KR20030068588A - 연료 전지 장치용 공기 압축 시스템 및 냉기프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 작동 매체를 형성하는 공기를 압축하는 압축기(1)를 포함하는, 특히 연료 전지 장치 차량용 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 압축기(1)에 의해 압축된 공기의 적어도 일부가 연료 전지 장치(6)에 공급된다.
또한 본 발명은 연료 전지 장치에 공급되는 압축된 공기용 소오스인 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 용도 및 연료 전지 장치에 압축된 공기는 공급하는, 에어 컨디셔닝 유닛의 작동 매체를 모두 또는 일부 형성하는 압축된 공기용 소오스인 압축기의 용도에 관한 것이다.
Description
여기서 연료 전지 장치라는 개념은 고유의 연료 전지 외에도 경우에 따라 리포머를 포함할 수 있다. 예컨대 연료 전지 장치 차량용 연료 전지 장치가 연료 전지 장치의 작동을 위해 (경우에 따라 존재하는 연료 리포머를 포함) 공기 압축기 또는 압축기를 필요로 하고, 상기 압축기는 연료 전지 장치의 내부에서 실행되는 프로세스를 위해 필요한 공기를 압축시킴으로써, 상기 공기는 예컨대 1 바아에 달하는 주위 압력에 의해 예컨대 2 바아 또는 더 이상의 더 높은 압력으로 압축되는 것이 공지되어 있다. 이와 관련하여 예컨대, 피스톤-, 스크롤- 또는 터보-압축기가 사용되고, 압축기의 구동을 위해 전기 모터가 사용되는 것이 공지되어 있다.제공된 압축기 작동의 일부를 확장기 또는 확장 기계에 의해 연료 전지 장치의 배기 가스 분기 장치에서 다시 찾을 수 있다. 이러한 경우 압축기, 상기 압축기를 구동시키는 전기 모터 및 확장기가 예컨대 공동 샤프트 상에 배치될 수 있다. 연료 전지 프로세스 및 경우에 따라 존재하는 리폼 프로세스의 윤활 오일과의 부조화로 인해 일반적으로 오일 프리 압축기 및 확장기가 사용된다.
또한 연료 전지 장치 차량과 관련하여, 상기 방식의 차량에는 에어 컨디셔닝 유닛이 장치되고, 상기 에어 컨디셔닝 유닛은 냉증기 압축 프로세스를 기초로 하여 작동하는 것이 공지되어 있다. 상기 방식의 에어 컨디셔닝 유닛의 압축기는 예컨대 밀폐형 압축기로서 구현될 수 있고, 상기 밀폐형 압축기에서 압축기의 전기 구동 모터 및 압축기는 샤프트를 통과하지 않고 공동 하우징 내에 제공된다.
또한 에어 컨디셔닝 기술 분야로부터 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛이 공지되어 있고, 여기서 공기는 냉각 프로세스용 작동 매체를 형성한다. 상기 방식의 공지된 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 장치는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 따른 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛은 전기 모터(2)에 의해 구동되는 압축기(1)를 포함한다. 압축기(1)는 주위 또는 특정 공간으로부터 흡입된 공기를 압축하고, 이로 인해 상기 공기가 가열된다. 가열되어 압축된 공기는 이어서 열 교환기(5)로 공급되고, 상기 열 교환기에서 압축된 공기로부터 열 에너지가 제거되며, 상술된 경우에 상기 열 에너지는 공기로 공급되고, 상기 공기는 예컨대 차량 캐빈(4)으로부터 나올 수 있다. 압축된 공기가 열 교환기(5)를 통과할 이후에, 상기 압축된 공기는 확장기(3)에 공급되고, 확장 과정에 의해 공기의 온도가 낮아진다. (압축기(1)에 의해 흡입된 공기보다) 낮은 온도를 가지는 공기는 이제 예컨대 차량 캐빈(4)에 공급될 수 있다. 확장기(3)를 통해 압축 작동의 일부를 되찾을 수 있고, 이 때문에 도 1의 도면에 따른 확장 기계 또는 확장기(3), 전기 모터(2) 및 압축기(1)는 공동 샤프트 상에 배치된다.
상기한 바에 의해, 예컨대 선행 기술에 따른 에어 컨디셔닝 유닛이 장착된 연료 전지 장치 차량은 2 개의 구동 장치를 구비한 2 개의 압축기를 포함하고, 이로 인해 예컨대 차량 무게가 바람직하지 않은 방식으로 증가한다.
본 발명은 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 작동 매체를 형성하는 공기를 압축하는 압축기를 포함하는 특히 연료 전지 장치 차량용 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 특수한 용도 및 연료 전지 장치에 압축된 공기를 공급하는 압축기의 특수한 용도에 관한 것이다.
