KR100957375B1 - 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한밸브장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한밸브장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 연료극에 연결된 수소 퍼징을 위한 퍼징밸브와, 물 배출을 위한 워터트랩 장치를 하나로 통합시킨 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 연료극 출구단에 물 저장 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 연결된 소형 리저버와; 상기 소형 리저버의 상단부에 장착된 압력센서와; 상기 소형 리저버의 하단부에 물 배출 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 장착된 배출밸브; 를 포함하여 구성된 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
연료전지, 수소 퍼징, 불순물, 워터트랩, 밸브장치, 물 배출, 제어 방법

Description

연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법{Device combined water trap and purging valve of fuel cell system and method for controlling the same}
본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 연료극에 연결된 수소 퍼징을 위한 퍼징밸브와, 물 배출을 위한 워터트랩 장치를 하나로 통합시킨 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 자동차의 주 에너지원은 연료전지 스택이라 부르는 발전장치로부터 기인하는데, 이 스택의 원리는 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 에너지를 발생시키는 장치이다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요 한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
이러한 연료전지 시스템의 동작에 있어서, 연료전지 스택의 수소극(연료극)측에 질소나 물이 축적되어 스택의 성능을 저하시키게 되기 때문에 주기적인 수소극의 퍼지를 통하여 스택의 안정적인 성능을 확보하여야 한다.
따라서, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 상기 연료전지 스택(10)에서 발생 혹은 응축된 물을 제거하기 위하여 연료공급 라인에 워터트랩(12: 리저버)이 장착되어 있으며, 이 워터트랩은 단순히 스택의 물을 받아서 일정 수위가 되면 물을 빼주는 일종의 물배출 장치이다.
또한, 연료전지 스택(10)에는 연료극의 불순물을 제거하기 위해 압력센서(14) 및 퍼징밸브(16)가 연결되어 있으며, 이 퍼징밸브(16)는 높은 수소이용률을 달성할 수 있도록 최소의 수소 퍼징만이 이루어지는 제어로 일시적인 열림 작동을 하게 된다.
여기서, 상기 연료전지 스택의 연료극에 연결된 워터트랩 및 퍼징밸브에 대한 동작에 대하여 도 5를 참조로 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
연료전지 스택에서의 반응에 있어서, 공기의 습도가 매우 중요한데, 해당 습도의 유지를 위해 가습기(미도시됨)를 이용하여 공기 입구에서 수분을 공급하고, 수분을 공급 받은 공기는 연료전지 스택내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음, 물(생성수)을 생성시킨다.
반응에 의해 발생한 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로, 연료전지 스택 으로부터 제거가 필요하며, 이에 생성된 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지게 되어 있으며, 아래로 떨어진 물은 워터트랩(Water Trap) 장치에 모이게 된다.
즉, 연료전지 스택(10)의 연료극(18: anode)쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 연료극(18)의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩(12)에 중력에 의하여 떨어져 모이게 된다.
상기 워터트랩(12)내에 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서(22)에서 감지하는 동시에 워트트랩(12) 바닥쪽의 배출밸브(20)가 열리게 되어, 물의 배출이 이루어진다.
반면에, 워터트랩(12)내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수위 감지센서(24)에서 감지하면 워트트랩(12) 바닥쪽의 배출밸브(20)가 닫히게 되어, 워터트랩(12)내에 물이 다시 모일 수 있는 상태가 된다.
한편, 상기 퍼징밸브(16)는 연료전지 시스템을 위한 제어부(미도시됨)에서 수소 퍼지 요구가 있는 경우, 퍼징밸브(16)가 일시적으로 열리게 되어, 연료전지 스택의 연료극에 존재하는 불순물들이 연료극 가스와 함께 대기로 배출되어진다.
그러나, 상기와 같이 미반응수소와 함께 생성된 물의 배출시키는 워터트랩 장치와, 연료극의 불순물을 제거하기 위한 퍼징밸브가 연료전지 스택의 연료극 출구단쪽에 별도로 연결됨에 따라, 부품수가 많이 들고, 특히 워터트랩의 큰 사이즈로 인한 제품의 패키지 크기가 증대되며, 결국 제조원가의 증가를 초래하는 단점이 있었다.
특히, 상기 워터트랩은 구성요소로서 물배출밸브 및 수위센서를 포함하고, 그리고 수위센서를 제어하기 위한 제어부의 입출력 포트 등이 추가로 더 요구되기 때문에 제조원가가 크게 드는 부담이 따른다.
또한, 연료전지 스택의 패키지 측면에서 워터트랩의 사이즈가 단순 리저버 형태이므로 빈 공간을 차지하게 되며, 그 장착 위치도 연료전지 스택 하단부에 장착되어야 하는 제약으로 다른 부품들의 패키지를 어렵게 하는 단점이 있다.
