KR101983887B1 - 연료 전지 유닛 - Google Patents

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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14)로서, 1차 밀봉부(8)에 의해 챔버의 주위로부터 밀봉되는 챔버를 갖는 연료 전지 유닛(2)에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 누설에 대해 연료 전지 유닛(2)을 감시하는 방법에 관한 것이다. 누설에 대한 연료 전지 유닛(2)의 공간-절약 감시를 가능하게 하기 위해서, 본 발명에 따른 1차 밀봉부(8)는 1차 밀봉부(8)와 2차 밀봉부(10) 사이에 감시 챔버(16)가 형성되도록 2차 밀봉부(10)에 의해 둘러싸이며, 감시 챔버는 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)에 의해 한정되고 2차 밀봉부(10)에 의해 감시 챔버의 주위로부터 밀봉된다. 또한, 본 발명에 따르면, 감시 챔버(16)의 측정 변수, 특히 감시 챔버(16)의 압력 또는 연료 농도가 연료 전지 유닛(2)이 간단한 방식으로 누설에 대해 감시될 수 있도록 측정 장치에 의해 측정된다.

Description

연료 전지 유닛{FUEL CELL UNIT}
본 발명은, 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(chamber)로서, 1차 밀봉부에 의해 그 주위로부터 밀봉되는 챔버를 갖는 연료 전지 유닛에 관한 것이다.
연료 전지 유닛은 적어도 하나의 연료 전지, 바람직하게는 하나가 다른 것의 상단에 적층되어 배치되고 그리고/또는 서로 옆에 배치되는 복수의 연료 전지를 포함하는 개체로서 고려될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 연료 전지에 인접하는 적어도 하나의 냉각제 챔버가 연료 전지 유닛의 일부일 수 있다.
이러한 연료 전지 유닛은 전형적으로 상이한 유체(연료, 산화제, 또는 냉각제)가 유동할 수 있는 복수의 챔버로 세분된다. 상기 챔버는 일반적으로 밀봉부의 도움에 의해 서로로부터 또는 그들의 주위로부터 밀봉되어 유체가 제어되지 않은 방식으로 서로 혼합되는 것을 방지하거나 환경으로의 유체 누출을 방지한다. 뿐만아니라, 밀봉부와 밀봉부가 접하는 연료 전지 유닛의 구성요소 사이에서 누설이 방지될 수 있다.
연료 전지 유닛을 통해 유동하는 연료가 누설로 인해 환경에 다다르거나 연료 전지 유닛을 통해 유동하는 산화제와 제어되지 않은 방식으로 혼합된다면 안전상의 이유로 위험할 수 있다. 즉, 이러한 상황에서는, 소정 조건 하에 연료가 연료 전지 유닛을 둘러싸는 매체("주위 매체") 또는 산화제와 혼합되어 잠재적 폭발 혼합물을 형성할 수 있고, 그 결과로 폭발의 위험이 존재할 수 있다.
연료는 그 저장 에너지가 산화환원 반응으로 사용가능한, 특히 전기적인 에너지로 변환될 수 있는 물질로 이해될 수 있다. 연료로서의 사용을 위한 적절한 후보는 예를 들어 수소 또는 수소 함유 물질, 예를 들어 메탄 또는 메탄올일 수 있다. 산화제는 산화환원 반응으로 환원되고 그렇게 됨으로써 다른 물질(예를 들어, 연료)을 산화시키는 물질로 이해될 수 있다. 예를 들어, 가스 혼합물, 예를 들어 공기의 또는 순수한 형태의 산소가 산화제로서 사용될 수 있다.
잠재적 폭발 혼합물이 형성되는 것을 방지하기 위해서, 강력한 가스/공기 스트림이 연료 전지 유닛 주위에 순환될 수 있다. 이러한 순환 유동 이외에, 또는 예를 들어 기계적인 설계 이유로 순환 유동이 가능하지 않다면, 그에 대한 대안으로서 연료 전지 유닛은 누설이 감시될 수 있다.
누설에 대해 연료 전지 유닛을 감시하는 제1 공지 방법은 연료 전지 유닛 부근에 센서를 배치하여 연료 전지 유닛으로부터의 연료의 누출이 상기 센서에 의해 검출될 수 있도록 하는 것이다. 누설 연료가 검출되는 경우, 미리결정된 반응이 유발될 수 있다. 상기 미리결정된 반응은 예를 들어 연료 전지 유닛으로의 연료의 공급의 차단 및/또는 퍼징 가스(purging gas)에 의한, 특히 공기 또는 불활성 가스에 의한 연료 전지 유닛의 환경의 퍼징을 포함할 수 있다. 퍼징 가스에 의한 퍼징은 연료가 그 누출 동안 잠재적 폭발 혼합물이 형성되지 않는 정도까지 희석되게 할 수 있다.
제2 공지 방법에서, 연료 전지 유닛은 하우징에 배치되고, 하우징의 내부는 센서 또는 압력 측정 장치에 의해 누설에 대해 감시된다. 이 방법에 의해서도, 연료가 검출되는 경우, 또는 하우징 내의 압력의 증가의 경우, 미리결정된 반응이 유발될 수 있다. 제2 방법에서 미리결정된 반응은 제1 방법에서의 미리결정된 반응과 유사하게 다른 대책들 중, 퍼징 가스에 의한 하우징의 퍼징 및/또는 연료 전지 유닛으로의 연료 공급의 차단을 포함할 수 있다.
상기 방법을 실행하는데 필요한 장치는 공간을 필요로 한다. 따라서, 예를 들어 제1 방법에서, 많은 센서가 필요하고, 이들은 연료 전지 유닛 주위에 가능한 균일하게 배치되어, 가능한 누설로부터 센서까지의 최단 가능 유동 경로를 실현하며 이에 의해 누설이 조기 단계에 검출될 수 있게 한다. 예를 들어 전력/데이터 라인과 같은 센서에 연결된 요소도 공간을 필요로 한다. 제2 방법에서, 특히 연료 전지 유닛에 따라 치수설정된 하우징은 많은 공간을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 공간-절약 방식으로 누설에 대해 감시될 수 있는 연료 전지 유닛을 개시하는 것이다.
이 목적은, 본 발명에 따라 1차 밀봉부가 2차 밀봉부에 의해 둘러싸이고, 그래서 감시 챔버가 1차 밀봉부와 2차 밀봉부 사이에 형성되고, 감시 챔버는 1차 밀봉부 및 2차 밀봉부에 의해 한정되고 2차 밀봉부에 의해 그 주위로부터 밀봉되는, 도입부에 인용된 유형의 연료 전지 유닛에 의해 달성된다.
감시 챔버는, 유체가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 챔버가 누설부를 갖는지의 여부를 결정하기 위해 적절한 측정 기기에 의해 감시될 수 있는 연료 전지 유닛의 챔버로 이해될 수 있다.
1차 밀봉부는, 본 문맥에 있어서, 유체가 유동할 수 있는 챔버를 특히 그 주위로부터 밀봉하기 위해 제공되는 밀봉부를 말한다. 이에 대해, 2차 밀봉부는, 본 문맥에 있어서, 예를 들어 감시 챔버와 같은 유체가 유동할 수 있는 챔버 이외의 상이한 챔버를 그 주위로부터 밀봉하기 위해 제공되는 추가적인 밀봉부를 나타낸다.
본 발명은, 연료 전지 유닛이 연료 전지 유닛 그 자체에의 감시 챔버의 통합을 통해 공간-절약 누설 감시를 가능하게 한다는 고려에 기초하여 진행된다. 이는 연료 전지 유닛을 하우징 내에 배치하거나 연료 전지 유닛의 환경을 감시하기 위해 연료 전지 유닛 주위에 균일하게 배치되는 복수의 센서를 제공할 필요성을 제거한다.
