KR20240091201A - 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치 및 작동 방법, 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치 및 작동 방법, 연료 전지 시스템 Download PDF

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한스-크리스토프 마겔
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 연료 전지 시스템(31)의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1)와, 본 발명에 따른 장치(1)를 구비한 연료 전지 시스템(31)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 부하에 따라 각각 개별적으로 또는 공동으로 작동되는 병렬 연결된 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들이 사용되고 제트 펌프(4, 6)들의 우회를 위한 바이패스(15)가 사용되는, 연료 전지 시스템(31)의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 작동 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치 및 작동 방법, 연료 전지 시스템
본 발명은, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 방법이 제안된다. 이러한 장치는 본 발명에 따른 방법의 실행을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 적어도 하나의 연료 전지를 포함하고, 이러한 연료 전지에 의하여 연료, 예를 들어 수소와, 산화제, 예를 들어 산소가 전기 에너지, 열 및 물로 변환될 수 있다. 이를 위해, 연료 전지는 애노드 및 캐소드를 포함한다. 연료 전지 시스템의 작동 중에, 애노드는 연료를 공급받고, 캐소드는 산화제를 공급받는다. 따라서, 연료는 애노드 기체이다.
시스템적으로, 애노드에 대한 연료 또는 애노드 기체의 공급 시에는, 연료 전지로부터 배출되는, 여전히 연료가 풍부한 애노드 기체를 재순환시키고, 신선한 연료와 함께 새로이 애노드에 공급하는 접근법이 확립되었다. 이 경우, 제트 펌프가 또 다른 제트 펌프와 조합되어 기체 이송 유닛으로서, 다양한 작동 상태들, 특히 고부하 작동 및 저부하 작동에서의 재순환 성능을 충족하기 위하여 사용되는 경우가 빈번하다. 이 경우, 제트 펌프들은 부하에 따라 각각 개별적으로 또는 공동으로 작동 가능할 수 있다. 이 경우, 제트 펌프들은, 특히 추진 매체인 애노드 기체의 유연하고 필요에 따른 계량 공급을 보장하기 위하여 제트 펌프 당 각각 하나의 별도 계량 공급 밸브를 통해 수소를 공급받는다.
DE 10 2007 004 590 A1호로부터는, 적어도 2개의 병렬 연결된 제트 펌프들을 포함하는 장치가 공지되어 있다. 전형적으로, 이러한 유형의 장치에서는, 재순환 매체의 재순환이 특히 각각의 제트 펌프에 의해 실행되는 일 없이 적어도 거의 독점적으로 추진 매체를 장치에 의해 이송하는 것이 불가능하다. 그러나, 이는 연료 전지 스택 및/또는 연료 전지 시스템 및/또는 연료 전지의 H2O의 효율적인 건조 가동 및/또는 배출을 위해 연료 전지 및/또는 연료 전지 시스템의 특정 작동점들 및/또는 작동 상태들에서 필요하다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하는 데 관한 것이다. 이러한 해결을 위해, 청구범위 제1항의 특징들을 갖는 장치와, 청구범위 제9항의 특징들을 갖는 작동 방법이 제시된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 각각의 종속 청구범위들에 제시된다. 또한, 본 발명에 따른 장치를 구비한 연료 전지 시스템이 제시된다.
본 발명에 따라, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치 및 방법, 그리고 연료 전지 시스템이 제안된다. 이러한 장치는, 부하에 따라 각각 개별적으로 또는 공동으로 작동 가능한, 병렬 연결된 적어도 2개의 제트 펌프들을 포함하고, 제트 펌프들에는 적어도 간접적으로 추진 매체가, 특히 탱크로부터 탱크 라인 및/또는 제2 유입부를 통해 공급된다. 이 경우, 제트 펌프들 각각은 유입측에 각각 제1 밸브, 바람직하게는 제1 계량 공급 밸브를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 제트 펌프는 적어도 하나의 연결 라인 및 적어도 하나의 복귀 라인을 통해 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 연료 전지와 연결되고, 연료 전지로부터 나오는 미사용 재순환물을 공급받는다. 본 발명은, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치와, 본 발명에 따른 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
