KR100969061B1 - 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치 - Google Patents

연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100969061B1
KR100969061B1 KR1020080032889A KR20080032889A KR100969061B1 KR 100969061 B1 KR100969061 B1 KR 100969061B1 KR 1020080032889 A KR1020080032889 A KR 1020080032889A KR 20080032889 A KR20080032889 A KR 20080032889A KR 100969061 B1 KR100969061 B1 KR 100969061B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
purge
fuel cell
hydrogen purge
common distributor
Prior art date
Application number
KR1020080032889A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090107388A (ko
Inventor
심효섭
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020080032889A priority Critical patent/KR100969061B1/ko
Publication of KR20090107388A publication Critical patent/KR20090107388A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100969061B1 publication Critical patent/KR100969061B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지 장치에 관한 것으로서, 공용분배기 내부에 수소 퍼지 유로를 형성하고 이를 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인과 연결하여, 수소 퍼지 밸브를 통해 배기되는 수소가 상기 공용분배기 내부의 수소 퍼지 유로를 통해 배출되도록 함으로써, 퍼지 효과를 증대시키고, 기존의 수소 배기 배관을 제거하여 시스템의 안정성을 확보하고자 한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 내부에 수소 퍼지 밸브로부터 배기되는 수소가 통과하는 수소 퍼지 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공용분배기가 개시된다. 또한 공용분배기 내부에 수소 퍼지 유로가 형성되고, 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인이 상기 수소 퍼지 유로의 입구와 연통되어, 수소 퍼지 밸브로부터 배기되는 수소가 공용분배기의 수소 퍼지 유로를 통과하여 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 공용분배기를 이용한 연료전지 시스템용 수소 퍼지 장치가 개시된다.
연료전지, 수소 퍼지 장치, 퍼지 밸브, 공용분배기, 수소 퍼지 유로

