KR20190042751A - 교환 가능한 탈이온 장치를 포함하는 연료 전지 유닛, 그리고 상기 연료 전지 유닛을 장착한 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 연료 전지, 냉각 회로, 그리고 하우징(16) 및 이 하우징 내부에 위치하는 탈이온제(11)를 구비한 탈이온 장치(10)를 포함하는 연료 전지 유닛에 관한 것이며, 상기 연료 전지 유닛을 장착한 차량(3)에 관한 것이다. 단일의 연결 유닛(15)에 의해 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)를 통해 냉각 회로(5)와 유체 이송 방식으로 연결될 수 있거나 연결되어 있는 탈이온 장치(10)가 제시된다.

Description

교환 가능한 탈이온 장치를 포함하는 연료 전지 유닛, 그리고 상기 연료 전지 유닛을 장착한 차량{FUEL CELL UNIT WITH INTERCHANGEABLE DEIONIZATION DEVICE AND VEHICLE COMPRISING SUCH A FUEL CELL UNIT}
본 발명은, 적어도 하나의 연료 전지, 냉각 회로, 및 이 냉각 회로와 연결되어 있는 탈이온 장치를 포함하는 연료 전지 유닛, 그리고 상기 연료 전지 유닛을 장착한 차량에 관한 것이다.
연료 전지들은, 예컨대 메탄올, 에탄올, 수소 또는 이들의 적절한 혼합물과 같은 연료가 예컨대 순수 산소, 공기, 염소 가스 또는 브롬 가스와 같은 산화제와 함께 내부에서 제어되면서 연소될 수 있는 장치이며, 이때 방출되는 반응 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 이러한 유형의 연료 전지들은 수십 년 동안 전기 에너지의 생성을 위해 이용되고 있다. 연료 전지의 높은 효율, 적거나 완전히 존재하지 않는 유해물질 배출, 및 작동 중 낮은 소음 발생을 기반으로, 최근 몇 년 동안 많은 분야에서 연료 전지들의 이용에 대한 관심은 크게 증가하고 있다. 언급할 가치가 있는 분야는 특히 차량 및 발전 설비 분야이다.
연료 전지들은 전형적으로 애노드 챔버와 캐소드 챔버를 서로 분리하는 전해질의 유형에 따라서 분류된다. 특히 소형 발전 설비에서의 이용을 위해, 그리고 이동식 적용 분야(예컨대 전동기식 차량 구동장치를 위한 에너지원으로서의 이용)를 위해 적합하며 특히 관심을 끄는 연료 전지 유형은, 폴리머 전해질 연료 전지이다. 이런 유형의 연료 전지들의 경우 이온 전도성 멤브레인(membrane)이 전해질로서 이용된다. 단일의 고체 폴리머 연료 전지는 일반적으로 이온 전도성 멤브레인이 캐소드와 애노드 사이에 배치되어 있는 것인 이른바 멤브레인 전극 어셈블리(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함한다. 이 경우, 이온 전도성 멤브레인은 동시에 분리 벽부 및 전해질로서 이용된다. 전극들과 멤브레인 사이의 경계면 상에는, 연료 전지 내의 전환 반응(conversion reaction)을 촉진하는 촉매 입자가 배치된다. 전극들은 전형적으로 다공성 전류 집전체(current collector)와 접촉하며, 이 전류 집전체는 또한 전극 구조를 안정화하면서 연료 및 연소제(burning agent)의 공급을 허용한다. 단일 셀의 작동 전압은 대개 1볼트 미만이기 때문에, 대부분 연료 전지들은, 상대적으로 더 높은 전압의 생성을 위해 다수의 적층된 개별 셀이 직렬로 연결되어 있는 것인 셀 스택(cell stack)으로 구성된다.
연료와 연소제 사이의 전기 화학 반응은 발열 반응이기 때문에, 의도하는 작동 온도가 유지되면서 멤브레인의 손상이 방지될 수 있도록 하기 위해, 연료 전지는 통상 냉각되어야 한다. 주변 온도에 대한 온도 차이가 작을 때에도 상대적으로 큰 열량이 방출되어야 하기 때문에, 전형적으로 충분히 높은 열 용량을 갖는 액상 냉각제가 이용된다. 그러므로 특히 수성 냉각제(aqueous coolant)가 매우 적합하다. 일반적으로 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물이 내연기관의 냉각을 위해 공지된 것과 같은 유형의 부동제로서 이용된다. 냉각 회로 및 연료 전지의 금속 부품의 부식을 방지하기 위해, 냉각제는 일반적으로 비이온성 부식 억제제를 추가로 함유한다.
