KR20230162564A - 연료 전지 배기 시스템 - Google Patents
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Abstract
특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템은 연료 전지 배기가스가 유동할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인과 연료 전지 배기가스가 유동할 수 있는 소음기 유닛(14)을 포함하고, 상기 소음기 유닛(14)은 연료 전지 배기가스 유입 영역과 연료 전지 배기가스 배출 영역을 갖는 소음기 하우징(20), 소음기 하우징 내에 형성된 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38), 소음기 하우징(20)의 하우징 베이스(72)에 의해 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)로부터 분리된 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)를 포함하고, 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션(16)은 연료 전지 배기가스 유입 영역에 연결되고, 연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션(24)은 연료 전지 배기가스 배출 영역에 연결되며, 상기 하우징 베이스(72)에는 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)를 액체 교환을 위한 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)와 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76)가 제공되며, 상기 소음기 하우징(20)에 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 액체를 배출하기 위한 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)가 제공된다.
Description
본 발명은 연료 전지에서 방출된 처리 가스가 연료 전지 배기가스로서 주변으로 방출될 수 있게 하는 연료 전지 배기 시스템에 관한 것이다.
특히 전기 모터에 의해 작동되는 차량에서 주행 전기 모터 및 이러한 차량의 전기 에너지의 기타 소비 장치를 작동하기 위한 에너지를 제공할 수 있도록 하기 위해, 연료 전지를 사용하는 것이 공개되어 있다. 이와 같은 연료 전지의 작동 중에 수소 또는 수소가 고농축된 애노드 가스가 애노드 영역에 공급된다. 캐소드 영역에는 산소 또는 산소를 함유한 공기가 캐소드 가스로서 공급된다. 수소와 산소를 물로 변환하여 전류가 생성된다. 수소가 고갈된 애노드 배기가스 및 물이 풍부한 캐소드 배기가스는 연료 전지 배기가스 또는 처리 가스로서 연료 전지에서 방출된다. 연료 전지 작동 중에 적어도 캐소드 배기가스는 주변으로 방출된다. 연료 전지 작동을 시작하기 전에 예를 들어 특히 애노드 영역의 세정 시와 같은 다양한 작동 단계에서, 애노드 배기가스 또는 이러한 작동 단계에서 애노드 영역을 통해 안내되는 가스도 주변으로 방출될 수 있다.
본 발명의 과제는, 연료 전지 작동 시 발생하는 소음을 감쇠시키면서 연료 전지 배기가스에 포함된 액체, 특히 물을 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 유동할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인과 연료 전지 배기가스가 유동할 수 있는 소음기 유닛을 포함하는, 특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템에 의해 해결되며, 상기 소음기 유닛은 다음을 포함한다:
- 연료 전지 배기가스 유입 영역과 연료 전지 배기가스 배출 영역을 갖는 소음기 하우징, 상기 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션은 연료 전지 배기가스 유입 영역에 연결되고, 연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션은 연료 전지 배기가스 배출 영역에 연결되고,
- 소음기 하우징 내에 형성된 적어도 하나의 소음기 챔버,
- 소음기 하우징의 하우징 베이스에 의해 적어도 하나의 소음기 챔버로부터 분리된 적어도 하나의 액체 수집 챔버, 상기 하우징 베이스에는 적어도 하나의 소음기 챔버를 액체 교환을 위한 적어도 하나의 액체 수집 챔버와 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구가 제공되며, 상기 소음기 하우징에 적어도 하나의 액체 수집 챔버로부터 액체를 배출하기 위한 적어도 하나의 액체 배출 개구가 제공된다.
본 발명에 따라 구성된 연료 전지 배기 시스템에서 사용되는 소음기 유닛은 연료 전지 시스템의 작동 중에 특히, 압축기와 같은 다양한 가스 흐름을 운반하는 공기 압축기에 의해 발생하는 소음을 감쇠시키는 기능을 연료 전지 배기가스에 포함된 액체, 특히 물을 추출하는 것과 결합한다. 이로써, 한편으로는 연료 전지 시스템의 작동 중에 차량 주변에서 발생하는 소음이 실질적으로 감지되지 않거나 매우 감쇠되어 감지될 수 있는 반면, 동시에 뜨거운 물이나 수증기가 풍부한 연료 전지 배기가스의 흐름의 방출이 저지되는 것이 보장된다. 소음기 유닛의 영역에서 연료 전지 배기가스에서 제거된 물은 필요한 경우 연료 전지 시스템의 작동 회로에 재공급되거나, 액체 형태로 주변으로 배출될 수 있다.
효율적인 흡음을 위해 소음기 하우징에는 각각 분리벽에 의해 서로 분리된 복수의 소음기 챔버가 형성될 수 있다. 이 경우, 각 소음기 챔버는 하우징 베이스에 의해 적어도 하나의 액체 수집 챔버로부터 분리될 수 있어, 각 소음기 챔버로부터 거기에 수집된 액체가 배출될 수 있다.
