KR100773345B1 - 가변형 수소 재순환 이젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 재순환 이젝터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 노즐이 가변적으로 이동가능하면서 수소가스의 기밀이 유지되는 이젝터에 대한 것이다.

본 발명은 연료전지스택에서 사용되고 남은 수소를 다시 연료전지 스택으로 수소 재순환 시키는 이젝터로서, 상기 연료전지 스택에 연결되는 디퓨저부와, 상기 디퓨저부에 연결되며 내부에 축중심방향으로 관통하는 노즐 홀이 형성되어 있고 측면에는 재순환 수소를 공급하기 위한 재순환 홀이 형성된 챔버와, 상기 챔버의 측면에 형성된 재순환 홀과, 상기 챔버에 고정되며 내부에 관통 홀이 형성된 고정부와, 상기 고정부에 대해 상대이동가능하게 고정되는 노즐바디부와, 상기 노즐바디부의 내부를 관통하여 설치되는 노즐을 구비하며, 상기 노즐홀의 축소 단면부는 디퓨저와 연결되고, 확대 단면부에는 연료전지 스택으로부터 재순환되는 수소가스가 공급되는 공급홀이 연통되며, 상기 노즐은 고정부의 관통 홀을 지나 노즐홀의 내부로 돌출되도록 상기 노즐바디에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이젝터, 가변형, 노즐

Description

가변형 수소 재순환 이젝터{VARIABLE TYPE HYDROGEN RECIRCULATON EJECTOR}

도 1 은 연료전지시스템을 도시하는 도면이다.

도 2 는 종래 기술의 수소 재순환 이젝터를 도시하는 도면이다.

도 3 은 본 발명의 이젝터의 사시도이다.

도 4 는 본 발명의 이젝터의 단면을 도시하는 도면이다.

도 5 는 본 발명의 이젝터에서 노즐바디부가 후방으로 이동한 경우를 도시하는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:디퓨저부 12:선단부

14:후단부 20:챔버

21:노즐홀 23:연결부

30:고정부 31:가이드홀

32:가이드부 40:노즐바디부

41:전방부 42:후방부

50:노즐 60:밀봉부

62:벨로우즈 70:가이드 로드

본 발명은 수소 재순환 이젝터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 노즐이 가변적으로 이동가능하여 좀 더 넓은 흡입유량작동범위를 가지는 이젝터에 대한 것이다.

일반적으로 수소를 사용하는 연료 전지시스템은 도 1 에 도시된 바와 같이 수소탱크 (100) 로부터 방출된 수소가스가 이젝터 (200) 로 공급되어 연료전지 스택 (300) 으로 유입된다. 연료전지 스택 (300) 으로 공급되는 수소가스의 양은 제어부 (400) 에서 조절하는 신호에 따라 구동부 (500) 가 작동하여 이젝터 (200) 를 조절함으로써 제어된다.

한편, 연료전지에 필요한 공기는 압축기 (600) 에서 방출되어 연료전지스택 (300) 으로 공급된다.

연료전지스택 (300) 에 공기와 수소를 공급할 때에는 연료전지스택 (300) 의성능 확보 및 수명증대를 위하여 전지반응에 필요한 양보다 더 많은 공기와 수소를 공급한다. 연료전지 스택에서 사용되고 남은 수소는 연료의 낭비를 막아 시스템의 효율을 높이기 위해 이젝터 (200) 로 다시 재유입된다.

특히, 연료전지스택 (300) 을 통과한 미반응 수소를 재순환하는 기술은 연료전지시스템의 연비향상을 위해 매우 중요한 바, 연료전지용 스택에서 나오는 미반응 수소가스를 스택입구로 재순환하기 위한 용도로 수소 재순환 이젝터가 사용되었다.

수소 재순환 이젝터 방식은 블로어 방식에 비해 구조가 간단하고 회전체가 없으므로 윤활이 불필요하며 소음 및 진동에 강하다. 게다가, 유지 보수가 간단하고 수명이 길며 냉시동 특성이 뛰어난 장점을 가지나 작동 범위가 넓지 않아 부하가 급변하는 연료 전지 자동차 적용에 적합하지 않은 문제가 존재한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 이젝터의 적용범위를 넓게 하기 위한 여러 가지 시도가 있었다.

일본 혼다자동차의 경우 도 2a 에 도시된 바와 같이 작동 영역에 맞게 대형 및 소형 2개의 이젝터 (201, 202) 를 이용하는 기술을 개발한 바 있다.

