KR20240022423A - 연료 전지 배기가스 장치 - Google Patents

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Abstract

특히 차량용 연료 전지 배기가스 장치는, 연료 전지 배기가스로부터 열을 방출하기 위한 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30), 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 제1 분리 유닛(34) 및 제1 분리 유닛의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스를 가열하기 위한 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)을 포함한다.

Description

연료 전지 배기가스 장치{Fuel cell exhaust system}
본 발명은, 예를 들어 차량에서 전기 에너지를 생성하기 위해 작동되는 연료 전지에 의해 방출되는 연료 전지 배기가스를 주변으로 유출할 수 있는 연료 전지 배기가스 장치에 관한 것이다.
연료 전지에서 전기 에너지를 생성하기 위해서는 연료 전지의 애노드 영역에 수소 또는 수소를 포함하는 가스가 공급되고, 연료 전지의 캐소드 영역에 산소 또는 산소를 포함하는 가스, 예를 들어 공기가 공급된다. 연료 전지의 애노드 영역의 애노드 배기가스 배출구에서는 수소가 고갈된 가스가 연료 전지 배기가스로서 유출된다. 연료 전지의 캐소드 영역의 캐소드 배기가스 배출구에서는 산소가 고갈된 가스가 연료 전지 배기가스로서 유출된다. 연료 전지의 유형에 따라 주로 연료 전지의 캐소드 영역에서 유출되는 연료 전지 배기가스 또는 주로 연료 전지의 애노드 영역에서 유출되는 연료 전지 배기가스는 비교적 많은 비율의 물 또는 수증기를 포함한다. 수증기가 풍부하고 90 내지 100%의 상대 습도를 갖는 연료 전지 배기가스가 연료 전지 배기가스 장치를 통해 주변으로 유출되는 경우, 특히 주변 온도가 비교적 낮을 때 주변 공기와 접촉 시 연료 전지 배기가스의 온도가 급격하게 떨어짐으로써, 연료 전지 배기가스로부터 물이 응축되어 심한 연무 형성을 유발할 수 있는 위험이 있다. 이러한 연무 형성은 시각적인 외관으로 인해 불편하고 바람직하지 않은 것으로 감지될 수 있으며, 특히 주변 온도가 매우 낮을 때에는, 차량의 정지 상태에서 연료 전지 배기가스가 주변으로 배출되는 영역에 차량 아래 지면에 결빙이 발생하는 위험을 초래한다.
본 발명의 과제는, 주변으로 유출되는 연료 전지 배기가스에서 연무 형성을 실질적으로 방지할 수 있는, 특히 차량용 연료 전지 배기가스 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 다음을 포함하는, 특히 차량용 연료 전지 배기가스 장치에 의해 해결된다:
- 연료 전지 배기가스로부터 열을 방출하기 위한 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛,
- 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 제1 분리 유닛,
- 제1 분리 유닛의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스를 가열하기 위한 연료 전지 배기가스 가열 유닛.
본 발명에 따라 구성된 연료 전지 배기가스 장치에서, 먼저 연료 전지 배기가스를 냉각시켜 연료 전지 배기가스의 온도를 이슬점 이하로 낮춤으로써, 이러한 연료 전지 배기가스 내의 운반되는 물이나 수증기의 부분이 연료 전지 배기가스로부터 응축되고, 특히 응축물로서 제1 분리 유닛에서 포획되거나 수집될 수 있다. 연료 전지 배기가스 가열 유닛에서 물 또는 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스의 가열 중에 연료 전지 배기가스에 여전히 포함된 수증기의 양에는 변화가 생기지 않는다. 그러나 온도 증가로 인해 연료 전지 배기가스의 상대 습도는 현저히 감소한다. 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스가 상승한 온도로 주변으로 방출되면, 자연적인 응축 또는 연무 형성이 방지된다. 온도가 다시 크게 떨어지기 전에도, 연료 전지 배기가스는 주변 공기와 충분히 혼합될 수 있으므로, 이에 따라 희석이 발생하여 연료 전지 배기가스가 연료전지 배기가스 장치에서 빠져나가는 영역에 국부적으로 짙은 연무 형성이 방지될 수 있다.
연료 전지 배기가스의 효율적인 냉각을 위해 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛은 연료 전지 배기가스로부터 냉각 매체, 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제1 열 교환기를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스의 효율적인 가열을 위해 연료 전지 배기가스 가열 유닛은 가열 매체, 바람직하게는 가열 액체 또는 가열 가스로부터 연료 전지 배기가스로 열을 전달하기 위한 제2 열 교환기를 포함하고, 및/또는 적어도 하나의 전기적으로 여기 가능한 가열기를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템의 에너지 효율적인 작동을 위해 연료 전지 배기가스 내의 운반되는 열을 이용할 수 있도록 하기 위해, 제1 열 교환기와 제2 열 교환기를 관류하는 열 전달 매체는 냉각 매체 및 가열 매체를 제공하는 것이 제안된다. 따라서 이러한 열 전달 매체는 연료 전지 배기가스 장치의 더 상류 부분에서 흐르는 연료 전지 배기가스로부터 연료 전지 배기가스 장치의 더 하류 부분에서 흐르는 연료 전지 배기가스로 열을 전달할 수 있다.
