KR102428197B1

KR102428197B1 - 방폭형 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템 비활성화 방법

Info

Publication number: KR102428197B1
Application number: KR1020197005768A
Authority: KR
Inventors: 아힘 란징어
Original assignee: 프로톤 모터 퓨얼 셀 게임베하
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2022-08-02
Also published as: US10818948B2; CN109690852A; EP3491692A1; JP2019523533A; CN109690852B; JP7126489B2; CA3033221A1; DE102016114103A1; WO2018019936A1; US20190245228A1; KR20190034289A

Abstract

본 발명은 고압 수소 저장탱크(20)로부터 연료전지 어셈블리(30)로 수소를 공급하는 연료전지 시스템(1)에 관한 것이다. 이 라인에는 고압 영역, 중압 영역 및 연료전지 작동 압력 영역이 있다. 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 정지 기간 동안 수소가 확산되는 것을 방지하고, 따라서 폭발성 수소/공기 혼합물의 형성을 방지하기 위해 연료전지 시스템(1)의 비활성화시 중간 압력 영역의 라인이 감압된다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 감압용으로 구성된 탱크모듈(2), 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 비활성화 및 재가동하는 방법, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1)의 수소라인의 중압 영역을 감압하기 위한 3/2-웨이 밸브(25)의 사용, 및 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1) 또는 탱크모듈(2)을 갖는 자동차에 관한 것이다.

Description

방폭형 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템 비활성화 방법

본 발명은 연료전지 시스템의 가동 휴지 시간 동안 폭발성 가스 혼합물의 형성을 방지하는 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템의 안전한 재가동이 가능해지도록 비활성화 후 폭발성 가스 혼합물의 형성을 방지하는 연료전지 시스템을 비활성화 또는 셧다운시키는 방법에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 생성한다. 산소는 일반적으로 공기 형태로 공급되며, 수소는 저장탱크에서 공급되거나, 예를 들어, 메탄올로부터 국소적으로 생성된다. 휴대식 연료전지 시스템 및 고정식 연료전지 시스템 모두에 대한 가장 일반적 변형은 고압 탱크로부터 수소의 공급이다. 고압 탱크에서, 수소는 최대 80 MPa(800 bar)의 압력하에 저장된다. 하나 이상의 고압 탱크가 탱크모듈을 형성한다. 탱크모듈의 유출구에서, 압력은 감압기에 의해 매니폴드 압력 수준으로 감소된다. 이 중간 압력 영역에서, 압력은 일반적으로 약 0.5-1.2 MPa(5-12 bar)이다. 추가 감압기에 의해, 압력은 연료전지의 작동 압력으로 감소된다. 작동 압력은 대개 주위 압력보다 높으며 일반적으로 주위 압력보다 최대 100 kPa(1 bar) 높다.

연료전지는 하나 이상의 연료전지 스택에 함께 그리고 사용된 작동 가스 및 냉각수를 배출 및/또는 재순환시키기 위한 새로운 작동 가스 및 냉각수를 공급하기 위한 라인과 같은 다수의 주변 요소들과 함께 그룹화되고, 이러한 조작 유틸리티, 센서, 밸브, 조절기, 스위치, 히터 등에 대한 처리 수단들이 연료전지의 작동이 불가능한 경우가 아니면 연료전지모듈을 구성한다. 이들 구성요소 중 일부에는 커버, 하우징 또는 외장이 제공되며, 모든 구성요소 또는 대부분의 구성요소는 가능한 한 컴팩트하게 어셈블리되고 하우징 내에 연료전지와 함께 수용된다. 하우징이 반드시 기밀 상태는 아니나, 하우징 내부와 환경 간에 가스 교환이 적어도 심하게 제한된다.

공급라인은 탱크모듈을 연료전지모듈, 즉 하우징에 설치된 연료전지 및 필요한 주변 요소에 연결한다. 탱크모듈과 연료전지모듈 간의 공급라인은 대개 0.5-1.2 MPa(5-12 bar)의 수소 압력을 받는다. 서로에 대한 탱크모듈 및 연료전지모듈의 특정 배열에 따라, 공급라인은 길이가 상당할 수 있다.

수소 가스는 확산 경향이 높다. 장기간에 걸쳐, 일반적으로 기밀(氣密) 재료로 간주되는 재료를 통해 확산된다. 연료전지 시스템의 수소라인은 수소가 전적으로 용접된 파이프라인에만 흐르는 것이 아니라, 수소 유로(流路)도 또한 예를 들어 탱크모듈과 공급라인과 공급라인 간의 및 공급라인과 연료전지모듈 간의 경계면에 뿐만 아니라 밸브 또는 조절기와 같은 센서 및 액츄에이터가 수소라인에 통합된 모든 위치에 나사 연결부와 같은 분리 가능한 연결부들이 있다는 추가적인 문제를 포함한다. 이 위치에서, 특히 수소가 주변 대기보다 압력이 높을 때 수소 누출량이 특히 높다.

