KR100974735B1 - 연료전지용 응축수 배출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 응축수 배출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 재순환시 애노드측에서 발생된 응축수가 수소와 함께 섞여 들어가지 않도록 응축수를 분리해 내는 연료전지용 응축수 배출장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 수소배출라인에 설치되고, 양단에 유입구와 배출구가 형성된 드레인탱크; 상기 드레인탱크의 유입구를 통해 유입된 수소로부터 응축수가 중력에 의해 분리되어 하방향으로 배수되도록 탱크 내부에 설치된 다수의 드레인홀을 갖는 배수체; 및 상기 배수체의 드레인홀을 통해 배수된 응축수를 배출시키기 위해 드레인탱크와 연결된 배수용 펌프;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 응축수 배출장치를 제공한다.

드레인탱크, 배수체, 연료전지, 펌프

Description

연료전지용 응축수 배출장치{Discharge apparatus for condensation water of fuel cell}

본 발명은 연료전지용 응축수 배출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 재순환시 애노드측에서 발생된 응축수가 수소와 함께 섞여 들어가지 않도록 응축수를 분리해 내는 연료전지용 응축수 배출장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 자동차의 주동력(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아서 전기를 생산하는 장치이다.

상기 연료전지는 분리판, 애노드, 전해질막, 캐소드, 수소/공기/냉각수분배구조물, 애노드유로(anode flow field), 캐소드유로(cahtode flow field), 냉각유로로 구성되어 있다.

연료전지 구동 시 수소는 수소공급원으로부터 공급되고, 수소공급 솔레노이드밸브 및 배관을 거쳐서 연료전지의 애노드유로로 공급된다.

연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환 시키며, 이 과 정은 퍼지밸브를 닫은 상태에서 수소재순환블로워을 가동시키게 되면, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관을 따라 이동하고 수소재순환블로워 및 수소재순환 차단 밸브를 거쳐 연료전지 애노드유로로 들어가게 된다.

정해진 시간에 수소퍼지밸브를 열어 전해질막을 통해 넘어온 질소와 수분을 배출시킨다.

공기는 대기로부터 공급되고 배관을 거쳐 공기블로워에 공급되고, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관을 통해 연료전지의 캐소드유로로 공급되게 된다.

애노드유로의 수소(H₂)는 애노드의 촉매에서 H⁺ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막을 통해 캐소드측으로 넘어가게 된다. 캐소드유로에 존재하는 O₂가 캐소드의 촉매에서 O^-이온으로 변환되고, 상기 H⁺ 이온과 O^-이온이 반응해서 H₂0로 변환되게 된다.

한편, 종래의 연료전지 차량에서는 캐소드 뿐만 아니라 애노드측에서도 운전 조건에 따라 수증기의 응축이 일어나며, 이러한 응축수를 제거함으로써 연료전지 시스템의 내구 수명 연장 및 성능 향상에 기여할 수 있다.

연료전지 시스템의 애노드측에서 발생된 물은 스택 시스템으로부터 배출되어 수소 재순환 블로워로 들어가서 수소 탱크에서 나온 수소와 혼합되어 스택의 애노드유로로 다시 들어가게 된다.

이렇게 함으로써 수소의 낭비 없이 수소의 사용량을 최대로 할 수 있으며, 수소가 대기중으로 배출되어 발생할 수 있는 안전상의 문제도 해결할 수 있다.

그러나, 스택에서 배출되는 수소에는 연료전지에서 필연적으로 발생하는 물이 혼합되어 있으며, 수증기 형태로 되어 있는 경우에는 아무런 문제가 없으나, 운전 조건에 따라 불가피하게 응축수의 형태로 나오는 양이 존재하게 된다.

상기 수소(애노드)측에서 발생된 응축수가 재순환 블로워로 들어가게 될 경우에 재순환 블로워에 과부하를 일으키게 되고, 스택 시스템의 입구 쪽에 플러딩(flooding)을 유발하여 시스템 및 재순환 블로워의 내구성에 치명적인 영향을 미치게 된다.

