, 배출 공기 라인(23)의 추가 밸브 장치(36) 영역 후 또는 내에서 상기 라인(23) 내로 이어지고, 캐소드 바이패스 라인(37) 내에는 상기 캐소드 챔버(21) 주위를 흐르는 공기에 의해 구동될 수 있고 흡입 측에서 애노드 챔버(20) 및/또는 캐소드 챔버(21)에 전환 가능하게 연결되는 가스 제트 펌프(38)가 배치된다.

Description

연료 전지 시스템
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 또한, 이러한 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템은 선행 기술에 공개되어 있다. 상기 시스템은 예를 들어, 차량에서 전기 구동력을 생성하는 데 이용될 수 있다. 연료 전지는, 특히 이러한 용도에서, 일반적으로 소위 PEM 연료 전지, 즉 양성자 투과성 멤브레인이 있는 저온 연료 전지이다. 이러한 유형의 연료 전지는 현재 비교적 널리 보급되어 있다. 그러나 상기 시스템은 정상 작동 시 수명과 관련하여 두 가지 심각한 문제가 있다. 한편으로 멤브레인의 건조는 연료 전지의 수명을 크게 단축시킬 수 있기 때문에, 작동 중에 멤브레인을 충분히 습하게 유지해야 하는 것이 지속적으로 필요하다. 또 다른 문제는 주로 시동 중에 연료 전지에 연료와 산소, 일반적으로 수소와 대기 산소를 공급하는 것과 관련이 있다. 연료 전지 시스템의 장시간 정지 시간 후에는 종종 수소가 연료 전지의 애노드 챔버 밖으로 확산되고 공기 또는 산소가 그곳으로 침투한다. 연료 전지가 시동되면, 수소/산소 전선이 애노드 챔버의 촉매 변환기 컨버터를 지나 흐른다. 이는 애노드 챔버의 산화를 증가시켜 연료 전지의 수명을 영구적으로 단축시킨다. 차량에서 연료 전지 시스템의 전술한 이용 시, 시동은 비교적 자주 이루어진다. 이러한 시동은, 예를 들어 차량이 밤새 주차된 후와 같이 더 긴 정지 시간 후에 주로 자주 이루어진다. 이러한 상황에서, 공기/공기 시동 또는 에어/에어 스타트(Air/Air-Start)라고도 하는 이러한 바람직하지 않은 유형의 연료 전지의 시동이 종종 이루어진다.
따라서 예를 들어 때때로 수소가 연속 주입되거나 시스템이 시작되기 전에, 시스템을 질소로 플러싱하기 위해 가압 가스 저장기에 질소가 운반되는 등의 다양한 조치가 상기 문제에 대응하기 위해 시도되고 있다. 이러한 모든 것은 테스트 모드에서 작동할 수 있다. 대형 차량에서 정기적으로 이용하기에는 이러한 모든 기술은 너무 복잡하거나 너무 고가이거나 너무 많은 차량 배출 가스가 수반된다.
예시적인 연료 전지 시스템은 DE 10 2009 043 569 A1호에 제시되어 있다. 이러한 시스템은 한편으로는 압력 측을 배출 공기 측과 연결하기 위한 시스템 바이패스를 제공하고 다른 한편으로는 소위 배출 밸브 또는 퍼지 밸브가 있는 배출 라인을 통해 애노드 측과 캐소드 측 사이의 연결을 제공한다. 또한 이러한 연료 전지 시스템에서 통상적인 가스/가스 가습기가 제시되며, 상기 가습기는 습한 배출 공기 흐름을 통해 연료 전지의 캐소드 챔버를 향한 유입 공기 흐름을 가습하는 데 이용된다. 그러나 실제로 이러한 부품은 비교적 크고 복잡하며 비용이 많이 든다.
본 발명의 과제는, 그 구조로 인해 가스/가스 가습기가 생략될 수 있고 연료 전지의 안전 및 수명을 저하시키는 여러 작동 상황을 방지할 수 있는 개선된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 연료 전지 시스템의 바람직한 구성과 개선은 종속 청구항에 제시된다. 청구항 제 12 항에는 또한 그러한 연료 전지 시스템을 작동하기 위한 특히 바람직한 방법을 명시한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하며, 상기 연료 전지 스택은 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 포함한다. 연료 전지 스택은 바람직하게는 다수의 개별 전지로 이루어진 PEM 연료 전지 스택으로서 구성될 수 있다. 이것은 전반적으로 연료 전지 또는 연료 전지 스택이라고도 한다. 적어도 하나의 공기 이송 장치에 의해 이러한 연료 전지의 캐소드 챔버에 유입 공기 라인을 통해 공기가 공급된다. 그런 다음 공기는 배출 공기 라인을 통해 다시 캐소드 챔버로부터 예를 들어 주변에 도달한다. 또한, 애노드 챔버에 연료를 공급하기 위해 적어도 하나의 연료 공급 장치가 제공된다. 이것은 예를 들어 연료인 수소를 위한 가압 가스 저장 장치일 수 있다. 연료 전지 시스템의 구조는 또한 일반적으로 미사용 연료, 특히 수소를 재순환시키는 데 이용되는 소위 애노드 회로를 가질 수 있다. 상기 연료는 애노드 챔버 주위로 재순환되고, 즉, 애노드 챔버의 배출구로부터 유입구로 되돌아간다. 대부분의 작동 상황에서 상기 연료는 신선한 수소와 혼합되어 애노드 챔버로 되돌아간다. 연료 전지 시스템은 또한 캐소드 바이패스, 즉 예를 들어 캐소드에 대해 평행하게 형성된 라인을 포함한다.
본 발명에 따르면, 이 캐소드 바이패스는 유입 공기 라인의 밸브 장치 영역 전 또는 내에서 상기 라인으로부터 분기되고, 추가 밸브 장치 영역 후 또는 내에서 배출 공기 라인 내로 이어진다. 이 모든 것은 시스템 측에서 캐소드 챔버 또는 연료 전지 주위에 구성될 수 있다. 그러나 연료 전지 및/또는 하우징에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수도 있다. 따라서 캐소드 챔버는 차단될 수 있고, 실제로 캐소드 챔버 내로 유입되고 캐소드 챔버를 통해 흐르는 공기는 캐소드 바이패스를 통해 안내될 수 있다. 이러한 두 가지 작동 상태의 혼합 형태가 고려될 수 있고, 가능하며 종종 합리적이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서, 캐소드 챔버 주위를 흐르는 공기에 의해 구동되는 가스 제트 펌프는 캐소드 바이패스에 배치된다. 공기가 캐소드 챔버 주위로 안내되는 경우, 가스 제트 펌프는 추진 제트로서 이러한 공기에 의해 구동된다. 흡입 측에서 가스 제트 펌프는 각각 애노드 챔버와 캐소드 챔버 모두에 전환 가능하게 연결된다. 이로써, 기체 및 경우에 따라서 액체가 애노드 챔버의 체적 또는 애노드 회로뿐만 아니라 캐소드 챔버의 체적으로부터 흡입될 수 있다. 바람직한 경우에 흡입은, 캐소드 챔버와 애노드 챔버 사이의 너무 높은 압력 차이를 방지하여 멤브레인을 보호하기 위해 비교적 균일하게 이루어진다. 가스 제트 펌프가 있는 본 발명에 따른 캐소드 챔버를 통해 애노드 챔버와 캐소드 챔버 모두에서 각각 선택적으로 또는 함께 가스를 흡입할 수 있는 가능성만으로 많은 새로운 적용 가능성이 제공된다.
이는 청구항 제 12 항에 청구된 본 발명에 따른 방법에서 설명된다. 필요한 경우 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버로부터 가스의 흡입이 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 추후에 더 자세히 설명되고 이를 통해 달성 가능한 가능성과 장점에 대해 자세히 논의된다.
연료 전지 시스템의 구조적 설계와 관련하여, 본 발명의 사상의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 애노드 회로에서 재순환 이송 장치로서 팬이 배출 공기 라인에 있는 배출 공기 터빈에 의해 구동되는 것이 또한 제공될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서 배출 공기의 에너지가 이용될 수 있다. 많은 종래의 연료 전지 시스템과 달리 이 에너지는 유입 공기의 압축을 지원하기 위해 전기 터보차저에서 이용되어서는 안 되며, 애노드 회로에서 애노드 배기가스의 재순환을 위해 이용되어야 한다. 이는 예를 들어 배출 공기에 포함된 에너지의 이용에도 불구하고 효율적인 배기가스 재순환을 가능하게 하고, 이에 대해서는 추후에 자세히 설명된다.
