KR20230162560A - 연료 전지 배기 시스템 - Google Patents

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KR20230162560A
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요헨 함머
마르쿠스 비르글러
페터 빙크
파트리크 샬러
안드레아스 바커
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푸렘 게엠베하
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Abstract

특히 차량의 연료 전지 시스템용 특히 연료 전지 배기 시스템은 연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인(12)과 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 콘덴서 유닛 바디(9)를 가진 콘덴서 유닛(31)을 포함한다.

Description

연료 전지 배기 시스템{FUEL-CELL EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 연료 전지에서 방출되는 처리 가스를 연료 전지 배기가스로서 주변으로 방출할 수 있는 연료 전지 배기 시스템에 관한 것이다.
특히 전기 모터 작동식 차량의 경우 주행 전기 모터 및 이러한 차량의 기타 전기 에너지 소비 장치의 작동을 위한 에너지를 제공할 수 있도록 하기 위해, 연료 전지를 사용하는 것이 공개되어 있다. 이러한 유형의 연료 전지의 작동 중에 수소 또는 수소가 고농축된 애노드 가스가 애노드 영역에 공급된다. 캐소드 영역에는 산소 또는 산소 함유 공기가 캐노드 가스로서 공급된다. 전기는 수소와 산소를 물로 변환하는 중에 생성된다. 수소가 고갈된 애노드 배기가스 및 물이 풍부한 캐소드 배기가스는 연료 전지 배기가스 또는 처리 가스로서 연료 전지를 떠난다. 연료 전지 작동 중에 적어도 캐소드 배기가스는 주변으로 방출된다. 예를 들어 연료 전지 작동의 시작 전에 특히 애노드 영역을 플러싱할 때와 같은 다양한 작동 단계에서, 애노드 배기가스 또는 이러한 작동 단계에서 애노드 영역을 통해 안내되는 가스도 주변으로 방출될 수 있다.
본 발명의 과제는 연료 전지 배기가스기에 포함된 액체, 특히 물을 효율적으로 연료 전지 배기가스로부터 추출할 수 있는, 특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 과제는 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인과 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 콘덴서 유닛 바디를 가진 콘덴서 유닛을 포함하는 특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템에 의해 해결된다.
콘덴서 유닛에 의해 연료 전지 배기가스로부터 액체가 응축된다. 이로써 특히 수증기가 농축된 연료 전지 배기가스가 주변으로 방출되는 것이 저지되어, 특히 연료 전지 배기 시스템의 테일 파이프의 영역에 미스트의 형성이 방지될 수 있다. 연료 전지 배기가스에서 제거된 액체는 필요 시 다시 연료 전지 공정으로 재공급될 수 있다. 특히 자동 주행용 차량에서 센서를 세척하기 위해, 공조 시스템에서 가습 등을 위해, 예를 들어 윈도우 와이퍼 액으로서 응축된 액체의 사용도 가능하다.
콘덴서 유닛의 하류에 액체 분리 유닛이 배치될 수 있다. 액체 분리 유닛의 상류에 콘덴서 유닛을 배치함으로써, 응축된 액체, 즉 액적이 더 하류에 배치된 액체 분리 유닛에서 효율적으로 연료 전지 배기가스로부터 분리될 수 있고, 필요한 경우 예를 들어 차량에서 다양한 공정에 재사용될 수 있거나 액체 형태로 주변으로 방출될 수 있다.
연료 전지 배기가스로부터 액체의 특히 효율적인 분리를 위해, 콘덴서 유닛 바디는 실질적으로 전체적으로 금속 재료로 구성되고 및/또는 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있으며 외부면에서 냉각 매체가 관류할 수 있는 적어도 하나의 콘덴서 유닛 라인 부재를 포함하고, 상기 부재는 외부면에 바람직하게 편평한 유동 횡단면을 갖는다.
콘덴서 유닛과 냉각 매체의 열적 상호 작용을 위한 최대 가능한 표면을 얻기 위해, 콘덴서 유닛 바디는 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 서로 평행한 다수의 콘덴서 유닛 라인 부재를 포함할 수 있다.