따라서, 일정량의 수소 가스가 연료전지 시스템의 라인으로부터 주위 분위기, 즉 주변 대기로 누출되거나 확산되는 것이 항상 예상되어야 한다. 이는 수소가 공기와 함께, 더 정확하게는 공기에 포함된 산소와 함께, 발화성 혼합물(옥시수소 가스)을 형성하기 때문에 사소하지 않은 위험 가능성을 의미한다.

실온에서, 수소와 산소의 반응은 측정할 수 없는 느린 속도로 일어나는데, 이는 수소 분자가 높은 해리 에너지로 인해 상대적으로 비활성이기 때문이다. 그러나, 특정 시점에서 상승된 온도에 도달하면, 이 시점에서 반응을 개시될 수 있다. 이로 인해 방출된 열은 가열된 위치 부근의 분자를 반응시켜, 더 많은 열 등을 발생시킨다. 가열된 위치에서 시작하여, 온도가 크게 증가함에 따른 연쇄 반응이 수소와 산소 또는 공기의 전체 혼합물을 통해 폭발적으로 이루어진다. 그러나, 수소와 산소의 특정한 혼합 비율이 존재하는 경우에만 폭발이 일어날 것이며, 이는 폭발 상한 및 하한으로 기술된다.

폭발 한계는 온도와 압력에 따른다. 대기 중의 수소 혼합물에서, 폭발성 혼합물은 (실온과 대기압에서) 약 4-75 부피%의 수소 농도로 있다. 연료전지 시스템의 콤팩트한 설계로 인해, 하우징 및 자동차와 같은 한정된 공간에 설치로 인해 수소의 신속한 배출을 막아, 라인에서 수소가 누출됨으로써 폭발 하한이 쉽게 초과될 수 있다. 이미 연료전지 시스템의 전기 시스템 그 자체로 인해 가스 혼합물이 점화되어 폭발을 유발할 수 있다.

이러한 위험을 최소화하기 위해, 주로 1차 및 2차 폭발 방지에 대한 조치로, 선행 기술의 연료전지 시스템에서 많은 안전 예방조치들이 취해진다. 1차 폭발 방지는 폭발성 분위기의 형성을 방지하거나 적어도 폭발성 분위기 형성 위험을 줄이는 조치를 포함하는 것으로 이해한다. 2차 폭발 방지는 폭발성 분위기가 점화되는 것을 방지하는 조치, 즉 유효한 점화 소스를 방지하는 조치를 포함하는 것으로 이해된다.

탱크모듈에서, 대개 통풍이 잘되는 옥외 영역에서도 똑같은 조치를 수용할 수 있다. 연료전지 시스템의 작동을 위해 수소가 더 이상 필요하지 않게 되는 즉시, 수소 저장탱크의 유출구에서 직접 차단밸브를 통해 수소의 유출을 방지할 수 있다.

연료전지모듈과 상기 모듈의 수소공급라인은 일반적으로 1차 및 2차 폭발 방지의 조합을 이용한다. 연료전지의 작동 중에, 예를 들어 자동차를 운전하는 동안, 연료전지모듈이 설치된 공간 및/또는 전체 차량 내부가 수소 센서에 의해 모니터링된다. 임의의 위치에 수소가 있다고 감지되면, 수소를 제거하기 위해 능동 환기가 즉시 시작된다.

이 1차 폭발 방지는 시스템이 꺼지거나 비활성화된 경우 실패한다. 많은 연료전지 시스템은 비교적 짧은 시간 동안에만 작동하는 반면에 장시간 동안 사용되지 않는다. 예를 들어, 연료전지 구동 차량은 대개 작동 시간보다 훨씬 오랜 기간 작동하지 않는다. 작동하지 않는 시간 동안, 가스 저장탱크의 바로 하류에 있는 차단밸브에 의해 수소 공급이 정상적으로 차단되나, 탱크모듈과 연료전지 사이의 라인에 남아 있는 수소가 상기 라인들로부터 확산될 수 있고 특히 라인들 간에 완전히 밀봉되지 않은 연결부를 통해 빠져나갈 수 있으며, 연료전지모듈과 수소공급라인의 밀폐된 영역에 쌓일 수 있다. 상기 라인의 길이와 라인에 우세한 압력에 따라, 각각의 수소량이 상당할 수 있으며, 주변 공기와 함께 폭발성 혼합물을 형성하게 할 수 있다. 연료전지 시스템이 활성화되거나 다시 작동하게 되면, 전기 부품의 활성화의 결과로 발생한 스파크로 인해 폭발이 야기될 수 있다. 따라서, 2차 폭발 장지 조치도 또한 강구되어야 한다. 기존의 연료전지 시스템의 경우, 이는 연료전지모듈의 전기 회로는 가능하면 본질적으로 안전하도록 설계되어야 하는 것을 포함한다. 측정 및 제어회로와 센서 및 액추에이터에 대한 전기 연결은 본질적으로 안전한 설계가 가능하다. 대안으로 또는 추가로, 잠재적인 발화 소스(센서, 전기 작동식 밸브)가 캡슐화된다. 즉, 방폭 구성요소들이 사용된다.