또한 응축수를 배출할 시에 수소가 배출되면 차량에서의 안전성에 심각한 문제를 야기할 수 있으므로, 수소는 배출되지 않도록 하여야 한다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존의 연료전지 차량에서는 중력에 의하여 응축수를 제거하는 물배출 장치를 적용하여 왔다.

도 1은 종래의 물배출 장치의 일례를 나타내는 도면으로서, 연료전지 시스템이 엔진룸에 위치하고, 응축수 유입 및 배출을 위해 상단 및 하단에 유입구(1)와 배출구(2)가 형성된 하우징(3)과, 배출구(2)에 설치되어 유량을 조절해주는 솔레노이드밸브(4)와, 하우징 내부의 응축수의 수위를 감지하는 수위센서(5,6)로 구성되어 있다.

상기 하우징은 전체 길이가 185mm이고, 총 부피는680ml이고, 상기 수위센서는 하우징(3)의 상부에 설치된 고수위센서(5)와, 하우징(3)의 하부에 설치된 하수 위센서(6)로 구성된다.

상기 하우징(3)의 유입구(1)를 통해 응축수가 고수위 센서(5) 수준까지 도달하면 솔레노이드밸브(4)를 열어 물을 배출시키게 되고, 응축수가 저수위 수준까지 도달하면 밸브를 닫음으로써 더 이상 물이 배출되지 않도록 제어함으로써, 재순환수소에 포함된 수분을 제거하고, 대기중으로 수소가 배출되는 것을 막게된다.

그러나, 향후 세단과 같은 차량에 연료 전지 시스템가 적용될 경우에, 연료전지 시스템이 차량의 바닥(floor)에 위치하여야 하며, 이와 같이 배치될 경우에 기존의 중력에 의하여 응축수를 제거하는 물배출 장치를 적용할 수 없게 된다.

상기 연료전지시스템이 차량의 바닥에 배치되는 경우에 기존의 물배출장치를 적용할 수 없는 이유를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 세단형 차량의 중앙 플로워(7)에 스택(8)을 장착할 경우의 지상고를 나타내는 개략도로서, 도 2에 나타난 지상고는 향후 개선될 수 있으나, 그 폭은 제한적이다. 미설명부호 9는 수소탱크이다.

이 경우에 지상고에서 스택(8)의 최저면까지의 길이는 170mm로 전체길이가 185mm인 기존의 물 배출 장치를 이용하기가 어렵다. 왜냐하면 기존의 물 배출 장치는 중력을 이용하여 물을 배출하는 장치이기 때문에 스택의 최저면보다 아래쪽에 위치해야만 스택에서 배출된 물이 중력에 의해 배출될 수 있으나, 도 2와 같은 세단에서 중력을 이용하여 응축수를 제거할 경우에, 지상고의 높이가 150mm이하로 낮아져야 하고, 그럼에도 기존의 장치는 겨우 20mm 정도의 높이밖에는 확보할 수 없게 된다.

그리고, 기존의 장치를 변형하여 사용한다 하여도, 기존의 길이가 185mm로서 지상고를 확보하기에 무리가 따르게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소 배출라인의 중간에 응축수를 포집하는 실린더형태의 드레인탱크를 설치하고, MEMS형 펌프를 사용하여 원하는 시간에 원하는 양만큼의 응축수를 시스템 외부로 배출시킴으로써, 수소가 재순환블로워 및 스택으로 재순환될 때 응축수가 따라 들어가는 것을 방지하고, 실린더형태의 드레인탱크를 수평하게 설치하여 지상고를 확보함으로써, 세단형 연료전지 차량에도 적용할 수 있도록 한 연료전지용 응축수 배출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 응축수 배출장치에 있어서,

