KR20210120043A - 기체 매체의 이송을 위한 연료 전지 시스템의 애노드 회로를 위한 이송 유닛 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

기체 매체의 이송을 위한 연료 전지 시스템의 애노드 회로를 위한 이송 유닛 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20210120043A
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transfer unit
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아르민 메르츠
알렉산더 헤로
페터 알터만
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 연료 전지(2)의 애노드 영역(38)으로부터의 기체 매체, 특히 수소의 이송을 위한 연료 전지 시스템(1)의 애노드 회로(9)를 위한 이송 유닛(3)에 관한 것이며, 이송 유닛(3)은 하나 이상의 제트 펌프(4)를 포함하고, 이송 유닛(3)은 하나 이상의 연결 라인(23, 25)에 의해 애노드 영역(38)의 출구와 적어도 간접적으로 유체 연결되고, 이송 유닛(3)은 추가 연결 라인(27)에 의해 애노드 영역(38)의 입구와 유체 연결된다. 본 발명에 따르면, 이송 유닛(3)은 구성 요소인 제트 펌프(4)에 추가하여 추가 구성 요소로서 재순환 팬(8) 및 계량 밸브(6)를 포함하며, 기체 매체를 위한 구성 요소(4, 6, 8)들의 유동 윤곽들 및/또는 구성 요소(4, 6, 8)들은 적어도 거의 완전히 공통 하우징(7) 내에 배열된다.

Description

기체 매체의 이송을 위한 연료 전지 시스템의 애노드 회로를 위한 이송 유닛 및 연료 전지 시스템
본 발명은, 특히 연료 전지 구동부를 갖는 차량에 사용하기 위해 제공되는 기체 매체, 특히 수소의 이송을 위한 연료 전지 시스템의 애노드 회로를 위한 이송 유닛에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 이송 유닛을 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
자동차 분야에서는 액체 연료와 더불어, 기체 연료도 미래에 점점 더 많은 역할을 하게 될 것이다. 특히 연료 전지 구동부를 갖는 차량에서는 수소 기체 유동이 제어되어야 한다. 이 경우, 기체 유동은 액체 연료의 분사 시에서와 같이 더 이상 불연속적으로 제어되지 않고, 가스는 하나 이상의 고압 탱크로부터 인출되어 중압 라인 시스템의 유입 라인을 통해 이송 유닛으로 안내된다. 이러한 이송 유닛은 저압 라인 시스템의 연결 라인을 통해 가스를 연료 전지로 안내한다.
DE 10 2011 105 710 B4호에는, 재순환 팬과; 가압된 기체 매체의 추진 제트에 의해 구동되는 제트 펌프;를 구비한, 기체 매체의 이송 및/또는 재순환을 위한 연료 전지 시스템용 이송 유닛이 공지되어 있으며, 연료 전지의 애노드 출구가 이송 유닛의 입구와 유체 연결되고, 이송 유닛의 출구는 연료 전지의 애노드 입구와 유체 연결된다.
DE 10 2014 105 995 A1호에는 기체 매체를 이송 및/또는 재순환하기 위한 연료 전지 시스템이 공지되어 있으며, 여기서 가압된 기체 매체는 계량 밸브에 의해 제트 펌프에 공급된다.
DE 10 2011 105 710 B4호에 공지된 이송 유닛 및 DE 10 2014 105 995 A1호에 공지된 연료 전지 시스템은 각각 특정 단점들을 가질 수 있다. 이 경우, 이송 유닛의 구성 요소들, 특히 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브는 적어도 부분적으로, 파이프 라인 형태의 유체 연결부에 의해 그리고 경우에 따라서는 추가적인 분배기 판에 의해, 내부에 위치한 채널들과 서로 연결되고 그리고/또는 연료 전지와 연결된다. 이 경우, 구성 요소들은 적어도 부분적으로, 파이프 라인에 의해 서로 연결된 별도의 모듈들로서 존재한다. 이 경우, 한편으로는, 특히 모든 3차원 공간으로 복수의 유동 편향부들 및 이에 따른 유동 손실이 발생한다. 이를 통해, 이송 유닛의 효율이 감소한다. 또한, 파이프 라인을 통한 이송 유닛의 구성 요소들의 연결은, 특히 파이프 라인들이 용접 및/또는 용접 연결된 경우, 파이프 라인들이 특히 심한 온도 변동 시에 이송 유닛의 수명에 걸쳐 밀봉 문제를 초래할 수 있다는 점에서 단점이 있다. 다른 한편으로는, 적어도 부분적으로 별도의 모듈들로서 개별 구성 요소들을 배열함으로써, 이러한 구성 요소들이 전체적으로 구조 공간 및/또는 기하학적 체적과 관련하여 큰 표면적을 형성한다는 단점이 발생한다. 이를 통해, 특히 차량 전체가 장기간 유휴 상태일 때 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브의 급속 냉각이 촉진되는데, 이는 얼음 브릿지의 형성 증가와, 이에 따라 구성 요소들 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 손상 증가를 초래할 수 있으며, 이는 다시 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 신뢰성 및/또는 수명의 감소를 초래할 수 있다. 또한, 추가의 단점은, 가능한 얼음 브릿지를 제거하기 위해, 특히 섭씨 0도 미만의 온도에서 가열 에너지 및/또는 열 에너지가 각각 개별적으로 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브에 도입되어야 하기 때문에, 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템 및/또는 차량 전체의 불량한 콜드 스타트 특성이다.
본 발명에 따라, 기체 매체, 특히 수소를 이송 및/또는 재순환하기 위한 연료 전지 시스템용 이송 유닛이 제안되며, 수소는 하기에 H2로 표시된다. 또한, 본 발명은 이러한 이송 유닛을 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 이 경우, 이송 유닛은 하나 이상의 재순환 팬을 포함하고, 이송 유닛은 하나 이상의 연결 라인에 의해 애노드 영역의 출구와 적어도 간접적으로 유체 연결되고, 이송 유닛은 추가 연결 라인에 의해 애노드 영역의 입구와 유체 연결된다.
청구항 제1항을 참조하여, 이송 유닛은, 구성 요소인 재순환 팬에 추가하여 추가 구성 요소로서 제트 펌프 및 계량 밸브를 이송 유닛이 포함하는 방식으로 형성되며, 기체 매체를 위한 구성 요소들, 즉 재순환 팬, 제트 펌프 및 계량 밸브의 유동 윤곽들 및/또는 이러한 구성 요소들은 적어도 거의 완전히 공통 하우징 내에 배열된다. 이러한 방식으로, 이송 유닛의 구성 요소들 사이, 특히 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브 사이의 직접적이고 가능한 한 짧은 유동 라인이 형성된다는 장점이 달성될 수 있다. 또한, 구성 요소들이 공통 하우징 내에 위치 설정되고, 이에 따라 서로 단거리에 위치 설정되기 때문에, 이송 유닛 내의 기체 매체의 유동 방향의 변화 및/또는 유동 편향부의 수는 가능한 한 적은 수로 감소될 수 있다. 이 경우, 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브의 유입 개구들과 유출 개구들은, 구성 요소들 사이의 가능한 한 적은 유동 편향부들 및 유동 연결부들의 가능한 한 짧은 길이가 얻어지도록, 공통 하우징 내에서 서로에 대해 배열된다. 이 경우, 유동 윤곽들은 적어도 거의 완전히 공통 하우징 내에 위치하고, 외부 파이프 라인들 및/또는 외부 분배기 판들은 적어도 거의 완전히 생략될 수 있다. 따라서, 한편으로는 밀봉 누설된 파이프 라인 시스템으로 인한 밀봉 누설이 감소될 수 있는데, 이는 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 고장 가능성을 감소시킨다. 다른 한편으로는, 이에 따라 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템 내의 마찰 손실 및/또는 유동 손실이 감소될 수 있음으로써, 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 효율이 개선될 수 있다.