연료 전지 냉각의 본질적인 특성은, 연료 전지 스택의 개별 셀들 간의 전기적 단락의 위험에 대처하기 위해, 냉각제의 매우 낮은 전기 전도성을 요구하는 것이다. 이를 목적으로, 탈이온수, 글리콜, 비이온성 부식 억제제 및 기타 첨가제로 이루어진 냉각제가 이용된다.
탈이온수가 냉각제로서 이용된다면, 상기 탈이온수는, 폴리머 멤브레인의 충분한 수화(hydration)를 보장하기 위해, 동시에 연료 전지 내로 유입되는 반응 물질들을 습윤화하는 데 이용될 수 있다. 작동 조건에 따라서, 예컨대 에틸렌 글리콜과 같은 부동제 또는 기타 첨가제를 냉각수에 첨가하는 것이 필요할 수 있다. 그러나, 냉각 시스템 및 연료 전지에서 사용되는 재료로 인해 이온이 냉각제 내로 유입되어 냉각제의 전기 전도성을 증가시킨다. 이런 효과를 상쇄시키기 위해, 냉각제가 그 주변을 따라 유동하는 이온 교환 수지를 포함하는 탈이온 장치들이 이용된다. 이온 교환 수지는 냉각제 내에 용해된 이온들(양이온 및 음이온)을 흡수하여 H+ 이온 및 OH- 이온을 방출하며, 이 이온들은 다시 결합되어 H2O를 형성한다.
예컨대 US 5,200,278 또는 WO 00/17951 A1로부터, 냉각 회로 내에 고체 이온 교환 수지를 포함하는 필터를 배치함으로써 수성 냉각제가 충분히 탈이온화되어 연료 전지 스택 내로 복귀하게 되는 점이 공지되어 있다.
이러한 유형의 탈이온 장치들은 냉각 회로의 유동 통로 내에 배치되며, 이에 따라 냉각제는 제1 연결 유닛에서 탈이온 장치 내로 유통하여, 이온 교환 수지를 통과하고, 제2 연결 유닛에서 다시 탈이온 장치로부터 유출된다.
이온 교환 수지의 용량은 제한되며, 이에 따라 이온 교환 수지는 정기적인 교환 주기로 교환되어야만 한다. 이는, 종래에 많은 유지보수 및 비용을 발생시켜왔는데, 그 이유는 전체 탈이온 장치가 두 연결 유닛에서 냉각 회로로부터 분리되어야만 하기 때문이다. 그 다음, 탈이온 장치는 비워지고 새로 충전된다.
이온 교환 수지는 자체의 자극 특성 및 위험 물질로서의 분류로 인해 특별한 예방 수단을 요구한다. 종래 공지된 해결책들의 경우 수지와 사용자의 접촉이 배제되지 않는데, 이는 적절한 안전 장비 및 폐기를 필요로 함을 의미한다.
따라서, 본 발명의 과제는, 실질적으로 간소화되고 단축된 작업 단계들을 통해 유지보수될 수 있는 냉각제용 탈이온 장치를 포함하는 연료 전지 유닛을 제공하는 것에 있다.
따라서, 본 발명은, 적어도 하나의 연료 전지, 냉각 회로, 그리고 하우징 및 하우징 내에 위치하는 탈이온제를 구비한 탈이온 장치를 포함하는 연료 전지 유닛에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 탈이온 장치는 단일 연결 유닛에 의해 유동 유입구(flow inlet) 및 유동 유출구(flow outlet)를 통해 냉각 회로와 유체 이송 방식(fluid conveying manner)으로 연결되어 있거나, 또는 냉각 회로와 유체 이송 방식으로 연결될 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따라서, 탈이온 장치는 냉각 회로 내에 직접 배치되는 것이 아니라, 오히려 연결 유닛을 통해 냉각 회로와 연결되어 있다. 본 발명에 따른 연결 유닛은 개략적으로 T자형 연결 피스(connection piece)와 유사하며, 연결 유닛은 상류 및 하류에서 각각 냉각 회로와 유체 이송 방식으로 연결되어 제3 유출구에서 탈이온 장치로 향하는 유체 이송형 연결부를 포함하며, T자형 피스의 제3 유출구는 탈이온 장치에 대한 유동 유입구 및 유출구를 모두 제공한다. 냉각 회로로부터의 냉각제가 상류에서 유동 유입구를 통해 연결 유닛 내로 유입된다면, 냉각제는 탈이온 장치 내로 이송된다. 탈이온 장치의 내부에서, 냉각제는 탈이온화되면서 자체의 유동 방향의 전환을 겪게 되며, 그럼으로써 냉각제는 다시 연결 유닛 내로 이송되고 최종적으로는 연결 유닛으로부터 유동 유출구를 통해 연결 유닛의 상류에서 냉각 회로 내로 이송된다.