청구범위 제1항을 참조하면, 본 발명에 따른 장치는, 이러한 장치가 바이패스를 포함하는 방식으로 형성되고, 이러한 바이패스에 의해서는, 재순환물의 재순환이 장치에 의해 실행되는 일 없이 장치가 독점적으로 추진 매체를 특히 연결 라인을 통해 연료 전지로 이송하는 방식으로, 병렬 연결된 제트 펌프들이 특히 유체 공학적으로 우회될 수 있다. 이러한 방식으로, 재순환 매체가 더 이상 재순환되지 않는 동안, 연료 전지와 제1 또는 제2 제트 펌프 사이의 재순환 회로가 적어도 거의 완전히 차단 및/또는 우회될 수 있다는 장점이 달성될 수 있다. 이 경우, 연료 전지 및/또는 스택에는 장치에 의하여 연결 라인을 통해 적어도 거의 독점적으로 추진 매체가 탱크로부터 공급되며, 이러한 추진 매체는 거의 독점적으로 수소를 포함하고, H2O 또는 N2와 같은 부산물들을 거의 포함하지 않는다. 이에 따라, 전체 차량의 정지 시에 연료 전지 스택은 건조 가동 및 배출될 수 있으므로, 연료 전지 스택 내에 더 이상 물이 존재하지 않는다. 이는, 장기간 정지 시간이 발생하는 경우에 낮은 온도들에서 바람직한데, 이는 특히 냉간 시동 절차의 범주에서의 전체 차량의 재시동 시에 연료 전지 스택을 손상시킬 수 있는, 스택 내 물로 인한 아이스 브릿지들이 형성될 수 없기 때문이다. 이에 따라, 장치가 본 발명에 따라 형성됨으로써, 장치와, 이에 따라 전체 연료 전지 시스템의 냉간 시동 능력이 향상될 수 있다. 이를 통해, 연료 전지 시스템은 낮은 온도에서도 신뢰 가능하게 작동될 수 있고, 연료 전지의 시동이 언제든지 가능하다. 또한, 연료 전지 시스템의 효율은 향상될 수 있다.
종속항들에 제시된 조치들을 통해, 제1항에 명시된 장치의 바람직한 개선예들이 가능하다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 개선예들에 관한 것이다.
장치의 바람직한 일 실시예에 따라, 바이패스는 제1 보어와, 특히 바이패스 밸브로서 형성된 바이패스 밸브와, 그리고 제2 보어를 포함하며, 바이패스는 바이패스 밸브에 의해 차단될 수 있고, 특히 제1 보어는 바이패스 밸브에 의해 제2 보어로부터 유체 공학적으로 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 바이패스는 한편으로는, 예를 들어 각각 하나의 제트 펌프 또는 2개의 제트 펌프들의 작동 중에 적어도 거의 완전히 유체 공학적으로 차단될 수 있고, 이 경우에는 바이패스에 의한 연료 전지로의 추진 매체의 직접적인 계량 공급이 실행되어서는 안된다. 그러나, 마찬가지로 바이패스 밸브에 의해서는, 연료 전지로의 추진 매체의 최적화된 간헐적 계량 공급이 실행될 수 있는 방식으로 바이패스 밸브와 이에 따라 바이패스의 클럭 제어식 개방이 실행될 수도 있다. 이에 따라, 장치 및/또는 연료 전지 및/또는 연료 전지 시스템의 효율이 유도될 수 있다.
장치의 바람직한 일 개선예에 따라, 바이패스와 제트 펌프들은 장치의 공동의 본체 내에 위치한다. 이러한 방식으로, 장치의 특히 컴팩트한 구조 형상이 달성될 수 있다. 또한, 연결부의 수가 감소될 수 있으므로, 예를 들어 제1 유입부, 제2 유입부 및 유출부만이 연결부들로서 존재하면 된다. 또한, 장치의 냉간 시동 능력이 향상될 수 있는데, 이는 예를 들어 본체 내에서의 제트 펌프들 및/또는 바이패스의 구조적 결합에 의하여 장치의 체적에 비해 표면적이 감소될 수 있음으로써, 낮은 주변 온도 및 장기간 정지 시간에서의 장치의 냉각 과정이 훨씬 더 오랜 기간을 요구하게 되기 때문이다. 이러한 방식으로, 아이스 브릿지들을 통한 장치의 내부 유동 윤곽들 및 이동 가능한 부품들의 손상이 방지될 수 있다.
장치의 특히 바람직한 일 실시예에 따라, 제트 펌프들 및 바이패스의 하류에 유출 챔버가 존재하고, 바이패스는 유출 챔버와 제2 유입부를 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 서로 연결한다. 이러한 방식으로, 바이패스는 모든 구성 요소들이 하류에 공동의 유출 챔버를 포함하는 방식으로 각각의 제트 펌프들과 구조적으로 결합될 수 있다. 이에 따라, 바이패스에 의해 추진 매체를 제2 유입부로부터 직접적으로 유출 챔버 내로 안내하고, 이에 따라 제트 펌프들을 유체 공학적으로 완전히 우회하는 것이 가능하다. 바람직한 방식으로, 이에 따라 바이패스의 통합의 비용 효율적이고 공간 절약적인 구현이 유도될 수 있다.