이 경우, 열 방출의 보강을 위해 적어도 하나의, 바람직하게는 각각의 콘덴서 유닛 라인 부재의 외부면에 다수의 열전달 리브가 제공될 수 있다.
연료 전지 배기가스 라인에 콘덴서 유닛을 통합하기 위해, 콘덴서 유닛은 연료 전지 배기가스 라인에 콘덴서 유닛의 접속을 위해 콘덴서 유닛 바디와 연결된 상류 콘덴서 유닛 접속 부재를 포함하고, 및/또는 콘덴서 유닛은 연료 전지 배기가스 라인에 콘덴서 유닛의 접속을 위해 콘덴서 유닛 바디와 연결된 하류 콘덴서 유닛 접속 부재를 포함하는 것이 제안된다.
제조 비용이 저렴하고 특히 내식성의 경량 구조를 위해 상류 콘덴서 유닛 접속 부재는 플라스틱 재료로 구성될 수 있고 및/또는 하류 콘덴서 유닛 접속 부재는 플라스틱 재료로 구성될 수 있다.
연료 전지 배기가스 라인은 액체 분리 유닛으로 이어지는 상류 라인 섹션 및 액체 분리 유닛으로부터 멀어지는 하류 라인 섹션을 포함할 수 있다. 콘덴서 유닛은 이 경우 상류 라인 섹션 내에 배치될 수 있다.
콘덴서 유닛 하류로 연료 전지 배기가스 흐름에서 액체를 방출하기 위해 액체 분리 유닛은 상류 분리 라인부, 하류 분리 라인부 및 상류 분리 라인부에 대한 하류 분리 라인부의 인접 영역에 개구 영역을 포함할 수 있다.
또한 액체 분리 유닛의 영역에서도 연료 전지 배기가스에 대한 정의된 유동 상태를 보장하기 위해, 하류 분리 라인부의 상류 단부 섹션은, 하류 분리 라인부의 상류 단부 섹션과 상류 분리 라인부의 하류 단부 섹션 사이에 개구 영역의 액체 분리 개구가 형성되는 방식으로, 상류 분리 라인부의 하류 단부 섹션에 맞물리도록 위치 설정되는 것이 제안된다.
개구 영역은 액체 수집 챔버를 향해 개방되어 있을 수 있으며, 상기 챔버를 통해 내부에 수집된 액체가 주변으로 방출될 수 있거나 필요한 경우 연료 전지 공정으로 재공급될 수 있다.
개구 영역의 상류에 선회 흐름 생성 유닛이 제공될 수 있다. 연료 전지 배기가스 흐름에 선회 흐름의 생성은 응축된 액체에 작용하는 원심력을 생성하며, 이러한 원심력은 방사 방향 외측으로 액체에 작용하여 개구 영역에서 주로 방사 방향 외측으로 이송되는 액체 또는 이러한 액체가 많이 농축된 연료 전지 배기가스 흐름의 부분이 제거되도록 한다.
선회 흐름 생성 유닛은 유동 중심축에 대해 원주 방향으로 연속하는, 배기가스 메인 유동 방향에 대해 설정된 다수의 유동 편향 부재를 포함할 수 있다. 초경량 구조를 제공하기 위해 선회 흐름 생성 유닛도 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성될 수 있다.
연료 전지 영역에 생기는 소음을 감쇄하기 위해, 다음을 포함하는 소음기 유닛이 제공될 수 있다.
- 연료 전지 배기가스 유입 영역과 연료 전지 배기가스 배출 영역이 있는 소음기 하우징, 이 경우 연료 전지 배기가스 유입 영역에 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션이 접속되고, 연료 전지 배기가스 배출 영역에 연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션이 접속되며,
- 소음기 하우징 내에 형성된 적어도 하나의 소음기 챔버,
상기 적어도 하나의 소음기는 소음기 하우징의 하우징 베이스에 의해 액체 수집 챔버로부터 분리되고, 액체 교환을 위해 액체 수집 챔버에 적어도 하나의 소음기 챔버를 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구가 상기 하우징 베이스에 제공되고, 소음기 하우징에는 적어도 하나의 액체 수집 챔버로부터 액체를 배출하기 위한 적어도 하나의 액체 배출 개구가 제공된다.