마찬가지로 연료 전지 배기가스 내의 운반되는 열을 이용하는 대안적인 변형 실시예에서는, 제1 열 교환기 및 제2 열 교환기를 제공하는 열 교환기 유닛이 제공될 수 있으며, 상기 열 교환기 유닛은 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 상류 열 교환기 영역을 포함하고 상류 열 교환기 영역의 하류에는 상류 열 교환기 영역과 열 전달 상호 작용을 하는 하류 열 교환기 영역을 포함할 수 있다. 두 개의 열 교환기 영역의 열 전달 상호 작용으로 인해 액체 또는 기체 열 전달 매체가 필요하지 않은 직접적인 따라서 매우 효율적인 열 전달이 이루어진다
실질적으로 이러한 직접적인 열 전달에도 불구하고 연료 전지 배기가스의 냉각 후에 응축된 수분을 방출할 수 있도록 하기 위해, 제1 분리 유닛이 상류 열 교환기 영역의 하류에 및 하류 열 교환기 영역의 상류에 배치되는 것이 제안된다.
연료 전지 배기가스 장치의 상이한 시스템 영역들의 구조적인 통합 및 그에 따른 콤팩트한 구성을 위해, 상류 열 교환기 영역의 하류에 및/또는 상류 열 교환기 영역의 하류 단부에 그리고 하류 열 교환기 영역의 상류에 및/또는 하류 열 교환기 영역의 상류 단부에 연료 전지 배기가스로부터 열을 방출하기 위한 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛이 제공되는 것이 추가로 제안된다. 이러한 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛을 제공함으로써 상류 열 교환기 영역에서 이미 이루어지는 냉각에 추가하여, 하류 열 교환기 영역의 상류에서 연료 전지 배기가스가 추가로 냉각되어 물의 응축이 지원된다.
제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛은 연료 전지 배기가스로부터 냉각 매체, 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제3 열 교환기를 포함할 수 있다.
열 교환기 유닛은 열 교환기 유닛 하우징을 포함할 수 있으며, 상기 열 교환기 유닛 하우징 내에 상류 열 교환기 영역과 하류 열 교환기 영역이 제공된다. 또한, 제3 열 교환기는 실질적으로 열 교환기 유닛 하우징 내에 배치될 수 있고 및/또는 열 교환기 유닛 하우징의 외부면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
연료 전지 배기가스 장치의 상이한 부분들에서 흐르는 연료 전지 배기가스의 효율적인 열 전달을 위해, 열 교환기 유닛은 역류 열 교환기 또는 십자류 열 교환기를 포함할 수 있다.
연료 전지 배기가스를 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛으로 전달하기 위해 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛으로 안내되는 제1 연료 전지 배기가스 라인이 제공될 수 있다. 제1 연료 전지 배기가스 라인은, 물 또는 수증기가 주로 캐소드 배기가스에 포함되어 있는 경우, 캐소드 배기가스 라인일 수 있다.
제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛 앞에서 실질적으로 액적 형태로 운반되는 연료 전지 배기가스 내의 물을 미리 분리하기 위해, 연료 전지 배기가스에 실질적으로 액적 형태로 포함된 액체를 분리하기 위한 제2 분리 유닛이 제1 연료 전지 배기가스 라인에 할당될 수 있다.
연료 전지 배기가스 장치는 제2 연료 전지 배기가스 라인, 바람직하게는 애노드 배기가스 라인을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 연료 전지 배기가스 라인은 제1 연료 전지 배기가스 라인으로 합류하거나 또는 상기 연료 전지 배기가스 가열 유닛으로부터 멀어지는 연료 전지 배기가스 유출 라인으로 합류하며, 이는, 2개의 관련된 각 라인이 거기에 안내되는 연료 전지 배기가스 흐름들의 통합을 위해 함께 결합되는 것을 의미한다. 특히, 제2 연료 전지 배기가스 라인이 제1 연료 전지 배기가스 라인으로 합류하는 경우, 제2 연료 전지 배기가스 라인을 통해 전달되는 연료 전지 배기가스의 부분에 포함된 물 또는 수증기도 분리될 수 있다.