장치의 특히 바람직한 일 개선예에 따라, 제1 및 제2 제트 펌프는 유출측에서 각각 차단 요소, 예를 들어 플랩 또는 밸브를 포함한다. 이러한 방식으로, 각각의 제트 펌프를 통한 바람직하지 않은 역류가 방지된다는 장점이 달성될 수 있다. 적어도 하나의 차단 요소의 작동은 바람직하게는 압력 제어식으로 실행되므로, 추가적인 액추에이터 시스템이 필요하지 않다. 이에 따라, 장치 및/또는 연료 전지 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
장치의 바람직한 일 실시예에 따라, 제트 펌프들의 유동 윤곽들 및 바이패스는 각각의 차단 요소에 의해 유체 공학적으로 서로 분리되고 그리고/또는 분리 가능하고, 각각의 제트 펌프를 통한, 한편으로는 유동 방향(III)으로의 유동과, 다른 한편으로는 유동 방향(III)에 반대한 역류가 방지된다. 이러한 방식으로, 제트 펌프들이 차단 요소들에 의해, 예를 들어 유출부, 유출 챔버 또는 연결 라인과 같은 하류측 영역으로부터 유체 공학적으로 적어도 거의 완전히 분리되므로, 바이패스의 기능이 구현된다는 장점이 달성될 수 있다. 이 경우, 각각의 제트 펌프를 통한 유동 또는 역류가 방지되므로, 독점적으로 바이패스에 의한 연료 전지로의 추진 매체의 계량 공급이 실행될 수 있다.
장치의 바람직한 일 실시예에 따라, 바이패스 조절 밸브는 본체 내에서 제트 펌프들 사이에 배열된다. 이러한 방식으로, 장치의 컴팩트한 구조 형상이 유도될 수 있다. 또한, 이러한 배열은, 제트 펌프들의 작동으로 인한 열 발생에 의하여 바이패스에 열 에너지가 공급될 수 있음으로써, 바이패스, 특히 제1 보어 및/또는 바이패스 밸브 및/또는 제2 보어에 열 에너지가 공급될 수 있기 때문에, 전체 차량의 장기간 정지 시간이 발생할 때 낮은 온도들에서 아이스 브릿지 형성이 감소되므로, 장치 및/또는 연료 전지의 더욱 양호한 냉간 시동 능력이 유도된다는 장점을 제공한다.
장치의 특히 바람직한 일 실시예에 따라, 바이패스 밸브는 제1 계량 공급 밸브 및 제2 계량 공급 밸브와 구조상 적어도 거의 동일하도록 형성된다. 이러한 방식으로, 장치 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 비용이 감소될 수 있는데, 이는 수량 효과 및/또는 무임 승차 효과로 인해 구조상 적어도 거의 동일한 계량 공급 밸브들이 사용될 수 있고, 즉 각각 하나의 계량 공급 밸브가 각각의 제트 펌프를 위해 그리고 또 다른 계량 공급 밸브가 바이패스를 위해 사용될 수 있기 때문이다. 이에 따라, 더욱 많은 수량으로 인해 구매 비용이 절감될 수 있을 뿐만 아니라, 장치의 더욱 적은 부품 편차로 인해 물류 비용 및 보관 비용도 절감될 수 있음으로써, 전체적인 비용 절감이 달성될 수 있다. 또한, 장치의 수리 또는 유지 보수의 경우에 더 적은 예비 부품들이 보유되면 된다.
따라서, 제안된 장치는 하기에 설명된 본 발명에 따른 작동 방법을 실행하기에 특히 적합하다. 따라서, 이러한 장치에 의해서는, 연료 전지 시스템의 효율이 향상될 수 있는 것과 동일한 장점들이 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 제2 양태에서, 제시된 장치의 가능한 실시예의 작동을 위한 작동 방법에 관한 것이다.
본원의 작동 방법은, 바이패스의 비활성화된 상태에서 그리고/또는 폐쇄된 바이패스 밸브에서 제1 제트 펌프 또는 제2 제트 펌프 또는 이러한 두 제트 펌프들이 동시적으로 연료 전지 시스템의 제1 작동점, 제2 작동점 또는 제3 작동점에서 제1 계량 공급 밸브 및/또는 제2 계량 공급 밸브를 통해 수소를 공급받는 제1 작동 단계와; 재순환 매체의 재순환을 적어도 거의 방지하기 위하여 그리고 연료 전지에 바이패스에 의해 적어도 거의 독점적으로 추진 매체를 공급하기 위하여, 바이패스의 활성화된 상태에서 그리고/또는 개방된 바이패스 밸브에서 각각의 제트 펌프의 각각의 차단 요소 및/또는 각각의 계량 공급 밸브가 연료 전지 시스템의 제4 작동점에서 폐쇄되는 제2 작동 단계;를 포함한다.
