KR100645247B1 - 연료전지 시스템의 디퓨저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 연료전지 스택에서 잉여된 수소가 외부로 배출되는 과정에서 배출되는 수소가 공기에 희석되도록 하는 디퓨저의 구조를 개선하여 수소와 공기의 희석 효율이 증대되도록 할 뿐만 아니라, 디퓨저를 통과하는 수소의 농도가 실시간으로 모니터링되도록 하기 위한 연료전지 시스템의 디퓨저에 관한 것으로, 연료전지 시스템의 연료전지 스택으로 공급되었으나 반응 후 잉여되는 수소를 외부로 배출시키는 과정에서 수소를 공기에 희석된 후에 외부로 배출되도록 하는 연료전지 시스템의 디퓨저에 있어서,
하부는 크고 상부는 작은 2단의 원통형상으로 그 상부단이 개방형성된 챔버와; 상기 챔버의 하부에 파이프 형상으로 길게 연장형성된 수소유입구와; 상기한 챔버 내측에 연통된 수소유입구를 향해 공기가 높은 압력으로 분사되도록 형성된 에어 인젝터와; 상기 에어 인젝터에 높은 압력의 공기가 제공되도록 소정용적을 가진 채로 형성된 에어 탱크와; 상기한 수소유입구와 에어 인젝터에서 유입되는 수소와 공기가 혼합기에 포함된 수소의 농도를 측정하기 위해 챔버의 일측에 형성된 수소센서; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
연료전지, 디퓨저, 에어 인젝터

Description

연료전지 시스템의 디퓨저{Deffuser of the fuel cell system}
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 시스템 디퓨저의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 시스템 디퓨저의 단면구성도.
도3은 본 발명에 의한 디퓨저가 연료전지 시스템에 적용된 상태의 도면.
도 4는 본 발명에 위한 연료전지 시스템 디퓨저의 작동시 수소가 혼합된 공기의 흐름상태를 보인 도면.
도 5 내지 도 7은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 수소저장탱크 12 : 레귤레이터
13 : 에어 블로워 14 : 연료전지 스택
30 : 디퓨저 31 : 챔버
32 : 배출구 33 : 수소유입구
40 : 에어 인젝터 41 : 에어 탱크
42 : 에어 라인 43 : 유량조절 밸브
50 : 수소 센서 52 : 제어부
본 발명은 연료전지 시스템의 디퓨저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 연료전지 스택에서 잉여된 수소가 외부로 배출되는 과정에서 배출되는 수소가 공기에 희석되도록 하는 디퓨저의 구조를 개선하여 수소와 공기의 희석 효율이 증대되도록 할 뿐만 아니라, 디퓨저를 통과하는 수소의 농도가 실시간으로 모니터링되도록 하기 위한 연료전지 시스템의 디퓨저에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 경유나 공업용 연료의 기체와 전해질 사이의 화학반응의 일부로 전력을 발생시켜 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 전환 시스템으로, 일반 배터리와는 달리 연료전지는 재충전이 필요없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다.
연료전지는 전해질(Electrolyte)과 두개의 전극(Electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기와 열 그리고 물이 만들어지게 되며, 우주선과 같이 내연기관이 실질적으로 활용되지 못하는 분야 또는 전기자동차 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로 사용되고 있다.
연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료 변환기를 이용해 연료를 수소로 개질(Reformer)하여 사용하게 된다.
최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 연료전지를 이용한 전기자동차가 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있을 것으로 예상되 고 있으며, 이러한 추세에 맞춰 메탄올, 에탄올 및 가솔린 등의 액체연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이중 수소만을 분리하여 연료전지의 연료로 활용하는 연료전지 자동차용 연료변환기의 개발이 진행되고 있다.
연료전지 차량에서 연료전지는 전술한 바와 같이 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되는데 이 과정에서 연료전지 내의 화학적 반응에 의해 에너지가 발생되는 것이다.