이러한 조치는 비용이 많이 들고, 구조가 더 복잡해지며, 시스템의 무게가 증가하고, 더욱이 100% 폭발 방지를 제공하지 못한다. 시스템 외부 점화 소스에 의해 유발되는 폭발을 이러한 방식으로 방지할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하거나 적어도 줄인 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템을 비활성화 및 재가동하는 방법을 제공하는 데 있다. 시스템은 구조적으로 단순해야 하며, 특히 장기간의 가동 중단 후에 시스템을 재시동할 때, 또한 가동 중단 시간 동안 자체적으로 수소 폭발의 위험을 최소화해야 한다. 바람직하게는, 고가의 방폭 구성부품의 사용을 완전히 또는 부분적으로 없앨 수 있어야 한다.

상기 목적은 독립항 제 1 항에 기재된 특징을 갖는 연료전지 시스템, 독립항 제 6 항에 기재된 특징을 갖는 탱크모듈, 독립항 제 11 항에 기재된 특징을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템을 비활성화시키는 방법, 독립항 제 13 항에 기재된 특징을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템을 재가동하는 방법, 독립항 제 14 항에 기재된 바와 같은 특징을 갖는 본 발명의 연료의 수소라인의 수소 감압용 3/2-웨이 감압밸브의 사용, 및 독립항 제 16 항에 기재된 특징을 갖는 자동차와 같은 전기 소비제 또는 부하에 의해 충족된다. 본 발명의 실시예는 각각의 종속항에 나타나 있다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 본질적으로 2개의 구조 단위로 구성되며, 이하에서 탱크모듈 및 연료전지모듈로 언급된다. 탱크모듈은 최대 80 MPa의 압력하에 수소가 저장되는 하나 이상의 고압 용기(탱크)를 포함한다. 각 탱크는 바람직하게는 메인 차단밸브를 구비하고 수소가 연료전지모듈에 공급되는 수소라인에 연결된다. 수소라인에는 감압기가 배치되어 있으며, 탱크가 여러 개인 경우, 각 탱크에는 자체 감압기가 별도로 제공되거나 여러 탱크에 공통 감압기가 있을 수 있다. 감압기는 수소가 탱크모듈을 나가기 전에 수소압력을 일반적으로 0.3-3.0 MPa, 바람직하게는 0.5-1.2 MPa의 매니폴드 압력 수준으로 감소시킨다.

탱크모듈로부터, 수소는 탱크모듈을 연료전지모듈에 연결하는 수소공급라인으로 들어간다. 연료전지모듈은 연료전지 어셈블리, 즉 하나 이상의 연료전지 스택을 포함한다. 또한, 새 연료전지 및 사용된 연료전지 매체의 공급 및 배출을 위한 라인 또는 배관 시스템, 센서, 밸브, 조절기, 수분 분리기, 펌프, 냉각수 저장탱크와 같은 연료전지 어셈블리의 작동에 필요한 수단, 캐소드 작동 가스 등을 공급하기 위한 수단이 연료전지모듈의 일부를 구성하는 것으로 간주된다.

연료전지모듈은 또한 수소 공급원으로부터 연료전지모듈 라인의 수소공급라인으로 들어가는 수소의 압력을 연료전지 어셈블리의 작동 압력으로 감소시키는 감압기를 포함한다. 작동 압력은 일반적으로 주위 압력보다 약간 높으며 바람직하게는 약 100-200 kPa이다.

따라서, 연료전지 시스템은 3개의 압력 영역, 즉, 탱크모듈의 감압기 상류에 있는 고압 영역, 탱크모듈의 감압기와 연료전지모듈의 감압기 사이에 있는 중간 압력 영역(0.3-3.0 MPa), 및 연료전지모듈의 감압기 하류에 있는 작동 영역(100-200 kPa)을 포함한다. 고압 영역의 압력은 중간 압력 영역보다 높고, 일반적으로 30 MPa보다 높으며 80 MPa까지 될 수 있다.