또한, 본 발명은, 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 유체가 초기에 폐쇄 공간, 즉 2차 밀봉부에 의해 밀봉되는 연료 전지 유닛의 감시 챔버로 들어간다는 고려에 기초하여 진행된다. 이러한 수단에 의해, 1차 밀봉부 이외에 2차 밀봉부가 누설부를 또한 갖지 않는 한, 유체, 특히 연료가 연료 전지 유닛의 환경으로 가지 않게 되고, 결과적으로 잠재적인 발화원과 접촉할 수 없는 것이 달성될 수 있다.
유체가 유동할 수 있는 챔버로부터 누출되는 연료의 부분을 희석시키기 위해서, 감시 챔버는 퍼징 가스에 의해 퍼징될 수 있다. 구조적인 척도에 의해 결정되는 연료 전지 유닛의 전형적인 주위 부피와 관련하여 또는 연료 전지 유닛을 위한 전형적인 하우징의 내부 부피와 관련하여, 감시 챔버는 작은 부피를 갖는다. 따라서, 연료 전지 유닛의 하우징 또는 환경을 퍼징하는 것에 비해 감시 챔버를 퍼징하는 데는 더 작은 부피 유동이면 충분할 수 있다.
바람직하게는, 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 연료 전지는 두 개의 집전판을 포함한다. 유리하게, 집전판은 연료 전지를 한정한다. 또한, 집전판은 연료 전지의 구성요소의 기계적인 캐리어로서 제공될 수 있다.
유리하게, 적어도 하나의 연료 전지는 연료 전지의 집전판들 사이에 배치되는 막 전극 조립체를 갖는다. 막 전극 조립체는 두 개의 전극(애노드 및 캐소드)과, 전극들 사이에 배치되는 적어도 하나의, 특히 반투성의, 막을 포함하는 유닛으로 이해될 수 있다.
유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버는 연료가 유동할 수 있는 연료 챔버일 수 있다. 이 경우, 연료 챔버의 누설이 감시 챔버의 감시에 기초하여 검출가능할 수 있다. 연료 챔버는 연료가 산화되는 공간으로서 고려될 수 있다. 이 경우, 산화는 바람직하게는 애노드에서 촉매작용식으로 발생한다.
한편, 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버는 또한 산화제가 유동할 수 있는 산화제 챔버일 수 있다. 이 경우, 산화제 챔버의 누설이 감시 챔버의 감시에 기초하여 검출가능할 수 있다. 산화제 챔버는 산화제가 환원되는 공간으로서 고려될 수 있다. 이 경우, 환원은 바람직하게는 캐소드에서 촉매작용식으로 발생한다.
유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버는 또한 냉각제가 유동할 수 있는 냉각제 챔버일 수 있다. 이 경우, 감시 챔버의 감시에 기초하여 냉각제 챔버의 누설이 검출가능할 수 있다. 냉각제는 열을 소산시키기 위한 물질 또는 물질 혼합물로 이해될 수 있다. 예를 들어, 물이 냉각제로서 사용될 수 있다.
유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버는 또한 냉각제, 연료 또는 산화제가 유동할 수 있는 공급 채널 또는 폐기 채널일 수 있다. 이는 공급/폐기 채널의 누설이 감시 챔버의 감시에 의해 검출될 수 있게 한다. 공급 채널은 냉각제, 연료 또는 산화제를 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 연료 전지에 전달하기 위한 도관으로서 고려될 수 있다. 유사하게, 폐기 채널은 냉각제, 연료 또는 산화제를 적어도 하나의 연료 전지로부터 배출하기 위한 도관으로서 고려될 수 있다.
적어도 하나의 연료 전지의 집전판은 압흔부를 포함할 수 있다. 압흔부는 예를 들어 유리하게는 공급/폐기 채널로부터 직각으로 분기되고 공급/폐기 채널에 운반된 유체를 그것을 위해 제공되는 연료 전지 유닛의 챔버 안으로 도입시키기 위한 개구를 갖는 홈 형상 구조부를 형성할 수 있다.
연료 전지 유닛은 바람직하게는 세 개의 이러한 공급 채널을 포함한다. 연료 전지 유닛은 또한 세 개의 이러한 폐기 채널을 포함하는 것이 적합하다. 세 개의 공급 채널 중 첫번째 것은 냉각제가 그것을 통해 유동할 수 있도록 한다. 세 개의 공급 채널 중 두번째 것은 연료가 그것을 통해 유동할 수 있도록 한다. 세 개의 공급 채널 중 세번째 것은 산화제가 그것을 통해 유동할 수 있도록 한다. 동일한 배치가 세 개의 폐기 채널에 유사하게 적용되는 것이 적합하다.
연료 전지 유닛은, 유체가 유동할 수 있는, 복수의, 바람직하게는 적어도 아홉 개의 이러한 챔버를 가질 수 있다. 상기 복수의 챔버 중 적어도 하나가 공급 채널인 것이 유리하다. 바람직하게, 상기 복수의 챔버 중 세 개는 공급 채널이다. 또한, 상기 복수의 챔버 중 적어도 하나가 폐기 채널인 것이 유리하다. 바람직하게, 상기 복수의 챔버 중 세 개는 폐기 채널이다. 복수의 챔버 중 적어도 하나는 냉각제 챔버일 수 있다. 또한, 상기 복수의 챔버 중 적어도 하나는 연료 챔버일 수 있다. 또한, 나머지의 복수의 챔버 중 적어도 하나는 산화제 챔버일 수 있다.
유리하게, 연료 전지 유닛의 각각의 연료 전지는 연료 챔버 및 산화제 챔버를 갖는다. 연료 전지 유닛이 복수의 연료 전지를 포함하는 경우, 냉각제 챔버가 각각의 경우에 두 개의 이웃하는 연료 전지 사이에 제공될 수 있다. 이웃하는 연료 전지의 상호 가열이 이 수단에 의해 감소될 수 있다.
연료 전지 유닛이 정확하게 세 개의 공급 채널 및 정확하게 세 개의 폐기 채널을 갖는다면 유리하고, 또한 그 연료 전지의 수와는 관계 없다. 이는, 복수의, 바람직하게는 모든 연료 전지에 하나의 공급 채널에 의해 상기 채널에서 이송되는 유체가 동시에 공급될 수 있고, 유체는 하나의 폐기 채널에 의해 복수의, 바람직하게는 모든 연료 전지로부터 폐기될 수 있기 때문이다. 세 개의 공급 채널 및 세 개의 폐기 채널이 채널 쌍을 형성하고, 이 쌍들 각각은 하나의 공급 채널 및 하나의 폐기 채널을 포함한다면 편리하다. 이 경우, 세 개의 채널 쌍 중 첫번째 것은 연료를 운반하기 위해 제공될 수 있고, 세 개의 채널 쌍 중 두번째 것은 산화제를 운반하기 위해 제공될 수 있고, 세 개의 채널 쌍 중 세번째 것은 냉각제를 운반하기 위해 제공될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 검사 개구가 제공된다. 감시 챔버가 검사 개구에 의해 그 주위에, 즉 연료 전지 유닛의 환경에 연결될 수 있다. 유리하게, 검사 개구는 2차 밀봉부에 배치된다. 이는 감시 챔버가 측정 장치에 의해 그 주위로부터 감시될 수 있게 하거나, 연료 전지 유닛의 환경으로부터 감시될 수 있게 한다.