Description

연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지 장치{Common distribution device for fuel cell system and hydrogen purge system using the same}
본 발명은 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지 장치에 관한 것으로서, 수소, 공기, 냉각수의 공급 및 배기 시스템과 분리판의 매니폴드를 연결시켜 주어, 스택을 구성하는 각 단위 셀에 효율적으로 수소, 공기, 냉각수를 공급하고 배출해주는 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구 되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
이와 같은 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[캐소드에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.
상기 환원극 반응을 위해 수소이온은 전해질막을 통과해 지나가야만 하는데, 이때 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응기체와 막을 가습하게 된다.
가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 전해질막이 말라 버리며, 이에 연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 전해질막이 습하게 유지되어야 한다. 막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.
연료전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는데, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료전지로 공급되기 전에 공기는 원활한 작동을 위해서 충분히 가습된다.
한편, 연료전지 차량에서 스택의 운전에 따라 연료전지반응의 산화제로 사용한 공기 중의 질소와 캐소드(공기극)에서 생성된 생성수들이 전해질막을 통해 크로스 오버되어 애노드(수소극) 측으로 이동해 온다.
이때 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 통상 연료전지 시스템에는 수소 퍼지를 위한 장치가 구비된다.
첨부한 도 1은 종래기술에 따른 수소 퍼지 장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도로서, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기(산소)공급장치(30), 연료전지 스택(10)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS), 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
여기서 수소공급장치(20)는 수소탱크, 고압(미도시)/저압 레귤레이터(21), 수소 재순환 장치(22) 등을 포함하고, 공기공급장치(30)는 공기블로워(31), 가습기(32) 등을 포함하며, 열 및 물 관리계는 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.
상기 수소공급장치(20)의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 고압/저압 레귤레이터(21)를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 공용분배기(40)를 통해 연료전지 스택(10)으로 공급되며, 수소 재순환 장치(22)에서는 재순환 라인(23)에 블로워(24)를 설치하여 스택(10)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
여기서 상기 공용분배기(40)는 수소, 공기, 냉각수의 공급 및 배기 시스템과 분리판의 매니폴드를 연결시켜 주어, 스택을 구성하는 각 단위 셀에 효율적으로 수소, 공기, 냉각수를 공급하고 배출해주는 역할을 한다. 도 1을 참조하면, 수소공급장치(20)/공기공급장치(30)와 스택(10) 사이에 위치된 공용분배기(40)에 수소 및 공기 유로가 형성됨을 볼 수 있다.
상기 공용분배기(40)에는 수소극에서 생성된 응축수를 제거하기 위한 워터트랩(50)이 연결되어 구비되며, 스택(10)에서 공용분배기(40)를 통해 나온 미반응 수소, 질소, 수증기를 포함한 혼합가스가 워터트랩(50)을 거친 뒤 다시 공용분배기(40)를 통해 수소공급장치(20)의 수소 재순환 라인(23)으로 이동하게 된다.
이때 워터트랩(50)에서는 혼합가스에 함유된 물이 분리되어 모이게 되며, 액적이 제거된 혼합가스가 수소 재순환 블로워(24)에 의해 재순환되어, 수소탱크에서 공급된 수소와 섞인 뒤 연료전지 스택(10)에 재투입된다. 또한 워터트랩(50)에서 는 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥쪽의 배출밸브(51)가 열리면서 물의 방출이 이루어진다.
상기와 같이 공용분배기(40)는 연료전지 스택(10)과 수소공급장치(20), 공기공급장치(30), 워터트랩(50) 사이에 위치되어 이들 장치의 유체 통로를 서로 연결하는 역할을 하며, 내부 유로를 통해 공기와 수소, 혼합가스를 정해진 장치로 적절히 분배하게 된다.
상기 공용분배기(40)는 블록 형상의 내부에 각각의 유로로 형성한 구조로 되어 있는데, 공기와 수소, 혼합가스를 위한 각 유로와 입/출구를 구비하며, 입/출구를 각 장치의 연결부에 연결하여 장치 간 유체 통로를 제공하면서 각 장치에 대해 출입 유체를 적절히 분배해주게 된다.
이와 같이 블록에 유로를 형성한 공용분배기(40)를 장치 사이에 설치하는 경우, 개별 배관을 이용하여 구성할 경우의 문제점, 즉 배관의 복잡성, 배관 작업의 어려움, 배관 연결부위의 누수, 비용 증가 등의 여러 문제점을 해결할 수 있다.
또한 스택(10)에서 나온 미반응 수소가 수소 재순환 라인(23)을 통해 다시 스택으로 공급되지만, 그 일부는 수소 퍼지 밸브(25)를 통해 희석장치인 가습기(32)로 이동하여 공기에 의해 규정치 이하로 희석된 뒤 외부로 배출된다.
통상 수소 재순환 라인(23)에서 재순환 블로워(24) 전단 위치에 수소 퍼지 밸브(25)를 설치하고 이 수소 퍼지 밸브(25)를 통해 배출된 수소가 퍼지 라인(26)을 따라 가습기(32)로 이동하도록 하여 수소 퍼지 장치를 구성하는 바, 수소 퍼지 밸브를 통해 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 분리판의 액적들을 제거하고 수소 이용 률을 높이게 된다.