도 5는 종래의 수소연료를 이용한 연료전지 시스템의 구성을 대략적으로 도시한 것으로, 연료전지 시스템(10)은 수소연료가 저장된 수소저장탱크(11)와, 상기 수소저장탱크(11)에서 공급된 후 레귤레이터(12)에서 압력이 저하된 수소와 에어 블로워(13)를 통해 입력되는 공기를 반응시켜 전기에너지를 발생시키기 위한 연료전지 스택(14)과, 상기한 연료전지 스택(14)에서 발생된 에너지를 전기에너지로 변화시켜 구동모터(16)로 제공하기 위한 제어기(15)와, 상기한 연료전지 스택(14)으로 공급된 수소가스 중 반응 후 잉여된 수소가 외부에 방출되는 과정에서 공기와 적절히 혼합되어 안정된 상태로 배출되도록 하기 위한 디퓨저(20) 등을 포함하여 구성된다.
한편, 도 6과 도 7은 종래에 연료전지 시스템에 적용되고 있는 디퓨저의 평단면도 및 측단면도이다. 상기 디퓨저(20)는 그 바디(21)의 전방측으로 전동모터에 의해서 회전되어 외부의 공기를 내측으로 끌어들이기 위한 송풍팬(22)이 형성되고, 상기 바디(21)의 하부면 도중에는 연료전지 스택(14)에서 잉여되는 수소가 유입되 기 위한 수소유입구(23)가 형성된다. 그리고 상기한 수소유입구(23)를 통해서 유입되는 수소는 송풍팬(22)을 통해서 바디(21)의 내부로 유입되는 수소와 혼합되어 농도가 희석된 상태에서 외부로 배출될 수 있도록 바디(21)의 후방측을 개방형성된다.
그런데 종래기술에 의한 연료전지 시스템의 디퓨저의 구조에서는 송풍팬을 통해서 입력된 공기의 흐름방향에 대하여 하부측에 위치된 수소유입구를 통해서 수소가 입력되는 부근에서의 수소 농도가 그 주변의 농도보다 상대적으로 높게 되는 현상이 나타나게 된다. 또한, 수소의 높은 인화성을 고려할 때 안전하게 설계된 것으로 판단되지 않을 뿐만 아니라, 디퓨저를 통해서 외부로 배출되는 수소의 농도가 실시간으로 모티터링될 수 있는 장치가 필요하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 연료전지 시스템의 연료전지 스택에서 잉여된 수소가 외부로 배출되는 과정에서 배출되는 수소가 공기에 희석되도록 하는 디퓨저의 구조를 개선하여 수소와 공기의 희석 효율이 증대되도록 할 뿐만 아니라, 디퓨저를 통과하는 수소의 농도가 실시간으로 모니터링되도록 하기 위한 연료전지 시스템의 디퓨저를 제공하는 데 목적이 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 발명의 목적달성을 위한 수단으로서,
연료전지 시스템의 연료전지 스택으로 공급되었으나 반응 후 잉여되는 수소를 외부로 배출시키는 과정에서 수소를 공기에 희석된 후에 외부로 배출되도록 하는 연료전지 시스템의 디퓨저에 있어서,
하부는 크고 상부는 작은 2단의 원통형상으로 그 상부단이 개방형성된 챔버와; 상기 챔버의 하부에 파이프 형상으로 길게 연장형성된 수소유입구와; 상기한 챔버 내측에 연통된 수소유입구를 향해 공기가 높은 압력으로 분사되도록 형성된 에어 인젝터와; 상기 에어 인젝터에 높은 압력의 공기가 제공되도록 소정용적을 가진 채로 형성된 에어 탱크와; 상기한 수소유입구와 에어 인젝터에서 유입되는 수소와 공기가 혼합기에 포함된 수소의 농도를 측정하기 위해 챔버의 일측에 형성된 수소센서; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 연료전지 시스템 디퓨저의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 시스템 디퓨저의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 연료전지 시스템 디퓨저의 단면구성도이며, 도3은 본 발명에 의한 디퓨저가 연료전지 시스템에 적용된 상태의 도면이며, 도 4는 본 발명에 위한 연료전지 시스템 디퓨저의 작동시 수소가 혼합된 공기의 흐름상태를 보인 도면이다.
