KR20230022970A - 기체 매체를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛 - Google Patents

기체 매체를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛 Download PDF

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아르민 리히터
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기체 매체, 특히 수소를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템(31)용 운반 유닛(1)에 관한 것으로, 이 운반 유닛은 압력을 받는 기체 매체의 추진 제트에 의해 구동되는 제트 펌프(4)를 구비하고, 운반 유닛(1)의 배출구가 연료 전지(32)의 애노드 입구(5)와 유체 연결되며, 제트 펌프(4)는 흡입 영역(7), 혼합 튜브(9) 및 디퓨저 영역(11)을 구비하고, 제트 펌프(4)의 종축(52)에 평행하게 연장되는 유동 방향(III)으로 기체 매체에 의해 관류되며, 디퓨저 영역(11)은 연료 전지(32)의 애노드 입구(5)와 적어도 간접적으로 유체 연결된다. 제트 펌프(4)는 하우징 어셈블리(6)를 가지고, 하우징 어셈블리(6)는 본체(8) 및 혼합 튜브 인서트(17)를 구성 요소로서 가지며, 특히 제트 펌프(4)의 모듈식 구조가 도출된다.

Description

기체 매체를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛
본 발명은 특히 연료 전지 구동부(fuel cell drive)가 장착된 차량에서 사용하기 위해 제공되는 기체 매체, 특히 수소를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛에 관한 것이다.
차량 분야에서는 향후 액체 연료 외에 기체 연료도 점점 더 많은 역할을 하게 될 것이다. 특히 연료 전지 구동부가 장착된 차량에서는 수소 기체 흐름이 제어되어야 한다. 이 경우, 기체 흐름은 액체 연료 분사의 경우처럼 더 이상 불연속적으로 제어되지 않으며, 기체는 적어도 하나의 탱크, 특히 고압 탱크로부터 배출되어 중압 라인 시스템의 유입 라인을 통해 이젝터 유닛(ejector unit)으로 전달된다. 상기 이젝터 유닛은 저압 라인 시스템의 연결 라인을 통해 기체를 연료 전지로 안내한다.
DE102018213313호로부터 기체 매체, 특히 수소를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛이 공지되어 있다. 여기서 운반 유닛은 적어도, 압력을 받는 기체 매체의 추진 제트에 의해 구동되는 제트 펌프를 가지며, 상기 운반 유닛의 배출구가 연료 전지의 애노드 입구와 유체 연결된다(fluidically connected). 상기 제트 펌프의 본체에 노즐이 배치되며, 제트 펌프의 본체는 흡입 영역, 혼합 튜브 및 디퓨저 영역을 가지고, 제트 펌프의 종축에 대해 평행하게 연장되는 유동 방향으로 기체 매체에 의해 관류된다.
DE102018213313호로부터 공지된 운반 유닛은 소정의 단점을 가질 수 있다.
다양한 연료 전지 크기 및 연료 전지 성능으로 인한 다양한 고객 요구사항에 의해, 특히 혼합 튜브 영역, 예컨대 혼합 튜브 반경 및/또는 혼합 튜브 길이뿐만 아니라 흡입 영역 및/또는 디퓨저 영역의 인접한 유동 영역들에서 내부 유동 윤곽의 기하학적 형상과 관련하여 다양한 크기의 제트 펌프가 필요할 수 있다. 이러한 구체적이고 다양한 고객 요구사항은 개별 부품 레벨과 관련하여, 특히 운반 유닛의 본체뿐만 아니라, 전체 운반 유닛까지 아우르는 어셈블리 레벨과 관련해서도 높은 변형 다양화를 발생시킨다. 그 결과, 높은 물류 복잡성, 제조 복잡성, 높은 셋업 비용, 적은 장입량(batch) 및 가치 체인(value chain) 초기의 변형 생성으로 인해 비용상의 단점이 초래된다.
본 발명에 따라, 기체 매체, 특히 수소를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템용 운반 유닛이 제안되며, 이 운반 유닛은 압력을 받는 기체 매체의 추진 제트에 의해 구동되는 제트 펌프를 구비하고, 운반 유닛의 배출구가 연료 전지의 애노드 입구와 유체 연결되며(fluidically connected), 제트 펌프는 흡입 영역, 혼합 튜브 및 디퓨저 영역을 구비하고, 제트 펌프의 종축에 대해 평행하게 연장되는 유동 방향(III)으로 기체 매체에 의해 관류되며, 디퓨저 영역은 연료 전지의 애노드 입구와 적어도 간접적으로 유체 연결된다.
