KR20230043731A - 냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템 - Google Patents

냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230043731A
KR20230043731A KR1020220118508A KR20220118508A KR20230043731A KR 20230043731 A KR20230043731 A KR 20230043731A KR 1020220118508 A KR1020220118508 A KR 1020220118508A KR 20220118508 A KR20220118508 A KR 20220118508A KR 20230043731 A KR20230043731 A KR 20230043731A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coolant
fuel cell
housing
cell system
port
Prior art date
Application number
KR1020220118508A
Other languages
English (en)
Inventor
핸칵 쿠르투스
소우쿱 니콜라우스
Original Assignee
에어버스 오퍼레이션즈 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에어버스 오퍼레이션즈 게엠베하 filed Critical 에어버스 오퍼레이션즈 게엠베하
Publication of KR20230043731A publication Critical patent/KR20230043731A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04417—Pressure; Ambient pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00—Power installations for auxiliary purposes
    • B64D2041/005—Fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료 전지 시스템이 연료 전지 적층체, 하우징, 제1 냉각제 포트, 제2 냉각제 포트, 그리고 냉각제 펌프 및 냉각제 펌프와 유체 연통되는 열 교환기를 가지는 냉각 장치를 포함하고, 하우징은 상부측 및 하부측을 포함하고, 연료 전지 적층체는 하우징 내에 배치되며, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트는 각각 냉각제 튜브를 포함하고, 냉각제 튜브는 내부 튜브, 외부 튜브 및 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 갭을 가지며, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트의 각각은, 내부 단부가 외부 단부보다 더 상부측에 있도록 하는 경사진 방식으로, 하우징을 통해서 도달하고, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트는 냉각 장치 및 연료 전지 적층체의 제1 냉각제 경로에 커플링되어 냉각제 루프를 형성한다.

Description

냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH IMPROVED SEPARATION BETWEEN COOLANT MEDIA AND HYDROGEN}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이러한 연료 전지 시스템을 가지는 운반체에 관한 것이다.
운반체에서 전력을 생성하기 위한 연료 전지 시스템이 잘 알려져 있다. 연료 전지 프로세스에서, 애노드측에 공급되는 수소 및 캐소드측에 공급되는 산소가 조합되어 물을 형성하는 한편, 전류 및 열이 생성된다. 적절한 동작 조건을 유지하기 위해서, 각각의 연료 전지는 냉각 장치를 통해서 냉각된다. 예를 들어, 냉각 장치는 냉각제를 순환시키고, 냉각제는 연료 전지 적층체의 냉각제 경로 내에서 열을 흡수하고 이러한 열을 열 교환기를 통해서 방출한다.
고분자 전해질 멤브레인(PEM)을 가지는 액체 냉각형 연료 전지 시스템은 종종, 에틸렌 글리콜 물 혼합물과 같은, 가연성 또는 잠재적인 가연성의 냉각제를 사용한다. 항공 우주 적용예가 지상-기반의 운반체 또는 적용예에 비해서 부가적인 안전 고려 사항을 필요로 함에 따라, 본 발명의 목적은, 연료 전지 시스템의 냉각제 매체 포함 구역과 수소 포함 구역 사이의 분리가 개선된 연료 전지 시스템을 제시하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항 제1항의 특징을 가지는 연료 전지 시스템에 의해 달성된다. 유리한 실시예 및 추가적인 개선예가 종속 청구항 및 이하의 설명에서 확인될 수 있다.
연료 전지 시스템이 제시되고, 이러한 연료 전지 시스템은 연료 전지 적층체, 하우징, 제1 냉각제 포트, 제2 냉각제 포트, 그리고 냉각제 펌프 및 냉각제 펌프와 유체 연통되는 열 교환기를 가지는 냉각 장치를 포함하고, 하우징은 상부측 및 하부측을 포함하고, 연료 전지 적층체는 하우징 내에 배치되며, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트는 각각 냉각제 튜브를 포함하고, 냉각제 튜브는 내부 튜브, 외부 튜브 및 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 갭을 가지며, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트의 각각은, 내부 단부가 외부 단부보다 더 상부측에 있도록 하는 경사진 방식으로, 하우징을 통해서 도달하고, 제1 냉각제 포트 및 제2 냉각제 포트는 냉각 장치 및 연료 전지 적층체의 제1 냉각제 경로에 커플링되어 냉각제 루프를 형성한다.
