KR20230122644A

KR20230122644A - 2개의 병렬 연료 전지 시스템을 가진 연료 전지 어셈블리

Info

Publication number: KR20230122644A
Application number: KR1020237024797A
Authority: KR
Inventors: 올리버 하르; 필립 하우스만; 벤자민 피에크
Original assignee: 셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-08-22
Also published as: WO2022157237A1; EP4282018A1; JP2024522962A; US20240063405A1

Abstract

본 발명은 2개의 병렬 연료 전지 시스템(13, 14) 및 공통의 공기 이송 장치(2)를 가진 연료 전지 어셈블리(1)에 관한 것으로, 상기 연료 전지 시스템은 애노드 측 및 캐소드 측 주변부가 있는 적어도 하나의 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)을 각각 포함한다. 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리(1)는, 공기 이송 장치(2)가 2단계로 설계되고, 상기 두 단계는 단계당 각각 하나의 압축기 휠(8, 9, 10, 11)을 갖는 유동 압축기(3, 4)의 형태로 설계되고, 하나의 그리고 다른 하나의 연료 전지 시스템(13; 14)을 위한 상기 압축기 휠(8, 9; 10, 11)은 적어도 하나의 전기 기계(5, 6)에 대해 대칭으로 샤프트(7)에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

2개의 병렬 연료 전지 시스템을 가진 연료 전지 어셈블리

본 발명은 애노드 측 및 캐소드 측 주변부가 있는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 각각 포함하는 2개의 병렬 연료 전지 시스템을 가진 연료 전지 어셈블리에 관한 것이다. 또한, 상기 연료 전지 어셈블리는 공통의 공기 이송 장치를 포함한다.

개별 연료 전지 시스템은 원칙적으로 선행 기술에 공개되어 있다. 예시적인 연료 전지 시스템은 DE 10 2009 043 569 A1호에 제시되어 있다. 이 시스템은 한편으로는 압력 측과 배출 공기 측을 연결하기 위한 시스템 바이패스를 제공하고, 다른 한편으로는 소위 블로우 오프- 또는 퍼지 밸브가 있는 블로우 오프 라인을 통한 애노드 측과 캐소드 측 사이의 연결을 제공한다. 또한 이러한 유형의 연료 전지 시스템에서 일반적인 가스/가스 가습기는 습한 배출 공기 흐름에 의해 연료 전지의 캐소드 격실로의 유입 공기 흐름을 가습하는 데 이용된다. 그러나 실제로 이러한 구성부들은 비교적 크고 복잡하며 비용이 많이 든다.

대형 시스템의 전력 공급, 예를 들어 버스나 화물차와 같은 상용차를 위한 전기 구동 시스템의 전력 공급을 위해, 이러한 2개의 연료 전지 시스템이 병렬로 사용될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 상기 2개의 연료 전지 시스템이 결합하여 연료 전지 어셈블리를 형성할 수 있고, 상기 연료 전지 어셈블리는 2개 이상의 소형 연료 전지 시스템, 예를 들어 2개의 승용차 연료 전지 시스템을 사용함으로써 비교적 간단하게 화물차에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 이는, 특히 버스에서 사용은 이미 오래전부터 공개되어 있으며 일반적인 것이다.

이러한 구조의 문제점은 여러 부품이 두 배로 필요하다는 것이다. 특히 2개의 개별 연료 전지 시스템으로부터 필요한 전압을 제공하기 위해 승압 컨버터와 같이 이러한 시스템에서 필요로 하는 갈바닉 분리된 DC/DC 컨버터와 같은 복잡한 전기 부품뿐만 아니라 비교적 복잡하고 크며 전력을 많이 소비하는 공기 공급을 위한 부품들이 이에 해당한다.

전기 기계에 대해 대칭으로 한 측에는 압축기 휠이 있고 다른 측에는 터빈이 있는 소위 전기 터보차저가 종래의 연료 전지 시스템에서 공기 공급을 위해 사용되는 경우가 많다. 그 결과 터빈을 통해 연료 전지 시스템의 배출 공기에서 전력이 회수될 수 있다. 그러나 중요한 사실은, 한편으로는 터빈 휠과 다른 한편으로는 압축기 휠 사이의 힘 비율이 축방향 베어링에 높은 부하를 유발하기 때문에, 전기 터보차저의 부하가 비교적 높고 상기 전기 터보차저는 상응하게 복잡하게 구성되어야 한다는 것이다. 실제로 유동 압축기의 사용 시 다른 문제점은 상기 압축기의 작동 거동에 있으며, 따라서 종종 각각의 연료 전지 시스템을 위해 체적 흐름 대 압력의 소정의 비율이 제공될 수 없거나 이미 압축된 공기를 빼내지 않고는 제공될 수 없다. 이는 또한 바람직하지 않으며, 특히 유동 압축기를 통해 체적 흐름과 압력의 소정의 비율을 설정할 수 있기 위해 이미 압축된 공기가 사용되지 않은 상태로 남아 있기 때문에 시스템의 전반적인 효율을 감소시킨다.

본 발명의 과제는 특히 공기 공급과 관련하여 개선된 적어도 2개의 병렬 연료 전지 시스템을 가진 개선된 연료 전지 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 바람직한 실시예 및 개선예는 종속 청구항에 제시된다.

2개 이상의 병렬 연료 전지 시스템을 가진 연료 전지 어셈블리는 공통의 공기 이송 장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 이러한 공기 이송 장치는 두 단계의 공기 이송 장치로서 설계된다. 두 단계는 단계당 각각 하나의 압축기 휠을 갖는 유동 압축기의 형태로 구현된다. 하나의 연료 전지 시스템과 다른 하나의 연료 전지 시스템을 위한 압축기 휠들은 적어도 하나의 전기 기계에 대해 대칭으로 샤프트에 배치된다. 이는 압축기 휠과 그 사이에 배치된 전기 드라이브의 대칭 배치에 의해 축방향 힘의 매우 양호하게 보상될 수 있는 구성을 가능하게 한다. 이로써, 마찰이 최소화될 수 있기 때문에 효율성이 증가한다. 또한, 추가 장점은, 더 간단하고 더 작은 축 베어링이 가능한 것이다.

이에 관한 매우 바람직한 개선예에 따르면, 각 단계는 하나의 전기 구동 기계 및 이에 대해 대칭으로 배치되며 각각 하나의 연료 전지 시스템 및 다른 하나의 연료 전지 시스템을 위한 2개의 압축기 휠을 포함하는 것이 제공된다. 특히 바람직한 이러한 실시예에서 전기 기계에 대해 대칭으로 배치된 각각 2개의 압축기 휠을 갖는 2개의 유동 압축기는 레지스터 과급 방식으로 서로 직렬로 연결된다. 이러한 구조는 본 발명의 사상의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 필요한 작동점 전체 또는 적어도 대부분에서 2개의 연료 전지 시스템의 양호한 공기 공급을 달성하기 위해, 특히 등압으로, 그만큼 더 효율적으로 및 이미 압축된 공기를 빼내지 않고도 작동된다. 전기 모터의 한쪽에 있는 압축기 휠은 2단계 시스템으로서 하나의 연료 전지 시스템에 공기를 공급하고 전기 기계의 다른 쪽에 있는 압축기 휠은 다른 연료 전지 시스템에 공기 공급을 수행한다.