연료 전지의 냉각 회로의 주 유동 경로 내에 직접 배치되는 종래의 탈이온 유닛들과 달리, 본 발명에 따른 탈이온 유닛은 연결 유닛 내부의 오직 하나의 연결부, 예컨대 플랜지만을 통해 냉각 회로와 연결되어 있다. 탈이온 장치가 유지보수, 세정, 교환 또는 재생을 목적으로 냉각 회로에서 분리된다면, 이는 연결 유닛의 플랜지 상에서 수행되며, 이때 냉각 회로 자체는 분해되거나 차단되지 않아도 된다. 그에 따라, 탈이온 장치에서 탈이온제를 제거하거나 교환하고 이어서 동일한 탈이온 장치를 다시 냉각 회로 내에 장착하는 것은 더 이상 요구되지 않는다. 오히려 탈이온 장치는 연결 유닛 상의 대응하는 플랜지 부재와 호환될 수 있는 탈이온 장치로 교환될 수 있다.
그에 따라 유리하게는 탈이온제와 사용자가 접촉하게 되는 잠재적인 위험은 감소된다. 또한, 결과에 따라 단지 하나의 연결 유닛만을 포함하는 구조는 상대적으로 더 컴팩트(compact)하며, 상대적으로 덜 복잡한 배관 시스템을 요구한다.
단일 연결 유닛을 이용하여 냉각 회로에서 수행되는 탈이온 장치의 본 발명에 따른 연결은, 냉각제를 위한 유동 유입구 및 유동 유출구를 탈이온 장치의 하우징의 동일한 쪽에 배치하는 것을 통해 특히 용이하게 실현될 수 있다.
이를 목적으로, 탈이온 장치의 하우징은 바람직하게는 일측이 개방된 용기로서 구성되고 개방된 쪽을 통해 연결 유닛과 연결될 수 있거나 연결되어 있다. 이런 방식으로, 하우징은, 기밀한 유체 이송형 연결부를 형성하기 위해, 연결 유닛과 상호작용하는 단일 연결 영역을 요구한다. 하우징은, 예컨대 원형, 타원형 또는 직사각형의 횡단면 영역, 바람직하게는 원형 횡단면 영역을 가지면서 일측이 개방된 중공 실린더의 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 개방된 단부면에는 연결 유닛에 대한 연결부를 형성하는 연결 피스(예컨대 플랜지)가 구비되어 있다. 하우징의 횡단면의 지름 및 길이는 가변적으로 구성될 수 있으면서 탈이온제의 수용 용량을 유의적으로 결정한다. 하우징은 특히 금속 또는 플라스틱으로, 바람직하게는 금속으로 제조된다.
연료 전지 유닛의 유지보수 시, 탈이온 장치는 제거되어, 하우징의 형상, 길이 및/또는 지름과 관련하여 교체할 이온화 장치와 다를 수 있는, 사용하지 않은 탈이온 장치로 교환된다. 이는, 냉각 회로 내 탈이온 장치의 배치가 우선적으로 탈이온 장치와 연결 유닛 간의 연결을 통해 결정되는 것을 통해 가능해진다. 탈이온 장치의 형태 및 크기와 관련한 탈이온 장치의 변형은, 예컨대 시스템 제어에 따라 좌우되는, 특히 냉각제의 이온 부하에 대한 탈이온 장치의 규모 가변성(scalability)을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 연결 유닛과 탈이온 장치, 특히 탈이온 장치의 하우징 간의 연결부는 플러그 연결부 및/또는 회전식 연결부로서 구성된다. 이러한 유형의 연결부는, 연결 유닛과 탈이온 장치 간에 간편하게, 특히 특수 공구들의 추가 사용 없이, 풀리고 다시 잠길 수 있으면서 외부 방향으로 밀봉된 유체 이송형 연결부가 형성된다는 장점을 제공한다.