특히, 제2 연료 전지 배기가스 라인을 통해 안내되는 연료 전지 배기가스가 비교적 적은 비율의 물 또는 수증기를 포함하고 있는 경우, 제2 연료 전지 배기가스 라인은 제2 분리 유닛의 하류에서 제1 연료 전지 배기가스 라인으로 합류할 수 있다.
애노드 배기가스에 여전히 포함된 잔류 수소가 너무 높은 농도로 주변으로 방출되는 것을 방지하기 위해, 연료 전지에 의해 방출되는 연료 전지 배기가스에 포함된 수소를 산화시키기 위한 적어도 하나의 산화 유닛, 바람직하게는 촉매 유닛 및/또는 버너가 제공될 수 있다.
제2 연료 전지 배기가스 라인, 즉 특히 애노드 배기가스 라인이 실질적으로 직접 연료 전지 배기가스 유출 라인으로 안내되는 경우, 적어도 하나의 산화 유닛이 연료 전지 배기가스 유출 라인 라인과의 합류부 상류의 제2 연료 전지 배기가스 라인 내에 배치될 수 있다. 특히, 제2 연료 전지 배기가스 라인이 제1 연료 전지 배기가스 라인으로 합류하는 경우, 적어도 하나의 산화 유닛이 제1 연료 전지 배기가스 라인과의 제2 연료 전지 배기가스 라인의 합류부 하류의 제1 연료 전지 배기가스 라인 내에 배치될 수 있다.
압축기 등에 의해 발생하는 연료 전지 시스템의 소음이 연료 전지 배기가스 장치를 통해 방출되는 것을 가능한 한 피하기 위해, 연료 전지 배기가스 가열 유닛으로부터 멀어지는 연료 전지 배기가스 유출 라인 내에 배치된 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 흡음기가 제공될 수 있다.
적어도 하나의 연료 전지 배기가스 흡음기는 바람직하게는 연료 전지 배기가스 유출 라인과의 제2 연료 전지 배기가스 라인의 합류부의 하류에 배치되어, 제2 연료 전지 배기가스 라인을 관류하는 연료 전지 배기가스를 통한 소음의 전달도 억제될 수 있다.
본 발명은 또한 연료 전지 및 연료 전지에 할당되고 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 배기가스 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
이러한 연료 전지 시스템에서, 제1 연료 전지 배기가스 라인은 바람직하게는 캐소드 배기가스 차단 유닛을 통해 연료 전지의 캐소드 배기가스 배출구에 연결될 수 있고, 제2 연료 전지 배기가스 라인은 바람직하게는 애노드 배기가스 차단 유닛을 통해 연료 전지의 애노드 배기가스 배출구에 연결될 수 있다.
본 발명은 또한 연료 전지 시스템, 특히 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서 연료 전지로부터 유출된 연료 전지 배기가스는 냉각되어 물이 응축되고, 물의 응축 후에 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스는 가열된다.
이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 차량용 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 도면을 도시한 도면.
도 3은 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 4는 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 5는 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 6은 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 7은 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 8은 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 도 1에 대응하는 다른 도면을 도시한 도면.
도 1에 차량용 연료 전지 시스템은 전반적으로 10을 표시되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은 도시된 예에서 예를 들어 PEM 연료 전지로서 설계되며 애노드 영역(14)과 캐소드 영역(16)이 있는 연료 전지(12)를 포함한다. 애노드 영역(14)에 는 수소 또는 수소를 포함하는 가스(W)가 공급된다. 캐소드 영역(16)에는 산소 또는 산소를 포함하는 그리고 경우에 따라서는 수증기를 포함하는 가스(L), 예를 들어 공기가 공급된다.
연료 전지(12)의 캐소드 배기가스 배출구(18)에 캐소드 배기가스 차단 유닛(20), 예를 들어 밸브, 배기 스로틀 밸브 등을 통해 연료 전지 배기가스 장치(11)의 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)이 연결되며, 도시된 실시예에서 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)은 캐소드 배기가스 라인이다. 연료 전지의 애노드 배기가스 배출구(24)에 애노드 배기 차단 유닛(26)을 통해 연료 전지 배기가스 장치(11)의 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)이 연결되며, 도시된 실시예에서 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)은 애노드 배기가스 라인이다.
제1 연료 전지 배기가스 라인(22)은 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)으로 안내된다. 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)은 제1 열 교환기(32)를 포함할 수 있고, 상기 제1 열 교환기에서 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)을 관류하는 연료 전지 배기가스, 즉 캐소드 배기가스가 열을 액체 또는 기체 냉각 매체(K)로 전달함으로써 냉각된다. 이러한 냉각으로 인해 캐소드 배기가스에 포함된 물 또는 수증기의 부분은 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)에 후속하는 제1 분리 유닛(34)에서 응축되거나 여기에 수집되어 예를 들어 연료 전지 프로세스에 다시 공급되거나 액체 형태로 주변으로 방출될 수 있다.