소음기 유닛도 경량의, 저렴하게 구현될 수 있는 내부식성 구조를 얻기 위해 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성될 수 있다.
마찬가지로, 연료 전지 배기가스 라인 및/또는 액체 분리 유닛은 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성될 수 있다.
이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 연료 전지 배기 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 상세부 II의 확대도.
도 3은 상세부 II에 도시된 콘덴서 유닛의 종단면도.
도 4는 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 소음기 유닛의 종단면도.
도 1은 전기 에너지를 생성하기 위해 차량에서 사용되는 연료 전지 시스템과 관련하여 제공될 수 있는 연료 전지 배기 시스템(10)을 도시한다.
연료 전지 배기 시스템(10)은 연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있는 공통적으로 12로 표시된 연료 전지 배기가스 라인(12)과 연료 전지 배기가스 라인(12)에 통합된 소음기 유닛(14)을 포함한다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 소음기 하우징(20)의 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)에서 소음기 유닛(14)에 접속된다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)은 소음기 하우징(20)의 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)에서 소음기 유닛(14)에 접속된다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 하나 이상의 연료 전지로부터 방출되는 연료 전지 배기가스(B)는 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)을 통해 주변으로 방출될 수 있다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)의 상류 단부 영역(26)은, 하나 이상의 연료 전지 또는 연료 전지 스택의, 처리 가스로서 연료 전지 배기가스를 방출하는 다양한 시스템 영역에 접속되도록 설계된다. 예를 들어, 연료 전지 배기가스(B)로서 애노드 영역을 떠나는 처리 가스 및/또는 캐소드 영역을 떠나는 처리 가스를 규정된 방식으로 연료 전지 배기 시스템(10) 내로 도입하기 위해, 상류 단부 영역에 상기 또는 각각의 연료 전지의 애노드 영역 및/또는 캐소드 영역이 접속될 수 있다. 또한, 예를 들어 주변으로 개방된 라인 영역을 통해 주변 공기가 연료 전지 배기 시스템(10) 내로 도입될 수 있다.
연료 전지 배기 시스템(10)에서 생성된 배압이나 거기에 도입된 가스 흐름을 설정하기 위해, 가스 흐름 조절 밸브(28)가 예를 들어 연료 전지 배기 시스템(12)의 상류 라인 섹션(16)의 상류 단부 영역(26) 근처에 배치될 수 있다. 하류 라인 섹션(24)을 통해 유동하는 연료 전지 배기가스 흐름의 수소 농도에 관한 정보를 제공하기 위해, 하류 라인 섹션(24) 내에 수소 센서(30)가 제공될 수 있다. 상기 배기가스 흐름은 특히, 연료 전지 작동의 시작 시 또는 시작 전에 애노드 영역이 플러싱되고 애노드 영역에서 배출된 처리 가스가 연료 전지 배기 시스템(10)을 통해 주변으로 방출될 때, 수소를 포함할 수 있다. 수소 센서(30)에 의해 생성된 신호가 너무 높은 수소 농도를 나타내면, 연료 전지 배기 시스템(10)을 통해 안내되는 연료 전지 배기가스(B)에 예를 들어 가스 흐름 조절 밸브(28)의 적절한 제어에 의해 공기 함량 또는 증가한 공기 함량이 전술한 라인 영역을 통해 혼합되어, 더 낮은 수소 농도가 달성될 수 있다.
소음기 유닛(14)의 상류에는 공통적으로 31로 표시된 콘덴서 유닛이 제공될 수 있고, 상기 콘덴서 유닛은 연료 전지 배기가스(B)에서 운반되는 액체 또는 증기, 일반적으로 수증기의 응축을 지원한다. 소음기 유닛(14)에서, 후술되는 바와 같이, 연료 전지 배기가스(B)로부터 이러한 응축된 액체가 제거되고, 수집되어 연료 전지 공정에 재공급될 수 있다.
도 4를 참조하여 소음기 유닛(14)의 구조 및 기능이 하기에 상세히 설명된다.
소음기 하우징(20)은 소음기 하우징 종축(L)의 방향으로 연장되고, 상류 단부 영역(32)은 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)의 접속을 위해 형성된다. 소음기 하우징(20)은 하류 단부 영역(34)은 연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션(24)의 접속을 위해 형성된다. 예를 들어, 라인 섹션(16, 24)은 파이프 클램프 등을 사용하여 소음기 하우징(20)의 해당 접속용 파이프에 연결될 수 있다.