추가적인 유리한 실시형태에서, 적어도 하나의 연결 포트가 제공된다. 유리하게는, 감시 챔버는 적어도 하나의 연결 포트에 의해 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 추가적인 감시 챔버에 연결된다. 이는 연료 전지 유닛의 복수의 감시 챔버 사이에서 질량 이동이 발생할 수 있게 한다. 이는 결국 복수의 이러한 감시 챔버의 동시 퍼징 또는 감시가 간단한 방식으로 실행될 수 있게 한다. 바람직하게는, 연결 포트는 적어도 하나의 연료 전지의 집전판 중 하나에 배치된다.
유리하게, 적어도 하나의 측정 장치, 특히 압력 측정 장치 또는 가스 센서가 연결 포트에 연결된다. 가스 센서는 기체 물질을 검출하기 위한, 특히 기체 물질의 농도를 측정하기 위한 장치로 이해될 수 있다. 측정 장치는 예를 들어 배관에 의해 간접적으로 또는 직접적으로 연결 포트에 연결될 수 있다.
측정 장치는 예를 들어 데이터 라인을 통해 평가 장치에 연결될 수 있다. 평가 장치는 결국 예를 들어 추가적인 데이터 라인을 통해 연료 공급 라인의 전기 제어가능 밸브에 연결될 수 있다. 유리하게, 평가 장치는 연료 공급 라인의 밸브를 제어하기 위해 배치된다. 이는 평가 장치가 연료 공급 라인의 폐쇄를 달성할 수 있게 한다. 또한, 평가 장치는 또한 산화제 공급 라인의 전기 제어가능 밸브 및/또는 냉각제 공급 라인의 전기 제어가능 밸브에 연결될 수 있으며 상기 밸브/밸브들을 제어하기 위해 배치될 수 있다. 이는 평가 장치가 산화제 공급 라인 및/또는 냉각제 공급 라인의 폐쇄를 달성할 수 있게 한다.
또한 복수의 측정 장치가 연결 포트에 연결되게 하는 것이 가능하다. 이 경우, 측정 장치는 직렬로 또는 병렬로 연결 포트에 연결될 수 있다. 가스 센서는 압력 측정 장치의 대안으로 또는 압력 측정 장치 이외에 이용될 수 있다. 또한, 복수의 가스 센서, 예를 들어 연료를 검출하기 위한 가스 센서 및 산화제를 검출하기 위한 가스 센서가 사용될 수 있다. 냉각제를 검출하기 위한 센서가 추가로 사용될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 연료 전지 유닛은 복수의 이러한 연결 포트를 갖는다. 펌프가 입구측에서 첫번째의 이러한 연결 포트에 연결될 수 있다. 펌프는 출구측에서 두번째의 이러한 연결 포트에 연결될 수 있다. 감시 챔버의 분위기의 순환이 펌프의 도움으로 달성될 수 있다. 펌프를 제1 및 제2 연결 포트에 연결함으로써, 감시 챔버의 분위기의 순환을 위한 폐쇄된 회로를 생성하는 것이 가능해진다. 이는 잠재적인 발화원이 감시 챔버의 분위기와 직접 접촉하지 않는 장점을 갖는다.
대안적으로, 퍼징 가스 공급 라인이 감시 챔버를 퍼징하기 위해 제1 연결 포트에 연결될 수 있다. 이 경우, 퍼징 가스가 흡인에 의해 연료 전지 유닛으로부터 추출될 수 있는 퍼징 가스 배출 라인이 제2 연결 포트에 유리하게 연결된다. 연료에 대해 불활성인 가스, 예를 들어 질소 또는 희가스가 감시 챔버를 퍼징하기 위해 사용될 수 있다.
누설이 존재하는 경우, 연료/산화제가 유동할 수 있는 챔버로부터의 연료/산화제의 누출을 방해하기 위해서, 감시 챔버는 퍼징 가스에 의해 압력에 노출될 수 있고, 상기 압력은 연료/산화제가 유동할 수 있는 챔버의 압력보다 크다.
연료 전지 유닛이 복수의 연료 전지를 갖는 경우, 펌프가 연결되거나 퍼징 가스 공급 라인 및 퍼징 가스 흡입 추출기가 연결되는 두 개의 연결 포트가 상이한 연료 전지의 유리한 연결 포트이다. 상기 두 개의 연결 포트는 서로 공간적으로 대각으로 반대측에 있는 연료 전지 유닛의 코너의 영역에 배치될 수 있다. 이는 감시 챔버 분위기의 균일한 순환 또는 경우에 따라서는 균일한 퍼징을 가능하게 한다.
1차 밀봉부가 밀봉 프레임으로서 구현되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 2차 밀봉부 또한 밀봉 프레임으로서 구현된다. 밀봉 프레임이 밀봉부, 특히 동심으로 배치되는 개구를 갖는 엘라스토머를 포함하는 밀봉부로서 고려될 수 있다. 그러나, 프레임 형상으로 구현되고 밀봉부로서의 역할을 하는 용접 접합부가 또한 밀봉 프레임으로서 고려될 수 있다. 유리하게, 밀봉 프레임은 그 측방향 치수에 의해 측정될 때 평평하다. 밀봉 프레임은 예를 들어 직사각형 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 밀봉 프레임은 링 형상("O-링"으로서)으로 구현될 수 있다.
1차/2차 밀봉부는 실질적으로 사출-성형된 엘라스토머를 포함할 수 있다. 엘라스토머는 더 높은 탄성을 갖고 압력에 노출될 때 많은 다른 재료보다 더 큰 정도로 변형된다. 결과적으로, 밀봉되는 연료 전지 유닛의 두 개의 구성요소가 함께 가압될 때, 중간 층으로서의 엘라스토머 밀봉부의 삽입에 의해 높은 누설 밀폐도가 달성될 수 있다.
사출-성형된 엘라스토머를 포함하는 이러한 1차/2차 밀봉부는 연료 전지 유닛의 집전판 중 하나에 직접적으로 분사될 수 있다. 밀봉부를 집전판 상의 위치에 배치할 필요가 없기 때문에, 연료 전지 유닛의 조립체는 결과적으로 단순화될 수 있다.
그러나, 대안적으로 1차/2차 밀봉부는 또한 용접 접합부에 의해 구현될 수 있다. 연료 전지 유닛이 복수의 연료 전지를 포함하는 경우, 두 개의 이웃하는 연료 전지의 인접하는 집전판이 서로 유리하게 용접된다. 1차/2차 밀봉부는 특히 서로 용접되는 이러한 인접하는 집전판을 결합시키는 용접 접합부에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 추가로 누설에 대해 연료 전지 유닛을 감시하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 연료 전지 유닛이 간단한 방식으로 누설에 대해 감시될 수 있는 방법을 개시하는 것이다.
이 목적은, 본 발명에 따라 감시 챔버의 측정 변수, 특히 감시 챔버의 압력 또는 연료 농도가 측정 장치에 의해 측정되는 방법에 의해 달성된다.
감시 장치는 예를들어 전술한 압력 측정 장치 또는 전술한 가스 센서일 수 있다. 바람직하게, 측정 장치는 전술한 평가 장치에 연결된다. 유리하게, 측정된 측정 변수는 평가 장치에 의해 평가 장치에 저장되는 임계값과 비교된다.
측정 변수의 최대 허용 값이 임계값으로서 사용될 수 있다. 임계값은 사용된 연료, 산화제 및/또는 주위 매체의 유형에 의존할 수 있다. 따라서, 임계값은 예를 들어 연료, 산화제 및/또는 주위 매체를 포함하는 미리결정된 혼합물에 대한 하위 폭발 한계의 소정 백분율일 수 있다. 그러나, 대안적으로, 임계값은 또한 예를 들어 미리결정된 압력, 특히 연료 전지 유닛의 온도에 의존하는 압력일 수 있다. 온도 센서가 연료 전지 유닛의 온도를 결정하기 위해 제공될 수 있다.