특히 바람직하게는 연결 유닛과 탈이온 장치 간의 연결부는 나사 연결부, 베이어닛 연결부(bayonet joint) 또는 스냅인 연결부(snap-in connection)이다. 이러한 유형의 연결부들은 특히 차량 제조 분야에서 간편 교환형 필터(easy-change filter)로서 이용되는 오일 필터로부터 공지되어 있다. 단지 하나의 연결 유닛만을 통해 수행되는 연료 전지 유닛의 냉각 회로에 대한 탈이온 장치의, 본 발명에 따른 연결, 및 특히 나사 연결부, 베이어닛 연결부 또는 스냅인 연결부로서 구성되는 플랜지들의 이용은, 탈이온 장치가 간편 교환형 필터로서 구성될 수 있다는 장점을 제공한다. 그 결과, 본 발명에 따른 탈이온 장치의 제조 시, 공지된 간편 교환형 필터, 특히 내연기관용 오일 필터에 대한 이른바 동일 부품 효과(identical part effect)가 달성되며, 이는 이미 가용한 컴포넌트들(예컨대, 하우징 또는 연결 부재들)이 다양한 목적들을 위해 이용될 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 바람직하게는, 연결 유닛이 탈이온 장치의 유동 유입구 및 유동 유출구를 폐쇄하고 개방하기 위한 능동형 폐쇄 메커니즘 또는 수동형 폐쇄 메커니즘을 포함한다. 이런 폐쇄 메커니즘은 우선 냉각 회로에서 냉각제를 제거하지 않으면서 탈이온 장치의 제거를 가능하게 한다. 특히 폐쇄 메커니즘은, 냉각제가 냉각 회로 내에서 계속 유동할 수 있는 방식으로 구성된다. 폐쇄 메커니즘은 유리하게는 체크 밸브(수동형) 또는 제어 가능한 밸브(능동형)로서 구성된다.
또한, 하우징은, 탈이온제를 수용할 수 있는 방식으로 구성된다. 바람직한 일 실시예에서, 탈이온제는, 충전물로서, 탈이온 장치의 내부에, 관류하는 냉각제가 탈이온제의 주위에서 유동하는 방식으로, 배치된다. 이는, 탈이온제의 최대한 큰 표면이 유입하는 냉각제와 접촉한다는 장점을 갖는다. 접촉 중에, 냉각제는 탈이온제와의 화학 반응을 통해 탈이온화되며, 그리고 탈이온화된 냉각제로서 다시 냉각 회로 내에 진입한다.
또한, 바람직하게는, 탈이온제는 고체 상태로, 특히 이온 교환 수지로서 존재한다. 고체 탈이온제는, 쉽게 교환될 수 있으면서도 냉각제와 혼합되지 않는다는 장점을 제공한다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 탈이온 장치는, 관류될 수 있는 필터 부재(filter element)를 추가로 포함하고, 이 필터 부재는 하우징의 내부에 배치되어, 탈이온 장치의 유동 유출구로부터 탈이온제를 분리하는 것이 제시된다. 이런 방식으로 배치되는 필터 부재는, 탈이온제가 냉각 회로 내에 진입하지 않고 추가로 예컨대 부식 입자, 불용성 염 또는 조류(alga)와 같은 고체 성분들이 냉각제로부터 포착되게 한다는 장점을 제공한다. 특히 하우징이 중공 원통형인 경우, 필터 부재는 바람직하게는, 천공부를 포함하거나 메시(mesh)로 형성되어 중공 실린더 내에 동축으로 배치되는 튜브 부재로서 구성된다.
특히 유리하게는, 냉각제는 물, 부동제 및 적어도 하나의 부식 억제제를 함유한다. 연료 전지의 작동 중에, 주변 온도에 대한 온도 차이가 작을 때에도 상대적으로 큰 열량이 방출되며, 그로 인해 충분히 높은 열 용량을 갖는 액상 냉각제가 이용된다. 그러므로 특히 수성 냉각제가 매우 적합하다. 부식으로부터 냉각 회로 및 연료 전지를 보호하기 위해, 특히 비이온성인 부식 억제제가 첨가된다. 부동제로서는 예컨대 에틸렌 글리콜이 이용될 수 있다. 또한, 냉각제는 또 다른 첨가제를 함유할 수 있다.