제시된 작동 방법은 특히, 제시된 장치 및/또는 연료 전지 시스템의 작동에 사용된다.
특히, 연료 전지의 작동 상태 및/또는 작동점에 따라 바이패스 밸브 및/또는 각각의 계량 공급 밸브 및/또는 각각의 차단 요소가 활성화 또는 비활성화됨으로써, 제안된 작동 방법이 자동으로 실행되는 것이 제공된다.
각각의 제트 펌프들의 비활성화와 동시적인, 제2 작동 단계에서의 바이패스의 활성화는, 예를 들어 전체 차량의 정지 이전의 스택으로부터의 질소 또는 물의 배출과 같은 특정 작동점들에서 연료 전지에 독점적으로, 특히 탱크로부터의 추진 매체를 공급하는 데 사용될 수 있다.
제3 양태에서, 본 발명은 제시된 장치의 가능한 일 실시예를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 본원에 설명된 실시예들 및 그에 제시된 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구항들을 통해 명시된 범위 내에서, 전문가적 조치의 범주에 있는 복수의 변형예들이 가능하다.
본 발명은 도면을 참조하여 하기에 보다 구체적으로 설명된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부 도면들을 이용하여 하기에 더 상세하게 설명된다.
도 1은 연료 전지 및 본 발명에 따른 장치를 구비한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 절개하여 도시한 개략적인 종단면도이다.
도 3은 각각의 부품들을 구비한 장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 작동 방법의 가능한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 1에 따른 도시는 연료 전지(32) 및 본 발명에 따른 장치(1)를 구비한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(31)을 보여준다.
이 경우, 도 1에는 연료 전지 시스템(31), 특히 애노드 회로의 예시적인 일 실시예가 도시된다. 이 경우, 이송 유닛(1)이 연결 라인(29)을 통해, 애노드 영역(38) 및 캐소드 영역(40)을 포함하는 연료 전지(32)와 연결되는 것이 나타난다. 또한, 연료 전지(32)의 애노드 영역(38)을 제1 유입부(28)와 연결하고, 이에 따라 특히 이송 유닛(1)의 흡입 영역(7)(도 2에 도시됨)과 연결하는 복귀 라인(23)이 제공된다. 복귀 라인(23)에 의하여, 애노드 영역(38) 내에서 연료 전지(32)의 작동 시에 이용되지 않는 제1 기체 매체는 제1 유입부(28)로 복귀될 수 있다. 이러한 제1 기체 매체는 특히 재순환 매체이다.
도 1로부터 더 볼 수 있는 바와 같이, 탱크(34) 내에 저장된 기체 매체는 탱크 라인(27)을 통해 이송 유닛(1)의 제2 유입부(36)에 공급된다. 이러한 제2 기체 매체는 특히 추진 매체이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치(1)를 절개하여 도시한 개략적인 종단면도를 보여준다. 이 경우, 장치(1)는 연료 전지 시스템(31)의 애노드 회로 내의 애노드 기체의 재순환을 위해 적합하다. 장치(1)는, 부하에 따라 각각 개별적으로 또는 공동으로 작동 가능한, 병렬 연결된 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들을 포함하고, 제트 펌프(4, 6)들에는 적어도 간접적으로 추진 매체가, 특히 탱크(34)로부터 탱크 라인(27) 및 제2 유입부(36)를 통해 공급된다. 이 경우, 제1 제트 펌프(4)는 유입측에서, 통합된 제1 밸브(10), 바람직하게는 통합된 제1 계량 공급 밸브(10), 더욱 바람직하게는 통합된 제1 추진 노즐(12)을 구비한 제1 계량 공급 밸브(10)를 포함하고, 제1 밸브(10)는 장치(1)의 본체(8) 내로 적어도 부분적으로 돌출된다. 또한, 이 경우 제2 제트 펌프(6)는 유입측에서, 통합된 제2 밸브(16), 바람직하게는 통합된 제2 계량 공급 밸브(16), 더욱 바람직하게는 통합된 제2 추진 노즐(14)을 구비한 제2 계량 공급 밸브(16)를 포함하고, 제2 밸브(16)는 장치(1)의 본체(8) 내로 적어도 부분적으로 돌출된다. 밸브(10, 16)들에 의해, 각각의 제트 펌프(4, 6)에는 추진 매체가 계량 공급될 수 있다. 또한, 제트 펌프(4, 6)들에 추가하여 바이패스(15)가 제2 유입부(36)와, 그리고 간접적으로 탱크(34)와 연결되고, 이에 따라 추진 매체를 공급받을 수 있다.