캐소드 바이패스가 분기되는 영역의 유입 공기 라인 및/또는 배출 공기 라인에 있는 밸브 장치는 매우 바람직한 실시예에 따라 각각 3/2-방향 밸브로 설계될 수 있다. 원칙적으로 다른 설계 또는 3/2-방향 밸브 및 다른 라인의 차단 밸브가 고려될 수도 있다. 원칙적으로, 가스 제트 펌프가 있는 캐소드 바이패스를 통해 공기가 흐르는 동안, 캐소드 챔버에 포함된 체적이 차단될 수 있는 것만 보장되면 된다.
바람직하게 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 공기 이송 장치는 2단계로 설계될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 매우 바람직한 개선예에 따라 이 시스템에 제공되는 이러한 2단계 공기 이송 장치에 의해, 캐소드 바이패스에 있는 가스 제트 펌프를 작동할 수 있도록 충분히 높은 압력이 달성될 수 있다. 원칙적으로, 예를 들어 직렬로 연결된 2개의 전기 구동식 흐름 압축기에 의한 모든 유형의 2단 압축이 고려될 수 있다.
그러나 이러한 사상의 매우 바람직한 개선예에 따르면, 2단계 공기 이송 장치는 프리런닝 터보차저의 형태로 설계되고, 상기 터보차저는 터빈 측에서 공기 압축기의 제 1 압축기 휠의 압력 측에 연결될 수 있고, 압축기 측에서는 동일한 공기 압축기의 제 2 압축기 휠의 압력 측에 연결되는 것이 제공된다. 따라서 본 실시예에 따른 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 공기 압축기는 즉 2개의 압축기 휠을 가지며, 상기 압축기 휠은 본 실시예의 매우 바람직한 개선예에 따라 대칭으로 설계되고 공통 전기 모터와 함께 샤프트에 배치된다. 이는 압축기 휠과 이들 사이에 배치된 전기 드라이브의 대칭 배치에 의해 축방향 힘의 매우 양호한 균형이 가능한 구조를 가능하게 한다. 따라서 마찰이 최소화될 수 있기 때문에 효율이 증가할 수 있다. 또한 더 간단하고 작은 스러스트 베어링이 가능하고, 이것은 또 다른 장점이다. 이러한 구조에 의해 프리런닝 터보차저의 압축기 측과 터빈 측으로 흐름이 유입될 수 있다. 즉 2개의 대칭 압축기 휠이 있는 압축기는, 레지스터 과급을 실현하기 위해 프리휠의 압축기 측에 동력을 공급한다. 동시에 다른 압축기 휠을 통해 프리휠의 터빈에 흐름이 유입될 수 있으므로, 이러한 제 2 압축기 휠은 프리휠 구동을 제공한다.
이는 매우 간단하고 효율적이며, 상응하는 높은 압력을 생성할 수 있는 가능성 외에도 많은 다른 장점들을 허용하며, 이는 캐소드 바이패스에 있는 가스 제트 펌프의 작동에 결정적인 장점이다. 예를 들어, 제 1 압축기 휠에서 전기 구동식 흐름 압축기는 1.5 내지 2.5bar의 압력 수준을 제공하는 경우, 이 압력은 연료 전지에 공급을 위해 프리휠을 통해 추가로, 예를 들어 최대 4.5bar까지 증가할 수 있다. 이러한 구조는 또한 매우 습한 가스를 연료 전지 시스템에 공급하는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 프리휠의 구조는 프리휠이 동결되는 경우에도 여전히 충분하게 제 1 전기 구동식 압축기 휠의 공기를 통과시켜서, 악천후에도 연료 전지 시스템이 시동될 수 있도록 설계될 수 있기 때문이다. 이는 예를 들어 습한 배기가스의 재순환을 가능하게 하며, 이에 대해서는 추후에 자세히 설명된다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 또 다른 매우 바람직한 실시예에 따르면, 물 분리기는 배출 공기의 흐름 방향으로 배출 공기 라인으로의 캐소드 바이패스의 유입구 이후에 배출 공기 라인에 배치되는 것이 또한 제공될 수 있다. 따라서 이러한 물 분리기에서 정상적인 작동 시 캐소드 챔버 영역에 생성되는 물이 분리되어 수집될 수 있다. 대부분의 생산수는 캐소드 챔버의 영역에서 생성되기 때문에, 이는 연료 전지 시스템에서 생성되는 물의 기본 양이다. 애노드 회로 또는 애노드 챔버를 바람직하게는 애노드 회로와 그 배기- 또는 퍼지 라인 또는 퍼지/배출 라인을 통해 연결함으로써 연료 전지 시스템의 이 영역에서 나오는 물이 가스 제트 펌프를 통해 캐소드 바이패스에 도달하고, 여기에서부터 배출 공기 라인의 물 분리기에 도달한다. 따라서 물 분리기는 연료 전지 시스템의 전체 물을 수집한다. 팬을 구동하기 위한 터빈이 재순환 이송 장치로서 배출 공기 라인에 배치되는 변형예에서, 물 분리기가 흐름 방향으로 이 배출 가스 터빈의 앞에 위치하는 것이 또한 제공될 수 있다. 이로 인해 상기 물 분리기는 배출 공기에 잠재적으로 포함되어 고속 터빈을 경우에 따라서 손상시킬 수 있는 물방울로부터 배출 가스 터빈을 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 특히 바람직한 실시예는 또한, 배기가스 재순환 라인이 캐소드 바이패스의 유입구 이후에 배출 공기 라인을 연결하고, 배출 가스 터빈이 제공되는 경우 이러한 터빈 이후에도 압축의 2개의 단 사이의 레지스터 라인에 전환 가능하게 연결하는 것을 제공할 수 있다. 이러한 구조는 배출 공기 재순환을 가능하게 하여, 배출 공기 및 특히 배출 공기에 포함된 수분을 캐소드 챔버로 재순환될 수 있다. 따라서 제 2 압축기 단, 특히 프리휠링 터보차저는 배출 공기의 재순환에 이용될 수 있으며, 상기 배출 공기는 이제 완전히 또는 바람직하게는 부분적으로 재순환되고 제 2 압축기 단, 특히 프리휠을 통해 순환된다. 그 결과, 물 분리기가 제공되는 경우, 연료 전지에서 반응의 생성물로서 캐소드 배출 공기에 혼입되어 액체의 물 형태로 아직 분리되지 않은 수분은 재순환될 수 있다. 이로써, 한편으로는 캐소드 챔버를 향한 유입 공기의 가습이 달성될 수 있고, 다른 한편으로는 캐소드 챔버를 향한 유입 공기 내의 산소 함량이 감소, 특히 조정될 수 있다. 그 결과, 예를 들어 연료 전지의 전기 부하가 거의 없을 때 캐소드 내의 산소 함량이 감소할 수 있다. 이로써 너무 높은 전지 전압 및 그에 따른 연료 전지의 개별 전지의 손상이 방지될 수 있다. 이러한 과정은 산소 고갈 또는 공기 부족이라고도 한다. 이는 개별 전지의 전압을 예를 들어 0.9V 미만으로 유지하여 한편으로는 전지를 보호하고 다른 한편으로는 궁극적으로 연료 전지 스택의 전체 전압을 제한하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어 상용 차량에 사용되는 것과 같은 특히 대형 연료 전지 스택의 경우 연료 전지 스택의 최대 전압에 대한 지정된 한계값보다 확실하게 작을 수 있고, 이는 또한, 지정된 고전압 등급의 해당 분류를 통해 이러한 고전압 등급에 대해 지정된 전압 한계값이 더 많은 수의 개별 전지에서도 안정적으로 유지될 수 있게 한다. 고전압 등급 내에서 이와 같이 개별 전지의 수 및 궁극적으로 연료 전지의 출력을 높일 수 있다. 산소 함량을 충분히 크게 감소시키기에 배출 공기의 재순환이 충분하지 않아서, 개별 전지의 상응하게 낮은 전압이 보장될 수 있는 경우, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구조에서 공기의 일부도 이러한 상황에서 캐소드 바이패스와 가스 제트 펌프를 통해 안내될 수 있다. 캐소드에 대한 연결이 개방되면, 산소가 캐소드 챔버로부터 능동적으로 흡입되고, 이는 다시, 개별 전압의 한계값 및 전체 연료 전지 스텍의 한계값 준수를 더 확실하게 보장하기 위해 개별 전지 전압의 제한을 지원한다.