본 발명의 추가 양태는, 냉각 회로와 연료 전지를 포함하는, 본 발명에 따른 연료 전지 유닛 내에서 탈이온 장치를 유지보수하기 위한 방법이다. 본 발명에 따라서, 탈이온 장치는 연결 유닛으로부터, 그리고 그에 따라 냉각 회로로부터 분리되어, 또 다른 탈이온 장치로 교환되며, 상기 또 다른 탈이온 장치는 동일한 연결 유닛을 통해 냉각 회로와 연결된다. 상기 방법은 한편으로 탈이온 장치의 내부에 있는 탈이온제의 교환이 실질적으로 간소화된다는 장점을 제공하는데, 그 이유는 전체 탈이온 장치가 제거되며, 마찬가지로 사용하지 않은, 다시 말해 활성 상태인 탈이온제를 포함하는, 사용하지 않은 탈이온 장치로 교환되기 때문이다. 그에 따라, 사용자는 탈이온제와 직접 접촉하지 않으며, 그럼으로써 위험의 방지를 위한 복잡한 취급 및 상응하는 안전 장비는 제외된다. 이와 동일한 사항은 폐기에 관해서도 적용되는데, 그 이유는 탈이온 장치가 전체적으로 폐기될 수 있고 그에 따라 탈이온제는 폐기물 용기 내에서의 보관 동안에도 주변 환경과 접촉하지 않기 때문이다.
본 발명의 추가 양태는, 기재한 실시예들 중 어느 한 실시예의 연료 전지 유닛을 장착한 차량에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 명시되는 나머지 특징들로부터 제시된다.
본 출원에서 언급되는 본 발명의 다양한 실시형태들은, 개별적으로 다르게 열거되지 않는 한, 바람직하게는 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 이하에서 관련된 도면을 참고하여 예시적인 실시예로 설명된다.
도 1a는 종래 기술에 따르는 연료 전지 유닛을 도시한 개략도이다.
도 1b는 종래 기술에 따르는 탈이온 장치를 도시한 개략적 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따르는 연료 전지 유닛을 도시한 개략도이다.
도 2b는 본 발명에 따르는 탈이온 장치를 도시한 개략적 단면도이다.
도 1a에는, 종래 기술에 따르는 연료 전지 유닛(1')의 개략도가 도시되어 있다. 연료 전지 유닛(1')은 예컨대 도면부호 3으로 예시된 전기 자동차를 위한 에너지원인 연료 전지(2)를 포함한다.
연료 전지(2)는 냉각 회로(5')에 의해 냉각된다. 냉각 회로(5')는 상류 및 하류에서 각각의 연결 유닛(15a', 15b')에 의해 냉각 회로(5')와 유체 이송 방식(fluid conveying manner)으로 연결되어 있는 탈이온 장치(10')를 포함한다. 연결 유닛(15a' 및 15b')은 탈이온 장치(10')와 냉각 회로(5') 간의 각각의 탈착식 유체 이송형 연결부를 형성한다. 탈이온 장치(10')는 냉각제의 탈이온화를 위해 이용되며, 도 1b에 상세하게 도시되어 있다.
도 1b에는, 도 1a의 종래의 연료 전지 유닛(1')에서 이용되는 것과 같은 종래 기술에 따르는 탈이온 장치(10')가 도시되어 있다. 탈이온 장치(10')는 예컨대 관형인 하우징을 포함하며, 이 하우징은 유동 방향을 따라서 연장된다. 도시된 구체적인 실시형태에서, 하우징은 원형 횡단면을 갖는다. 탈이온 장치(10')의 결과적인 단부면들 각각에 하나의 연결 유닛(15a', 15b')이 배치된다. 하우징은, 제1 연결 유닛(15a')이 상류에서 냉각 회로(5')와 연결되고 그에 따라 유동 유입구(13')를 형성하며, 그에 반해 대향하는 제2 연결 유닛(15b')은 하류에서 냉각 회로(5')와 연결되고 그에 따라 유동 유출구(14')를 형성하는 방식으로, 냉각 회로(5') 내에 배치된다. 연결 유닛(15a', 15b')은, 냉각 회로(15')의 라인과 하우징을 연결하기 위해, 예컨대 호스 커넥터로서 구성된다. 탈이온 장치(10')의 하우징은 탈이온제(11')를 수용한다. 이 경우, 탈이온제(11')는 예컨대 고체 형태의 충전물로서, 특히 입상 재료로서 존재한다. 추가적으로, 하우징의 내부에는 유지 기능(retaining function)이 부여되는 필터 부재(12')가 배치된다. 필터 부재(12')는, 이 필터 부재(12')의 일측만이 탈이온제(11')와 접촉해 있도록 탈이온제(11')의 공간을 한정한다. 본 실시예에서, 필터 부재(12')는 탈이온 장치(10')의 하우징의 횡단면에 상응하는 형태를 갖는 시브(sieve)로서 형성된다.