또한, 워터트랩의 무게와, 퍼징밸브의 무게가 더해짐에 따른 중량 증가의 요소로 작용하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 연료극으로부터 배출된 물을 저장하여 배출시키는 워터트랩과, 연료극에 존재하는 불순물들을 수소와 함께 일시적으로 퍼징시키는 퍼징밸브를 하나의 장치로 통합시켜서, 패키지 사이즈 축소, 부품수 절감, 그리고 중량 감소 등을 실현할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 연료극 출구단에 물 저장 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 연결된 소형 리저버와; 상기 소형 리저버의 상단부에 장착된 압력센서와; 상기 소형 리저버의 하단부에 물 배출 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 장착된 배출밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 연료극 출구단에 연결된 소형 리저버에 물이 저장되는 단계와; 상기 연료극의 불순물을 함유한 수소 퍼징이 주기적으로 요구되는 단계와; 상기 소형 리저버의 배출밸브가 소정시간(T) 동안 오픈되어, 물 배출이 진행되는 동시에 불순물을 함유한 수소 퍼징이 시도되는 단계와; 불순물을 함유한 수소 퍼징의 성공여부를 판단하는 단계와; 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공되지 않으면, 상기 배출밸브를 소정시간 이상(T+1)으로 오픈시켜 불순물을 함유한 수소 퍼징을 반복적으로 재시도하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 불순물을 함유한 수소 퍼징의 성공여부를 판단하는 단계는: 상기 불순물을 함유한 수소 퍼징이 시도될 때, 상기 소형 리저버의 상단에 장착된 압력센서에서 불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값을 감지하는 과정과; 불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값이 기준 압력값에 근접하면 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공된 것으로 판단하는 과정; 으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 소형 리저버의 배출밸브 오픈시간은 연료전지 시스템의 안정성을 고려한 최대 오픈시간에 도달할 때까지 일정하게 증가되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 연료극에 별도로 연결된 수소(불순물 함유)퍼징밸브와, 워터트랩 장치를 하나의 밸브장치로 통합시킴으로써, 즉 종래의 워터트랩 크기를 줄이는 동시에 수위감지센서를 배제하는 동시에 종래의 수소 퍼징 밸브를 배제하여 하나의 단순화된 소형 리저버를 포함하는 밸브장치로 통합시키면서 그 크기를 축소시킴으로써, 부품수 절감, 시스템 구조 단순화 및 패키지 공간 확보, 그리고 원가절감을 크게 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택의 연료극 출구단쪽에 연결되어 연료극에서 생성된 물을 저장하였다가 외부로 배출시키는 워터트랩 장치와, 연료극에 존재하는 불순물들을 수소와 함께 일시적으로 외부로 퍼징시키는 퍼징밸브를 하나의 밸브장치로 통 합시킨 점, 그리고 하나로 통합된 밸브장치를 물과 불순물 배출이 연속적으로 이루어지도록 제어하는 방법에 특징이 있다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치를 외관을 보여주는 사시도이다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택(10)의 연료극(18) 출구단에 물 저장 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 소형 리저버(30)를 연결시킨다.
즉, 종래의 물 저장 및 배출을 위한 워터트랩과, 불순물을 함유한 수소를 일시적으로 퍼징시키는 퍼징밸브를 배제하고, 이들을 통합시키기 위한 소형 리저버(30)를 연료극(18)의 출구단에 장착시킨다.
이때, 상기 소형 리저버(30)의 하단부에는 배출밸브(40)가 장착되는 바, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 배출밸브(40)의 상단부에는 제어부(60)의 온/오프 제어 신호를 수신하는 커넥터 연결구(42)가 형성되고, 그 아래에는 수소+물 등이 배출되는 배출구(44)가 형성된다.
특히, 상기 소형 리저버(30)의 상단부에는 연료극(18)으로부터 상기 배출밸브(40)를 통해 불순물이 함유된 수소가 퍼징될 때, 그 압력 변화를 감지하는 압력센서(50)가 장착된다.
이와 같이, 종래에 물 배출 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 실시하기 위하여, 2개의 수위감지센서를 갖는 워터트랩과 수소(불순물 함유) 퍼징을 위한 퍼징밸브를 별도로 설치하여, 그 부품수가 많이 들고, 원가 상승을 초래하던 점에 비하 여, 본 발명에 따르면 소형 리저버(30), 압력센서(50), 배출밸브(40)만의 구성으로, 물 배출 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 실시할 수 있다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 밸브장치에 의하여 물 배출 및 수소 퍼징 제어가 함께 진행되는 것에 대하여 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법을 설명하는 순서도이고, 도 4는 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치의 최대 오픈시간을 한정하는 것을 설명하는 그래프이다.
먼저, 연료전지 스택(10)의 연료극(18: anode)에 수소가 공급된 후, 반응하지 않은 미반응수소는 연료극(18)의 출구단쪽으로 배출되는 바, 이때 미반응 수소내에 함유된 물이 중력에 의하여 상기 소형 리저버(30)에 모여 저장된다.
이때, 연료전지 스택(10)의 연료극(18)에 존재하는 불순물들을 연료극내 가스와 함께 대기로 배출시키기 위하여, 연료전지 시스템의 제어부(60)에서 주기적인 수소 퍼지 요구되면, 수소 퍼징을 위한 시도가 이루어진다.
