KR20230009954A - 연료 전지 시스템을 위한 공기 공급 장치 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흐름 압축기 및 흐름 압축기용 전기 구동 모터(4)를 갖는 연료 전지 시스템(2, 3)을 위한 공기 공급 장치(1)에 관한 것으로, 상기 흐름 압축기는 2개의 압축기 휠(6, 7)을 가지며, 상기 압축기 휠들은 기본적으로 대칭으로 설계되고 이들 사이에 배치된 전기 구동 모터(4)와 함께 공통의 샤프트(5)에 배치된다. 본 발명에 따른 공기 공급 장치는, 2개의 압축기 휠(6, 7)이 압력 측에서, 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 2개의 시스템(2, 3, 10, 13)에 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 이러한 공기 공급 장치(1)를 사용하는 연료 전지 시스템(2, 3)도 청구된다.

Description

연료 전지 시스템을 위한 공기 공급 장치 및 연료 전지 시스템

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 전지 시스템을 위한 공기 공급 장치 및 이를 통해 공급 받는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지 시스템은 일반적으로 선행 기술에 공개되어 있다. 이들의 공기 공급을 위해 흐름 압축기가 주로 사용되며, 상기 압축기는 부분적으로 전기로 구동된다. 전기 모터의 한 쪽에 터빈이 배치되고 다른 쪽에 압축기가 배치되는 경우가 매우 흔하다. 전기 터보차저 또는 모터 보조식 터보차저라고도 하는 이러한 구조는, 터보차저가 배기가스로부터 잔류 에너지를 회수할 수 있기 때문에 자주 사용된다. 그러나 상기 구조는, 압축기 영역에서 작용하는 힘과 터빈 영역에서 작용하는 힘이 부분적으로 크게 다르기 때문에, 베어링의 균일하지 않은 하중이 발생하는 단점을 갖는다. 이로 인해 스러스트 베어링 영역에서 마찰이 증가한다. 따라서 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 스러스트 베어링이 필요하며, 상기 베어링의 영역에서는 그럼에도 바람직하지 않게 높은 출력 손실이 거의 방지될 수 없다.

다른 구조는 동일한 샤프트에 있는 전기 모터 및 2개의 압축기 휠을 포함하는 2단계 압축기로서 설계될 수도 있다. 예를 들어 이와 관련해서 DE 10 2010 035 725 A1호가 참조될 수 있다. 여기에서도 스러스트 베어링의 하중은 측면들에서 압력비와 힘이 상이하기 때문에 비교적 크다. 전술한 간행물에서, 이는 압축기 휠의 휠 후면부를 통해 보상하고자 시도되었다.

이러한 방식의 WO 2019/096890 A2호는 2개의 대칭형 압축기 휠이 전기 구동 모터와 함께 공통의 샤프트에 배치됨으로써, 이러한 힘의 불균형을 해결한다. 그 결과 축 방향 힘을 크게 감소할 수 있다. 따라서 더 작은 스러스트 베어링 및 이러한 스러스트 베어링의 영역에서 훨씬 더 적은 마찰이 가능하다.

추가 선행 기술에 대해 또한, 소위 프리휠과, 즉 한쪽에 터빈이 있고 다른 쪽에 압축기가 있는 프리휠링 터보차저와 전기 구동식 흐름 압축기의 조합을 기술하는 출원인의 DE 101 20 947 A1호가 참조될 수 있다.

본 발명의 과제는, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 전지 시스템을 위한 개선된 공기 공급 장치 및 이러한 공기 공급 장치를 사용하는 개선된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 과제는 청구항 제 1 항의, 그리고 여기에서 특히 청구항 제 1 항의 특징부의 특징을 갖는 연료 전지 시스템을 위한 공기 공급 장치에 의해 해결된다. 공기 공급 장치의 바람직한 구성과 개선은 종속 청구항에 제시된다. 또한, 상기 과제는 청구항 제 7 항의 특징을 갖는 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 연료 전지 시스템의 바람직한 구성과 개선은 종속 청구항에 제시된다.

연료 전지 시스템을 위한 공기 공급 장치는, 전기 구동 모터에 의해 구동되는 흐름 압축기가 있음을 설명하는 일반적인 선행 기술과 유사하게 제공된다. 이 경우 흐름 압축기는 2개의 압축기 휠을 가지며, 실질적으로 상기 압축기 휠은 대칭으로 설계되며 이들 사이에 배치된 전기 구동 모터와 함께 공통의 샤프트에 배치된다. 본 발명에 따르면, 2개의 압축기 휠은 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 2개의 시스템에 연결된다.