종래 기술에 따르는, 도 1b에 도시된 탈이온 장치(10')는 도시된 실시예의 경우 작동 중에 유동 유입구(13')에서 액상 냉각제가 연결 유닛(15a')을 통해 냉각 회로(5')로부터 탈이온 장치(10') 내로 유입되게 하는 기능을 나타낸다. 탈이온 장치(10')의 내부에서, 유입된 냉각제는 탈이온 장치의 내부에 배치된 탈이온제(11')의 둘레를 따라 유동한다. 이 경우, 냉각제 내에 용해된 이온은 화학 교환 반응을 통해 탈이온제(11')에 의해 흡수되며, 탈이온제(11')는 다시금 등가의 양으로 수소 이온(H+) 및 수산화물 이온(OH-)을 냉각제로 방출한다. 수소 이온 및 수산화물 이온은 냉각제의 pH 값에 따라서 재결합되어 다시 물을 형성한다. 냉각제가 하우징의 대향하는 쪽에서 탈이온 장치(10')로부터 유출되기 전에, 냉각제는 필터 부재(12')를 통과한다. 필터 유닛(12')은, 탈이온제 및 냉각제 내의 고체 성분을 포착하고 그에 따라 고체 성분들이 냉각 회로(5') 내에 유입되는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 유동 유출구(14')에서 냉각제는 연결 유닛(15b')을 통해 탈이온 장치(10')로부터 다시 냉각 회로(5') 내로 안내된다. 탈이온 장치(10')의 관류의 결과로서, 냉각 회로(5') 내에서 순환되는 냉각제는 탈이온화되며, 다시 말하면 냉각제는 탈이온 장치(10')의 상류에서보다 탈이온 장치(10')의 하류에서 더 낮은 전도도(conductance)를 갖는다.
도 1a 및 도 1b에서 알 수 있는 것처럼, 종래의 탈이온 장치(10')의 연결 유닛(15a' 및 15b')은 하우징의 상이한 쪽에, 특히 서로 대향하는 쪽에 위치한다.
탈이온제(11')의 재생을 위해, 두 연결 유닛(15')과의 연결을 분리하는 것을 통해 탈이온 장치(10')가 냉각 회로(5')에서 제거된다. 이에 앞서, 냉각제는 냉각 회로(5')에서 배출되거나, 또는 탈이온 장치(10')의 상류 및 하류에서 차단된다. 탈이온 장치(10')의 제거 후에, 상기 탈이온 장치는 개방되며, 그리고 사용된 탈이온제(11')는 사용하지 않은 탈이온제로 교환된다. 이 경우, 탈이온제(11')가 건강상 자극성이 있는 것으로서 등급 분류된다는 점에 유의해야만 한다. 그 다음, 새로이 충전된 탈이온 장치(10')는 다시 냉각 회로 내에 장착되고 냉각제와의 유체 연결도 복원된다.
도 2a에는, 본 발명에 따르는 연료 전지 유닛(1)의 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 기능상 일치하는 부품은, 도 1a 및 도 1b에서와 같지만 부호 " ' "가 생략된 도면부호로 표시되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 유닛(1)은 예컨대 전기 자동차(3)의 연료 전지(2)를 냉각하도록 구성되는 냉각 회로(5)를 포함한다. 냉각 회로(5)의 내부에서는 연료의 냉각을 위한 유체, 특히 액상 냉각제가 순환될 수 있다. 연료 전지(2)의 냉각을 위해 특히 부동제, 예컨대 글리콜 및 비이온성 부식 억제제를 첨가물로서 함유하는 수성 냉각제가 이용된다.
냉각 회로(5)는 본 발명에 따른 연결 유닛(15)을 포함한다. 연결 유닛(15)은 2개의 위치에서 냉각 회로(5)와 연결되어 있고 하나의 추가 위치에서는 본 발명에 따른 탈이온 장치(10)와 연결되어 있다. 그에 따라, 탈이온 장치(10)는 단지 단일 연결 유닛(15)에 의해서만 냉각 회로(5)의 라인 시스템과 연결된다. 연결부들은 유체 이송 방식으로 구성되며, 그럼으로써 연결 유닛(15)은 냉각 회로(5)로부터 탈이온 유닛(10) 내로의 냉각제의 분기, 그리고 탈이온 유닛(10)으로부터 냉각 회로(5) 내로의 냉각제의 분기를 나타낸다. 탈이온 장치(10)와 연결 유닛(15) 사이에는 탈착식 연결부가 존재한다. 상기 탈착식 연결부는 특히 플랜지 또는 나사부로서 구성된다. 이 경우, 플러그 연결부, 스냅인 연결부 또는 베이어닛 연결부를 포함하는 플랜지가 특히 적합하다. 탈이온 장치(10)는 도 2b에 상세하게 도시되어 있다.