도 1은 선행 기술에 따른 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛,
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예,
도 3은 연료 전지 장치-배기가스와 냉기의 혼합이 방지되는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예,
도 4는 연료 전지 장치로부터 나오는 공기 또는 나오는 배기가스용 냉각기가 제공되는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예,
도 5는 실질적으로 제 3 실시예에 상응하지만, 추가로 냉기를 이용하기 위한 열 교환기가 장착된 본 발명에 따른 장치의 제 4 실시예이다.
본 발명에 따른 장치에서, 압축기에 의해 압축된 공기의 적어도 일부가 연료 전지 장치에 공급됨으로써, 장치는 단 하나의 유일한 압축기를 포함해야만 하고, 이로 인해 예컨대 장치의 무게 및/또는 전체 비용이 감소될 수 있다. 이것은 예컨대 연료 전지 장치 차량에서 극도로 긍정적으로 작용된다.
본 발명에 따른 장치에서 바람직하게, 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛은 제 1 열 교환기를 포함하고, 상기 제 1 열 교환기에 연료 전지 장치에 공급되지 않은 압축기에 의해 압축된 공기의 부분이 공급된다. 제 1 열 교환기는 압축된 공기로부터 열 에너지를 제거하는데 사용된다. 상기 열 에너지는 예컨대 공기 흐름에 공급될 수 있고, 상기 공기 흐름은 제 1 열 교환기를 통해 안내된다. 물론 열 에너지는 다른 매체로도 전달될 수 있다. 이와 관련하여 예컨대 공지된 냉기-에어 컨디셔닝 프로세스 또는 냉기-열 펌프 프로세스용 회로가 사용될 수 있고, 하나 또는 다수의 압축단 및 하나 또는 다수의 확장단 또는 확장기가 제공될 수 있다.
연료 전지 장치에 공급된 압축된 공기는 본 발명에 따른 장치에서 바람직하게 1.5 바아 이상의 압력, 예컨대 2 바아의 압력을 가진다. 2 바아의 압력 레벨은 공지된 연료 전지 장치의 작동을 위해 여러 경우에 적합하다.
또한 본 발명에 따른 장치에서 바람직하게, 제 1 열 교환기로부터 나오는 압축된 공기가 제 1 확장기에 공급된다. 공기의 확장에 의해 상기 공기의 온도가 내려가고, 일반적으로 압축기에 의해 흡입된 공기가 가지는 온도 값보다 현저히 낮은 온도 값이 달성된다.
특히 연료 전지 장치로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스의 온도가 높을 경우, 연료 전지 장치 뒤에 제 2 열 교환기가 연결되고, 상기 제 2 열 교환기에 의해 연료 전지 장치로부터 나오는 압축된 공기 또는 압축된 배기 가스가 냉각된다.
추가로 또는 대안적으로 본 발명에 따른 장치에서, 연료 전지 장치로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스는 (경우에 따라 제 2 열 교환기를 통해) 제 2 확장기에 공급될 수 있다. 이것은 예컨대 제 1 확장기로부터 나오는 공기가 승객실의 냉각을 위해 사용되어야 할 경우 특히 바람직하고, 연료 전지 장치로부터 나오는 공기 또는 나오는 배기 가스가 냉각을 위해 사용된 공기와 혼합되는 것은 바람직하지 않다.
낮은 온도를 가진 제 1 확장기로부터 나오는 공기가 상기한 바와 같이 예컨대 차량의 차량 내실에 공급될 수 있음으로써, 상기 차량 내실을 냉각시킨다.
또한 이와 관련하여 본 발명에 따른 장치에서, 제 1 확장기로부터 나오는 공기가 제 3 열 교환기에 공급될 수 있다. 상기 제 3 열 교환기는 예컨대 냉각을 위해 사용된 공기의 온도를 낮추기 위해 제공될 수 있다. 상기 실시예는 특히 연료 전지 장치로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스 및 제 1 열 교환기로부터 나오는 압축된 공기가 동일한 (제 1) 확장기에 공급되는 경우에 적합하고, 연료 전지 장치로부터 나오는 공기 또는 나오는 배기가스가 직접 냉기로서 사용되는 것을 바람직하지 않다.
언급한 바와 같이, 제 1 열 교환기에서 압축된 공기로부터 열 에너지가 제거된다.
이를 위해 제 1 열 교환기에 바람직하게 매체가 제공되어, 압축된 공기의 열 에너지로 전달되고, 제 1 열 교환기에 제공된 매체는 예컨대 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛에 의해 냉각된 공간, 예컨대 상기 차량 내실로부터 나온 공기일 수 있다. 이와는 달리 열 펌프 작동시 차량 내실은 가열되어 주위로부터 열이 제거된다.
압축기는 바람직하게 전기 모터 형태의 전기 기계에 의해 구동된다.