이러한 선행 기술에 기술된 방식으로 실질적으로 대칭인 2개의 압축기 휠을 갖는 전기 구동식 유동 압축기의 이러한 사용은, 스러스트 베어링의 상당한 하중 경감을 가능하게 하고, 이는 상기 베어링의 구조를 간단하게 하고 마찰을 감소시킨다. 차량 분야의 연료 전지 적용과 거기에서 일반적인 출력의 경우에 2kW까지 손실 출력이 절약될 수 있다. 영구적으로 공압식으로 연결되지 않거나 적어도 영구적으로 공압식으로 연결되지 않는 2개의 서로 다른 시스템에 압축기 휠이 압력 측에서 연결되는 생성된 공기 흐름의 사용은 여기에서, 열의 일부만이 2개의 시스템에 도입된다는 결정적인 장점이 있는 한편, 이러한 열의 일부는 압력 측 공기 라인들의 결합 시 구성 요소 내에 함께 존재하고, 이는 연료 전지 시스템에서 매우 빠르게 구성 요소의 열 과부하를 야기할 수 있다.

본 발명에 따른 공기 공급은 특히, 공기 공급 장치의 매우 바람직한 추가 개선예에 따라 제공되어, 하나의 공통의 공기 공급 장치를 통해 서로 분리된 2개의 연료 전지 시스템에 공기를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 서로 분리된 연료 전지 시스템은, 예를 들어 상용 차량에 필요한 구동 출력을 제공하기 위해, 모듈 구조의 프레임에서 서로 결합되는 동일한 유형의 2개의 시스템일 수 있다. 연료 전지 시스템과 추가 공기를 필요로 하는 다른 방식의 임의의 시스템에 함께 공급하는 것도 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 공급 장치의 매우 바람직한 개선예에 따르면, 공압식으로 서로 영구적으로 연결되지 않는 2개의 시스템은 프리런닝 터보차저의 압축기 측과 터빈 측이다. 즉, 2개의 대칭형 압축기 휠이 있는 공기 공급 장치는 하나의 압축기 휠을 통해 프리휠의 압축기 측에 공급하는 한편, 그것의 터빈은 다른 압축기 휠을 통해 공급된다. 이로 인해 실질적으로, 전기 구동식 흐름 압축기가 예를 들어 1.5 내지 2.5bar의 압력 수준을 제공하는 레지스터 과급이 발생한다. 이 압력은 압축기 휠로부터, 연료 전지 시스템에 공급을 위해 예를 들어 4.5bar까지 압력을 추가로 증가시키는 프리휠의 압축기 측으로 이동한다. 다른 압축기 휠의 체적 흐름은 또한 프리휠의 터빈 측에 도달하여 압축기 측의 구동과 압력의 상승에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 구조는 매우 간단하고 바람직하다. 특히 프리휠은, 거기에 공급될 수 있는 연료 전지 시스템 내부의 매우 습한 가스로 인해 완전히 동결될 수도 있도록 설계될 수 있다. 그럼에도 불구하고 하나의 전기 구동식 압축기 휠에 의해 프리휠의 압축기 측을 통해 연료 전지 시스템으로 공기가 배출될 수 있고, 이는 적어도, 상기 연료 전지 시스템을 시동하고 그다음에 해동하기에 충분하다.

또 다른 매우 바람직한 구성에 따르면, 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 시스템들은 밸브가 제공된 바이패스 라인을 통해 제어 가능하게 연결될 수 있다. 그밖에 영구적으로 연결되지 않는 2개의 시스템의 이러한 제어 가능한 연결은 예를 들어, 특히 전술한 변형 실시예에 따른 추가 프리휠이 있는 구조의 경우에 부압에서 큰 체적 흐름을 제공하는 것을 가능하게 한다. 특히 이러한 구조의 경우 바이패스 라인이 폐쇄되고 따라서 프리휠의 터빈 측의 구동 출력이 상응하게 높으면 상응하게 더 낮은 유량 체적에서 비교적 높은 압력이 실현될 수 있다. 바이패스 라인에 있는 밸브가 점점 더 개방되면, 압축기 측에 더 많은 공기가 도달하고 터빈 측에는 더 적게 도달한다. 이로써 더 낮은 압력에서 더 높은 체적 흐름이 가능하다.