바람직하게는, 연료전지모듈 및 탱크모듈은 서로 공간상 분리되어 수용될 수 있는 독립형 유닛이다. 예를 들어, 연료전지 구동 자동차에서, 특히 쉽게 접근할 수 있고 동시에 사고로 인한 손상으로부터 잘 보호되는 위치에 탱크모듈을 수용하는 반면, 연료전지모듈은 원칙적으로 사용 가능한 공간에 따라 어느 위치에서나 수용될 수 있다. 두 모듈을 연결하는 수소공급라인의 길이는 모듈의 설치 거리에 의해 결정된다. 대개, 각 모듈과 또한 모듈 사이의 수소공급라인에는 보호 커버가 장착되거나 하우징에 설치된다. 그러나, 상기에 언급한 모듈식 설계는 결코 적절하지 않다. 오히려, 탱크모듈의 구성부품 및 연료전지모듈의 구성부품은 하나의 유닛으로 결합될 수 있다. 이 일체형 유닛은 또한 상술한 각각의 압력을 갖는 고압 영역, 중압 영역 및 작동 압력 영역을 갖는다.

라인을 흐르는 수소는 높은 확산 경향을 가지며, 수소압력보다 더 높다. 특히 라인이 서로 연결되어 있는 모든 위치, 예를 들어, 나사식 결합에 의해 그리고 센서 또는 액추에이터가 라인에 통합된 모든 위치에서, 특히 수소 누출이 쉽게 발생한다. 수소 확산이 심하지 않은 한, 이는 대개 연료전지 시스템이 수소 센서에 의해 모니터될 수 있고 수소 농도 증가시 시스템의 강제 환기와 같은 적절한 조치가 즉시 개시될 수 있어 연료전지 시스템의 영역에 있는 수소 농도를 낮추기 때문에, 작동 연료전지 시스템에서 위험을 야기하지 않는다

연료전지 시스템이 비활성화된 상황은 다르다. 연료전지 시스템이 작동하지 않는 한, 안전 장치는 활성화되지 않다. 즉, 수소 누출이 주목되지 않고, 신속한 제거를 위한 조치가 취해지지 않다. 연료전지 시스템이 장시간 작동하지 않을 경우, 충분한 양의 수소가 커버 아래에 및 하우징에 또는 환기가 잘 안되는 설치 공간에 쉽게 축적되어 폭발 하한을 초과할 수 있다. 특히, 주변 압력보다 높은 압력을 받는 모든 영역들, 특히 연료전지 시스템의 중간 압력 영역이 여기서 위험에 처한다. 고압 영역, 즉 탱크모듈은 실제로 위험에 처해 있지만, 상대적으로 배관 시스템이 짧고, 대부분 자동으로 통풍이 잘되도록 예를 들어, 버스와 같은 차량의 지붕에 배치될 수 있다.

예를 들어, 더 긴 주차 시간 후에 자동차를 다시 시동걸 때 규칙적으로 발생하듯이 연료전지 시스템이 더 긴 휴식 후에 다시 활성화되면, 센서와 같은 연료전지 시스템의 전기부품 및 전기적으로 스위치된 밸브에서 스파크가 튀어 수소/공기 혼합물이 폭발될 수 있다. 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템이 비활성화되거나 비활성화된 직후에, 높아진 수소압력 하에 있는 라인, 즉 중간 압력 영역의 라인 또는 이들 라인들 중 적어도 대부분이 압력 완화된다는 점에서 이러한 폭발 혼합물의 형성이 방지된다. 수소의 확산 경향은 라인의 수소압력이 대기압과 실질적으로 동일하거나 또는 바로 위에 있을 때 가장 낮다. 이 압력 완화를 달성하기 위해, 중간 압력 영역에 있는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 3/2-웨이 밸브가 제공되어, 적어도 일부가 중간 압력 영역이 되게 하고, 바람직하게는 중간 압력 영역 전체가 주위 압력 또는 약간 더 높은 압력이 되게 한다. 3/2-웨이 밸브는 수소 탱크에서 연료전지 어셈블리로 이어지는 라인에 위치하고 있으며, 제 3 포트는 대기로 바깥쪽으로 개방된 라인에 연결되어 있다. 3/2-웨이 밸브의 제 1 스위칭 위치에서, 유로(流路)는 수소 탱크와 연료전지 어셈블리 사이에서 개방되는 한편, 3/2-웨이 밸브의 제 2 스위칭 위치에서, 유로는 연료전지 어셈블리와 주위 대기 사이에서 개방된다. 3/2-웨이 밸브는 바람직하게는 솔레노이드 밸브이다. 제 2 스위칭 위치는 비활성화 상태, 즉 시스템이 안전한 상태로 스위치될 때의 스위칭 위치이다.