유리하게, 연료 공급 라인의 전기 제어가능 밸브는, 측정 변수가 임계값을 초과하자마자 밸브가 폐쇄되도록 평가 장치에 의해 가동된다. 누설의 경우에, 이는 연료 농도가 허용될 수 없이 높은 값으로 증가하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 산화제 공급 라인의 전기 제어가능 밸브는 측정 변수가 임계값을 초과하자마자 폐쇄되도록 평가 장치에 의해 가동된다면 유리하다. 이는 누설의 경우의 산화제의 연속되는 소비를 방지할 수 있다.
연료와 산화제 사이의 산화환원 반응은 일단 연료 공급 라인이 폐쇄되고 나면 더 이상 발생될 수 없기 때문에, 그에 따라 폐열이 발생되지 않는다. 이러한 이유로, 냉각제 공급 라인의 전기 제어가능 밸브는 측정 변수가 임계값을 초과하자마자 상기 밸브가 폐쇄되도록 평가 장치에 의해 가동되는 것이 또한 적합하다.
또한, 복수의 측정 장치, 예를 들어 연료를 검출하기 위한 가스 센서와 압력 측정 장치가 사용될 수 있다. 압력 측정 장치에 대한 대안으로 또는 그것에 추가하여, 산화제를 검출하기 위한 가스 센서가 사용될 수 있다.
복수의 상이한 측정 변수가 상기 복수의 측정 장치에 의해 결정될 수 있다. 상기 복수의 측정 변수의 각각은 각각의 경우에 평가 장치에 의해 상이한 임계값과 비교될 수 있다. 바람직하게는, 전기 제어가능 밸브는, 복수의 측정 변수 중 하나가 그 연관된 임계값을 초과하자마자 밸브 중 하나 이상이 폐쇄되도록 평가 장치에 의해 가동될 수 있다.
2 단계 방법이 특별한 안정성 요건을 수용하기 위해 제공될 수 있다. 따라서, 연료 전지 유닛은 예를 들어 하우징에 특히 폭발-방지 하우징에 배치될 수 있다. 감시 챔버의 감시 이외에, 하우징의 내부가 도입부에 기재된 공지된 방법에 의해 감시될 수 있다.
앞에 제시된 유리한 실시형태에 대한 설명은 다양한 특징을 포함하고, 이중 일부는 개별 종속 청구항의 그룹으로 조합되어 재현된다. 그러나, 상기 특징은 또한 유리하게는 개별적으로 고려될 수 있고 함께 그룹화되어 추가적인 편리한 조합을 형성할 수 있다. 특히, 상기 특징은 각각의 경우에 개별적으로 그리고 본 발명에 따른 장치 및/또는 본 발명에 따른 방법과의 임의의 원하는 적절한 조합으로 조합될 수 있다.
본 발명의 상기 특성, 특징 및 장점과 이들이 실현되는 방식은 더 명확해질 것이고 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명되는 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명과 관련하여 더 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 예시적인 실시형태는 본 발명을 설명하는 역할을 하며 본 발명을 거기 개시된 특징의 조합으로 제한하지 않고, 기능적 특징에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 그에 적합한 임의의 예시적인 실시형태의 특징은 또한 명확하게 단독으로 고려될 수 있고, 하나의 예시적인 실시형태로부터 제거될 수 있고, 다른 예시적인 실시형태를 보완하도록 다른 예시적인 실시형태에 도입될 수 있으며 그리고/또는 청구항 중 임의의 원하는 것과 조합될 수 있다.
도 1은 연료 전지 유닛의 연료 전지의 적층 방향에 직각인 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 단면 평면(Ⅱ)을 따른 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 단면 평면(Ⅲ)을 따른 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 단면 평면(Ⅳ)을 따른 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 5는 펌프 및 가스 센서에 의한 연료 전지 유닛의 누설 감시를 위한 회로도를 도시한다.
도 6은 압력 측정 장치에 의한 연료 전지 유닛의 누설 감시를 위한 회로도를 도시한다.
도 7은 펌프 및 압력 측정 장치에 의한 연료 전지 유닛의 누설 감시를 위한 회로도를 도시한다.
도 8은 감시 챔버의 퍼징이 제공되는 가스 센서에 의한 연료 전지 유닛의 누설 감시를 위한 회로도를 도시한다.
도 9는 연료 전지 유닛의 연료 전지의 적층 방향에 직각인 추가적인 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 10은 도 9에 도시된 단면 평면(Ⅹ)을 따른 도 9로부터의 연료 전지 유닛을 통한 단면을 도시한다.
도 1 내지 도 10에 도시된 요소는 개략적으로 나타나 있다. 또한, 요소는 반드시 실제 축적대로 도시되어 있는 것은 아니다.
도 1은 하나가 다른 것의 상단에 배치되는("적층된") 복수의 연료 전지(4)를 포함하는 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시하며, 연료 전지(4)는 연료 전지(4) 중 하나만이 도 1에서 보여질 수 있도록 도면 평면에 수직으로 적층된다.
연료 전지(4)의 각각은 연료가 유동할 수 있는 연료 챔버 및 또한 산화제가 유동할 수 있는 산화제 챔버를 포함한다. 냉각제가 유동할 수 있는 냉각제 챔버가 각각의 경우에 두 개의 연료 전지(4) 사이에 추가로 배치된다. 연료 전지 유닛의 연료, 산화제 및 냉각제 챔버 모두는 서로 평행하게 정렬된다. 도시된 단면은 예로서 연료 챔버(6)를 통해 종방향으로 연장되고, 그래서 산화제 챔버와 냉각제 챔버 중 어느 것도 도 1에서 볼 수 없다. 산화제 챔버 또는 냉각제 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 단면은 원칙적으로, 산화제 챔버 또는 냉각제 챔버가 연료 챔버(6) 대신에 묘사되는 것을 제외하고, 도 1에 도시된 단면과 정확하게 유사하게 보일 것이다.
도 1로부터, 연료 챔버(6)는 1차 밀봉부(8)에 의해 한정되고, 1차 밀봉부에 의해 연료 챔버(6)는 그 주위로부터 밀봉된다는 것을 볼 수 있다. 또한, 상기 1차 밀봉부(8)는 2차 밀봉부(10)에 의해 둘러싸인다.
연료 전지 유닛(2)은 여섯 개의 채널(12, 14)을 포함한다. 여섯 개의 채널(12, 14) 중 세 개는 공급 채널(12)이다. 여섯 개의 채널(12, 14) 중 나머지 세 개는 폐기 채널(14)이다. 세 개의 공급 채널(12) 중 하나는 연료를 연료 전지(4)에 전달하기 위해 제공되는 한편, 세 개의 공급 채널(12) 중 다른 하나는 산화제를 연료 전지(4)에 전달하기 위해 제공된다. 세 개의 공급 채널(12) 중 또 다른 하나는 냉각제를 연료 전지(4)에 전달하기 위해 제공된다. 유사하게, 세 개의 폐기 채널(14) 중 하나는 연료 전지(4)로부터 연료를 배출하기 위해 제공되는 한편, 세 개의 폐기 채널(14) 중 다른 하나는 연료 전지(4)로부터 산화제를 배출하기 위해 제공된다. 세 개의 폐기 채널(14) 중 또 다른 하나는 연료 전지(4)로부터 냉각제를 배출하기 위해 제공된다.
채널(12, 14)은 도면 평면에 수직으로 정렬된다. 따라서, 채널(12, 14)은 연료 전지(4)가 적층되는 방향("적층 방향")으로 정렬된다.