그러나, 이러한 방식에서는 다수의 이젝터가 필요하므로 차체 내부의 공간을 많이 차지하고 수량 증가에 따른 비용 상승을 동반하는 단점이 존재한다. 또한, 유압식으로 니들을 구동하는 방식이어서 니들의 제어가 용이하지 않아 이젝터 유량제어가 정밀하지 못한 문제점이 존재한다.

다른 이젝터로서 도 2b 에 도시된 바와 같이, 노즐의 내부에 삽입된 니들 (203) 을 전동식으로 구동하여 위치변경함으로써 노즐의 출구 단면적을 변경하여 수소공급통로 (205) 으로부터의 수소를 공급하고 재순환수소통로 (204) 로부터 유입되는 수소의 유량을 제어하는 방식이 공지되어 있다.

그러나, 이러한 타입의 이젝터에서는 주 수소유동의 유동 면적 변화는 가능하지만 흡입 유동의 유입 면적을 변화시킬 수 없는 문제점이 존재한다.

또한, 노즐 목에 니들 (203) 을 장착함에 따라 수소유동 손실 크며, 노즐 흐름에서 중심부와 외곽부의 속도 차이 발생하여 주유동 속도가 클수록 중심부에서 와류가 발생할 가능성이 많아 압력 손실 요인으로 작용하게 단점이 존재한다.

한편, 노즐 목 직경이 변화함에 따라 매번 초킹 압력에 대한 고려가 필요하며 따라서 공급압력 변화가 수반되어야 하는 문제도 존재하고 있다.

본 발명은 수소가스 재순환 이젝터에 있어서 구성이 단순하고 수소의 작동유량범위를 확장할 수 있으면서 동시에 기밀이 유지되는 이젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 과제를 달성하기 위해, 연료전지스택에서 사용되고 남은 수소를 재순환 시키기 위한 이젝터로서, 상기 연료전지 스택에 연결되는 디퓨저부와, 상기 디퓨저부에 연결되고 내부에 축중심방향으로 관통하는 노즐 홀이 형성된 챔버와, 상기 챔버에 고정되며 내부에 축중심방향으로 관통하는 가이드 홀이 형성된 고정부와, 상기 고정부에 연결되며 내부에 축중심방향으로 관통하는 연료공급 홀이 형성된 노즐바디부와, 상기 노즐바디부의 선단부에 설치되어 상기 노즐 홀로 돌출설치되며 내부에 노즐 목이 형성된 노즐을 구비하며, 상기 노즐 홀의 선단부는 디퓨저부와의 연결부분으로 갈수록 단면적이 점차 감소하는 축소 단면부로 이루어지며, 상기 노즐 홀의 후단부에는 재순환 수소를 공급하기 위한 재순환 홀이 노즐 홀의 측면에 노즐 홀과 연통되도록 형성되며, 상기 노즐바디부가 상기 고정부에 대해 슬라이딩이동가능하게 연결됨으로써 상기 노즐 선단부가 상기 노즐 홀 선단부 내에서 이동가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 고정부 후면에는 전방 플랜지가 설치되고, 상기 노즐 바디부의 전면에는 후방 플랜지가 설치되며, 상기 전방 플랜지와 후방 플랜지 사이에는 벨로우즈가 기밀이 유지되도록 상기 노즐바디부를 둘러싸도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 상기 고정부 내부의 가이드 홀의 원주 둘레에는 축중심방향으로 돌출하는 가이드부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 상기 노즐바디부는 원통부와 플랜지부로 이루어지며, 상기 원통부의 외경은 가이드 홀의 내경보다 작게 형성되어 노즐바디부의 이동시 가이드 홀에 의해 가이드 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 고정부의 외곽 원주부에는 볼트 구멍이 형성되고, 상기 노즐바디부의 외곽 원주부에는 구멍이 형성되어 있으며, 상기 고정부의 볼트 구멍에서 일 단부가 체결되고 타 단부가 상기 노즐바디부의 구멍에 삽입되는 가이드 로드를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 노즐바디부와 노즐은 교체가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 대해 도 3 내지 5 를 참조하여 설명한다.

도 3 은 본 발명의 이젝터의 사시도이다. 도 4 는 본 발명의 이젝터의 단면을 도시하는 도면이다. 도 5 는 본 발명의 이젝터에서 노즐바디부가 후방으로 이동한 경우를 도시하는 도면이다.

