KR20230110572A - 애노드 회로 - Google Patents

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다니엘 크레이머
스벤 페겔
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셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 애노드 배기 가스의 재순환을 위한 적어도 하나의 가스 제트 펌프(6)를 포함하는 연료 전지(3)용 애노드 회로(8)에 관한 것으로, 상기 가스 제트 펌프는 추진 가스 흐름으로서 연소 가스(H2)가 관류할 수 있는 적어도 하나의 노즐(18), 추진 가스 라인(14), 재순환 라인(7) 및 유출 라인(15)을 갖는다. 본 발명에 따른 애노드 회로는, 상이한 형상을 갖는 다수의 노즐(18)이 노즐 바디(16) 내에 배치되고, 상기 노즐 바디는, 각각의 경우에 노즐(18) 중 하나가 선택적으로 사용될 수 있는 방식으로 추진 가스 라인(14)에 대해 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

애노드 회로
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 상세하게 정의된 유형에 따른 다수의 가스 제트 펌프를 갖는 연료 전지용 애노드 회로에 관한 것이다.
연료 전지 시스템에서 애노드 배기 가스의 재순환은 일반적으로 공개되어 있고 통상적이다. 이를 위해 애노드 배기 가스는 일반적으로 물 분리기를 통해 재순환 라인을 이용해서 애노드 유입구로 반환되고, 상당한 수소 손실 없이 항상 애노드의 활성 표면에 과량의 수소를 도우징할 수 있도록 신선한 연소 가스와 혼합되어 상기 유입구에 다시 공급된다. 애노드 배기 가스의 재순환을 위해 한편으로는 재순환 블로어 및 이에 대한 대안으로서 또는 추가로 가스 제트 펌프가 공개되어 있다.
사실 가스 제트 펌프의 효율은 일반적으로 추가 도우징된 체적 흐름, 소위 추진 가스 흐름에 따라 다르다. 바람직하게는 가스 제트 펌프의 형상은, 도우징된 수소의 다양한 체적 흐름에서도 바람직한 재순환을 얻기 위해, 각각의 추진 가스 흐름에 맞게 설계된다. 실제로 이를 구현하기 위해, 가스 제트 펌프의 노즐 내부에 위치하며 유동 방향으로 및 유동 방향과 반대 방향으로 이동에 의해 노즐에서 상이한 유동 단면을 개방하는 이동식 노즐 니들이 주로 사용된다. 이는 노즐 내에 직접 배치된 이동 부분들으로 인해 비교적 복잡하고 동결에 상대적으로 취약하다.
다수의 가스 제트 펌프를 병렬로 배치하는 것도 일반적으로 공개되어 있다. 이러한 가스 제트 펌프들은 복잡한 밸브 및 라인을 통해 상호 연결될 수 있어서, 다수의 가스 제트 펌프 중 하나 또는 다른 하나가 사용될 수 있거나 몇몇의 가스 제트 펌프가 함께 사용될 수 있다. 이것은 또한 비교적 복잡하고, 다수의 라인과 밸브로 인해 비교적 비용이 많이 든다.
KR 2012 0057996 A호는 단일 가스 제트 펌프에 다수의 노즐 바디가 있는 이러한 구조를 인용하고, 로터리 밸브에 의해 전술한 구조를 최적화하는 장치를 제공한다. 하나 이상의 노즐이 선택적으로 사용될 수 있도록, 회전 가능한 밸브 바디는 로터리 밸브에 의해 선회될 수 있다. 이 원리는 또한 냉각 회로 분야에 기본적으로 공개되어 있으며 JP 2005-155571 A1에 상응하게 먼저 기술되어 있다.
본 발명의 과제는, 재순환 효율과 관련하여 애노드 회로가 효율적이고 콤팩트한 구조에서 상황에 따라 최적화될 수 있도록, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 애노드 회로를 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 애노드 회로에 의해 해결된다. 바람직한 구성 및 개선예는 이에 대한 종속 청구항에 제시된다.
연료 전지용 본 발명에 따른 애노드 회로는 따라서 전술한 선행 기술에 설명된 구조와 같이 애노드 배기 가스의 재순환을 위한 적어도 하나의 가스 제트 펌프를 포함한다. 선행 기술에서처럼, 연소 가스가 추진 가스 흐름으로써 이용되며, 상기 연소 가스는 적어도 하나의 가스 제트 펌프의 노즐을 관류하고 재순환 라인으로부터 애노드 배기 가스를 흡입한다. 생성되는 혼합물은 유출 라인을 통해 가스 제트 펌프 밖으로 유출되어 일반적으로 연료 전지의, 특히 개별 셀의 스택의 애노드 챔버로 흐른다.