청구항 제1항을 참조하면, 본 발명에 따른 운반 유닛의 구성은, 제트 펌프가 하우징 어셈블리를 갖는다는 장점을 제공하며, 이 하우징 어셈블리는 본체 및 혼합 튜브 인서트를 구성 요소로서 가지며, 이 혼합 튜브 인서트는, 특히 조립 시, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트가 본체 내에 설치될 수 있는 방식으로 교체될 수 있다. 이러한 방식으로, 제트 펌프의 내부 유동 윤곽의 기하학적 형상과 관련하여 고객 요구사항이 상이한 경우, 혼합 튜브 인서트를 이용하여 그 편차는 매핑될 수 있는 한편 본체는 그대로 유지되는 장점이 달성될 수 있다. 이 경우, 조립 시 각각 요청된 유동 기하구조의 요구사항을 반영하는 각각 하나의 혼합 튜브 인서트가 본체에 설치된다. 본체는 그 기하학적 형상과 관련해서는 고객 요구사항에 관계없이 동일하게 유지된다. 따라서 제트 펌프의 내부 유동 윤곽의 다양한 고객 요구사항 및/또는 기하학적 형상에 대해 제트 펌프의 동일한 본체가 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 개별 부품 레벨과 관련하여, 특히 운반 유닛의 본체뿐만 아니라, 전체 운반 유닛까지 아우르는 어셈블리 레벨과 관련해서도 변형 다양화가 감소할 수 있다. 그 결과, 물류 복잡성 및/또는 제조 복잡성이 감소할 수 있고, 그로 인해 물류 비용 및/또는 제조 비용이 절감될 수 있는 이점이 달성될 수 있다. 또한, 본체의 장입량이 증가하기 때문에 셋업 비용이 절감될 수 있다. 이 경우, 전체 운반 유닛의 비용이 절감될 수 있는 한편, 개별 운반 유닛의 제조 시간 및/또는 생산 시간도 단축될 수 있다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선과 관련된다.
전달 유닛의 한 바람직한 구성에 따르면, 본체와 혼합 튜브 삽입물은 구성 요소로서 함께 적어도 부분적으로 제트 펌프 내부의 유동 영역인 흡입 영역, 혼합 튜브 및 디퓨저 영역을 형성한다. 이러한 방식으로, 제트 펌프의 내부 유동 윤곽의 적어도 거의 일부는 본체와 혼합 튜브 인서트에 의해 매핑될 수 있으며, 이를 통해 유동 윤곽의 기하구조가 제조 공정을 이용하여 상기 두 구성 요소에만 성형되기 때문에 제조 비용이 절감될 수 있다. 혼합 튜브 인서트의 본 발명에 따른 형상은, 예컨대 상기 구성 요소를 선삭 방법과 같은 비용 효율적인 방법으로 제조할 수 있기 때문에 상기 구성 요소의 제조 비용을 크게 줄일 수 있다는 장점을 제공한다. 이러한 방식으로 전체 운반 장치의 비용이 절감될 수 있다.
운반 유닛의 특히 바람직한 한 개선예에 따라, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트는 상이한 혼합 튜브 반경 및/또는 상이한 혼합 튜브 길이를 가지며, 혼합 튜브 길이는 종축에 평행하게 연장되고 혼합 튜브 반경은 종축에 직교하여 연장된다. 이러한 방식으로, 운반 유닛의 제품 다양화가 적어도 거의 완전히 혼합 튜브 인서트로 전위되고, 그로 인해 운반 유닛의 제조를 위한 제조 비용 및/또는 물류 비용이 절감될 수 있는 장점이 달성될 수 있다. 상이한 혼합 튜브 반경 및/또는 상이한 혼합 튜브 길이를 가진 상이한 혼합 튜브 인서트들을 설치할 수 있음으로써, 제트 펌프와 운반 유닛에서 각각의 고객 요구 사항에 상응하는 다수의 유동 윤곽이 매핑될 수 있다. 이 경우, 필요한 체적 흐름, 압력, 연료 전지의 이상적인 작동점, 연료 전지 시스템에 설치된 제트 펌프의 수, 온도, 전체 차량 및/또는 연료 전지의 성능과 같은 요인이 필요한 혼합 튜브 반경 및 필요한 혼합 튜브 길이에 영향을 미친다. 이제, 운반 유닛 및/또는 제트 펌프에 대한 다양한 고객 요구 사항은, 조립 시 각각의 맞춤 혼합 튜브 인서트가 설치되는 한편, 제트 펌프의 표준 본체는 유지될 수 있는 방식으로 구현될 수 있다. 따라서 제트 펌프의 효율이 개선될 수 있는 한편, 제트 펌프 및 운반 유닛의 전체 비용, 특히 제조 비용이 절감될 수 있다.