연료 전지 시스템당 특히 등압으로 작동되는 2개의 압축기 단계에 의해 개선된 규칙적인 작동뿐만 아니라, 상기 구조는 추후에 자세히 설명되는 방식으로, 예를 들어 배기가스 재순환 라인, 가습 장치 등이 하나의 단계 앞에는 물론 다른 단계 앞에, 즉 2개의 단계 사이에 배치될 수 있기 때문에 높은 융통성을 가능하게 한다. 제 1 단계가 차단되는 경우에 제 2 단계는, 예를 들어 배기가스 재순환 등을 통해 연료 전지 어셈블리의 2개의 연료 전지 시스템의 기본 기능 및 서비스 수명을 높게 유지하기 위해, 추후에 설명되는 작업을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리의 다른 매우 바람직한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택은 직렬로 연결된다. 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리의 매우 바람직한 개선예에 따라 각각 차례로 직렬로 연결된 2개의 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템의 이러한 전기적 결합으로 인해 파워 전자장치의 고가의 소자들이 생략될 수 있다. 따라서, 예를 들어 2개의 연료 전지 시스템에서 4개의 연료 전지 스택의 직렬 연결에 의해 비교적 높은 전압이 달성될 수 있으며, 이로써 전력을 분배하기 위한 간단한 공통의 유닛, 소위 전력 분배 유닛(Power Distribution Unit, PDU)으로 일반적으로 선행 기술에서와 같이 2개의 병렬 연료 전지 시스템의 전압을 적절히 높이기 위해 충분하며, 고가의 갈바닉 분리된 DC/DC 컨버터는 필요하지 않다. DC/DC 컨버터의 생략으로 인해 조립 공간과 비용이 절약된다. 또한, 냉각 시스템에 대한 이러한 파워 전자장치의 연결이 생략될 수 있고, 이는 마찬가지로 조립 공간과 복잡성 측면에서도 결정적인 장점이 될 수 있다. 또한, 원칙상 각각의 DC/DC 컨버터는 들어오는 전압을 적절히 변환하거나 조정하기 위해 이러한 전압을 주기적으로 차단한다. 이는 실제로 높은 빈도로 수행되지만, 이렇게 주기적으로 차단된 전압은, 전술한 직렬 연결로 달성할 수 있는 연속적으로 실행되는 전압보다 직류 부품에 대한 항상 더 높은 부하를 의미한다.

이러한 연료 전지 어셈블리에 중복되어 제공되어야 하고 그에 따라 비용이 많이 들고 복잡하며 많은 공간을 필요로 하는 파워 전자장치의 복잡한 소자들의 생략은 연료 전지 스택의 언급한 전기 직렬로 연결의 경우에도, 상기 연료 전지 스택이 일정한 연료 전지 전류로 작동될 수 있음으로써 가능하다. 이 경우에 전압은 필요한 작동점에 따라 화학량론을 통해서만 영향을 받을 수 있다. 이를 위해 공기 이송 장치의 2단계 공기 공급을 통해 산소 함량은 공기량을 증가시킴으로써 적절히 증가할 수 있다. 캐소드 측에서 배기가스 재순환의 가능성이 있고, 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 바람직한 개선예에 따라 캐소드 측에서 산소를 능동적으로 흡입할 수 있는 가능성도 있다면, 화학량론에 대한 광범위한 변화 가능성이 생긴다. 이는 실제 작동에 완전히 충분하므로, 두 연료 전지 시스템의 언급된 파워 전자장치는 언급된 매우 간단한 공통의 PDU로 대체될 수 있다.

연료 전지 스택 중 적어도 하나의 연료 전지 스택, 특히 연료 전지 시스템 중 하나의 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택은 연료 전지 스택(들)에 대해 병렬로 회복 다이오드를 포함하므로, 연료 전지 시스템 중 하나의 연료 전지 시스템이 고장난 경우에도 감소한 전압으로 작동이 가능하여, 예를 들어, 이러한 연료 전지 어셈블리가 장착된 상용차는 연료 전지 어셈블리를 적절히 제어 및/또는 유지 관리하기 위해, 작업장으로 이동하거나 허브까지 자율 주행하는 등의 적어도 여전히 비상 기능을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 매우 바람직한 개선예는 각 연료 전지 시스템의 구조가 미사용 연료, 특히 수소의 재순환에 이용되는 소위 애노드 회로를 포함하는 것을 제공할 수 있다. 이러한 연료는 연료 전지 스택의 애노드 격실 또는 각 연료 전지 시스템에서 전기적으로 직렬 연결된 2개의 연료 전지 스택의 애노드 격실 주위에서 재순환되고, 즉, 애노드 격실의 배출부로부터 유입부로 리턴된다. 연료 전지 시스템당 2개의 연료 전지 스택의 경우, 이 연료 전지 스택은 이를 위해 유체적으로 병렬로 연결된다. 애노드 회로를 통해 공개된 방식으로 대부분의 작동 상황에서 신선한 수소와 혼합된 배기가스는 애노드 격실로 다시 공급된다. 또한 각 연료 전지 시스템은 캐소드 바이패스, 즉 예를 들어, 캐소드에 대해 평행하게 설계된 라인을 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 이러한 매우 바람직한 개선예에서, 이 캐소드 바이패스는 유입 공기 라인의 밸브 장치의 영역의 영역에서 또는 앞에서 유입 공기 라인에서 분기되고, 추가 밸브 장치의 영역에서 또는 뒤에서 배출 공기 라인으로 개방된다. 이 모든 것은 연료 전지 스택(들)의 캐소드 격실 주변에 시스템 측에 구성될 수 있다. 그러나 상기 연료 전지 스택에 및/또는 그것의 하우징에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수도 있다. 하나의 연료 전지 스택의 캐소드 격실 또는 전기적으로 직렬 연결된 2개의 연료 전지 스택의 유체적으로 병렬 연결된 캐소드 격실들은 간단함을 위해 아래에서 "캐소드 격실"로만 지칭한다. 이는 "애노드 격실"에 대해서도 유사하게 수행된다.

상기 밸브 장치에 의해 캐소드 격실이 차단될 수 있고, 실제로 캐소드 격실로 그리고 캐소드 격실을 관류하는 공기가 캐소드 바이패스를 통해 안내될 수 있다. 이러한 두 가지 작동 상태의 혼합 형태가 고려될 수 있고 가능하며 종종 바람직하다. 이 경우, 캐소드 바이패스에는 캐소드 격실 주위를 흐르는 공기에 의해 구동되는 가스 제트 펌프가 배치된다. 공기가 캐소드 격실 주위로 안내되는 경우 가스 제트 펌프는 구동 제트로서 이러한 공기에 의해 구동된다. 흡입 측에서 가스 제트 펌프는 각각 전환 가능하게 애노드 격실과 캐소드 격실 모두에 연결된다. 이로써, 가스 및 경우에 따라서 액체가 애노드 격실 또는 애노드 회로의 체적뿐만 아니라 캐소드 격실의 체적으로부터 흡입될 수 있다. 바람직한 경우에 흡입은, 캐소드 격실과 애노드 격실 사이의 과도한 압력 차이를 방지하여 멤브레인을 보호하기 위해 비교적 균일하게 이루어진다. 가스 제트 펌프가 있는 캐소드 바이패스를 통해 애노드 격실은 물론 캐소드 격실 모두로부터 선택적으로 또는 함께 가스가 흡입될 수 있는 가능성은 다양한 새로운 응용 가능성을 제공한다.