프리휠이 있는 변형 실시예의 압축의 2개의 단에서 또는 압축기에서 가열이 발생한다. 이러한 가열은 한편으로 연료 전지 시스템에 상응하게 부하를 주기 때문에 바람직하지 않다. 다른 한편으로, 마르지 않도록 연료 전지 시스템을 향한 유입 공기를 습하게 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 본 발명의 사상의 바람직한 구성에 따르면, 흐름 방향으로 압축기 측 앞 및/또는 뒤에 있는 압축된 공기 흐름에 액체를 공급하기 위한 장치가 제공될 수 있다. 이러한 사상의 바람직한 구성에 따라 액체를 분무하기 위한 노즐을 통해 이루어질 수 있는 액체, 특히 탈이온수의 이러한 도입은 한편으로 압축된 공기 흐름의 온도를 감소시키는데, 그 이유는 이러한 공기 흐름 내의 액체가 상응하게 증발하기 때문이고, 다른 한편으로 상기 공기 흐름을 가습한다. 이는 두 가지 결정적인 장점을 가능하게 한다. 한편으로는 액체가 압축기 측 앞에서 액체 공급이 이루어지는 경우에, 압축기 측의 효율을 개선하고, 다른 한편으로 - 2개의 구성에서 - 연료 전지를 향한 유입 공기가 가습되는 것을 제공한다. 비용이 많이 들고 복잡한 동시에 연료 전지 시스템 내에서 높은 필요 공간을 갖는 유입 공기의 가습을 위한 장치는, 경우에 따라서 응축수를 수집하여 재사용할 수 있는 간단한 물 저장기에 의해 및 압축된 공기 흐름 내로 물을 공급하기 위한 해당 장치에 의해 실현될 수 있다. 이러한 구조는 매우 간단하고 저렴하게 그리고 공간을 절약하도록 공기 공급 장치에 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 공급 장치의 매우 바람직한 개선예는 또한, 프리런닝 터보차저가 유체 역학적으로 지지되는 것을 제공할 수 있다. 이러한 유체 역학 베어링은 매우 간단하고 효율적일 수 있으며, 고속 터보차저에서 발생하는 마찰을 줄일 수 있다. 물, 예를 들어 시스템을 가습하기 위한 전술한 구성에서 어쨌든 함께 이송되거나 시스템으로부터 회수되는 물은, 프리런닝 터보차저의 유체 역학적 지지를 실현하기 위해 사용되는 경우, 특히 바람직하다.

프리런닝 터보차저는, 이러한 유체 역학적 지지를 실현하는 데 특히 적합하다. 베어링과 배출 공기 또는 압축된 공기 사이에 누출이 있더라도, 이는 비교적 중요하지 않은데, 그 이유는 이러한 공기는 배출 공기의 경우에 더 이상 사용되지 않으므로, 여기에서 습기에 지장을 주지 않고, 유입 공기의 경우에 어쨌든 후속해서 가습되므로, 습기는 여기에서도 지장을 주지 않고 오히려 유익하기 때문이다. 이것은 예를 들어 전기 구동식 압축기와의 결정적인 차이점인데, 이러한 압축기는 물에 의한 유체 역학적 지지의 경우 전기 장치 또는 전자 장치의 영역에서 밀봉 누수 시 습해질 수 있고, 이는 여기에서 막대한 단락 위험을 일으킬 수 있고 심각한 단점이 된다.

적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템은 본 발명에 따라, 연료 전지의 공기 공급은 공기 공급 장치로부터의 공기의 적어도 일부로 이루어지는 것을 제공할 수 있다. 따라서 연료 전지 시스템은, 압축된 그리고 바람직하게는 이미 가습된 유입 공기를 얻기 위해, 공기 공급 장치를 단독으로 또는 다른 연료 전지 시스템 또는 기타 시스템과 함께 사용할 수 있다.

애노드 측과 캐소드 측을 갖는 적어도 하나의 연료 전지 및 프리휠을 갖는 공기 공급 장치를 포함하는 상기와 같은 연료 전지 시스템의 매우 바람직한 개선예는 또한, 캐소드 측의 배출구가 선택적으로 또는 부분적으로 주변 및/또는 재순환 라인에 제어 가능하게 연결될 수 있고, 이 경우 재순환 라인은 프리런닝 터보차저의 압축기 휠 중 하나와 압축기 측 사이로 이어지는 것을 제공할 수 있다. 프리런닝 터보차저는 연료 전지 시스템의 이러한 구성에서 배기가스의 재순환을 위해 이용되고, 상기 배기가스는 전체적으로 또는 특히 부분적으로 재순환되고 프리휠의 압축기 측을 통해 순환된다. 결과적으로 연료 전지에서 반응의 생성물로서 캐소드 배기가스를 함께 이송하는 수분도 압축된 유입 공기에 도입된다. 이로써 비용이 많이 드는 가습기의 생략 및 압축된 공기 흐름 내로 액체의 분무의 생략이 가능해진다. 또한, 캐소드 측으로부터의 산소가 고갈된 배출 공기의 재순환률은, 예를 들어 부하가 거의 없는 상태에서, 캐소드 내의 산소 함량을 낮추기 위해 이용될 수 있는 경우도 있다. 이로써 너무 높은 셀 전압 및 그에 따른 연료 전지의 개별 셀의 손상이 방지될 수 있다.