도면 중에 표시되는 도면부호 30은 본 발명에 의해서 형성된 디퓨저를 지시하는 것이고, 일부의 도면부호는 종래기술의 설명에서 사용된 도면부호가 그대로 인용된다.
상기한 디퓨저(30)의 챔버(31)는 원통이 2단으로 형성된 형태로, 그 하부는 상부보다 큰 지름을 가지는 원통형으로 형성되고, 그 상부는 하부보다 상대적으로 작은 원통형으로 형성되며, 그 상부단에는 배출구(32)가 개방된 채로 형성된다. 상기한 챔버(31)의 하부와 상부는 설명의 편의를 위하여 도면에 표시된 상태를 기초로 명명한 것으로, 연료전지 시스템에 장착될 때에는 상하부가 반드시 도면에서와 같이 위치될 필요는 없는 것이다.
챔버(31)의 하부면에는 연료전지 스택(14)에서 잉여되어 디퓨저(30)로 향하는 수소의 유입을 안내하기 위한 파이프형태의 수소유입구(33)가 형성되는데, 상기 수소유입구(33)는 챔버(31)의 하부단 중앙에 위치되는 것보다는 어느 일측으로 편심된 채로 형성된다. 이는 후설할 에어 인젝터(40)를 통해 입력되는 공기와 수소가 혼합된 상태의 기체가 와류(swirl)를 형성하며 배출구(32)를 향하도록 하기 위한 것이다.
그리고 상기한 챔버(31) 내측에 연통된 수소유입구(33)를 향해 높은 압력의 공기가 분사되도록 하기 위한 에어 인젝터(40)가 형성되고, 상기 에어 인젝터(40)로 공기의 공급을 위한 에어 탱크(41)가 형성된다.
에어 탱크(41)로부터 에어 인젝터(40)로 압축공기를 유도하기 위한 에어 라인(42)의 도중에는 에어 인젝터(40)로 공급되는 공기량을 제어하기 위한 유량제어 밸브(43)가 형성된다.
한편, 상기한 수소유입구(33)에서 유입된 수소가 에어 인젝터(40)에서 유입된 공기와 혼합된 후의 혼합공기 중에 포함된 수소의 농도를 측정하기 위한 수소센서(50)가 상기한 챔버(31)의 내부 도중에 형성된다.
상기한 수소센서(50)에서 측정된 챔버(31) 내의 수소농도는 제어부(52)로 입력되고, 상기 수소센서(50)에서 제어부(52)로 입력된 수소농도는 에어 라인(42)의 도중에 마련된 유량제어 밸브(43)의 개폐량을 제어하는 변수로 사용된다.
이상과 같이 구성된 연료전지 시스템 디퓨저의 작동상태를 이하에 간단히 설명한다.
연료전지를 엔진의 구동원으로 하는 차량의 시동이 이루어지면, 수소저장탱크(11)에 저장된 수소가스가 전자제어장치의 제어에 의해서 연료전지 스택(14)으로 공급되는데, 수소가스가 레귤레이터(12)를 통과하는 과정에서 저압의 상태가 된다.
연료전지 스택(14)에서는 그 내부로 입력된 수소가스와 에어 블로워(13)를 통해 입력된 공기가 반응되면서 에너지를 발생하게 되며, 연료전지 스택(14)으로 공급되었으나 반응되지 못하고 잉여되는 수소가스는 디퓨저(30)로 흐르게 된다.
