KR20230155487A - 연료 전지의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위한 가스 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20230155487A
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Abstract

본 발명은 연료 전지의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위한 가스 관리 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치는 유체 탱크 및 그와 유체 연결된 물 분리기를 포함하고, 배출 밸브가 유체 탱크의 상부 측면의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역에 배열된다. 이러한 하나의 배출 밸브를 통해서는, 목적한 바대로의 작동 시에 가스 및 액체, 이 경우 특히 물이 방출된다. 이러한 방출은 일반적으로 중앙 유출 라인 내로 실행된다.

Description

연료 전지의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위한 가스 관리 장치 및 방법
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 전지의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위한 가스 관리 장치와, 또한 청구항 제9항의 전제부에 따른 관련 방법에 관한 것이다.
공지된 연료 전지 내에서의 화학 반응 시에는, 수소 풍부(H2 풍부) 프로세스 가스 또는 프로세스 유체가 공기 중 산소의 공급을 통해 화학적으로 특히 물(H2O)로 변환된다. H2 고갈 폐가스는 적어도 부분적으로 순환되고, 연료 전지 내로의 재도입 이전에 요구 농도에 이르기까지 H2 가스가 농축된다. 또한, 연료 전지의 폐가스로부터 부산물들 및 이물질들이 방출 또는 배출되어야 하는데, 이는 특히 물(H2O) 및 질소(N2)이다.
종래 기술로부터는, 애노드 가스를 효율적으로 처리하기 위한, 특히 물 분리 및 가스 배출(퍼징)을 구현하기 위한 상이한 장치 및 방법이 공지되어 있다. 이와 같이, DE 10 2012 020 280.6 A1호는, 한편으로 물 방출을 가능하게 할 뿐 아니라 퍼징도 가능하게 하는 유출 밸브가 수집 탱크의 아래쪽에 배열되는 물 분리 유닛을 공지하고, 아래로부터 수집 탱크의 가스 챔버 내로 돌출되는 상승 라인을 통해 가스가 공급되므로, 가스가 상부 가스 챔버로부터 아래를 향해 배출된다.
그러나, 물 분리기의 수집 탱크 내 얼음 형성이 발생하고, 이러한 얼음 형성이 유출부들의 폐쇄를 야기하고 배출 밸브들의 동결도 야기하는 경우에, 배수 및 가스 배출(퍼징)을 실행하는 것이 지금까지 불충분하게 해결된 문제점으로 판명되었다. 이러한 얼음 형성은 거의 독점적으로 연료 전지의 작동 정지 상태에서만 발생하는데, 이는 모터 시동 이전의 요구되는 퍼징을 더 어렵게 하거나 방해한다.
따라서 본 발명의 과제는, 물 분리기 내 얼음 형성 시에도 애노드 가스의 처리가 가능해지도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 과제는 청구항 제1항의 특징부의 특징들을 갖는 가스 관리 장치를 통해 해결된다. 또한, 청구항 제9항의 특징부에 따른 방법이 이러한 과제를 해결한다. 본 발명에 따른 장치 및 방법의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 각각의 종속 청구항들로부터 얻어진다.
이 경우, 연료 전지의 애노드 가스를 컨디셔닝하기 위한 본 발명에 따른 가스 관리 장치는 유체 탱크 및 물 분리기를 포함하고, 물 분리기는 유체 탱크와 유체 연결되고 그리고/또는 이러한 유체 탱크의 내부 챔버 내에 배열된다. 또한, 연료 전지로부터의 폐가스가 안내되는 가스 공급 라인은 물 분리기 내로 안내되고, 가스 방출 라인은 다시 물 분리기로부터 안내되어 나온다. 또한, 상승 라인이 제공되고, 이러한 상승 라인의 하부 단부는 내부 챔버의 하부 영역, 즉 폐가스로부터 분리된 물이 맨 먼저 수집되는 곳과 연결되고 그리고/또는 상승 라인은 내부 챔버 내로 돌출된다. 상승 라인은 상부 단부에 의하여 배출 밸브와 연결된다. 이상적으로, 배출 밸브는 유체 탱크의 내부 챔버의 외부에 배열된다.