연료 전지 적층체는 개별적인 연료 전지의 배열체(arrangement)를 포함할 수 있고, 연료 전지들은, 직렬 연결과 같이, 서로 전기적으로 연결된다. 적절한 수의 개별적인 연료 전지를 제공하는 것 그리고 적절한 상호 연결을 제공하는 것에 의해서, 희망 전압 레벨 및 전류에 도달할 수 있다. 또한, 연료 전지의 복수의 그룹이 제공되는 것을 생각할 수 있고, 이러한 그룹들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 희망 전류 및 전압 그리고 희망 최대 전력을 달성한다.
개별적인 연료 전지는, 애노드, 멤브레인, 및 캐소드로 이루어진 배열체를 포함하는, 고분자 전해질 멤브레인 연료 전지로서 실현될 수 있다. 그러한 PEM 연료 전지의 동작 온도는 일반적으로 약 50 내지 약 80℃ 또는 90℃의 범위일 수 있다. 고온 PEM 연료 전지는 동작 온도가 더 높다. 연료 전지 적층체는 양극성 판들 및 그 사이에 배치된 멤브레인의 적층체의 형태로 제공될 수 있고, 복수의 개별적인 PEM 연료 전지들의 직렬 연결이 생성된다. 양극성 판들이 수소, 산소 또는 공기 및 물 또는 수증기의 분배를 위해서 그 측면의 각각에서 유동 필드를 포함하는 것이 명확하다. 양극성 판들은 연료 전지 적층체 내에서 냉각 기능을 달성하기 위해서 내부 냉각제 분배 유동 필드를 포함할 수 있다.
하우징은 적어도 연료 전지 적층체를 둘러싸는 외장으로서 해석될 것이다. 수소가 연료 전지 적층체의 바로 근처에만 존재할 수 있기 때문에, 이는 수소 함유 공간 또는 엔벨로프(envelope)를 형성한다. 연료 전지 적층체를 둘러싸기 위한 하우징을 제공하는 것은 수소 함유 분위기를 별개의 공간으로 제한한다.
제1 및 제2 냉각제 포트는 연료 전지 적층체와 유입되는 냉각된 냉각제 및 유출되는 가열된 냉각제의 연결을 제공한다. 따라서, 양 냉각제 포트는 하우징의 외부로부터 하우징의 내부 공간 내로 연료 전지 적층체까지 연장된다. 내부 단부들이 하우징의 상부측에 더 있도록 배치되기 때문에, 냉각제는, 중력에 의해서만 구동되어, 경사를 따르고 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 갭을 통해서 아래쪽으로 유동한다. 따라서, 하우징이 지정된 배향으로 배치되는 경우에, 누출 냉각제는 항상 하우징의 외부로 유동할 수 있다. 따라서, 냉각제를 하우징 내의 수소-함유 분위기로부터 매우 단순하면서도 효과적으로 분리하는 방식이 제공된다.
냉각제 펌프 및 열 교환기는 하우징의 외부에 배치될 수 있다. 따라서, 냉각제 함유 구성요소의 대부분은 하우징의 외부에 있다. 냉각제가 하우징 내로 누출될 위험이 더 감소된다. 연료 전지 적층체와, 냉각제 포트 중 하나가 통과하는 인접 벽 사이의 거리가 가능한 한 작을 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 따라서, 하우징 내의 냉각제 포트의 각각의 섹션이 가능한 한 짧고, 그에 따라 냉각제가 하우징 내로 누출될 위험을 더 감소시킨다.