또한 효율의 개선을 위해, 제 1 확장기 및/또는 제 2 확장기 또는 확장 기계는 압축 작동의 일부를 되찾는다.
제 1 확장기 및/또는 제 2 확장기에 의해 되찾아진 압축 작동을 시스템에 다시 제공하기 위해, 본 발명에 따른 장치에서, 압축기, 상기 압축기를 구동시키는 전기 모터 및 제 1 확장기 및/또는 제 2 확장기가 넌-포지티브하게 연결될 수 있다.
이러한 목적을 위해 바람직하게, 압축기, 상기 압축기를 구동시키는 전기 모터 및 제 1 확장기 및/또는 제 2 확장기가 공동 샤프트 상에 또는 기어 장치에 의해 커플링된 샤프트 상에 배치된다.
압축기 및/또는 압축기를 구동시키는 전기 모터의 파워는 본 발명에 따른 장치에서, 상기 파워가 연료 전지 장치에 의해 요구된 최고 파워에 상응하는 방식으로 설계될 수 있다. 이러한 경우, 비교적 드물긴 하지만 연료 전지 장치에 의해 야기되는 최고 부하 동안에 에어 컨디셔닝이 생략됨으로써 여러 경우에 압축기가 사용될 수 있고, 상기 압축기의 파워는 대략 통상적으로 연료 전지 장치에 공기를 제공하는 압축기에 제공되는 파워에 상응한다.
연료 전지 장치로 공급되는 압축된 공기용 소오스인, 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는-열 펌프의 각 용도가 관련 청구항의 보호 범위에 해당된다.
유사한 방식으로 에어 컨디셔닝 유닛 및 열 펌프의 작동 매체를 모두 또는 일부 형성하는 압축된 공기용 소오스인, 연료 전지 장치에 압축된 공기를 공급하는 압축기의 각 용도가 관련 청구항의 보호 범위에 해당된다.
본 발명은 예컨대 에어 컨디셔닝 유닛 및 공기 압축기를 포함하는 연료 전지 장치 차량을 가능하게 하고, 선행기술과 비교해 볼 때 대략 동일한 효율로 차량 전체 무게와 비용이 감소될 수 있다. 시너지 효과 및 동시성 효과로 인해 실시예에 따라 사용된 압축기의 파워는 선행 기술에 따라 사용된 2 개의 압축기의 파워의 합보다 작을 수 있다.
본 발명은 하기에서 관련 도면을 참조로 하여 더 자세히 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 도시하고, 여기서는 전기 모터(2)에 의해 구동되는 단 하나의 압축기(1)가 제공된다. 압축기(1)는 주위 공기를 흡입하여 이를 압축시키고, 이로 인해 압축된 공기는 압축기(1)에 의해 흡입된 공기보다 더 높은 온도를 가진다. 압축기(1)에 의해 압축된 공기의 일부는 제 1 열 교환기(5)에 공급되고, 상기 제 1 열 교환기는 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛의 부속품이다. 제 1 열 교환기(5)에서 관류하는 압축된 공기로부터 열 에너지가 제거되고, 상기 열 에너지는 공기로 전달되며, 상술된 경우에서 상기 공기는 차량 캐빈(4)으로부터 나온다. 제 1 열 교환기(5)에 공급되지 않은 압축기(1)에 의해 압축된 공기의 부분은 연료 전지 장치(6)에 공급되어, 연료 전지 장치(6)의 작동이 가능해진다. 제 1 열 교환기(5) 로부터 나오는 공기와 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 공기는 도 2에 따른 실시예에서 제 1 확장기(3)로 공급된다. 공기의 확장에 의해 상기 공기의 온도가 낮아짐으로써, 제 1 확장기(3)로부터 흘러나오는 공기는 예컨대 차량 캐빈(4)의 냉각을 위해 사용될 수 있다. 또한 제 1 확장기(3)는 압축 작동의 일부를 되찾고 이렇게 다시 얻은 에너지를 압축기(1)의 구동 시스템에 공급하는데 적합하다. 이를 위해 제 1 확장기(3) 또는 확장 기계(3), 전기 모터(2) 및 압축기(1)가 공동 샤프트 상에 배치된다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예를 도시하고, 여기서 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 공기 또는 나오는 배기 가스와 냉각을 위해 공급된 냉기와의 혼합이 방지된다. 이러한 목적을 위해 제 2 확장기(7)가 제공되고, 상기 제 2 확장기에는 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스가 공급된다. 제 2 확장기(7)도 압축 작동의 일부를 되찾고 이렇게 다시 얻어진 에너지를 압축기(1)의 구동 시스템에 공급하는 데에 적합하다. 이러한 목적을 위해 제 2 확장기(7)는 압축기(1), 전기 모터(2) 및 제 1 확장기(3)와 동일한 샤프트 상에 배치된다.