또한, 바람직한 방식으로, 구성 요소들 및/또는 구성 요소들의 유동 윤곽들을 적어도 거의 완전히 공통 하우징 내에 배열함으로써, 특히 구성 요소들, 즉 재순환 팬, 제트 펌프 및 계량 밸브를 포함하는 이송 유닛의, 구조 공간 및/또는 기하학적 체적과 관련한 전체 표면적이 감소될 수 있도록 보장된다. 따라서, 특히 차량 전체가 장기간 유휴 상태일 때, 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브의 급속 냉각이 방지되는 장점이 달성되는데, 이는 얼음 브릿지 형성의 감소 및/또는 방지를 유도한다. 이 경우, 바람직한 방식으로, 작동 시에 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및/또는 제트 펌프 및/또는 계량 밸브가, 예를 들어 전기 액추에이터 시스템 및/또는 자기 액추에이터 시스템을 통해 열을 발생시키는 효과가 사용되며, 이러한 열은 공통 하우징 내의 모든 구성 요소들의 냉각 방지를 위해 사용될 수 있다. 또한, 이송 유닛의 체적이 전체적으로 감소되도록 공통 하우징 내에 구성 요소들을 배열함으로써, 특히 차량 전체가 장기간 유휴 상태일 때 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 개선된 콜드 스타트 능력이 달성될 수 있는데, 이는 더 적은 질량이 가열되면 되고, 공통의 하우징을 가열하기 위해 개별 구성 요소들의 기존 열이 사용될 수 있기 때문이다. 이 경우, 또한 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 고장 가능성이 감소될 수 있으며, 수명이 연장될 수 있다.
종속항들에 제시된 조치들을 통해, 제1항에 명시된 이송 장치의 바람직한 개선예들이 가능하다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 개선예들에 관한 것이다.
바람직한 일 실시예에 따라, 재순환 팬은, 압축기 휠의 회전축에 대해 회전 대칭으로 연장되는, 주연부에 걸친 외부 제한 링을 구비한 압축기 휠을 포함하고, 이송 유닛의 하우징 내의, 회전축 반대편의 압축기 휠의 측면에는 적어도 부분적으로 캡슐화된 분리 챔버 및/또는 배출 채널이 위치한다. 또한, 성분 H2O 및/또는 성분 N2는 재순환 팬 내의 기체 매체로부터 분리되고, 이러한 분리는 특히 재순환 팬 내의 원심 원리에 의해 실행된다. 이러한 방식으로, 한편으로는, 하우징 내의 외부 영역, 특히 분리 챔버에 대한 하나 이상의 측면 채널 및/또는 이송 셀의 적어도 부분적인 캡슐화가 실행된다는 장점이 달성될 수 있다. 따라서, 재순환 팬의 효율 및 그에 따라 이송 유닛의 효율이 개선될 수 있다. 다른 한편으로는, 무거운 성분들이, 재순환 팬의 압축기 챔버로부터, 특히 압축기 휠의 외부 제한 링과 하우징 사이에 위치한 분리 챔버 내로 배출될 수 있고 그리고/또는 추가로 재순환 팬의 하우징 및 연료 전지 시스템 밖으로 배출될 수 있는 장점이 달성될 수 있다. 이는, 기체 매체 내 H2의 비율 및/또는 농도는 상승될 수 있는 반면, 기체 매체 내 무거운 성분, 특히 H2O 및/또는 N2의 비율 및/또는 농도는 감소될 수 있으므로, 재순환 팬 및/또는 연료 전지 시스템의 효율 상승이 전체 수명 동안 유지될 수 있다는 장점을 제공한다. 또한, 압축기 챔버의 영역으로부터의 무거운 성분들의 추출을 통해서는, 연료 전지 시스템의 스위치 오프 상태에서 그리고 주변 온도가 낮을 때, 이동 가능한 부품들 사이에, 특히 압축기 휠과 하우징 사이에 소위 얼음 브릿지가 형성되는 것이 방지된다는 장점이 달성된다. 이러한 유형의 얼음 브릿지는 연료 전지 시스템, 특히 재순환 팬의 스타트를 더 어렵게 만들거나 완전히 저지시킬 것이다. 따라서, 재순환 팬의 본 발명에 따른 구성을 통해, 얼음 브릿지 형성으로 인한 재순환 팬 및/또는 구동부, 특히 전기 구동부의 회전 부품들의 손상이 방지될 수 있다. 이는 연료 전지 시스템 및/또는 차량의 더 높은 신뢰성으로 이어진다. 무거운 성분들의 추출을 위해 원심 원리를 사용함으로써, 이러한 성분들, 즉 H2O 및/또는 N2가 매체, 특히 H2로부터 거의 완전히 분리될 수 있는 방식으로 분리 프로세스가 개선된다는 장점이 달성될 수 있다. 이를 통해, 가능한 한 높은 비율의 H2가 연료 전지로 재유동되도록 보장될 수 있음으로써, 한편으로는 연료 전지의 효율 및/또는 성능이 향상될 수 있다. 또한, 성분들 H2O 및/또는 N2을 성분 H2로부터 분리하기 위하여, 특히 연료 전지 시스템 및/또는 상위 시스템으로부터 추가 에너지가 제공될 필요가 없고 그리고/또는 단지 소량의 에너지만 제공되면 된다는 장점이 달성될 수 있다. 따라서, 원심 원리를 수단으로 하는 재순환 팬을 통한 분리 프로세스의 최적 효율을 달성할 수 있도록 하기 위하여, 매체 내로의 에너지, 특히 운동 에너지의 추가적인 도입이 더 이상 필요하지 않다. 이를 통해, 연료 전지 시스템의 효율이 증가될 수 있고, 운영 비용은 감소될 수 있다.
이송 유닛의 바람직한 일 실시예에 따라, 재순환 팬과 제트 펌프는, 재순환 팬의 압축기 휠의 회전축이 제트 펌프의 종축에 대해 적어도 대략 수직으로 연장되는 방식으로 공통 하우징 내에서 서로에 대해 배열된다. 또한, 재순환 팬의 기체 배출 개구는 제트 펌프의 제1 유입부 및/또는 흡입 영역으로 직접적으로 이어지고, 이 경우 통합된 유동 채널을 형성한다. 또한, 통합된 유동 채널은 공통 하우징 내에서 만곡부를 형성할 수 있으며, 재순환 팬과 제트 펌프 사이에서의 기체 매체의 편향 및/또는 유동 안내는 오로지 만곡부의 영역에서만 실행된다. 이는, 유동 라인의 길이 및/또는 유동 편향부의 수로 인한 이송 유닛 내에서의 유동 손실 및/또는 압력 손실이 감소될 수 있다는 장점을 제공한다. 또한 재순환 팬 및 제트 펌프 내에서의 유동 안내가 평행한 평면들에서 진행되는 것이 바람직하며, 이러한 바람직한 효과는, 특히 재순환 팬 내의 기체 매체에 와류 에너지가 인가되는 재순환 팬으로부터의 유출 시에 기체 매체가 만곡부의 영역을 통하여, 이러한 영역에서의 그리고/또는 제트 펌프의 혼합 파이프의 영역에서의 운동량 전이(momentum transfer) 및/또는 제트 펌프 효과가 개선될 수 있는 방식으로, 바람직하게는 제트 펌프의 흡입 영역 내로 도입됨으로써 개선될 수 있다. 또한, 기체 매체의 유동 편향부가 추가로 감소됨으로써, 이송 유닛 내부의 유동 손실이 추가로 감소될 수 있다. 이 경우, 만곡부의 영역에서의 통합된 유동 채널의 기하학적 형상은 마찰을 감소시키도록 구성된다. 이를 통해, 특히 연료 전지 시스템의 거의 모든 작동점들 및/또는 압력 조건들에서 이송 유닛의 효율이 개선될 수 있고, 이송 유닛의 작동을 위한 에너지 소비는 감소될 수 있다. 또한, 구성 요소들, 즉 재순환 팬 및 제트 펌프의 서로에 대한 배열에 의하여 이송 유닛의 콤팩트한 구조 형상이 유도될 수 있으므로, 이송 유닛이 특히 차량 전체 내에 더 적은 구조 공간을 필요로 한다는 장점이 달성될 수 있다.
