KR100906861B1 - 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 2개의 물 배출구를 워터트랩에 설치하여, 상온 시동시 뿐만 아니라 저온 시동시에도 원활한 물 배출이 가능하도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 워터트랩의 바닥에 물 배출을 위한 메인 배출구를 형성하고, 이 메인 배출구보다 높은 보조 배출구를 워터트랩 바닥으로부터 돌출 형성하여, 상온 시동시 뿐만 아니라 저온 시동시에도 최저수위 감지센서 이상으로 높게 형성된 보조 배출구를 통하여 원활한 물 배출이 이루어질 수 있도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
워터트랩, 연료전지, 물 배출구, 냉시동, 보조배출구, 수위감지센서

Description

연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법{Water trap device of fuel cell vehicle and method for controlling the same}
본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 2개의 물 배출구를 워터트랩에 설치하여, 상온 시동시 뿐만 아니라 저온 시동시에도 원활한 물 배출이 가능하도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 연료전지 자동차의 주 에너지원은 연료전지 스택이라 부르는 발전장치로부터 기인하는데, 이 스택의 원리는 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 에너지를 발생시키는 장치이다.
연료전지 스택에서의 반응에 있어서, 공기의 습도가 매우 중요한데, 해당 습도의 유지를 위해 가습기를 이용하여 공기 입구에서 수분을 공급하고, 수분을 공급 받은 공기는 스택내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음, 물(생성수)을 생성시킨다.
반응에 의해 발생한 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로, 연료전지 스택으로부터 제거가 필요하며, 이에 생성된 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지게 되어 있으며, 아래로 떨어진 물은 워터트랩(Water Trap) 장치에 모이게 된다.
연료전지의 에너지를 효율적으로 이용하고자, 워터트랩에 저장된 물 배출시 배출 제어가 이루어지는데, 그 이유는 워터트랩내에 저장된 물이 수소가 외부로 배출되는 것을 방지하는 기능을 하기 때문이다.
즉, 연료전지 스택으로부터 배출된 미반응 수소가 워터트랩쪽으로 배출되어 다시 수소 입구단으로 재순환될 때, 워터트랩에 형성된 물 배출구를 통해 수소가 외부로 빠져나가는 것을 워터트랩내에 저장된 물이 차단해주는데, 그 원리를 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 기존의 워터트랩 장치를 설명하는 개략도이다.
연료전지 스택(100)의 애노드쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 애노드의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 애노드의 입구단쪽으로 재순환된다.
상기 워터트랩(10)내에 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서(12)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브가 열리게 되어, 물의 방출이 이루어진다.
반면에, 워터트랩(10)내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수 위 감지센서(14)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브가 닫히게 되어, 워터트랩내에 물이 잔류하게 된다.
이에, 항상 대기와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 물이 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 되는 것이다.
이러한 기능을 하는 기존의 워터트랩 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
대기온이 0℃ 이하인 저온의 경우, 워터트랩 장치의 바닥면에 잔류한 물이 얼음이 되어, 시동 후 연료전지 스택에서 새로 생성된 물(생성수)의 배출을 막음으로써, 스택내 수소와 산소의 흐름을 방해하고 결국 연료전지 스택의 작동을 정지시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 워터트랩의 바닥쪽에 2개의 물 배출구를 형성하되, 2개의 물 배출구중 하나는 최저수위 감지센서 이상으로 높게 형성하고, 다른 하나는 워터트랩의 바닥에 형성하여, 상온 시동시 뿐만 아니라 저온 시동시에도 최저수위 감지센서 이상으로 높게 형성된 물 배출구를 통하여 원활한 물 배출이 이루어질 수 있도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 최고수위 감지센서 및 최저수위 감지센서를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 상기 워터트랩의 바닥에 물 배출을 위한 메인 배출구를 형성하고, 이 메인 배출구보다 높은 보조 배출구를 워터트랩 바닥으로부터 돌출 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 보조 배출구는 상기 워터트랩의 바닥으로부터 상기 최저수위 감지센서 이상의 높이까지 연장된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 보조 배출구는 원통형 관인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 배출구 및 보조 배출구의 출구측에는 각각 제1 및 제2조절밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 스택으로부터 생성된 물이 워터트랩의 내부로 유입되는 단계와; 상기 워터트랩내에 물이 최고수위 감지센서에 도달하면, 최고수위 감지센서의 센싱이 이루어져 제1조절밸브가 열리는 단계와; 상기 제1조절밸브가 열려서 물이 메인배출구를 통해 배출되는 단계와; 상기 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지면, 제1조절밸브가 닫히게 되어, 워터트랩에 물이 잔류하게 되는 단계와; 상기 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지지 않으면, 제2조절밸브가 열리게 되어, 최저수위 감지센서의 높이 이상으로 위치된 보조배출구를 통하여 물이 배출되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 물의 배출 도중에 미리 설정된 시간내에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지지 않으면, 워터트랩내의 잔류된 물이 얼은 상태로 판단하여, 제2조절밸브가 열리게 됨과 함께 얼음 위로 돌출된 보조배출구를 통하여 물이 배출되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
워터트랩의 바닥쪽에 2개의 물 배출구를 형성하되, 2개의 물 배출구중 하나는 최저수위 감지센서 이상으로 높게 형성하고, 다른 하나는 워터트랩의 바닥에 형성함으로써, 저온 시동시 워터트랩내의 물이 얼은 상태라 하더라도, 높게 배치시킨 물 배출구를 통하여 원활한 물 배출이 이루어질 수 있다.
따라서, 워터트랩내에서 얼음 상태로 있는 물이 저온 시동 후 연료전지 스택에서 새로 생성된 물(생성수)의 배출을 막음으로써, 스택내 수소와 산소의 흐름을 방해하고 결국 연료전지 스택의 작동을 정지시키는 문제점을 해결할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 나타내는 개략도이다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택(100)의 애노드쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 애노드의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 애노드의 입구단쪽으로 재순환된다.
상기 워터트랩(10)에는 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 감지하는 최고수위 감지센서(12)가 설치되고, 물의 최저수위(잔류량)를 감지하는 최저수위 감지센서(14)가 설치되어 있다.
여기서, 본 발명에 따르면 상기 워터트랩(10)의 바닥에 물 배출을 위한 메인 배출구(16)가 형성되고, 이 메인 배출구(16)의 인접된 위치에는 메인 배출구(16)의 물유입구 높이보다 높은 물유입구 높이를 갖는 보조 배출구(18)가 형성된다.
상기 보조 배출구(18)는 원통형 관 형태로서, 상기 워터트랩(10)의 바닥으로부터 상기 최저수위 감지센서(14) 이상의 높이까지 돌출 연장되며 배열된다.
또한, 상기 메인 배출구(16) 및 보조 배출구(18)의 출구측에는 물 배출시 개폐되는 제1 및 제2조절밸브(20,22)가 각각 장착된다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연료전지 차량용 워터트랩의 물 배출 동작을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 물 배출 동작을 설명하는 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
연료전지 스택(100)으로부터 생성된 물 즉, 공기가 스택내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음 생성되는 물, 그리고 연료전지 스택의 냉각수 배출라인을 통해 배출된 냉각수 등이 워터트랩(10)에 유입된다.
다음으로, 상기 워터트랩(10)내에 물이 최고수위 감지센서(12)에 도달하여, 최고수위 감지센서(12)의 센싱이 이루어져 제1조절밸브(20)가 열리게 되어, 메인 배출구(16)를 통해 물의 배출이 이루어진다.
이어서, 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서(14)의 센싱이 이루어지면, 제1조절밸브(20)가 닫히게 되어, 워터트랩(10)에 물이 잔류하게 되며, 전술한 바와 같이 잔류된 물은 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 된다.
반면에, 상기 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서(14)의 센싱이 이루어지지 않으면, 즉 미리 설정된 시간(물이 최저수위 감지센서 위치까지 배출되는 시간)동안 최저수위 감지센서(14)의 센싱이 이루어지지 않으면, 잔류된 물이 얼음 상태인 것으로 판단하여, 연료전지 제어기(미도시됨)의 제어 신호에 의하여 제2조절밸브(22)가 열리게 된다.
따라서, 첨부한 도 3의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 보조 배출구(18)를 통하여 얼음 위로 축적되는 물이 외부로 용이하게 배출될 수 있다.
즉, 상온 시동시에는 워터트랩(10)내의 잔류된 물이 얼지 않으므로, 물의 배출이 메인 배출구(16)를 통하여 이루어지고, 반면에 저온(냉) 시동시에 잔류된 물이 얼음 상태라 하더라도 보조 배출구(18)를 통하여 얼음 위로 축적되는 물이 용이하게 배출될 수 있다.
한편, 상기 보조배출구(18)를 통해 물이 배출되는 동시에 얼음 위로 축적된 물에 의하여 얼음이 녹게 되는데, 이때 최저수위 감지센서(14)의 센싱이 이루어질 수 있고, 이에 제1조절밸브(20)가 닫히게 되어, 결국 워터트랩(10)의 내부에 물이 잔류하게 된다.
도 1은 기존의 연료전지 차량용 워터트랩을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 물 배출 동작을 설명하는 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 워터트랩 12 : 최고수위 감지센서
14 : 최저수위 감지센서 16 : 메인 배출구
18 : 보조 배출구 20 : 제1조절밸브
22 : 제2조절밸브 100 : 연료전지 스택