본 발명의 핵심은, 배출 밸브가 유체 탱크의 상부 측면의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역에 배열되고, 또한 동일한 배출 밸브를 통하여 목적한 바대로의 작동 시에 가스 및 액체, 이 경우 특히 물이 방출 가능하다는 것이다. 이러한 방출은 일반적으로 중앙 유출 라인 내로 실행되나, 이로 제한되는 것을 의미하지 않고, 적어도 하나의 후속 프로세스 단계에서의 유체, 이 경우 특히 물의 완전한 또는 부분적인 사용이 본 발명에 포함된다.
배출 밸브가 유체 탱크의 상부 측면의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역에 배열됨으로써, 배출 밸브가 동결되는 것이 확실하게 방지된다. 또한, 가스 및 유체를 위한 단지 하나의 배출 밸브를 통해서는, 개선된 경제성과 더불어, 구조 공간이 감소되고, 중량 절감이 달성된다는 큰 장점이 존재한다.
이 경우, 상승관과 상승 라인이라는 용어들은 동의어로 사용된다. 용기 벽부가 상승 라인의 벽면의 일부를 형성함으로써, 상승 라인은 용기 벽부의 통합된 요소로서 형성될 수 있고, 그 밖의 라인 벽부의 적어도 일부가 내부 챔버 내로 돌출되거나 유체 탱크 외부에 위치한다. 상승 라인의 하부 개구는 유체 탱크의 내부 바닥에 인접하도록 또는 약간의 간격을 갖도록 배열된다. 또한, 상승 라인은 자유롭게 매달린 라인으로서 형성될 수 있고, 이러한 라인의 자유로운 하부 단부는 약간의 간격을 갖고 유체 탱크의 내부 바닥 위에 위치 설정된다. 이 경우, 이러한 자유로운 매달림은, 필요 시에 적어도 하나의 용기 벽부를 갖는 하나 또는 복수의 버팀대가 제공되는 것을 포함한다.
개선된 일 변형예에서, 상승 라인 내에 적어도 하나의 바이패스 라인이 제공되고, 이러한 바이패스 라인을 통해서는 유체 탱크의 내부 챔버가 상승 라인과 유체 연결되므로, 지속적인 압력 균등화가 실행된다. 이 경우, 축적물의 방지를 위해서는, 일반적으로 목적한 바대로의 작동 시에 가스가 채워지는 유체 탱크의 상부 영역 내에 바이패스 라인이 배열되는 경우가 바람직하다. 매우 바람직하고 경제적으로 유리한 해결책으로서, 바이패스 라인은 내부 챔버와 상승 라인 사이의 작은 보어 또는 개구로서 형성될 수 있다.
개선된 변형예는, 바이패스 라인에 밸브가 제공되는 것, 즉 바이패스 라인의 라인 경로 내에 또는 그에 인접하게 밸브가 제공되는 것이다. 이러한 밸브는 특히 수동식 체크 밸브 또는 초과압 밸브일 수 있다. 이러한 밸브는 지속 상태 또는 정상 상태에서 개방된다. 특히 체적 유량 및/또는 내부 압력과 같은, 유체 탱크의 내부 챔버와 상승 라인 사이의 한계값 차이 또는 상승 라인 내의 한계값에서부터, 밸브는 이러한 한계값 또는 한계값 차이가 다시 미달될 때까지 폐쇄를 실행한다.
개선된 추가의 일 실시예는, 상승 라인 내에 또는 상승 라인을 향하도록, 내부 챔버의 상부 영역에 비상 밸브가 배열되는 것이다. 이를 통해, 특히 내부 챔버 내의 임계적 압력 상승 시에 유체 탱크의 내부 챔버로부터 상승 라인 내로의 추가적인 유체 연결부가 형성될 수 있으며, 이러한 유체 연결부를 통해서는 가스 및 액체가 신속하게 방출 가능하다. 이는 예를 들어, 하부의 내부 챔버가 결빙되고, 이를 통해 상승 라인의 하부 단부가 폐쇄되는 경우에 요구된다. 바람직한 일 변형예에서, 비상 밸브는, 예를 들어 초기 응력이 가해지는 수동식 초과압 밸브로서 형성되는 초과압 밸브이다.