모든 소음기 챔버로부터 액체의 균일한 배출을 위해 각각의 소음기 챔버와 관련하여 하우징 베이스에 적어도 하나의 액체 통과 개구가 제공될 수 있다.
소음기 하우징을 통해 또는 거기에 형성된 소음기 챔버를 통해 규정된 방식으로 연료 전지 배기가스 흐름을 안내하기 위해, 적어도 하나의 소음기 챔버 내에서 연장되는 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 파이프가 소음기 하우징 내에 제공되는 것이 제안되고, 상기 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 파이프는 예를 들어 파이프 벽에 형성된 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 개구를 통해 적어도 하나의 소음기 챔버에 대해 개방되어 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 소음기 챔버가 연료 전지 배기가스 파이프에 형성된 개구와 함께 헬름홀츠 공진기의 공진기 챔버를 형성하도록 제공될 수도 있다.
그럼에도 불구하고 가능한 한 낮은 유동 저항을 도입하는 컴팩트한 구성을 위해, 소음기 하우징이 소음기 하우징 종축의 방향으로 연장되고, 이 경우 연료 전지 배기가스 유입 영역이 소음기 하우징의 상류 축방향 단부 영역에 형성되고, 연료 전지 배기가스 배출 영역이 소음기 하우징의 하류 축방향 단부 영역에 형성되는 것이 제공될 수 있다. 이로써 연료 전지 배기가스는 실재 유동 편향 없이 실질적으로 직선으로 소음기 유닛을 유동할 수 있다.
연료 전지 배기가스 유입 영역은 상류 소음기 챔버에 대해 개방되어 있을 수 있고, 연료 전지 배기가스 배출 영역은 하류 소음기 챔버에 대해 개방되어 있을 수 있으며, 상류 소음기 챔버는 적어도 하나의 분리벽 및/또는 적어도 하나의 추가 소음기 챔버에 의해 하류 소음기 챔버로부터 분리될 수 있다.
연료 전지 배기가스로부터 액체 분리 효과를 높이기 위해, 소음기 하우징 내에 액체 분리 챔버가 형성하고, 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션은 액체 분리 챔버에 대해 개방되어 있을 수 있고, 액체 분리 챔버는 분리벽에 의해 소음기 챔버로부터 분리되는 것이 제안된다. 액체 분리 챔버는 하우징 베이스에 의해 적어도 하나의 액체 수집 챔버로부터 분리될 수 있으며, 액체 분리 챔버를 액체 교환을 위한 적어도 하나의 액체 수집 챔버와 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구가 하우징 베이스에 제공된다.
액체 분리 챔버의 영역에서 연료 전지 배기가스로부터 액체를 차단하기 위해, 액체 분리 챔버에서 연장되는 분리 라인 섹션의 상류 분리 라인부는 연료 전지 배기가스 유입 영역에서 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션에 연결될 수 있고, 하류 분리 라인부는 액체 분리 챔버를 소음기 챔버로부터 분리하는 분리벽을 관통하고 및/또는 적어도 하나의 소음기 챔버에 대해 개방되어 있다. 상류 분리 라인부에 대한 하류 분리 라인부의 인접 영역에 액체 분리 챔버에 대해 개방된, 바람직하게는 실질적으로 링형의 액체 분리 개구를 갖는 개방 영역이 형성될 수 있다.
이러한 개방 영역에 하류 분리 라인부의 상류 단부 섹션은 상류 분리 라인부의 하류 단부 섹션에 맞물리도록 위치 설정될 수 있어서, 하류 분리 라인부의 상류 단부 섹션과 상류 분리 라인부의 하류 단부 섹션 사이에 액체 분리 개구가 형성된다. 이를 위해, 예를 들어 상류 분리 라인부의 하류 단부 섹션은 배기가스 메인 유동 방향으로 바람직하게 실질적으로 원추형으로 넓어지도록 설계될 수 있고, 및/또는 하류 분리 라인부의 상류 단부 섹션은 배기가스 메인 유동 방향으로 바람직하게 실질적으로 원추형으로 넓어지도록 설계될 수 있다.
분리 라인 섹션의 이러한 실시예에서, 유동 중심축에 대해 연료 전지 배기가스 흐름의 방사 방향 외측 영역에 비교적 높은 농도의 액체가 수집되는 것과 연료 전지 배기가스 흐름의 액체가 풍부한 방사 방향 외측 부분이 액체 분리 개구를 통해 액체 분리 챔버로 배출될 수 있는 것을 보장하기 위해, 액체 분리 개구의 상류에 선회류 생성 유닛이 제공되는 것이 제안된다. 이러한 선회류 생성 유닛은 예를 들어 디젤 내연 기관의 배기 시스템에서, SCR 촉매 컨버터 유닛의 상류 영역에서 배기가스 흐름에 난류를 생성하여 배기가스와 이 배기가스에 주입되는 환원제의 혼합을 개선하기 위해 사용된다.