하류에서 제1 분리 유닛(34)에 후속하는 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)에서는 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스 또는 캐소드 배기가스가 다시 가열된다. 이러한 가열은, 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)이 제2 열 교환기(38)로서 설계되는 경우, 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)을 관류하는 연료 전지 배기가스에 가열 매체(H)를 통해 열이 전달됨으로써 이루어질 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)은, 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스가 관류하고 그에 따라 상기 배기가스로 열을 전달하는 전기적으로 여기 가능한 가열기(39)를 포함할 수 있다.
수증기가 고갈되고 재가열된 연료 전지 배기가스는 연료 전지 배기가스 유출 라인(40)을 통해 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)을 벗어나고, 상기 연료 전지 배기가스 유출 라인을 통해 수증기가 고갈되고 재가열된 캐소드 배기가스 또는 연료 전지 배기가스가 주변으로 유출된다.
연료 전지 시스템(10)에서 예를 들어 압축기 등의 작동에 의해 발생하는 소음이 연료 전지 배기가스를 통해 주변으로 전달되지 않도록 하기 위해, 연료 전지 배기가스 유출 라인(40) 내에 연료 전지 배기가스 흡음기(42)가 제공될 수 있으며, 상기 흡음기는, 예를 들어 내연 기관에서 관련된 흡음기의 경우와 같이, 서로 연결되어 있는 그리고 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 하나 이상의 챔버 및/또는 하나 이상의 공진기 챔버를 포함할 수 있다.
애노드 배기가스 배출구(24)를 통해 연료 전지 배기가스로서 유출되는 애노드 배기가스는 일반적으로 여전히 잔류 수소 성분을 포함한다. 애노드 배기가스에 여전히 포함된 수소의 농도는 너무 높아서, 주변으로 유출이 허용되지 않는다. 따라서 산화 유닛의 구성예를 형성하는 촉매 유닛(44)은 제2 연료 전지 배기가스 라인(28) 내에 배치될 수 있으며, 상기 촉매 유닛에서 애노드 배기가스에 포함된 잔류 수소는 공급 라인(46)을 통해 공급되는 산소에 의해 산화된다. 공급 라인(46)을 통해 예를 들어 공기가 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)으로 도입될 수 있다.
도 1에 도시된 연료 전지 시스템(10)에서 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)을 통해 연료 전지(12)로부터 유출되는 연료 전지 배기가스의 부분, 즉 캐소드 배기가스로부터 냉각에 의해 먼저 여기에 포함된 수증기의 부분, 특히 더 많은 부분이 제거된다. 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스는 비교적 낮은 온도로 인해 100%에 가까울 정도로 높은 상대 습도를 갖는다. 수증기가 고갈되었지만, 그럼에도 불구하고 높은 상대 습도를 갖는 이러한 연료 전지 배기가스를 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)에서 가열함으로써 연료 전지 배기가스의 상대 습도가 감소하여, 연료 전지 배기가스 유출라인(40)을 통해 주변으로 유출되는 연료 전지 배기가스는 100%보다 훨씬 낮은 상대 습도를 갖는다. 주변으로 유출된 이러한 연료 전지 배기가스가 비교적 차가운 주변 공기 또는 차량 주변에 위치한 비교적 차가운 물체와 접촉하더라도, 주변으로 유출된 연료 전지 배기가스의 온도가 이슬점 이하로 떨어지기 전에도 주변 공기와 비교적 강하게 혼합되어 연료 전지 배기가스가 비교적 강하게 희석되기 때문에, 물의 응축로 인한 자연적인 연무 형성이 방지된다.
도 2에는 연료 전지 시스템(10)의 대안적인 실시예가 도시된다. 도 2의 연료 전지 시스템(10)은 도 1의 연료 전지 시스템과 달리 다양한 변경을 나타내며, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 개별적으로 제공되거나 조합하여 제공될 수도 있다.
도 2에서 먼저, 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)이 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)으로 합류하는 것을 알 수 있다. 이는, 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)을 통해 방출되는 연료 전지 배기가스, 즉 도시된 예에서 애노드 배기가스도 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30) 및 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)을 통해 전달되는 것을 의미한다. 이로써 애노드 배기가스에 포함된 물 또는 거기에 포함된 수증기도 제1 분리 유닛(34)에서 응축 또는 수집될 수 있다.