또한 도 2는, 병렬 연결된 제트 펌프(4, 6)들과 바이패스(15)가 구조적으로 결합되고, 바람직하게는 구조 유닛을 형성하고 그리고/또는 공동의 본체(8) 내에 배열되는 것을 보여준다. 이 경우, 제2 제트 펌프(6)는 저부하 작동을 위해 구성될 수 있고, 특히 계량 공급의 범주에서의 추진 매체의 유량 제어가 제2 밸브(16)를 통해 실행될 수 있다. 또한, 제1 제트 펌프(4)는 고부하 작동을 위해 구성될 수 있고, 특히 계량 공급의 범주에서의 추진 매체의 유량 제어가 제1 계량 공급 밸브(10)를 통해 실행된다.
도 2에는, 2개의 제트 펌프(4, 6)들 각각이 각각 유동 방향(III)으로 각각 흡입 영역(7a, b), 혼합관(9a, b) 및 디퓨저 영역(11a, b)을 포함하는 것이 나타난다. 이 경우, 애노드 기체는 적어도 부분적으로 제트 펌프(4, 6)를 통해 유동 방향(III)으로 유동하고, 유동 방향(III)은 제트 펌프(4, 6)의 종축에 대해 평행하게 연장된다. 이 경우, 제트 펌프(4, 6)의 관류 영역들의 대부분은 적어도 대략 관형으로 형성되고, 특히 H2O 및 N2의 비율을 갖는 H2인 기체 매체의 이송 및/또는 안내를 위해 사용된다. 이 경우, 추진 매체는 연료 전지(32)의 작동 상태에 따라, 제2 유입부(36)로부터 제1 추진 노즐(12)을 통해, 특히 제1 추진 노즐(12)의 내부 채널을 통해 제1 제트 펌프(4) 내로 유입된다. 또한, 추진 매체는 제2 유입부(36)로부터 제2 추진 노즐(14)을 통해, 특히 제2 추진 노즐(14)의 내부 채널을 통해 제2 제트 펌프(6) 내로 유입될 수 있다.
이 경우, 제1 유입부(28)에 의해서는 연료 전지(32)로부터 나오고 복귀 라인(23)을 통해 유동하는 재순환물이 각각의 제트 펌프(4, 6)의 흡입 영역(7)으로 공급된다. 이 경우, 재순환물은 특히 연료 전지(32), 특히 스택의 애노드 영역(38)(도 1에 도시됨)으로부터의 미사용 H2일 수 있으며, 재순환물은 물 및 질소도 포함할 수 있다. 또한 도 2에는, 제1 제트 펌프(4)의 제1 흡입 영역(7a)이 연결 개구(30)에 의해 제2 제트 펌프(6)의 제2 흡입 영역(7b)과 유체 공학적으로 연결되며, 각각의 흡입 영역(7a, b)은 제1 유입부(28)와 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 연결되는 것이 나타난다.
각각의 노즐(12, 14)을 통해 유입되고 추진 매체로서 사용되는 수소는, 제1 유입부(28)로부터 각각의 제트 펌프(4, 6) 내로 유입되는 재순환 매체에 대해 압력차 및/또는 속도차를 갖고, 추진 매체는 특히 적어도 5bar의 더 높은 압력을 갖는다. 소위 제트 펌프 효과가 발생하는 경우, 재순환 매체는 저압에 의해 각각의 제트 펌프(4, 6)의 중앙 유동 영역 내로 이송된다. 이 경우, 추진 매체는 상술한 압력차로, 그리고 특히 음속에 가까울 수 있는 빠른 속도로 각각의 노즐(12, 14)을 통해 각각의 흡입 영역(7a, b) 및/또는 각각의 혼합관(9a, b) 내로 유입된다. 이 경우, 각각의 노즐(12, 14)은 기체 매체가 관류할 수 있는 유동 개구의 형태를 갖는 내부 리세스를 포함한다. 이 경우, 추진 매체는, 이미 각각의 흡입 영역(7a, b) 및/또는 혼합관(9a, b) 내에 위치한 재순환 매체를 만난다. 추진 매체와 재순환 매체 사이의 큰 속도차 및/또는 압력차로 인해, 매체들 사이에 내부 마찰 및 난류가 생성된다. 이 경우, 빠른 추진 매체와 훨씬 더 느린 재순환 매체 사이의 경계층 내에 전단 응력이 생성된다. 이러한 응력은 운동량 전이를 야기하며, 재순환 매체는 가속되고, 휩쓸려간다. 이러한 혼합은 운동량 보존의 원리에 따라 발생한다.