각각의 연료 전지 시스템의 구조적 설계와 관련하여, 본 발명의 사상의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 애노드 회로에서 재순환 이송 장치로서 팬이 배출 공기 라인에 있는 배출 공기 터빈에 의해 구동되는 것이 또한 제공될 수 있다. 따라서 연료 전지 어셈블리의 각 연료 전지 시스템에서 배출 공기의 에너지가 사용될 수 있다. 여러 종래의 연료 전지 시스템에서와 달리 이러한 에너지는 유입 공기의 압축을 지원하기 위해 전기 터보차저에서 사용되지 않고, 애노드 회로에서 애노드 배기가스를 재순환시키는 데 사용되어야 한다.

본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리의 특히 바람직한 실시예는 또한, 각 연료 전지 시스템에 적어도 하나의 가습기가 제 2 압축기 단계 앞 및/또는 뒤의 유입 공기에 배치되고, 상기 가습기는 특히 단일- 또는 2성분 노즐의 형태로 설계되는 것을 제공한다. 따라서 가습기는 단일- 또는 2성분 노즐의 형태로 간단하게 설계될 수 있다. 이러한 가습기는 제 2 압축기 단계 앞 및/또는 뒤의 유입 공기에 배치될 수 있다. 결과적으로 2성분 노즐에서 미세하게 분무된 물과 같은 주입된 물에 의해 압축부도 적절하게 가습되고 실제 워터 노즐 주위를 흐르는 공기에 의해 2성분 노즐에서 분무된다. 이러한 분무된 물은 압축 시 뜨거워진 공기를 냉각하는 데 유용하며, 공기 중에 증발하여, 공기는 바람직하게 가습된다. 특히, 해당 가습기의 전기적 구동 시 연료 전지의 작동과 무관하게 가습이 이루어질 수 있으며, 이는 훨씬 더 복잡하고 더 크고 더 비싼 가스/가스 가습기에 비해 매우 결정적인 장점이며, 상기 가습기는 이러한 구조에 의해 비용이 절약될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 바람직한 구성은 또한 도면을 참조하여 아래에서 자세히 설명되는 실시예에 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

도면에 도시된 연료 전지 어셈블리(1)는 공통의 공기 이송 장치(2)를 포함하며, 상기 공기 이송 장치는 여기에서 2개의 단계로 차례로 연결된 2개의 유동 압축기(3, 4)의 형태로 설계된다. 각각 2개의 유동 압축기(3, 4)는 전기 구동 기계(5, 6), 각각의 전기 구동 기계(5, 6)와 함께 각각 공통 샤프트(7)에 배치된 2개의 상징적으로 도시된, 한 측, 여기서는 왼쪽에 있는 압축기 휠(8, 9) 및 다른 측, 여기서는 오른쪽에 있는 압축기 휠(10, 11)을 포함한다. 여기에 도시된 실시예에서, 흡입 공기는 공통의 공기 필터(12)를 통해 제 1 단계의 압축기 휠(9, 11)에 도달한다. 공기 필터(12)는 예를 들어, 입자 및 먼지뿐만 아니라 유입 공기의 바람직하지 않은 화학적 오염으로부터 연료 전지 어셈블리를 보호하기 위해 활성탄 필터로 구성되거나, 특히 그러한 필터를 포함할 수 있다.

2개의 유동 압축기(3, 4)는 예를 들어 자기적으로 지지될 수 있다. 이들 압축기는 두 단계로 되어 있고, 이들의 각 측은 직렬로 연결되어 있으며 등압으로 작동한다. 압축기 휠(8, 9)이 있는 구조의 오른쪽은 제 1 연료 전지 시스템(13)에 공기를 공급한다. 압축기 휠(10, 11)이 있는 다른 측은 도면의 다른 쪽에 있는 동일하게 구성된 연료 전지 시스템(14)에 공기를 공급한다. 이들 각 2개의 연료 전지 시스템(13, 14)은 2개의 연료 전지 스택(15, 16 및 17, 18)을 포함하며, 상기 연료 전지 스택은 유체적으로, 즉 공기 및 수소 공급과 관련하여, 각 연료 전지 시스템(13, 14) 내에서 서로 병렬로 연결되고, 예를 들어, 여기에 중복되어 도시된 각각 도면부호 19로 표시된 공통의 수소 소스로부터 수소를 얻고, 상기 수소 소스는 특히 복수의 압축 가스 저장 장치, 극저온 저장 장치, 금속 수소화물 저장 장치 또는 원칙적으로 온보드 수소 생성을 위한 설비로 구성된 구조로 설계될 수 있다.

하나의 연료 전지 시스템(13)의 각각의 연료 전지 스택(15, 16) 및 다른 연료 전지 시스템(14)의 연료 전지 스택(17, 18)은, 연료 전지 어셈블리(1)의 하이브리드화를 위해 21로 표시된 예시적인 배터리 어셈블리(1)에 대한 개략적으로 표시된 전기적 연결에 의해 여기에 표시된 바와 같이, 모두 전기적으로 직렬로 연결된다. 배터리 전압이 더 높은 경우, 연료 전지 스택(15, 16 및 17, 18)으로 흐르며 전기 분해를 유발하는 전류는 차단 다이오드(20)를 통해 차단된다. 연료 전지 시스템(13, 14) 중 적어도 하나, 바람직하게는 2개 모두는 직렬로 연결된 연료 전지 스택(15, 16) 및 17, 18)에 대해 병렬로 22로 표시된 회복 다이오드(22)를 구비한다. 이로써 연료 전지 시스템(13, 14) 중 하나가 고장 났을 때 상기 연료 전지 시스템은 비상 작동을 위해 브리지될 수 있다.

연료 전지 시스템(14)과 마찬가지 여기에서 순전히 예시적으로 단순하게 도시된 연료 전지 시스템(13)의 구조는 아래에 더 상세히 설명되어 있다. 2개의 연료 전지 시스템(13, 14)은 서로 동일하게 설계되고 여기에서 거울 대칭으로 도시되어 있으며, 상기 2개의 연료 전지 시스템(13, 14)은 캐소드 및 애노드 측에 있는 자체 주변 부품 및 구성요소, 예를 들어 물 분리기, 애노드 회로, 캐소드 회로, 애노드 재순환 팬 등을 사용한다. 이들은 공통의 급수 시스템(23)을 구비할 수 있으며, 이는 다음 설명에서 보다 상세하게 논의될 것이다.

공기 이송 장치(2)에서 두 단계의 압축기 휠(8, 10, 및 9, 11)은 대칭으로 설계되고, 이들 사이에 각각의 전기 기계(5, 6)가 드라이브로서 동일한 샤프트(7)에 놓인다. 이로 인해 각 공통 샤프트(7)에 축방향으로 작용하는 힘이 최소화된다. 이는 한편으로는 마찰 손실을 줄이는 데 유용하고, 다른 한편으로는 축방향 베어링의 간단하고 효율적인 구성을 가능하게 한다. 에어 필터(12)를 통과한 공기는 공통의 흡입 경로를 통해 또는 선택적으로 2개의 별도의 흡입 경로를 통해 제 1 유동 압축기(3)의 압축기 휠(8, 10)에 의해 흡입된다.