이러한 선회류 생성 유닛은 유동 중심축에 대해 원주 방향으로 연속하며 배기가스 메인 유동 방향에 대해 설정된 복수의 유동 편향 부재를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 액체 수집 챔버와 관련하여, 예를 들어 다음이 또한 제공될 수 있다:
- 상기 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)를 선택적으로 해제하고 폐쇄하기 위한 액체 배출 밸브(82); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70) 내의 액체 레벨에 대한 정보를 제공하기 위한 액체 레벨 센서(84); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)에 수집된 액체를 가열하기 위한 가열 유닛(86); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 수소를 배출하기 위한 적어도 하나의 수소 배출 개구(90).
액체 배출 밸브를 사용하면, 적어도 하나의 액체 수집 챔버에 수집된 액체를, 충분한 양이 존재할 때 그리고 예를 들어 연료 전지 시스템의 작동 중에 액체의 재공급이 필요하거나 바람직할 때, 적어도 하나의 액체 수집 챔버로부터 배출하여 작업 프로세스로 재공급하는 것이 가능하다. 충분한 양의 액체가 수집되었는지 또는 액체 수집 챔버에서 적어도 일부가 배출되어야 할 정도로 많은 양의 액체가 이미 수집되었는지에 대한 정보는 액체 레벨 센서에 의해 제공될 수 있다. 적어도 하나의 액체 수집 챔버에 수집된 액체가 비교적 낮은 온도에서도 배출될 수 있는 것과 동결된 액체가 배출을 차단하지 않는 것을 보장하기 위해, 예를 들어 가열 코일 등을 포함하여 전기적으로 여기될 수 있는 가열 유닛이 작동될 수 있다. 연료 전지 배기가스로서 어떤 가스 처리 흐름이 연료 전지 배기 시스템을 통해 안내되는지에 따라, 연료 전지 배기가스는 수소도 포함할 수 있기 때문에, 적어도 하나의 액체 수집 챔버에서 임계적 수소 농도의 발생을 방지하기 위해 적어도 하나의 수소 배출 개구를 이용해서 실질적으로 연속적으로 수소를 주변으로 배출하는 가능성이 제공된다.
연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션에 연료 전지 배기가스 중 수소 함량에 대한 정보를 제공하기 위한 수소 센서가 제공될 수 있다. 하류 라인 섹션을 통해 유동하는 연료 전지 배기가스 중 수소의 농도가 너무 높은 것이 검출되는 경우, 수소 농도를 낮추기 위해, 연료 전지 배기가스에 예를 들어 더 많은 양의 공기가 혼합될 수 있다. 또한, 가스 흐름 조절 밸브가 상류 라인 섹션에 배치될 수 있다. 이러한 가스 흐름 조절 밸브는, 연료 전지 배기 시스템에서 유동 저항을 규정된 방식으로 조정하는 것을 가능하게 하여, 연료 전지 시스템의 작동에 필요한 배압을 유지하거나 조정하기 위한 압력 유지 밸브의 기능이 수행될 수 있다. 또한, 이러한 가스 흐름 조절 밸브도, 예를 들어 연료 전지의 캐소드 배기가스 및/또는 애노드 배기가스, 또는 필요한 경우 수소 농도를 낮추는 데 필요한 추가의 공기량을 연료 전지 배기 시스템으로 도입하기 위해, 규정된 방식으로 다양한 가스 흐름을 연료 전지 배기 시스템으로 도입하도록 설계될 수 있다.
연료 전지 배기가스에 포함된 액체의 응결을 지원하기 위해, 연료 전지 배기가스 라인의 상류 라인 섹션에 콘덴서 유닛이 배치될 수 있다. 콘덴서 유닛에서, 예를 들어 일반적으로 연료 전지 배기가스보다 차가운 주변 공기와 연료 전지 배기가스 사이의 열 교환에 의해 연료 전지 배기가스에 포함된 액체의 응결이 유발될 수 있다. 냉각 매체로서 액체의 사용도 가능하다. 액체에 흡수된 열은 예를 들어 열교환기에서 차량 내부로 유입될 공기로 전달될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다.
도 1은 연료 전지 배기 시스템의 측면도.
도 2는 소음기 유닛이 개방되어 도시된 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 측면 사시도.
도 3은 소음기 유닛이 개방되어 도시된 연료 전지 배기 시스템의 측면도.
도 4는 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 소음기 유닛의 측면도.
도 5는 소음기 하우징이 개방되어 도시된 소음기 유닛의 측면 사시도.
도 6은 소음기 하우징이 개방되어 도시된 소음기 유닛의 측면도.
도 7은 선회류 생성 유닛의 사시도.
도 8은 축방향으로 본 도 7의 선회류 생성 유닛을 도시한 도면.