운반 유닛의 한 바람직한 구성에 따르면, 본체는 그 내경에 적어도 하나의 제1 견부를 갖고, 혼합 튜브 인서트는 그 외경 영역에 각각 적어도 하나의 제2 견부를 갖는다. 이러한 방식으로, 각각의 필요한 혼합 튜브 인서트가 종축 방향으로 본체에 삽입됨으로써, 신속하고 비용 효율적인 조립이 구현될 수 있다. 혼합 튜브 인서트는, 그의 외경이 본체의 내경과 적어도 간접적으로 접촉하는 방식으로 종축에 직각으로 고정된다. 종축 방향으로 혼합 튜브 인서트는 본체의 제1 견부와 접하는 제2 견부에 의해 고정된다. 또한, 혼합 튜브 인서트의 외경을 줄여 더 간단한 조립을 가능케 하기 위해, 상기 혼합 튜브 인서트가 조립 전에 냉각될 수 있다.
운반 유닛의 특히 바람직한 한 구성에 따라, 운반 유닛이 제트 펌프에 더하여 계량 공급 밸브를 가지며, 그 결과 운반 유닛은 밸브-제트 펌프 복합 장치로서 구현된다. 이러한 방식으로, 한편으로는 계량 공급 밸브와 제트 펌프 사이에 가능한 한 가장 짧은 유동 연결이 구현될 수 있다는 장점이 달성될 수 있는데, 그 이유는 상기 두 구성 요소가 공통 본체 내에서 공간적으로 서로 바로 옆에 위치하고, 그리고/또는 상기 두 구성 요소 사이의 유동 연결이 적어도 유동 편향을 거의 갖지 않기 때문이다. 이 경우, 기체 매체와 유동 라인 사이의 마찰 손실이 감소할 수 있으며, 그 결과 운반 장치의 효율이 개선될 수 있다. 다른 한편으로, 계량 공급 밸브와 제트 펌프가 본체상에 그리고/또는 그 내부에 배치된 밸브-제트 펌프 복합 장치로서의 운반 유닛의 바람직한 구성에 의해, 상기 두 구성 요소의 표면적이 감소하여 운반 유닛의 저온 시동 기능이 개선된다. 이 경우, 구성 요소 중 계량 공급 밸브와 제트 펌프는 저온에서 차량 주차 시 더 서서히 냉각된다. 또한, 밸브-제트 펌프 복합 장치로서 구현된 구성 요소인 계량 공급 밸브 및 제트 펌프의 더 빠른 가열이 가능하다. 이러한 방식으로, 예를 들어 시스템 또는 구성 요소 내 아이스 브리지(ice bridge)의 감소로 인해 운반 유닛의 고장 확률이 낮아질 수 있고, 운반 유닛의 서비스 수명이 증가할 수 있다.
특히 바람직한 한 개선예에 따라, 본체와 혼합 튜브 인서트 사이에 가열 요소가 위치한다. 이러한 방식으로, 전체 차량 및/또는 연료 전지 시스템이 내부 유동 윤곽 영역의 기체 매체에 있을 수 있는 물이 얼음 및/또는 아이스 브리지를 형성할 수 있는 0℃ 미만의 저온에서 장시간 정지해 있을 때, 제트 펌프 및/또는 전체 운반 유닛의 개선된 저온 시동 프로세스가 달성될 수 있다. 이 경우, 뾰족한 아이스 브리지가 표면을 손상시킴으로써, 제트 펌프의 유동 관련 표면 및/또는 제트 펌프의 다운스트림 및 기타 구성 요소의 손상이 발생할 수 있다. 가열 요소에 의해 아이스 브리지는, 운반 유닛 및 전체 연료 전지 시스템이 작동되기 전에, 저온 시동 프로세스 중에 녹아서 제거될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 시스템 또는 구성 요소 내 아이스 브리지의 감소로 인해 운반 유닛의 고장 확률이 낮아질 수 있고, 운반 유닛의 서비스 수명이 증가할 수 있다.