도시된 단면에서, 여섯 개의 채널(12, 14)의 각각은 추가적인 1차 밀봉부(8)에 의해 한정되고, 1차 밀봉부에 의해 각각의 채널(12, 14)은 그의 주위로부터 밀봉된다. 상기 추가적인 1차 밀봉부(8)의 각각은 동일한 2차 밀봉부(10)에 의해 둘러싸이고, 2차 밀봉부는 연료 챔버(6)를 한정 및 밀봉하는 1차 밀봉부(8)를 또한 둘러싼다.
연료 챔버(6)를 밀봉하는 1차 밀봉부(8)와, 채널(12, 14)을 밀봉하는 1차 밀봉부(8)와, 2차 밀봉부(10) 사이에 감시 챔버(16)가 형성된다. 상기 감시 챔버(16)는 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)에 의해 한정되고 2차 밀봉부(10)에 의해 그의 주위로부터 밀봉된다.
1차 밀봉부(8) 및 또한 2차 밀봉부(10)는 각각의 경우에 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 두께를 갖는 직사각형 밀봉 프레임으로서 구현된다. 2차 밀봉부(10)는 또한 1차 밀봉부(8)로부터 수 밀리미터의 거리에 배치된다.
또한, 도 1에는 도면 평면에 수직으로 배향되며 도 2 내지 도 4와 관련되는 세 개의 단면 평면(Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ)이 도시되어 있다. 따라서, 도 2는 단면 평면(Ⅱ)을 따르는 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면에 관한 것인 한편, 도 3은 단면 평면(Ⅲ)을 따른 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면에 관한 것이다. 또한, 도 4는 단면 평면(Ⅳ)을 따른 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면에 관한 것이다.
또한, 도 1에는 서로 대각으로 반대측에 배치되며 연료 전지 유닛(2)의 집전판에 배치되는 두 개의 연결 포트(18)가 도시되어 있으며, 집전판 그 자체는 도 1에 묘사되어 있지 않다. 집전판의 묘사는, 상이한 관점으로부터의 것이지만, 예를 들어 도 2 내지 도 4에서 찾을 수 있다. 도시된 연료 전지(4)의 감시 챔버(16)는 상기 두 개의 연결 포트(18)에 의해 연료 전지 유닛(2)의 다른 연료 전지(4)의 감시 챔버(16) 및 또한 연료 전지(4) 사이에 배치되는 감시 챔버(16)에 연결된다.
도 2는 단면 평면(Ⅱ)을 따른 도 1로부터의 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시한다. 연료 전지 유닛(2)의 연료 전지(4) 중 두 개는 예로서 도시되어 있다. 또한, 두 개의 연료 전지(4) 사이에 배치된 냉각제 챔버(20), 두 개의 연료 전지(4)의 상위부 위에 배치되는 냉각제 챔버(20), 및 두 개의 연료 전지(4)의 하위부 아래에 배치되는 냉각제 챔버(20)가 도시되어 있다.
적층 방향(22) 또는 반대 방향에서, 연료 전지 유닛(2)은 추가적인 연료 전지(도 2에 도시되지 않음)와 상기 연료 전지 사이에 배치되는 추가적인 냉각제 챔버를 갖는다.
연료 전지 유닛(2)의 연료 전지(4)의 각각은 각각의 연료 전지(4)를 한정하며 연료 전지(4)의 구성요소의 기계적인 캐리어로서 제공되는 두 개의 집전판(24)을 포함한다. 집전판(24)은 프레임 형상 홈을 형성하는 압흔부를 포함한다. 도시의 명확화를 위해, 집전판(24)의 압흔부는 묘사되어 있지 않다. 또한, 연료 전지(4)의 각각은 그 집전판(24) 사이에 배치되며 각각의 연료 전지(4)의 산화제 챔버(28) 및 연료 챔버(6)를 서로 분리시키는 막 전극 조립체(26)를 갖는다.
연료 전지 유닛(2)의 연료 챔버(6)의 각각, 산화제 챔버(28)의 각각, 및 냉각제 챔버(20)의 각각은 1차 밀봉부(8)에 의해 그 주위로부터 밀봉된다. 상기 1차 밀봉부(8)의 각각은 2차 밀봉부(10)에 의해 둘러싸이며, 그래서 감시 챔버(16)가 1차 밀봉부(8)와 2차 밀봉부(10) 사이에 형성된다. 연료 전지 유닛(2)의 2차 밀봉부(10)는 또한 각각의 경우에 두 개의 인접하는 집전판(24) 사이에 배치된다. 감시 챔버(16)는 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)에 의해 한정되며 2차 밀봉부(10)에 의해 그 주위로부터 밀봉된다. 또한, 감시 챔버(16)는 각각의 경우에 두 개의 인접하는 집전판(24)에 의해 한정된다.
연료 전지 유닛(2)의 냉각제 챔버(20)를 밀봉하는 1차 밀봉부(8)는 각각의 경우에 이웃하는 연료 전지(4)의 인접하는 집전판(24) 사이에 배치된다. 이에 대해, 연료 챔버(6) 또는 산화제 챔버(28)를 밀봉하는 1차 밀봉부(8)는 각각의 경우에 집전판(24)과 막 전극 조립체(26) 사이에 배치된다.
두 개의 인접하는 연료 전지(4)의 인접하는 집전판(24)은 그 압흔부에서 서로 용접된다. 함께 용접된 집전판(24) 사이에서, 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)는 각각의 경우에 이러한 인접하는 함께 용접된 집전판(24)을 결합시키는 프레임 형상 용접 접합부에 의해 구현된다. 나머지 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)는 집전판(24)에 직접적으로 분사되는 사출-성형된 엘라스토머를 포함한다. 단순화를 위해, 1차 밀봉부가 엘라스토머를 포함하는지 또는 용접 접합부에 의해 형성되는지의 여부에 관계없이, 1차 밀봉부(8) 모두는 동일한 방식으로 나타낸다. 이는 2차 밀봉부(10)에 유사하게 적용된다.
도 3은 단면 평면(Ⅲ)을 따른 도 1로부터의 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시한다. 도시된 단면은 세 개의 공급 채널(12)을 통해 연장되고 연료 전지(4)의 적층 방향(22)에 관하여 도 2에 도시된 단면과 같은 연료 전지 유닛(2)의 동일한 부분을 포함한다.
도 3으로부터, 공급 채널(12)은 연료 전지 유닛(2)의 집전판(24)이 각각의 경우에 세 개의 공급 채널(12)의 각각을 위한 채널 개구(30)를 갖고, 채널 개구(30)는 인접하는 집전판(24)의 채널 개구(30) 중 하나의 위에서/아래에서 합동식으로 배치되는 것을 볼 수 있다.
또한, 세 개의 1차 밀봉부(8) 및 세 개의 1차 밀봉부(8)를 둘러싸는 하나의 2차 밀봉부(10)는 각각의 경우에 두 개의 인접하는 집전판(24) 사이에 위치된다. 세 개의 1차 밀봉부(8)와 2차 밀봉부(10) 사이에는, 2차 밀봉부(10)에 의해 그 주위로부터 밀봉되고 세 개의 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)에 의해 한정되는 감시 챔버(16)가 형성된다.
공급 채널(12)은 연료 전지(4)의 적층 방향(22)으로 연장되며 집전판(24) 사이에 배치되는 1차 밀봉부(8)에 의해 적층 방향(22)에 수직으로 한정 및 밀봉된다.