압축된 공기는 압축기 휠(8, 10)로부터 각각의 레지스터 라인(24, 25)을 통해 제 2 유동 압축기(4)의 압축기 휠(9, 11)에 도달한다. 거기로부터 더 압축된 유입 공기가 유입 공기 라인(26, 27)을 통해 연료 전지 시스템(13, 14)에 도달한다. 따라서 레지스터 과급이 이루어진다. 2개의 유동 압축기(3, 4)는 특히 등압으로 작동한다. 또한, 각각의 레지스터 라인(24, 25)에는 밸브(29, 30)가 있는 바이패스 라인(28)이 제공되어, 기본적으로 단계들 사이에 압축된 공기를 분사하는 것이 가능해진다.

다음 설명은 일점쇄선의 분리선 오른쪽에 표시된 연료 전지 시스템(14)에 기초하므로, 이 영역에서만 다른 연료 전지 시스템(13)에서도 동일하게 발견되는 구성부들도 하나의 도면부호를 갖는다.

연료 전지 시스템(14)은 일반적으로 개별 셀의 스택인 2개의 연료 전지 스택(17, 18)을 포함한다. 이들은 전기적으로 직렬로 연결되고 유체적으로 병렬로 연결된다. 이는 다른 연료 전지 시스템(13)의 연료 전지 스택(15, 16)에도 유사하게 적용된다. 아래에 설명되는 구성요소와 달리, 이들은 전기적 연결에 대한 위의 설명에 따라 여전히 고유한 도면 부호를 갖는다. 2개의 연료 전지 스택(17, 18)은 각각 애노드 격실(31)과 캐소드 격실(32)을 포함한다. 2개의 연료 전지 스택(17, 18)에서 동일한 도면 부호가 제공되며 유체적으로 병렬 연결에 의해 각각 애노드 격실(31) 및 캐소드 격실(32)과 유사하게 작용한다. 따라서 이하에서 각각 양자 모두를 의미하더라도 애노드 격실(31) 또는 캐소드 격실(32)만이 언급될 것이다.

캐소드 격실(32)에는 이제 2단계로 구성된 공기 이송 장치(2)에 의해 유입 공기 라인(27)을 통해 공기가 공급된다. 배출 공기는 배출 공기 라인(33)을 통해 34로 표시된 밸브 장치에 도달하고, 상기 밸브 장치(34)는 배출 공기- 또는 배기가스 재순환 밸브(34)로 지칭될 수도 있다. 선택적으로, 이러한 밸브 장치(34)에 의해 배출 공기 라인(33)의 배출 공기의 전체 또는 일부가 배출 공기 재순환 라인(35)을 통해 바이패스 라인(28)으로, 그리고 거기로부터 레지스터 라인(24, 25)으로, 또는 36으로 표시된 배출 공기 라인(36)의 일부를 통해 나중에 더 자세히 설명되는 배출 공기 터빈(37)으로 리턴될 수 있다.

애노드 격실(31)에는 수소 저장 장치(19)로부터 수소가 공급된다. 이 수소는 압력 조절- 및 계량 장치(38)를 통해 애노드 격실(31)에 도달한다. 물 분리기(40)가 배치될 수 있는 39로 표시된 재순환 라인이 있는 애노드 회로를 통해, 배기가스가 애노드 격실(31)의 배출구로부터 유입구로 되돌아가고, 대부분의 작동 상태에서 신선한 수소와 혼합되어 애노드 격실(31)로 흐른다. 재순환 라인(39)에 재순환 팬(41)이 도시되지 않은 가스 제트 펌프에 대해 대안으로서 또는 보완으로서 공개된 방식으로 배치될 수 있다. 소위 블로우 오프 밸브 또는 퍼지 밸브(43) 또는 퍼지-/드레인 밸브가 있는 블로우 오프 라인(42)은 물 분리기(40) 내에 또는 대안으로서 재순환 라인(39)의 다른 영역에 배치되며, 상기 밸브에 의해, 예를 들어 시간에 따라, 재순환 라인(39) 내의 수소 농도에 따라, 또는 다른 파라미터에 따라, 필요한 경우 가스가 물 분리기(40)의 물과 함께 재순환 라인(39)으로부터 배출된다.

연료 전지 시스템(14)의 이러한 구조에서, 연료 전지 스택(17, 18)의 캐소드 격실(32)로 향하는 유입 공기 라인(27)의 유입 공기의 가습이 지원되도록, 밸브 장치(34)의 적절한 위치에서 배기가스 재순환 라인(35)을 통해 습한 배출 공기 전체 또는 일부를 재순환하는 것이 가능하다. 나중에 추가로 설명되는 액체수 시스템(23)의 사용에 대한 대안으로서 또는 특히 보완으로서 종래의 가스/가스 가습기를 생략하는 데 도움이 될 수 있다.

연료 전지 시스템(14)으로부터 압력 에너지가 릴리스되어 공기 압축기의 구동을 추가로 지원하는 데 이용되는 종래의 전기 터보차저와 달리, 이러한 압력은 여기서 공기 이송 장치(2)를 위해 이용될 수 없다. 일반적으로 제공되는 재순환 팬(41)의 전기 드라이브 대신에, 여기에서는 배출 공기가 캐소드 격실(32)로부터 배출 공기 라인(33)의 섹션(36)에 배치된 배출 공기 터빈(37)을 통해 흐르고, 상기 터빈은 동력 전달 방식으로 재순환 팬(41)에 결합되며, 이는 여기서 공통 샤프트 형태로 도시된다. 이로 인해, 캐소드 격실(32)의 배출 공기에 포함된 에너지를 통해 재순환 팬(41)을 구동하여, 이 에너지를 다시 회수함으로써 전체 시스템을 보다 에너지 효율적으로 만들 수 있다. 배출 공기 터빈(37)과 재순환 팬(41) 사이의 결합이 자기적으로 이루어지는 경우, 특히 바람직하다. 결과적으로, 한편으로는 수소 또는 수소 함유 가스를 운반하고 다른 한편으로는 공기를 운반하는 두 체적이 간단하게 서로에 대해 밀폐될 수 있다. 이는 도면에서 샤프트 영역의 2개의 선으로 표시된다.