본 발명에 따르면, 상이한 형상을 갖는 다수의 노즐이 노즐 바디 내에 배치된다. 상기 노즐 바디는, 각각의 경우에 노즐 중 하나가 선택적으로 사용될 수 있는 방식으로 추진 가스 라인에 대해 이동 가능할 수 있다. 언급한 선행 기술과 달리 여기에서는 모든 노즐을 보유하여 필요에 따라 개별적으로 또는 동시에 흐르는 것이 아니라, 공통 노즐 바디 내의 개별 노즐이 액추에이터에 의해, 예를 들어 선형 이동에 의해 또는 이들이 해당 영역 내로 선회됨으로써, 추진 가스 라인의 영역으로 보내진다. 연료 전지 내로 현재의 수소 도우징에 따라 달라지는 현재 발생하는 추진 가스 흐름에 따라 공통의 노즐 바디에서 적합한 노즐이 선택되어 사용 위치로 보내질 수 있다.
예를 들어 노즐 바디 자체는 스트립 형으로 설계될 수 있으며, 선형으로 작용하는 액추에이터를 통해 추진 가스 라인에 대해 횡방향으로 변위되어야 하며, 상기 추진 가스 라인은 바람직한 개선예에 따르면 바람직하게 유출 라인에 대해 정렬된다.
노즐 바디가, 즉 추진 가스 라인에 대해 편심 배치된 회전축으로 회전 이동 가능하게 설계된 경우, 필요한 조립 공간과 관련하여 특히 효율적이고 바람직하다. 이때 노즐 바디는 매우 공간 절약 방식으로 구현될 수 있으며, 필요한 경우 리볼버의 드럼과 유사하게, 회전에 의해 원하는 위치로 회전될 수 있으므로, 현재 필요한 노즐이 추진 가스 라인 및 특히 유출 라인에 대해 정렬되고, 가스 제트 펌프를 관류하는 경우에 도우징된 수소의 각 체적 흐름에 맞게, 재순환 라인으로부터 애노드 배기 가스를 흡입하는 데 바람직한 관류 유동이 일반적으로 마하 1 이상의 유속으로 달성될 수 있다.
개별 노즐의 중심축은 바람직하게 노즐 바디의 회전축을 중심으로 일정한 반경에 배치된다. 즉, 예를 들어, 노즐 바디의 직경에 따라 4개 내지 6개의 개별 노즐을 보유할 수 있고, 필요 시 가스 제트 펌프의 추진 가스 라인에서 회전될 수 있다.
바람직하게 노즐 바디는 추진 가스 흐름의 유동 방향으로 점점 가늘어지므로, 흡입된 배기 가스 흐름에 대한 유동 저항이 그에 따라 감소하고, 바람직한 유동 형상을 갖는 상기 저항은 가스 제트 펌프로 안내된다.
재순환 라인은 임의의 방식으로 가스 제트 펌프 내로 통할 수 있다. 즉, 예를 들어, 재순환 가스 흐름과 추진 가스 흐름은 서로 평행하게 가스 제트 펌프 내로 유입될 수 있다. 가스 제트 펌프 내에서 편향에 따른 역평행 정렬도 기본적으로 고려될 수 있다. 그러나, 재순환 라인이 추진 가스 라인 및/또는 유출 라인에 대해 미리 정해진 각도로 배치된 경우, 특히 이 두 라인의 열에 대해 수직인 경우, 특히 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 애노드 회로 및 그 가스 제트 펌프의 다른 바람직한 구성은 도면을 참조하여 아래에서 상세히 설명되는 실시예로부터 주어진다.
도 1은 적어도 부분적으로 전기적으로 구동되는 차량의 연료 전지 시스템을 기본적으로 도시한 도면.
도 2는 제 1 작동 상태에서 본 발명에 따른 가스 제트 펌프를 도시한 단면도.
도 3은 제 2 작동 상태에서 도 2에 따른 가스 제트 펌프를 도시한 도면.
도 4는 도 2 및 도 3 따른 가스 제트 펌프에서 사용되는 노즐 바디의 평면도.