그러나 종래의 수소 퍼지 장치에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
종래에는 수소 퍼지시에 상당한 소음이 발생한다. 퍼지된 수소가 퍼지 라인, 즉 수소 배기 배관을 따라 수소공급장치 외부에 장착되어 있는 가습기나 수소배기장치로 이동하여 희석되거나 제거되는데, 이때 수소가 작은 직경의 배관에서 가습기의 확대된 공간으로 급격히 배출될 때 큰 소음이 발생한다. 이러한 소음은 운전자에게 불안감을 줄 수 있기 때문에 소음기가 사용되기도 한다. 가습기로 퍼지시에 소음이 발생하거나 수소배기장치에서 희석이 제대로 이루어지지 않아 허용치 이상의 수소가 배출될 경우 운전자에게 불안감을 줄 수 있다.
또한 수소 배기 배관은 수소공급장치로부터 차량 전면에 위치한 가습기나 차량 언더플로어에 위치한 수소배기장치로 연결된다. 이때 배관은 설계 과정 중에서 가장 마지막에 반영되는 요소 중 하나로서, 기존 구성품과의 간섭을 회피하고자 배관의 구조가 기하학적으로 매우 복잡해진다.
이와 같이 퍼지 효과의 극대화를 위한 최적 설계가 불가능하고, 특히 배관이 복잡하거나 길어질 경우에 압력 손실이 크게 발생하여 퍼지 효과를 극대화시킬 수 없다.
특히 수소 배기 배관을 종래와 같이 길게 할 경우에 배관 및 연결 피팅의 값으로 소요되는 비용이 상당하기 때문에 전체 수소 배기 배관을 제작하는데 소요되는 비용이 매우 많아진다.
또한 수소 배기 배관에는 스택을 거친 다습한 수소가 이동하기 때문에 부식 의 문제가 발생할 수 있다. 즉 퍼지되는 수소는 상당한 양의 수분을 포함하므로 배관에 항상 수분이 잔류하게 되고, 이에 배관 내에서 부식이 발생하거나 배관 연결부위에서 누설이 발생할 가능성이 잔존하였다. 결국 주기적인 점검이 반드시 필요하다. 또한 겨울철 저온조건 운전시에 차가운 주행풍에 의한 배관의 냉각으로 배관 내 수분이 응결되어 수소의 퍼지를 방해할 수 있다.
아울러 배관이 외부에 노출되어 있기 때문에 차체의 진동 등으로 인해 배관이 손상될 수 있고, 이에 배관 자체 및 배관과 피팅이 연결되는 부위에서 누설이 발생할 위험성이 항상 존재한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 공용분배기 내부에 수소 퍼지 유로를 형성하고 이를 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인과 연결하여, 수소 퍼지 밸브를 통해 배기되는 수소가 상기 공용분배기 내부의 수소 퍼지 유로를 통해 배출되도록 함으로써, 퍼지 효과를 증대시키고, 기존의 수소 배기 배관을 제거하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인에 연결되어 상기 수소 퍼지 밸브로부터 배기되는 수소가 통과하는 수소 퍼지 유로가 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공용분배기를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 수소 퍼지 유로의 출구부분이 연료전지 스택에서 배출된 공기가 통과하는 공기 배출 유로에 연결되어, 공용분배기 내에서 공기에 의해 퍼지 수소의 희석이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은, 공용분배기 내부에 수소 배출 경로를 형성하게 되는 수소 퍼지 유로가 형성되고, 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인이 상기 수소 퍼지 유로의 입구와 연통되어, 수소 퍼지 밸브로부터 배기되는 수소가 공용분배기의 수소 퍼지 유로를 통과하여 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 공용분배기를 이용한 연료전지 시스템용 수소 퍼지 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 수소 퍼지 유로의 출구부분이 연료전지 스택에서 배출된 공기가 통과하는 공용분배기 내 공기 배출 유로에 연결되어, 공용분배기 내에서 공기에 의해 퍼지 수소의 희석이 이루어지는 특징으로 한다.
또한 수소공급장치에서 상기 공용분배기가 접속되는 부분의 일측에 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인이 연결되는 출구부가 구비되고, 이 수소 퍼지용 출구부가 상기 수소 퍼지 유로의 입구부와 접속되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명의 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지 장치에서는 다음과 같은 장점이 있다.
1) 수소공급장치의 출구부 및 이에 접속된 공용분배기의 수소 퍼지 유로를 구비하는 것만으로 수소 퍼지 밸브 후단에 긴 구간으로 설치되었던 기존의 수소 배기 배관을 모두 제거할 수 있게 된다. 수소 배기 배관의 제거(배관 및 고가의 피팅류 삭제)를 통해 원가 절감 및 경량화를 이룰 수 있고, 시스템 패키지 설계 측면에서 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다. 배관의 제작 및 설치에 따른 비용 및 시간, 공정(차체에 배관을 마운팅하고 가습기에 배관을 연결하기 위해 탭을 낸 뒤 피팅을 체결하는 작업 등)의 삭제가 가능하며, 배관에서 발생할 수 있는 부식 문제, 차체 진동으로 인한 누설 위험성 등의 문제가 해결될 수 있다. 또한 퍼지 라인의 복잡성이 해소되고 퍼지 라인이 단축되면서 압력 손실에 따른 퍼지 효과의 저하가 방지되고, 퍼지 효과를 극대화할 수 있다. 뿐만 아니라 겨울철 주행풍에 의해 배관이 냉각되어서 내부의 수분이 빙결됨으로써 수소 퍼지가 원활하지 못했던 문제가 해소될 수 있다.
2) 특히 공용분배기 내 수소 퍼지 유로를 통과한 퍼지 수소가 공기 배출 유로의 공기(스택으로부터 배출됨)와 합류하여 희석된 뒤 가습기로 연결된 기존의 공기 배출 배관을 통해 배출되므로, 퍼지시 수소를 더욱 효율적으로 희석시킬 수 있고, 퍼지시에 발생하는 소음(배관에서 가습기로 배출될 때의 소음이 없어짐)을 상당부분 저감시킬 수 있게 된다.
3) 공용분배기 측면에서도 추가의 유로가 형성되어 공용분배기의 성형에 소요되는 소재의 양을 줄일 수 있으며, 이에 재료비 절감의 효과는 물론 경량화의 효과도 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기존의 연료전지 시스템에서 퍼지 용도로 사용하던 수소 배기 배관을 제거하고 공용분배기 내에 수소 퍼지 유로를 구성하여, 퍼지 효과를 증대시키고, 시스템의 안정성을 확보하고자 한 것이다.