연료 전지 시스템의 또 다른 매우 바람직한 구성은 이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 적어도 부분적으로 재순환 팬을 통해 이루어지는 애노드 배기가스의 재순환이 제공되는 것을 고려할 수 있다.

이것은 원칙적으로 선행 기술에 공개되어 있다. 이러한 구성에서 연료 전지 시스템의 본 발명에 따른 변형은 또한, 재순환 팬이 연료 전지 시스템의 배기가스, 특히 캐소드 배출 공기에 의해 구동되는 배출 공기 터빈을 갖는 것을 제공한다. 이러한 사상의 매우 바람직한 개선예에 따라 재순환 팬에 자기적으로 결합된 이러한 배출 공기 터빈은, 재순환 팬을 구동하기 위해 연료 전지의 배기가스 내의 잔류 에너지를 이용한다. 도입된 공압 에너지가 따라서 바람직하게 사용된다. 특히 배출 공기 터빈과 재순환 팬 사이의 자기 결합이 이루어지는 구성에서, 구조의 수소 전달 측이 서로 확실하게 밀봉되어 배출 공기 내로 제어되지 않은 수소 누출을 염려하지 않아도 될 정도로, 상기 수소 전달 측은 공기 전달 측으로부터 분리된 상태로 유지된다.

본 발명에 따른 공기 공급 장치 및 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 바람직한 구성과 개선은 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명되는 실시예에 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 공기 공급 장치의 가능한 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 공기 공급 장치의 가능한 제 2 실시예를 도시한 도면.
도 3은 도 2에 따른 본 발명에 따른 공기 공급 장치의 대안적인 구성을 도시한 도면.
도 4는 도 2 또는 도 3에 따른 공기 공급 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 가능한 실시예를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 연료 전지 시스템과 유사한 연료 전지 시스템의 대안적인 개선예를 도시한 도면.
도 6은 연료 전지 시스템에서 물을 사용하기 위한 예시적인 시스템과 함께 도 5에 따른 도면의 발췌부를 도시한 도면.

도 1에는 연료 전지 시스템(2, 3)을 위한 공기 공급 장치(1)가 도시된다. 공기 공급 장치는 실질적으로 2개의 압축기 휠(6, 7)과 함께 공통의 샤프트(5)에 배치된 전기 구동 모터(4)로 구성된다. 압축기 휠(6, 7)은 샤프트(5)에 이들 사이의 중앙에 배치된 전기 구동 모터(4)에 의해 구동되며, 실질적으로 대칭으로 설계된다. 그 결과, 공통의 축(5)에 축방향으로 작용하는 힘이 최소화된다. 이는 한편으로 마찰력 손실을 줄이는 데 도움이 되며, 다른 한편으로는 스러스트 베어링의 간단하고 효율적인 설계를 가능하게 한다. 2개의 분리된 또는, 파선으로 도시된 바와 같이 선택적으로 하나의 공통의 흡기 경로(8)를 통해 압축기 휠(6, 7)로부터 공기가 흡입되고 압축기 휠(6)에 의해 연료 전지 시스템(2)에 제공되고, 압축기 휠(7)에 의해 연료 전지 시스템(3)에 제공된다.

연료 전지 시스템(2, 3)은 서로 독립적으로 형성되며, 예를 들어 상용 차량에서 구동 출력을 제공하는 데 이용되는 동일하게 설계된 연료 전지 시스템(2, 3)일 수 있다. 이들은, 예를 들어 연료 전지 시스템이 승용차를 구동하는 것과 같은 방식으로 설계될 수 있으므로, 즉, 이러한 연료 전지 시스템은 상용 차량에 중복 사용되며 하나의 동일한 공기 공급 장치(1)를 통해 공기를 공급받는다. 전술한 바와 같이, 공통의 흡기 라인(8)이 제공될 수 있으며, 상기 라인에서 도시되지 않은 하나의 공통의 공기 필터로 충분하다. 2개의 별도의 공기 필터와 흡기 라인(8)을 제공하는 것도 고려될 수 있다.