도 1에는 2로 표시된 연료 전지 시스템(2)으로부터 전기 구동력의 적어도 일부를 끌어오는 차량(1), 예를 들어 승용차 또는 상용차가 개략적으로 도시된다. 이 경우 연료 전지(3)는 이러한 연료 전지 시스템(2)의 코어를 형성한다. 연료 전지(3)는 그 자체의 공개된 방식으로 다수의 개별 셀로 구성된 연료 전지 스택으로 설계된다. 여기서는 예시적으로만 공통의 애노드 챔버(4)와 공통의 캐소드 챔버(5)가 도시되어 있다. 연료 전지(3)는 예를 들어 PEM 연료 전지로 설계되어야 한다. 여기에 표시되지 않은 수소 저장 탱크, 예를 들어 압축 가스 저장 시스템으로부터 수소(H2)가 연료 전지(3)에 공급된다. 수소는 추진 제트로서 가스 제트 펌프(6)를 통해 연료 전지(3)의 애노드 챔버(4)에 도달한다. 애노드 챔버(4)의 배기 가스는 재순환 라인(7)을 통해 가스 제트 펌프(6)로 되돌아가 상기 펌프에 의해 흡입되고, 신선한 수소와 혼합되어 애노드 챔버(4)에 다시 공급된다. 소위 이러한 애노드 회로(8)는 연료 전지 시스템의 당업자에게 일반적으로 공개되어 있다.
애노드 회로(8)는 또한 물 분리기 및/또는 블로우 오프(blow off) 밸브(9)를 구비하여, 물 및/또는 시간이 지남에 따라 애노드 회로(8)에 축적되는 불활성 기체가, 예를 들어 때때로 또는 수소 농도에 따라 애노드 회로(8)로부터 배출될 수 있다. 또한, 애노드 회로는 가스 제트 펌프(6)에 대한 보완으로서 재순환 블로어를 포함할 수 있지만, 이는 여기에서 물 분리기와 마찬가지로 도시되지 않는다. 배출된 가스는 10으로 표시된 라인을 통해 연료 전지 시스템(2)의 배기 라인(11)에 도달한다.
산소 공급원으로서 공기는 공기 이송 장치(12) 및 여기에서 예를 들어 도시된 가스/가스 가습기(13)를 통해 캐소드 챔버(5)에 공급된다. 그런 다음 배기 공기는 이미 언급한 배기 라인(11)을 지나 다시 가스/가스 가습기(13)를 통해 주변에 도달한다. 이 모든 것은 연료 전지 시스템 분야의 당업자에게 일반적으로 공개되어 있고 통상적이다. 당업자는 또한, 과급기 냉각기, 물 분리기, 배기 터빈 등과 같은 다른 구성 요소도 제공될 수 있음을 알고 있다. 그러나 본 발명의 경우에 애노드 회로(8)와 관련하여, 이들 모두는 부수적인 역할을 하므로 더 이상 설명하지 않는다.
도 2는 제트 펌프(Jet Pump)로 지칭되는 도 1에 개략적으로 도시된 가스 제트 펌프(6)의 단면을 도시한다. 또한, 추진 가스 라인(14)과 벤츄리 튜브(venturi tube)로 형태로 이에 대해 정렬된 유출 라인(15)을 볼 수 있고, 추진 가스 라인(14)을 통해 유입되는 추진 제트와 재순환 라인(7)을 통해 흡입되는 애노드 챔버(4)의 배기 가스의 혼합물이 상기 유출 라인(15)을 통해 다시 애노드 챔버(4)로 흐른다. 가스 제트 펌프(6)의 특수성은, 추진 가스 라인(14) 및 이에 대해 정렬된 유출 라인(15)의 중심 축과는 다른 회전축(17)을 중심으로 회전 가능한, 16으로 표시된 노즐 바디이다. 이 노즐 바디(16) 내에 다수의 개별 노즐(18)이 형성된다. 도 2에서 18.1로 표시된 노즐은 추진 가스 라인(14) 및 배출 라인(15)과 일직선으로 위치하며, 예를 들어 여기서는 애노드 챔버(4)로 흐르는 중간 수소 흐름을 위해 제공된다. 그 형상은, 이러한 체적 흐름에서 재순환 라인(7)으로부터 배기 가스 흐름을 흡입하기에 좋은 조건을 생성하도록 설계되며, 특히 음속 이상의 유속이 발생하여 이러한 체적 흐름에서 가스 제트 펌프(6)의 흡입 거동이 최적화되도록 설계된다.