제1 냉각제 포트는 냉각제 펌프의 하류에 배치될 수 있고, 제1 냉각제 포트의 내부 튜브는 냉각제 펌프와 유체 연통되고 제1 냉각제 경로의 제1 유입구에 연결되며, 제2 냉각제 포트의 내부 튜브는 제1 냉각제 경로의 제1 배출구에 연결되고 열 교환기와 유체 연통된다. 연료 전지 적층체까지의 냉각제 경로의 길이를 줄이기 위해서, 제1 유입구 및 제1 배출구가 하우징 벽에 가능한 한 근접하여 배치되는 것을 생각할 수 있다. 내부 튜브 및 외부 튜브 모두가 연료 전지 적층체에 연결되고, 내부 튜브는 냉각제를 연료 전지 적층체로 안내하기 위한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료 전지 적층체의 애노드 배출구 및 애노드 유입구와 유체 연통되는 수소 재순환 펌프를 추가로 포함할 수 있고, 수소 재순환 펌프는 제2 냉각제 유입구 및 제2 냉각제 배출구를 가지는 제2 냉각제 경로를 포함하고, 제2 냉각제 유입구 및 제2 냉각제 배출구는 냉각제 루프의 우회 경로 내에 배치된다. 수소 재순환 펌프는 하우징의 벽 상에 또는 벽에 배치될 수 있고, 펌프 열 교환기가 하우징의 외부 측면 상에서 접근할 수 있다. 예를 들어, 펌프는 직접적으로 측벽 상에서 하우징 내에 배치될 수 있다. 제2 냉각제 경로를 가지는 펌프 열 교환기가 각각의 벽의 외부 측면에 배치될 수 있고, 펌프 및 펌프 열 교환기가 열적으로 커플링된다. 펌프 열 교환기, 펌프 하우징, 장착 표면 및/또는 하우징의 적어도 국소적인 섹션의 재료는, 구리, 알루미늄, 또는 마그네슘과 같이, 양호한 열 전도도를 갖도록 선택될 수 있다. 또한, 펌프의 열 생성 요소와 펌프 열 교환기 사이의 거리가 가능한 한 단축될 수 있다. 이는, 수소와 냉각제의 분리를 더 개선할 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 제2 냉각제 경로를 포함하는 재순환 펌프의 섹션이 하우징의 외부 측면에 배치되고, 수소와 접촉되는 재순환 펌프의 섹션이 하우징의 내부에 배치되는 것을 생각할 수 있다. 재순환 펌프는 다수-부분 펌프 하우징을 포함할 수 있고, 그러한 부분 중 하나는 제2 냉각제 경로를 포함할 수 있고 하우징의 외부 표면에 부착되는 한편, 펌프 하우징의 다른 부분은 연료 전지 시스템의 하우징의 내부에 부착될 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서, 하우징이 상부측 내의 또는 그에 인접한 수소 방출 개구부를 포함할 수 있다. 따라서, 하우징의 내부 공간에 도달하는 수소는, 공기보다 가볍기 때문에, 방출 개구부를 통해서 하우징을 빠져 나갈 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서, 제1 냉각제 포트, 제2 냉각제 포트 및 냉각제 루프의 냉각제 안내 구성요소 중 적어도 하나가 화재 차폐부를 포함한다. 화재 차폐부는, 연소-관통 시간을 증가시킬 수 있는 적절한 재료의 부가적인 층을 포함할 수 있다. 따라서, 화재 차폐부는 냉각제 파이프를 주어진 시간 프레임 동안 수소 화염으로부터 보호한다. 이러한 차폐부로, 파이프는 수소 화염 내에서 주어진 시간을 견딜 수 있고, 그에 따라 수소 함유 지역 내로의 냉각제 유체의 부가적인 누출을 방지할 수 있다.