2개의 소음기 챔버(36, 38) 및 액체 분리 챔버(40)가 소음기 하우징(20) 내부에 형성된다. 상류 소음기 챔버(36)는 분리벽(42)에 의해 액체 분리 챔버(40)로부터 분리되고, 하류 소음기 챔버(38)는 분리벽(44)에 의해 상류 소음기 챔버(36)로부터 분리된다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)은 하류 소음기 챔버(38)를 향해 개방되어 있다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 공통적으로 45로 표시된 액체 분리 유닛의, 액체 분리 챔버(40) 내에 배치된 분리 라인 섹션(46)을 통해 2개의 소음기 챔버(36, 38)를 향해 개방되어 있다.
액체 분리 유닛(45)의 분리 라인 섹션(46)은 소음기 하우징(20)의 상류 단부 영역(32)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)에 접속되는 파이프형 상류 분리 라인부(48) 및 분리벽(42)에 접속하거나 상기 분리벽을 관통하는 하류 분리 라인부(50)를 포함한다. 분리 라인 섹션(46)의 하류 분리 라인부(50)는 소음기 하우징(12)의 내부에서 연장되는 하나의 부분 또는 다수의 부분으로 형성된 연료 전지 배기가스 파이프(52)에 접속하거나 이와 일체형으로 형성될 수 있다. 연료 전지 배기가스 파이프(52)의 파이프 벽(54)에 형성된 다수의 개구(56)를 통해 상기 배기가스 파이프는 상류 소음기 챔버(36)를 향해 개방되어 있다. 파이프 벽(54)에 형성된 다수의 개구(56)를 통해 연료 전지 배기가스 파이프(52)는 하류 소음기 챔버(38)를 향해 개방되어 있다. 연료 전지 배기가스 파이프(52)는 2개의 소음기 챔버(36, 38)를 서로 분리하는 분리벽(44)을 통해 연장되거나 적어도 부분적으로 상기 벽과 일체형으로 형성될 수 있으며, 소음기 하우징(20)의 하류 단부 영역(34)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)에 접속된다.
이 구조에서, 소음기 유닛(14)을 통해 안내된 연료 전지 배기가스(B)는 실질적으로 유동 편향 없이 소음기 하우징 종축(L)을 따라 직선으로 소음기 하우징(20)을 관류할 수 있으므로, 소음기 유닛(14)에 의해 큰 유동 저항이 생성되지 않는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 다양한 소음기 챔버(36, 38)와의 연결에 의해 반사 및 흡수를 통해 소음을 감쇄하는 가능성이 주어진다. 이를 위해, 예를 들어 소음기 챔버(36, 38) 중 하나 또는 2개의 소음기 챔버 모두에 추가 흡음 재료, 예를 들어 다공성 섬유류 또는 발포 재료가 배치될 수 있다. 2개 이상의 연속하는 소음기 챔버도 제공될 수 있거나 이와 같은 단일 소음기 챔버만이 소음기 하우징(20)의 내부 공간에 제공될 수 있음이 참조되어야 한다. 또한, 소음기 챔버 중 적어도 하나는 헬름홀츠 공진기의 공진기 챔버로서 작용할 수 있으며, 다양한 소음기 챔버들은 추가의 연료 전지 배기가스 파이프를 통해 서로 연결될 수 있다.
상류 분리 라인부(48)는 유동 중심축(S)을 따라 배기가스 메인 유동 방향(H)의 방향으로 예를 들어 실질적으로 원추형으로 확장되어 형성된 하류 단부 섹션(60)을 갖는다. 마찬가지로, 하류 분리 라인부는 상류 단부 섹션(62)을 갖고, 상기 단부 섹션은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 이 영역에서 예를 들어 원추형으로 확장되어 형성되며 상류 분리 라인부(48)의 하류 단부 섹션(60)에 맞물리도록 위치 설정된다. 분리 라인 섹션(46)의 개구 영역(64)에는 유동 중심축(S)을 따라 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 방사 방향으로 확장되는 단부 섹션들(60, 62) 사이에 실질적으로 링형의 액체 분리 개구(66)가 형성된다.