운반 유닛의 한 바람직한 구성에 따라, 본체와 혼합 튜브 인서트가 상이한 재료로 형성된다. 이러한 방식으로, 본체의 재료는 내압성 또는 내식성에 대한 요건을 충족하도록 선택되는 반면, 혼합 튜브 인서트의 재료는 신속하고 비용 효율적으로 처리될 수 있는 방식으로 선택되는 장점이 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 본체와 혼합 튜브 인서트에 대한 다양한 요건이 다양한 재료 선택을 통해 최상으로 충족될 수 있음으로써, 제트 펌프 및 운반 유닛의 비용을 줄일 수 있다. 또한, 이로써 제트 펌프의 서비스 수명이 증가될 수 있고, 그리고/또는 운반 유닛의 총 중량이 감소할 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따르면, 혼합 튜브 인서트는 유동 채널의 영역에서 높은 표면 품질 및/또는 낮은 표면 거칠기를 갖는다. 이러한 방식으로, 제트 펌프 및/또는 운반 유닛의 내부 유동 윤곽과 기체 매질 사이의 마찰 손실이 감소할 수 있는 장점이 달성될 수 있다. 따라서 운반 유닛의 효율이 개선될 수 있다.
운반 유닛의 특히 바람직한 한 구성에 따르면, 혼합 튜브 인서트가 적어도 부분적으로, 낮은 열용량 및/또는 높은 열전도성을 갖는 재료로 제조된다. 이러한 방식으로, 저온 시동 프로세스에서 원하는 대로 혼합 튜브 인서트만 가열될 수 있는 한편, 본체는 완전히 가열될 필요가 없다. 이러한 방식으로, 혼합 튜브 인서트가 본체보다 더 빨리 가열될 수 있기 때문에 가열 출력을 줄일 수 있고, 그로 인해 특히 저온 시동 프로세스에서 운반 유닛의 작동 비용을 줄일 수 있다.
본 발명은 여기에 기술된 실시예들 및 이들에서 강조된 양태로만 한정되지 않는다. 오히려 청구 범위에 명시된 영역 내에서 전문적인 조치의 범주에 있는 복수의 변형 및/또는 조합이 가능하다.
본 발명은 도면을 토대로 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 제트 펌프 및 계량 공급 밸브를 갖는 운반 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에서 X로 표시된 운반 유닛의 제트 펌프의 섹션을 하우징 어셈블리와 함께 확대 도시한 도면이다.
도 3은 본체, 혼합 튜브 인서트, 가열 요소 및 밀봉 요소를 구성 요소로서 갖는, 도 2에 XI로 표시된 하우징 어셈블리의 섹션을 도시한 도면이다.
도 4는 연료 전지 및 운반 유닛을 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 개략도이다.
도 1에 따른 도면은 운반 유닛(1)의 개략적 단면도를 도시하며, 여기서 운반 유닛(1)은 밸브-제트 펌프 복합 장치(3)를 구비한다. 밸브-제트 펌프 복합 장치(3)는 계량 공급 밸브(10) 및 제트 펌프(4)를 구비하며, 계량 공급 밸브(10)는 예컨대 나사 연결에 의해 제트 펌프(4)와, 특히 제트 펌프(4)의 본체(8)와 연결된다.
제트 펌프(4)는 제1 유입구(28), 제2 유입구(36a), 흡입 영역(7), 혼합 튜브(9) 및 디퓨저 영역(11)을 구비한다. 계량 공급 밸브(10)는 제2 유입구(36b) 및 노즐(12)을 구비한다. 이 경우, 계량 공급 밸브(10)는 특히 제1 종축(52)의 방향으로 제트 펌프(4) 내로, 특히 제트 펌프(4)의 본체(8)의 개구 내로 삽입된다.