예를 들어, 화재 차폐부는 코팅 및/또는 부가적인 금속 차폐부를 포함할 수 있다. 코팅은 광물, 유기 할로겐 화합물, 유기 인 화합물, 유기 화합물, 금속 유도체로 충진될 수 있는 고분자 복합체, 및 기타를 기초로 하는 난연성 재료를 기초로 할 수 있다. 금속 차폐부는 강, 몰리브덴, 니켈, 백금, 티타늄, 텅스텐 또는 기타로 제조된 호일 또는 시트 금속을 포함할 수 있다. 아연 산화물, 아연 붕화물, 수산화마그네슘, 및 층상형 이중 수산화물과 같은 금속 화합물 나노입자를 제공하는 것도 효과적인 난연제로 사용될 수 있다. 화재 차폐부는 바람직하게는 외부 튜브 상에 배치될 수 있다.
또한, 플랜트 구성요소의 적어도 하나의 수소 핸들링 밸런스(hydrogen handling balance)가 하우징 내에 배치되어, 수소를 연료 전지 적층체에 공급할 수 있다. 플랜트의 밸런스는, 연료 전지 시스템의 동작을 가능하게 하는 많은 수의 보조 장비 항목으로서 이해된다. 이는 냉각 장치 그리고 냉각제 안내 파이프 및 라인을 포함할 수 있다. 또한, 이는 연료 전지에 수소를 공급하도록 구성된 수소 회로를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템이 공기 공급 연료 전지 시스템인 경우에, 플랜트의 밸런스는 또한 연료 전지에 공기를 공급하도록 구성된 공기 회로를 포함할 수 있다. 가능한 한 많은 수소 핸들링 구성요소가 하우징 내에 배치되는 것을 생각할 수 있다. 따라서, 수소와 냉각제의 더 개선된 분리가 실현된다.
연료 전지 시스템은 냉각제를 검출하도록 설계된 적어도 하나의 누출 센서를 추가로 포함할 수 있고, 적어도 하나의 누출 센서는 누출을 나타내기 위한 신호 전달 장치와 통신하고, 적어도 하나의 누출 센서는 제1 냉각제 포트 및/또는 제2 냉각제 포트의 갭과 유체 연통된다. 따라서, 냉각제가 튜브들 사이의 갭에 도달한 경우에, 각각의 누출 센서는 누출을 검출할 수 있고, 경고 신호가 경고 장치로 송신될 수 있다. 이는, 항공기가 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 경우에, 메시지를 화면에서 디스플레이하는 것, 전자 유지보수 지침서에 항목을 저장하는 것, 전자 메시지를 작업장 또는 지상국에 송신하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 전기 소비체 및 전술한 적어도 하나의 연료 전지 시스템을 포함하는 운반체에 관한 것이다. 적어도 하나의 전기 소비체는 임의의 종류의 전기 소비체일 수 있다. 운반체가 트러스트를 제공하기 위한 또는 운반체 내의 또는 운반체 상의 특정 기능을 수행하기 위한 적어도 하나의 전기 모터를 포함하는 것을 생각할 수 있다. 적어도 하나의 전기 소비체가 또한 조명 장치, 갤러리 장치, 오락 장치 및 기타를 포함할 수 있다.
운반체가 항공기일 수 있다. 연료 전지 시스템은 예시적으로 보조 전력 유닛 및/또는 발전기를 대신할 수 있고, 항공기 내의 주 전력 버스에 연결된다. 또한, 연료 전지 시스템이, 갤러리 또는 갤러리의 그룹 또는 트러스트 유닛에 전력을 제공하는 것과 같은, 다소 독립적인 기능을 제공하도록 지정되는 것을 생각할 수 있다.
적어도 하나의 연료 전지 시스템이 항공기의 가압 지역에 배치될 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 연료 전지 시스템이 또한 항공기의 비가압 지역에 배치될 수 있다는 것을 또한 생각할 수 있다.
이하에서, 첨부 도면을 이용하여 예시적인 실시예에 대해 더 구체적으로 설명한다. 도면은 개략적인 것이고 실제 축척은 아니다. 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다. 도면에서:
도 1a, 도 1b는 연료 전지 시스템,
도 2는 주변 구성요소를 포함하는 연료 전지 시스템이며,
도 3은 항공기이다.