연료전지 시스템의 작동 중에, 3/2-웨이 밸브는 제 1 스위칭 위치에 있다. 연료전지 시스템의 비활성화시, 제공되어 있다면, 메인 차단밸브 및 바람직하게는 또한 연료전지모듈내 차단밸브가 닫히고 닫힌 직후에, 즉 가능한 최소 지연으로, 감압밸브(3/2-웨이 밸브)는 제 2 스위칭 위치로 스위치되어, 중간 압력 영역에 있는 수소가 주변 대기로 방출될 수 있다. 밸브의 폐쇄 및 3/2-웨이 밸브의 스위칭은 연료전지 시스템에 의해 전력공급되는 전기 부하의 스위칭 오프와 같은 사전 결정된 프로세스 또는 연료전지 시스템의 최대 허용가능한 압력을 초과하는 것과 같은 비상사태의 감지에 의해 트리거될 수 있다

3/2-웨이 밸브는 탱크모듈의 감압기에 가능한 가깝게 배치해야 하는데, 이는 3/2-웨이 밸브의 하류 라인의 일부들만 감압될 수 있기 때문이다. 따라서, 3/2-웨이 밸브는 바람직하게는 탱크모듈에 통합되어 감압기의 바로 하류에 배치된다. 그러나, 대안으로, 3/2-웨이 밸브는 탱크모듈의 하류에, 바람직하게는 수소공급라인의 상류 단부에 장착될 수 있다.

3/2-웨이 밸브는 수소가 겨우 느리게 빠져 나오도록 설계되어야 한다. 너무 빨리 배출하면 감압라인의 유출구에서 폭발성 수소/공기 혼합물이 형성될 수 있다. 따라서, 작은 개방 횡단면적을 갖는 밸브가 선호된다. 감압이 발생할 수 있는 최대 속도는 무엇보다도 감압이 수행되는 환경에 따른다. 연료전지 시스템이 급속한 공기 교환이 신뢰성있게 제공되는 위치에서 사용되는 경우, 감압은 수 초 내에 달성될 수 있는 반면, 자동차와 같은 애플리케이션에서는, 감압이 예를 들어 몇 분 동안 느리게 달성되어야 한다. 자동차는 종종 차고와 같이 공기 변화가 적은 환경에서 주차된다. 어떤 3/2-웨이 밸브가 특정 연료전지 시스템 또는 특정 애플리케이션에 가장 적합한지는 단지 몇 가지 실험에 의해 선택적으로 결정될 수 있다.

대안으로, 감압라인에 스로틀 로케이션이 제공될 수 있으며, 스토틀의 개방 횡단면은 감압라인의 배출구에서 공기 중 수소의 폭발 하한에 이르지 않게 항상 소량의 수소만 빠져 나올 수 있도록 치수화된다. 이 경우, 수소공급라인을 통해 필요한 흐름을 보장하는 수소에 적합한 임의의 밸브를 3/2-웨이 밸브로 사용할 수 있다. 설치는 제 2 스위칭 위치가 전류가 없는 상태 또는 비활성화된 상태로 있는 방식으로 수행된다.

3/2-웨이 밸브는 연료전지 시스템이 비활성화되는 전체 시간 동안 제 2 스위칭 위치를 유지할 수 있다. 대안으로, 지연회로에 의해 사전 결정된 기간 후에 제 1 스위칭 위치로 다시 스위칭될 수 있다. 특히, 밸브가 제 2 스위칭 위치에 있을 때, 감압라인에 체크 밸브를 제공하여 연료전지 시스템의 배관 시스템으로 공기 및 습기가 침투하는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 체크 밸브는 낮은 개방 압력, 바람직하게는 주변 대기압보다 단지 약간 높은 개방 압력을 가져야 한다. 예를 들어, 적절한 개방 압력은 연료전지의 작동 압력 영역까지의 압력, 바람직하게는 10 kPa(100 mbar)까지의 압력이다.

연료전지 시스템을 재시동 또는 재가동할 때, (있다면) 탱크모듈의 메인 차단밸브가 먼저 개방되고, 그 후 3/2-웨이 밸브가 여전히 제 2 스위칭 위치에 있다면 제 1 스위칭 위치로 스위치되며, 폐쇄되었다면 연료전지모듈 내의 차단밸브가 개방된다. 스위칭 프로세스는 예를 들어 전기 부하를 스위치 온함으로써 트리거될 수 있다. 대안으로, 원칙적으로 3/2-웨이 밸브 및 다른 밸브를 수동으로 작동시키는 것도 가능하다.

본 발명의 내용에 포함됨.

이하, 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면은 비율을 따르지 않으며 본 발명을 이해하는데 필수적인 특징들만을 도시하고 있다는 것을 이해해야 한다. 적용가능한 안전 규정을 준수하고 연료전지 시스템의 적절한 기능을 보장하기 위해 추가 특징들이 있거나 있을 수도 있음이 이해된다. 그러나, 이들 특징은 당업자에게 공지되어 있다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략적인, 매우 단순화된 도면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 사용되는 3/2-웨이 밸브의 스위칭 위치를 도시한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1)의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 연료전지 시스템(1)은 탱크모듈(2) 및 연료전지모듈(3)을 포함하고, 수소가 수소공급라인(4)을 통해 탱크모듈(2)로부터 연료전지모듈(3)로 흐를 수 있다.