바이패스 라인 및 비상 밸브의 위치와 관련하여, 바이패스 라인이 유체 탱크의 내부 챔버 내에서 비상 밸브의 위쪽에 배열되는 경우가 특히 바람직하다. 또한, 비상 밸브도 유체 탱크의 내부 챔버 내에서 가능한 한 높이 배열하는 것이 전반적으로 바람직하다.
바람직한 일 실시예는, 비상 밸브 및/또는 바이패스 라인이 물 분리기의 영역에 또는 심지어 이러한 물 분리기의 위쪽에 배열됨으로써, 가스가 채워져 있는 체적 내의 가능한 한 가장 높은 위치가 보장되는 것을 제공한다. 이러한 실시예는, 물 분리기와 유체 탱크가 폐쇄된 구조 유닛을 형성하는 경우에 특히 유용하다.
추가의 일 변형예에서, 내부 챔버가 배출 밸브와 유체 연결될 수 있도록 하는 적어도 하나의 추가 환기 라인이 제공되는 것이 제공된다. 이러한 추가 환기 라인은 상승 라인에 대한 직접적인 유체 연결부를 포함하지 않는다. 이러한 경우, 배출 밸브는 다중 경로 밸브로서 형성된다.
상술한 변형예의 일 개선예는, 다중 경로 밸브로서 형성된 배출 밸브가, 상승 라인과 유체 탱크의 내부 챔버 사이의 유체 연결부가 형성 가능한 밸브 위치에 있는 내부 라인 경로들을 포함하는 것이다. 이러한 위치를 통해서는, 배출 밸브를 통한 내부 챔버와 상승 라인 사이의 압력 균등화가 가능하다.
일 실시예에서, 상승 라인이 폐쇄됨과 동시에 중앙 유출 라인과 유체 탱크의 내부 챔버 사이의 라인 연결부가 형성될 수 있는 밸브 위치에 있는 이러한 유형의 내부 라인 경로들을 배출 밸브가 포함하는 것이 제공된다. 이러한 밸브 위치는, 필요 시에 상승 라인이 방출되지 않아야 할 유체로 여전히 채워지는 경우 또는 이러한 상승 라인이 결빙되는 경우에도 내부 챔버의 신속한 직접적 퍼징을 가능하게 한다. 바람직하게, 이러한 실시예에서 유체 탱크의 내부 챔버 내의 바이패스 라인은 생략될 수 있다. 또한, 유체 탱크가 여전히 대부분 얼음 및 물로 채워져 있는 동안, 순수 가스 배출(순수 퍼징)이 실행되는 경우에는, 얼음의 해동에 이르기까지 작동을 시작하는 것으로 충분하기 때문에, 비상 밸브도 마찬가지로 생략될 수 있다.
이에 따라, 애노드 가스 회로로부터의 가스 및/또는 물의 방출 또는 배출을 위한 언급한 모든 실시예들 및 변형예들에서는 각각 할당된 라인들을 갖는 2개의 별도의 밸브들이 제공되지 않는 경우가 전반적으로 경제적 장점이기도 하다.
연료 전지의 작동을 위한 그리고 애노드 가스 회로로부터의 가스 및/또는 액체의 배출을 위한 본 발명에 따른 방법은, 가스 및/또는 액체가 연료 전지의 하류의 가스 공급 라인을 통해 물 분리기에 공급되고, 분리된 액체, 특히 물(H2O)이 유체 탱크 내로 방출되는 것을 포함한다. 이러한 작동 시에는 하기 단계들, 즉
Figure pct00001
배출 밸브를 통해 유체 탱크가 적어도 부분적으로 비워지는 단계;
애노드 가스 회로로부터 가스가 적어도 부분적으로 배출되고, 순수 가스(H2)가 애노드 회로 내에 도입되는 단계;가 포함된다.
이 경우, 이러한 본 발명에 따른 방법의 핵심은, 애노드 가스 회로로부터의 가스의 배출 및/또는 동일한 배출 밸브를 통한 유체 탱크로부터의 액체의 배출이다. 이 경우, 배출 밸브는 유체 탱크의 상부 측면의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역에 배열된다. 이는, 유체(물 또는 가스)가 유체 탱크로부터의 방출을 위하여 위를 향해 안내될 수 있으며, 그곳에 배출 밸브도 배열되어 있다는 것을 의미한다.