수소배출라인에 설치되고, 양단에 유입구와 배출구가 형성된 드레인탱크; 상기 드레인탱크의 유입구를 통해 유입된 수소로부터 응축수가 중력에 의해 분리되어 하방향으로 배수되도록 탱크 내부에 설치된 다수의 드레인홀을 갖는 배수체; 및 상기 배수관의 드레인홀을 통해 배수된 응축수를 배출시키기 위해 드레인탱크와 연결된 배수용 펌프;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 드레인 탱크는 직경에 비해 길이가 상대적으로 긴 실린더 형태이고, 상기 수소배출라인에 수평방향으로 설치된 것을 특징으로 한 다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 드레인 탱크의 유입구는 진행방향으로 기준하여 일정한 각도로 하향 경사지게 형성되고, 상기 드레인 탱크의 배출구는 상향경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배수용 펌프는 입구측에 장착되어 드레인탱크로부터 배출된 유체가 수소 또는 응축수인지를 감지하는 로드셀을 포함하고, 상기 로드셀에 의해 감지된 신호를 입력받아 드레인탱크로부터 배출된 유체가 수소인 경우에는 닫힘상태를 유지하고, 응축수인 경우에는 열림상태로 작동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배수체는 유입구 및 배출구와 일체로 형성된 튜브형태인 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 응축수 배출장치에 의하면, 수소 배출라인의 중간에 수소와 섞여있는 응축수를 용이하게 포집할 수 있는 구조의 드레인탱크를 설치하고, 펌프를 이용하여 원하는 시간에 원하는 양만큼의 응축수를 배출시킴으로써, 수소의 재순환시 응축수가 함께 순환되는 것을 방지할 뿐만 아니라 수소가 대기 중으로 배출되지 못하도록 함으로써, 연료전지의 성능향상 및 안정성을 도모할 수 있다.

또한, 몸체가 직경에 비해 긴 실린더 형태이고, 유입구 및 배출구가 일정각도로 경사지게 형성된 구조로 설치됨으로써, 중력에 의해 응축수를 수소로부터 분 리하면서 일정한 높이의 지상고를 확보할 수 있으므로, 세단형 연료전지차량에 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 응축수 배출장치를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이고, 도 5는 도 3에서 드레인탱크의 내부구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 스택(10)의 애노드측에서 발생된 응축수가 수소의 재순환시 함께 섞여 들어가지 않도록 분리하고, 대기중으로 수소가 배출되지 않도록 한 점에 주안점이 있다.

특히, 본 발명은 중력에 의해 애노드측에서 발생된 응축수를 분리 배출하는 장치가 세단형 연료전지 차량에도 적용가능한 구조이다.

본 발명의 일실시예에 따른 응축수 배출장치는 스택에서 배출되는 수소를 재순환 블로워를 통해 재순환시켜주기 위해 스택의 출구측에 설치된 수소배출라인(11)의 중간에 설치된다.

상기 응축수 배출장치는 양단에 유입구와 배출구가 형성된 드레인탱크(12)와, 드레인탱크에 포집된 응축수를 원하는 시간에 원하는 양만큼 뽑아내는 배수용 펌프(13)로 구성되어 있다.

상기 드레인탱크(12)의 몸체는 실린더 형태로서, 직경에 비해 길이가 상대적 으로 긴 구조로 탱크 내부를 수소가 이동하면서 수소에 포함된 응축수가 하방향으로 형성된 드레인홀(14)을 통해 빠지게 되는 구조로 설치된다.

또한, 상기 수소에 포함된 중량이 큰 응축수가 중력의 영향으로 하부방향으로 배출될 경우에 중력의 크기는 위치에너지에 비례하므로, 응축수가 중력의 영향을 많이 받기 위해 유입구(15)와 배출구(16)가 일정한 각도로 경사지게 설치된다.

이때, 유입구(15)는 수소진행방향을 기준으로 하향경사지게, 그리고 배출구(16)는 상향경사지게 형성되어 있다.

그리고, 상기 드레인 탱크(12)의 하단에는 드레인홀(14)을 통해 응축수를 배출시키기 위한 드레인포트(17)가 형성되어 있다.

이와 같은 구조는 응축수 배출장치가 세단형 연료전지 차량에 적용될 경우에 연료전지스택(10)이 플로워의 하부에 배치되므로, 최대한의 지상고를 확보함과 동시에 중력에 의한 응축수의 배출효율을 향상시키기 위함이다.

상기 배수용 펌프(13)는 드레인탱크(12)의 드레인홀(14)을 통해 저장된 응축수를 밖으로 배출하기 위한 장치로서, 펌프와 드레인탱크 사이에는 응축수를 배출하기 위한 연결호스 또는 연결 파이프가 설치된다.