도 4는 실질적으로 도 2에 따른 제 1 실시예에 상응하는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예를 도시한다. 도 4에 도시된 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예에서 연료 전지 장치(6) 뒤에 제 2 열 교환기(8)가 연결된다. 제 2 열 교환기(8)는 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스가 제 1 확장기(3)에 공급되기 이전에 이들을 냉각시키는데 사용된다.
도 5는 도 4에 도시된 제 3 실시예로 구성된 본 발명에 따른 장치의 제 4 실시예를 도시한다. 도 4에 따른 제 3 실시예와 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 장치의 도 5에 따른 제 4 실시예는 제 3 열 교환기(9)를 포함하고, 상기 제 3 열 교환기는 제 1 확장기(3) 뒤에 연결된다. 상기 실시예에서 제 1 열 교환기(5)로부터 나오는 공기가 연료 전지 장치(7)로부터 나오는 공기 또는 연료 전지 장치로부터 나오는 배기가스와 혼합되기는 하지만, 제 1 확장기(3)로부터 나오는 혼합된 공기는 차량 내실에 직접 공급되지는 않는다. 이 대신 제 1 확장기(3)로부터 나오는 냉기는 제 3 열 교환기(9)에서 예컨대 차량 내실의 냉각을 위해 제공된 공기의 온도를 낮추는데 사용된다.
당업자들은 도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시예를 적합한 방법으로 조합할 수 있다.
본 발명은 연료 전지 장치 차량에서의 용도에만 국한되지 않고, 예컨대 건물의 에너지 공급 및 냉각을 위해 연료 전지 장치와 에어 컨디셔닝 유닛이 제공되는 도처에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 상기 설명은 설명을 용이하게 하기 위해 사용되
는 것이지 본 발명을 제한하려고 하는 것은 아니다. 본 발명의 범주 및 그의 등가물을 벗어나지 않는 범위 내에서, 본 발명의 범위 내에서 상이한 변경 및 변형이 가능하다.
Claims (19)
- 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 작동 매체를 형성하는 공기를 압축하는 압축기(6)를 포함하는 특히 연료 전지 장치 차량용 장치에 있어서,압축기(1)에 의해 압축된 공기의 적어도 일부가 연료 전지 장치(6)에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서,냉기-에어 컨디셔닝 유닛은 제 1 열 교환기(5)를 포함하고, 상기 제 1 열 교환기에는 연료 전지 장치(6)에 공급되지 않은 압축기(6)에 의해 압축된 공기의 부분이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 연료 전지 장치(6)에 압축된 공기가 공급되고, 상기 압축된 공기는 1.5 바아 이상의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 열 교환기(5)로부터 나오는 압축된 공기가 제 1 확장기(3)에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스가 제 1 확장기(3)에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스를 냉각하기 위해, 상기 연료 전지 장치(6) 뒤에 제 2 열 교환기(8)가 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 연료 전지 장치(6)로부터 나오는 압축된 공기 또는 나오는 압축된 배기 가스가 제 2 확장기(7)에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 확장기(3)로부터 나오는 공기가 차량의 차량 내실에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 확장기(3)로부터 나오는 공기가 제 3 열 교환기(9)에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 열 교환기(5)에서 압축된 공기로부터 열 에너지가 제거되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 열 교환기(5)에 매체가 공급되어, 압축된 공기의 열 에너지로 전달되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 열 교환기(5)에 공급된 매체는 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛에 의해 냉각된 공간(4)으로부터 나온 공기인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압축기(1)는 전기 모터(2)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 확장기(3) 및/또는 제 2 확장기(7)가 압축 작동의 적어도 일부를 다시 되찾는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,압축기(1), 상기 압축기(1)를 구동시키는 전기 모터(2) 및 제 1 확장기(3) 및/또는 제 2 확장기(7)가 넌-포지티브하게 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,압축기(1), 상기 압축기(1)를 구동시키는 전기 모터(2) 및 제 1 확장기(3) 및/또는 제 2 확장기(7)가 공동 샤프트 상에 또는 기어 장치에 의해 커플링된 샤프트 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압축기(1) 및/또는 상기 압축기(1)를 구동시키는 전기 모터(2)의 파워는 상기 파워가 연료 전지 장치(6)에 의해 요구된 최고 파워에 상응하거나 또는 이를 약간 초과하는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 연료 전지 장치에 공급된 압축된 공기용 소오스인 냉기 프로세스-에어 컨디셔닝 유닛 또는 -열 펌프의 용도.
- 연료 전지 장치에 압축된 공기를 공급하는, 에어 컨디셔닝 유닛 또는 열 펌프의 작동 매체를 모두 또는 일부 형성하는 압축된 공기용 소오스인 압축기의 용도.
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