공기 공급 장치(1)의 대안적인 구성은 도 2에서 볼 수 있다. 공기 공급 장치(1)는 실질적으로, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 구성된다. 상기 장치는 전기 구동 모터(4)와 2개의 압축기 휠(6, 7)을 포함한다. 이들은 2개의 분리된 공기 공급 라인(8)을 통해 주변에 연결되고, 그에 따라 여기에서 공기를 흡기한다. 전기 구동 모터(4)의 구동에 의해 2개의 압축기 휠(6, 7)에서 공기가 압축된다. 압축된 공기는 압축기 휠(6)로부터 레지스터 라인(9)을 지나 프리휠(11)이라고도 하는 프리런닝 터보차저(11)의 압축기 측(10)에 도달한다. 이러한 프리휠(11)에서 공통의 샤프트(12)는 공기 공급 장치(1)의 압축기 휠(7)의 압력 측에 연결되고 그에 따라 공기 흐름을 통해 이 압축기 휠(7)에 의해 구동되는 터빈 측(13)에 압축기 측(10)을 연결한다. 먼저 터빈 라인(14)을 통해 압축기 휠(7)로부터 프리휠(11)의 터빈 측(13)에 도달한 팽창된 공기는 터빈 측(13) 또는 그것의 터빈 이후에 다시 유출된다. 프리휠(11)의 압축기 측(10)으로부터, 이제 더 강하게 압축된 유입 공기가 도 2에 개략적으로 도시된 연료 전지 시스템(2, 3)에 도달한다. 이러한 구조는, 제 1 압축기 단으로서 압축기 휠(6)이 생성하는 압력으로부터, 프리휠(11)의 압축기 측(10)에서 연료 전지 시스템(2, 3)에 필요한 압력을 생성하기 위해 프리휠(11)이 사용될 수 있게 한다. 즉 일종의 레지스터 과급이다.

도 3에 추가 변형예가 도시되고, 이는 실질적으로 도 2의 도면과 유사한 것으로 이해되어야 한다. 추가로 밸브(16)가 있는 바이패스 라인(15)이 제공되고, 이러한 바이패스 라인은, 공기 공급 장치(1)의 압축기 휠(7)에 의해 압축된 공기의 일부를 터빈 라인(14)으로부터 레지스터 라인(9)으로 안내하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 예를 들어 밸브(16)가 완전히 또는 부분적으로 개방되면 연료 전지 시스템(2, 3)으로 공기의 더 많은 체적 흐름이 실현될 수 있다. 동시에, 프리휠(11)의 터빈측(13)을 통과하는 공기 흐름은 상응하게 감소하여, 더 많은 체적 흐름이 있지만, 연료 전지 시스템(2, 3) 내부의 압력은 더 낮아진다. 바이패스 라인(15)에서 밸브(16)의 폐쇄가 증가함에 따라, 프리휠(11)의 터빈 측(13)의 출력 및 압축기 측(10)의 압축기 출력이 상응하게 증가하는 한편, 동시에 체적 흐름은 감소한다. 이로 인해 더 낮은 체적 흐름에서 더 높은 압력이 실현될 수 있다. 따라서 공기 공급은 바이패스 라인(15)에 있는 밸브(16)를 통해 제어될 수 있다. 밸브(16)가 있는 바이패스 라인(15)이 특수한 장점을 제공하더라도, 여기서는 선택적인 것으로만 이해되어야 하며 도 2에서 이미 설명된 바와 같이 원칙적으로 생략될 수도 있다.