가스 제트 펌프(6)의 동일한 구조가 도 3에 다시 도시된다. 이에 따라 노즐 바디(16)는 회전축(17)을 중심으로 회전되어, 18.1로 표시된 노즐은 관류되는 영역 외부에 배치되고 추가 도우징된 수소의 상응하게 더 작은 체적 흐름을 위한 18.2로 표시된 노즐은 추진 가스 라인(14)과 유출 라인(15) 사이에 정렬되도록 선회되어 가스 제트 펌프(6) 내에서 활성화된다. 관류 방향으로 가늘어지도록 설계된 노즐 바디(16)의 구조는 대략 드럼 리볼버의 드럼에 해당하고 도 4의 평면도에서 볼 수 있다. 노즐 바디는 이에 따라 회전축(17)을 중심으로 회전될 수 있어서, 각각 추진 가스 라인(14)과 동일한 시작 직경으로 설계된 노즐(18.1-18.4)이 소정의 방식으로 개별 체적 흐름을 관리한다. 다시 말해서, 여기에 도시된 실시예에서 서로 다른 크기의 4개의 체적 흐름을 위해 4개의 해당 노즐(18.1-18.4)이 이용 가능하다. 구조는, 예를 들어 5개, 6개, 7개 또는 그 이상의 개별 노즐(18)이 여기에서 회전 대칭으로 설계된 노즐 바디(16) 내에 형성되도록 확장될 수 있다.
종합적으로 이와 같이 가스 제트 펌프(6)의 매우 콤팩트하고 효율적인 구조가 얻어지며, 이러한 체적 흐름의 크기에 따라 각각의 적절한 노즐(18.1-18.4)이 추진 가스 라인(14)과 유출 라인(15) 사이에 정렬되도록 선회됨으로써, 상기 구조는 추진 가스 흐름으로서 추가 도우징된 수소 흐름에 대한 간단한 조정을 허용한다. 이로써 가스 제트 펌프(6)의 및 여기에서 특히 벤츄리 튜브로 설계된 유출 라인(15)의 일부의 바람직한 관류 조건이 가능하므로, 저압- 및 임펄스 교환 효과에 의해 연료 전지 시스템(2)의 또는 그것의 애노드 회로(8)의 재순환 라인(7)으로부터 재순환된 배기 가스의 가능한 한 최적의 흡입이 달성된다. 이는 복잡한 다중 배관, 많은 밸브 사용, 노즐 니들의 사용 없이도 가능하다.

Claims (8)

  1. 애노드 배기 가스의 재순환을 위한 적어도 하나의 가스 제트 펌프(6)를 포함하는 연료 전지(3)용 애노드 회로(8)로서,
    상기 가스 제트 펌프는 추진 가스 흐름으로서 연소 가스(H2)가 관류할 수 있는 적어도 하나의 노즐(18), 추진 가스 라인(14), 재순환 라인(7) 및 유출 라인(15)을 갖는 애노드 회로에 있어서,
    상이한 형상을 갖는 다수의 노즐(18)이 노즐 바디(16) 내에 배치되고, 상기 노즐 바디는, 각각의 경우에 상기 노즐(18) 중 하나가 선택적으로 사용될 수 있는 방식으로 상기 추진 가스 라인(14)에 대해 이동 가능한 것
    을 특징으로 하는 애노드 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 바디(16)는 상기 추진 가스 라인(14)에 대해 편심 배치된 회전축(17)으로 회전 가능하게 설계되는 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 노즐(18)의 중심축은 상기 회전축(17)을 중심으로 일정한 반경에 배치되는 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 가스 라인(14)과 상기 유출 라인(15)이 일직선으로 정렬되어 설계되는 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 바디(16)의 외주는 추진 가스 유동의 유동 방향으로 점점 가늘어지는 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 라인(7)은 상기 추진 가스 라인(14) 및/또는 상기 유출 라인(15)에 대해 미리 정해진 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각도는 대략 90°인 것을 특징으로 하는 애노드 회로.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자동차(1)에서 전기 구동력을 제공하기 위해 이용되는 연료 전지 시스템(2)에서 사용을 특징으로 하는 애노드 회로.
KR1020237020814A 2020-11-26 2021-11-25 애노드 회로 KR20230110572A (ko)

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