본 발명에 의해 형성된 디퓨저(30)는 종래기술에 의한 디퓨저와는 달리 수소유입구(33)를 통해 입력되는 수소의 후방측에 고압의 공기가 분사되는 에어 인젝터(40)가 마련되어 있으므로서, 챔버(31) 내로 입력되는 수소는 에어 인젝터(40)에서 고압으로 분사되는 공기에 의해서 강한 스월을 일으키며 공기에 희석되어진다.
챔버(31) 내에서 공기와 혼합된 수소의 농도는 수소센서(50)에 의해서 감지되고, 이렇게 감지된 챔버(31) 내의 수소농도는 제어부(52)에서 에어 인젝터(40)로 공급되는 공기량을 제어하기 위한 유량제어 밸브(43)의 개폐량을 제어하는 변수가 된다. 즉, 상기한 수소센서(50)에서 측정되는 수소의 농도가 높을 때에는 에어 인젝터(40)로 입력되는 공기량이 증대되도록 유량조절 밸브(43)의 개방량을 크게 하고, 수소의 농도가 낮을 때에는 유량조절 밸브(43)의 개방량을 적게 하여 불필요한 압축공기의 낭비를 막게 된다.
이때, 디퓨저(30)의 배출구(32)를 통해서 대기중으로 배출되는 공기중에 포함된 수소의 농도는 4%이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이 수치는 연료전지 시스템에서 대기중으로 방출되는 공기중에 포함된 수소의 농도가 4%이상일 경우에 위험수준인 것으로 당업계에 알려져 있는 사실이다.
이와 같이, 연료전지 시스템에서 대기중으로 배출되는 수소를 공기와 혼합하는 과정에서 측정된 수소센서의 농도가 변수로 사용되고, 에어 인젝터(40)에서 고압으로 분사되는 압축공기에 의해서 수소와 공기의 혼합 효율이 증대되므로서 수소의 희석화가 촉진된다.
이상과 같이 구성되는 연료전지 시스템의 디퓨저에 의하면, 연료전지 시스템의 스택에서 잉여된 수소를 처리하기 위한 디퓨저의 챔버 내로 고압의 압축공기가 분사되도록 하는 에어 인젝터가 마련되므로서 챔버 내로 유입되는 수소와 공기가 와류를 일으키면서 혼합되고, 챔버 내의 공기중에 포함된 수소의 농도에 따라 에어 인젝터로 공급되는 공기량이 자동으로 조절되도록 형성되므로서 수소의 희석화가 촉진될 수 있게 되는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 연료전지 시스템의 연료전지 스택으로 공급되었으나 반응 후 잉여되는 수소를 외부로 배출시키는 과정에서 수소를 공기에 희석된 후에 외부로 배출되도록 하는 연료전지 시스템의 디퓨저에 있어서,
    하부는 크고 상부는 작은 2단의 원통형상으로 그 상부단이 배출구(32)가 개방형성된 챔버(31)와;
    상기 챔버(31)의 하부에 파이프 형상으로 길게 연장형성된 수소유입구(33)와;
    상기한 챔버(31) 내측에 연통된 수소유입구(33)를 향해 공기가 높은 압력으로 분사되도록 형성된 에어 인젝터(40)와;
    상기 에어 인젝터(40)에 높은 압력의 공기가 제공되도록 소정용적을 가진 채로 형성된 에어 탱크(41)와;
    상기한 수소유입구(33)에서 유입된 수소가 에어 인젝터(40)에서 유입된 공기와 혼합된 혼합공기 중에 포함된 수소의 농도를 측정하기 위해 상기 챔버(31)의 일측에 형성된 수소센서(50); 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 디퓨저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 에어 탱크(41)에서 에어 인젝터(40)로 공기를 유도하기 위해 형성되는 에어 라인(42)의 도중에는 상기 수소센서(50)에 측정되는 수소농도에 따른 제어부(52)의 제어에 의해서 개폐량이 조절되는 유량제어 밸브(43)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 디퓨저.
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