본 발명의 수소 재순환 이젝터는 디퓨저부 (10) 와, 상기 디퓨저부 (10) 에 연결되는 챔버 (20) 와, 상기 챔버 (20) 에 고정되는 고정부 (30) 와, 상기 고정부 (30) 에 이동가능하게 연결되는 노즐바디부 (40) 와, 상기 노즐바디부 (40) 의 내부에 관통하여 고정되는 노즐 (50) 과, 상기 고정부 (30) 와 상기 노즐바디부 (40) 를 밀봉되도록 연결하는 밀봉부 (60) 를 구비한다.

디퓨저부 (10) 는 내부를 축중심방향으로 관통하는 단면 확장홀 (11) 이 형성된 선단부 (12) 와, 내부에 동일 단면 형상을 가지며 축중심방향으로 관통하는 원통홀 (13) 이 형성된 후단부 (14) 로 이루어진다. 선단부 (12) 의 개방 단부에는 디퓨저 엔드 (15) 가 설치되어 연료전지스택 (400) 과 연결되도록 구성된다. 후단부 (14) 의 후방에는 플랜지부 (14a) 가 형성되어 있다.

챔버 (20) 는 대략 원통형상이며 선단부에 형성된 플랜지 (20a) 는 디퓨저부 (10) 의 플랜지부 (14a) 와 체결되며, 후단부에 형성된 플랜지 (20b) 는 고정부 (30) 의 전면에 체결된다.

챔버 (20) 의 내부에는 축중심방향으로 관통하는 노즐 홀 (21) 이 형성되어 있다. 노즐 홀 (21) 은 디퓨저부 (10) 와 연결되는 전방부에서는 원형 단면이며 단면의 크기가 전방으로 갈수록 점점 적어지는 형상을 가지며, 고정부 (30) 와 연결되는 후방부에서는 동일 크기의 원형 단면형상을 가진다. 챔버 (20) 의 측면에는 재순환된 수소 가스가 유입되는 재순환 홀 (22) 이 노즐 홀 (21) 에 직교하는 방향으로 관통형성되며, 재순환 홀 (22) 에는 수소 가스의 재순환을 위한 연결부 (23) 가 삽입된다.

고정부 (30) 는 원형 플랜지 형상이며 내부에 축중심방향으로 관통하는 가이 드 홀 (31) 이 형성되어 있으며, 가이드 홀 (31) 의 원주방향 둘레에는 축중심방향으로 연장돌출되는 가이드부 (32) 가 형성되어 있다.

고정부 (30) 의 외곽 원주부에는 다수의 볼트 구멍 (33) 이 형성되어 있다.

노즐바디부 (40) 는 원통형상의 전방부 (41) 와 플랜지 형상의 후방부 (42) 로 구성되며 전방부 (41) 와 후방부 (42) 의 내부에는 축중심방향으로 관통하는 연료공급 홀 (43) 이 형성되어 있다.

노즐바디부 (40) 의 원통형상 전방부 (41) 의 외경은 고정부 (30) 내부에 형성된 가이드 홀 (31) 의 내경보다 약간 작은 치수를 가짐으로써 가이드 홀 (31) 내부에서 전방부 (41) 가 슬라이딩 이동할 수 있도록 구성된다.

노즐바디부 (40) 의 후방부 (42) 의 외곽 원주부에는 다수의 원형 가이드 구멍 (44) 이 형성되어 있으며, 가이드 구멍 (44) 의 둘레에는 축중심방향으로 연장되는 중공원통형 가이드부 (45) 가 형성되어 있다. 한편, 노즐바디부 (40) 의 후방부 (42) 의 중심에는 수소공급관 (46) 을 통해 수소탱크 (100) 로부터 공급되는 수소가 노즐바디부 (40) 로 공급된다.

노즐 (50) 은 O-링 (51) 에 의해 노즐바디부 (40) 의 전방부 (41) 의 단부에서 밀봉되도록 고정된다. 노즐 (50) 의 내부에는 연료공급을 위해 축중심방향으로 관통하며 선단부에서는 단면적이 점진적으로 좁아지는 노즐목 (52) 이 형성되어 있다.

노즐바디 (40) 와 노즐 (50) 은 별개로 독립하여 장착 및 탈착이 용이하게 고정되는 바, 연료전지 시스템의 용량에 따라 적절하게 교체가능하다.