매우 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 액상수 시스템을 가질 수 있다. 이를 위해 적어도 하나의 물 분리기가 물탱크에 연결되거나 이를 직접 형성한다. 그런 다음 물탱크 자체는 물 펌프를 통해, 예를 들어 커먼레일과 같은 가압수 분배기에 연결된다. 그런 다음 상기 가압수 분배기로부터 분기 라인은 액상수의 소비 지점으로 분기된다. 액상수는, 예를 들어 연료 전지 시스템으로부터 폐열을 통해 또는 전기 가열을 통해 바람직하게 가열될 수 있다. 이러한 구성 요소는 내연 기관의 분야에서도 사용되므로, 시중에서 쉽고 비용 효율적으로 이용할 수 있다.
이러한 사상의 다른 매우 바람직한 실시예에 따르면, 소비 지점은 프리런닝 터보차저의 유체 역학 베어링 및/또는 유입 공기의 적어도 하나의 가습기를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 이러한 가습기는 특히 단일- 또는 2성분 노즐 형태로 설계될 수 있다. 따라서 액상수 시스템은, 프리휠이 있는 경우, 이것을 유체 역학적으로 지지할 수 있다.
이는 이러한 부품을 매우 간단하고 효율적으로 지지할 수 있게 하고, 이러한 지지는 마찰이 거의 없는 프리휠의 작동을 보장한다. 전기 구동식 터보차저와 달리, 수분이나 물이 유체 역학 베어링의 영역에서 배출되는 경우, 전혀 문제가 되지 않는데, 그 이유는 상기 수분이나 물은 기껏해야 배출 공기 또는 연료 전지를 향한 유입 공기에만 도달하기 때문이다. 2개의 공기 흐름에서 추가의 물 또는 추가 수분은 어떠한 작용을 하지 않고 또는 단점을 제공하지 않는다. 유입 공기의 경우 이 수분은 심지어 오히려 장점일 수 있다.
가습기는 이제 특히 간단하게 단일- 또는 2성분 노즐의 형태로 설계될 수 있다. 이러한 가습기는 제 2 압축기 단 전 및/또는 후의 유입 공기에 배치될 수 있다. 그 결과 압축도 분사된 물, 예를 들어 2성분 노즐로부터 미세하게 분무된 물에 의해 상응하게 축축해지고, 2성분 노즐에서 실제 물 노즐 주위를 흐르는 공기에 분무된다. 이러한 분무된 물은 압축 시 가열되는 공기를 냉각하는데 이용되고 공기 중에서 증발되어, 공기가 바람직하게 가습된다. 특히 해당 가습기가 전기적으로 구동될 때 가습은 연료 전지의 작동과 무관하게 이루어질 수 있고, 이는 훨씬 더 복잡하고 더 크며 고가의 가스/가스 가습기와 달리 이러한 구조에 의해 절약할 수 있는 또 다른 매우 결정적인 장점이다.
본 발명에 따른 하나의 또는 다른 구성의 연료 전지 시스템은, 캐소드 바이패스에 있는 가스 제트 펌프의 작동을 통해 해당하는 장점이 달성되고 특히 연료 전지의 수명 동안 특히 바람직하지 않은 작동 상태를 방지할 때, 특수한 장점들을 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 방법은, 필요한 경우 캐소드 챔버 및/또는 애노드 챔버가 가스 제트 펌프에 연결되고 따라서 가스가 이들 영역으로부터 흡입되는 것을 제공한다.
이미 언급한 바와 같이, 이는 예를 들어, 특히 산소가 고갈된 배출 가스가 재순환을 위해 충분히 제공되지 않은 시스템 상태에서 필요한 경우 배기가스 또는 배기 재순환을 통해 주로 시작될 수 있는 공기 고갈(Air Starvation)을 지원하는 데 이용될 수 있다.
예를 들어, 차량에서 사용 시 연료 전지 시스템의 안전성을 높이기 위해 다른 양상이 이용될 수 있다. 차량 사고가 발생하는 경우, 여전히 애노드 챔버가 수소로 채워져 있고 캐소드 챔버가 산소로 채워져 있으면 상응하게 높은 전압이 연료 전지에 인가되어, 승객과 구조 대원 모두에게 문제가 될 수 있는 위험이 항상 있다. 일반적으로 압축기와 터보차저는, 이것이 제공되어 있는 경우에, 사고 시점에 여전히 활성화되어 있다. 차량의 충돌 센서가 사고를 감지하면, 수소 공급이 중단되고 캐소드 챔버를 통한 흐름이 밸브에 의해 차단될 수 있다. 작동 시 매우 빠르게 움직이는 압축기 및/또는 터보차저가 멈추는 경우에 여전히 충분한 체적 흐름이 생겨서, 연료 전지의 전압 전위를 가능한 한 신속하게 줄이고 승객과 구조 대원의 위험을 최소화하도록, 캐소드 바이패스에 있는 가스 제트 펌프를 통해 캐소드와 애노드가 흡입될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 사용할 수 있는 또 다른 매우 바람직한 가능성은, 추후의 동결 상태 시동을 준비할 때이다. 애노드와 캐소드가 캐소드 바이패스 내의 가스 제트 펌프를 통해 흡입될 수 있음으로써, 연료 전지 스택 내의 압력이 바람직하게는 애노드 챔버와 캐소드 챔버 모두에서 균일하게 낮아질 수 있다. 이 경우 예를 들어 최대 100mbar까지 압력 감소가 가능하다. 실제로 이로 인해, 연료 전지에서 액체 형태로 존재하고 온도가 어는점 아래로 떨어지면 추후의 동결 위험으로 인해 바람직하지 않은 물은 특히 20 내지 40℃, 특히 25 내지 30℃의 매우 낮은 온도에서 증발된다. 이는 연료 전지 스택의 건조를 가능하게 하고, 이 경우 비교적 낮은 온도로 인해 상기 스텍의 멤브레인의 건조가 비교적 안정적으로 달성될 수 있다. 상응하게 더 높은 온도, 특히 약 80℃의 연료 전지 스택의 작동 온도에서 건조는 멤브레인이 매우 신하게 건조되어 극도의 부하를 받게 된다.
액상수 시스템과 가습기를 포함하는 본 발명에 따른 바람직한 구조에서, 필요 시 멤브레인의 가습도 시스템의 정지 상태에서 가능하다. 캐소드 측에서는, 예를 들어 1성분 노즐이 있는 전기 구동식 인젝터 형태로 설계될 수 있는, 연료 전지 시스템의 가습기에 의해, 저장된 액상수가 계량 공급되고 캐소드 챔버 내로 유입 공기의 유입에 의해 멤브레인으로 전달되고, 상기 멤브레인은 이로써 필요 시 (재) 가습될 수 있다.
방법 기술적인 추가 장점은, 연료 전지의 전술한 유해한 공기/공기 시동이 방지될 수 있다는 것이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 가능한 해결 방법은, 진공이 적어도 캐소드 챔버를 위해 그리고 경우에 따라서는 완전히 또는 부분적으로 애노드에 인가되어, 압력 차이가 일반적으로 500mbar 미만으로 유지되는 것을 제공한다. 결과적으로 캐소드 영역에서 산소가 흡입된다. 이러한 과정은 기존의 통상적이고 지금은 더 이상 필요하지 않은 수소의 재투입과 유사하게 예를 들어 미리 정의된 시간 주기에 따라 때때로, 예를 들어 10시간마다, 또는 연료 전지 시스템의 시동이 임박한 것이 인식되었을 때, 적어도 다시 반복될 수 있다. 온도가 어는점보다 높으면, 멤브레인에 포함된 물이 부압으로 인해 증발하기 때문에, 이는 장기적으로 멤브레인이 매우 건조해진다. 이러한 이유로, 바람직하게는 어는점 이상의 온도에서 멤브레인의 전술한 가습은 때때로 수행될 수 있으며, 이는 연료 전지 시스템 또는 그 연료 전지의 전체 서비스 수명에 바람직한 영향을 미친다.