이 경우, 재순환 매체는 유동 방향(III)으로 가속되고, 재순환 매체에 대해 압력 강하가 발생함으로써, 흡입 작용이 사용되고, 이에 따라 추가 재순환 매체가 제1 유입부(28)의 영역으로부터 추가 이송된다. 이러한 효과는 제트 펌프 효과라고 불릴 수 있다. 각각의 계량 공급 밸브(10, 16)에 의해 추진 매체의 계량 공급을 제어함으로써, 재순환 매체의 이송률이 조절될 수 있으며, 작동 상태 및 작동 요건에 따른 전체 연료 전지 시스템(31)(도 1에는 도시되지 않음)의 각각의 요구에 매칭될 수 있다. 각각의 계량 공급 밸브(10, 16)가 폐쇄 상태에 있는 장치(1) 및/또는 각각의 제트 펌프(4, 6)의 예시적인 작동 상태에서는, 추진 매체가 제2 유입부(36)로부터 제1 제트 펌프(4)의 중앙 유동 영역 내로 추가 유동하는 것이 방지될 수 있으므로, 추진 매체는 유동 방향(III)으로 재순환 매체를 향해 각각의 흡입 영역(7a, b) 및/또는 각각의 혼합관(9a, b) 내로 더 유입될 수 없고, 이에 따라 제트 펌프 효과가 중단된다.
각각의 혼합관(9a, b)의 통과 이후, 특히 재순환 매체 및 추진 매체로 구성된, 혼합된 그리고 이송될 매체는 유동 방향(III)으로 각각의 디퓨저 영역(11a, b) 내로 유동하고, 각각의 디퓨저 영역(11a, b) 내에서는 유동 속도의 감소가 발생할 수 있다. 그곳으로부터, 매체는 예를 들어, 본체(8) 내에 위치한 유출 챔버(39) 및/또는 유출부(37)를 통해 그리고 그곳으로부터 연결 라인(29)을 통해 연료 전지(32)의 애노드 영역(38) 내로 더 유동한다. 이 경우, 제1 및 제2 제트 펌프(4, 6)는 유출측에서, 특히 각각의 디퓨저 영역(11a, b)의 하류에서, 예를 들어 플랩(18, 20) 또는 밸브(18, 20)의 형태를 갖는 차단 요소(18, 20)를 각각 포함한다. 이 경우, 각각의 차단 요소(18, 20)는 본체(8) 내의 유출 챔버(39)와 각각의 제트 펌프(4, 6)의 출구 사이에 위치한다. 이 경우, 각각의 차단 요소(18, 20)는 능동적으로 제어 가능할 수 있고, 즉 연료 전지(32) 또는 스택의 작동 상태는 제어 공학적으로 검출되고, 특정 작동 상태들 및/또는 작동 상태들에서 각각의 차단 요소(18, 20)는 예를 들어 활성화 또는 비활성화되는 방식으로 전기적으로 제어되는데, 이는 개방되거나 폐쇄되는 각각의 차단 요소(18, 20)를 유도한다.
도 2에는, 장치(1)가 바이패스(15)를 포함하고, 이러한 바이패스에 의해서는, 재순환물의 재순환이 장치(1)에 의해 실행되는 일 없이 장치(1)가 독점적으로 추진 매체를 특히 연결 라인(29)을 통해 연료 전지(32)로 이송하는 방식으로, 병렬 연결된 제트 펌프(4, 6)들이 특히 유체 공학적으로 우회될 수 있는 것이 나타난다. 이 경우, 바이패스(15)는 제1 보어(19)와, 특히 바이패스 조절 밸브(35)로서 형성된 바이패스 밸브(35)와, 그리고 제2 보어(21)를 포함하며, 바이패스(15)는 바이패스 밸브(35)에 의해 차단될 수 있고, 특히 제1 보어(19)는 바이패스 밸브(35)에 의해 제2 보어(21)로부터 유체 공학적으로 분리될 수 있다. 이 경우, 제1 보어(19)는 상류측에서 제2 유입부(36)로 이어지고, 제2 보어(21)는 유출 챔버(39)로 이어진다. 또한, 바이패스 밸브(35)의 활성화 시에 제1 보어(19)는 제2 보어(21)로부터 유체 공학적으로 분리될 수 있으므로, 바이패스(15)가 폐쇄되는 것이 나타난다. 이는, 각각의 차단 요소(18, 20)에 의한 각각의 제트 펌프(4, 6)의 각각의 유동 윤곽의 적어도 거의 완전한 캡슐화를 유도한다.