본 발명에서는 공용분배기 내에 수소와 공기, 워터트랩으로 이동하는 혼합가스의 공급 및 배기를 위한 유로 외에 퍼지를 위한 유로를 추가 구성하여, 이를 공용분배기 내에서 스택으로부터 가습기로 이동하는 공기의 배기 유로에 연결시킴으 로써, 기존의 수소 배기 배관을 제거하고, 퍼지 효율의 향상을 도모하며, 기존의 긴 구간 외부 배관의 설치로 인한 많은 문제점을 동시에 해결할 수 있게 된다.
첨부한 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공용분배기 및 이를 이용한 연료전지 시스템용 수소 퍼지 장치의 구성도이다.
기존에는 수소를 퍼지하기 위해 수소 배기 배관이 사용되었으며, 이 수소 배기 배관은 수소공급장치로부터 가습기까지 상당히 긴 구간에 설치되었다. 이에 대해 본 발명에서는 긴 구간의 외부 수소 배기 배관을 삭제하기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 공용분배기(40) 내에 별도의 수소 퍼지 유로(46)를 형성한다.
통상의 공용분배기는 내부에 유로를 형성한 블록 형상으로 제작되는데, 기본적으로 수소공급장치(20)에서 스택(10)의 수소극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급 유로(41), 스택(10)의 수소극에서 나온 혼합가스를 워터트랩(50)으로 이동시키기 위한 혼합가스 배기 유로(42), 워터트랩(50)에서 수분이 제거된 가스를 수소공급장치(20)의 재순환 라인(23)으로 공급하기 위한 재순환 가스 유로(43), 공기공급장치(30)의 가습기(32)를 통과한 가습 공기를 스택(10)의 공기극으로 공급하기 위한 공기 공급 유로(44), 스택(10)의 공기극에서 반응하고 나온 공기를 공기공급장치(30)의 가습기(32)로 배출하기 위한 공기 배출 유로(45)가 형성된다.
이에 더하여, 본 발명의 공용분배기(40)에는 수소 퍼지 유로(46)가 추가로 형성되며, 공용분배기에서 상기 수소 퍼지 유로(46)의 입구부는 수소 퍼지 밸브(26)의 퍼지 라인(25)과 연결되고, 수소 퍼지 유로(46)의 반대쪽 출구부분은 가습기(32)로 연결되는 공기 배출 유로(45)에 연결된다.
이때 공용분배기(40)가 접속되는 수소공급장치(20) 모듈의 일측에 별도의 출구부(27)를 구비하고, 수소 퍼지 밸브(26)의 퍼지 라인(25)을 수소공급장치 내에서 상기 출구부(27)로 연결하며, 이 수소공급장치 일측의 출구부(27)를 공용분배기(40)에 형성된 수소 퍼지 유로(46)의 입구부와 직접 접속하여 연결한다.
결국 수소공급장치(20)와 공용분배기(40) 사이에 배관 없이 접속 포트와 포트 간 연결에 의해 양측의 수소 유로가 연통되며, 이에 따라 외부로 노출되는 수소 배관은 불필요하게 된다.
본 발명에서 공용분배기(40)에 수소 퍼지 유로(46)의 별도 출구를 마련하고 이 출구를 별도 배관을 통해 가습기(32)나 수소배기장치와 연결하여, 수소 퍼지 유로(46)를 통과한 수소가 상기 별도 배관을 통해 가습기로 이동한 뒤 희석되도록 할 수 있으나, 바람직하게는 수소 퍼지 유로(46)의 출구부분을 공기 배출 유로(45)에 직접 연결하여, 퍼지되는 수소가 공용분배기(40) 내에서 공기와 희석된 뒤 가습기(32)로 배출되도록 한다.
결국 퍼지되는 수소가 공용분배기(40) 내에서 희석된 뒤 공기 배출 유로(45) 및 그 출구, 가습기(32)로 연결된 기존의 공기 배출 배관을 통해 대기로 배출되며, 따라서 퍼지되는 수소를 이동시키기 위한 별도의 수소 배기 배관은 필요 없게 된다.
본 발명의 공용분배기(40)에서 수소 퍼지 유로(46)와 공기 배출 유로(45)가 연결되는 부분은 두 유체가 효율적으로 믹싱(mixing)될 수 있도록 최적화된 설계를 해야 한다. 예를 들면, 두 유로가 연결되는 부분에서 공기 배출 유로(45)에 대해 수소 퍼지 유로(46)가 공기 배출 유로의 출구 쪽을 향해서 비스듬하게(경사방향으로) 연결되도록 하는 것이 가능하다(퍼지되는 수소가 공기 배출 흐름에 대하여 공기 배출 유로의 출구를 향해서 경사방향으로 합류되도록 함).
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 공용분배기를 이용하여 수소 퍼지 장치를 구성하게 되면, 수소공급장치의 출구부 및 이에 접속된 공용분배기의 수소 퍼지 유로를 구비하는 것만으로 수소 퍼지 밸브 후단에 긴 구간으로 설치되었던 기존의 수소 배기 배관을 모두 제거할 수 있게 된다.
특히 공용분배기 내 수소 퍼지 유로를 통과한 퍼지 수소가 공기 배출 유로의 공기(스택으로부터 배출됨)와 합류하여 희석된 뒤 가습기로 연결된 기존의 공기 배출 배관을 통해 배출되므로, 별도 배관이 불필요한 것은 물론 퍼지시 수소를 더욱 효율적으로 희석시킬 수 있고, 퍼지시에 발생하는 소음(배관에서 가습기로 배출될 때의 소음이 없어짐)을 상당부분 저감시킬 수 있게 된다.
또한 수소 배기 배관의 제거(배관 및 고가의 피팅류 삭제)를 통해 원가 절감 및 경량화를 이룰 수 있고, 시스템 패키지 설계 측면에서 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
본 발명에서 수소 배기 배관의 제거는 상당한 이점을 제공하는데, 원가 절감 및 경량화는 물론이고 배관의 제작 및 설치에 따른 비용 및 시간, 공정(차체에 배관을 마운팅하고 가습기에 배관을 연결하기 위해 탭을 낸 뒤 피팅을 체결하는 작업 등)의 삭제가 가능하며, 배관에서 발생할 수 있는 부식 문제, 차체 진동으로 인한 누설 위험성 등의 문제가 해결될 수 있다.
또한 퍼지 라인의 복잡성이 해소되고 퍼지 라인이 단축되면서 압력 손실에 따른 퍼지 효과의 저하가 방지되고, 퍼지 효과를 극대화할 수 있다. 뿐만 아니라 겨울철 주행풍에 의해 배관이 냉각되어서 내부의 수분이 빙결됨으로써 수소 퍼지가 원활하지 못했던 문제가 해소될 수 있다.
공용분배기 측면에서도 추가의 유로가 형성되어 공용분배기의 성형에 소요되는 소재의 양을 줄일 수 있으며, 이에 재료비 절감의 효과는 물론 경량화의 효과도 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 수소 퍼지 장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공용분배기 및 이를 이용한 연료전지 시스템용 수소 퍼지 장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 20 : 수소공급장치
30 : 공기공급장치 32 : 가습기
40 : 공용분배기 45 : 공기 배출 유로
46 : 수소 퍼지 유로