밀봉부 (60) 는 고정부 (30) 의 후면에 고정되는 전방 플랜지부 (61) 와, 상기 전방 플랜지부 (61) 에 일 단부가 연결되는 벨로우즈 (62) 와, 벨로우즈 (45) 의 타 단부가 고정되며 노즐바디부 (40) 의 후방부 (42) 의 전면에 고정되는 후방 플랜지부 (63) 로 이루어진다.

벨로우즈 (62) 는 고정부 (30) 에 대한 노즐바디부 (40) 의 상대이동에 대해 가요적으로 변형할 수 있는 탄성을 가진다.

원통 로드 형상의 가이드 로드 (70) 는, 이 가이드 로드 (70) 상에서 후방부 (42) 가 슬라이딩이동 할 수 있도록, 후방부 (42) 의 외곽 원주부에 형성된 가이드 구멍 (44) 보다 약간 작은 외경을 가진다. 가이드 로드 (70) 의 일방 단부에는 나사부 (71) 가 형성되어 있으며, 이 나사부 (71) 는 고정부 (30) 에 형성된 볼트 구멍 (33) 에 삽입되며 너트 (34) 에 의해 체결됨으로써 가이드 로드 (70) 가 고정부 (30) 에 고정된다.

이하, 본 발명의 실시예의 작동에 대해 도 4 및 도 5 를 참조하여 설명한다.

연료전지시스템의 작동하기 위해 수소탱크 (100) 로부터의 통상의 요구량보다 과잉의 수소가 수소공급관 (46) 을 통해 이젝터 (200) 의 노즐바디부 (40) 로 공급되고, 노즐 (50) 을 통해 디퓨저 (10) 를 통해 연료전지스택 (300) 으로 공급된다.

연료전지스택 (400) 에서 반응하고 남은 잉여 수소가스는 재순환되어 연결관 (23) 을 통해 챔버 (20) 의 재순환 홀 (22) 로 유입되며, 재순환되는 수소가스의 유량은 노즐 홀 (21) 내에서의 노즐 (50) 의 선단부의 위치에 따라 조절된다.

즉, 차량 가속 등을 작동하여 차량의 부하가 증대하는 경우에는 가속 작동 신호가 제어부 (400) 로 입력되고, 제어부 (400) 에서는 이젝터 구동부 (500) 에 의해 노즐바디부 (40) 와 노즐 (50) 를 축중심방향으로 전방이동시켜 도 4 에 도시된 바와 같이 노즐 (50) 의 선단부를 챔버 (20) 의 노즐홀 (21) 의 선단부에 위치시킨다.

노즐바디부 (40) 는 이동시에 그의 원통형상 전방부 (41) 가 고정부 (30) 에 형성된 가이드 홀 (31) 을 슬라이딩 이동하며 가이드부 (43) 에 의해 노즐 바디부 (40) 의 중심부분의 이동이 안내된다.

또한, 노즐바디부 (40) 는 외곽에 형성된 가이드 구멍 (44) 및 가이드부 (45) 가 가이드 로드 (70) 를 따라 안내됨에 따라 노즐바디부 (40) 의 외곽부분의 이동이 안내된다.

이러한 노즐바디부 (40) 및 노즐 (50) 의 고정부 (30) 에 대한 상대이동에 따라 발생할 수 있는 수소가스의 누설은 고정부 (30) 와 가동부인 노즐바디부 (40) 사이에 밀봉되도록 설치된 벨로우즈 (62) 가 방지하는 작용을 한다.

노즐 (50) 의 선단부가 노즐홀 (21) 의 선단부로 이동함에 따라 노즐홀 (21) 과 노즐 (50) 사이의 통로 단면적이 감소하게 되며, 단면적으로 감소로 인해 재순환수소의 유동속도가 증가하여 이 부분에서 압력이 감소하게 된다.

따라서, 이러한 압력차의 발생으로 인해 연료전지스택 (300) 으로부터 유입되는 재순환수소의 유량이 증가하게 되며, 이러한 재순환수소는 노즐 (50) 의 내부 노즐목 (52) 을 통과한 빠른 수소가스와 혼합되고 디퓨저 (10) 를 통과하면서 요구 되는 압력으로 상승한 다음 연료전지스택 (400) 으로 다시 유입된다.

한편, 감속되는 경우 등 차량 등에 부하가 많이 걸리지 않아 재순환수소 유량이 많이 요구되지 않는 경우에는 도 5 에 도시된 바와 같이 제어부 (400) 에서는 제어신호를 전송하여 이젝터 구동부 (500) 를 통해 노즐바디부 (40) 와 노즐 (50) 을 후방측에 이동시킨다.