유입 공기 라인(27)에는 물론 배출 공기 라인(33)에, 즉 여기에서 각각 캐소드 격실(32)에 비교적 가깝게 밸브 장치(44)가 캐소드 격실(32) 전방에 유동 방향으로 배치되고, 밸브 장치(45)는 캐소드 격실(32) 후방에 유동 방향으로 배치되는 것은, 연료 전지 시스템(14)의 여기에 도시된 구조에 바람직하다. 이러한 밸브 장치(44, 45)는 바람직하게 및 여기에 도시된 방식으로 3/2-방향 밸브로서 설계될 수 있다. 그러나 실질적으로 밸브 장치들은 유입 공기 라인(27)과 배출 공기 라인(33) 모두에 배치되고 캐소드 바이패스(46)에도 배치될 독립적인 밸브 장치에 의해 실현될 수도 있다. 중요한 것은, 캐소드 바이패스(46)가 특히 캐소드 격실(32)이 폐쇄되거나 캐소드 격실(32)을 포함하는 체적이 폐쇄된 상태에서 밸브 장치(44, 45)에 의해 전환될 수 있다는 점이다. 순수 시스템 바이패스와 달리, 캐소드 바이패스(46)에는 예를 들어 벤투리(venturi) 파이프 방식으로 설계될 수 있는 가스 제트 펌프(47)가 제공된다. 그러나 부압 효과 및/또는 펄스 교환에 의해 캐소드 격실(32) 주위를 흐르는 공기로부터 가스가 추진제 가스 흐름으로서 흡입될 수 있는 한, 임의의 다른 유형의 가스 제트 펌프 또는 이젝터 또는 제트 펌프도 고려될 수 있다. 흡입 측에서 가스 제트 펌프(47)는 이를 위해 배출 라인(42)에 연결되고, 상기 배출 라인은, 재순환 라인(39)을 가스 제트 펌프(47)에 연결하기 위해 퍼지 밸브(43)에 의해 전환될 수 있다. 이로써 액체 및 특히 가스는 애노드 회로로부터 및 따라서 애노드 격실(31)로부터 흡입될 수 있다. 그렇지 않으면 애노드 회로는 밀봉되어 설계되고 수소 공급이 차단될 때 폐쇄된 체적을 형성하기 때문에, 결과적으로 애노드 회로에 부압이 달성될 수 있으며, 이는 추후에 설명되는 이유로 매우 바람직하다.

가스 제트 펌프(47)는 또한 흡입 측에서 캐소드 탭 라인(48) 및 거기에 배치된 캐소드 흡입 밸브(49)를 통해 캐소드 격실(32) 또는 밸브 장치(44, 45) 사이에 위치한 캐소드 격실(32)을 포함하는 체적에 연결된다. 캐소드 탭 라인(48)은 캐소드 격실(32)의 앞에 또는 뒤에, 즉 유입 공기 라인(27) 또는 배출 공기 라인(33)으로의 개방부를 갖도록 배치될 수 있다. 원칙적으로, 연료 전지 스택(17, 18)에 직접적인 연결도 고려할 수 있지만, 이는 해당 라인(27, 33)에서 분기하는 것보다 기술적으로 훨씬 더 복잡하다. 여기서도, 캐소드 바이패스(46)가 관류될 때 캐소드 흡입 밸브(49)의 개방 상태에서 가스 제트 펌프(47)에 의해 캐소드 격실(32)로부터 가스가 흡입될 수 있으며, 이는 밸브 장치(44, 45)가 폐쇄된 상태에서 캐소드 격실(32) 내부에도 부압이 생성되게 한다. 이는 또한 특히 바람직한 이용과 관련하여 나중에 더 자세히 설명한다.

배출 공기 라인(33)의 36으로 표시된 부분에서 터빈(37)에 의해 구동되는 재순환 팬(41)은 필요한 경우 터빈 바이패스(50)를 통해 우회될 수도 있다. 바이패스는 스로틀 포인트(51)를 갖는다. 따라서 배출 공기 터빈(37)은, 여기에서도 3/2 방향 밸브로 설계된 밸브 장치(52)에 의해, 배출 공기로부터 우회될 수 있으므로, 재순환 팬(41)이 구동되지 않는다. 연료 전지 시스템(14)의 연료 전지(17, 18)에 공기가 공급되지 않는 동안 재순환 팬(41)이 구동되어야 하는 반대의 경우를 위해, 추가 밸브 장치(53)가 제공되며, 상기 밸브 장치는 라인(54)을 통해 배출 공기 라인(33)의 부분 섹션(36)에 연결되어 공기가 배출 공기 터빈(37)의 영역으로 직접 분사를 가능하게 한다. 따라서 라인 54는 "전형적인" 시스템 바이패스를 형성한다.

이미 언급된 액체수 시스템(23)은 바람직하게는 연료 전지 시스템(14)으로부터 회수되는 물로 채워질 수 있다. 연료 전지 시스템(14)은 일반적으로 재순환 라인(39)에 물 분리기(40)를 갖고 배출 공기 라인(33)의 영역에, 여기서는 가능한 한 배출 공기 터빈(37)의 전방에 추가 물 분리기(55)를 갖는다. 연료 전지 시스템(14)의 여기에 도시된 실시예에서, 물 분리기(40)의 물은 가스 제트 펌프(47) 및 캐소드 바이패스(46)를 통해 마찬가지로 물 분리기(55)에 도달한다. 이에 대한 대안으로서 물 분리기(40)로부터, 예를 들어 물 분리기(55)로 또는 연료 전지 시스템(14) 및 또한 연료 전지 시스템(13)의 모든 물 분리기(40, 55)의 모든 물이 모이는 액체수 시스템(23)의 물탱크(57)로 직접 평행한 라인이 고려될 수 있다. 도시된 실시예에서 이를 위해, 물 분리기(55)에서 시작하여 액체수 시스템(23)의 영역에서 도시된 바와 같이 다시 취수되어 도 57로 표시된 물탱크로 개방되어 있는 56으로 표시된 물탱크 라인이 도시된다. 물탱크(57)의 열 교환기(58)에 의해 표시된 바와 같이, 예를 들어 전기 가열을 통해 열이 물에 공급될 수 있다. 특히, 이러한 가열은 회복 다이오드(22) 또는 그것의 냉각뿐만 아니라, 두 연료 전지 시스템(13, 14)의 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)을 위한 공통의 PDU와 같이 여기에 도시되지 않은 추가 파워 전자 부품의 보완적인 냉각에 의해 형성될 수 있다.

물탱크(57)에 저장된 물은 이상적으로 약 80℃의 온도를 가지며, 따라서 물탱크(57)는 바람직하게는 물탱크(57)의 불필요하고 신속한 냉각을 방지하기 위해 도시되지 않은 단열부를 구비한다. 액체수 시스템(23)의 여기에 도시된 실시예에서, 단열된 물탱크(57) 뒤에는 60으로 표시된 수처리 시스템(60)이 뒤따르며, 상기 수처리 시스템은 적절한 정수 필터 및 이온 교환기를 가질 수 있다. 2개의 연료 전지 시스템(13, 14)에서 수집된 액체수는 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)으로 흐르는 유입 공기를 가습하는 데 사용된다. 이 설명은 마찬가지로 연료 전지 시스템(14)의 측에서만 수행되며, 연료 전지 시스템(13)에서도 유사하게 이해되어야 한다. 2개의 분기 라인(62, 63)에는, 예를 들어 커먼 레일 방식으로 가압수 라인으로서 설계될 수 있고 워터 펌프(59)를 통해 물탱크(57)로부터 물을 공급받는 공급 라인(61)을 통해 물이 공급되고, 상기 분기 라인 각각은 64, 65로 표시된 밸브를 통해 전환 가능하게 레지스터 라인(24)에 있는 가습기(67)와 유입 공기 라인(27)에 있는 가습기(68)로, 즉 제 2 유동 압축기(4) 뒤에서 물을 이송한다.