도 1에는 또한, 운반될 매체가 유동 방향(III)으로 밸브-제트펌프 복합 장치(3)를 관류하는 것이 도시되어 있다. 밸브-제트 펌프 장치(3)의 관류 영역의 대부분이 적어도 거의 관형으로 형성되고, 운반 유닛(1) 내에서 특히 H2O와 N2의 비율을 갖는 H2인 기체 매체를 운반 및/또는 안내하는 역할을 한다. 기체 매체는 유동 방향(III)으로 종축(52)에 평행한 본체(8) 내부의 중앙 유동 영역(19)을 관류하는데, 중앙 유동 영역(19)은 흡입 영역(7) 내 노즐(12) 입구 영역에서 시작하여 혼합 튜브(9)를 지나 디퓨저 영역(11)까지, 예를 들어 그 너머로, 특히 운반 유닛(1)의 유동 단면적의 적어도 거의 일정한 직경을 갖는 영역으로 연장된다. 이때, 밸브-제트 펌프 장치(3)에는 한편으로 제1 유입구(28)를 통해 재순환 유동이 공급되고, 이 재순환 유동은 특히 연료 전지(32)의 (도 4에 도시된) 애노드 영역(38)에서, 특히 스택에서 미사용된 H2이며, 상기 재순환 유동은 물과 질소도 포함할 수 있다. 재순환 유동은 제1 유동 경로(IV)를 통해 밸브-제트 펌프 장치(3) 내로 유입된다. 다른 한편으로, 밸브-제트 펌프 장치(3) 외부로부터 제2 유동 경로(V)에서 제2 유입구(36)를 통해 기체 추진제, 특히 H2가 밸브-제트 펌프 장치(3)의 개구 내로, 그리고/또는 본체(8) 내로, 그리고/또는 계량 공급 밸브(10) 내로 유입되며, 상기 추진제는 탱크(34)로부터 나올 수 있고 특히 5바아 이상의 고압 상태에 놓여 있다. 제2 유입구(36a, b)는 구성 요소 중 본체(8) 및/또는 계량 공급 밸브(10)를 관통하여 연장된다. 계량 공급 밸브(10)로부터 추진제는 구동 시스템 및 완전히 닫힐 수 있는 밸브 요소에 의해, 특히 간헐적으로, 노즐(12)을 통해 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9)로 배출된다. 노즐(12)을 통해 흐르며 추진제로서 이용되는 H2는 재순환 매체에 대해 압력차 및/또는 속도차를 가지며, 상기 재순환 매체는 제1 유입구(28)로부터 운반 유닛(1) 내로 유입되고, 상기 추진제는 특히 적어도 5바아의 더 높은 압력을 갖는다. 이른바 제트 펌프 효과가 발생하면, 재순환 매체가 예를 들어 운반 유닛(1)의 상류에 연결된 사이드 채널 압축기를 사용하여 낮은 압력으로 운반 유닛(1)의 중앙 유동 영역(19)으로 운반된다. 이때, 추진제는 전술한 압력차 및 특히 음속에 가까울 수 있는 높은 속도로, 노즐(12)을 통해 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9)의 중앙 유동 영역(19)으로 유입된다. 노즐(12)은 유동 단면 형태의 내부 리세스를 가지며, 이 리세스를 통해 기체 매체가 특히 계량 공급 밸브(10)로부터 나와서 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9) 내로 유입되는 방식으로 흐를 수 있다. 추진제는 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9)의 중앙 유동 영역(19)에 이미 존재하는 재순환 매체를 만난다. 추진제와 재순환 매체 사이의 높은 속도차 및/또는 압력차로 인해 이들 매체 사이에 내부 마찰 및 난류가 생성된다. 이때, 빠른 추진제와 훨씬 더 느린 재순환 매체 사이의 경계층에 전단 응력(shear stress)이 발생한다. 상기 응력은 운동량 전달(momentum transfer)을 야기하며, 이때 재순환 매체가 가속되어 휩쓸리게 된다. 혼합은 운동량 보존(conservation of momentum)의 원리에 따라 발생한다. 이때, 재순환 매체는 유동 방향(III)을 따라 가속되고, 상기 재순환 매체에 대해 압력 강하가 발생하며, 그로 인해 흡입 작용이 시작됨에 따라 제1 유입구(28)의 영역으로부터 추가 재순환 매체가 공급된다. 이러한 효과를 제트 펌프 효과라고 할 수 있다. 계량 공급 밸브(10)를 이용한 추진제의 계량 투입을 제어함으로써, 재순환 매체의 운반 속도를 조절할 수 있고, 작동 상태 및 작동 요건에 따라 (도 1에 도시되지 않은) 전체 연료 전지 시스템(31)의 개별 수요에 맞춰 조정할 수 있다. 계량 공급 밸브(10)가 닫힌 상태에 있는, 운반 유닛(1)의 한 예시적인 작동 상태에서는, 추진제가 제2 유입구(36)로부터 제트 펌프(4)의 중앙 유동 영역(19)으로 흐르는 것을 방지할 수 있으며, 그럼으로써 추진제가 재순환 매체를 향해 유동 방향(III)으로 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9) 내로 더 유입될 수 없게 되어 제트 펌프 효과가 중단된다.
혼합 튜브(9)를 통과한 후, 특히 재순환 매체와 추진제로 구성된, 혼합되어 운반될 매체가 유동 방향(III)으로 디퓨저 영역(11)으로 흐르며, 디퓨저 영역(11)에서 유속 감소가 발생할 수 있다. 그곳으로부터 기체 매체는 예컨대 계속해서 연료 전지(32)의 애노드 영역(38)으로 흘러간다.