도 1a는 연료 전지 적층체(4), 하우징(6), 제1 냉각제 포트(8), 제2 냉각제 포트(10)를 포함하는, 연료 전지 시스템(2)을 도시한다. 연료 전지 적층체(4)는, 여기에서 구체적으로 도시되지 않은, 복수의 개별적인 연료 전지를 포함한다. 연료 전지 적층체(4)에는, 연료 전지 적층체(4)에 연결되고 부분적으로 하우징(6)을 통해서 도달하는, 수소원(12)으로부터의 수소뿐만 아니라 공기원(14)으로부터의 공기가 공급된다. 제1 냉각제 포트(8) 및 제2 냉각제 포트(10)와 커플링되는, 냉각제 펌프(18) 및 열 교환기(20)를 포함하는 냉각 장치(16)가 제공된다. 냉각제 포트(8 및 10)는 연료 전지 적층체(4) 내의 제1 냉각제 경로(22)에 연결된다. 따라서, 냉각제 루프가 제공된다.
하우징(6)은 내부 공간(24)을 형성하고, 연료 전지 적층체(4)의 동작 중에 수소 부화 분위기(hydrogen enriched atmosphere)가 내부 공간 내에 존재할 수 있다. 수소원(12)은 밸브, 공급 라인, 센서 등의 배열체를 포함할 수 있고, 가능한 한 많은 수소 핸들링 구성요소가 내부 공간(24) 내에 배치되어, 냉각제와 수소 사이의 분리를 제공한다.
제1 냉각제 포트(8)는 이중-벽 파이프이고, 도 1b에서 확대도로 도시된 내부 튜브(26) 및 외부 튜브(28)를 갖는다. 내부 튜브(26) 및 외부 튜브(28)는 바람직하게는 서로 내외로 동심적으로 배치된다. 외부 튜브(28)는 예시적으로 금속 호일 형태의 화재 차폐부(29)를 포함한다. 그러나, 비-금속 재료의 코팅이 또한 가능할 수 있다.
제1 냉각제 포트(8)의 내부 단부(30)가 외부 단부(34)보다 더 하우징(6)의 상부측(32)에 배치되고, 상부측(32)은 하단 측(33)에 대향된다. 제2 냉각제 포트(10)의 경우에도 마찬가지이다. 따라서, 제1 냉각제 포트(8) 및 제2 냉각제 포트(10)가 경사지고, 그에 따라, 내부 튜브(26)와 외부 튜브(28) 사이의 갭(36)에 도달하는 냉각제는 중력만으로 구동되어 하우징(6)의 외부로 유동한다.
내부 튜브(26)는 냉각제 펌프(18)의 하류에 배치된 냉각제 공급 라인(38)에 연결되고, 냉각제 펌프는 열 교환기(20)의 하류에 배치되어 열 교환기와 유체 연통한다. 제2 냉각제 포트(10)의 내부 튜브(26)는 열 교환기(20)에 연결된다. 따라서, 제1 냉각제 포트(8)는 냉각제의 가열을 초래하고, 이러한 냉각제는 이어서 열 교환기(20)를 통해서 유동하여 열을 소산시킨다. 냉각제 펌프(18)는 냉각된 냉각제를 냉각제 공급 라인(38)을 이용하여 내부 튜브(26) 내로 펌핑하고, 이는 이어서 제1 냉각제 경로(22)에 다시 도달한다. 이러한 것이 연속적으로 실시되어, 연료 전지 적층체(4)의 연속적인 냉각을 제공한다.
하우징(6)의 상부측(32)에, 수소 배출구(40)가 제공된다. 여기에, 방출 파이프(42)가 배열될 수 있고, 이는 수소가 내부 공간(24)의 외부로부터 주위로 또는 더 이격된 위치로 유동하게 한다. 수소가 공기보다 가벼움에 따라, 이는 자동적으로 수소 배출구(40)에 도달한다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(2)은, 제2 냉각제 유입구(59) 및 제2 냉각제 배출구(61)를 갖는 제2 냉각제 경로(57)를 가지는, 수소 재순환 펌프(56)를 포함하고, 제2 냉각제 경로(57)는 냉각제 공급 라인(38)의 우회로(54)와 커플링된다. 따라서, 수소 재순환 펌프(56)가 또한 냉각제를 통해서 냉각될 수 있다.