목적한 바대로의 작동 시에 액체가 결코 밸브에 직접 닫지 않고, 프로세스 정지 상태에서 얼음 형성이 배출 밸브의 동결을 야기할 수 없다는 것이 큰 장점이다. 또한, 프로세스 관리가 단지 하나의 배출 밸브를 통해 간소화된다.
개선된 방법 변형예에서, 가스는 비움 단계에서 존재하는 액체를 제1 부분 단계에서 자신보다 앞서 배출 밸브를 통과하도록 가압한다. 후속하는 제2 부분 단계에서는, 방출될 가스의 비율이 배출 밸브를 통해 안내된다.
바람직하게, 본 발명에 따른 방법에서는, 상술한 가스 관리 장치의 일 실시예 또는 실시예들의 조합이 연료 전지의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위해 사용된다.
본원의 방법의 개선된 일 실시예에서는, 내부 챔버의 하부 영역 내의 과도한 압력 상승 및/또는 결빙의 경우, 내부 챔버의 상부 영역 내의 비상 밸브가 개방되고, 존재하는 유체가 내부 챔버로부터 상승 라인 및 배출 밸브를 통해 방출되는 비상 배출 단계가 제공된다. 일반적인 경우에, 방출은 배출 밸브의 하류에 배열된 유출 라인 내로 실행된다.
본원의 방법의 추가적인 일 개선예는, 내부 압력 및/또는 체적 유량과 같은, 상승 라인 내의 적어도 하나의 한계값의 초과 시에 바이패스 라인이 폐쇄되는 것이다. 바람직하게, 이러한 폐쇄를 위해서는 수동식 체크 밸브 및/또는 초과압 밸브가 사용된다. 이를 통해, 물의 방출 또는 퍼징 시에 유체 탱크의 내부 챔버 내로의 과도한 역류가 실행되는 것이 방지됨으로써, 이러한 단계들(물의 비움 및 가스의 배출)을 위한 시간들이 단축된다.
본원에서 유체는 특별한 언급이 없는 한, 가스 또는 액체를 의미할 것이다. 또한, 프로세스 단계들 및 프로세스 종류에 따라 "가스들"이 상이한 조성 및 농도의 가스 성분 그리고 물 함량을 갖는다는 것이 통상의 기술자에게 바로 이해될 수 있다. 이러한 관계들은 종래 기술에 공지되어 있다. 따라서, 단순화를 위해 "가스" 또는 "가스들"이라는 용어만 사용되고, 이러한 용어는 다소 상이한 내용이 명확히 언급되지 않는 한, 항상 위치에 따라 그리고 공정 단계에 따라 각각의 가스 또는 가스 혼합물을 의미한다.
하기 도면 설명 내용에서, 다양한 도면들 내 동일한 부분들에는 항상 동일한 도면 부호들이 제공되므로, 각각의 도면에 대해 모든 도면 부호들이 다시 설명될 필요는 없다.
본 출원에서는 공간적 위치들에 대한 배열이 중요하므로, "위", "위쪽", "상부", "아래", "아래쪽" 또는 "하부"의 지시 사항이 중력을 따른 일반적인 수평선 또는 수직선과 관련된다. 또한, 본 발명에 따른 장치의 배향을 지시할 때는, 다소 상이한 내용이 명확히 언급되지 않는 한, 목적한 바대로의 작동 시에 그리고/또는 목적한 바대로의 설치 상황에서 얻어지는 위치 및 배향을 의미할 수 있다.
하기에는 본 발명에 따른 장치 및 방법이 개략적 도면들에 의하여 예시적으로 설명된다. 이러한 도면들은 매우 단순화되고, 특히 명확성을 위하여, 예를 들어 개회로 제어 유닛/폐회로 제어 유닛, 전원 라인 및 데이터 라인, 센서(압력, 레벨, 온도 등), 추가 밸브, 공압 요소 등과 같이 필수적이고 일반적인 요소들은 도시되지는 않지만, 부득이하게 또는 필요에 따라 제공될 수 있다.