또한, 이송 유닛의 본 발명에 따른 구성을 통하여, 이송 유닛의 조립을 위해 필요한 구성 요소의 수가 감소될 수 있는데, 이는 다시 이송 유닛의 비용 절감으로 이어진다. 또한, 이송 유닛의 불완전하게 서로에 대해 정렬된 구성 요소들로 인한 조립 오류의 가능성이 감소되는데, 이는 다시 작동 중 이송 유닛의 고장 가능성을 감소시킨다.
연료 전지 시스템의 특히 바람직한 일 실시예에 따라, 애노드 회로 내의 기체 매체로부터의 성분 H2O 및/또는 성분 N2의 분리는 재순환 팬에 의해 그리고/또는 분리기에 의해 실행된다. 이를 통해, 바람직한 방식으로, 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)의 조기의 그리고 신속한 분리가 유도될 수 있도록 보장됨으로써, 연료 전지 시스템의 효율은 향상되는데, 이는 무거운 성분들이 가능한 한 단시간 동안만 애노드 회로를 통해 함께 이송되면 되기 때문이며, 효율의 감소는, 기체 매체 내의 무거운 성분들의 비율에 대하여 더 적은 H2가 이송될 수 있고 이러한 무거운 성분들이 더 높은 질량을 갖기 때문에 야기될 것이다. 또한, 재순환 팬 및 분리기가 애노드 회로로부터 무거운 성분들을 분리 및/또는 추출하기 위해 사용되는 연료 전지 시스템의 예시적인 일 실시예에서는, 특히 이러한 구성 요소들이 직렬 접속된 경우, 누적 효과가 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 연료 전지 시스템의 효율이 추가 상승될 수 있다.
연료 전지 시스템의 바람직한 일 실시예에 따라, 분리기는 유동 방향(V)으로 이송 유닛의 상류에 놓이도록 애노드 회로 내에 배열되고, 애노드 영역은 제1 연결 라인에 의해 분리기와 유체 연결되며, 분리기는 제2 연결 라인에 의해 이송 유닛과 유체 연결되고, 이송 유닛은 제3 연결 라인에 의해 애노드 영역과 유체 연결된다. 또한, 리턴 라인을 통해, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬으로부터 분리기 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행될 수 있다. 이 경우, 이송 유닛의 하우징 내의, 회전축 반대편의 압축기 휠의 측면에 각각 위치하고 적어도 부분적으로 캡슐화된 분리 챔버 및/또는 배출 채널은 리턴 라인을 통해 적어도 간접적으로 분리기의 수집 용기와 유체 연결된다. 또한, 분리 챔버 및/또는 배출 채널은 분리기의 수집 용기로의 증가된 압력 수준을 형성하고, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬으로부터 분리기 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행된다. 이러한 방식으로, 재순환 팬 내의 회전 운동으로부터 기체 매체에 인가되는 증가된 압력 수준 및/또는 원심력은, 분리 챔버로부터 배출 채널 및/또는 리턴 라인을 거쳐 분리기의 수집 용기 내로의 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)의 개선된 배출을 유도하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 배출 채널 및/또는 리턴 라인에 의해 무거운 성분들을 이송 유닛으로부터 분리기의 수집 용기 내로 분리 유도하기 위하여, 특히 분리 챔버 내 압력이 수집 용기에 비해 더 높게 되는 압력 구배가 사용된다. 또한, 분리 챔버와 수집 용기 사이의 상술한 압력 구배 및/또는 리턴 라인을 통해서는, 수집 용기 내에 위치한 H2가 특히 제2 연결 라인을 통해 애노드 회로로 재이송되는 과정이 개선될 수 있다. 따라서, 물 분리기의 사용 및 각각의 배열을 통해서는, 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 효율이 증가될 수 있다는 장점이 달성될 수 있다.
또한, 리턴 라인에 의한 분리기와 이송 유닛의 직접적 연결을 통하여, 이송 유닛으로부터의 물 분리율의 향상이 유도될 수 있으므로, 이송 유닛 내의 물은 차량 전체가 장기간 유휴 상태일 때도 그리고 특히 0°C 미만의 저온에서도, 이송 유닛 및/또는 연료 전지 시스템, 특히 멤브레인을 손상시킬 수 있는 얼음 브릿지를 형성할 수 없다. 또한, 연료 전지 시스템의 본 발명에 따른 실시예는, H2O 및/또는 N2의 배출에 사용되는, 특히 이송 유닛에 위치하는 퍼지 밸브가 불필요하도록 하므로, 애노드 회로로부터의 더 적은 압력 손실 및/또는 H2 손실이 발생하고, 또한 더 적은 구성 요소들이 필요하므로, 전체 연료 전지 시스템의 재료 비용 및/또는 제조 비용이 절감될 수 있다.
연료 전지 시스템의 바람직한 일 개선예에 따라, 수집 용기는 배출 밸브를 포함하며, 배출 밸브는 목적한 바대로의 사용 시에 낮은 측지 높이에서 수집 용기 내에 배열되고, 애노드 회로의 영역으로부터의 전체 H2O 및/또는 N2의 분리 유도는 배출 밸브를 통해 실행된다. 이 경우, 제2 연결 라인은 높은 측지 높이에서 수집 용기 내에 배열된다. 이를 통해, 바람직한 방식으로, 특히 분리기의 수집 용기 내에서 잔여 기체 매체로부터 분리되는, 기체 매체의 무거운 성분들, 특히 H2O 및/또는 N2가 중력의 사용 하에 배출 밸브 부근의 낮은 측지 높이의 영역에서 수집되도록 보장된다. 이 경우, 이후 무거운 성분들은 배출 밸브를 통해 그리고 추가로 배출부를 통해 분리기로부터 그리고 이에 따라 애노드 회로로부터 추출될 수 있으며, H2가 적어도 거의 전혀 함께 분리 유도되지 않고, 이에 따라 연료 전지 시스템에 의한 에너지 생성을 위해 소실되지 않는다. 또한, 바람직한 방식으로, 특히 분리기의 수집 용기 내에서 잔여 기체 매체로부터 분리되는, 기체 매체의 가벼운 성분, 특히 H2가 중력의 사용 하에, 특히 제2 연결 라인 부근의 높은 측지 높이의 영역에서 수집되도록 보장된다. 이 경우, 이후 가벼운 성분들은 분리기의 수집 용기로부터 추출되고, 애노드 회로의 제2 연결 라인 내로 도입될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 효율이 개선될 수 있다.