개구 영역(64)의 상류로는 선회 흐름 생성 유닛(68)이, 예를 들어 소음기 하우징(20)의 상류 단부벽을 제공하는 하우징 커버와 일체로 형성된 상류 분리 라인부(48) 내에 또는 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16) 내에 배치된다. 상기 선회 흐름 생성 유닛은 유동 중심축(S)을 중심으로 원주 방향으로 연속하는 그리고 배기가스 메인 유동 방향(H)에 대해 설정된, 실질적으로 방사 방향으로 연장되는 다수의 유동 편향 부재(69)를 포함할 수 있다. 선회 흐름 생성 유닛(68)에 의해 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 안내되는 연료 전지 배기가스(B) 내에 선회 흐름이 생성된다. 이 선회 흐름과 거기에 생기는 원심력으로 인해 연료 전지 배기가스(B)에서 운반되는 액체 함량, 예를 들어 물 액적 등이 방사 방향 외측으로 공급되어 연료 전지 배기가스 흐름의 방사 방향 외부 영역에서 더 높은 농도로 수집된다. 연료 전지 배기가스 흐름의 이러한 방사 방향 외부 부분은 적어도 부분적으로 액체 분리 개구(66)를 통해 액체 분리 챔버(40) 내로 배출될 수 있어서, 연료 전지 배기가스 흐름으로부터 추출된 액체는 액체 분리 챔버(40)에서 수집될 수 있다.
차량에 장착된 연료 전지 배기 시스템(10)의 경우 수직 방향(V)으로 소음기 하우징(20)의 하부 영역에 액체 수집 챔버(70)가 형성된다. 이것은 바람직하게는 소음기 하우징(20)의 전체 길이를 따라 상기 하우징의 상류 단부 영역(32)으로부터 하류 단부 영역(34)으로 연장되고, 하우징 베이스(72)에 의해 2개의 소음기 챔버(36, 38) 및 액체 분리 챔버(40)로부터 분리된다. 이러한 각각의 챔버와 관련하여 각각 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76 또는 78)가 하우징 베이스(72)에 형성된다. 각각의 소음기 챔버(36, 38) 또는 액체 분리 챔버(40)에 수집되는 액체는 관련 액체 통과 개구(74, 76, 78)를 통해 액체 수집 챔버(40) 내에 도달하여 거기에 수집될 수 있다.
액체 수집 챔버(70)와 관련하여, 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)에는 액체 방출 밸브(82)가 제공된다. 도 4에서 알 수 있듯이, 차량 내에 설치된 연료 전지 배기 시스템의 경우 소음기 하우징(20)은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 아래로 기울어져 있어서, 액체 배출 개구(80)가 위치 설정된 액체 챔버(70)의 영역은 실질적으로 액체 수집 챔버(70)의 수직 방향(V)으로 가장 낮은 영역을 형성한다. 이는, 액체 수집 챔버(70)에 포함된 액체가 기본적으로 액체 배출 개구(80) 또는 액체 방출 밸브(82)의 영역에서 수집되어, 액체 방출 밸브(82)가 개방되면, 액체는 중력 작용 하에 액체 수집 챔버(70) 밖으로 유출되고 예를 들어 연료 전지 공정으로 재공급되거나 주변으로 방출될 수 있는 것을 의미한다.
액체 수집 챔버(70)와 관련하여, 도 4에 기본적으로 도시된 액체 레벨 센서(84)가 제공될 수 있고, 상기 센서의 출력 신호는 액체 수집 챔버(70)에 수집된 액체의 양을 나타낸다. 이 양이 액체, 즉 물이 연료 전지 작동 중에 또는 차량의 다른 시스템에서 이용될 수 있을 정도로 충분히 큰 경우, 액체 방출 밸브(82)가 개방될 수 있다. 임계 레벨이 초과되고 하류 소음기 챔버(38)의 적어도 가장 낮은 영역으로부터 액체가 더 이상 액체 수집 챔버(70)로 유출될 수 없는 위험이 있는 경우에도, 액체 수집 챔버(70)로부터 액체를 방출하기 위해, 액체 방출 밸브(82)가 개방될 수 있다.