각 가습기(67, 68)는 바람직하게 단일 성분 노즐 또는 2성분 노즐로 간단하게 물을 분무하는 가습기로서 설계된다. 가습기는, 예를 들어 전기 에너지로 작동될 수 있고, 따라서 연료 전지 어셈블리(1)의 작동과 무관하게 작동될 수 있으며, 가습과 관련하여 제어될 수 있다. 이로써 작동 중에 배기가스 재순환과 함께, 비용이 많이 드는 기존의 가스/가스 가습기가 생략될 수 있다. 액체수 시스템(23)의 이러한 구조는 내연기관 구동 장치, 특히 가솔린 분사식 내연기관에서도 유사한 방식으로 사용된다. 따라서 워터 펌프(59), 가열 가능한 물탱크(57) 및 가습기(67, 68)와 같은 구성요소는 충분히 검증된 부품으로서 시중에서 저렴한 비용으로 대량으로 구입할 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템(14) 및 유사하게 물론, 캐소드 바이패스(46) 및 캐소드 격실(32)로 평행하게 흐르는 공기에 의해 구동되고 상기 캐소드 바이패스에 배치되며 캐소드 격실(32) 및 애노드 격실(31) 모두를 전환 가능하게 흡입할 수 있는 가스 제트 펌프(47)를 갖는 연료 전지 시스템(13)도, 기존의 연료 전지 시스템에서는 해결될 수 없었거나 유사한 방식으로 해결될 수 없었던, 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18) 내의 개별 전지의 안전성 및 특히 수명에 바람직하지 않은 영향을 미쳤던 일부 문제를 해결할 수 있는 여러 바람직한 가능성을 가능하게 한다.

이미 언급한 바와 같이, 이러한 연료 전지 시스템(14)은 이제 작동 관리에 있어서 특수한 장점을 허용한다. 배기가스 재순환 밸브(34)가 적절하게 설정된 상태에서, 제 2 유동 압축기(4)의 작동 중에 상기 압축기의 압축기 휠(11)은, 캐소드 격실(32) 주위의 배출 공기를 재순환하는 데 이용될 수 있다. 동시에, 이러한 재순환된 공기의 일부는 캐소드 바이패스(46) 및 가스 제트 펌프(47)를 통해 흐를 수 있다. 이는, 퍼지 밸브(43) 또는 캐소드 흡입 밸브(49)가 그에 따라 개방되면, 애노드 격실(31) 및/또는 캐소드 격실(32)에서 가스를 흡입하는 것을 가능하게 한다. 또한, 다양한 이용 목적이 고려될 수 있다. 예를 들어, 사고 발생 시, 바람직하게는 연료 전지 어셈블리(1)를 구비한 여기에 도시되지 않은 상용차의 충돌 센서가 이러한 사고를 감지하면, 수소 공급이 중단될 수 있다. 유동 압축기(3, 4)가 회전을 멈추면 나머지 체적 흐름으로 차단된 캐소드 격실(32)과 애노드 회로 및 애노드 격실(31)로부터 가스가 흡입될 수 있다. 이로 인해 부하가 감소하고 전류가 0으로 감소하면서 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)의 (무부하) 전압이 매우 신속하게 감소할 수 있으므로, 차량 탑승자와 구조 작업자의 위험이 방지될 수 있다. 비상 정지 스위치의 작동 또는 연료 전지 어셈블리(1) 자체에서 감지된 비상 상황에 대한 반응에도 유사하게 적용된다. 이는 고정식 연료 전지 어셈블리에도 유사하게 적용될 수 있다.

또한, 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18) 내의 산소 함량은, 셀 전압을 제한하기 위해 감소할 수 있으며, 이를 위해 배기가스 재순환 밸브(34) 및 배기가스 재순환 라인(35)을 통해 적절한 양의 산소가 고갈된 배출 가스가 재순환되고 동시에 유입 공기의 가습을 지원한다. 이것으로 충분하지 않으면, 필요한 경우, 캐소드 바이패스(46) 및 가스 제트 펌프(47)를 통해 유입 공기의 일부가 안내됨으로써, 캐소드 흡입 밸브(49)가 개방되어 있을 때, 개별 셀 내의 전압을 더욱 안정적으로 제어 가능하게 제한하기 위해, 캐소드 격실(32)로부터 산소가 능동적으로 흡입될 수도 있다.

개별 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)의 화학량론을 다소 하향 조정할 수 있는 이러한 가능성은, 다른 한편으로는 공기 공급 장치(2)의 두 단계에 의해 반대로도 가능할 수 있다. 이로써 비교적 많은 양의 산소를 공급할 수 있고, 따라서 다른 방향으로 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)의 화학량론에 영향을 미칠 수 있다. 2개의 연료 전지 시스템(13, 14)의 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)의 전술한 유치적 병렬 및 전기적 직렬 연결과 함께 공기 공급을 조정하여 영향을 미침으로써 연료 전지 시스템(1)에서 화학량론에 큰 영향을 미칠 수 있는 가능성은 복잡한 파워 전자장치를 생략할 수 있게 한다. 오히려, 예를 들어 980개의 개별 셀로 구성된 4개의 상기 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)으로 이루어진 연료 전지 어셈블리의 구조는 화학량론을 통해서만 전압에 대해서 제어될 수 있다. 즉, 연료 전지 어셈블리(1)의 연료 전지 스택(16, 16, 17, 18)의 전류가 일정할 때 제공되는 필요한 전압은 필요한 작동점에 따라 화학량론을 통해서만 설정될 수 있다. 2개의 등압 작동식 유동 압축기(3, 4)를 통한 산소 함량의 증가는 물론, 캐소드 격실(32)로 공급되는 산소 함량의 감소는 전술한 배기가스 재순환 조치를 통해 캐소드 격실(32)에서 산소 함유 가스가 능동적으로 흡입될 때까지 실현될 수 있다.

연료 전지 시스템(14)의 작동을 위한 매우 결정적인 두 가지 포인트는, 냉간 시동 준비, 소위 FSU(Freeze Start Up) 준비와 관련된다. 애노드 격실(31) 및 캐소드 격실(32) 내부의 압력을, 예를 들어 최대 100 mbar까지 낮출 수 있음으로써, 애노드 격실(31) 및 캐소드 격실(32) 모두에 존재하는 물을 증발시키고 가스 제트 펌프(47)를 통해 능동적으로 흡입시킬 수 있다. 이는 예를 들어 연료 전지 스택(17, 18)의 25 내지 35℃의 온도 창에서 수행될 수 있다. 더 높은 온도에서와 달리 멤브레인의 건조가 대부분 방지되므로, 연료 전지 스택(17, 18)은 매우 안전하게 건조될 수 있다. 추후에 온도가 빙점 이하로 떨어지면, 목표한 수준 또는 허용 가능한 수준을 넘는 연료 전지 스택(17, 18)의 동결이 방지될 수 있다. 온도가 다시 빙점 이상으로 상승하면, 연료 전지 스택(17, 18)이 능동적으로 시동되지 않더라도 능동적인 가습이 수행될 수 있는데, 이는 액체수 시스템(27)을 통해 액체수가 이용될 수 있고 예를 들어 단일 성분 노즐을 갖는 전기 작동식 가습기로서 설계될 수 있는 가습기(68)를 통해 유입 공기 내로 간단하고 효율적으로 도입될 수 있기 때문이다. 이미 언급한 바와 같이 상기 유입 공기는, 한편으로는 멤브레인을 충분히 촉촉하게 유지하고 다른 한편으로는 언제든지 냉간 시동에 대비하기 위해, 배기가스 재순환 밸브(34)를 통해 회로에 안내될 수 있다.