또한, 도 1의 운반 유닛(1)은, 제트 펌프 효과 및 운반 효율을 추가로 개선하고, 그리고/또는 저온 시동 프로세스 및/또는 제조 및 조립 비용을 더욱 개선하는 기술적 특징을 갖는다. 이 경우, 부분 부재인 디퓨저 영역(11)은 자신의 내부 유동 단면의 영역에서 원추형으로, 특히 제1 유동 방향(III)으로 가면서 확장되는 형태로 연장된다. 부분 부재인 디퓨저 영역(11)의 이러한 성형을 통해, 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되는 바람직한 효과가 발생할 수 있으며, 그럼으로써 운반 유닛(1)의 가능한 운반 체적이 더 증가할 수 있고, 그로 인해 운반될 매체, 특히 H2가 더 많이 연료 전지(32)에 공급될 수 있으며, 그 결과 전체 연료 전지 시스템(31)의 효율이 높아질 수 있다.
본 발명에 따라 계량 공급 밸브(10)는, 흡입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9) 내로의 추진제의 더 개선된 계량 공급 기능 및 더 정확한 계량 공급을 가능케 하기 위해, 비례제어 밸브(10)로서 구현될 수 있다. 운반 유닛(1)의 유동 기하구조 및 효율을 더욱 개선하기 위해, 노즐(12)과 혼합 튜브(9)가 회전 대칭형으로 구현되며, 상기 노즐(12)은 제트 펌프(4)의 혼합 튜브(9)에 대해 동축으로 연장된다.
도 2는 도 1에서 X로 표시된, 운반 유닛(1)의 제트 펌프(4)의 섹션을, 본체(8) 및 혼합 튜브 인서트(17)를 구성 요소로서 구비한 하우징 어셈블리(6)와 함께 확대 도시한 도면이다. 제트 펌프(4)는, 내부에 종축(52) 주위에 회전 대칭으로 내부 유동 개구(20)를 구비한 노즐(12)을 가지며, 상기 내부 유동 개구는 중앙 유동 영역(19) 및/또는 흡입 영역(7)을 제2 유입구(36)에 연결하고 추진 매체를 관류시킬 수 있다. 이 경우, 제트 펌프(4)는 하우징 어셈블리(6)를 가지고, 이 하우징 어셈블리(6)는 본체(8) 및 혼합 튜브 인서트(17)를 구성 요소로서 가지며, 이 혼합 튜브 인서트(17)는, 특히 조립 시, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트(17)가 본체(8) 내에 설치될 수 있는 방식으로 교체될 수 있다. 이러한 방식으로, 운반 유닛(1) 및 이에 따라 제트 펌프(4)는 다양한 고객 요구 사항 및/또는 성능 사양 요건에 대해 혼합 튜브 인서트(17)만 교체되는 방식으로 조정될 수 있지만, 본체(8)는 다양한 고객 요구 사항에 대해 특히 모듈 원리의 범주에서 사용될 수 있다. 이 경우, 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17)는 구성 요소로서 함께 적어도 부분적으로 제트 펌프(4) 내부의 유동 영역인 흡입 영역(7), 혼합 튜브(9) 및 디퓨저 영역(11)을 형성하며, 혼합 튜브 인서트(17)는 종축(52) 주위에 적어도 거의 완전히 회전 대칭으로 연장된다. 또한, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트(17)는 상이한 혼합 튜브 반경(25) 및/또는 상이한 혼합 튜브 길이(26)를 가지며, 혼합 튜브 길이(26)는 종축(52)에 평행하게 연장되고 혼합 튜브 반경(25)은 종축(52)에 직교하여 연장된다. 혼합 튜브 반경(25)은 각각의 혼합 튜브 인서트(17)의 내벽(35)과 종축(52) 사이에 형성된다.
계속해서 도 2에는, 본체(8)가 그 내경에 적어도 하나의 제1 견부(13)를 갖고, 혼합 튜브 인서트(17)는 그 외경 영역에 각각 적어도 하나의 제2 견부(14)를 갖는 점이 도시되어 있다. 혼합 튜브 인서트(17)는 본 실시예에서 2개의 제1 견부(13)를 갖는다. 적어도 하나의 제1 견부(13)는 종축(52)의 방향으로 제2 견부와 접한다. 이러한 방식으로, 혼합 튜브 인서트(17)는 조립 시, 내부 유동 윤곽이 필요한 만큼 형성되는 방식으로, 상기 혼합 튜브 인서트의 제1 견부(13)가 본체(8)의 제2 견부(14)와 접할 때까지, 종축(52)의 방향으로 본체(8) 안으로 삽입될 수 있고, 그로 인해 특히 종축(52) 방향으로 구성 요소로서 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17)의 서로에 대해 정확한 정렬이 보장될 수 있다. 제트 펌프(4)의 본 발명에 따른 구성을 개선하는 추가 조치는 제트 펌프(4)의 구성 요소들의 견부(13, 14) 사이에 적어도 하나의 밀봉 요소(15)를 배치하는 것이다.