도 9는 도 8에 대응하는 선회류 생성 유닛의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 2는 소음기 유닛이 개방되어 도시된 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 측면 사시도.
도 3은 소음기 유닛이 개방되어 도시된 연료 전지 배기 시스템의 측면도.
도 4는 도 1의 연료 전지 배기 시스템의 소음기 유닛의 측면도.
도 5는 소음기 하우징이 개방되어 도시된 소음기 유닛의 측면 사시도.
도 6은 소음기 하우징이 개방되어 도시된 소음기 유닛의 측면도.
도 7은 선회류 생성 유닛의 사시도.
도 8은 축방향으로 본 도 7의 선회류 생성 유닛을 도시한 도면.
도 9는 도 8에 대응하는 선회류 생성 유닛의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 1 내지 도 3은 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 유동할 수 있는 공통적으로 12로 표시된 연료 전지 배기가스 라인(12)과 연료 전지 배기가스 라인(12)에 통합된 소음기 유닛(14)을 포함한다. 소음기 하우징(20)의 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 소음기 유닛(14)에 연결된다. 소음기 하우징(20)의 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)은 소음기 유닛(14)에 연결된다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 하나 이상의 연료 전지에 의해 방출된 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 처리 가스로서 연료 전지 배기가스를 방출하는, 하나 이상의 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 다양한 시스템 영역에 연결되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 배기가스(B)로서 애노드 영역에서 방출되는 처리 가스 및/또는 캐소드 영역에서 방출되는 처리 가스를 규정된 방식으로 연료 전지 배기 시스템(10)으로 도입하기 위해, 연료 전지의 또는 각각의 연료 전지의 애노드 영역 및/또는 캐소드 영역은 상류 단부 영역에 연결될 수 있다. 또한, 예를 들어 주변에 대해 개방된 라인 영역을 통해 주변 공기는 연료 전지 배기 시스템(10)으로 도입될 수 있다.
연료 전지 배기 시스템(10)에서 생성된 배압 또는 상기 시스템으로 도입되는 가스 흐름을 조정하기 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 흐르는 연료 전지 배기가스 흐름의 수소 농도에 대한 정보를 제공하기 위해, 하류 라인 섹션(24)에 수소 센서(30)가 제공될 수 있다. 상기 배기가스 흐름은 특히 연료 전지 작동 시작 시 또는 시작 전에 애노드 영역이 세정될 때 및 애노드 영역에서 방출된 처리 가스가 연료 전지 배기 시스템(10)을 통해 주변으로 방출될 때 수소를 포함할 수 있다. 수소 센서(30)에 의해 생성된 신호가 수소 농도가 너무 높은 것을 나타내면, 연료 전지 배기 시스템(10)을 통해 안내되는 연료 전지 배기가스(B)에 예를 들어 가스 흐름 조절 밸브(28)의 적절한 활성화에 의해 앞서 언급한 라인 영역을 통해 공기량 또는 증가한 공기량이 혼합될 수 있고, 이로써 더 낮은 수소 농도가 달성될 수 있다.
공통적으로 31로 표시된 콘덴서 유닛이 소음기 유닛(14)의 상류에 제공될 수 있으며, 상기 콘덴서 유닛은 특히 연료 전지 배기가스(B)에서 운반되는 액체, 일반적으로 물의 응결을 지원한다. 소음기 유닛(14)에서는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 이러한 응결된 액체가 연료 전지 배기가스(B)로부터 제거되고, 수집되어 연료 전지 프로세스에 재공급될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 소음기 유닛(14)의 구조 및 기능에 대하여 상세히 설명된다.
소음기 하우징(20)은 소음기 하우징 종축(L) 방향으로 연장되고, 상류 단부 영역(32)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)을 연결하도록 형성된다. 하류 단부 영역(34)에서 소음기 하우징(20)은 연료 전지 배기가스 라인의 하류 라인 섹션(24)을 연결하도록 형성된다. 예를 들어, 라인 섹션(16, 24)은 파이프 클램프 등을 사용하여 소음기 하우징(20)의 대응하는 접속용 파이프에 연결될 수 있다.
소음기 하우징(20) 내부에는 2개의 소음기 챔버(36, 38) 및 액체 분리 챔버(40)가 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)에 대해 개방되어 있다. 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 액체 분리 챔버(40) 내에 배치된 분리 라인 섹션(46)을 통해 2개의 소음기 챔버(36, 38)에 대해 개방되어 있다.