폐기 채널(14)(도 3에 도시되지 않음(도 1 참조))은 공급 채널(12)과 완전히 유사한 방식으로 구현된다. 단면 평면(Ⅲ)에 평행하게 정렬되는 단면 평면을 따른 폐기 채널(14)을 통한 단면은 원칙적으로 도3에 도시된 단면과 정확하게 유사하게 보여진다.
도 4는 단면 평면(Ⅳ)을 따른 도 1로부터의 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시하고, 단면은 도 2에 도시된 단면과 같이 연료 전지(4)의 적층 방향(22)에 관하여 연료 전지 유닛(2)의 동일한 부분을 포함한다.
도시된 단면에서, 집전판(24)의 각각은 연결 포트(18)를 갖고, 집전판(24)의 상기 연결 포트(18)는 하나가 다른 것의 위에 합동식으로 배치된다. 또한, 집전판(24)의 각각은 도 4에 도시된 그 연결 포트(18)와 대각으로 반대측에 배치되는 추가적인 연결 포트(18)(도 4에 도시되지 않음)를 갖는다(도 1 및 관련 설명 참조).
연료 전지 유닛(2)의 감시 챔버(16)의 모두는 연결 포트(18)에 의해 서로 연결되고, 이에 의해 개별적인 감시 챔버(16) 사이에서의 질량 이동을 가능하게 한다.
도 5는 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 회로도를 도시한다.
세 개의 공급 라인(32, 34, 36) 및 세 개의 폐기 라인(40, 42, 44)은 연료 전지 유닛(2)에 연결된다. 상기 세 개의 공급 라인(32, 34, 36)의 각각은 각각의 경우에 도 1로부터의 세 개의 공급 채널(12) 중 하나에 연결되는 한편, 상기 세 개의 폐기 라인(40, 42, 44)의 각각은 각각의 경우에 도 1로부터의 세 개의 폐기 채널(14) 중 하나에 연결된다. 공급/폐기 채널(12, 14) 그 자체는 도 5에 도시되어 있지 않다.
세 개의 공급 라인(32, 34, 36) 중 하나는 연료 전지 유닛(2)에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인(32)이다. 또한, 세 개의 공급 라인(32, 34, 36) 중 다른 하나는 연료 전지 유닛(2)에 냉각제를 공급하기 위한 냉각제 공급 라인(34)이다. 세 개의 공급 라인(32, 34, 36) 중 다른 하나는 연료 전지 유닛에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급 라인(36)이다.
연료 공급 라인(32) 및 냉각제 공급 라인(34)의 양자 모두 및 또한 산화제 공급 라인(36)은 각각의 경우에 전기 제어가능 밸브(38)를 갖는다.
세 개의 폐기 라인(40, 42, 44) 중 하나는 연료 전지 유닛(2)로부터 연료를 제거하기 위한 연료 폐기 라인(40)이다. 또한, 세 개의 폐기 라인(40, 42, 44) 중 다른 하나는 연료 전지 유닛(2)으로부터 냉각제를 제거하기 위한 냉각제 폐기 라인(42)이다. 세 개의 폐기 라인(40, 42, 44) 중 다른 하나는 연료 전지 유닛(2)으로부터 산화제를 제거하기 위한 산화제 폐기 라인(44)이다.
또한, 펌프(46)가 라인 시스템(48)을 통해 연료 전지 유닛(2)에 연결된다. 입구측에서, 펌프(46)는 연료 전지 유닛(2)의 제1 연결 포트에, 특히 연료 전지 유닛(2)의 최저부 연료 전지에 연결된다. 출구측에서, 펌프(46)는 제1 연결 포트와 공간적으로 대각으로 반대측에 배치되는 연료 전지 유닛(2)의 제2 연결 포트에, 특히 연료 전지 유닛(2)의 최상단 연료 전지에 연결된다. 연결 포트(도 1 또는 도 4 참조) 그 자체는 도 5에 도시되어 있지 않다.
펌프(46)의 도움으로, 연료 전지 유닛(2)의 상호연결된 감시 챔버의 분위기는 폐쇄된 회로에서 순환된다.
공급/폐기 라인(32, 34, 36, 40, 42, 44)에서의 또는 경우에 따라서는 라인 시스템(48)에서의 연료/냉각제/산화제의 유동 방향이 도 5에 화살표로 도시되어 있다.
가스 센서(50)가 또한 라인 시스템(48)을 통해 펌프(46)에 연결된다. 가스 센서(50)는 감시 챔버에 존재하는 연료 농도를 측정하기 위해 배치된다. 본 예시적인 실시형태에서, 가스 센서(50)는 라인 시스템(48)의 유동 방향과 관련하여 펌프(46)의 하류에 배치된다. 기본적으로, 가스 센서(50)는 또한 펌프(46)의 상류에 배치될 수 있다.
가스 센서(50)는 데이터 라인(52)을 통해 평가 장치(54)에 연결된다. 평가 장치(54)는 결국 추가적인 데이터 라인(52)을 통해 연료 공급 라인(32)의 전기 제어가능 밸브(38), 냉각제 공급 라인(34)의 전기 제어가능 밸브(38), 및 산화제 공급 라인(36)의 전기 제어가능 밸브(38)에 연결된다. 평가 장치(54)는 또한 상기 세 개의 밸브(38)를 제어하기 위해 배치된다.
감시 챔버에 존재하는 연료 농도가 가스 센서(50)에 의해 측정되고 평가 장치(54)에 전송된다. 평가 장치(54)는 연료 농도를 평가 장치(54)에 저장되어 있는 임계값과 비교한다. 임계값은 예를 들어 그로부터 연료/주위 공기 혼합물의 폭발 혼합물 비가 제공되는 연료 농도의 20%(연료/주위 공기 혼합물의 하위 폭발 한계의 20%)에 상당한다.
연료가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛(2)의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 감시 챔버의 연료 농도는 증가한다. 측정된 연료 농도가 임계값을 초과하자마자, 연료 공급 라인(32)의 전기 제거가능 밸브(38), 냉각제 공급 라인(34)의 전기 제어가능 밸브(38), 및 산화제 공급 라인(36)의 저기 제어가능 밸브(38)는 세 개의 밸브(38)가 폐쇠되도록 평가 장치(54)에 의해 가동된다.
감시 챔버에 존재하는 산화제 농도를 측정하기 위해 배치되는 도 5에 도시되지 않은 추가적인 가스 센서 또한 라인 시스템(48)을 통해 펌프(46)에 연결될 수 있다. 상기 추가적인 가스 센서는 결국 추가적인 데이터 라인을 통해 평가 장치(54)에 연결될 수 있다. 감시 챔버에 존재하는 산화제 농도는 추가적인 가스 센서에 의해 측정될 수 있고 평가 장치(54)에 전송될 수 있다. 감시 챔버의 산화제 농도가 평가 장치(54)에 저장되어 있는 미리결정된 임계값을 초과하는 경우, 평가 장치(54)는 밸브(38)가 폐쇄되도록 상기 밸브(38)를 가동시킬 수 있다.
또한, 감시 챔버에 존재하는 냉각제 농도를 측정하기 위해 배치되는 도 5에 도시되지 않은 추가적인 센서가 사용될 수 있다. 상기 추가적인 센서의 도움에 의해, 감시 챔버는 냉각제가 유동할 수 있는 챔버의 누설에 대해 유사한 방식으로 감시될 수 있다.
도 6 내지 도 8과 관련하여 논의된 이하의 설명은 본질적으로 도 5에 도시된 예시적인 실시형태와 비교되는 차이로 한정되고, 동일하게 유지되는 특징부 및 기능에 대해서는 도 5를 참조한다. 실질적으로 동일하게 유지되는 구성요소에는 일반적으로 동일한 참조 번호가 부여되고, 언급되지 않는 특징부는 다시 설명되지 않는 상태로 이하의 예시적인 실시형태에 포함된다.