상기 바이패스 라인(15)과 무관하게, 따라서 도 2에 따른 구조에서도 이용 가능한 물 저장기(17)가 더 도시되고, 상기 물 저장기는 하나의 또는 선택적으로 2개의 워터 라인(18 및/또는 18')을 통해 연료 전지 시스템(2, 3)을 향한 압축된 유입 공기 흐름에 연결된다. 워터 라인(18)의 단부에 액상수를 공급하기 위한 적절한 장치에 의해 액상수가 압축된 체적 흐름에 도입될 수 있으며, 바람직하게는 거기에서 분무될 수 있다. 압축기 휠(6) 또는 압축기 측(10) 이후에 상응하는 고온의 압축 공기의 체적 흐름은 이로 인해 한편으로는 냉각되고 다른 한편으로는 가습된다. 이들 양자 모두는 연료 전지 시스템(2, 3)의 작동에 바람직한데, 그 이유는 실질적으로 대략 70℃를 넘지 않는 온도의 유입 공기가 연료 전지 시스템(2, 3)으로 흘러야 하고 이러한 유입 공기는 가능한 한 가습되어야 하기 때문이다. 이 시점에 물 공급에 의해 이러한 가습이 달성된다면, 지금까지 통상적인, 예를 들어 가스/가스 가습기와 같은 복잡한 가습기는 생략될 수 있거나 적어도 이러한 가습기의 크기가 감소할 수 있다. 이로써 대형의 복잡한 부품이 절약될 수 있고, 이는 비용, 시스템 복잡성 및 필요 공간의 측면에서 매우 결정적인 장점이다. 물 저장기(17)에 수집된 물의 추가 사용은 또한 후술될 도 6에도 제시된다. 도 4에 연료 전지 시스템(2, 3)은 이제 그것의 일부 구성 요소와 함께 예시적으로 더 상세하게 도시된다. 공기 공급 장치(1) 및 프리휠(11)의 구조는 실질적으로 도 3의 구조와 일치한다. 연료 전지 시스템(2, 3)은 일반적으로 개별 전지의 스택인 연료 전지(19)를 포함한다. 이러한 연료 전지 스택(19) 주위에 예를 들어 애노드 측(20) 및 캐소드 측(21)이 도시되어 있다. 캐소드 측(21)은 공기 공급 장치(1)와 프리휠(11)에 의해 유입 공기 라인(22)을 통해 공기를 공급받는다. 배출 공기는 배출 공기 라인(23)을 지나 24로 표시된 밸브 장치에 도달하며, 상기 밸브 장치는 배기가스 재순환 밸브(24)로도 지칭될 수 있다. 선택적으로 또는 부분적으로, 이러한 밸브 장치(24)에 의해 배출 공기 라인(23)으로부터의 배출 공기는 전체적으로 또는 부분적으로 배출 공기 재순환 라인(25)을 지나 레지스터 라인(9)으로 되돌아가거나, 23'로 표시된 배출 공기 라인(23)의 섹션을 지나 주변으로 되돌아갈 수 있다.

애노드 측(20)에는 압축 가스 저장기(26)로부터 수소가 공급된다. 이 수소는 압력 제어- 및 계량 장치(27)와 선택적인 가스 제트 펌프(28)를 통해 애노드 측(20)에 도달한다. 배기가스는 물 분리기(30)가 배치될 수 있는 29로 표시된 재순환 라인을 통해 애노드 측(20)으로부터 가스 제트 펌프(28)가 제공되어 있는 경우라면, 여기로 복귀한다. 가스 제트 펌프(28)에 대한 대안으로서 또는 추가로 그 자체로 공개된 방식으로 재순환 라인(29)에 재순환 팬(31)이 배치될 수 있다. 물 분리기(30)에 또는 대안으로서 재순환 라인(29)의 다른 영역에 소위 배출 밸브 또는 퍼지 밸브가 배치되며, 상기 밸브를 통해 예를 들어 시간에 따라, 재순환 라인(29) 내의 수소 농도에 따라 또는 다른 파라미터에 따라 재순환 라인(29)의 가스가, 경우에 따라서는 물 분리기(30)의 물과 함께 배출된다. 이것은 배출 공기 라인(23)에 도달하고, 여기에서 선택적으로 표시된 바와 같이, 선택적으로 배출 공기 라인의 영역(23') 내로 및 배출 공기의 흐름 방향으로 배기가스 재순환 밸브(24) 앞의 배출 공기 라인(23)의 영역에도 도달한다.

연료 전지 시스템(2, 3)의 이러한 구조에서, 밸브 장치(24)의 적절한 위치에서 배출 공기 재순환 라인(25)을 통해 배출 공기를 완전히 또는 부분적으로 재순환하는 것이 가능하여, 연료 전지(19)의 캐소드 측(21)을 향한 유입 공기 라인(22) 내의 유입 공기의 가습이 지원된다. 이는 도 3에 도시된 물 저장기(17)의 사용에 대한 대안으로서 또는 특히 추가하여, 종래의 가습기가 완전히 또는 부분적으로 생략될 수 있는 데 기여할 수 있다. 즉 이 경우에 프리휠(11) 영역 내로 습기가 도달할 위험이 있다. 어는점 미만의 온도에서 시스템이 정지하는 경우에 이는 프리휠(11)을 동결시킬 수 있다. 공기 공급 장치(1)의 결빙과 달리, 이것은 비교적 중요하지 않은데, 그 이유는 압축기 휠(6)을 통해 그리고 경우에 따라서 바이패스 밸브(16)의 개방 시 압축기 휠(7)을 통해 이송되어 프리휠의 압축기 측(10)을 통해 유입 공기 라인(22) 내로 배출되는 공기는 연료 전지 시스템(2, 3)의 시동을 위해 훨씬 충분하기 때문이다. 따라서 프리휠(11)이 충분히 해동되었을 때, 작동을 재개하면 충분하다. 따라서 공기 공급 장치(1)와 프리휠(11)이 조합된 구조는 공급된 공기의 압력과 체적 흐름의 높은 제어 가능성으로 최적의 작동을 가능하게 할 뿐만 아니라 가습기의 생략을 가능하게 하는데, 그 이유는 온도가 어는점 미만인 경우에 전체 공기 공급 장치(1)의 동결 위험 없이 배기가스 재순환이 가능하기 때문이다.