이러한 이동에 의해 노즐 (50) 의 선단부와 노즐 홀 (21) 사이의 통로 단면적은 증가하게 되며 따라서 수소가스의 유속이 감소하면서 통로 단면적에서의 압력이 도 4 의 경우보다 상승하게 되어 유입되는 재순환 수소가스 유량을 적게 조절할 수 있다.

이와 같이 작동에 의해 본 발명은 노즐 (50) 을 통해 기본적인 수소공급유량을 그대로 유지하면서 노즐바디부 (40) 의 슬라이딩 이동만으로 재순환되는 수소 유량을 조절할 수 있게 되어, 간단한 구성만으로 재순환 수소의 유량을 조절할 수 있게 되어 넓은 유량범위를 요구하는 차량 등의 연료전지시스템에 적합하게 작용할 수 있게 된다.

더욱이, 노즐바디부 및 노즐은 가동부로서 구성되어 장착 및 탈착 가능한 것인 바, 연료전지시스템의 용량에 따른 여러 필요 사양으로 교체하는 것이 용이하게 된다.

전술한 구성에 의해 연료전지 수소재순환 시스템에서 사용되는 수소재순환 이젝터의 단점인 적은 작동 압력/유량범위를 간단한 구성만으로 확장할 수 있는 효 과를 가진다.

또한, 노즐바디부가 고정부에 대해 상대이동하는 경우에도 벨로우즈에 의해 노즐바디부에서의 기밀이 유지됨으로써 수소가스의 누수로 인한 폭발 위험성을 감소하는 장점을 가진다.

노즐바디부와 노즐의 장착 및 탈착이 가능하여 연료전지 시스템의 용량에 따라 작동조건에 맞는 사양으로 교체하는 것이 용이하다.

Claims (6)

1. 연료전지스택에서 사용되고 남은 수소를 재순환 시키기 위한 이젝터로서,

   상기 연료전지 스택에 연결되는 디퓨저부와,

   상기 디퓨저부에 연결되고 내부에 축중심방향으로 관통하는 노즐 홀이 형성된 챔버와,

   상기 챔버에 고정되며 내부에 축중심방향으로 관통하는 가이드 홀이 형성된 고정부와,

   상기 고정부에 연결되며 내부에 축중심방향으로 관통하는 연료공급 홀이 형성된 노즐바디부와,

   상기 노즐바디부의 선단부에 설치되어 상기 노즐 홀로 돌출설치되며 내부에 노즐 목이 형성된 노즐을 구비하며,

   상기 노즐 홀의 선단부는 디퓨저부와의 연결부분으로 갈수록 단면적이 점차 감소하는 축소 단면부로 이루어지며,

   상기 노즐 홀의 후단부에는 재순환 수소를 공급하기 위한 재순환 홀이 노즐 홀의 측면에 노즐 홀과 연통되도록 형성되며,

   상기 노즐바디부가 상기 고정부에 대해 슬라이딩이동가능하게 연결됨으로써 상기 노즐 선단부가 상기 노즐 홀 선단부 내에서 이동가능한 것을 특징으로 하는 수소 재순환 이젝터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정부 후면에는 전방 플랜지가 설치되고,

   상기 노즐바디부의 전면에는 후방 플랜지가 설치되며,

   상기 전방 플랜지와 후방 플랜지 사이에는 벨로우즈가 기밀이 유지되도록 상기 노즐바디부를 둘러싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 재순환 이젝터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 고정부 내부의 가이드 홀의 원주 둘레에는 축중심방향으로 돌출하는 가이드부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 재순환 이젝터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 노즐바디부는 원통부와 플랜지부로 이루어지며,

   상기 원통부의 외경은 가이드 홀의 내경보다 작게 형성되어 노즐바디부의 이동시 가이드 홀에 의해 가이드 되는 것을 특징으로 하는 수소 재순환 이젝터.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 고정부의 외곽 원주부에는 볼트 구멍이 형성되고,

   상기 노즐바디부의 외곽 원주부에는 구멍이 형성되어 있으며,

   상기 고정부의 볼트 구멍에서 일 단부가 체결되고 타 단부가 상기 노즐바디부의 구멍에 삽입되는 가이드 로드를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환 이젝터.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 노즐바디부와 노즐은 교체가능한 것을 특징으로 하는 수소재순환 이젝터.

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