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 연결되는, 파이프 형의 상류 분리 라인부(48)와 분리벽(42)에 연결되거나 상기 분리벽을 관통하는 하류 분리 라인부(50)를 포함한다. 분리 라인 섹션(46)의 하류 분리 라인부(50)는 소음기 하우징(12) 내부에서 연장되는 하나의 부분 또는 다수의 부분으로 형성된 연료 전지 배기가스 파이프(52)에 연결되거나 상기 파이프와 일체형으로 형성될 수 있다. 연료 전지 배기가스 파이프(52)의 파이프 벽(54)에 형성된 복수의 개구(56)를 통해 상기 파이프는 상류 소음기 챔버(36)에 대해 개방되어 있다. 연료 전지 배기가스 파이프(52)는 파이프 벽(54)에 형성된 복수의 개구(58)를 통해 하류 소음기 챔버(38)에 대해 개방되어 있다. 연료 전지 배기가스 파이프(52)는 2개의 소음기 챔버(36, 38)를 서로 분리하는 분리벽(44)을 통해 연장되거나 적어도 부분적으로 상기 분리벽과 일체로 형성될 수 있고, 소음기 하우징(20)의 하류 단부 영역(34)에서 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)에 연결된다.
이러한 구조에서, 소음기 유닛(14)을 통해 안내되는 연료 전지 배기가스(B)는 실질적으로 유동 편향 없이 소음기 하우징 종축(L)을 따라 직선으로 소음기 하우징(20)을 유동할 수 있어서, 소음기 유닛(14)에 의해 실재 유동 저항이 생성되지 않는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 서로 다른 소음기 챔버(36, 38)와의 연결을 통해 반사 및 흡수에 의해 소음을 감쇠시킬 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 소음기 챔버(36, 38) 중 하나 또는 둘 모두에 추가로 흡음 재료, 예를 들어 다공성 섬유 또는 발포 재료가 배치될 수 있다. 2개 이상의 연속하는 소음기 챔버도 제공될 수 있거나 소음기 하우징(20)의 내부에 이러한 단일 소음기 챔버만이 제공될 수 있는 것이 참조되어야 한다. 또한, 소음기 챔버 중 적어도 하나는 헬름홀츠 공진기의 공진기 챔버로서 작용할 수 있으며, 서로 다른 소음기 챔버들은 추가의 연료 전지 배기가스 파이프를 통해 서로 연결될 수 있다.
상류 분리 라인부는 하류 단부 섹션(60)을 포함하고, 상기 섹션은 유동 중심축(S)을 따라 배기가스 메인 유동 방향(H)을 향해 예를 들어 실질적으로 원추형으로 넓어지도록 설계된다. 마찬가지로, 하류 분리 라인부는 상류 단부 섹션(62)을 포함하고, 상기 섹션은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 이 영역에서 예를 들어 원추형으로 넓어지도록 설계되고, 상류 분리 라인부(48)의 하류 단부 섹션(60)에 맞물리도록 위치 설정된다. 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 유동 중심축(S)을 따라 방사 방향으로 넓어지는 단부 섹션들(60, 62) 사이에는, 분리 라인 섹션(46)의 개방 영역(64)에 실질적으로 링형의 액체 분리 개구(66)가 형성된다.
개방 영역(64)의 상류에, 예를 들어 소음기 하우징(20)의 상류 단부벽을 제공하는 하우징 커버와 일체로 형성된 상류 분리 라인부(48)에 또는 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)에 선회류 생성 유닛(68)이 배치된다. 상기 유닛은 유동 중심축(S) 주위의 원주 방향으로 연속하고 배기가스 메인 유동 방향(H)에 대해 설정된, 실질적으로 방사 방향으로 연장되는 복수의 유동 편향 부재(69)를 포함할 수 있다. 선회류 생성 유닛(68)에 의해 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 안내되는 연료 전지 배기가스(B)에 선회류가 생성된다. 이러한 선회 유동 및 거기에서 생기는 원심력으로 인해 연료 전지 배기가스(B)에서 운반되는 액체 부분, 예를 들어 물방울 등이 방사 방향 외측으로 이동하여 연료 전지 배기가스 흐름의 방사 방향 외측 영역에 더 높은 농도로 수집된다. 연료 전지 배기가스 흐름의 이러한 방사 방향 외측 부분은 적어도 부분적으로 액체 분리 개구(66)를 통해 액체 분리 챔버(40) 내로 방출될 수 있어서, 연료 전지 배기가스 흐름으로부터 추출된 액체가 액체 분리 챔버(40)에 수집될 수 있다.
차량에 장착된 연료 전지 배기 시스템(10)에서 수직 방향(V)으로 소음기 하우징(20)의 하부 영역에 유체 수집 챔버(70)가 형성된다. 상기 챔버는 바람직하게는 소음기 하우징(20)의 전체 길이를 따라 상기 하우징의 상류 단부 영역(32)으로부터 하류 단부 영역(34)까지 연장되고, 하우징 베이스(72)에 의해 2개의 소음기 챔버(36, 38) 및 액체 분리 챔버(40)로부터 분리된다. 이들 각각의 챔버와 관련하여 하우징 베이스(72)에 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76 또는 78)가 각각 형성된다. 각각의 소음기 챔버(36, 38) 또는 액체 분리 챔버(40)에 수집되는 액체는 관련된 액체 통과 개구(74, 76, 78)를 통해 액체 수집 챔버(40)에 도달하여 거기에 수집될 수 있다.