예시적으로, 누출 센서(35)가 갭(36) 내에 배치되고 신호 전달 장치(37)와 커플링되며, 신호 전달 장치는 잠재적인 누출을 연료 전지 시스템(2)의 사용자 또는 연료 전지 시스템(2)이 설치된 다른 개체에게 표시하기 위한 화면일 수 있다.
도 2는 연료 전지 시스템(2)을 더 구체적으로 도시한다. 여기에서, 연료 전지(44)는 블록 중심 도면으로 매우 개략적으로 도시되어 있다. 이는 애노드(46), 캐소드(48), 제1 냉각제 경로(22) 및 전기 연결 배열체(50)를 포함하고, 전기 연결 배열체는 전력 버스 또는 레일에 연결되는 전기적 인터페이스 즉, 연결 단자들을 나타낸다. 전기 소비체(52)가 연료 전지(44)에 연결되고 전류를 공급받는다.
제1 냉각제 경로(22)는 냉각제 펌프(18) 및 열 교환기(20)와 커플링된다. 제1 냉각제 경로(22)와 냉각제 펌프(18) 사이에는, 수소 재순환 펌프(56)를 냉각할 수 있게 하는 우회로(54)가 배치된다. 이에 따라, 수소 재순환 펌프(56)는 과다 수소를 애노드 배출구(58)로부터 애노드 유입구(60)로의 수소의 공급 유동 내로 재순환시킬 수 있다. 수소 재순환 펌프(56)의 상류에, 물을 애노드 배출 가스로부터 제거하도록 설계된 물 분리기(62)가 배치된다. 퍼지 밸브(64)가 애노드(46)를 능동적으로 퍼지할 수 있게 하고, 퍼지 밸브(64)는 수소 배출구(40), 즉 배출구 파이프(42)와 커플링된다.
수소 공급 밸브(66)가 수소원(12)의 하류에 배치되고 수소를 애노드 유입구(60)에 선택적으로 공급할 수 있게 한다. 캐소드(48)는 공기를 공기 공급부(14)로부터 수용하고, 가습기(68)가 캐소드 배출구(72)로부터의 습한 캐소드 배출 가스(70)를 이용하여 공급 공기를 가습한다. 공기 공급은, 캐소드 유입구(76)의 바로 상류에 배치된 제1 차단 밸브(74)를 통해서 중단될 수 있다. 캐소드 배출구(72)는 제2 차단 밸브(78)와 직접 커플링된다. 과다 배출물이 배출물 배출구(80)를 통해서 방출된다. 하우징(6)이 수소 핸들링과 관련된 대부분의 구성요소, 예를 들어 공급 밸브(66), 수소 재순환 펌프(56), 물 분리기(62), 및 퍼지 밸브(64)를 둘러싸는 것을 생각할 수 있다.
도 3은 가압되는 동체(84)를 포함하는, 항공기(82)를 도시한다. 연료 전지 시스템(2)이 가압되는 동체(84) 내에 배치될 수 있다.