압축기의 2개의 단 사이를 연결하는 배기가스 재순환 라인이 있는 연료 전지 시스템의 구성에서 캐소드 주변의 순환도 가능하다. 이는, 이러한 회로 내의 공기를 0% 산소로 고갈시킬 수 있다. 이를 위해 산소가 완전히 소모될 때까지 캐소드 주변의 회로에 수소가 도입될 수 있다. 이러한 수소의 계량 공급은 예를 들어, 일정량의 수소가 계량 공급된 다음 캐소드 바이패스 내의 가스 제트 펌프를 통해 다시 상기 회로로부터 흡입되는 애노드 챔버를 통해 이루어질 수 있다. 그런 다음 수소는 공기 중의 산소와 혼합되며 예를 들어 산소가 완전히 소모될 때까지 캐소드의 촉매 변환기에서 반응할 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 특히 흐름 방향으로 가스 제트 펌프 뒤에 추가적인 촉매 변환기를 제공하는 것도 고려될 수 있다. 이어서 연료 전지 내부에 부압이 생성되면, 실질적으로 질소로 이루어진 이러한 산소가 고갈된 공기는 퍼지 밸브의 개방에 의해 애노드 챔버 영역으로 유입될 수 있다. 이러한 단계에서 캐소드 챔버는 캐소드 바이패스와 동시에 관류될 수 있으며 그런 다음 마찬가지로 질소로 채워진다. 이는 질소를 힘들게 운반 및/또는 (중간) 저장할 필요 없이, 애노드 챔버와 캐소드 챔버가 모두 질소로 채워지는 매우 안정적인 시동을 가능하게 한다. 오히려, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 특수한 구성은, 필요 시 연료 전지 시스템에서 이러한 질소를 발생시키는 것을 가능하게 한다.
연료 전지 시스템의 다른 양상은 정상 작동 중에 발생하고 작동 지속 시간에 따라 증가하는 일산화탄소에 의한 애노드 측 촉매 변환기의 중독이다. 이는 지금까지는 도입된 산소로 인해 일산화탄소를 이산화탄소로 산화하고 시스템으로부터 배출하기 위해, 때때로 공기/공기 시동을 필요로 했다. 이 경우 연료 전지의 수명 단축은 감수해야 한다. 그러나 이미 위에서 여러 번 언급한 바와 같이, 이러한 공기/공기 시동은 연료 전지의 수명을 단축시킬 위험이 있기 때문에 가능한 한 방지되어야 한다. 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 시스템은 이제 여기에서 매우 부드러운 안정적인 과정을 가능하게 한다. 연료 전지 자체 및 촉매 변환기의 중독에 취약한 애노드 챔버는, 전술한 바와 같이, 가스 제트 펌프가 있는 캐소드 바이패스를 사용하여 비워진다. 퍼지 밸브의 개방에 의해 산소 함유 공기가 이제 가스 제트 펌프를 통해 다소 역방향으로 애노드에 도달한다. 상기 공기는 이제 수동적으로 거기에 남아 있거나 바람직하게는 재순환 팬이 있는 경우 이 팬을 통해 순환될 수 있다. 그 결과, 공기/공기 시동이 필요 없이, 촉매 변환기가 재생되고 CO-오염이 제거될 수 있다. 다음 시동 전에 다시 애노드 챔버 또는 애노드 회로로부터 산소와 이산화탄소가 흡입된다.
연료 전지 시스템의 구조를 간단히 변경함으로써 방법의 관리 측면에서 많은 장점이 제공되어, 매우 효율적이고 내구성이 뛰어난 연료 전지 시스템을 사용할 수 있고, 연료 전지의 매우 안정적인 작동이 가능해진다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법의 다른 바람직한 구성은 또한 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명되는 실시예에 제시된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 가능한 실시예를 도시한 도면.
도 1에는 연료 전지 시스템(2)용 공기 압축기(1)가 도시되어 있다. 공기 압축기(1)는 실질적으로 2개의 압축기 휠(6, 7)과 함께 공통의 샤프트(5)에 배치된 전기 구동 모터(4)로 구성된다. 압축기 휠(6, 7)은 샤프트(5)에 이들 사이의 중앙에 배치된 전기 구동 모터(4)에 의해 구동되며, 실질적으로 대칭으로 설계된다. 그 결과, 공통의 샤프트(5)에 축방향으로 작용하는 힘이 최소화된다. 이는 한편으로 마찰 손실을 줄이는 데 도움이 되며, 다른 한편으로는 스러스트 베어링의 간단하고 효율적인 설계를 가능하게 한다. 2개의 별도의 또는 선택적으로 하나의 공통의 흡기 경로(8)를 통해 압축기 휠(6, 7)로부터 공기가 흡기된다. 일반적으로 존재하는 공기 필터의 도시는 여기에서 생략되었다.
압축된 공기가 압축기 휠(6)로부터 레지스터 라인(9)을 통해 프리휠(11)이라고도 하는 프리런닝 터보차저(11)의 압축기 측(10)에 도달한다. 이러한 프리휠(11)에서 공통의 샤프트(12)는 공기 압축기(1)의 압축기 휠(7)의 압력 측에 연결되고 그에 따라 공기 흐름을 통해 이 압축기 휠(7)에 의해 구동되는 터빈 측(13)에 압축기 측(10)을 연결한다. 먼저 터빈 라인(14)을 통해 압축기 휠(7)로부터 프리휠(11)의 터빈 측(13)에 도달한 팽창된 공기는 터빈 측(13) 또는 그것의 터빈 이후에 다시 유출된다. 도면에서 터빈 측 배출관은 수소를 위한 가압 가스 저장 장치(26)를 통해 주변으로 안내된다. 실제로는 일반적으로, 상기 저장 장치는 수소의 제거 시 매우 강하게 냉각되어, 터빈 측(13)의 배출 공기의 폐열로 바람직하게 따뜻하게 유지될 수 있다. 공기는 또한, 예를 들어 가압 가스 저장 장치(26) 주위에 배치된 하우징을 통해 흐르는 등에 의해, 가능한 누출을 플러싱할 수 있다. 예를 들어 연료 전지 시스템(2)에 위치하며 열을 필요로 하는 다른 구성 요소의 가열, 예를 들어 추후에 더 자세히 설명될 물탱크(42)의 가열과 같이 터빈 측으로부터 나오는 배출 공기의 또 다른 용도도 고려될 수 있다.
프리휠(11)의 압축기 측(10)으로부터, 이제 강하게 압축된 유입 공기가 연료 전지 시스템(2)에 도달한다. 이러한 구조는 압축기 휠(6)이 제 1 압축기 단으로서 생성하는 압력에 기초하여, 연료 전지 시스템(2)에 필요한 압력을 프리휠(11)의 압축기 측(10)에서 생성하기 위해 프리휠(11)이 사용될 수 있게 한다. 즉 일종의 레지스터 과급이다. 프리휠(11)과 공기 압축기(1)는 함께 2단계 공기 이송 장치(3)를 형성한다.
또한 밸브(16)가 있는 바이패스 라인(15)이 제공되고, 상기 바이패스 라인은 공기 압축기(1)의 압축기 휠(7)에 의해 압축된 공기의 일부를 터빈 라인(14)으로부터 레지스터 라인(9)으로 안내하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 예를 들어 밸브(16)가 완전히 또는 부분적으로 개방되면 연료 전지 시스템(2)으로 공기의 더 많은 체적 흐름이 실현될 수 있다. 동시에, 프리휠(11)의 터빈 측(13)을 통과하는 공기 흐름은 상응하게 감소하여, 더 많은 체적 흐름이 있지만, 연료 전지 시스템(2) 내부의 압력은 더 낮아진다. 바이패스 라인(15)에서 밸브(16)의 폐쇄가 증가함에 따라, 프리휠(11)의 터빈 측(13)의 출력 및 압축기 측(10)의 압축기 출력이 상응하게 증가하는 한편, 동시에 체적 흐름은 감소한다. 이로 인해 더 낮은 체적 흐름에서 더 높은 압력이 구현될 수 있다. 또한, 흐름 방향은 더 많은 공기가 바이패스 라인을 통해 프리휠(11)의 터빈 측(13)으로 흐르도록 할 수도 있다. 극단적인 경우에는 공기 압축기(1)의 공기 전체가 프리휠(11)의 구동에 이용될 수 있다. 따라서 공기 공급은 바이패스 라인(15) 내의 밸브(16)를 통해 제어될 수 있다. 밸브(16)가 있는 바이패스 라인(15)은 특수한 장점을 제공하더라도, 여기서는 순전히 선택적인 것으로 이해되어야 하며 원칙적으로 생략될 수도 있다.