이 실시예에서도 애노드 배기가스에 포함된 잔류 수소를 산화시키기 위해, 촉매 유닛(44)은 제1 연료 전지 배기가스 라인(22) 내에 배치될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 촉매 유닛(44')은 연료 전지 배기가스 유출 라인(40) 내에 배치될 수 있다. 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)의 상류에 촉매 유닛(44)을 배치하는 것은, 촉매 유닛(44)을 통해 전달된 연료 전지 배기가스가 비교적 높은 온도를 갖고, 이는 촉매 유닛(44)의 효율적인 작동에 기여하는 주요 장점을 갖는다. 연료 전지 배기가스 유출 라인 내에 촉매 유닛(44')의 위치 설정의 장점은, 촉매 유닛(44')을 관류하는 연료 전지 배기가스가 포함하는 물 또는 수증기의 비율이 낮아지고, 이는 촉매 유닛(44)의 노후화를 줄이는 데 기여하는 것이다. 수소의 산화에 필요한 산소는 캐소드 배기가스에 포함된 잔류 산소에 의해 제공될 수 있으므로, 산소 또는 공기의 추가 도입이 필요하지 않다.
또한 도 2에서 추가로, 제2 분리 유닛(48)이 제1 연료 전지 배기가스 라인(22) 내에, 예를 들어 촉매 유닛(44)과 관련하여 상류에 배치되는 것을 볼 수 있다. 도시된 실시예에서 캐소드 배기가스와 함께 특히 액적 형태로 운반되는 물의 부분은 이미 제2 분리 유닛(48)에 의해 캐소드 배기가스로부터 배출될 수 있으므로, 이미 감소한 비율의 물 또는 수증기를 포함하는 연료 전지 배기가스가 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30) 및 제1 분리 유닛(34)의 상류에 위치 설정된 촉매 유닛(44)도 관류한다.
특히 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30) 및 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)의 영역이 변경된 연료 전지 시스템(10)의 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제1 열 교환기(32)로서 설계된 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)에서 상기 냉각 유닛을 관류하는 연료 전지 배기가스로부터 열 전달 매체(M)에 의해 열이 제거되며, 상기 열 전달 매체는 예를 들어 폐쇄된 회로에서 제2 열 교환기(38)로서 설계된 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)을 통해서도 전달된다. 이로써 연료 전지 배기가스 장치(11)에서 더 하류로 흐르는 연료 전지 배기가스는 연료 전지 배기가스 장치(11)에서 더 상류로 흐르는 연료 전지 배기가스에 의해 가열될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)에서 상기 가열 유닛을 관류하는 연료 전지 배기가스는 가열 매체(H) 및/또는 전기적으로 여기 가능한 가열기(39)에 의해 가열될 수 있다.
연료 전지 배기가스를 더 냉각시킬 수 있도록, 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)의 하류에 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)이 배치된다. 상기 냉각 유닛은 예를 들어 제3 열 교환기(52)를 포함할 수 있고, 상기 열 교환기에서 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)에서 이미 냉각된 연료 전지 배기가스는 냉각 매체(K)로 열을 전달할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 분리 유닛(34)에서 물이 응축되어, 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스가 하류에 뒤따르는 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)의 방향으로 흐른다.
특히, 효율적인 열 전달 및 간단한 구조적인 설계와 관련해서 바람직한 변형예가 도 4에 도시되고, 상기 변형예에서 더 하류에서 흐르는 연료 전지 배기가스의 부분을 가열하기 위해, 마찬가지로 연료 전지 배기가스에 포함된 열이 이용된다. 연료 전지 배기가스 장치(11)의 도 4에 도시된 실시예에서, 일반적으로 54로 표시된 열 교환기 유닛이 제공되며, 상기 열 교환기 유닛은 도시된 실시예에서는 역류 열 교환기로서 설계된다. 열 교환기 유닛(54)은 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)이나 제1 열 교환기(32)를 제공하는 상류 열 교환기 영역(56)을 포함한다.
열 교환기 유닛(54)은 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)이나 제2 열 교환기(38)를 제공하는 하류 열 교환기 영역(58)을 더 포함한다. 2개의 열 교환기 영역(56, 58)은 열 교환기 유닛(54)의 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에서 채널 방식으로 설계될 수 있고, 하나 이상의 분리벽(62)에 의해 서로 분리된 유동 채널을 제공할 수 있으며, 상기 유동 채널에서 연료 전지 배기가스는 실질적으로 서로 반대 방향으로 흐르므로 상류 열 교환기 영역(56)을 관류하는 연료 전지 배기가스의 부분으로부터 하류 열 교환기 영역(58)을 관류하는 연료 전지 배기가스의 부분으로 열을 전달한다.
이 실시예에서도 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36), 즉 하류 열 교환기 영역(58)에서, 전술한 바와 같이, 거기에서 흐르는 연료 전지 배기가스는 가열 매체 및/또는 전기적으로 여기 가능한 가열기에 의해 추가로 가열될 수 있는 것이 참조된다.