연료 전지 시스템의 특히 바람직한 일 실시예에 따라, 애노드 영역으로부터 나오는 유입 기체 매체가, 가벼운 성분(H2)은 제2 연결 라인의 방향으로 배향되고 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)은 저장기의 방향으로 배향되도록 편향되고 그리고/또는 분할되는 방식으로, 분리 에지가 수집 용기 내에 배열된다. 이는, 분리기, 특히 수집 용기 내에서 가벼운 성분들로부터의 무거운 성분의 분리 및 분리 유도가 달성될 수 있는 장점을 갖고, 연료 전지 시스템의 효율은 개선될 수 있다. 또한, 분리 에지에 의해서는, 가벼운 성분(H2)은 수집 용기의 높은 측지 높이로 안내되는 반면, 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)은 낮은 측지 높이의 영역으로 안내되는 장점이 달성될 수 있으며, 분리 프로세스는 분리 에지에 의하여, 제1 연결 라인 내에 존재하는 압력과, 제1 연결 라인으로부터 수집 용기로 유입되어 분리 에지에 충돌하는 기체 매체의 유동 속도를 통해 강화된다. 따라서, 분리기 내의 유동 손실 및/또는 압력 손실이 낮게 유지되고, 연료 전지 시스템의 효율은 개선될 수 있다.
특히 바람직한 일 개선예에 따라, 리턴 라인은 차단 밸브를 포함하고, 차단 밸브는 재순환 팬과 분리기, 특히 수집 용기 사이에 위치한다. 이 경우, 제1 센서 시스템 및/또는 제2 센서 시스템은 제어 장치와 연결되고, 특히 제1 센서 시스템은 분리기의 매개변수를 연속적으로 검출하고, 제2 센서 시스템은 재순환 팬의 매개변수를 연속적으로 검출한다. 이 경우, 제어 장치는 특히 각각의 센서 시스템에 의해 검출된 매개변수에 기초하여 배출 밸브 및/또는 차단 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 이러한 방식으로, 센서 시스템에 의해 검출된 데이터에 기초한 배출 밸브 및/또는 차단 밸브의 활성화, 특히 개방 및 폐쇄에 의하여, 가능한 한, 기체 매체 내의 무거운 성분들의 특정 농도가 센서 시스템에 의해 확인되고 그리고/또는 연료 전지 시스템의 다양한 영역들 내의 특정 압력 수준 및/또는 온도 수준이 확인 및/또는 초과될 때마다, 무거운 성분들은 연료 전지 시스템의 애노드 회로로부터 그리고/또는 분리 챔버로부터 추출될 수 있다는 장점이 달성될 수 있다. 또한, 무거운 성분들을 가능한 한 효율적으로 그리고 적어도 거의 추가 에너지 소비없이 애노드 회로로부터 추출하기 위해 그리고/또는 상응하는 분리를 달성하기 위하여, 애노드 회로, 특히 이송 유닛 및/또는 재순환 팬 및/또는 제1 연결 라인 및/또는 제2 연결 라인으로부터의, 기존에 존재할 수도 있는 압력 구배 및/또는 유동 및/또는 질량 유동이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 연료 전지 시스템의 효율이 상승될 수 있다.
본 발명은 본원에 설명된 실시예들 및 그에 제시된 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구항들에 의해 명시된 범위 내에서, 전문가적 조치의 범주에 있는, 청구항들에 설명된 특징들 및/또는 장점들의 복수의 변형예들 및/또는 조합들이 가능하다.
본 발명은 도면을 참조하여 하기에 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 이송 유닛 및 분리기를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 분리기의 개략적인 단면도이고,
도 3은 하우징 내의 재순환 팬, 제트 펌프 및 계량 밸브 중 하나를 갖는 이송 유닛의 사시 단면도이고,
도 4는 도 3에서 II로 표시된, 재순환 팬의 압축기 챔버의 부분도이고,
도 5는 도 4에서 III으로 표시된, 분리 챔버의 부분도이다.
도 1은 이송 유닛(3) 및 분리기(10)를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
이 경우, 도 1에는 연료 전지 시스템(1)이 연료 전지(2)를 포함하는 것이 도시되고, 연료 전지(2)는 애노드 영역(38) 및 캐소드 영역(40)을 포함한다. 이 경우, 연료 전지(2)의 애노드 영역(38)은 애노드 회로(9)와 연결되고, 애노드 회로(9)는 분리기(10), 이송 유닛(3) 및 탱크(42)를 포함한다. 이 경우, 분리기(10)는 유동 방향(V)으로 이송 유닛(3)의 상류에 놓이도록 애노드 회로(9) 내에 배열되고, 애노드 영역(38)은 제1 연결 라인(23)에 의해 분리기(10)와 유체 연결되며, 분리기(10)는 제2 연결 라인(25)에 의해 이송 유닛(3)과 유체 연결되고, 이송 유닛(3)은 제3 연결 라인(27)에 의해 애노드 영역(38)과 유체 연결된다. 또한, 이송 유닛(3)은 재순환 팬(8), 제트 펌프(4) 및 계량 밸브(6)를 포함하며, 계량 밸브(6)는 탱크(42)와 제트 펌프(4) 사이에 위치한다. 예시적인 일 실시예에서, 계량 밸브(6)는 적어도 거의 직접적으로 제트 펌프(4)와 연결되며, 계량 밸브(6)가 제트 펌프(4)에 통합되도록 형성되었기 때문에 두 구성 요소들 사이에 외부 파이프 라인이 존재하지 않거나, 또는 이러한 외부 파이프 라인은 파이프 라인을 통한 유동 손실을 회피하기 위해 가능한 한 짧게 형성된다.
이 경우, 이송 유닛(3)의 재순환 팬(8)은 연료 전지(2)로부터 나오는 미사용 재순환물을 제1 유입부(28)를 통해 제트 펌프(4) 내로 이송한다. 또한, 특히 추진 매체인 가압된 H2는 계량 밸브(6)에 의해 유동 방향(VII)으로 제트 펌프(4)에 공급되고, 제2 유입부(36)를 통해 제트 펌프(4) 내로 유입된다. 또한, 기체 매체로부터 성분 H2O 및/또는 성분 N2를 분리하는 것은 애노드 회로(9)에서 재순환 팬(8) 및/또는 분리기(10)에 의해 실행된다. 이 경우, 재순환 팬(8)은 리턴 라인(21)에 의해 분리기(10)와 연결된다. 이 경우, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬(8)으로부터 분리기(10) 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행될 수 있다. 또한, 리턴 라인(21)은 차단 밸브(26)를 포함하며, 차단 밸브(26)는 재순환 팬(8)과 분리기(10), 특히 분리기(10)의 수집 용기(31) 사이에 위치한다. 또한, 분리기의 수집 용기(31)에는 배출 밸브(44)가 있으며, 이러한 배출 밸브에 의해서는 기체 매체로부터 분리된 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)이 애노드 회로(9) 및/또는 연료 전지 시스템(1)으로부터 분리 유도될 수 있다.