연료 전지 시스템(2)은 일반적으로 개별 전지의 스택인 연료 전지(19)를 포함한다. 이러한 연료 전지 스택(19)에서 예를 들어 애노드 챔버(20)와 캐소드 챔버(21)가 표시된다. 캐소드 챔버(21)는 공기 압축기(1)와 프리휠(11)에 의해 유입 공기 라인(22)을 통해 공기를 공급 받는다. 배출 공기는 배출 공기 라인(23)을 지나 24로 표시된 밸브 장치에 도달하며, 상기 밸브 장치(24)는 또한 배기가스 재순환 밸브(24)로 지칭될 수도 있다. 선택적으로, 상기 밸브 장치(24)에 의해 배출 공기 라인(23)으로부터 배출 공기가 전체적으로 또는 부분적으로 배출 공기 재순환 라인(25)을 지나 레지스터 라인(9)으로 되돌아가거나, 23'으로 표시된 배출 공기 라인(23)의 섹션을 지나 주변으로 되돌아갈 수 있다. 일반적인 많은 시스템과 달리 섹션(23')의 배출 공기는 배출 가스 터빈을 더 이상 관류하지 않는다.
애노드 챔버(20)에는 가압 가스 저장 장치(26)로부터 수소가 공급된다. 그러한 가압 가스 저장 장치(26)에 대한 대안으로서, 수소를 위한 다른 저장 옵션, 예를 들어 극저온 저장 장치 또는 수소화물 저장 장치가 고려될 수도 있다. 이러한 수소는 압력 제어- 및 계량 장치(27)를 통해 애노드 챔버(20)에 도달한다. 물 분리기(30)가 배치될 수 있는 29로 표시된 재순환 라인이 있는 애노드 회로(28)를 통해 배기가스는 애노드 챔버(3)의 배출구로부터 유입구로 되돌아가고, 대부분의 작동 상태에서 새로운 수소화 혼합되어 애노드 챔버(20) 내로 역류한다. 도시되지 않은 가스 제트 펌프에 대한 대안으로서 또는 추가로 그 자체로 공개된 방식으로 재순환 라인(29)에 재순환 팬(31)이 배치될 수 있다. 물 분리기(30) 또는 대안으로서 재순환 라인(29)의 다른 영역에 배출 밸브 또는 퍼지 밸브(18) 또는 퍼지-/배출 밸브가 있는 배출 라인(17)이 배치되고, 상기 밸브를 통해, 예를 들어 시간에 따라, 재순환 라인(29) 내의 수소 농도에 따라 또는 다른 파라미터에 따라, 재순환 라인(29)의 가스가 배출되고, 경우에 따라서는 물 분리기(30)의 물과 함께 배출된다.
연료 전지 시스템(2)의 이러한 구조에서, 밸브 장치(24)의 적절한 위치에서 배기가스 재순환 라인(25)을 통해 배출 공기를 완전히 또는 부분적으로 재순환시키는 것이 이제 가능하여, 연료 전지(19)의 캐소드 측(21)을 향한 유입 공기 라인(22) 내의 유입 공기의 가습이 지원된다. 이는 대안으로서 또는 특히 액상수 시스템(34)의 사용에 대한 대안으로서 추가적으로, 도면에 점선으로 표시되고 추후에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 종래의 가스/가스 가습기가 생략될 수 있는 데 기여할 수 있다. 이제 프리휠(11) 영역 내로 습기가 도달할 위험이 있다. 어는점 미만의 온도에서 시스템이 정지하는 경우에 이는 프리휠(11)을 동결시킬 수 있다. 공기 압축기(1)에서 압축기 휠(6, 7)의 동결과 달리 이것은 비교적 중요하지 않은데, 그 이유는 압축기 휠(6)을 통해 그리고 경우에 따라서 바이패스 밸브(16)의 개방 시 압축기 휠(7)을 통해 이송되어 프리휠(11)의 압축기 측(10)을 통해 유입 공기 라인(22) 내로 배출되는 공기는 연료 전지 시스템(2)의 시동을 위해 훨씬 충분하기 때문이다. 따라서 프리휠(11)이 충분히 해동되었을 때 작동을 재개하면 충분하다. 따라서 공기 압축기(1)와 프리휠(11)이 조합된 구조는 공급된 공기의 압력과 체적 흐름의 높은 제어 가능성으로 최적의 작동을 가능하게 할 뿐만 아니라 특히 액체 시스템(34)과 조합하여 기존 가스/가스 가습기의 생략을 가능하게 하는데, 그 이유는 온도가 어는점 미만인 경우 전체 공기 이송 장치(1)의 동결 위험 없이 배기가스 재순환이 가능하기 때문이다.
연료 전지 시스템(2)의 압력 에너지가 경감되고 추가로 공기 압축기(1)의 구동을 지원하는 데 이용되는 종래의 전기 터보차저와 달리, 이러한 압력은 여기서 공기 이송 장치(3)를 위해 사용될 수 없다. 일반적으로 제공되는 재순환 팬(31)의 전기 드라이브 대신에, 여기서는 배출 공기가 연료 전지(19)의 캐소드 챔버(21)로부터 배출 공기 라인에 배치되며 재순환 팬에 출력 전달 방식으로 결합된 배출 공기 터빈(32)을 통해 흐르며, 이는 여기에서 공통 샤프트(33)의 형태로 표시된다. 결과적으로, 연료 전지(19)의 캐소드 챔버(21)의 배출 공기에 포함된 에너지에 의해 재순환 팬(31)을 구동하는 것이 가능하여, 이 에너지는 다시 회수될 수 있고 따라서 전체 시스템은 더 에너지 효율적이 될 수 있다. 배출 공기 터빈(32)과 재순환 팬(31) 사이의 결합이 자기적으로 이루어지면 특히 바람직하다. 그 결과, 한편으로는 수소 또는 수소 함유 가스를 그리고 다른 한편으로는 공기를 운반하는 2개의 체적은 쉽게 밀폐하여 서로에 대해 밀봉될 수 있다. 도면에서 이는 샤프트(33) 영역의 2개의 선으로 표시되어 있다.
유입 공기 라인(22)과 배출 공기 라인(23)에, 즉 여기에서 각각 캐소드 챔버(21)에 비교적 근접해서, 밸브 장치(35)는 흐름 방향으로 캐소드 챔버(21) 앞에 그리고 밸브 장치(36)는 흐름 방향으로 캐소드 챔버(21) 뒤에 배치되는 것은, 연료 전지 시스템(2)의 여기에 설명된 구조에 결정적이다. 이러한 밸브 장치(35, 36)는 바람직하게 및 여기에 도시된 바와 같이 3/2-방향 밸브로서 설계될 수 있다. 그러나 실질적으로 이들은 유입 공기 라인(22)은 물론 배출 공기 라인(23)에 배치되고 또한 캐소드 바이패스(37)에도 배치되는 독립적인 밸브 장치에 의해 실현될 수도 있다. 실질적으로 중요한 것은, 특히 캐소드 챔버(21)가 폐쇄되거나 캐소드 챔버(21)를 포함하는 체적이 폐쇄된 상태에서 밸브 장치(35, 36)를 통해 캐소드 바이패스(37)가 전환될 수 있다는 점이다. 순수한 시스템 바이패스와 달리, 캐소드 바이패스(37)에는 예를 들어 벤추리(venturi)관 방식으로 설계될 수 있는 가스 제트 펌프(38)가 제공된다. 그러나 부압 효과 및/또는 펄스 교환에 의해 캐소드 챔버(21) 주위를 흐르는 공기로부터 가스가 흡기될 수 있는 한, 임의의 다른 유형의 가스 제트 펌프 또는 이젝터 또는 제트 펌프도 고려될 수 있다. 이를 위해, 흡입 측에서 가스 제트 펌프(38)는 퍼지 밸브(18)를 통해 전환될 수 있는 배출 라인(17)에 연결되고, 이로써 배출 라인(17)은 가스 제트 펌프(38)에 연결될 수 있다. 따라서 액체 및 특히 가스가 애노드 회로(28) 및 따라서 애노드 챔버(20)로부터도 흡입될 수 있다. 애노드 회로(28)는 또한 밀봉되어 설계되고 수소 공급이 차단될 때 폐쇄 체적을 형성하기 때문에, 애노드 회로(28) 내에서 부압이 달성될 수 있고, 이는 추후에 설명될 이유로 인해 매우 바람직하다.