도 1은 매우 단순화하여 도시한 종래 기술로서의 프로세스 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 관리 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 제1 공정 상태에 있는 도 1에 따른 가스 관리 장치를 제1 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 4는 제2 공정 상태에 있는 도 1에 따른 가스 관리 장치를 제2 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 5는 추가 공정 상태에 있는 도 1에 따른 가스 관리 장치를 도 4에 따른 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 6은 다중 경로 밸브로서 형성되는 배출 밸브를 구비한 가스 관리 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 추가 다중 경로 밸브로서 형성되는 배출 밸브를 구비한 가스 관리 장치를 제1 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 따른 가스 관리 장치를 추가 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 9는 도 7 및 도 8에 따른 가스 관리 장치를 제3 밸브 위치에서 도시한 도면이다.
도 10은 바이패스 라인 및 비상 밸브의 대안적인 배열을 갖는 가스 관리 장치를 도시한 도면이다.
도 1에는 연료 전지의 프로세스 순서가 매우 단순화되어 도시되어 있다. 이 경우, 도면 좌측의 캐소드 프로세스 섹션(20)은 더 고려되지 않을 것이다. 필요한 산소(O2)는 공기 프로세스 섹션(30)을 통해 캐소드 측면에서 연료 전지(1)에 공급되고, 하기 설명들은 전반적으로 애노드 가스 측면에서의 가스 프로세스에 관련된다.
프로세스 가스는 저장 탱크(16)로부터 라인(17)들과, 예를 들어 제트 혼합기로서 형성될 수 있는 혼합기(18)를 거치고, 라인(19)을 거쳐 연료 전지(1)에 공급된다. H2가 고갈된 가스는 라인(20)을 통해 연료 전지(1)를 벗어나고, 가스 공급 라인(5)을 통해 물 분리기(4)에 공급된다. 제습된 가스는 가스 방출 라인(6)을 통해 물 분리기(4)를 벗어난다.
하류에 위치한 분기부에서는 밸브(11)를 통해 부분 흐름이 제거되고(퍼징), 라인 경로(21)를 통해 배출된다. 혼합기(18) 내에서는, 요구되는 H2 가스 농도를 설정하기 위해 H2 풍부 가스의 재공급이 실행된다. 후속적으로, 프로세스 가스는 전술한 바와 같이 라인(19)을 통해 연료 전지(1) 내로 재도입된다. 이러한 유형의 프로세스들은 복수의 실시예들로 공지되어 있으며, 특히 H2가 가스로서 직접 도입되지 않고 적합한 H2 풍부 유체로서 도입되는 프로세스들도 공지되어 있다.
도 2에 따른 단면도에서는 본 발명에 따른 가스 관리 장치(1)의 기본 구조를 볼 수 있다. 유체 탱크(2) 상에는 물 분리기(4)가 배열된다. 이러한 물 분리기는 사이클론, 충격 분리기로서 또는 기타 공지된 형태로서 형성될 수 있다. 가스는 가스 공급 라인(5)을 통해 물 분리기(4) 내로 안내되고, 제습된 상태로 가스 방출 라인(6)을 통해 다시금 이러한 물 분리기를 벗어난다. 분리된 물은 유체 탱크(2)의 내부 챔버(3) 내로 떨어지거나 흘러 내리고, 하부 영역(3.1) 내에 수집된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유체 탱크(2)는 약 1/3 가량 물로 채워져 있는데, 이는 하부 영역(3.1) 내의 해칭된 면으로서 명시된다. 내부 챔버(3)의 내부에는 수직 채널로서 형성된 상승 라인(7)이 연장된다. 상승 라인(7)의 하부 단부(7.1)는 유체 탱크(2)의 내부 바닥을 향해 개방된다. 상승 라인(7)의 상부 단부(7.2)는, 하류에서 방출 라인(9)으로 이어지는 배출 밸브(8)와 연결된다. 도시된 예시에서 배출 밸브(8)는 간단한 차단 밸브로서 형성된다.