또한, 도 4에 기본적으로 도시된 가열 유닛(86)이 액체 수집 챔버(70)에 할당될 수 있다. 이것은 전기적 여기에 의해 액체 수집 챔버(70)에 수집된 액체를 가열할 수 있고 따라서 이러한 액체의 동결을 저지하고 또는 이미 동결된 액체를 다시 녹일 수 있다. 이는, 액체가 언제든지, 특히 비교적 낮은 주변 온도에서도 액체 수집 챔버(70)로부터 방출될 수 있고, 예를 들어 연료 전지 작동 중에 다시 이용될 수 있는 것을 보장한다.
또한, 액체 수집 챔버(70)와 관련하여, 수소 방출 노즐(88)에 의해 제공되는 적어도 하나의 수소 방출 개구(89)가 제공될 수 있다. 이러한 수소 방출 개구(89)는, 수직 방향(V)으로 액체 수집 챔버(70)의 가장 높은 영역보다 높게 위치 설정될 수 있다. 따라서 연료 전지 작동 중에 또는 애노드 영역을 플러싱할 때, 연료 전지 배기 시스템(10)에 도입된 수소는, 이것이 액체 통과 개구(74, 76, 78)를 통해 액체 수집 챔버(70) 내에 도달하면, 액체 수집 챔버(70)가 수소 방출 개구(89)를 통해 주변을 향해 개방된 액체 수집 챔버(70)의 최상부 영역에서 수집될 수 있다. 따라서 액체 수집 챔버(70) 내에 도달한 수소는, 액체 수집 챔버(70) 내에 임계 수소 농도가 형성될 위험 없이, 실질적으로 영구적으로 주변으로 방출될 수 있다.
콘덴서 유닛(31)은 도 3의 종단면도에 도시된 콘덴서 유닛 바디(90)를 포함하며, 상기 바디는 바람직하게는 실질적으로 전체적으로 금속 재료로 구성된다. 도시된 실시예에서 콘덴서 유닛 바디(90)는 나란히 배치된 3개의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)를 가지며, 상기 부재들은 각각 연료 전지 배기가스(B)를 위한 유동 채널(K)을 제공하고 서로 평행하게 연료 전지 배기가스(B)에 의해 관류될 수 있다. 3개의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)는 그 내부 체적에 이를 관류하는 연료 전지 배기가스(B)를 위한, 예를 들어 대략 직사각형 또는 편평한 원형 단면 형상을 갖는 편평한 유동 횡단면을 제공한다. 그 결과, 유동 단면적을 기준으로, 비교적 큰 표면이 열 전달을 위해 제공된다. 예를 들어, 콘덴서 유닛 바디(90)에 3개 이상의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)도 제공될 수 있음이 참조되어야 한다.
콘덴서 유닛 바디(90)를 관류하는 매체(M), 예를 들어 공기로의 열 전달에 이용 가능한 표면은, 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)의 외부면에 열 전달 리브(98)가 제공됨으로써 더 확장될 수 있고, 상기 열 전달 리브는 바람직하게는 콘덴서 유닛 바디(90)를 관류하는 매체(M)의 유동 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배향되어, 가능한 한 신속한 관류 및 효율적인 열 발산이 보장될 수 있다. 예를 들어, 열 전달 리브(98)는 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)의 편평한 외부면에 제공된, 예를 들어 웨이브형으로 설계된 리브 부재(91, 93, 97, 99)에 의해 제공될 수 있고, 상기 리브 부재는 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96) 중 적어도 하나와 열전달 접촉한다. 대안으로서 열 전달 리브(98)는 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)의 구성 재료의 형상부에 의해 형성될 수 있고, 상기 라인 부재들은 내부면, 즉 연료 전지 배기가스(B)에 의해 과류되는 표면에도 형성되어, 거기에도 열 전달을 위한 확장된 표면이 제공될 수 있다.
냉각에 이용되는 매체(M)로서 공기, 즉 주변 공기가 사용되는 경우, 연료 전지 배기 시스템(10)은, 기류에 의해 운반되는 공기가 콘덴서 유닛(31)을 효율적으로 관류할 수 있도록, 냉각기의 경우와 유사하게 차량 내에 설치된다.