가스 제트 펌프(38)는 또한 흡입 측에서 캐소드 분기 라인(39) 및 거기에 배치된 캐소드 흡입 밸브(40)를 통해 캐소드 챔버(21)에 또는 밸브 장치(35, 36) 사이에 놓이고 캐소드 챔버(21)를 포함하는 체적에 연결된다. 캐소드 분기 라인(39)은 캐소드 챔버(21) 앞 및 뒤에, 즉 유입 공기 라인(22) 또는 배출 공기 라인(23)으로의 유입구에 배치될 수 있다. 원칙적으로, 연료 전지 스택(19)에 대한 직접적인 연결도 고려될 수 있지만, 이러한 연결은 해당 라인(22, 23)으로부터 분기하는 것보다 기술적으로 훨씬 더 복잡하다. 여기에서도 캐소드 바이패스(37)가 관류되는 경우 캐소드 흡입 밸브(40)가 개방되면 가스 제트 펌프(38)에 의해 캐소드 챔버(21)로부터 가스가 흡입될 수 있고, 이는 밸브 장치(35 및 36)가 폐쇄되면 연료 전지(19)의 캐소드 내에도 부압이 생성될 수 있게 한다. 이것은 또한 특히 바람직한 이용과 관련하여 추후에 더 자세히 설명될 것이다.
전술한 액상수 시스템(34)은 도면에서 점선으로 도시되어 있다. 상기 시스템은 바람직하게는 연료 전지 시스템(2)으로부터 회수되는 물로 채워질 수 있다. 연료 전지 시스템(2)은 일반적으로 재순환 라인(29)에 물 분리기(30)를 갖고 배출 공기 라인(23) 영역에, 여기서는 가능하다면 배출 공기 터빈(32) 앞에 추가 물 분리기(41)를 갖는다. 여기에 도시된 연료 전지 시스템(2)의 실시예에서, 물 분리기(30)의 물은 가스 제트 펌프(38) 및 캐소드 바이패스(37)를 통해 마찬가지로 물 분리기(41)에 도달한다. 이에 대한 대안으로서 물 분리기(30)로부터 예를 들어 물 분리기(41) 내로 또는 연료 전지 시스템(2)의 모든 물 분리기(30, 41)의 물 전체가 수집되는 액상수 시스템(34)의 물탱크(42) 내로 직접 평행한 라인도 고려될 수 있다. 화살표 43으로 표시된 바와 같이, 이러한 물탱크(42)에는 이제 열이 공급된다. 원칙적으로 이것은 내연 기관이 장착된 차량 분야의 이러한 유형의 물탱크에서 통상 공개되어 있고 일반적인 전기적 가열일 수 있다. 이에 대해 대안으로서 또는 추가적으로, 연료 전지 시스템(2)의 폐열, 예를 들어 연료 전지(19) 자체의 폐열 또는 배출 공기, 특히 프리휠(11)의 터빈 측(13)으로부터 유출되는 배출 공기의 폐열이 사용될 수도 있고, 이러한 폐열은 대안으로서 가압 가스 저장 장치(26)를 가열하는 데 이용될 수도 있다.
물탱크(42)에 저장된 물은 바람직하게 약 80℃의 온도를 갖고, 따라서 물탱크(42)는 물탱크(42)의 신속하고 불필요한 냉각을 방지하기 위해 단열부(44)를 갖는다. 물탱크(42)의 물은 물 펌프(45)를 통해, 예를 들어 소위 커먼레일 형태의 가압수 분배기(50)로 공급된다. 그리고 나서 개별 분기 라인이 가압 상태의 가압수 분배기(50)에서 분기된다. 제 1 분기 라인(46)은 제 1 가습기(47)로 안내된다. 이것은 단일 성분 노즐 또는 2성분 노즐로 물을 분무하는 간단한 가습기(47)로서 설계된다. 이것은 예를 들어 전기 에너지로, 따라서 연료 전지(19)의 작동과 무관하게 작동되고 가습과 관련하여 제어될 수 있다. 따라서 작동 중 배기가스 재순환과 함께 복잡한 기존의 가스/가스 가습기는 이제 어떤 경우에도 필요하지 않다. 선택적으로 유사한 구조를 갖는 다른 가습기(48)가 제공된다. 이것은 레지스터 라인(9)에 위치하며 가압수 분배기(50)의 가압수를 제 2 분기 라인(49)을 통해 공급받는다. 이미 언급한 바와 같이, 액상수 시스템(34)의 이러한 기존의 구조는 또한 내연 기관식 드라이브, 특히 가솔린 분사가 있는 내연 기관에도 사용된다. 따라서 물 펌프(45), 가열 가능한 물탱크(42) 및 가습기(47, 48)와 같은 구성 요소는 충분히 검증된 부품으로서 시중에서 대량으로 따라서 저렴한 비용으로 이용할 수 있다.
2개의 추가 분기 라인(51, 52)을 통해, 프리런닝 터보차저(11)의 2개의 유체역학 베어링(53, 54)에 물이 공급되어, 상기 터보차저는 물에 지지될 수 있다. 연료 전지 시스템(2)에서 일반적으로, 유입 공기 흐름의 가습과 프리런닝 터보차저(11)의 장착을 모두 달성하기에 충분한 물이 생성되어, 물의 외부 유입 없이 물이 공급될 수 있다.
캐소드 바이패스(37) 및 여기에 배치되며 캐소드 챔버(21)에 대해 평행하게 흐르는 공기에 의해 구동되고 캐소드 챔버(21) 및 애노드 챔버(20) 모두를 흡입하도록 전환될 수 있는 가스 제트 펌프(38)를 포함하는 이러한 연료 전지 시스템(2)은, 이제 기존의 연료 전지 시스템에서 해결할 수 없거나 유사한 방식으로 해결할 수 없었고 안전성과 특히 연료 전지 스텍(19)의 개별 전지의 수명에 악영향을 미쳤던 일부 문제를 해결할 수 있는 많은 바람직한 방법을 가능하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 연료 전지 시스템은 이제 관리에 있어서 특별한 장점을 제공한다. 배기가스 재순환 밸브(24)의 적절한 조정 시, 캐소드 챔버(21) 주위의 배출 공기 재순환을 구현하기 위해 프리휠(11)의 작동 중에 그것의 압축기 측(10)이 이용될 수 있다. 동시에, 이러한 재순환된 공기의 일부는 캐소드 바이패스(37)를 통해 흐를 수 있고 따라서 가스 제트 펌프(38)를 통해 흐를 수 있다. 이것은 퍼지 밸브(18) 또는 캐소드 흡입 밸브(40)가 그에 따라 개방되는 경우에, 예를 들어 애노드 챔버(20) 및/또는 캐소드 챔버(21)로부터 가스를 흡입하는 것을 가능하게 한다. 다양한 용도가 가능하다. 예를 들어, 사고 발생 시, 여기에 도시되지 않은 연료 전지 시스템(2)의 충돌 센서가 이러한 사고를 감지하면, 수소 공급이 중단될 수 있다. 공기 압축기(1) 및 프리휠(11)의 정지 시 나머지 체적 흐름으로, 차단된 캐소드 챔버(21)와 애노드 회로(28) 및 애노드 챔버(20)로부터 가스가 흡입될 수 있다. 그 결과, 부하가 떨어지고 연료 전지(19)의 전류가 0으로 감소 시 연료 전지(19)의 (무부하) 전압이 매우 빠르게 감소하여, 차량 탑승자와 구조 대원의 위험을 방지할 수 있다. 연료 전지 시스템(2) 자체에서 비상 정지 스위치의 작동 또는 비상 상황의 감지에 대한 반응에도 유사하게 적용된다. 이는 고정식 연료 전지 시스템에도 유사하게 적용될 수 있다.
또한, 전지 전압을 제한하기 위해 연료 전지(19) 내의 산소 함량이 감소할 수 있으며, 이를 위해 해당하는 양의 산소가 고갈된 배출 공기는 배기가스 재순환 밸브(24) 및 배기가스 재순환 라인(25)을 통해 재순환되고, 또한 유입 공기의 가습도 지원한다. 이것이 충분하지 않은 경우, 필요 시 캐소드 바이패스(37) 및 가스 제트 펌프(38)를 통해 유입 공기의 일부가 안내됨으로써 캐소드 흡입 밸브(40)가 개방된 상태에서 산소가 캐소드 챔버(21)로부터 능동적으로 흡입될 수도 있고, 이로써 개별 전지의 전압 또는 연료 전지 스택(19) 전체의 전압을 계속해서 더 안정적으로 제어 가능하게 제한할 수 있다.