상류 열 교환기 영역(56)을 관류하여 상기 영역을 벗어나는 연료 전지 배기가스는 하류에서 상류 열 교환기 영역(56)에 후속하는 제2 연료 전지 배기가스 가열 유닛(50)으로 또는 제3 열 교환기 영역(52)으로 전달되고, 거기에서 상기 연료 전지 배기가스는 냉각 매체(K)에 열을 방출하여 추가로 냉각된다. 추가 냉각으로 인해 연료 전지 배기가스로부터 응축되는 물은 제1 분리 유닛(34)에 수집된다. 그런 다음 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스는 하류 열 교환기 영역(58)으로 계속해서 흐르고, 거기에서 하류 열 교환기 영역(56)에서 흐르는 연료 전지 배기가스와의 열적 상호 작용에 의해 그리고 필요한 경우 추가로 가열 매체 및/또는 전기적으로 여기 가능한 가열기에 의해 가열된다.
도 5는 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)과 제1 분리 유닛(34)이 열 교환 유닛(54)과 구조적으로 결합된 변형 실시예를 도시한다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)의 제3 열 교환기(52)는 상류 열 교환기 영역(56), 특히 그것의 하류 단부(64)에 통합될 수 있다. 상류 열 교환기 영역(56)의 상기 하류 단부(64)에서 또는 그 뒤에서, 제1 분리 유닛(34)으로 그리고 상기 분리 유닛으로부터 하류 열 교환기 영역(58)으로 유체 전달이 이루어진다. 제1 분리 유닛(34)에 및 따라서 열 교환기 유닛(54)의 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에도 수집된 물은 예를 들어 차단 유닛(66)을 통해 주변으로 유출되거나 연료 전지 프로세스에 재공급될 수 있다.
매우 효율적인 열 전달을 위해 제3 열 교환기(52)는 상류 열 교환기 영역(56)에서 흐르는 연료 전지 배기가스와의 열적 상호 작용에 이용 가능한 표면을 확장하는 리브를 가질 수 있다.
도 5에 도시된 구성 원리의 도 6에 도시된 변형예에서 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)은 상류 열 교환기 영역(56), 특히 그것의 하류 단부(64)의 영역에 및 상류 열 교환기 영역(58), 특히 그것의 상류 단부(68)에 통합된다. 따라서 상류 열 교환기 영역(58), 즉 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)으로부터 하류 열 교환기 영역(58), 즉 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)으로의 전체 전이 영역에서, 연료 전지 배기가스를 냉각시킴으로써 물 또는 수증기가 응축되어 제1 분리 유닛(34)에 흡수 또는 수집될 수 있다.
이러한 설계에서도 매우 효율적인 열 전달을 위해 제3 열 교환기(52)는 상류 열 교환기 영역(56)에서 흐르는 연료 전지 배기가스와의 열적 상호 작용에 이용 가능한 표면을 확장하는 리브를 가질 수 있다. 또한, 이러한 실시예에서도 하류 열 교환기 영역(58)을 관류하는 연료 전지 배기가스의 추가 가열은 가열 매체 및/또는 전기적으로 여기 가능한 가열기에 의해 이루어질 수 있는 것에 주목해야 한다.
연료 전지 배기가스 장치(11)의 도 7에 도시된 설계 변형예에서도, 열 교환기 유닛(54)에서 상류 열 교환기 영역(56)의 하류 단부(64)의 영역 및 하류 열 교환기 영역(58)의 상류 단부(66)의 영역의 열이 연료 전지 배기가스로부터 제거된다. 이를 위해 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)의 제1 열 교환기(32)는 열 교환기 유닛(54)의 열 교환기 유닛 하우징(60)의 외부면을 둘러싸고, 냉각 매체(K)에 의해 관류될 수 있다. 열적 상호 작용을 보강하고 열 교환기 유닛(54)을 관류하는 연료 전지 배기가스로부터 열 방출을 개선하기 위해, 열 교환기 유닛 하우징(60)의 외부면에 열 전달 리브(70)가 제공될 수 있으며, 상기 열 전달 리브를 통해 냉각 매체(K)로 열을 방출하는 데 이용 가능한 표면이 확장된다.