도시된 실시예에서, 탱크모듈(2)은 고압 수소 저장탱크(탱크)(20), 상기 탱크(20)에 대한 메인 차단밸브(23) 및 감압기(24)를 포함한다. 수소라인(21)을 통해, 탱크(20)로부터 감압기(24)로 수소가 흐를 수 있다. 여기서, 수소압력은 바람직하게는 0.5 MPa 내지 1.2 MPa의 압력으로 감압되고, 이로부터 수소라인(22)을 통해 공급된다. 수소는 3/2-웨이 밸브(25)를 통해 흐르고 연결지점(5)에서 수소라인(22)에 연결된 수소공급라인(4)에 들어간다. 수소공급라인(4)의 길이는 탱크모듈(2)과 연료전지모듈(3) 사이의 거리에 따르며, 점선으로 표시되어 있다. 연결지점(6)에서, 수소공급라인(4)은 연료전지모듈(3)에 연결된다. 여기서부터 수소는 체크 밸브(33)가 위치된 수소공급라인(31)을 통해 감압기(34)로 흐르며, 상기 감압기는 수소압력을 연료전지 어셈블리(30) 내의 연료전지의 작동 압력으로 감소시킨다. 감압기(34)로부터, 수소는 최종적으로 수소공급라인(32)을 통해 연료전지 어셈블리(30)로 흐른다.

애노드 배기가스는 애노드 배기가스라인(35)을 통해 연료전지 어셈블리(30)를 떠나 애노드 배기가스 재순환 펌프(39)에 의해 애노드 배기가스 재순환 라인(38)을 통해 수소공급라인(32)으로 재순환된다. 주기적으로, 애노드 배기가스의 일부는 애노드 배기가스 배출라인(36)을 통해 주변 대기로 배출된다. 통상적으로, 라인(36)은 차단밸브(37)에 의해 폐쇄된다.

캐소드 작동 가스는 공기 공급라인(10)을 통해 연료전지 어셈블리(30)로 유입되어 캐소드 배기가스라인(11)을 통해 배출된다. 냉각수는 냉각수 공급관(12)을 통해 연료전지 어셈블리(30)로 유입되어 냉각수 배출관(13)을 통해 나간다.

도시된 실시예에서, 탱크모듈(2)은 하우징(28) 내에 배치되고, 연료전지모듈(3)은 하우징(14) 내에 설치된다. 커버(7)는 수소공급라인(4)을 보호한다.

연료전지 시스템(1)의 작동 중에, 밸브(23 및 33)는 개방되고, 3/2-웨이 밸브(25)는 제 1 스위칭 위치에 있어, 탱크(20)로부터 수소가 연료전지 어셈블리(30)로 흐르게 한다. 하우징(4, 14)의 내부에 있는 수소 센서(미도시)는 수소가 배관 시스템으로부터 확산되거나 누출되는지 여부를 감시한다. 수소가 있음이 감지되면, 예를 들어 적합한 송풍기(미도시)에 의해 강제 환기가 즉시 개시된다.

연료전지 시스템(1)의 비활성화시, 수소 검출기 및 신속한 공기 교환을 제공하는 송풍기와 같은 안전 시스템이 꺼져 있다. 그럼에도 불구하고, 이 경우 연료전지 시스템(1)의 안전성을 보장하기 위해, 본 발명은 밸브(23 및 33)를 폐쇄하고, 이어서 3/2-웨이 밸브(25)를 제 2 스위칭 위치, 즉 전원이 꺼진 상태로 스위칭한다. 제 2 스위칭 위치에서, 수소라인(22)을 통한 유로가 차단되고 대신에 수소공급라인(4)으로부터 수소감압라인(26)으로의 유로가 개방된다. 어떤 이유로, 예를 들어, 센서가 연료전지 어셈블리 또는 라인 시스템의 어느 한 영역에서 지나치게 높은 압력 또는 과도한 온도를 감지하는 경우, 비상 셧다운이 수행되어야 한다면, 시스템은 이 "안전 상태"로 또한 스위치된다. 수소감압라인(26)은 내부에 배열된 체크 밸브(27)를 가지며, 많아야 연료전지 어셈블리(30)의 작동 압력과 같거나 그보다 낮은 개방 압력에서, 바람직하게는 대기압 위에서 10mbar 미만으로 개방된다. 이러한 방식으로, 3/2-웨이 밸브(25)와 차단밸브(33) 사이, 또는 3/2-웨이 밸브(25)와 (개방 차단밸브(33)를 가진) 감압기(34) 사이의 중간 압력 영역에 있는 수소가 이 범위의 수소압력이 체크 밸브(27)의 개방 압력보다 낮아질 때까지 주변 대기로 방출된다. 스로틀 로케이션(9)은 수소가 천천히 빠져 나가는 것을 보장한다. 대안으로, 이는 또한 3/2-웨이 밸브(25)의 대응하는 작은 개방 횡단면에 의해 달성될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 감압기(24)와 3/2-웨이 밸브(25) 사이의 라인(22)은 압력 경감 또는 감압되지 않는다. 따라서, 3/2-웨이 밸브(25)를 탱크모듈(2)에 통합하여 감압기(24) 바로 하류에 설치하는 것이 유용하다. 그러나, 대안으로, 탱크모듈(2)의 외부에, 즉 수소공급라인(4)에 3/2-웨이 밸브(25)를 또한 제공할 수 있다. 이 실시예는 탱크모듈(2)의 하우징(29)에 의해 점선으로 도시되어 있다.