Claims (5)

  1. 내부에 수소 퍼지 밸브(26)로부터 배기되는 수소가 통과하는 수소 퍼지 유로(46)가 형성되고, 상기 수소 퍼지 유로(46)의 입구부는 수소공급장치 모듈 내의 수소 퍼지 밸브의 퍼지 라인과 연결되어 있는 출구부에 직접 연결되며, 상기 수소 퍼지 유로(46)의 출구부분이 연료전지 스택(10)에서 배출된 공기가 통과하는 기존의 공기 배출 유로(45)에 연결되어, 공용 분배기 내에서 공기에 의해 퍼지 수소의 희석이 이루어진 후 배출되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공용 분배기.
  2. 삭제
  3. 공용 분배기(40)의 내부에 수소 퍼지 유로(46)가 형성되고, 상기 공용 분배기(40)가 접속되는 수소공급장치(20) 모듈의 일측에 출구부(27)를 구비하여 수소 퍼지 밸브(26)의 퍼지 라인(25)을 수소공급장치 내에서 출구부(27)에 연결하는 동시에 이 수소공급장치 일측의 출구부(27)를 공용 분배기(40)에 형성된 수소 퍼지 유로(46)의 입구부와 직접 접속하여 연결함으로써 수소 퍼지 밸브로부터 배기되는 수소가 공용 분배기의 수소 퍼지 유로를 통과하여 배출되도록 구성되고,
    상기 수소 퍼지 유로(46)의 출구부분을 연료전지 스택(10)에서 배출된 공기가 통과하는 공용 분배기(40) 내의 기존의 공기 배출 유로(45)에 직접 연결하여 퍼지되는 수소가 공용 분배기(40) 내에서 공기와 희석된 뒤 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소 퍼지 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020080032889A 2008-04-08 2008-04-08 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치 KR100969061B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080032889A KR100969061B1 (ko) 2008-04-08 2008-04-08 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080032889A KR100969061B1 (ko) 2008-04-08 2008-04-08 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090107388A KR20090107388A (ko) 2009-10-13
KR100969061B1 true KR100969061B1 (ko) 2010-07-09