또한, 도 1에는, 제1 센서 시스템(22) 및/또는 제2 센서 시스템(24)이 제어 장치(14)와 연결되어 있는 것이 도시되고, 특히 제1 센서 시스템(22)은 연속적으로 분리기(10)의 매개변수를 검출하며, 제2 센서 시스템(24)은 연속적으로 재순환 팬(8)의 매개변수를 검출하고, 제어 장치(14)는 특히 센서 시스템(22, 24)에 의해 검출된 매개변수에 기초하여 배출 밸브(44) 및/또는 차단 밸브(26)의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 이 경우, 예를 들어, 검출된 매개변수는 예컨대 H2, H2O, N2 및/또는 오염 입자와 같은 기체 매체의 다양한 성분들의 압력, 온도, 체적 유량, 농도일 수 있다. 이 경우, 센서 시스템(22, 24)은 예를 들어 이송 유닛(3)에 직접 장착될 수도 있다. 예를 들어 메모리 유닛을 구비한 CPU의 형태의, 제어 장치(14)에 저장된 상응하는 로직 또는 연산 방법에 의해, 애노드 회로(9) 및/또는 연료 전지 시스템(1)으로부터의 무거운 성분들의 최적의 배출이 실행될 수 있도록, 검출된 데이터에 기초하여 밸브(26, 44)들의 상응하는 활성화 및/또는 개방 및/또는 폐쇄가 실행될 수 있으며, 가벼운 성분(H2)은 가능한 한 최대량이 다시 애노드 회로(9)로 복귀될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 분리기(10)의 개략적인 단면도를 도시한다. 이 경우, 분리기(10)는 수집 용기(31)를 포함하고, 수집 용기(31)는 리턴 라인(21) 및/또는 제1 연결 라인(23) 및/또는 제2 연결 라인(25)에 의해 연료 전지 시스템(1)의 애노드 회로(9) 및/또는 예를 들어 재순환 팬(8)과 같은 연료 전지 시스템(1)의 다양한 구성 요소들과 연결된다. 또한, 수집 용기(31)는, 무거운 성분들, 특히 H2O 및/또는 N2가 주변 환경으로 배출되거나 연료 전지 시스템(1)의 캐소드 회로로 복귀되도록 하는 배출부(32) 및/또는 배출 밸브(44)를 포함한다. 이 경우, 배출 밸브(44) 및/또는 배출부(32)는, 특히 중력에 의해 무거운 성분들을 수집 용기(31)의 이러한 영역으로 안내하고 그리고/또는 수집하기 위해, 예를 들어 낮은 측지 높이에서 수집 용기(31) 내에 배열된다. 이 경우, 애노드 회로(9)의 영역으로부터의 전체 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 배출 밸브(44)를 통해 실행될 수 있다. 이 경우, 수집 용기(31) 내의 낮은 측지 높이의 영역은 저장기(18)라고 불린다. 이 경우, 저장기(18) 윗쪽에서, 배출 밸브(44) 반대편의 저장기(18)의 측면에는 저장기(18)의 넘침 방지부로서 사용되는 하나 이상의 벽부가 위치할 수 있다. 반면, 이 경우 제2 연결 라인(25)은 수집 용기(31)의 반대편 측면에서, 예를 들어 수집 용기(31)의 높은 측지 높이에 배열될 수 있다.
또한, 도 2에는, 애노드 영역(38)으로부터 나와 제1 연결 라인을 통해 유입되는, 특히 재순환물인 유입 기체 매체가, 가벼운 성분(H2)은 제2 연결 라인(25)의 방향으로 배향되고 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)은 저장기(18)의 방향으로 배향되도록 편향되고 그리고/또는 분할되는 방식으로, 분리 에지(37)가 수집 용기(31) 내에 배열되는 것이 도시된다. 이 경우, 가벼운 구성 요소들이 분리 에지(37)의 상부 영역으로, 특히 제2 연결 라인(25)을 향한 분리 에지(37)의 측면으로 배향되도록 하는, 기체 매체에 대한 중력의 효과가 활용되며, 무거운 성분들은 자신들의 더 큰 질량으로 인해 분리 에지(37)의 하부 영역으로, 특히 저장기(18)를 향한 분리 에지(37)의 측면으로 배향된다. 분리 에지(37)에 의해서는, 각각의 성분들이 각각 수집 용기(31) 내의 높은 측지 높이의 영역 또는 낮은 측지 높이의 영역으로 편향을 실행하기 때문에, 무거운 성분들로부터의 가벼운 성분들의 분리가 가속화된다. 또한, 예시적인 실시예에서 수집 용기(31) 내의 높은 측지 높이의 영역, 특히 수집 용기(31)가 제2 연결 라인(25)에 유체 연결되는 영역에는 멤브레인 챔버(33)가 위치하는 것이 도시된다. 이 경우, 멤브레인 챔버(33)는 특히 멤브레인 삽입부(35)를 포함한다. 이 경우, 멤브레인 삽입부(35)는 반투과성 멤브레인으로 형성되며, 매체의 가벼운 성분(H2)은 멤브레인을 통과하여 이동할 수 있는 반면, 멤브레인을 통한 성분 H2O 및/또는 N2의 이동은, 특히 분자 크기로 인해 불가능하다. 이 경우, 수집 용기(31)로부터 제2 연결 라인(25)에 도달해야할 기체 매체는 멤브레인 챔버(33) 및/또는 멤브레인 삽입부(35) 및/또는 멤브레인을 통과해야 한다. 또한, 본 발명에 따른 분리기(10)의 구성으로 인해, 중력의 활용으로 인해 수집 용기(31) 내의 기체 매체의 성분들의 성층이 달성되는 장점이 달성될 수 있다.
또한, 도 2에는, 분리기(10)가 제1 센서 시스템(22)을 포함하는 것이 도시되며, 제1 센서 시스템(22)은 연속적으로 수집 용기(31)로부터의 매개변수를 검출하고, 제1 센서 시스템(22) 및/또는 제어 장치(14)는 검출된 데이터를 평가 및/또는 처리하며 그리고/또는 CPU에 의하여 연산을 통해 평가하고, 제어 장치(14)에 의해서는 배출 밸브(44)가 작동된다. 예시적인 추가의 일 실시예에서, 센서 시스템(22)은 저장기(18)의 영역의 분리기(10)의 충전 레벨도 검출할 수 있고, 이러한 검출된 데이터를 특히 CPU 및/또는 제어 장치(14)에 의한 평가를 위해 사용할 수 있으므로, 특정 충전 레벨이 초과되는 경우, 예를 들어 배출 밸브(44)는 작동되고, 이로 인해 저장기(18)는 비워진다. 이 경우, 제어 장치(14)에 의한 배출 밸브(44)의 작동은 기계적으로 그리고/또는 전기적으로 그리고/또는 전자적으로 그리고/또는 추가의 방식으로 실행될 수 있으며, 배출 밸브(44)의 완전한 그리고/또는 부분적인 개방 또는 폐쇄가 가능하다. 이러한 유형의 활성화는 유사한 방식 및/또는 일치하는 방식으로 제어 장치(14)에 의해 제2 센서 시스템(24) 및 도 2에 도시되지 않은 차단 밸브(26)에도 적용된다.