액체 수집 챔버(70)와 관련하여, 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)에는 액체 배출 밸브(82)가 제공된다. 도 1 내지 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 차량에 장착된 연료 전지 배기 시스템에서 소음기 하우징(20)은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 아래로 기울어져 있어서, 액체 배출 개구(80)가 위치 설정된 액체 수집 챔버의 영역은 실질적으로 액체 수집 챔버(70)의 수직 방향(V)으로 가장 낮은 영역을 형성한다. 이는, 액체 수집 챔버(70)에 포함된 액체가 원칙적으로 액체 배출 개구(80) 또는 액체 배출 밸브(82)의 영역에 수집되어, 액체 배출 밸브(82)가 개방되면, 중력의 영향으로 액체가 액체 수집 챔버(80)로부터 유출될 수 있고 예를 들어 연료 전지 프로세스에 재공급되거나 액체 형태로 주변으로 배출될 수 있다.
액체 수집 챔버(70)와 관련하여, 도 6에 기본적으로 도시된 액체 레벨 센서(84)가 제공될 수 있고, 상기 센서의 출력 신호는, 액체 수집 챔버(70)에 어느 정도 양의 액체가 수집되었는지를 나타낸다. 이러한 양이, 연료 전지 작동 중에 액체, 즉 물을 이용할 수 있을 정도로 충분한 정도이면, 액체 배출 밸브(82)가 개방될 수 있다. 임계 레벨이 초과되고 적어도 하류 소음기 챔버(38)의 가장 낮은 영의 액체가 더 이상 액체 수집 챔버(70)로 빠져나갈 수 없는 위험이 있는 경우에도, 액체 배출 밸브(82)는, 액체 수집 챔버(70)로부터 액체를 배출하기 위해 개방될 수 있다.
또한, 도 6에 기본적으로 도시된 가열 유닛(86)이 액체 수집 챔버(70)에 관련될 수 있다. 상기 가열 유닛은 전기적 여기에 의해 액체 수집 챔버(70)에 수집된 액체를 가열할 수 있고 따라서 액체의 동결을 저지할 수 있거나 이미 동결된 액체를 다시 녹일 수 있다. 이는, 언제든지, 그리고 특히 비교적 낮은 주변 온도에서도 액체가 액체 수집 챔버(70)로부터 배출될 수 있고, 예를 들어 연료 전지 작동 중에 다시 이용될 수 있는 것을 보장한다.
또한, 수소 배출관(88)에 의해 제공되는 적어도 하나의 수소 배출 개구(90)가 액체 수집 챔버(70)와 관련하여 제공될 수 있다. 이러한 수소 배출 개구(90)는, 액체 수집 챔버(70)의 가장 높은 영역보다 상기 배출 개구가 수직 방향(V)으로 더 높게 놓이도록 위치 설정될 수 있다. 따라서 연료 전지 작동 중에 또는 애노드 영역의 세정 중에 연료 전지 배기 시스템(10)으로 유입된 수소는, 이것이 액체 통과 개구(74, 76, 78)를 통해 액체 수집 챔버(70)에 도달하면, 액체 수집 챔버(70)의 최상부 영역에 수집될 수 있고, 상기 영역에서 액체 수집 챔버(70)는 수소 배출 개구(90)를 통해 주변에 대해 개방되어 있다. 따라서, 액체 수집 챔버(70)에 도달하는 수소는, 액체 수집 챔버(70)에 임계 수소 농도가 형성될 위험 없이, 실질적으로 영구적으로 주변으로 방출될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 연료 전지 배기 시스템(10)에서 사용될 수 있는 선회류 생성 유닛(68)의 실시예를 더 상세히 도시한다. 상기 유닛은 예를 들어 박판 재료로 이루어져 일체형으로 구부러질 수 있고, 링형 또는 실질적으로 원통형 바디(88)를 포함하고, 상기 바디에 의해 선회류 생성 유닛(68)은 예를 들어 상류 분리 라인부(48)에 고정될 수 있다. 셔블형으로 형성되어 원주 방향으로 연속해서 배치되는 유동 편향 부재(69)는 바디(68)로부터 방사 방향 내측으로 연장되어, 상기 부재들의 예를 들어 방사 방향 내측 단부 영역들이 원주 방향으로 부분적으로 중첩된다. 유동 편향 부재(69)는 배기가스 메인 유동 방향(H)에 대해, 즉 90°가 아닌 각도로 기울어져 설정되므로, 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 선회류 생성 유닛(68)으로 유동할 연료 전지 배기가스(B)가 유동 중심축(S)에 대해 원주 방향으로 유동 편향 부재(69)에서 편향되어 선회 유동이 생성된다.