Family

ID=41537197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080032889A KR100969061B1 (ko) 2008-04-08 2008-04-08 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100969061B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101403173B1 (ko) * 2012-07-25 2014-06-11 주식회사 효성 연료전지 공용분배기

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005032502A (ja) * 2003-07-10 2005-02-03 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006147470A (ja) 2004-11-24 2006-06-08 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007165280A (ja) 2005-12-09 2007-06-28 Hyundai Motor Co Ltd 車両用燃料電池の共用分配機構
KR100778566B1 (ko) 2006-08-08 2007-11-22 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소 안전 배기 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005032502A (ja) * 2003-07-10 2005-02-03 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006147470A (ja) 2004-11-24 2006-06-08 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007165280A (ja) 2005-12-09 2007-06-28 Hyundai Motor Co Ltd 車両用燃料電池の共用分配機構
KR100778566B1 (ko) 2006-08-08 2007-11-22 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소 안전 배기 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090107388A (ko) 2009-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7592083B2 (en) Integrated air supply with humidification control for fuel cell power systems
KR101461874B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 가습 및 냉각방법
CN108292764B (zh) 用于燃料电池的阴极再循环的组件以及用于阴极再循环的方法
US20070065696A1 (en) In-vehicle fuel cell system
KR101592391B1 (ko) 연료 전지 스택의 수소 공급 장치
JP4824375B2 (ja) 車載用燃料電池システム
KR100774472B1 (ko) 연료전지의 공기 예열 장치
KR100862419B1 (ko) 연료전지용 분리판
KR101610063B1 (ko) 연료 전지 시스템
JP5354943B2 (ja) 燃料電池システム
KR101080782B1 (ko) 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법
JP5354942B2 (ja) 燃料電池システム
KR100974734B1 (ko) 연료전지 차량의 수소 퍼지 장치
CN112290052A (zh) 一种燃料电池的冷却加湿集成系统
JP5366635B2 (ja) 燃料電池システム
KR100969061B1 (ko) 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치
JP5508915B2 (ja) 燃料電池システム
KR101000584B1 (ko) 연료전지 차량용 워터트랩 장치
KR101209747B1 (ko) 차량용 연료 전지 시스템
KR101189236B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
KR101988054B1 (ko) 통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템
KR101028023B1 (ko) 연료전지 차량의 배기 장치
KR20140083729A (ko) 수소배기장치를 적용한 연료전지차량
KR101417120B1 (ko) 연료전지 차량용 워터트랩 장치
KR101339238B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130627

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140630

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150630

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160630

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180628

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190627

Year of fee payment: 10