도 3은 재순환 팬(8), 제트 펌프(4) 및 계량 밸브(6)를 갖는 이송 유닛(3)의 사시 단면도를 도시한다. 이 경우, 이송 유닛(3)이, 구성 요소인 제트 펌프(4)에 추가하여 추가 구성 요소로서 재순환 팬(8) 및 계량 밸브(6)를 포함하는 것이 도시되며, 기체 매체를 위한 구성 요소(4, 6, 8)들의 유동 윤곽들 및/또는 이러한 구성 요소(4, 6, 8)들은 적어도 거의 완전히 공통 하우징(7) 내에 배열된다. 예시적인 실시예에서, 이 경우 하우징은 2부재형으로, 3부재형으로 또는 다부재형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 개별 부품들은 특히 동일한 재료로 이루어지고 그리고/또는 적어도 대략적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 이 경우, 재순환 팬(8)은 구동부(47), 특히 전기 구동부(47)를 가지며, 이러한 구동부는 구동축에 의해 적어도 카르단식으로, 회전축(48)을 중심으로 회전 가능한 압축기 휠(12)과 연결된다. 토크가 구동부(47)로부터 압축기 휠(12)로 전달되자마자, 압축기 휠(12)은 회전 운동으로 전환되고, 하나 이상의 이송 셀(20)은 하우징(7) 내의 압축기 챔버(30)를 통해 회전축(48)을 중심으로 하는 회전 운동으로 이동한다. 이 경우, 각각 항상 하나의 이송 셀(20)이 압축기 휠(12)의 2개의 블레이드(5)들 사이에 배열된다. 이 경우, 이미 압축기 챔버(30) 내에 위치한 기체 매체는 하나 이상의 이송 셀(20)을 통해 함께 이동되고, 이 경우 이송되고 그리고/또는 압축된다. 또한, 하나 이상의 이송 셀(20)과 하나 이상의 측면 채널(19) 사이에서의 기체 매체의 이동, 특히 유동 교환이 실행된다. 이 경우, 작동 중에 순환 유동이 하나 이상의 측면 채널(19) 내에 형성될 수 있다는 것이 이송 작용을 위해 중요하다.
제2 유입부(36)에 의해, 계량 밸브(6)에는 가압된 추진 매체가 공급되며, 이러한 추진 매체는 노즐을 통한 계량 밸브(6)의 개방 및 폐쇄에 의해 흡입 영역(11)에 공급되고, 그곳에서 재순환 팬(8)으로부터 나오는 재순환물과 만난다. 이 경우, 제트 펌프(4)는, 특히 자신의 종축(50)을 따라 연장되는 유동 방향(VIII)으로, 흡입 영역(11), 혼합 파이프(13), 및 원추형으로 연장되는 확산기 영역(15), 그리고 배출 굴곡부(17)를 포함하며, 이러한 배출 굴곡부는 제3 연결 라인(27)과 연결된다. 이 경우, 제트 펌프(4) 내에는 소위 제트 펌프 효과가 발생한다. 이를 위해, 제2 유입부(36)를 통해 외부로부터, 특히 탱크(42)로부터 기체 추진 매체, 특히 H2가 계량 밸브(6) 내로 유입된다. 이제, 추진 매체는 계량 밸브(6)의 개방에 의하여 특히 고압 하에 흡입 영역(11) 내로 도입된다. 이 경우, 기체 추진 매체는 유동 방향(VIII)으로 유동한다. 제2 유입부(36)로부터 흡입 영역(11) 내로 유동하고 추진 매체로서 사용되는 H2는, 제1 유입부(28)로부터 흡입 영역(11) 내로 유입되는 재순환 매체에 대해 압력차를 가지며, 추진 매체는 특히 10바아 이상의 더 높은 압력 하에 있다. 제트 펌프 효과가 나타나도록, 재순환 매체는 낮은 압력 및 낮은 질량 유동으로 제트 펌프(4)의 흡입 영역(11) 내로 이송된다. 이 경우, 추진 매체는 상술한 압력차로, 그리고 특히 음속에 가까운 고속으로 계량 밸브(6)를 통해 흡입 영역(11) 내로 유입된다. 이 경우, 추진 매체는, 이미 흡입 영역(11)에 위치한 재순환 매체를 만난다. 추진 매체와 재순환 매체 사이의 큰 속도차 및/또는 압력차로 인해, 매체들 사이에 내부 마찰 및 난류가 생성된다. 이 경우, 빠른 추진 매체와 훨씬 더 느린 재순환 매체 사이의 경계층 내에 전단 응력이 생성된다. 이러한 응력은 운동량 전이를 야기하며, 재순환 매체는 가속되고, 휩쓸려간다. 이러한 혼합은 운동량 보존의 원리에 따라 발생한다. 이 경우, 재순환 매체는 유동 방향(VI)으로 가속되고, 재순환 매체에 대해서도 압력 강하가 발생함으로써, 흡입 작용이 사용되고, 이에 따라 추가 재순환 매체가 제1 유입부(28) 및/또는 재순환 팬의 영역으로부터 추가 이송된다. 계량 밸브(6)의 개방 기간 및 개방 빈도를 변경 및/또는 조절함으로써, 재순환 매체의 이송률은 조절될 수 있으며, 작동 상태 및 작동 요건에 따른 전체 연료 전지 시스템(11)의 각각의 요구에 매칭될 수 있다.
또한, 도 3에는, 하우징(7) 내의 이송 유닛(3)의 구성 요소(4, 6, 8)들이 각각 서로에 대해 콤팩트하게 배열되는 것이 도시되어 있다. 이 경우, 재순환 팬(8) 및 제트 펌프(4)는, 재순환 팬(8)의 압축기 휠(12)의 회전축(48)이 적어도 대략적으로 제트 펌프(4)의 종축(50)에 수직으로 연장되도록, 공통 하우징(7) 내에 서로에 대해 배열된다. 이러한 방식으로, 한편으로는 이송 유닛(3)의 표면적 및/또는 차량 내의 필요한 구조 공간이 감소될 수 있다. 다른 한편으로, 구성 요소(4, 6, 8)들의 유동 윤곽들은, 예를 들어 재순환 팬(8)의 기체 배출 개구(16)가 거의 직접적으로, 특히 만곡부(43)를 갖는 유동 최적화된 통합식 유동 채널(41)을 통해 제트 펌프(4)의 제1 유입부(28) 및/또는 흡입 영역(11) 내로 유동할 수 있도록 공간 절약식으로 서로에 대해 배열될 수 있으며, 재순환 팬(8)과 제트 펌프(4) 사이에서의 기체 매체의 편향 및/또는 유동 안내는 오로지 만곡부(43)의 영역에서만 실행된다. 따라서, 구성 요소(4, 6, 8)들의 연결을 위해 추가 파이프 라인이 적어도 거의 필요하지 않다. 또한, 제2 센서(24) 및/또는 저압 센서(45)는 하우징(7) 내에 공간 절약식으로 그리고/또는 통합식으로 배열됨으로써, 구조 공간이 덜 요구된다.