개선예로서, 도시된 예시에서는 유체 탱크(2)의 상부 측면(2.1)의 아래쪽에 작은 바이패스 라인(12)이 작은 보어로서 제공되고, 이를 통해 내부 챔버(3)와 상승관(7) 사이의 지속적인 압력 균등화가 실행된다. 선택적 비상 밸브(14)는 도 5와 관련하여 상세히 설명된다. 전반적으로 도 1은, 연료 전지(1)가 작동하고 분리된 물이 수집되는 작동 상태를 도시한다. 이 경우, 배출 밸브(8)가 폐쇄 위치에 있기 때문에 퍼징(H2 고갈 가스의 배출)이 실행되지 않고 액체수의 방출도 실행되지 않는다.
도 3에는 후속 배출 단계, 자세히 말해 유체들의 배출의 제1 부분 단계로서의 배수가 도시된다. 배출 밸브(8)가 통과 라인 상에 위치하므로, 한편으로 유체 탱크(2)의 내부 압력과 다른 한편으로 방출 라인(9) 사이의 압력 구배로 인하여 물(해칭된 면)이 상승 라인(7) 내에 밀어 넣어지고, 배출 밸브(8)를 통과하도록 안내된다. 유체 탱크(2) 내부의 필요한 초과압은 공지된 방식으로 H2 풍부 유체의 공급 라인을 통해, 예를 들어 혼합기(18)(도 1)에서 생성된다. 이 경우, 내부 챔버(3) 내의 액적을 통해 표시되는 바와 같이, 분리 과정이 반드시 중단되는 것은 아니다.
도 4에는 배출의 제2 부분 단계, 자세히 말해 배수에 후속하는 가스의 배출(퍼징)이 도시된다. 이 경우, 분리된 물이 배출 밸브(8) 및 방출 라인(9)을 통해 완전히 배출되었으므로, 후속적으로 가스, 특히 H2 고갈 가스의 성분이 원하는 퍼징율(H2 농도)이 달성될 때까지 배출된다. 이 경우, 상승 라인(7)과 내부 챔버(3) 사이의 영구적인 개구로서의 바이패스 라인(12)은 문제가 되지 않으며, 특히 바이패스 라인(12)의 횡단면이 주 흐름 경로들의 횡단면보다 훨씬 더 작은 경우에는 단점이 되지 않는다.
도 5에 도시된 공정 상황은, 파선으로 채워진 면을 통해 표시되는 얼음이 내부 챔버(3)의 하부 영역(3.1) 내에 형성됨으로써, 상승관(7)의 하부 단부(7.1)에 있는 바닥 부근 유입부도 폐쇄되는 드물지 않은 경우를 보여준다. 물과 가스는 더 이상 배출 밸브(8)의 개방 및 압력 상승을 통해서는 내부 챔버(3)로부터 배출될 수 없다. 이러한 경우, 스프링에 의해 초기 응력이 가해지는 비상 밸브(14)는 압력 구배의 방향으로 개방된다. 비상 밸브(14)는 공지된 초과압 밸브로서 형성되고, 상승 라인(7)의 상부 영역 내로 안내를 실행한다. 따라서, 화살표들에 의해 표시된 바와 같이, 모든 유체들이 이러한 추가 바이패스를 통해 내부 챔버(3)로부터 상승 라인(7) 내로 그리고 추가적으로 배출 밸브(8)를 통해 방출될 수 있다. 특히 작동 정지 상태들에서 결빙이 발생하기 때문에, 이러한 결빙은 연료 전지(1)가 작동 중일 때 후속적으로 단 시간 내에 녹는다.
도 6에는 상기 예시들에 대한 대안적이거나 보완적인 일 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 내부 챔버(3)에 대한 통로를 갖는 유체 탱크(2)의 상부 측면(2.1)에는 추가 환기 라인(13)이 제공되고, 배출 밸브(8)는 다중 경로 밸브로서 형성된다. 제1 밸브 위치에서, 내부 라인 경로들을 통해 상승 라인(7)과의 압력 균등화가 실행되고, 방출 라인(9)으로의 경로는 차단된다. 도 6에서는 스위칭되어 있지 않은 배출 밸브(8)의 제2 밸브 위치에서, 추가 환기 라인(13)은 폐쇄될 것이고, 방출 라인(9)으로의 경로는 개방될 것이다. 이러한 실시예에서, 환기 라인(13)은 밸브(8)의 내부 라인 경로들과 함께, 상술한 바이패스 라인(12)과 유사한 바이패스 라인을 형성한다.