또한 도 2는, 바이패스(15)와 제트 펌프(4, 6)들이 장치(1)의 공동의 본체(8) 내에 위치하는 것을 보여준다. 그러나, 바이패스(15)의 유동 윤곽들은 제트 펌프(4, 6)들의 유동 윤곽들과, 특히 연결 개구(30)와, 그리고 각각의 흡입 영역(7a, b)과 직접적으로 유체 공학적으로 연결되지 않는다. 바이패스(15)의 유동 윤곽들은 제트 펌프(4, 6)들의 유동 윤곽들과 단지 간접적으로 유체 공학적으로 그리고 분리 가능하도록 연결되는데, 즉 상류측에서는 제2 유입부(36)를 거치도록 그리고 각각의 밸브(10, 16)를 통해 분리 가능하도록 연결되고, 하류측에서는 유출 챔버(39)를 거치도록 그리고 각각의 차단 요소(18, 20)를 통해 분리 가능하도록 연결된다. 유출 챔버(39)는 제트 펌프(4, 6)들 및 바이패스(15)의 하류에 위치하고, 바이패스(15)는 유출 챔버(39)와 유입부(36)를 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 서로 연결한다. 적어도 하나의 압력 센서 및/또는 적어도 하나의 온도 센서가 바이패스(15)에 통합되어 있다. 이러한 방식으로, 추진 매체에 의한 연료 전지(32)의 최적의 공급을 위한 바이패스 밸브(35)의 의도한 대로의 개방 및 폐쇄를 보장할 수 있도록 하기 위하여 측정 데이터가 검출될 수 있다는 장점이 달성될 수 있다.
이 경우, 바이패스(15)의 유동 윤곽들과 제트 펌프(4, 6)들의 유동 윤곽들은 각각의 차단 요소(18, 20)에 의해 유체 공학적으로 서로 분리되고 그리고/또는 분리 가능하다. 이 경우, 각각의 제트 펌프(4, 6)를 통한, 한편으로는 유동 방향(III)으로의 유동과, 다른 한편으로는 유동 방향(III)에 반대한 역류가 방지된다. 또한, 제트 펌프(4, 6)들 및 바이패스(15)의 유동 윤곽들, 특히 제1 보어(19) 및/또는 제2 보어(21)는 유체 공학적으로 차단 요소(18, 20)들에 의해 분리 가능할 수 있다.
도 3에는 각각의 부품들을 구비한 장치(1)의 사시도가 나타난다. 이 경우, 바이패스 밸브(35)는 본체(8) 내에서 제트 펌프(4, 6)들 사이에 배열되고 그리고/또는 바이패스 밸브(35)의 하우징 또는 액추에이터 시스템의 일부가 적어도 부분적으로 본체(8)로부터 돌출된다. 이러한 방식으로, 제트 펌프(4, 6)들의 작동으로 인한 열은, 전체 차량의 장기간 정지 시간에서의 바이패스(35) 및/또는 바이패스 밸브(35)의 급격한 냉각을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 장치(1)의 예시적인 일 실시예에서, 바이패스 밸브(35)는 제1 및 제2 계량 공급 밸브(10, 16)와 구조상 적어도 거의 동일하도록 형성될 수 있다. 또한, 유출 챔버(39)는 적어도 부분적으로, 본체(8)에 나사 결합된 커버에 의해 형성될 수 있는 것이 나타난다.
도 4에는 제시된 연료 전지 시스템(31)의 가능한 일 실시예의 작동을 위한 작동 방법(300)이 도시된다.
작동 방법(300)은, 바이패스(15)의 비활성화된 상태에서 그리고/또는 폐쇄된 바이패스 밸브(35)에서 제1 제트 펌프(4) 또는 제2 제트 펌프(6) 또는 이러한 두 제트 펌프(4, 6)들이 동시적으로 연료 전지 시스템(31)의 제1 작동점, 제2 작동점 또는 제3 작동점에서 제1 계량 공급 밸브(10) 및/또는 제2 계량 공급 밸브(16)를 통해 수소를 공급받는 제1 작동 단계(301)를 포함한다. 바이패스(15)의 활성화된 상태에서 그리고/또는 개방된 바이패스 밸브(35)에서 각각의 제트 펌프(4, 6)의 각각의 차단 요소(18, 20) 및/또는 각각의 계량 공급 밸브(10, 16)가 연료 전지 시스템(31)의 제4 작동점에서 폐쇄되는 제2 작동 단계(303)에서, 재순환 매체의 재순환은 적어도 거의 방지될 수 있다. 이 경우, 연료 전지(32)는 바이패스(15)에 의해 적어도 거의 독점적으로 추진 매체를 공급받는다. 이러한 제2 작동 단계(303)는, 연료 전지(32) 및/또는 스택으로부터 수분, 특히 물 또는 잔류 기체들, 특히 질소를 제거하는 데 도움이 될 수 있다. 이는 특히, 낮은 외부 온도에서의 장기간 정지 시간이 발생할 수 있는 전체 차량의 턴-오프 과정에서 유용하다.