도 6은 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 대안적인 회로도를 도시한다. 도 6의 예시적인 실시형태에서, 감시 챔버의 분위기를 순환시키기 위한 펌프는 제공되지 않는다. 또한, 가스 센서 대신에 감시 챔버를 감시하기 위해 압력 측정 장치(56)가 채용된다.
본 예시적인 실시형태에서, 압력 측정 장치(56)는 도 5로부터의 펌프(46)가 출구측에서 연결되는 연결 포트에 연결된다. 대안적으로, 압력 측정 장치(56)는 도 5로부터의 펌프(46)가 입구측에서 연결되는 연결 포트에 연결될 수 있다. 양 경우에, 다른 연결 포트는 각각의 경우에 폐쇄되는 것이 적합하다.
감시 챔버에 존재하는 압력은 압력 측정 장치(56)에 의해 측정되고 데이터 라인(52)을 통해 평가 장치(54)에 전송된다. 평가 장치(54)는 압력을 평가 장치(54)에 저장되어 있는 임계값과 비교한다. 임계값은 이 경우 미리결정된 최대 압력이다.
연료/산화제가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛(2)의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 감시 챔버에 존재하는 압력은 증가한다. 사용된 냉각제가 기체인 경우, 냉각제가 유동할 수 있는 챔버의 누설부 또한 감시 챔버의 압력의 증가를 초래한다.
측정된 압력이 임계값을 초과하자마자, 연료 공급 라인(32)의 전기 제어가능 밸브(38), 냉각제 공급 라인(34)의 전기 제어가능 밸브(38), 및 산화제 공급 라인(36)의 전기 제어가능 밸브(38)는 세 개의 밸브(38)가 폐쇄되도록 평가 장치(54)에 의해 가동된다.
도 7은 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 추가적인 회로도를 도시한다. 본 예시적인 실시형태에서, 감시 챔버에 존재하는 연료 농도를 측정하기 위해 배치되는 가스 센서(50) 이외에 압력 측정 장치(56)가 감시 챔버를 감시하기 위해 사용된다.
압력 측정 장치(56)는 라인 시스템(48)을 통해 펌프(46)에 연결되고, 압력 측정 장치(56)는 라인 시스템(48)의 유동 방향과 관련하여 펌프(46)의 상류에 배치된다. 기본적으로, 압력 측정 장치(56)는 또한 가스 센서(50)의 하류에 배치될 수 있다. 감시 챔버에 존재하는 압력은 압력 측정 장치(56)에 의해 측정되고 데이터 라인(52)을 통해 평가 장치(54)에 전송된다.
또한, 연료 농도에 대한 임계값 이외에 압력에 대한 임계값이 평가 장치(54)에 저장되어 있다. 압력에 대한 임계값은 미리결정된 최대 압력이다.
평가 장치(54)는 압력 측정 장치(56)에 의해 전송된 압력과 가스 센서(50)에 의해 전송된 연료 농도를 각각의 연관된 임계값과 비교한다.
연료/산화제가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛(2)의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 감시 챔버에 존재하는 압력은 증가한다. 사용된 냉각제가 기체이고 냉각제가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛(2)의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 감시 챔버에 존재하는 압력은 마찬가지로 증가한다. 따라서, 압력 측정 장치(56)에 의해, 연료가 유동할 수 있는 챔버의 누설을 검출하는 것뿐만 아니라, 산화제가 유동할 수 있는 챔버 및/또는 냉각제가 유동할 수 있는 챔버의 누설을 검출하는 것도 가능하다.
압력 측정 장치(56)에 의해 측정된 압력이 임계값을 초과하자마자, 연료 공급 라인(32)의 전기 제어가능 밸브(38), 냉각제 공급 라인(34)의 전기 제어가능 밸브(38), 및 산화제 공급 라인(36)의 전기 제어가능 밸브(38)는 세 개의 밸브(38)가 폐쇄되도록 평가 장치(54)에 의해 가동된다.
또한, 평가 장치(54)는 밸브(38)가 폐쇄되는 시간 순간까지의 측정된 연료 농도의 시간 특성을 평가한다. 특히, 평가 장치(54)는 밸브(38)를 폐쇄하기 직전의 연료 농도의 증가에 대한 시간 특성을 체크한다. 평가에 의해, 밸브(38)의 폐쇄에 대한 원인이 연료가 유동하는 챔버의 누설 또는 냉각제/산화제가 유동하는 챔버의 누설인지의 여부를 좁히는 것이 가능하다. 이는 누설을 제거하기 위해 요구되는 노력의 양의 상단한 감소가 달성될 수 있게 한다. 평가 장치(54)는 추가적으로 예를 들어 밸브(38)의 폐쇄 원인이 연료가 유동하는 챔버의 누설인지의 여부에 대한 정보를 제공하는 경고등과 같은 표시 요소를 가질 수 있다.
압력 측정 장치(56)가 결함으로 인해 고장인 경우, 감시 챔버는 가스 센서(50)에 의해 연료가 유동할 수 있는 챔버의 누설에 대해 계속해서 감시될 수 있다. 또한, 감시 챔버는 가스 센서(50)가 결함으로 인해 고장인 경우 압력 측정 장치(56)에 의해 위에서 설명된 방식으로 누설에 대해 계속해서 감시될 수 있다.
도 8은 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 또 다른 회로도를 도시한다. 도 8의 예시적인 실시형태에서, 감시 챔버의 분위기를 순환시키기 위한 펌프는 제공되지 않는다. 대신에, 본 예시적인 실시형태에서, 퍼징 가스 공급 라인(58)이 도 5로부터의 펌프(46)가 출구측에서 연결되는 연결 포트에 연결된다. 퍼징 가스 배출 라인(60)은 도 5로부터의 펌프(46)가 입구측에서 연결되는 연결 포트에 연결된다. 또한, 압력 측정 장치(56)가 가스 센서 대신에 감시 챔버를 감시하기 위해 사용된다.
퍼징 가스가 퍼징 가스 공급 라인(58)을 통해 연료 전지 유닛(2)의 상호연결된 감시 챔버 안으로 도입될 수 있는 한편, 퍼징 가스는 퍼징 가스 배출 라인(60)을 통해 감시 챔버로부터의 흡인에 의해 추출될 수 있다. 압력 측정 장치(56)는 퍼징 가스 배출 라인(60)에 연결된다. 퍼징 가스를 빨아들이기 위해서, 흡입 추출기 장치(도시되지 않음)가 퍼징 가스 배출 라인(60)에 연결된다. 퍼징 가스 배출 라인(60)의 유동 방향과 관련하여, 흡입 추출기 장치는 압력 측정 장치(56)의 하류에 배치된다.
연료 전지 유닛(2)의 동작 상태에서, 연료와의 반응성과 관련하여 불활성인 퍼징 가스는 가스 공급 라인(58)을 통해 감시 챔버 안으로 도입된다. 공정에 있어서, 감시 챔버는 연료/산화제가 유동할 수 있는 챔버의 압력보다 더 큰 압력(퍼징 가스 압력)에 노출되어, 누설이 존재하는 경우에 연료/산화제가 유동할 수 있는 챔버로부터의 연료/산화제의 누출을 방해한다. 퍼징 가스는 흡입 추출기 장치에 의해 퍼징 가스 배출 라인(60)을 통해 감시 챔버로부터 추출된다.