도 2b에는, 도 2a에 따르는 연료 전지 유닛(1) 내에 장착하기에 적합한, 본 발명에 따른 탈이온 장치(10)가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 탈이온 장치(10)의, 도 2b에 도시된 실시형태는, 교환형 오일 필터와 유사하게 구성되는 탈이온 장치(10)를 나타낸다. 탈이온 장치는 탈이온 장치(10)의 하우징을 형성하는 필터 팟(16)(filter pot)을 포함한다. 필터 팟(16)은 일측이 개방된 용기로서 구성된다. 필터 팟은 측부 벽부와 적어도 하나의 단부 벽부(도 2b에서 하부에 있는 벽부)를 포함하며, 도시된 구체적인 실시형태에서 단부 벽부는 원형 형상을 갖고, 이는 필터 팟이 실질적으로 일측에서 개방된 중공 원통형의 형상을 갖는다는 것을 의미한다. 이 경우, 필터 팟(16)은 길이방향으로 연장되며, 이에 따라 단부 벽부의 지름은 측부 벽부의 높이보다 더 작다. 그러나, 자명한 사실로서, 또 다른 실시예도 가능하다. 단부 벽부에 대향하여 배치되는 필터 팟(16)의 개방된 단부면 상에는 연결 피스(17)가 배치된다.
상기 연결 피스(17; connection piece)는 연결 유닛(15)의 연결 단부(18)에 대응한다. 필터 팟(16)의 연결 피스(17) 및 연결 유닛(15)의 연결 단부(18)는 플랜지 연결부(19)를 형성하며, 이 플랜지 연결부는 냉각제를 위해 외부 방향으로 밀봉하는 유체 이송형 연결부를 형성한다. 이 경우, 유체 이송형 플랜지 연결부(19)는 유동 유입구(13)뿐만 아니라, 이로부터 분리된 유동 유출구(14)도 역시 포함한다. 달리 말하면, 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)는 탈이온 장치(10)의 연결 피스(17) 내에 통합된다. 그에 따라, 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)는 탈이온 장치(10)의 하우징[필터 팟(16)]의 동일한 쪽에 배치된다.
필터 팟(16)은 탈이온제(11)로 충전되어 있다. 탈이온제(11)는, 도시된 구체적인 실시형태에서, 이온 교환 수지 입상 재료의 충전물로서 존재한다. 입상 재료의 개별 과립제들은 바람직하게는 1 밀리미터 미만의 지름을 갖는다. 그 외에도, 필터 팟(16)의 내부에는 필터 부재(12)가 위치된다. 필터 부재(12)는, 자체의 메시(mesh) 크기가 탈이온제(11)의 입자 지름보다 작은 시브(sieve)로서 형성될 수 있다. 필터 부재(12)는, 도시된 구체적인 실시형태에서, 길이방향으로 연장되고 천공된 트랩 파이프(trap pipe)로서 구성되고 필터 팟(16)의 내부에 동축으로 배치되어 유동 유출구(14)와 연결되어 있다.
도 2b에 도시된 탈이온 장치(10)가 연료 전지 유닛(1)의 냉각 회로(5) 내에 장착된다면, 냉각제는 냉각 회로(5)로부터 연결 유닛(15)의 영역에서 유동 유입구(13)를 통해 탈이온 장치(10)의 내부로 이송된다. 여기서 냉각제는 탈이온제(11)의 둘레를 유동한다. 유동 유입구(13)를 통해 필터 팟(16)의 내부로 연속해서 압박되는 냉각제는 탈이온 장치(10)의 내부에서 유동 방향이 전환되어 필터 부재(12)를 통해 유동 유출구(14)의 방향으로 이송된다. 이 유동 유출구로부터, 냉각제는 연결 유닛(15)을 통해 이 연결 유닛의 하류에 있는 냉각 회로(5) 내로 재진입한다.