대안적인 실시예에서 선회류 생성 유닛(68)은 플라스틱부로 형성될 수 있다. 이는 가볍고 제조 비용이 저렴하며 내부식성 구성을 제공하며 또한 설계의 자유도가 높은 선회류 생성 유닛(68)의 구조를 가능하게 한다.
연료 전지 배기가스 라인(12) 및 소음기 유닛(14)과 같은 연료 전지 배기 시스템(10)의 다른 시스템 영역 또는 구성요소도 실질적으로 전체적으로 플라스틱 재료로 구성될 수 있음을 참조해야 한다. 이는 가볍고, 제조 비용이 저렴하며, 특히 연료 전지 배기가스(B)에 포함된 물에 대해 내부식성인 연료 전지 배기 시스템(10)의 구조에 기여한다.
원주 방향으로 편향의 정도와 그에 따른 생성된 선회 유동의 정도 및 동시에 또한 유동 편향 부재(69)에 의해 생성된 유동 감쇠의 정도는 배기가스 메인 유동 방향(H)에 대해 유동 편향 부재(69)의 설정 각도에 의존한다. 도 7 및 도 8에 도시된 실시예에서 유동 편향 부재(69)의 각도는 비교적 작고, 즉 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 더 배향되어 있으므로, 원주 방향으로 연료 전지 배기가스 흐름의 덜 심한 편향이 생긴다. 도 9는 원주 방향으로 더 확장된 유동 편향 부재(69)가 배기가스 메인 유동 방향에 대해 더 크게 설정된 선회류 생성 유닛(68)의 실시예를 도시한다. 도 9에 도시된 선회류 생성 유닛(68)의 구조로, 연료 전지 배기가스 흐름은 원주 방향으로 더 많이 편향되고, 이는 연료 전지 배기가스에 포함된 액체 입자에 작용하는 원심력 증가에 기여한다.
본 발명에 따른 연료 전지 배기 시스템은 그것의 작동 또는 차량의 연료 전지 시스템의 작동을 위해 바람직하거나 관련된 기능을 통합한다. 한편으로 소음기 유닛의 소음 감쇠 기능은, 예를 들어 연료 전지를 통해 처리 가스를 안내하는 압축기에 의해 연료 전지 배기가스의 유동 경로에서 발생하는 소음이 줄거나 거의 완전히 제거되는 것을 보장한다. 다른 한편으로, 연료 전지 배기가스에 포함된 액체, 특히 물을 연료 전지 배기가스로부터 추출하여, 이것이 주변으로 방출되지 않고, 필요 시 연료 전지 시스템의 작동 사이클에 재공급될 수 있다. 연료 전지 프로세스에서 이용될 수 없는 연료 전지 배기가스에서 분리된 물은 액체 형태로 주변으로 방출될 수 있다. 특히 소음기 유닛의 영역에서 임계 수소 농도의 발생은 주변으로 수소를 영구적으로 배출할 수 있음으로써 방지된다. 연료 전지 배기가스가 소음기 유닛을 실질적으로 직선으로 유동할 수 있다는 사실도 이러한 기능에 기여한다. 특히 소음기 유닛 내부의, 연료 전지 배기가스를 안내하는 파이프 섹션의 심한 구부림과 이로 인해 도입되는 유동 편향이 방지된다. 물 또는 수증기 및 수소는 연료 전지 시스템의 작동 중에 연료 전지 배기가스로부터 파생될 수 있으며, 필요한 경우 연료 전지 프로세스에 재공급될 수도 있으므로, 차량의 주변에 이러한 물질의 공급이 대부분 방지된다. 이러한 연료 전지 배기 시스템은 예를 들어 정지 상태에서 작동되는 연료 전지 시스템 및 예를 들어 선박 등에서 작동되는 연료 전지 시스템에도 적용될 수 있음이 참조되어야 한다.