제트 펌프(4)의 재순환 용량에 대한, 특히 고객측의 다양한 요구 사항으로 인해, 제트 펌프(4)의 중앙 유동 영역(19)에서 개개의 최적의 내부 기하구조와 관련하여 높은 다양화가 야기될 수 있다. 많은 경우에, 최적의 기하구조의 구성은 혼합 튜브(9)의 영역 및/또는 바로 인접한 유동 영역인 흡기 영역(7) 및/또는 디퓨저 영역(11)에서만 크게 상이하다. 따라서, 유동 기하구조 영역에서의 다양화가 구성 요소인 혼합 튜브 인서트(17)로 전위되고 제트 펌프(4)의 본체(8)는 유지되도록 구성되는, 운반 유닛(1)의 모듈식 구조가 제안된다. 그 결과, 동일 부품의 수가 증가할 수 있음으로써 비용, 특히 다양화 비용을 절감할 수 있다. 따라서 운반 유닛(1)은 예를 들어 고객 맞춤형 혼합 튜브 인서트(17)를 갖는 "플랫폼" 하우징 어셈블리를 갖는다.
도 2에는 또한, 운반 유닛(1) 외부로부터 제1 유입구(28)를 통해 중앙 유동 영역(19)으로 기체 재순환 매체, 특히 H2가 유입되는 것이 도시되어 있으며, 여기서 기체 재순환 매체는 예컨대 연료 전지 스택으로부터 운반된다. 상기 기체 재순환 매체는 유동 방향(III)으로 노즐(12)과 본체(8) 사이를 통과하여 유입 영역(7) 및/또는 혼합 튜브(9) 내로 흐른다.
도 3에는 본체(8), 혼합 튜브 인서트(17), 가열 요소(27) 및 적어도 하나의 밀봉 요소(15)를 구성 요소로서 갖는, 도 2에 XI로 표시된, 혼합 튜브(9) 영역의 하우징 어셈블리(6)의 섹션이 도시되어 있다. 여기서 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17) 사이에 가열 요소(27)가 위치한다. 본체(8)는 제1 견부(13)를 갖고 혼합 튜브 인서트(17)는 제2 견부(14)를 갖는 점이 확인되며, 도시된 실시예에서 가열 요소(27)는 종축(52) 방향으로 제1 견부(13)와 제2 견부(14) 사이에 위치한다. 가열 요소(27)는 종축(52) 주위에 적어도 거의 회전 대칭으로 그리고/또는 슬리브 형태로 연장될 수 있다. 가열 요소(27)에 의해, 예를 들어 저온 시동 시 운반 유닛(1), 특히 제트 펌프(4)에서의 결빙 위험이 방지될 수 있는데, 이는 가열 요소(27)에, 예컨대 전기 가열 요소(27)의 경우 전기 에너지 형태의 에너지가 공급됨으로써 얼음이 녹을 수 있기 때문이다. 또한, 저온 시동 시 차가운 혼합 튜브에서의 물의 재결빙이 방지될 수 있다. 가열 요소(27)의 접촉은 예를 들어 본체(8)의 보어를 통해 구현될 수 있다. 도 3의 실시예에서는, 회전축(52) 주위에 연장되며 예를 들어 오링(15)으로서 구현될 수 있는 별도의 밀봉 요소(15)가 제트 펌프(4)의 중앙 유동 영역(19)으로부터의 기체 매체 및/또는 다른 액체에 대해 가열 요소(27)를 캡슐화하는 점이 확인되며, 그럼으로써 예를 들어 전기 구성 요소들의 손상이 방지될 수 있다.
나아가, 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17)는 상이한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 바람직한 방식으로, 혼합 튜브 인서트(17)는 적어도 부분적으로, 특히 본체(8)의 재료에 비해 낮은 열용량 및/또는 높은 열전도성을 갖는 재료로 제조된다. 이러한 방식으로, 가열 요소(27)에 의한 혼합 튜브 인서트(17)의 신속한 가열이 달성될 수 있는 반면, 본체(8)는 약간만 가열된다. 따라서, 혼합 튜브 인서트의 표면 영역에 있는 아이스 브리지만 해체되면 되기 때문에, 본체(8)의 불필요한 가열에 필요한 에너지가 절약될 수 있다. 또한, 혼합 튜브 인서트(17)는 유동 채널의 영역에서 특히 본체(8)에 비해 높은 표면 품질 및/또는 낮은 표면 거칠기를 갖는 것이 바람직하다. 높은 표면 품질 및/또는 낮은 표면 거칠기가 기체 매체와 운반 유닛(1) 사이의 마찰 손실이 적음을 의미하는 유동 윤곽은 적어도 거의 독점적으로 혼합 튜브 인서트(17)의 영역에 위치한다. 그럼으로써 운반 유닛(1)의 생산 비용이 절감될 수 있는 반면, 운반 유닛(1)의 효율은 증대될 수 있다.