연료 전지 시스템(2, 3) 내부의 압력 에너지가 경감되고 추가로 예를 들어 공기 공급 장치(1)의 구동을 지원하는 데에도 이용되는 종래의 전기 터보차저와 달리, 이러한 압력은 도 4에 따른 구조에서는 없어진다. 정확히 이를 방지하기 위해, 도 5에서 수행되는 바와 같이 상기 구조를 개선하는 것이 가능하다. 구조는 여기에서는 실질적으로 도 4의 구조와 일치하며, 간단함을 위해 물 분리기(30) 및 애노드 배기가스의 배출 라인은 도면에서 생략되었다. 어쨌든 선택적인 것에 불과했던 가스 제트 펌프(28)도 도 5의 도면에는 더 이상 존재하지 않는다. 일반적으로 제공되는 재순환 팬(31)의 전기 드라이브 대신에, 여기에서는 배출 공기가 연료 전지(19)의 캐소드 측(21)으로부터 연료 전지(19)의 배출 공기 라인(23)에 배치되며 재순환 팬(31)에 출력 전달 방식으로 결합된 배출 공기 터빈(32)을 통해 흐르며, 이는 여기에서 공통의 샤프트(33)의 형태로 표시된다. 결과적으로, 연료 전지(19)의 캐소드 측(21)의 배출 공기에 포함된 에너지에 의해 재순환 팬(31)을 구동하는 것이 가능하여, 이 에너지는 다시 회수될 수 있고 따라서 전체 시스템은 더 에너지 효율적이 될 수 있다. 배출 공기 터빈(32)과 재순환 팬(31) 사이의 결합이 자기적으로 이루어지면 특히 바람직하다. 그 결과, 한편으로는 수소 또는 수소 함유 가스를 그리고 다른 한편으로는 공기를 운반하는 2개의 체적은 쉽게 밀폐하여 서로 밀봉될 수 있다.

전술한 모든 변형 실시예는 물론 서로 조합될 수 있으므로, 도 3, 도 4 및 도 5의 변형 실시예에서도 바이패스 라인(15)은 생략될 수 있거나 상응하게 도 2, 도 4 및 도 5의 변형 실시예에서 워터 라인(18, 18')을 갖는 물 저장기(17)가 추가로 제공될 수도 있다. 도 2 이하의 도면에 도시된 구조는, 특히 개별 연료 전지 시스템(2, 3)의 공기 공급에 적합하다. 다수의 연료 전지 시스템이 사용되는 경우 도 1의 구조가 더 적합하거나 도 2 이하에 도시된 구조는 연료 전지 시스템(2, 3) 자체도 그러하듯이 상응하게 여러 번 제공되어야 할 것이다.

전술한 물 저장기(17)는 예를 들어 시스템으로부터 회수되는 물로 채워질 수 있다. 연료 전지 시스템(2, 3)은 일반적으로, 도 4에서 볼 수 있는 것처럼 예를 들어 재순환 라인(29)에 물 분리기를 갖고, 필요 시 배출 공기 라인(23)의 영역에 추가 물 분리기를 가질 수도 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 물 분리기는 물 저장기(17)에 물을 공급할 수 있다. 이는 바람직한 구성에 따라 단열된 물 탱크(170)의 형태로 형성될 수 있거나, 도시된 바와 같이 그러한 물 탱크에 연결될 수 있다. 이것은 도 6에서 점선으로 도시되어 있다. 상기 물 탱크(170)에 연결되는 물 시스템전체는 점선으로 도시되어 있다. 물 탱크(170)에서 물이 가열된다. 이는 예를 들어 전기적 가열에 의해 이루어질 수 있거나, 추가로 또는 대안으로서 연료 전지 시스템(2, 3)의 폐열은 가열을 위해 사용될 수 있다. 특히, 프리런닝 터보차저(11)의 터빈(13)의 배출 공기에 존재하는 폐열은, 물 탱크(170)를 상응하게 가열하는 데 사용될 수 있다. 거기에 저장된 물은 바람직하게 약 80℃의 온도를 갖고, 물 탱크(170)는 단열부(171)를 갖는다. 물 탱크(170)의 물은 물 펌프(172)를 통해, 예를 들어 소위 커먼 레일의 형태의 가압수 분배기(173)로 공급된다. 개별 워터 라인이 적절한 압력 하에 있는 상기 시스템으로부터 분기되며, 이 경우 여기에서 이미 도 3에 공개된 워터 라인(18 및 18')이 가습기(34, 35)로 안내되고, 상기 가습기에서 예를 들어 단일 성분 또는 2성분 노즐을 통해 레지스터 라인(9) 및/또는 유입 공기 라인(22) 내의 체적 흐름이 적절하게 가습될 수 있다. 이들 가습기(34, 35)는 전기적으로 작동될 수 있다.