바람직한 방식으로, 특히 열 전도성 재료로 구성된 구동부(47)는 가열될 수 있는데, 이는 특히 이송 유닛(3) 및/또는 차량의 콜드 스타트 절차에서 바람직하다. 이 경우, 구동부(47)는 가열되고, 예를 들어 자신의 열 전도성으로 인해 열 에너지를 압축기 휠(12) 및 이송 유닛(3)의 추가 구성 요소들 및/또는 하우징(7)으로 전달한다. 특히 더 긴 기간에 걸쳐 그리고/또는 빙점 미만의 낮은 주변 온도에서 이송 유닛(3) 및/또는 차량이 스위치 오프될 때, 액체는 응결되고, 얼음 브릿지가 형성된다. 이러한 얼음 브릿지는 시동 및/또는 스타트 및/또는 작동 시에 이송 유닛(3) 및/또는 연료 전지 시스템(1)의 손상을 초래할 수 있다. 구동부(47)의 가열을 통해, 얼음 브릿지는 융해되고, 굳은 응집 상태로부터 유동적인 응집 상태로의 액체 변환이 이루어지며, 배출될 수 있다. 이 경우, 바람직하게 구동부(47)의 배열은, 하우징(7)으로의 열 도입이 가능한 한 신속하고 효율적으로 진행되도록 실행된다. 이 경우, 또한 통합된 하우징의 특정 형상 및 하우징용 복합 재료의 사용이, 개선된 열 전도성을 유도할 수 있다. 대안적으로, 예시적인 일 실시예에서는, 통합된 하우징(7)의 가열 또는 냉각을 위한 연료 전지(2), 특히 스택으로부터의 열적 효과의 이용이 적용될 수 있다. 또한, 계량 밸브(6)의 액추에이터 시스템이 열원으로서 사용될 수 있으며, 바람직한 방식으로 구동부(47)에 유사하게 작용한다.
도 4에는, 도 3에서 II로 표시된, 압축기 휠(12)을 구비한 재순환 팬(8)의 압축기 챔버(30)의 부분도가 도시된다. 이 경우, 압축기 휠(12)이, 압축기 휠(12)의 회전축(48)에 대해 회전 대칭으로 연장되는, 주연부에 걸친 외부 제한 링(39)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 이 경우, 재순환 팬 및/또는 이송 유닛(3)의 하우징(7) 내의, 회전축(48) 반대편의 압축기 휠(12)의 측면에는 적어도 부분적으로, 특히 하나 이상의 측면 채널(19)에 의해 캡슐화된 분리 챔버(34) 및/또는 배출 채널(46)이 위치한다. 또한, 압축기 휠(12)은 대칭축(49)에 대해 대칭으로 형성되고, 대칭축(49)은 회전축(48)에 대해 직각으로 연장된다. 또한, 압축기 휠(12)의 블레이드(5)의 감소형 윤곽이 도시되어 있으며, 이러한 윤곽은 다른 섹션에서 대칭축(49)을 따라 모여진다.
이 경우, 외부 제한 링(39)의 영역에서 외부에 위치한, 주연부에 걸친 하나 이상의 환형 칼라(29a, 29b)를 포함하는 압축기 휠(12)이 도시되어 있다. 이러한 외부에 위치한 환형 칼라(29a, 29b)는 대칭축(49)에 대해 축방향으로 그리고 회전축(48) 반대편의 외부 제한 링(39)의 측면에서 연장된다. 이 경우, 외부에 위치한 하나 이상의 환형 칼라(29a, 29b)는 대칭축(49)에 대해 축방향으로 그리고/또는 반경 방향으로 하우징(3)의 하우징 상부 부품(7) 및/또는 하우징 하부 부품(8)에 적어도 거의 접하고 그리고/또는 그와 작은 간극을 형성하며, 이러한 간극은 기체 매체에 의해 적어도 거의 극복될 수 없다. 외부에 위치한, 주연부에 걸친 하나 이상의 환형 칼라(29a, 29b)를 구비한 압축기 휠(12)과 하우징(7) 사이에 작은 간극이 형성될 수 있음으로써, 하나 이상의 측면 채널(19)의 적어도 부분적인 캡슐화가 분리 챔버(34)에 의해 달성될 수 있다.
또한, 도 4에는, 분리 챔버(34)가 적어도 부분적으로 회전축(48)을 중심으로 하우징(7)과 외부 제한 링(39) 사이에 형성되는 것이 도시되어 있다. 따라서, 무거운 성분들은 이송 셀(20) 및 하나 이상의 측면 채널(19)의 영역으로부터 나오도록 분리 유도되고, 분리 챔버(34)의 영역에서 수집된다. 기체 매체의 이러한 무거운 성분들은 예를 들어 연료 전지 시스템(1)의 작동으로부터의 바람직하지 않은 폐기물 및/또는 부산물일 수 있다. 무거운 성분들의 배출을 통해 이송 유닛(3)의 이송 작용 및 압축 작용이 향상될 수 있는데, 그 이유는 이송 셀(20) 및 하나 이상의 측면 채널(19) 내의, 연료 전지(2)에서 전류 생성을 위해 필요한 이송될 기체 매체, 특히 H2의 비율이 증가되기 때문이다. 이를 통해, 작동에 바람직하지 않은 무거운 성분들이 함께 이송되지 않아도 되므로, 이송 유닛(3)의 효율이 증가될 수 있다.
도 5는 도 4에서 III으로 표시된, 분리 챔버(34)의 부분도를 도시한다. 이 경우, 성분 H2O 및/또는 성분 N2가 재순환 팬(8) 내의 기체 매체로부터 분리되고, 이러한 분리는 특히 재순환 팬(8) 내의 원심 원리에 의해 실행된다. 이 경우, 분리 챔버(34)는 배출 채널(46)을 통해 리턴 라인(21)과 적어도 간접적으로 유체 연결되는 것이 도시되고, 리턴 라인(21)은 이송 유닛(3) 및/또는 재순환 팬(8)을 분리기(10)의 수집 용기(31)와 적어도 간접적으로 유체 연결시킨다. 이 경우, 분리 챔버(34) 및/또는 배출 채널(46)은 분리기(10)의 수집 용기(31)에 대한 증가된 압력 수준을 형성할 수 있고, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬(8)으로부터 분리기(10) 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행된다.
이러한 분리 챔버(34)의 형성을 통해, 기체 매체로부터 무거운 성분들, 특히 N2 및/또는 H2O가 배출될 수 있으며 이러한 분리 챔버(34)에서 수집될 수 있다. 이 경우, 무거운 성분들이 유동 방향(IX)으로 압축기 휠(12)과 하우징(7) 사이의 하나 이상의 측면 채널(19)로부터, 특히 작은 간격의 영역에서 분리 챔버(34) 내로 통과하여 이동하는 방식으로, 무거운 성분들이 원심력에 의해 회전축(48)으로부터 멀어지도록 강하게 이동되게 하기 위하여, 기체 매체의 잔여 부분, 특히 H2에 비해 더 높은 질량으로 인한 무거운 성분들의 더 높은 원심력을 사용하기 위해, 바람직한 방식으로 작동 중의 압축기 휠(12)의 회전이 사용되며, 이때, 원심 분리가 유도된다. 바람직하게, 분리 챔버(34)의 측지학적으로 가장 깊은 지점에는 추가 배출 채널(46)이 위치한다. 이 경우, 분리 챔버(34) 내에 수집된 기체 매체의 무거운 성분들에 대한 중력 및/또는 원심력의 작용을 통하여, 예를 들어 기계적 펌핑과 같은 추가 조치가 실행될 필요없이, 배출 채널(46)을 통한 리턴 라인(21) 내로의 자동 분리 유도가 실행되는 것이 바람직하다. 또한, 재순환 팬(8)의 작동 시에 무거운 성분들이 분리 챔버(34) 내로 계속 추가 유동하고, 이를 통해, 이미 그곳에 위치한 무거운 성분들이 배출 채널(46)을 통해 나오도록 가압됨으로써, 배출 채널(46)을 통해 무거운 성분들이 외부를 향해 자동으로 분리 유도되는 효과는 강화된다.