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 최고수위 감지센서 및 최저수위 감지센서를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서,
    상기 워터트랩의 바닥에 물 배출을 위한 메인 배출구를 형성하고, 이 메인 배출구의 물유입구 높이 보다 높은 물유입구 높이를 갖는 보조 배출구를 워터트랩 바닥으로부터 돌출 형성하며,
    상기 보조 배출구는 상기 워터트랩의 바닥으로부터 상기 최저수위 감지센서 이상의 높이까지 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 보조 배출구는 원통형 관인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  4. 삭제
  5. 연료전지 스택으로부터 생성된 물이 워터트랩의 내부로 유입되는 단계와;
    상기 워터트랩내에 물이 최고수위 감지센서에 도달하면, 최고수위 감지센서의 센싱이 이루어져 제1조절밸브가 열리는 단계와;
    상기 제1조절밸브가 열려서 물이 메인배출구를 통해 배출되는 단계와;
    상기 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지면, 제1조절밸브가 닫히게 되어, 워터트랩에 물이 잔류하게 되는 단계와;
    상기 물의 배출 도중에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지지 않으면, 제2조절밸브가 열리게 되어, 최저수위 감지센서의 높이 이상으로 위치된 보조배출구를 통하여 물이 배출되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 물의 배출 도중에 미리 설정된 시간내에 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지지 않으면, 워터트랩내의 잔류된 물이 얼은 상태로 판단하여, 제2조절밸브가 열리게 됨과 함께 얼음 위로 돌출된 보조배출구를 통하여 물이 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어 방법.
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