2 연료 전지 시스템
4 연료 전지 적층체
6 하우징
8 제1 냉각제 포트
10 제2 냉각제 포트
12 수소원
14 공기원
16 냉각 장치
18 냉각제 펌프
20 열 교환기
22 제1 냉각제 경로
24 내부 공간
26 내부 튜브
28 외부 튜브
30 내부 단부
32 상부측
33 하단측
34 외부 단부
35 누출 센서
36 갭
37 신호 전달 장치
38 냉각제 공급 라인
40 수소 배출구
42 방출 파이프
44 연료 전지
46 애노드
48 캐소드
50 전기 연결 배열체
52 전기 소비체
54 우회로
56 수소 재순환 펌프
57 제2 냉각제 경로
58 애노드 배출구
59 제2 냉각제 유입구
60 애노드 유입구
61 제2 냉각제 배출구
62 물 분리기
64 퍼지 밸브
66 수소 공급 밸브
68 가습기
70 캐소드 배출 가스
72 캐소드 배출구
74 제1 차단 밸브
76 캐소드 유입구
78 제2 차단 밸브
80 배출물 배출구
82 항공기
84 동체

Claims (13)

  1. 연료 전지 시스템(2)으로서, 상기 시스템은:
    연료 전지 적층체(4),
    하우징(6),
    제1 냉각제 포트(8),
    제2 냉각제 포트(10), 및
    냉각제 펌프(18) 및 상기 냉각제 펌프(18)와 유체 연통되는 열 교환기(20)를 가지는 냉각 장치(16)
    를 포함하고,
    상기 하우징(6)은 상부측(32) 및 하단측(33)을 포함하고,
    상기 연료 전지 적층체(4)는 상기 하우징(6) 내에 배치되고,
    상기 제1 냉각제 포트(8) 및 제2 냉각제 포트(10)의 각각은 냉각제 튜브를 포함하고, 상기 냉각제 튜브는 내부 튜브(26), 외부 튜브(28), 및 상기 내부 튜브(26)와 외부 튜브(28) 사이의 갭(36)을 가지며,
    상기 제1 냉각제 포트(8) 및 제2 냉각제 포트(10)의 각각은, 내부 단부(30)가 외부 단부(34)보다 상기 상부측(32)에 더 있도록 경사진 방식으로, 상기 하우징(6)을 통해서 도달하고,
    상기 제1 냉각제 포트(8) 및 제2 냉각제 포트(10)는 상기 냉각 장치(16) 및 상기 연료 전지 적층체(4)의 제1 냉각제 경로(22)에 커플링되어 냉각제 루프를 형성하는, 연료 전지 시스템(2).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제 펌프(18) 및 열 교환기(20)가 상기 하우징(16)의 외부에 배치되는, 연료 전지 시스템(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 냉각제 포트(8)가 상기 냉각제 펌프(18)의 하류에 배치되고,
    상기 제1 냉각제 포트(8)의 내부 튜브(26)는 상기 냉각제 펌프(18)와 유체 연통되고 상기 제1 냉각제 경로(22)의 제1 유입구에 연결되며,
    상기 제2 냉각제 포트(10)의 내부 튜브(26)는 상기 제1 냉각제 경로(22)의 제1 배출구에 연결되고 상기 열 교환기(20)와 유체 연통되는, 연료 전지 시스템(2).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 적층체(4)의 애노드 배출구(58) 및 애노드 유입구(60)와 유체 연통되는 수소 재순환 펌프(56)를 추가로 포함하고,
    상기 수소 재순환 펌프(56)는 제2 냉각제 유입구(59) 및 제2 냉각제 배출구(61)를 갖는 제2 냉각제 경로(57)를 포함하고,
    상기 제2 냉각제 유입구(59) 및 상기 제2 냉각제 배출구(61)는 상기 냉각제 루프의 우회로(54) 내에 배치되는, 연료 전지 시스템(2).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 냉각제 경로(57)를 포함하는 재순환 펌프(56)의 섹션이 상기 하우징(6)의 외부 측면에 배치되고,
    수소와 접촉되는 상기 재순환 펌프(56)의 섹션이 상기 하우징(6)의 내부에 배치되는, 연료 전지 시스템(2).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 상부측(32) 내의 또는 그에 인접한 수소 방출 개구부(40)를 포함하는, 연료 전지 시스템(2).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 냉각제 포트(8), 제2 냉각제 포트(10) 및 상기 냉각제 루프의 냉각제 안내 구성요소 중 적어도 하나가 화재 차폐부(29)를 포함하는, 연료 전지 시스템(2).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 화재 차폐부(29)가 코팅 및/또는 부가적인 금속 차폐부(29)를 포함하는, 연료 전지 시스템(2).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    플랜트 구성요소의 적어도 하나의 수소 핸들링 밸런스가 상기 하우징(6) 내에 배치되어, 수소를 상기 연료 전지 적층체(4)에 공급하는, 연료 전지 시스템(2).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각제를 검출하도록 설계된 적어도 하나의 누출 센서(35)를 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 누출 센서(35)는 누출을 표시하기 위해서 신호 전달 장치(37)와 통신하고,
    상기 적어도 하나의 누출 센서(35)는 상기 제1 냉각제 포트(8) 및/또는 제2 냉각제 포트(10)의 갭(36)과 유체 연통되는, 연료 전지 시스템(2).