열 교환기 유닛(54)에서 열이 연료 전지 배기가스 장치(11)의 더 상류 부분에서 흐르는 연료 전지 배기가스로부터 연료 전지 배기가스 장치(11)의 더 하류 부분에서 흐르는 연료 전지 배기가스로 전달될 수 있는 다른 대안적 실시예가 도 8에 도시된다. 이 실시예에서 열 교환기 유닛(54)은 십자류 열 교환기로서 설계된다. 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에는 실질적으로 상류 열 교환기 영역(56)을 제공하는 체적이 형성되며, 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)을 통해 공급되는 연료 전지 배기가스가 상기 체적을 관류한다. 이러한 상류 열 교환기 영역(56)을 통해 전달된 연료 전지 배기가스는 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50) 또는 그것의 제3 열 교환기(52)를 관류한 다음 냉각 매체(K)로 열을 방출한다. 제1 분리 유닛(34)을 관류한 후, 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스는 하류 열 교환기 영역(58)을 제공하고 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에서 연장되는 라인 영역을 통해 흐르고, 상기 라인 영역에는 상류 열 교환기 영역(56)을 관류하는 연료 전지 배기가스와 열적 상호 작용을 보강하기 위해 열 전달 리브(72)가 제공될 수 있다.
이 실시예에서도 연료 전지 배기가스는 가열된 상태에서 상류 열 교환기 영역(58)이나 열 교환기 유닛(54)을 벗어난 다음, 예를 들어, 상기 연료 전지 배기가스가 가열되어 비교적 낮은 상대 습도로 주변으로 유출되기 전에, 촉매 유닛(44')과 흡음기(42)로 흐른다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예에서 추가 가열을 위해 하류 열 교환기 영역(58)에 전술한 조치가 추가로 관련될 수 있다. 따라서 하류 열 교환기 영역(58)을 관류하는 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스의 추가 가열은 가열 매체 및/또는 전기적으로 여기 가능한 가열기에 의해 이루어질 수 있다.
전술한 모든 실시예에서, 사용된다면 냉각 매체(K) 및/또는 가열 매체(H)는 액체 또는 기체에 의해 제공될 수 있으며, 특히 상기 냉각 매체(K)는 거기에 흡수된 열을 추가 열 교환기에서 주변으로 방출할 수 있다. 냉각 매체(K)는 예를 들어 주변 공기에 의해서도 제공될 수 있으며, 따라서 제1 열 교환기는 예를 들어 주변 공기가 관류할 수 있는 다수의 리브를 포함할 수 있다. 가열 매체(H)는 예를 들어 촉매 유닛(44 또는 44')에서 진행되는 촉매에 의한 산화 공정에서 가열될 수 있다. 대안으로서 이러한 촉매 유닛 대신에 또는 이러한 촉매 유닛에 추가하여, 애노드 배기가스에 여전히 포함된 잔류 수소를 산화시키기 위해 산화 유닛의 다른 예로서, 잔류 수소가 산소, 예를 들어 캐소드 배기가스에 포함된 잔류 산소와 함께 연소되는 버너가 제공될 수 있다. 발생하는 열은 버너에 할당된 열 교환기에서 가열 매체(H)로 전달될 수 있고, 상기 가열 매체로부터 제2 열 교환기(38)를 관류하는 연료 전지 배기가스로 전달될 수 있다.
특히 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 배기가스 장치에서 상이한 시스템 영역들이, 특히 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛, 제1 분리 유닛 및 연료 전지 배기가스 가열 유닛이 필요한 경우 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛과도 구조적으로 연결 또는 융합되는 것이 제공되어, 이러한 상이한 시스템 영역들이 직접 서로 연결되거나 또한 유체 관점에서 서로 중첩되는 것이 제공될 수도 있다. 따라서, 제1 분리 유닛에 의해 이미 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛의 영역 및/또는 연료 전지 배기가스 가열 유닛의 영역에서 연료 전지 배기가스로부터 수증기 또는 물이 분리되고, 예를 들어 액체 형태로 수집될 수 있다.
연료 전지 배기가스 장치의 전술한 구성은 추가로 또는 대안으로서 애노드 영역에서 더 많은 비율의 물 또는 수증기가 생성되고 애노드 배기가스를 통해 연료 전지로부터 제거되는, 다른 기능 원리에 따라 작동하는 연료 전지에서도 사용될 수 있는 것이 참조된다. 이러한 경우에, 예를 들어 제1 연료 전지 배기가스 라인은 연료 전지의 애노드 배기가스 배출구에 연결될 수 있는 한편, 제2 연료 전지 배기가스 라인은 연료 전지의 캐소드 배기가스 배출구에 연결될 수 있다.