콘덴서 유닛 바디가 공기에 의해 관류되는 것에 대한 대안으로서, 예를 들어 액체에 의해서도 관류될 수 있어서, 이 액체에서 열이 흡수될 수 있고 이러한 열은 예를 들어 추가 열 교환기에서 차량 실내에 도입될 공기로 전달될 수 있음이 참조된다.
콘덴서 유닛(31)을 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)에 통합하기 위해, 콘덴서 유닛(31)은 상류 콘덴서 유닛 접속 부재(100) 및 하류 콘덴서 유닛 접속 부재(102)를 갖는다. 이들은 각각의 플레이트형 연결 영역(104 및 106)에 의해, 예를 들어 나사 결합에 의해 콘덴서 유닛 바디(90)의 각각의 플레이트형 연결 영역(108, 110)에 기밀 방식 및 액밀 방식으로 연결될 수 있다.
가능한 한 효율적인 열 전달을 위해 콘덴서 유닛 바디(90)는 금속 재료, 예를 들어 특수강 또는 구리로 제조되는 한편, 연료 전지 배기 시스템의 실질적으로 다른 모든 기능 영역은 저렴하고 가벼운 플라스틱 재료로 구성될 수 있다. 이는 특히 라인 섹션(16, 24), 소음기 하우징(20) 또는 그것의 내부에 배치된 시스템 영역들, 예를 들어 분리벽(42, 44), 액체 분리 유닛(45)의 모든 기능부 및 선회 흐름 생성 유닛(68)과 관련된다. 이러한 구성요소에 플라스틱 재료의 사용은 경량 구조로 이어지고, 이러한 구조는 또한 저렴하게 자유로운 디자인으로 제조될 수 있다. 연료 전지 배기가스(B)가 비교적 높은 비율의 액체, 특히 물을 포함하는 상황으로 인해, 연료 전지 배기 시스템(10)의 영역에서의 부식 문제가 실질적으로 완전히 배제된다.
본 발명에 따른 연료 전지 배기 시스템은 그것의 작동 또는 차량에서 연료 전지 시스템의 작동을 위해 바람직한 또는 관련 기능을 결합한다. 한편으로 소음기 유닛의 소음 감쇄 기능에 의해, 예를 들어 처리 가스를 연료 전지를 통해 안내하는 압축기에 의해 생기는 연료 전지 배기가스의 유동 경로 상의 소음이 줄어들거나 거의 완전히 제거되는 것이 제공된다. 다른 한편으로, 연료 전지 배기가스에 포함된 액체의 일부, 즉 특히 물을 연료 전지 배기가스로부터 추출할 수 있으므로, 액체의 추출된 부분은 연료 전지 배기가스와 함께 액체 증기로서 주변으로 배출되는 것이 아니라, 액체 형태로 주변으로 방출될 수 있고 또는 필요 시 연료 전지 시스템의 작업 주기로 또는 다른 시스템으로 재공급될 수 있다. 특히 소음기 유닛의 영역에서 임계적 수소 농도의 발생은 수소를 주변으로 방출하는 영구적인 가능성에 의해 방지된다. 특히 연료 전지 배기가스가 소음기 유닛을 실질적으로 직선으로 관류할 수 있는 것도 이러한 기능에 기여한다. 특히 소음기 유닛 내부에서 연료 전지 배기가스를 안내하는 파이프 섹션의 심한 각도 오프셋 및 이로 인해 도입되는 유동 편향이 방지된다. 물 또는 수증기 및 수소는 연료 전지 시스템의 작동 중에 연료 전지 배기가스에서 배출되고, 필요한 경우, 예를 들어 연료 전지 공정으로 재공급될 수 있기 때문에, 차량의 주변에 이러한 물질의 과도한 공급이 최대한 방지된다.
이러한 연료 전지 배기 시스템은 고정식 연료 전지 시스템 또는 예를 들어 선박 등에 제공되는 연료 전지 시스템에도 적용될 수 있음이 참조되어야 한다.