냉각제가 탈이온제(11)의 둘레를 유동한다면, 이온 교환이 수행되며, 이는 냉각제의 전도성을 증가시키는 이온들이 탈이온제(11)의 재료에 의해 화학 경로를 거쳐 (양이온의 경우) 양자들과, 또는 (음이온의 경우에는) 수산화물 이온들과 교환된다는 것을 의미한다. 탈이온제(11)는 소정의 작동 기간 후에 교환되는 이온으로 포화된다. 그 때문에 탈이온제는 교환되어야 하고 경우에 따라서는 재생되어야 한다. 탈이온제(11)의 교체 또는 교환은, 본 발명에 따른 탈이온 장치(10)의 경우, 전체 탈이온 장치(10)의 교환을 통해 수행된다. 이를 위해, 맨 먼저, 적어도 연결 유닛(15)의 영역에서 냉각제 유동이 차단된다. 이는, 예컨대 연결 유닛(15) 내부의 폐쇄 메커니즘을 통해 수행될 수 있다. 그 다음 연결 피스(17)와 연결 단부(18) 사이의 밀봉식 연결부가 분리되어, 필터 팟(16), 탈이온제(11), 필터 부재(12) 및 연결 피스(17)로 형성되는 유닛은 연료 전지 유닛(1)에서 제거된다. 후속하여, 앞서 제거된 탈이온 장치(10)와 유사한 방식으로 적어도 호환 가능한 연결 피스(17)를 포함하는, 사용하지 않은 탈이온 장치(10)가 연결 유닛(15)의 연결 단부(18)와 밀봉식으로 연결된다. 필터 팟(16)의 치수 및 그에 따른 탈이온제(11)의 양은 교환 시에 변동될 수 있다.
1: 연료 전지 유닛
1': 종래 기술에 따른 연료 전지 유닛
2: 연료 전지
3: 전기 자동차
3': 종래 기술에 따른 전기 자동차
5: 냉각 회로
5': 종래 기술에 따른 냉각 회로
10: 탈이온 장치
10': 종래 기술에 따른 탈이온 장치
11: 탈이온제
11': 탈이온제
12: 필터 부재
12': 종래 기술에 따른 필터 부재
13: 유동 유입구
13': 종래 기술에 따른 유동 유입구
14: 유동 유출구
14': 종래 기술에 따른 유동 유출구
15: 연결 유닛
15': 종래 기술에 따른 연결 유닛
16: 하우징 / 필터 팟
16': 종래 기술에 따른 하우징
17: 연결 피스
18: 연결 단부
19: 연결부 / 플랜지

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 연료 전지(2), 냉각 회로(5), 그리고 하우징(16) 및 이 하우징 내에 위치하는 탈이온제(11)를 포함하는 탈이온 장치(10)를 포함하는 연료 전지 유닛(1)에 있어서, 상기 탈이온 장치(10)는 단일 연결 유닛(15)에 의해 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)를 통해 상기 냉각 회로(5)와 유체 이송 방식(fluid conveying manner)으로 연결될 수 있거나 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 냉각제를 위한 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)가 상기 탈이온 장치(10)의 하우징(16)의 동일한 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈이온 장치(10)의 하우징(16)은 일측이 개방된 용기로서 구성되어 개방된 일측을 통해 상기 단일 연결 유닛(15)과 연결될 수 있거나 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단일 연결 유닛(15)과 상기 탈이온 장치(10) 사이의 연결부는 플러그 연결부, 회전식 연결부 또는 플러그-회전식 연결부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단일 연결 유닛(15)과 상기 탈이온 장치(10) 사이의 연결부는 나사 연결부, 베이어닛 연결부(bayonet joint) 또는 스냅인 연결부(snap-in connection)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단일 연결 유닛(15)은 상기 탈이온 장치(10)의 유동 유입구(13) 및 유동 유출구(14)를 폐쇄하고 개방하기 위한 능동형 폐쇄 메커니즘 또는 수동형 폐쇄 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈이온제(11)는 냉각제가 그 주위로 유동할 수 있는 이온 교환 수지로 된 충전물인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈이온 장치(10)는 관류될 수 있는 필터 부재(12)를 더 포함하며, 이 필터 부재는 상기 하우징(16)의 내부에 배치되어 상기 유동 유출구(14)로부터 상기 탈이온제(11)를 분리시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  9. 제2항에 있어서, 상기 냉각제는 물, 부동제 및 적어도 하나의 부식 억제제를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  10. 제1항 또는 제2항에 따르는 연료 전지 유닛(1)을 포함하는 자동차(3).
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