본 발명은 바람직한 실시예에 의하여 위에서 완전히 설명되었음에도 불구하고, 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법 및 방식으로 변형 가능하다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 시스템(31)의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1)이며, 이러한 장치는, 부하에 따라 각각 개별적으로 또는 공동으로 작동 가능한, 병렬 연결된 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들을 포함하고, 제트 펌프(4, 6)들에는 적어도 간접적으로 추진 매체가, 특히 탱크(34)로부터 탱크 라인(27) 및/또는 제2 유입부(36)를 통해 공급되고, 제트 펌프(4, 6)들 각각은 유입측에 각각 제1 밸브(10, 16), 바람직하게는 제1 계량 공급 밸브(10, 16)를 포함하며, 각각의 제트 펌프(4, 6)는 적어도 하나의 연결 라인(29) 및 적어도 하나의 복귀 라인(23)을 통해 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 연료 전지(32)와 연결되고, 연료 전지(32)로부터 나오는 미사용 재순환물을 공급받는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치에 있어서,
    장치(1)는 바이패스(15)를 포함하고, 이러한 바이패스에 의해서는, 재순환물의 재순환이 장치(1)에 의해 실행되는 일 없이 장치(1)가 독점적으로 추진 매체를 특히 연결 라인(29)을 통해 연료 전지(32)로 이송하는 방식으로, 병렬 연결된 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들이 특히 유체 공학적으로 우회될 수 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 바이패스(15)는 제1 보어(19)와, 특히 바이패스 조절 밸브(35)로서 형성된 바이패스 밸브(35)와, 그리고 제2 보어(21)를 포함하며, 바이패스(15)는 바이패스 밸브(35)에 의해 차단될 수 있고, 특히 제1 보어(19)는 바이패스 밸브(35)에 의해 제2 보어(21)로부터 유체 공학적으로 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바이패스(15)와 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들은 장치(1)의 공동의 본체(8) 내에 위치하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들 및 바이패스(15)의 하류에 유출 챔버(39)가 존재하고, 바이패스(15)는 유출 챔버(39)와 유입부(36)를 적어도 간접적으로 유체 공학적으로 서로 연결하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 제트 펌프(4, 6)는 유출측에서 각각 차단 요소(18, 20), 예를 들어 플랩(18, 20) 또는 밸브(18, 20)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  6. 제5항에 있어서, 적어도 2개의 제트 펌프(4, 6)들의 유동 윤곽들 및 바이패스(15)는 각각의 차단 요소(18, 20)에 의해 유체 공학적으로 서로 분리되고 그리고/또는 분리 가능하고, 각각의 제트 펌프(4, 6)를 통한, 한편으로는 유동 방향(III)으로의 유동과, 다른 한편으로는 유동 방향(III)에 반대한 역류가 방지되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 바이패스 밸브(35)는 본체(8) 내에서 제트 펌프(4, 6)들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 바이패스 밸브(35)는 제1 및 제2 계량 공급 밸브(10, 12)와 구조상 적어도 거의 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템(31) 내의 장치(1)의 작동을 위한 작동 방법(300)이며,
    이러한 작동 방법은,
    Figure pct00001
    바이패스(15)의 비활성화된 상태에서 그리고/또는 폐쇄된 바이패스 밸브(35)에서 제1 제트 펌프(4) 또는 제2 제트 펌프(6) 또는 이러한 두 제트 펌프(4, 6)들이 동시적으로 연료 전지 시스템(31)의 제1 작동점, 제2 작동점 또는 제3 작동점에서 제1 계량 공급 밸브(10) 및/또는 제2 계량 공급 밸브(16)를 통해 수소를 공급받는 제1 작동 단계(301)와;
    재순환 매체의 재순환을 적어도 거의 방지하기 위하여 그리고 연료 전지(32)에 바이패스(15)에 의해 적어도 거의 독점적으로 추진 매체를 공급하기 위하여, 바이패스(15)의 활성화된 상태에서 그리고/또는 개방된 바이패스 밸브(35)에서 각각의 제트 펌프(4, 6)의 각각의 차단 요소(18, 20) 및/또는 각각의 계량 공급 밸브(10, 16)가 연료 전지 시스템(31)의 제4 작동점에서 폐쇄되는 제2 작동 단계(303);를 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 장치의 작동을 위한 작동 방법(300).
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 구비한 연료 전지 시스템(31)이며, 장치(1)는 연료 전지 시스템(31)의 애노드 회로 내에 배열되는, 연료 전지 시스템(31).
KR1020247018002A 2021-11-02 2022-10-07 연료 전지 시스템의 애노드 회로 내의 애노드 기체를 재순환하기 위한 장치 및 작동 방법, 연료 전지 시스템 KR20240091201A (ko)

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