이 예시적인 실시형태에서, 평가 장치에 저장된 임계값은 미리결정된 최소 압력이다. 연료/산화제가 유동할 수 있는 연료 전지 유닛(2)의 챔버가 누설부를 갖는 경우, 퍼징 가스는 감시 챔버로부터 상기 챔버 안으로 유동하고, 퍼징 가스 압력이 감소한다. 압력 측정 장치(56)에 측정된 퍼징 가스 압력이 평가 장치(54)에 저장된 최소 압력 아래로 떨어지자마자, 연료 공급 라인(32)의 전기 제어가능 밸브(38), 냉각제 공급 라인의 전기 제어가능 밸브(38), 및 산화제 공급 라인(36)의 전기 제어가능 밸브(38)는 세 개의 밸브(38)가 폐쇄되도록 평가 장치(54)에 의해 가동된다.
도 5 내지 도 8의 예시적인 실시형태에서, 감시 챔버의 감시는 연료 전지 유닛(2)의 비동작 상태 및 동작 상태의 양자 모두에서 실행될 수 있다.
도 9 및 도 10과 관련하여 논의되는 이하의 설명은 본질적으로 도 1 내지 도 4에 도시된 예시적인 실시형태에 비교되는 차이로 한정되며, 동일하게 유지되는 특징부 및 기능에 대해서는 도 1 내지 도 4를 참조한다. 언급되지 않는 특징부는 다시 설명되지 않는 상태로 이하의 예시적인 실시형태에 포함된다.
도 9는 추가적인 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시한다. 상기 추가적인 연료 전지 유닛(2)은, 추가적인 연료 전지 유닛(2)의 묘사된 연료 전지(4)이 집전판에 배치되는 연결 포트 대신에 검사 개구(62)를 갖는다는 점에서 도 1로부터의 연료 전지 유닛(2)과 상이하다. 상기 검사 개구(62)는 2차 밀봉부(10)에 배치된다. 또한, 감시 챔버(16)는 검사 개구(62)에 의해 그 주위에, 즉 추가적인 연료 전지 유닛(2)의 환경에 연결된다.
도면 평면에 수직으로 배향되는 세 개의 단면 평면(Ⅱ, Ⅲ, Ⅹ)이 도 9에 도시되어 있다. 단면 평면(Ⅱ)을 따른 추가적인 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면은 도 2에 도시된 단면에 대응하는 한편, 단면 평면(Ⅲ)을 따른 단면은 도 3에 도시된 단면에 대응한다.
도 10은 단면 평면(Ⅹ)을 따른 도 9로부터의 추가적인 연료 전지 유닛(2)을 통한 단면을 도시한다.
도 10으로부터, 검사 개구(62)가 2차 밀봉부(10)의 각각에 배치되고, 상기 검사 개구(62)는 하나가 다른 것의 위에 배치된다는 것을 볼 수 있다. 집전판(24)에는 연결 포트가 없기 때문에, 집전판(24) 사이에 배치된 개별적인 감시 챔버(16)는 서로 연결되지 않으며, 집전판(24)에 의해 서로 분리되어 있다.
분리된 감시 챔버(16)의 개별 감시는 도 10에 도시된 검사 개구(62)의 배치에 의해 가능해지고, 이는 결국 간단한 누설의 국지화를 가능하도록 한다.
예를 들어, 적절한 측정 장치, 특히 가스 센서가 검사 개구 중 하나에 유지되어 연료/냉각/산화제 중 일부가 연관된 감시 챔버(16) 안으로 들어가는지의 여부를 결정하는 점에서, 감시 챔버(16)의 개별적인 감시가 실현될 수 있다. 이와 같이, 상기 감시 챔버(16)에 접촉하는 1차 밀봉부 중 하나에 누설이 존재하는지의 여부를 검출하는 것이 가능하다.
도 9 및 도 10에 도시된 추가적인 연료 전지 유닛(2)은 또한 추가적인 측정 장치에 의해 연료 전지 유닛(2)의 누설에 대해 감시될 수 있는 하우징(도시되지 않음)에 배치될 수 있다. 추가적인 측정 장치에 의해 누설이 검출되는 경우, 위에서 설명된 감시 챔버(16)의 개별적인 감시가 실행될 수 있다. 이 경우, 연료/냉각/산화제의 일부가 들어가는 감시 챔버(16)가 식별될 때까지 계속해서 개별 검사 개구(62)에 측정 장치를 유지하는 것이 적합하다.
대안적으로, 하나의 측정 장치는 각각의 경우에 고정된 배치로 검사 개구(62)의 각각에 연결될 수 있고, 이에 의해 감시 챔버(16)의 모두의 연속하는 자동적인 감시를 가능하게 한다.
본 발명을 바람직한 예시적인 실시형태에 기초하여 보다 상세하게 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 보호 범위 내에서 그로부터 다른 변형이 유도될 수 있다.

Claims (16)

  1. 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)를 갖는 연료 전지 유닛(2)으로서, 상기 챔버(6, 12, 14, 20, 28)는 1차 밀봉부(8)에 의해 그 주위로부터 밀봉되는 연료 전지 유닛(2)에 있어서,
    1차 밀봉부(8)는 감시 챔버(16)가 1차 밀봉부(8)와 2차 밀봉부(10) 사이에 형성되도록 2차 밀봉부(10)에 의해 둘러싸이고, 상기 감시 챔버(16)는 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)에 의해 한정되고 2차 밀봉부(10)에 의해 그 주위로부터 밀봉되고 상기 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)가 누설을 가지는지 여부가 감시되도록 전체로서 하나로 연결되며, 2차 밀봉부(10)에는 감시 챔버(16)를 그 주위에 연결시키는 검사 개구(62)가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  2. 제1항에 있어서,
    유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)는 연료가 유동할 수 있는 연료 챔버(6)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)는 산화제가 유동할 수 있는 산화제 챔버(28)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)는 냉각제가 유동할 수 있는 냉각제 챔버(20)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체가 유동할 수 있는 적어도 하나의 챔버(6, 12, 14, 20, 28)는 냉각제, 연료 또는 산화제가 유동할 수 있는 공급 채널(12) 또는 폐기 채널(14)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체가 유동할 수 있는 복수의 이러한 챔버(6, 12, 14, 20, 28)로서, 이 중, 적어도 하나의 챔버는 연료 챔버(6)이고, 적어도 하나의 챔버는 산화제 챔버(28)이고, 적어도 하나의 챔버는 냉각제 챔버(20)이고, 적어도 하나의 챔버는 공급 채널(12)이며, 적어도 하나의 챔버는 폐기 채널(14)인, 복수의 이러한 챔버(6, 12, 14, 20, 28)를 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)는 각각의 경우에 밀봉 프레임으로서 구현되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)는 실질적으로 사출-성형된 엘라스토머를 포함하거나, 1차 밀봉부(8) 및 2차 밀봉부(10)는 각각의 경우에 용접 접합부에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛(2).
  13. 제1항 또는 제2항에서 청구된 바와 같은 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 방법이며, 감시 챔버(16)의 측정 변수는 측정 장치(50, 56)에 의해 측정되는, 누설 감시 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    측정된 측정 변수는 측정 장치(50, 56)에 연결된 평가 장치(54)에 의해 임계값과 비교되고, 연료 공급 라인(32)의 전기 제어가능 밸브(38)는 측정 변수가 임계값을 초과하자마자 밸브(38)가 폐쇄되도록 평가 장치(54)에 의해 가동되는 것을 특징으로 하는, 누설 감시 방법.
  15. 삭제
  16. 제1항 또는 제2항에서 청구된 바와 같은 연료 전지 유닛(2)의 누설 감시를 위한 방법이며, 감시 챔버(16)의 압력 또는 연료 농도는 측정 장치(50, 56)에 의해 측정되는, 누설 감시 방법.
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