Claims (16)

  1. 특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템으로서,
    연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인(12); 및
    연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있는 콘덴서 유닛 바디(90)를 가진 콘덴서 유닛(31);을 포함하는 연료 전지 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서 유닛(31)의 하류에 액체 분리 유닛(45)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 콘덴서 유닛 바디(90)는 실질적으로 전체적으로 금속 재료로 구성되고, 그리고/또는 상기 콘덴서 유닛 바디(90)를 통하여 상기 연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있으며, 상기 콘덴서 유닛 바디(90)의 외부면에는 냉각 매체(M)가 관류할 수 있고 바람직하게는 편평한 유동 횡단면을 갖는 적어도 하나의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)가 구비되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 콘덴서 유닛 바디(90)는 연료 전지 배기가스(B)가 관류할 수 있는 서로 평행한 다수의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    적어도 하나의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96), 바람직하게는 각각의 콘덴서 유닛 라인 부재(92, 94, 96)의 외부면에 다수의 열 전달 리브(98)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘덴서 유닛(31)은 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)에 대한 상기 콘덴서 유닛(31)의 접속을 위해 상기 콘덴서 유닛 바디(90)와 연결된 상류 콘덴서 유닛 접속 부재(100)를 포함하고, 그리고/또는
    상기 콘덴서 유닛(31)은 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)에 대한 상기 콘덴서 유닛(31)의 접속을 위해 상기 콘덴서 유닛 바디(90)와 연결된 하류 콘덴서 유닛 접속 부재(102)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상류 콘덴서 유닛 접속 부재(100)는 플라스틱 재료로 구성되고, 그리고/또는 상기 하류 콘덴서 유닛 접속 부재(102)는 플라스틱 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항이 제2항을 인용하는 경우에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 라인(12)은 상기 액체 분리 유닛(45)으로 이어지는 상류 라인 섹션(16) 및 상기 액체 분리 유닛(45)으로부터 멀어지는 하류 라인 섹션(24)을 포함하고, 상기 콘덴서 유닛(31)은 상기 상류 라인 섹션(16) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  9. 제2항에 있어서, 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항이 제2항을 인용하는 경우에 있어서,
    상기 액체 분리 유닛(45)은 상류 분리 라인부(48), 하류 분리 라인부(50), 및 상기 상류 분리 라인부(48)에 대한 상기 하류 분리 라인부(50)의 인접 영역에 있는 개구 영역(64)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하류 분리 라인부(50)의 상류 단부 섹션(62)은, 하류 분리 라인부(50)의 상기 상류 단부 섹션(62)과 상기 상류 분리 라인부(48)의 하류 단부 섹션(60) 사이에 상기 개구 영역(64)의 액체 분리 개구(66)가 형성되는 방식으로, 상기 상류 분리 라인부(48)의 상기 하류 단부 섹션(60)에 맞물리도록 위치 설정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 개구 영역(64)은 액체 수집 챔버(70)를 향해 개방되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구 영역(64)의 상류에 선회 흐름 생성 유닛(68)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 선회 흐름 생성 유닛(68)은, 배기가스 메인 유동 방향에 대해 배치되고 유동 중심축(S)에 대해 원주 방향으로 연속되게 배치되는 다수의 유동 편향 부재(69)를 포함하고, 그리고/또는 상기 선회 흐름 생성 유닛(68)은 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  14. 제8항에 있어서 그리고 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기 시스템은 소음기 유닛(14)을 더 포함하고,
    상기 소음기 유닛(14)은:
    - 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)과 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)이 구비된 소음기 하우징(20)으로서, 상기 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)에 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상기 상류 라인 섹션(16)이 접속되고, 상기 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)에 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상기 하류 라인 섹션(24)이 접속되는, 소음기 하우징(20); 및
    - 소음기 하우징(30) 내에 형성된 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38);를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 소음기(36, 38)는 상기 소음기 하우징(20)의 하우징 베이스(72)에 의해 상기 액체 수집 챔버(70)로부터 분리되고, 액체 교환을 위해 상기 액체 수집 챔버(70)에 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)를 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76)가 상기 하우징 베이스(72)에 제공되고, 상기 소음기 하우징(20)에는 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 액체를 배출하기 위한 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소음기 유닛(14)은 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 라인(12)은 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성되고, 그리고/또는 상기 액체 분리 유닛(45)은 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
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