Claims (21)

  1. 특히 차량용 연료 전지 배기가스 장치로서,
    연료 전지 배기가스로부터 열을 방출하기 위한 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30);
    - 상기 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 제1 분리 유닛(34); 및
    - 상기 제1 분리 유닛(34)의 영역에 및/또는 하류에 연료 전지 배기가스를 가열하기 위한 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36);을 포함하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)은 연료 전지 배기가스로부터 냉각 매체(K), 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제1 열 교환기(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)은 가열 매체(H), 바람직하게는 가열 액체 또는 가열 가스로부터 연료 전지 배기가스로 열을 전달하기 위한 제2 열 교환기(38)를 포함하고, 그리고/또는 상기 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)은 적어도 하나의 전기적으로 여기 가능한 가열기(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  4. 제2항 및 제3항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기(32)와 상기 제2 열 교환기(38)를 관류하는 열 전달 매체(M)는 상기 냉각 매체(K) 및 상기 가열 매체(H)를 제공하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  5. 제2항 및 제3항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기(32) 및 상기 제2 열 교환기(38)를 제공하는 열 교환기 유닛(54)이 제공되고, 상기 열 교환기 유닛(54)은 연료 전지 배기가스가 관류할 수 있는 상류 열 교환기 영역(56)을 포함하고, 상기 상류 열 교환기 영역(56)의 하류에는 상기 상류 열 교환기 영역(56)과 열 전달 상호 작용을 하는 하류 열 교환기 영역(58)이 구비되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 분리 유닛(34)은 상기 상류 열 교환기 영역(56)의 하류 및 상기 하류 열 교환기 영역(58)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 상류 열 교환기 영역(56)의 하류 및/또는 상기 상류 열 교환기 영역(56)의 하류 단부(64)에, 그리고 상기 하류 열 교환기 영역(58)의 상류 및/또는 상기 하류 열 교환기 영역(58)의 상류 단부(68)에, 연료 전지 배기가스로부터 열을 방출하기 위한 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(50)은 연료 전지 배기가스로부터 냉각 매체(K), 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제3 열 교환기(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열 교환기 유닛(54)은 열 교환기 유닛 하우징(60)을 포함하고, 상기 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에 상기 상류 열 교환기 영역(56)과 상기 하류 열 교환기 영역(58)이 제공되고, 상기 제3 열 교환기(52)는 실질적으로 상기 열 교환기 유닛 하우징(60) 내에 배치되고 그리고/또는 상기 열 교환기 유닛 하우징(60)의 외부면을 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기 유닛(54)은 역류 열 교환기 또는 십자류 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료 전지 배기가스 냉각 유닛(30)으로 안내되는 제1 연료 전지 배기가스 라인(22), 바람직하게는 캐소드 배기가스 라인이 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    연료 전지 배기가스에 실질적으로 액적 형태로 포함된 액체를 분리하기 위한 제2 분리 유닛(48)이 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)에 할당되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    제2 연료 전지 배기가스 라인(28), 바람직하게는 애노드 배기가스 라인이 제공되고, 상기 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)은 상기 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)으로 합류하거나 또는 상기 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)으로부터 멀어지는 연료 전지 배기가스 유출 라인(40)으로 합류하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  14. 제12항 및 제13항에 있어서,
    상기 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)은 상기 제2 분리 유닛(48)의 하류에서 상기 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)으로 합류하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 전지 배기가스에 포함된 수소를 산화시키기 위한 적어도 하나의 산화 유닛, 바람직하게는 촉매 유닛(44, 44') 및/또는 버너가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  16. 제13항 또는 제14항을 인용하는 제15항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 유출 라인(40)과의 합류부 상류의 상기 제2 연료 전지 배기가스 라인(28) 내에 적어도 하나의 산화 유닛이 배치되고, 그리고/또는 상기 제1 연료 전지 배기가스 라인(22)과의 상기 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)의 합류부 하류의 상기 제1 연료 전지 배기가스 라인(22) 내에 적어도 하나의 산화 유닛이 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 가열 유닛(36)으로부터 멀어지는 상기 연료 전지 배기가스 유출 라인(40) 내에 배치된 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 흡음기(42)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  18. 제13항을 인용하는 제17항에 있어서,
    상기 연료 전지 배기가스 유출 라인(40)과의 상기 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)의 합류부의 하류에 상기 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 흡음기(42)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기가스 장치.
  19. 연료 전지(12) 및 연료 전지에 할당된 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 배기가스 장치(11)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  20. 제13항을 인용하는 제19항에 있어서,
    제1 연료 전지 배기가스 라인(22)은 바람직하게 캐소드 배기가스 차단 유닛(20)을 통해 상기 연료 전지(12)의 캐소드 배기가스 배출구(18)에 연결되고, 제2 연료 전지 배기가스 라인(28)은 바람직하게 애노드 배기가스 차단 유닛(26)을 통해 상기 연료 전지(12)의 애노드 배기가스 배출구(24)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  21. 연료 전지 시스템(10), 특히 제19항 또는 제20항에 따른 연료 전지 시스템(10)을 작동하기 위한 방법으로서,
    연료 전지(12)로부터 유출된 연료 전지 배기가스는 냉각되어 물이 응축되고, 물의 응축 후에 수증기가 고갈된 연료 전지 배기가스가 가열되는, 방법.
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