연료전지 시스템(1)의 재가동시, 밸브(23)는 개방되고 3/2-웨이 밸브(25)는 제 1 스위칭 위치로 다시 스위치된다. 그 후, 밸브(23)가 폐쇄되면 밸브(33)가 개방된다. 밸브의 스위칭은 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 솔레노이드 밸브가 사용된다.

도 2는 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭 위치를 도시한 것이다. 제 1 스위칭 위치는 수소라인(22)으로부터 수소공급라인(4)으로의 수소 흐름을 허용하고, 제 2 스위칭 위치는 수소공급라인(4)으로부터의 수소감압라인(26)으로 그리고 상기 감압라인에서 주위 대기로 수소 흐름을 허용한다. 제 2 스위칭 위치는 솔레노이드 밸브(25)의 비활성화된 상태 또는 전류가 없는("안전") 상태이다. 3/2-웨이 밸브(25)의 개방 횡단면은, 제 1 스위칭 위치에서, 충분한 수소가 연료전지 어셈블리(30)로 항상 흐를 수 있고, 제 2 스위칭 위치에서, 자연적 공기 변화로 발화 가능한 수소/공기 혼합물의 형성이 방지되는 주위 대기로 다만 많은 양의 수소가 항상 빠져 나갈 수 있도록 선택될 수 있다. 보다 큰 개방 횡단면의 경우, 상응하는 작은 개방 횡단면을 갖는 스로틀 로케이션(9)이 수소감압라인(26)에 있는 3/2-웨이 밸브(25)의 하류에 제공될 수 있다.