도 4에는 연료 전지 시스템(31), 특히 애노드 회로의 실시예가 도시되어 있다. 여기서는, 운반 유닛(1)이 연결 라인(29)을 통해 애노드 영역(38) 및 캐소드 영역(40)을 포함하는 연료 전지(32)에 연결되는 것이 확인된다. 또한, 연료 전지(32)의 애노드 영역(38)을 제1 유입구(28)에 연결하고 이로써 특히 운반 유닛(1)의 흡입 영역(7)에 연결하는 재순환 라인(23)이 제공된다. 재순환 라인(23)을 이용하여, 연료 전지(32)의 작동 시 애노드 영역(38)에서 사용되지 않은 제1 기체 매체가 제1 유입구(28)로 귀환될 수 있다. 상기 제1 기체 매체는 특히 전술한 재순환 매체이다.
도 4에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 탱크(34)에 저장된 제2 기체 매체는 유입 라인(21)을 통해 특히 제2 유입구(36)로서 구성된, 운반 유닛(1) 및/또는 제트 펌프(4)의 유입 영역에 공급된다. 상기 제2 기체 매체는 특히 추진제이다.

Claims (10)

  1. 기체 매체, 특히 수소를 운반 및/또는 제어하기 위한 연료 전지 시스템(31)용 운반 유닛(1)이며, 이 운반 유닛은 압력을 받는 기체 매체의 추진 제트에 의해 구동되는 제트 펌프(4)를 구비하고, 운반 유닛(1)의 배출구가 연료 전지(32)의 애노드 입구(5)와 유체 연결되며(fluidically connected), 제트 펌프(4)는 흡입 영역(7), 혼합 튜브(9) 및 디퓨저 영역(11)을 구비하고, 제트 펌프(4)의 종축(52)에 평행하게 연장되는 유동 방향(III)으로 기체 매체에 의해 관류되며, 디퓨저 영역(11)은 연료 전지(32)의 애노드 입구(5)와 적어도 간접적으로 유체 연결되는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛에 있어서,
    제트 펌프(4)는 하우징 어셈블리(6)를 가지고, 이 하우징 어셈블리(6)는 본체(8) 및 혼합 튜브 인서트(17)를 구성 요소로서 가지며, 이 혼합 튜브 인서트(17)는, 특히 조립 시, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트(17)가 본체(8) 내에 설치될 수 있는 방식으로 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  2. 제1항에 있어서, 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17)는 구성 요소로서 함께 적어도 부분적으로 제트 펌프(4) 내부의 유동 영역인 흡입 영역(7), 혼합 튜브(9) 및 디퓨저 영역(11)을 형성하며, 혼합 튜브 인서트(17)는 종축(52) 주위에 적어도 거의 완전히 회전 대칭으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 2개의 혼합 튜브 인서트(17)는 상이한 혼합 튜브 반경(25) 및/또는 상이한 혼합 튜브 길이(26)를 가지며, 혼합 튜브 길이(26)는 종축(52)에 평행하게 연장되고 혼합 튜브 반경(25)은 종축(52)에 직교하여 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 본체(8)가 그 내경에 적어도 하나의 제1 견부(13)를 갖고, 혼합 튜브 인서트(17)는 그 외경 영역에 각각 적어도 하나의 제2 견부(14)를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 운반 유닛(1)이 제트 펌프(4)에 더하여 계량 공급 밸브(10)를 가지며, 그 결과 운반 유닛(1)은 밸브-제트 펌프 복합 장치(3)로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17) 사이에 가열 요소(27)가 위치하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 본체(8)와 혼합 튜브 인서트(17)가 상이한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  8. 제7항에 있어서, 혼합 튜브 인서트(17)는 유동 채널의 영역에서 높은 표면 품질 및/또는 낮은 표면 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 혼합 튜브 인서트(17)는 적어도 부분적으로, 낮은 열용량 및/또는 높은 열전도성을 갖는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 운반 유닛(1).
  10. 연료 전지 시스템(31)에서의, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 운반 유닛(1)의 사용.
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