3/3 다중 경로 밸브로서의 배출 밸브(8)의 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예에서, 추가 밸브 위치들이 가능하다. 도 7에 따른, 도시된 제1 밸브 위치는 도 6에 따른 밸브 위치에 상응한다. 이 경우, 유체 배출 없이 내부 챔버(3)와 상승관(7) 사이의 압력 균등화가 실행된다.
제1 밸브 위치의 좌측에 도시되고 도 8로 도시된 제2 밸브 위치에서 상승 라인(7)은 폐쇄되고, 내부 챔버(3)로부터 추가 환기 라인(13)을 통해 방출 라인(9)을 향하는 연결부는 개방된다. 이는, 매우 신속하고 정확히 계량 가능한 가스 배출(퍼징)을 가능하게 한다.
제1 밸브 위치의 우측의 제3 밸브 위치에서, 추가 환기 라인(13)은 폐쇄되고, 상승 라인(7)으로부터 방출 라인(9)으로의 연결부는 개방된다. 이는 도 9로 도시되어 있다. 이를 통해, 유체 탱크(2)의 신속하고 정확히 계량 가능한 배수가 가능해진다.
마지막으로, 도 10은 물 분리기(4)의 영역 내에 또는 높이에 있는 비상 밸브(14) 및 바이패스 라인(12)의 특별한 설치 위치를 도시한다. 도시되지 않은 추가의 일 실시예에서, 비상 밸브(14) 및/또는 바이패스 라인(12)은 물 분리기(4)의 위쪽에 배열된다.
상기 실시예들이 보완 또는 조합을 통해 사용될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 바로 납득 가능하다.
1 가스 관리 장치
2 유체 탱크
2.1 상부 측면
2.2 하부 측면
3 내부 챔버
3.1 하부 영역
3.2 상부 영역
4 물 분리기
5 가스 공급 라인
6 가스 방출 라인
7 상승 라인
7.1 하부 단부
7.2 상부 단부
8 배출 밸브
9 방출 라인(중앙)
10 밸브(물 유출 밸브)
11 밸브(퍼지 밸브)
12 바이패스 라인
13 환기 라인
14 비상 밸브
15 프로세스 가스 탱크
16 저장 탱크
17 라인
18 혼합기
19 라인
20 캐소드 프로세스 섹션
30 공기 프로세스 섹션

Claims (14)

  1. 연료 전지(1)의 애노드 가스의 컨디셔닝을 위한 가스 관리 장치로서, 이러한 가스 관리 장치는,
    목적한 바대로의 설치 위치에서 상부 측면(2.1) 및 하부 측면(2.2)을 포함하는 유체 탱크(2), 그리고 내부 챔버(3),
    유체 탱크(2)와 유체 연결되고 그리고/또는 이러한 유체 탱크의 내부 챔버(3) 내에 배열되는 물 분리기(4),
    물 분리기(4) 내로의 가스 공급 라인(5), 물 분리기(4)로부터의 가스 방출 라인(6),
    유체 탱크(3)로부터의 물을 위한 상승 라인(7)을 포함하고,
    상승 라인(7)은 하부 단부(7.1)에 의하여 유체 탱크(3)의 내부 챔버의 하부 영역(3.1)과 연결되고 그리고/또는 이러한 내부 챔버 내로 돌출되고, 상부 단부(7.2)에 의하여 배출 밸브(8)와, 특히 내부 챔버(3)의 외부에 배열된 배출 밸브(8)와 연결되는, 가스 관리 장치에 있어서,
    배출 밸브(8)는 유체 탱크의 상부 측면(2.1)의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역(3.2)에 배열되고, 배출 밸브(8)는 출구측에서 중앙 유출 라인(9)과 연결 가능하고, 동일한 배출 밸브(8)를 통하여 목적한 바대로의 작동 시에 가스 및 액체, 특히 물이 방출 가능하고, 특히 중앙 유출 라인(9) 내로 안내 가능한 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상승 라인(7)은 적어도 바이패스 라인(12)을 통해 유체 탱크의 내부 챔버(3)와 유체 연결되고, 바이패스 라인은 특히 유체 탱크(2)의 상부 영역에 배열되고, 바이패스 라인(12)은 특히 상승 라인 내의 보어 및/또는 개구인 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상승 라인(7) 내에는 내부 챔버(3)의 상부 영역에 비상 밸브(14)가 배열되고, 이러한 비상 밸브를 통해서는 유체 탱크(2)의 내부 챔버(3)로부터 상승 라인(7) 내로의 유체 연결부가 형성 