즉, 상기 연료극(18)의 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위한 시도는, 상기 소형 리저버(30)의 배출밸브(40)가 소정시간(T) 동안 일단 오픈되는 동작으로 이루어진다.
이에, 상기 배출밸브(40)가 소정시간(T) 동안 오픈됨에 따라, 상기 소형 리저버(30)에 저장되어 있던 물이 외부로 배출되고, 물이 모두 배출되면 연이어 불순물을 함유한 수소 퍼징이 이루어질 수 있다.
그러나, 상기 소형 리저버(30)에서 물이 모두 배출되기 이전에는 물에 막혀 불순물을 함유한 수소 퍼징이 이루어지지 않게 된다.
따라서, 상기와 같이 수소 퍼징을 위한 시도가 있는 경우, 불순물을 함유한 수소 퍼징의 성공여부를 판단하는 단계가 연이어 진행된다.
즉, 불순물을 함유한 수소 퍼징이 시도될 때, 상기 소형 리저버(30)의 상단에 장착된 압력센서(50)에서 불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값을 감지하게 되고, 불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값이 기준 압력값에 근접하면 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공된 것으로 판단하게 된다.
이때, 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공하게 되면, 이때의 압력변화값은 대기압에 근접하는 압력값으로 하강하게 되므로, 상기 기준 압력변화값은 대기압에 거의 근접한 압력값으로 설정될 수 있다.
반면에, 상기와 같이 수소 퍼징을 위한 시도가 있는 경우, 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공되지 않으면, 즉 압력센서(50)의 압력변화값에 변화가 없으면, 상기 배출밸브(40)를 소정시간 이상(T+1)으로 오픈시켜 불순물을 함유한 수소 퍼징을 반복적으로 재시도한다.
특히, 상기 배출밸브(40)의 오픈시간은 연료전지 시스템의 안정성을 고려한 최대 오픈시간에 도달할 때까지 일정하게 증가되도록 제어된다.
다시 말해서, 상기 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공되지 않으면, 즉 압력센서(50)의 압력변화값에 변화가 없으면, 상기 배출밸브(40)의 오픈시간을 물 배출이 완료되는 시간인 최대 오픈시간까지 일정하게 늘려주어 물의 완전한 배출을 유도함으로써, 물의 완전한 배출후 불순물을 함유한 수소 퍼징이 용이하게 이루어질 수 있다,
따라서, 상기와 같이 배출밸브(40)의 오픈시간이 최대 오픈시간까지 늘어날 경우, 물이 완전히 배출되기도 하면서 불순물을 함유한 수소 퍼징 확률이 높아지므로, 결국 불순물을 함유한 수소 퍼징이 용이하게 이루어지게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치를 외관을 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치의 최대 오픈시간을 한정하는 것을 설명하는 그래프,
도 5는 종래에 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출 장치가 별도로 설치된 것을 보여주는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 12 : 워터트랩
14 : 압력센서 16 : 퍼징밸브
18 : 연료극 20 : 배출밸브
22 : 최고수위 감지센서 24 : 최저수위 감지센서
30 : 소형 리저버 40 : 배출밸브
42 : 커넥터 연결구 44 : 배출구
50 : 압력센서 60 : 제어부

Claims (4)

  1. 연료전지 스택의 연료극 출구단에 물 저장 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 연결된 소형 리저버와;
    상기 소형 리저버의 상단부에 장착된 압력센서와;
    상기 소형 리저버의 하단부에 물 배출 및 불순물을 함유한 수소 퍼징을 위해 장착된 배출밸브;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치.
  2. 연료전지 스택의 연료극 출구단에 연결된 소형 리저버에 물이 저장되는 단계와;
    상기 연료극의 불순물을 함유한 수소 퍼징이 주기적으로 요구되는 단계와;
    상기 소형 리저버의 배출밸브가 소정시간(T) 동안 오픈되어, 물 배출이 진행되는 동시에 불순물을 함유한 수소 퍼징이 시도되는 단계와;
    불순물을 함유한 수소 퍼징의 성공여부를 판단하는 단계와;
    불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공되지 않으면, 상기 배출밸브를 소정시간 이상(T+1)으로 오픈시켜 불순물을 함유한 수소 퍼징을 반복적으로 재시도하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 불순물을 함유한 수소 퍼징의 성공여부를 판단하는 단계는:
    상기 불순물을 함유한 수소 퍼징이 시도될 때, 상기 소형 리저버의 상단에 장착된 압력센서에서 불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값을 감지하는 과정과;
    불순물을 함유한 수소 퍼징시 압력변화값이 기준 압력값에 근접하면 불순물을 함유한 수소 퍼징이 성공된 것으로 판단하는 과정;
    으로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 소형 리저버의 배출밸브 오픈시간은 연료전지 시스템의 안정성을 고려하여 물 배출이 완료되는 시간인 최대 오픈시간에 도달할 때까지 일정하게 증가되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼징 및 물 배출을 겸비한 밸브장치 제어 방법.
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