  11. 적어도 하나의 전기 소비체(52) 및 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 연료 전지 시스템(2)을 포함하는 운반체(82).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 운반체(82)는 항공기(82)인, 운반체(82).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 시스템(2)이 상기 항공기(82)의 가압 지역에 배치되는, 운반체(82).
KR1020220118508A 2021-09-24 2022-09-20 냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템 KR20230043731A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21198725.0A EP4156349B1 (en) 2021-09-24 2021-09-24 Fuel cell system with improved separation between coolant media and hydrogen
EP21198725.0 2021-09-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230043731A true KR20230043731A (ko) 2023-03-31

Family

ID=77924300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220118508A KR20230043731A (ko) 2021-09-24 2022-09-20 냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230115104A1 (ko)
EP (1) EP4156349B1 (ko)
JP (1) JP2023047314A (ko)
KR (1) KR20230043731A (ko)
CN (1) CN115863690A (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4573525B2 (ja) * 2003-12-24 2010-11-04 本田技研工業株式会社 固体高分子電解質型燃料電池
JP5460978B2 (ja) * 2007-07-11 2014-04-02 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池システム
DE102008050987A1 (de) * 2008-10-09 2010-04-15 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
EP4156349A1 (en) 2023-03-29
CN115863690A (zh) 2023-03-28
EP4156349B1 (en) 2024-03-20
US20230115104A1 (en) 2023-04-13
JP2023047314A (ja) 2023-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6255010B1 (en) Single module pressurized fuel cell turbine generator system
CN105314115B (zh) 提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统以及飞行器
US20070087241A1 (en) Fuel cell power pack
US20080156549A1 (en) Ventilation for fuel cell power unit
CN112886088A (zh) 电池热调节单元
US8883362B2 (en) Fuel cell system
US10516178B2 (en) Fuel cell system and method for recirculating water in a fuel cell system
CA2367099C (en) Method for operating a fuel cell facility, and fuel cell facility
WO2012079874A2 (en) Fuel cell system, use of a fuel cell system and aircraft with a fuel cell system
JP2004529456A (ja) 燃料電池設備
US20130209910A1 (en) Explosion-protected fuel cell
KR20230043731A (ko) 냉각제 매체와 수소의 분리가 개선된 연료 전지 시스템
CN116885340B (zh) 浸没式电池模组及其热管理系统
WO2022223537A1 (en) A fuel cell power module
KR20060127987A (ko) 잠수함용 연료전지 장치
US9203099B2 (en) Fuel cell assembly and method for operating a fuel cell assembly
RU194239U1 (ru) Контейнер батарей топливных элементов транспортного средства
US7846603B2 (en) Coolant reservoir purge system for fuel cell systems and vehicles
FI123128B (fi) Menetelmä kaasuvirtojen ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä ja järjestely mainitun menetelmän toteuttamiseksi
CN221057508U (zh) 电池模组和电池系统
WO2023249494A1 (en) Safety and support system for a fuel cell module
CN215377482U (zh) 一种安全液冷储能装置
US20220393195A1 (en) Fuel cell ship
US20230046641A1 (en) Fuel cell system
US20050238931A1 (en) System architecture for managing hydrogen leaks into fluid circuits of fuel cell systems