2개의 추가 워터 라인(174, 175)을 통해 프리런닝 터보차저(11)의 2개의 유체 역학 베어링(36, 37)에 물이 공급되어, 상기 터보차저는 사실상 물에 지지된다. 연료 전지 시스템(2, 3)에서 일반적으로, 유입 공기 흐름의 가습과 프리런닝 터보차저(11)의 지지를 모두 달성하기에 충분한 폐수가 생성되어, 시스템 내로 물의 외부 유입 없이 물 공급이 이루어질 수 있다. 이 구조는 물 탱크(170) 및 물 펌프(172)와 가습기(34, 35)에서, 특히 가솔린 분사가 이루어지는 내연기관에서 유해 물질 및 연료 소비를 최소화하기 위해, 종래의 차량 분야, 및 특히 내연기관 기술의 분야에 이미 공개되어 거기에서 일반적으로 사용되는 부품들의 이용을 허용한다. 따라서 이러한 구성 요소는 간단하게 잘 테스트되고 시중에서 저렴하게 이용할 수 있다.

Claims (10)

1. 흐름 압축기 및 상기 흐름 압축기용 전기 구동 모터(4)를 갖는 연료 전지 시스템(2, 3)을 위한 공기 공급 장치(1)로서,
   상기 흐름 압축기는 2개의 압축기 휠(6, 7)을 가지며, 상기 압축기 휠은 기본적으로 대칭으로 설계되고 이들 사이에 배치된 전기 구동 모터(4)와 함께 공통의 샤프트(5)에 배치되고,
   공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 2개의 시스템(2, 3, 10, 13)에 2개의 압축기 휠(6, 7)이 압력 측에서 연결되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 시스템은 2개의 연료 전지 시스템(2, 3)인 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 시스템은 프리런닝 터보차저(11)의 압축기 측(10) 및 터빈 측(13)인 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 공압식으로 영구적으로 연결되지 않는 시스템(2, 3, 10, 13)은 밸브(16)가 제공된 바이패스 라인(15)을 통해 제어 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   압축된 공기 흐름 내로 액체를 공급하기 위한 장치가 제공되고, 상기 장치는 특히 압축된 공기 흐름 내의 액체를 분무하기 위한 적어도 하나의 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
6. 제 3 항, 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 프리런닝 터보차저(11)는 유체 역학 베어링을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
7. 적어도 하나의 연료 전지(19)를 포함하는 연료 전지 시스템(2, 3)으로서,
   상기 연료 전지(19)의 공기 공급은 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 공기 공급 장치(1)로부터의 공기의 적어도 일부로 이루어지는 것인 연료 전지 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   적어도 하나의 연료 전지(19)의 애노드 측(20)과 캐소드 측(21) 및 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 공기 공급 장치(1)를 더 포함하고,
   상기 캐소드 측(21)의 배출구는 선택적으로 또는 부분적으로 주변 및/또는 재순환 라인(25)에 제어 가능하게 연결될 수 있고, 상기 재순환 라인(25)은 프리런닝 터보차저(11)의 하나의 압축기 휠(6)과 압축기 측(11) 사이로 이어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   적어도 부분적으로 재순환 팬(31)을 통해 이루어지는 애노드 배기가스의 재순환을 더 포함하고,
   재순환 팬(31)은 연료 전지(19)의 배기가스, 특히 캐소드 배출 공기에 의해 구동되는 배출 공기 터빈(32)에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    배출 공기 터빈(32)과 재순환 팬(31) 사이의 결합은 자기 결합으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
    

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