시동 준비를 위한 기존의 일반적인 전략은, 연료 전지 시스템의 시동 시 애노드 격실(31)에서 공기/수소 전선이 방지되는 가능한 한 긴 시간을 달성하는 것이다. 이것은, 수소가 애노드 격실(31)로부터 확산되어 공기가 도입되면 항상 발생한다. 이제 신선한 수소가 추가되면, 이러한 우려스러운 전선이 발생하여 그에 따라 애노드가 손상되고 연료 전지 스택(17, 18)의 수명에 매우 바람직하지 않은 강력한 영향을 미친다. 여기에 도시된 변형 실시예의 연료 전지 시스템(14)은 이러한 공기/공기 시동을 방지할 수 있는 여러 가능성을 갖는다.

제 1 가능성은 캐소드 격실(32)이 적절하게 비워질 수 있는 것이다. 상기 캐소드 격실에 산소가 존재하지 않으면, 애노드 측에 산소가 존재하고 시동 중에 유입되는 수소에 의해 변위되더라도 전선이 손상 효과를 발휘할 수 없다. 이러한 간단한 가능성은 예를 들어, 캐소드를 영구적으로 산소가 없는 상태로 유지하는 것을 제공할 수 있고, 이는 시스템에서 일반적으로 발생하는 밀봉성을 고려할 때, 예를 들어 10시간 등마다 캐소드 격실(32)을 다시 비우는 것을 요구한다. 이와 같이 항상 다시 비우는 것을 반복함으로써 멤브레인이 건조해질 수 있기 때문에 멤브레인에 비교적 위험하므로, 이러한 접근 방식은 특히, 온도가 빙점 이상이고 연료 전지 어셈블리(1) 내의 소정의 잔류 습도에서도 더 안전하고 더 신뢰할 수 있는 시동이 가능할 때, 멤브레인의 전술한 가습을 동반할 수 있다.

공기/공기 시동을 방지하는 제 2 가능성은, 연료 전지 시스템(14)이 정지하는 동안 애노드 격실(31) 내로도 유입된 공기를 시동 전에 다시 배출하는 것, 즉 상기 애노드 격실을 비우는 것이다. 이를 위해, 공기가 이송되어 캐소드 바이패스(46) 및 가스 제트 펌프(47)를 통해 흐른다. 따라서 퍼지 밸브(43)가 개방된 상태에서, 정지 중에 애노드 격실(31) 내로 유입된 공기가 흡입될 수 있다. 결과적으로, 시동 시 수소가 계량되어 첨가되기 전에, 애노드 격실(31) 및 궁극적으로 애노드 회로의 체적 내 산소 함량을 적어도 상당히 줄일 수 있다. 이를 통해 부드러운 시동이 실현될 수 있고 연료 전지 스택(17, 18)의 서비스 수명이 연장될 수 있다.

제 3 가능성은 매우 부드러운 시동을 실현하기 위해 질소나 산소가 고갈된 공기, 특히 산소 함량이 0%인 공기의 생성을 이용한다. 이를 위해 캐소드 격실(32) 주위로 순환이 이용된다. 애노드 회로 내로 계량된 수소 또는 거기에 여전히 존재하는 잔류 수소는 퍼지 밸브(43)가 개방된 상태에서 가스 제트 펌프(47)에 의해 흡입되어 산소 함유 공기와 함께 회로에 도달하며, 상기 회로는 제 2 유동 압축기(4)의 작동에 의해 유지된다. 그런 다음 공기는 캐소드 격실(32) 주위의 회로에서 흐른다. 공기의 일부는 캐소드 격실(32)을 통해 흐르고, 일부는 캐소드 바이패스(46)를 통해 흐른다. 그런 다음 공기는 배출 공기 라인(33)과 배기가스 재순환 밸브(34) 및 배기가스 재순환 라인(35)을 통해 다시 레지스터 라인(24)으로 흐르고 거기에서부터 압축기 휠(11)에 의해 구동되어 다시 유입 공기 라인(27)에 있는 밸브 장치(44)로 흐른다. 이러한 작동 중에 수소와 공기의 혼합으로 인해 수소와 산소의 반응이 예를 들어 애노드 격실(31)의 촉매에서 또는 이를 위해 특별히 제공되는 도시되지 않은 촉매의 영역에서 발생하며, 상기 촉매는 예를 들어 가스 제트 펌프(47) 뒤에 있는 캐소드 바이패스(46)에 배치될 수 있다. 추가 촉매의 경우, 질소를 생성하기 위해 캐소드 격실(32)은 지속적으로 관류되지 않아도 된다. 이는 멤브레인의 건조를 줄이고 멤브레인을 보호한다. 그러나 멤브레인은 필요한 경우, 전술한 바와 같이 재가습될 수도 있다.

공기/공기 시동을 방지하는 제 4 가능성은, 말하자면 제 2 및 제 3 가능성을 조합한 것이다. 또한 이를 위해, 캐소드 측에 수소를 계량할 수 있는 수소 계량 라인이 필요하다. 이 수소 계량 라인은 퍼지 라인(42)과 유사한 방식으로 또는 이에 대한 대안으로서 캐소드 바이패스(46)의 가스 제트 펌프(47)에 연결된다. 따라서, 이러한 수소가 먼저 애노드 격실(31)을 통과하지 않고도, 수소 계량 라인을 통해 연료 전지 시스템(14)의 캐소드 측으로 수소를 계량하는 것이 가능하다. 따라서 캐소드 격실(32) 주위의 회로에서 가스 제트 펌프(47)의 하류에 배치된 전술한 촉매에 의해 공기 중의 산소가 소비될 수 있다. 이러한 공기는 그런 다음 밸브 장치(44, 45)와 배기가스 재순환 밸브(34)를 이용해서 그리고 압축기 휠(11)의 작동에 의해 이러한 회로에서 자율적으로 재순환된다. 이는 최초의 공기 중의 산소 함량이 촉매 및 수소 계량 라인을 통해 회로로 유입되는 수소를 이용해서 가스 제트 펌프(47) 내의 혼합 지점의 영역에서 1 Vol.% 미만으로, 특히 약 0 Vol.%로 감소할 때까지 이루어진다. 이때 재순환된 가스는 이로써 사실상 산소를 포함하지 않고 실질적으로 질소로 구성된다.

압축기 휠(11)을 통한 재순환에 의해 이 가스는 동시에 가열되고, 이는 촉매에서 촉매 반응에 바람직하게 작용하여, 산소와 수소가 효율적으로 변환될 수 있다. 이를 위해서는 약 +60 내지 +80℃의 온도 범위가 이상적이다. 따라서 폐쇄된 체적 내에서 원치 않는 질소 산화물을 방지하도록 촉매 반응이 매우 잘 조절될 수 있다. 부산물인 이러한 질소 산화물은 나중에 생성되는 배출 가스로 인해 바람직하지 않지만, 서비스 수명과 관련하여 연료 전지 스택(17, 18)의 안전한 취급에 더 이상 바람직하지 않은 영향을 미치지 않는다.