Claims (15)
- 특히 차량의 연료 전지 시스템용 연료 전지 배기 시스템으로서,
상기 연료 전지 배기 시스템은:
연료 전지 배기가스(B)가 유동할 수 있는 연료 전지 배기가스 라인(12); 및
상기 연료 전지 배기가스(B)가 유동할 수 있는 소음기 유닛(14);을 포함하고,
상기 소음기 유닛(14)은:
- 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)과 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)을 갖는 소음기 하우징(20)으로서, 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 상기 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)에 연결되고, 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 하류 라인 섹션(24)은 상기 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)에 연결되는, 소음기 하우징(20);
- 소음기 하우징(30) 내에 형성된 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38); 및
- 상기 소음기 하우징(20)의 하우징 베이스(72)에 의해 상기 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)로부터 분리된 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로서, 상기 하우징 베이스(72)에는 상기 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)를 액체 교환을 위한 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)와 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76)가 제공되고, 상기 소음기 하우징(20)에는 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 액체를 배출하기 위한 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)가 제공되는, 액체 수집 챔버(70);를 포함하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 소음기 하우징(20)에는 각각 분리벽(44)에 의해 서로 분리된 복수의 소음기 챔버(36, 38)가 형성되고, 각 소음기 챔버(36, 38)는 상기 하우징 베이스(72)에 의해 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제2항에 있어서,
각 소음기 챔버(36, 38)와 관련하여 상기 하우징 베이스(72)에 적어도 하나의 액체 통과 개구(74, 76)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38) 내에서 연장되는 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 파이프(52)가 상기 소음기 하우징(20) 내에 제공되고, 상기 적어도 하나의 연료 전지 배기가스 파이프(52)는 적어도 하나이고 바람직하게는 복수인 개구(56, 58)를 통해 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)에 대해 개방되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소음기 하우징(20)은 소음기 하우징 종축(L) 방향으로 연장되고, 상기 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)은 상기 소음기 하우징(20)의 상류 축방향 단부 영역(32)에 형성되고, 상기 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)은 상기 소음기 하우징(20)의 하류 축방향 단부 영역(34)에 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)은 상류 소음기 챔버(36)에 대해 개방되어 있고, 상기 연료 전지 배기가스 배출 영역(22)은 하류 소음기 챔버(38)에 대해 개방되어 있고, 상기 상류 소음기 챔버(36)는 적어도 하나의 분리벽(44) 및/또는 적어도 하나의 추가 소음기 챔버에 의해 상기 하류 소음기 챔버(38)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소음기 하우징(20) 내에 액체 분리 챔버(40)가 형성되고, 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상류 라인 섹션(16)은 액체 분리 챔버(40)에 대해 개방되어 있고, 상기 액체 분리 챔버(40)는 분리벽(42)에 의해 소음기 챔버(36)로부터 분리되고, 상기 액체 분리 챔버(40)는 하우징 베이스(72)에 의해 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 분리되고, 상기 하우징 베이스(72)에는 상기 액체 분리 챔버(40)를 액체 교환을 위한 상기 액체 수집 챔버(70)와 연결하는 적어도 하나의 액체 통과 개구(78)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 액체 분리 챔버(40) 내에서 연장되는 분리 라인 섹션(46)의 상류 분리 라인부(48)는 상기 연료 전지 배기가스 유입 영역(18)에서 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상기 상류 라인 섹션(16)에 연결되고,
하류 분리 라인부(50)는 상기 액체 분리 챔버(40)를 상기 소음기 챔버(36)로부터 분리하는 상기 분리벽(42)을 관통하고, 그리고/또는 적어도 하나의 소음기 챔버(36, 38)에 대해 개방되어 있으며,
상기 상류 분리 라인부(48)에 대한 상기 하류 분리 라인부(50)의 인접 영역에는 상기 액체 분리 챔버(40)에 대해 개방되고 바람직하게는 실질적으로 링형의 액체 분리 개구(66)를 갖는 개방 영역(64)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 개방 영역(64)에서 상기 하류 분리 라인부(50)의 상류 단부 섹션(62)은 상기 상류 분리 라인부(48)의 하류 단부 섹션(60)에 맞물리도록 위치 설정되어, 상기 하류 분리 라인부(50)의 상기 상류 단부 섹션(62)과 상기 상류 분리 라인부(48)의 상기 하류 단부 섹션(60) 사이에 상기 액체 분리 개구(66)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 상류 분리 라인부(48)의 상기 하류 단부 섹션(60)은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 그리고 바람직하게는 실질적으로 원추형으로 넓어지도록 설계되고, 그리고/또는 상기 하류 분리 라인부(50)의 상기 상류 단부 섹션(62)은 배기가스 메인 유동 방향(H)으로 그리고 바람직하게는 실질적으로 원추형으로 넓어지도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 분리 개구(66)의 상류에는 선회류 생성 유닛(68)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 선회류 생성 유닛(68)은 유동 중심축(S)에 대해 원주 방향으로 연속하며 배기가스 메인 유동 방향에 대해 배치된 복수의 유동 편향 부재(69)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)와 관련하여:
- 상기 적어도 하나의 액체 배출 개구(80)를 선택적으로 해제하고 폐쇄하기 위한 액체 배출 밸브(82); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70) 내의 액체 레벨에 대한 정보를 제공하기 위한 액체 레벨 센서(84); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)에 수집된 액체를 가열하기 위한 가열 유닛(86); 및/또는
- 상기 적어도 하나의 액체 수집 챔버(70)로부터 수소를 배출하기 위한 적어도 하나의 수소 배출 개구(90);가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상기 하류 라인 섹션(24)에는 상기 연료 전지 배기가스(B) 중 수소 함량에 대한 정보를 제공하는 수소 센서(30)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상류 라인 섹션(16)에는 가스 흐름 조절 밸브(28)가 배치되고, 그리고/또는 상기 연료 전지 배기가스 라인(12)의 상기 상류 라인 섹션(16)에는 콘덴서 유닛(31)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 배기 시스템.
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