Claims

연료전지 어셈블리(30);
수소를 상기 연료전지 어셈블리(30)에 공급하는 수소공급라인(31, 32);
상기 수소공급라인(31, 32) 내의 감압기(34);
고압 수소 저장탱크(20);
수소라인(21, 22)과 수소공급라인(31, 32)을 서로 연결시키는 상기 연료전지 어셈블리(30)용 수소공급라인(4)으로 상기 고압 수소 저장탱크(20)로부터의 수소를 공급하기 위한 수소라인(21, 22);
수소압력을 감소시키기 위한 상기 수소라인(21, 22) 내의 감압기(24);
상기 감압기(24) 하류에 또는 상기 수소공급라인(4)의 수소라인(21, 22)에 있는 3/2-웨이 밸브(25); 및
상기 3/2-웨이 밸브(25)에 연결된 수소감압라인(26)을 포함하고,
상기 3/2-웨이 밸브(25)는 제 1 스위칭 위치에서 상기 고압 수소 저장탱크(20)로부터 상기 수소공급라인(4)으로의 가스 흐름을 허용하고, 제 2 스위칭 위치에서 수소공급라인(4)으로부터 수소감압라인(26)으로의 가스 흐름을 허용하는 연료전지 시스템(1).
제 1 항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은 상기 감압기(34) 상류의 상기 수소공급라인(31, 32)에 차단밸브(33)를 포함하고/하거나 상기 고압 수소 저장탱크(20)는 메인 차단 벨브(23)를 포함하는 연료전지 시스템(1).
제 1 항에 있어서,
상기 3/2-웨이 밸브(25)의 개방 횡단면은 충분히 작게 치수가 정해지거나, 상기 수소감압라인(26)은 수소감압라인(26)의 유출구에서 공기 중의 수소의 폭발 하한에 이르지 않도록 항상 소량의 수소만 빠져 나올 수 있도록 이러한 작은 개방 횡단면이 제공된 스로틀 로케이션(9)을 갖는 연료전지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수소감압라인(26)에 10 kPa(100 mbar) 미만의 개방 압력을 갖는 체크 밸브(27)를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 시스템(1)으로부터의 전기 부하의 단절 또는 비상사태 감지에 의해 제 1 스위칭 위치에서 제 2 스위칭 위치로 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭이 트리거되고/되거나, 상기 연료전지 어셈블리(30)의 활성화에 의해 상기 제 2 스위칭 위치로부터 상기 제 1 스위칭 위치로의 상기 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭이 트리거되는 연료전지 시스템.
연료전지 어셈블리(30)에 수소를 공급하는 탱크모듈(2)로서,
고압 수소 저장탱크(20);
상기 고압 수소 저장탱크(20)로부터 수소를 연료전지 어셈블리(30)용 수소공급라인(4)으로 공급하기 위한 수소라인(21, 22);
수소압력을 감소시키기 위한 상기 수소라인(21, 22) 내의 감압기(24);
상기 감압기(24) 하류의 상기 수소라인(21, 22)에 있는 3/2-웨이 밸브(25); 및
상기 3/2-웨이 밸브(25)에 연결된 수소감압라인(26)을 포함하고,
상기 3/2-웨이 밸브(25)는 제 1 스위칭 위치에서 상기 고압 수소 저장탱크(20)로부터 상기 수소공급라인(4)으로 가스의 흐름을 허용하고, 제 2 스위칭 위치에서 수소공급라인(4)으로부터 수소감압라인(26)으로 가스의 흐름을 허용하는 탱크모듈(2).
제 6 항에 있어서,
상기 고압 수소 저장탱크(20)는 메인 차단밸브(23)를 포함하는 탱크모듈(2).
제 6 항에 있어서,
상기 3/2-웨이 밸브(25)의 개방 횡단면은 충분히 작게 치수가 정해지거나, 상기 수소감압라인(26)은 상기 수소감압라인(26)의 유출구에서 공기 중의 수소의 폭발 하한에 이르지 않도록 항상 소량의 수소만 빠져 나올 수 있게 이와 같은 작은 개방 횡단면이 제공된 스로틀 로케이션(9)을 갖는 탱크모듈(2).
제 6 항에 있어서,
상기 탱크모듈은 상기 연료전지 어셈블리(30)의 비활성화시 또는 비상사태 감지시 상기 3/2-웨이 밸브(25)가 자동으로 상기 제 2 스위칭 위치로 스위치되고/되거나 연료전지 어셈블리(30)가 작동될 때 자동으로 제 1 스위칭 위치로 스위치되도록 설계되는 탱크모듈(2).
제 6 항에 있어서,
상기 수소감압라인(26)에서 10 kPa(100 mbar) 미만의 개방 압력을 갖는 체크 밸브(27)를 더 포함하는 탱크모듈(2).
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 비활성화하는 방법으로서,
상기 수소라인(21, 22)으로부터 수소공급라인(4)으로 수소의 공급이 종료되고 종료된 직후 상기 3/2-웨이 밸브(25)를 상기 제 1 스위칭 위치에서 상기 제 2 스위칭 위치로 스위치시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 비활성화하는 방법.
제 11 항에 있어서,
연료전지 시스템(1)으로부터의 전기 부하의 단절 또는 비상사태의 감지에 의해, 상기 수소공급라인(4)으로 수소 공급의 종료 및 상기 제 1 스위칭 위치로부터 상기 제 2 스위칭 위치로 상기 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭이 트리거되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 비활성화하는 방법.
제 11 항에 따른 방법에 의해 비활성화된 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템(1)을 활성화시키는 방법으로서,
상기 수소라인(21, 22)으로부터 상기 수소공급라인(4)으로 수소가 공급되고, 그 후에 상기 3/2-웨이 밸브(25)가 상기 제 2 스위칭 위치 제 1 스위칭 위치로 스위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템(1)을 활성화시키는 방법.
수소공급라인(4) 및 선택적으로 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템(1)의 수소공급라인(31, 32)의 일부(31)를 감압시키기 위한 3/2-웨이 밸브(25)로서,
상기 제 1 스위칭 위치로부터 상기 제 2 스위칭 위치로의 상기 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭으로 인해 수소가 상기 수소공급라인(4)으로부터 대기로 방출되는 3/2-웨이 밸브.
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 위치로부터 상기 제 2 스위칭 위치로의 상기 3/2-웨이 밸브(25)의 스위칭으로 인해 수소가 상기 수소공급라인(4)의 일부로부터 대기로 방출되는 것인 3/2-웨이 밸브.
제 14 항에 있어서,
3/2-웨이 밸브(25)의 개방 횡단면은 상기 수소감압라인(26)의 유출구에서 공기 중의 수소의 폭발 하한에 이르지 않도록 항상 소량의 수소만 빠져 나올 수 있을 정도로 충분히 작게 치수화된 3/2-웨이 밸브.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템(1)을 포함하는 자동차.
제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 탱크모듈(2)을 포함하는 자동차.