일정 시간이 지나면 이용 가능한 수소가 충분하거나 적절하게 추가 용량이 공급된 경우 모든 산소가 소비된다. 이제 전체 회로에는 산소가 0%로 고갈된 가스가 존재한다. 이것은 이산화탄소와 처리에 바람직하지 않은 영향을 미치지 않는 일부 희가스를 제외하면, 실질적으로 질소이다. 이제 회로 내에 질소가 존재하므로, 퍼지 밸브(43)가 개방되고, 제 2 유동 압축기(4)는 차단될 수 있다. 캐소드 퍼지 밸브(48) 및/또는 밸브 장치(44, 45)가 개방된다. 그런 다음 질소는 퍼지 라인(42) 및/또는 캐소드 탭 라인(48) 및/또는 유입 공기 라인(27)을 통해 다시 연료 전지 스택(17, 18)으로 흐르므로, 상기 연료 전지 스택은 질소로 채워진다. 이는 다음 시동 과정에서 매우 부드러운 시동을 가능하게 하고, 이 경우 공기/공기 시동의 손상 메커니즘이 발생하지 않는다.

제 5 가능성은 연료 전지 시스템(14)의 구조에서도, 시스템 내에서 수소를 유지하는 기존의 종래의 방법과 함께 바람직하게 이용될 수 있다. 이상적으로는, 주변 대기의 공기 압력에 비해 낮은 정적 과압을 사용하여 애노드 격실(31) 및 캐소드 격실(32)의 체적을 수소로 채우고 낮은 과압으로 유지하여, 약 100%의 수소 농도를 통해 체적의 완전한 불활성화가 실현될 수 있다. 정규 시동에 앞서, 연료 전지 시스템(14) 또는 그것의 연료 전지 스택(17, 18)을 시동할 수 있도록 하기 위해, 캐소드 격실(32)의 방향으로 밸브 장치(44)를 개방하여 캐소드 격실(32)에 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 공급되기 전에, 캐소드 격실(32)로부터 수소가 완전히 흡입됨으로써, 가스 제트 펌프(47)를 통해 그리고 이미 이송되었지만 캐소드 격실(32) 내로 유입되지 않은 유입 공기에 의한 상기 펌프의 작동을 통해 캐소드 격실(32) 내의 잔류 수소가 다시 제거될 수 있다.

그럼에도 불구하고 때때로 애노드 격실(31)로 산소를 공급하여, 거기에 축적된 CO 중독을 산화시키기 위해, 캐소드 바이패스(46)의 가스 제트 펌프(47)를 사용하여, 연료 전지 스택(17, 18)이 다시 비워질 수 있다. 퍼지 밸브(43)가 개방된 상태에서 공기 또는 산소 함유 가스는 공기 압축기가 차단되면 애노드 격실(31)의 영역에 도달할 수 있다. 원칙적으로 이산화탄소로 일산화탄소의 수동 산화가 고려될 수 있다. 예를 들어, 여기에 도시된 실시예에서 배출 공기 터빈(37)을 통해 팬 형태의 재순환 이송 장치(41)를 구동하기 위해, 퍼지 밸브(43)가 처음에 폐쇄된 상태에서 애노드 회로로 공기가 오버플로된 후에 공기 이송 장치(2) 또는 그것의 단계 중 하나가 다시 작동됨으로써, 재순환 이송 장치(31)가 작동되면, 더 효율적이다. 그리고 나서 촉매의 리프레시(refresh)는, 예를 들어 1분 미만의 짧은 시간 후에 완료된다. 그런 다음 퍼지 밸브(43)를 다시 개방함으로써 산소 함유 가스가 애노드 회로로부터 다시 흡입될 수 있으며, 시스템은 예를 들어 전술한 방식으로 질소로 채워져, 다음 시동을 준비할 수 있다.

이 모든 것은 연료 전지 스택(15, 16)이 있는 다른 연료 전지 시스템(13)에도 유사하게 적용되며, 바람직하게는 항상 두 연료 전지 시스템(13, 14)에서 동시에 수행된다.

Claims

2개의 병렬 연료 전지 시스템(13, 14) 및 공통의 공기 이송 장치(2)를 가진 연료 전지 어셈블리(1)로서, 상기 연료 전지 시스템은 애노드 측 및 캐소드 측 주변부가 있는 적어도 하나의 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)을 각각 포함하는 연료 전지 어셈블리에 있어서,
상기 공기 이송 장치(2)는 2단계로 설계되고, 상기 두 단계는 단계당 각각 하나의 압축기 휠(8, 9, 10, 11)을 갖는 유동 압축기(3, 4)의 형태로 설계되고, 하나의 그리고 다른 하나의 연료 전지 시스템(13; 14)을 위한 상기 압축기 휠(8, 9; 10, 11)은 적어도 하나의 전기 기계(5, 6)에 대해 대칭으로 샤프트(7)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 각 단계는 하나의 전기 기계(5, 6) 및 전기 기계(5, 6)에 대해 대칭으로 배치되며 하나는 연료 전지 시스템(13; 14) 중 하나를 위한 것이고 다른 하나는 연료 전지 시스템(13; 14) 중 다른 하나를 위한 것인 2개의 압축기 휠(8, 10; 9, 11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공기 이송 장치(2)의 두 단계는 등압 작동에 대해 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템(13, 14)의 상기 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)은 전기적으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 연료 전지 시스템(13, 14)은 전기적으로 직렬로 연결된 2개의 연료 전지 스택(15, 16; 17, 18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항 내지 제 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템(13, 14)이 공통의 전력 분배 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항 내지 제 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템(13, 14) 중 적어도 하나의 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 연료 전지 스택(15, 16, 17, 18)은 회복 다이오드(22)에 대해 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 연료 전지 시스템(13, 14)의 상기 연료 전지 스택(들)(15, 16, 17, 18)의 캐소드 격실(32)로부터의 배출 공기 라인(33, 35, 36) 및 애노드 격실(31)에 연료를 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 장치(19)가 제공되고, 상기 각 연료 전지 시스템(13, 14)의 상기 애노드 격실(31) 또는 애노드 격실들(32) 주위에서 미사용 연료의 재순환을 위한 적어도 하나의 애노드 회로 및 상기 각 연료 전지 시스템(13, 14)의 캐소드 격실(32) 또는 캐소드 격실들(32)을 우회하기 위한 적어도 하나의 캐소드 바이패스(46)가 제공되며, 상기 각 연료 전지 시스템(13, 14)의 상기 캐소드 바이패스(46)는 유입 공기 라인(26, 27)의 밸브 장치(44)의 영역에서 또는 앞에서 상기 유입 공기 라인으로부터 분기되고, 상기 배출 공기 라인(26, 27)의 추가 밸브 장치(45)의 영역에서 또는 뒤에서 상기 배출 공기 라인으로 개방되고, 상기 캐소드 바이패스(46)에는 상기 캐소드 격실(32) 주위를 흐르는 공기에 의해 구동 가능한 가스 제트 펌프(47)가 배치되고, 상기 가스 제트 펌프는 흡입 측에서 상기 애노드 격실(31) 및/또는 상기 캐소드 격실(32)에 전환 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 8 항에 있어서, 각각의 애노드 회로에서 재순환 이송 장치(41)로서 팬은 각각의 연료 전지 시스템(13, 14)의 배출 공기 라인(36)에 있는 배출 공기 터빈(37)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 연료 전지 시스템(13, 14)에 적어도 하나의 가습기(67, 68)가 제 2 압축기 단계 앞 및/또는 뒤의 유입 공에 배치되고, 상기 가습기는 특히 단일- 또는 2성분 노즐의 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.