연료 전지 시스템(2)의 작동을 위한 두 가지 매우 중요한 점은 동결 시동 준비, 소위 FSU(Freeze Start Up) 준비와 관련된다. 애노드 챔버(20) 및 캐소드 챔버(21) 내의 압력을 예를 들어 100mbar까지 낮출 수 있음으로써, 애노드 챔버(20) 및 캐소드 챔버(21) 모두에 존재하는 물을 증발시키고 가스 제트 펌프(38)를 통해 능동적으로 흡입하는 것이 가능하다. 이는 예를 들어 연료 전지(19)의 25 내지 35℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 더 높은 온도에서와 달리, 이 경우 멤브레인이 건조되는 것이 대부분 방지되어, 연료 전지(19)가 매우 안정적으로 건조될 수 있다. 추후에 온도가 어는점 아래로 떨어지면, 연료 전지가 원하는 또는 허용 가능한 수준 이상으로 동결하는 것이 방지될 수 있다. 온도가 다시 어는점 이상으로 상승하면, 연료 전지(19)가 능동적으로 시동되지 않아도 능동적 가습이 수행될 수 있는데, 그 이유는 액상수 시스템(34)을 통해 액상수가 이용 가능하고, 예를 들어 특히 단일 성분 노즐이 있는 전기 작동식 가습기로서 설계될 수 있는 가습기(47)를 통해 유입 공기로 간단하고 효율적으로 도입될 수 있기 때문이다. 이러한 유입 공기는, 전술한 바와 같이, 멤브레인을 한편으로는 충분히 습하게 유지하고 다른 한편으로는 언제든지 동결 시동에 대비하기 위해, 배기가스 재순환 밸브(24)를 통해 순환될 수 있다.
동결 시동을 준비하기 위한 기존의 일반적인 전략은, 연료 전지 시스템의 시동 시 애노드 챔버에서 공기/수소 전선이 방지되는 가능한 한 긴 시간을 달성하는 것이다. 이것은 수소가 애노드 챔버(20)로부터 확산되고 공기가 침투했을 때, 항상 발생한다. 그런 다음 새로운 수소가 보충되면, 이러한 우려했던 전선이 발생하고, 이러한 전선은 그에 따라 캐소드를 손상시키고 연료 전지(19)의 수명에 매우 바람직하지 않은 심각한 영향을 미친다. 여기에 도시된 변형 실시예의 연료 전지 시스템(2)은 이제 그러한 공기/공기 시동을 방지하기 위한 여러 가능성을 제공한다.
제 1 가능성은 캐소드 챔버(21)가 적절하게 비워질 수 있다는 것이다. 여기에 산소가 없는 경우, 애노드 측에 산소가 있고 시동할 때 유입되는 수소에 의해 대체되면 전선은 손상 작용을 할 수 없다. 이러한 간단한 가능성은 예를 들어, 캐소드가 영구적으로 산소 없이 유지되는 것을 제공할 수 있으며, 이는 시스템에서 일반적으로 발생하는 기밀성을 고려할 때 예를 들어 매 10시간 등마다 캐소드 챔버(21)를 다시 비워야 한다. 이러한 항상 반복되는 비우기는, 멤브레인을 건조시킬 수 있기 때문에 멤브레인에 상대적으로 위험하므로, 이러한 방법은 특히 온도가 어는점보다 높고 안전하고 신뢰할 수 있는 시동이 연료 전지(19) 내의 소정의 잔류 수분에 의해서도 가능한 경우에, 전술한 멤브레인의 가습을 수반할 수 있다.
연료 전지(19)의 공기/공기 시동을 방지하는 제 2 가능성은, 연료 전지 시스템(2)의 정지 상태 동안 애노드 챔버(20) 내로 들어간 공기를 연료 전지(19)를 시동하기 전에 애노드 챔버(20)로부터 다시 흡입하는 것, 즉 상기 챔버를 다시 비우는 것이다. 이를 위해 공기가 이송되어 캐소드 바이패스(37)와 가스 제트 펌프(38)를 통해 흐른다. 퍼지 밸브(18)가 개방되면 정지 상태 동안 애노드 챔버(20) 내로 들어간 공기가 다시 흡입될 수 있다. 이로 인해, 연료 전지(19)의 시동 시 수소가 추가 공급되기 전에, 애노드 챔버(20) 및 궁극적으로 애노드 회로(28)의 체적에서 산소 함량을 적어도 상당히 감소시키는 것이 가능하다. 이로 인해 또한 부드러운 시동이 구현되고 연료 전지(19)의 수명이 연장될 수 있다.
제 3 가능성은 매우 부드러운 시동을 구현하기 위해, 질소 또는 산소가 고갈된 공기, 특히 산소 함량이 0%인 공기의 생성을 이용한다. 이를 위해 캐소드 챔버(21) 주위의 순환이 이용된다. 프리휠(11)의 터빈 측(13)에 유입되어 압축기 측(10)을 움직이는 애노드 회로(28) 내로 공급되는 수소 또는 거기에 여전히 존재하는 잔류 수소는 퍼지 밸브가 개방되면 가스 제트 펌프(38)를 통해 흡기되어 산소 함유 공기와 함께 회로에 도달하고, 상기 회로는 압축기(1)의 작동에 의해 유지된다. 그런 다음 공기는 캐소드 챔버(21) 주위를 돌아서 흐른다. 상기 공기는 부분적으로는 캐소드 챔버(21)를 통해 그리고 부분적으로는 캐소드 바이패스(37)를 통해 흐른다. 그런 다음 공기는 배출 공기 라인(23)과 배기가스 재순환 밸브(24) 및 배기가스 재순환 라인(25)을 통해 다시 레지스터 라인(9)으로 역류하고, 거기서부터 프리휠의 압축기 측(10)에 의해 구동되어 다시 유입 공기 라인(22)의 밸브 장치(35)로 흐른다. 이러한 작동 시 수소와 공기의 혼합에 의해 수소와 산소는, 예를 들어 애노드 챔버(21)의 촉매 변환기 또는 이를 위해 특별히 제공된, 여기에 도시된 바와 같이 예를 들어 가스 제트 펌프(38) 뒤에 캐소드 바이패스(37)에 배치될 수 있는 촉매 변환기(55)의 영역에서 반응한다. 추가적인 촉매 변환기(55)의 경우에, 질소를 생성하기 위해 캐소드 챔버(21)가 계속해서 관류되지 않아도 된다. 이는 멤브레인의 건조를 줄이고 멤브레인을 보호한다. 그러나 필요한 경우 이것은 전술한 바와 같이 다시 가습될 수도 있다.
공기/공기 시동을 피하기 위한 제 4 가능성은 어느 정도는 제 2 및 제 3 가능성의 조합이다. 추가로 이를 위해 어떠한 경우에도 여러 단계로 전환 가능한, 압력 제어- 및 계량 장치(27)의 밸브 외에 수소 계량 라인(56)도 필요하며, 상기 라인을 통해 수소가 캐소드 측으로 계량 공급될 수 있다. 이러한 수소 계량 라인(56)은 퍼지 라인(17)과 유사한 방식으로 또는 대안으로서, 도면에 도시된 바와 같이 캐소드 바이패스(37)에 있는 가스 제트 펌프(38)에 연결될 수 있다. 따라서 이 수소가 미리 애노드 공간(20)을 통해 흐르지 않고, 연료 전지 시스템(2)의 캐소드 측으로 수소 계량 라인(56)을 통해 수소를 계량 공급하는 것이 가능하다. 따라서 공기 중의 산소는 캐소드 공간(21) 주위의 회로에서 가스 제트 펌프(38)의 하류에 연결된 전술한 촉매 변환기(55)에 의해 소비될 수 있다. 그런 다음 이것은 밸브 장치(35, 36), 밸브(16) 및 배기가스 재순환 밸브(24)에 의해 그리고 프리휠(11)의 작동에 의해 이 회로에서 자율적으로 재순환된다. 이는, 원래 공기 중의 산소 함량이 촉매 변환기 및 수소 계량 라인(56)을 통해 회로로 유입되는 수소에 의해 가스 제트 펌프(38)의 혼합 지점의 영역에서 1 체적% 미만, 특히 약 0 체적%로 감소할 때까지 이루어진다. 따라서 재순환된 가스는 사실상 산소가 없으며 실질적으로 질소로 구성된다.
이러한 가스는 동시에 프리휠(11)을 통한 재순환에 의해 가열되고, 이는 산소와 수소를 효율적으로 변환하기 위해 촉매 변환기(55)에서 촉매 반응을 촉진한다. 이를 위해 약 +60 내지 +80℃의 온도 범위가 바람직하다. 이로써, 폐쇄된 체적 내에서 원치 않는 질소 산화물을 방지하기 위해, 촉매 변환이 매우 양호하게 제어될 수 있다. 이러한 질소 산화물은 부산물로서 추후에 발생하는 그것의 배출로 인해 바람직하지 않지만, 수명 측면에서 연료 전지(19)의 안전한 취급을 더 악화시키지 않을 것이다.