이는 또한, 무거운 성분들이 한편으로는 하나 이상의 측면 채널(19) 및/또는 이송 셀(20)의 영역으로부터 배출되고, 다른 한편으로는 분리 챔버(34)의 영역으로부터도 배출 채널(46)을 통해 이송 유닛(3)에서 배출될 수 있는 장점을 제공한다. 이를 통해 회전 구성 요소들, 특히 압축기 휠(12) 또는 베어링의 손상 위험이 방지되는데, 여기서는 연료 전지 시스템(1)의 스위치 오프 상태에서 그리고 주변 온도가 낮을 때, 예를 들어 H2O와 같은 남아 있는 무거운 성분들이, 재순환 팬(8)의 스타트 시에 이러한 구성 요소들을 손상시킬 수 있는 얼음 브릿지를 초래한다. 이러한 손상은 배출 채널(46)을 통한 무거운 성분들의 추출을 통해 방지된다. 또한, 무거운 성분들의 추출을 통해서는, 연료 전지 시스템(1)의 스위치 오프 상태에서 그리고 주변 온도가 낮을 때, 이동 가능한 부품들 사이에, 특히 압축기 휠(12)과 하우징(7) 사이에 소위 얼음 브릿지가 형성되는 것이 방지된다는 장점이 달성된다.
본 발명은 본원에 설명된 실시예들 및 그에 제시된 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구항들을 통해 명시된 범위 내에서, 전문가적 조치의 범주에 있는 복수의 변형예들이 가능하다.

Claims (16)

  1. 연료 전지(2)의 애노드 영역(38)으로부터의 기체 매체, 특히 수소의 이송을 위한 연료 전지 시스템(1)의 애노드 회로(9)를 위한 이송 유닛(3)으로서, 이송 유닛(3)은 하나 이상의 제트 펌프(4)를 포함하고, 이송 유닛(3)은 하나 이상의 연결 라인(23, 25)에 의해 애노드 영역(38)의 출구와 적어도 간접적으로 유체 연결되고, 이송 유닛(3)은 추가 연결 라인(27)에 의해 애노드 영역(38)의 입구와 유체 연결되는, 이송 유닛에 있어서,
    이송 유닛(3)은 구성 요소인 제트 펌프(4)에 추가하여 추가 구성 요소로서 재순환 팬(8) 및 계량 밸브(6)를 포함하며, 기체 매체를 위한 구성 요소(4, 6, 8)들의 유동 윤곽들 및/또는 구성 요소(4, 6, 8)들은 적어도 거의 완전히 공통 하우징(7) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  2. 제1항에 있어서, 재순환 팬(8)은, 압축기 휠(12)의 회전축(48)에 대해 회전 대칭으로 연장되는, 주연부에 걸친 외부 제한 링(39)을 구비한 압축기 휠(12)을 포함하고, 이송 유닛(3)의 하우징(7) 내의, 회전축(48) 반대편의 압축기 휠(12)의 측면에는 적어도 부분적으로 캡슐화된 분리 챔버(34) 및/또는 배출 채널(46)이 위치하는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  3. 제1항에 있어서, 성분 H2O 및/또는 성분 N2는 재순환 팬(8) 내의 기체 매체로부터 분리되고, 이러한 분리는 특히 재순환 팬(8) 내의 원심 원리에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  4. 제1항에 있어서, 재순환 팬(8)과 제트 펌프(4)는, 재순환 팬(8)의 압축기 휠(12)의 회전축(48)이 제트 펌프(4)의 종축(50)에 대해 적어도 대략 수직으로 연장되는 방식으로 공통 하우징(7) 내에서 서로에 대해 배열되는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  5. 제1항에 있어서, 재순환 팬(8)의 기체 배출 개구(16)는 제트 펌프(4)의 제1 유입부(28) 및/또는 흡입 영역(11)으로 직접적으로 이어지고, 통합된 유동 채널(41)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  6. 제5항에 있어서, 통합된 유동 채널(41)은 공통 하우징(7) 내에서 만곡부(43)를 형성하며, 재순환 팬(8)과 제트 펌프(4) 사이에서의 기체 매체의 편향 및/또는 유동 안내는 오로지 만곡부(43)의 영역에서만 실행되는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
  7. 연료 전지(2)로부터의 수소 공급 및/또는 수소 배출을 제어하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이송 유닛(3)을 구비한 연료 전지 시스템(1).
  8. 제7항에 있어서, 애노드 회로(9) 내의 기체 매체로부터의 성분 H2O 및/또는 성분 N2의 분리가 재순환 팬(8)에 의해 그리고/또는 분리기(10)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  9. 제8항에 있어서, 분리기(10)는 유동 방향(V)으로 이송 유닛(3)의 상류에 놓이도록 애노드 회로(9) 내에 배열되고, 애노드 영역(38)은 제1 연결 라인(23)에 의해 분리기(10)와 유체 연결되며, 분리기(10)는 제2 연결 라인(25)에 의해 이송 유닛(3)과 유체 연결되고, 이송 유닛(3)은 제3 연결 라인(27)에 의해 애노드 영역(38)과 유체 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  10. 제8항에 있어서, 리턴 라인(21)을 통해, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬(8)으로부터 분리기(10) 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  11. 제10항에 있어서, 이송 유닛(3)의 하우징(7) 내의, 회전축(48) 반대편의 압축기 휠(12)의 측면에 각각 위치하고 적어도 부분적으로 캡슐화된 분리 챔버(34) 및/또는 배출 채널(46)은 리턴 라인(21)을 통해 적어도 간접적으로 분리기(10)의 수집 용기(31)와 유체 연결되며, 분리 챔버(34) 및/또는 배출 채널(46)은 분리기(10)의 수집 용기(31)로의 증가된 압력 수준을 형성하고, 유동 방향(VI)으로 재순환 팬(8)으로부터 분리기(10) 내로의 H2O 및/또는 N2의 분리 유도가 실행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  12. 제11항에 있어서, 수집 용기(31)는 배출 밸브(44)를 포함하며, 배출 밸브(44)는 목적한 바대로의 사용 시에 낮은 측지 높이에서 수집 용기(31) 내에 배열되고, 애노드 회로(9)의 영역으로부터의 전체 H2O 및/또는 N2의 분리 유도는 배출 밸브(44)를 통해 실행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  13. 제9항에 있어서, 제2 연결 라인(25)은 높은 측지 높이에서 수집 용기(31) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  14. 제13항에 있어서, 애노드 영역(38)으로부터 나오는 유입 기체 매체가, 가벼운 성분(H2)은 제2 연결 라인(25)의 방향으로 배향되고 무거운 성분(H2O 및/또는 N2)은 저장기(18)의 방향으로 배향되도록 편향되고 그리고/또는 분할되는 방식으로, 분리 에지(37)가 수집 용기(31) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  15. 제10항에 있어서, 리턴 라인(21)은 차단 밸브(26)를 포함하고, 차단 밸브(26)는 재순환 팬(8)과 분리기(10), 특히 수집 용기(31) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 센서 시스템(22) 및/또는 제2 센서 시스템(24)은 제어 장치(14)와 연결되고, 특히 제1 센서 시스템(22)은 분리기(10)의 매개변수를 연속적으로 검출하고, 제2 센서 시스템(24)은 재순환 팬(8)의 매개변수를 연속적으로 검출하며, 제어 장치(14)는 특히 센서 시스템(22, 24)에 의해 검출된 매개변수에 기초하여 배출 밸브(44) 및/또는 차단 밸브(26)의 개방 및 폐쇄를 제어하는 것을 특징으로 하는, 이송 유닛(3).
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