가능하고, 바람직하게 비상 밸브(14)는 초과압 밸브, 특히 초기 응력이 가해지는 수동식 초과압 밸브인 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 바이패스 라인(12)은 내부 챔버 내에 그리고 비상 밸브(14)의 위쪽에 배열되는 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 바이패스 라인(12)에는, 지속 상태에서 개방되고, 상승 라인(7) 내의 체적 유량 및/또는 내부 압력의 한계값에서부터 바이패스 라인(12)을 폐쇄하는 밸브, 특히 수동식 체크 밸브 및/또는 초과압 밸브가 제공되는 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 챔버(3)가 배출 밸브(8)와 유체 연결될 수 있도록 하는 적어도 하나의 추가 환기 라인(13)이 제공되고, 추가 환기 라인(13)은 상승 라인(7)에 대한 직접적인 유체 연결부를 포함하지 않고, 배출 밸브(13)는 다중 경로 밸브인 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 배출 밸브(8)는, 상승 라인(7)과 유체 탱크(2)의 내부 챔버(3) 사이의 유체 연결부가 형성 가능한 밸브 위치에 있는 내부 라인 경로들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 배출 밸브(8)는, 상승 라인(상승 라인의 내부 챔버)(7)이 폐쇄됨과 동시에 중앙 유출 라인(9)과 유체 탱크(2)의 내부 챔버(3) 사이의 라인 연결부가 형성될 수 있는 밸브 위치에 있는 내부 라인 경로들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 및/또는 물의 방출을 위하여, 할당된 라인들을 갖는 적어도 2개의 별도의 밸브(10, 11)들이 제공되지 않는 것을 특징으로 하는, 가스 관리 장치.
  10. 연료 전지의 작동을 위한 그리고 애노드 가스 회로로부터의 가스 및/또는 액체의 배출을 위한 방법으로서, 가스 및/또는 액체는 연료 전지(1)의 하류의 가스 공급 라인(5)을 통해 물 분리기(4)에 공급되고, 유체 탱크(2) 내의 분리된 액체, 특히 물(H2O)이 방출되고, 이러한 방법은
    배출 밸브(8)를 통해 유체 탱크(2)가 적어도 부분적으로 비워지는 단계;
    애노드 가스 회로로부터 가스가 적어도 부분적으로 배출되고, 순수 가스(H2)가 애노드 회로 내에 도입되는 단계;를 포함하는, 방법에 있어서,
    애노드 가스 회로로부터의 가스의 배출 및/또는 동일한 배출 밸브(8)를 통한 유체 탱크로부터의 액체의 배출이 실행되고, 배출 밸브(8)는 유체 탱크(2)의 상부 측면(2.2)의 위쪽에 그리고/또는 상부 영역(3.1)에 배열되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 가스는 비움 단계에서 존재하는 액체를 제1 부분 단계에서 자신보다 앞서 배출 밸브를 통과하도록 가압하고, 제2 부분 단계에서, 방출될 가스의 비율은 배출 밸브를 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치가 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 챔버(3)의 하부 영역(3.1) 내의 과도한 압력 상승 및/또는 결빙의 경우, 내부 챔버(3)의 상부 영역 내의 비상 밸브(14)가 개방되고, 존재하는 유체가 내부 챔버(3)로부터 상승 라인 및 배출 밸브(8)를 통해 방출되고, 특히 중앙 유출 라인 내로 안내되는 비상 배출 단계가 제공되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 바이패스 라인(12)은 상승 라인 내의 내부 압력 또는 체적 유량의 적어도 하나의 한계값의 초과 시에 폐쇄되고, 특히 수동식 체크 밸브 및/또는 초과압 밸브를 통해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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