충분한 수소가 제공되거나 적절하게 보충 공급되었다면, 일정 시간 후에 모든 산소가 소비된다. 전체 회로에는 이제 산소가 0%로 고갈된 가스가 존재한다. 이것은 과정에 불리하게 작용하지 않는 이산화탄소와 일부 희가스를 제외한, 실질적으로 질소이다. 이제 회로에 질소가 존재한 후에는 퍼지 밸브(18)가 개방될 수 있고, 프리휠(11)과 궁극적으로 공기 압축기(1)는 꺼질 수 있다. 캐소드 흡입 밸브(40) 및/또는 밸브 장치(35, 36)는 개방된다. 이어서 질소는 퍼지 라인 및 캐소드 분기 라인 및/또는 유입 공기 라인을 통해 다시 연료 전지(19) 내로 흐르고, 따라서 연료 전지는 질소로 채워진다. 이는 공기/공기 시동의 손상 메커니즘이 발생하지 않고, 연료 전지가 다음 시동 과정에서 매우 부드러운 시동을 가능하게 한다.
제 5 가능성은 시스템에서 수소를 유지하는 지금까지의 통상적인 방식과 조합하여 연료 전지 시스템의 본 발명에 따른 구조에서 바람직하게 이용될 수 있다. 바람직하게는 주변 대기의 공기압에 비해 낮은 정적 과압을 사용하여 애노드 챔버(20)와 캐소드 챔버(21)의 체적을 모두 수소로 채우고 약간의 과압을 유지함으로써, 거의 100%의 수소 농도에 의해 체적의 완전한 불활성화가 실현될 수 있다. 연료 전지 시스템(2) 또는 그것의 연료 전지(19)를 시동할 수 있기 위해, 밸브 장치(35)를 캐소드 챔버(21)의 방향으로 개방하여 캐소드 챔버(21)에 산소 또는 산소를 함유한 공기가 공급되기 전에 수소가 캐소드 챔버(21)로부터 완전히 흡입됨으로써, 정상적인 시동 전에, 캐소드 챔버(21)에 존재하는 잔류 수소는 이제 가스 제트 펌프(38) 및 그것의 작동에 의해 이미 이송되었지만 캐소드 챔버(21) 내로 유입되지 않는 유입 공기를 통해 다시 제거될 수 있다.
축적된 CO 중독을 산화시키기 위해 때때로 애노드 챔버(20) 내로 산소를 가져오기 위해, 연료 전지(19)는 캐소드 바이패스(37)에 있는 가스 제트 펌프(38)를 사용하여 다시 비워질 수 있다. 퍼지 밸브(18)가 개방되면, 공기 압축기가 꺼진 상태에서 공기가 또는 산소 함유 가스가 애노드 챔버(20)의 영역에 도달할 수 있다. 원칙적으로 일산화탄소에서 이산화탄소로 산화는 수동적으로 고려될 수 있다. 여기에 도시된 실시예에서 배출 공기 터빈(32)을 통해 팬 형태의 재순환 이송 장치(31)를 구동하기 위해, 예를 들어 퍼지 밸브(18)가 처음에 한 번 폐쇄된 상태에서 애노드 회로(28) 내로 공기의 유입 후에 공기 압축기(1)가 다시 작동됨으로써, 재순환 이송 장치(31)가 작동되는 경우에 더 효율적이 된다. 촉매 변환기의 리프레쉬는 예를 들어 1분 미만 정도의 짧은 시간 후에 완료된다. 이어서 퍼지 밸브(18)를 다시 개방함으로써 산소 함유 가스는 애노드 회로로부터 다시 흡입될 수 있고, 다음 시동을 위해 준비하기 위해, 예를 들어 전술한 방식으로 시스템이 질소로 채워질 수 있다.
1 공기 압축기
2 연료 전지 시스템
3 공기 이송 장치
4 전기 모터
5 샤프트
6 제 2 압축기 휠
7 제 1 압축기 휠
8 흡기 경로
9 레지스터 라인
10 압축기 측
11 프리런닝 터보차저
12 샤프트
13 터빈 측
14 터빈 라인
15 바이패스 라인
16 밸브
17 배출 라인
18 퍼지 밸브
19 연료 전지 스택
20 애노드 챔버
21 캐소드 챔버
22 유입 공기 라인
23 배출 공기 라인
24 배기가스 재순환 밸브
25 배기가스 재순환 라인
26 연료 공급 장치
27 압력 제어- 및 계량 장치
28 애노드 회로
29 재순환 라인
30 물 분리기
31 재순환 이송 장치
32 배출 공기 터빈
33 샤프트
34 액상수 시스템
35 밸브 장치
36 밸브 장치
37 캐소드 바이패스
38 가스 제트 펌프
39 캐소드 분기 라인
40 캐소드 흡입 밸브
41 물 분리기
42 물탱크
43 화살표
44 단열부
45 물 펌프
46 분기 라인
48 가습기
49 분기 라인
50 가압수 분배기
51 분기 라인
52 분기 라인
53 유체 역학 베어링
54 유체 역학 베어링
55 촉매 변환기
56 수소 계량 라인

Claims (12)

  1. 애노드 챔버(20)와 캐소드 챔버(21)를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택(19), 유입 공기 라인(22)을 통해 캐소드 챔버(21)에 공기를 공급하기 위한 적어도 하나의 공기 이송 장치(3), 상기 캐소드 챔버(21)로부터의 배출 공기 라인(23), 상기 애노드 챔버(20)에 연료를 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 장치(26), 상기 애노드 챔버(20) 주변의 미사용 연료의 재순환을 위한 적어도 하나의 애노드 회로(28) 및, 캐소드 바이패스(37)를 갖는 연료 전지 시스템(2)으로서,
    상기 캐소드 바이패스(37)는 상기 유입 공기 라인(22)의 밸브 장치(35)의 영역 전 또는 내에서 상기 유입 공기 라인으로부터 분기되고, 배출 공기 라인(23)의 추가 밸브 장치(36) 영역 후 또는 내에서 상기 라인(23) 내로 이어지고,
    상기 캐소드 바이패스(37) 내에는 상기 캐소드 챔버(21) 주위를 흐르는 공기에 의해 구동될 수 있고 흡입 측에서 애노드 챔버(20) 및/또는 상기 캐소드 챔버(21)에 전환 가능하게 연결되는 가스 제트 펌프(38)가 배치되고,
    상기 공기 이송 장치(3)는 직렬로 연결된 2개의 압축기에 의해 2단 압축으로 설계되고,
    상기 공기 이송 장치(3)는 프리런닝 터보차저(11)의 형태로 설계되고, 상기 터보차저는 터빈 측에서 공기 압축기(1)의 제 1 압축기 휠(7)의 압력 측에 연결되고, 압축기 측에서는 동일한 공기 압축기(1)의 제 2 압축기 휠(6)의 압력 측에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 회로(28)에서 재순환 이송 장치(31)로서 팬은 배출 공기 라인(23)에 있는 배출 공기 터빈(32)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입 공기 라인(22) 및/또는 상기 배출 공기 라인(23)에 있는 밸브 장치(35, 36) 중 적어도 하나는 3/2-방향 밸브로서 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 압축기 휠(6, 7)은 대칭으로 설계되고, 공통의 전기 모터(4)와 함께 샤프트(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 분리기(41)는 배출 공기의 흐름 방향으로 배출 공기 라인(23)으로의 캐소드 바이패스(37)의 유입구 이후에 상기 배출 공기 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    배기가스 재순환 라인(25)은 캐소드 바이패스(37)의 유입구 이후에 배출 공기 라인(23)을 상기 2개의 압축기 사이에 연결된 레지스터 라인(9)에 전환 가능하게 연결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 물 분리기(30, 41)는 물탱크(42)에 연결되거나 물탱크를 형성하고, 상기 물탱크(42)는 물 펌프(45)를 통해 가압수 분배기(50)에 연결되고, 상기 분배기로부터 분기 라인(46, 49, 51, 52)이 소비 지점으로 분기되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    소비 지점은 프리런닝 터보차저(11)의 유체 역학 베어링(53, 54) 및/또는 유입 공기 내에서 적어도 하나의 가습기(47, 48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가습기(47, 48)는 상기 터보차저의 압축기 측에 의한 압축 단계 전 및 후 중 적어도 하나의 유입 공기 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필요 시 캐소드 바이패스 라인(37)에 있는 가스 제트 펌프(38)를 통해 캐소드 챔버(31) 및/또는 애노드 회로(28)로부터 가스가 흡입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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