또한, 상기 펌프는 MEMS용으로 개발되어진 펌프 등을 사용하게 되며, 펌프의 중요한 조건으로는 다음 세 가지를 들 수 있다.

첫째, 물의 배출량이 분당 100mL 이상이 되어야 시스템의 최대 출력 조건에서 발생할 수 있는 최대 물량을 배출할 수 있다.

둘째, 기존의 시스템이 가지고 있는 두 개의 수위센서 및 솔레노이드 밸브를 펌프 하나로 대체할 수 있도록 하기 위해서 펌프가 센서 기능과 밸브 기능을 가지고 있어야 한다.

여기서, 펌프는 노말 클로즈(Normal Close) 방식이어야 하며, 펌프의 입구단에 로드 센서 기능을 구현하여야 한다. 즉, 펌프에 액체가 유입될 때와 기체가 유입될 때 펌프에 걸리는 부하가 달라지게 되는데(공지기술), 이를 감지하여 액체일 경우에 펌프를 동작시키는 기능이 포함되어 있어야 한다. 또한 수소에 의한 부식을 방지하기 위하여 펌프는 PTFE 재료인 다이어프램 방식(공지기술)을 사용한다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 응축수 배출장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

수소가 공급되는 스택(10)의 애노드에는 전해질 막을 통해 유입되거나 재순환 수소와 함께 응축수가 유입될 수 있고, 이러한 응축수는 재순환 블로워에 부하를 증가시키거나 스택의 전극에 응축수가 부착되어 스택의 성능을 저하시키는 문제를 일으키므로, 이 응축수를 수소로부터 분리하여 배출하기 위해 수소배출라인(11)의 중간에 설치된 드레인탱크(12)로 유입되게 된다.

상기 드레인탱크(12)의 유입구(15)를 통해 내부로 유입된 수소가 길다랗게 형성된 실린더형 몸체를 지날때 중량이 큰 응축수는 드레인홀(14)을 통해 하부방향으로 빠져나가고, 드레인포트(17)를 통해 배수용 펌프(13)로 이동하게 된다.

만약, 상기 펌프의 입구측으로 이동된 유체가 응축수가 아닌 수소기체인 경우에는 로드셀이 이를 감지하여 펌프(13)가 닫힌 상태를 유지하고, 응축수인 경우에는 펌프(13)가 열림 상태로 되면서 외부로 배출시키게 된다. 이때, 배수용펌 프(13)에는 솔레노이드밸브와 같이 로드셀로부터 감지된 신호에 의해 개폐제어될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 응축수 배출장치는 플로워 하부에 연료전지시스템을 적용할 경우에 수소배출라인에 설치된 드레인탱크(12)를 이용하여 일정한 높이의 지상고를 확보하면서 재순환되는 수소에 함유된 수분을 분리해 낼수 있고, 로드셀이 장착된 배수용 펌프(13)를 이용하여 수소 및 응축수를 감지하여 응축수만을 외부로 배출시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래에 따른 연료전지용 물배출장치의 일례를 나타내는 사시도이고,

도 2는 세단형 연료전지차량에서 연료전지시스템이 장착된 상태를 나타내는 개략도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 응축수 배출장치를 나타내는 사시도이고,

도 4는 도 3의 측면도이고,

도 5는 도 3에서 드레인탱크의 내부구조를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 11 : 수소배출라인

12 : 드레인탱크 13 : 배수용 펌프

14 : 드레인홀 15 : 유입구

16 : 배출구 17 : 드레인포트

Claims (5)

1. 삭제
2. 연료전지용 응축수 배출장치에 있어서,

   수소배출라인에 설치되고, 양단에 유입구와 배출구가 형성된 드레인탱크;

   상기 드레인탱크의 유입구를 통해 유입된 수소로부터 응축수가 중력에 의해 분리되어 하방향으로 배수되도록 탱크 내부에 설치된 다수의 드레인홀을 갖는 배수체; 및

   상기 배수체의 드레인홀을 통해 배수된 응축수를 배출시키기 위해 드레인탱크와 연결된 배수용 펌프;

   를 포함하여 구성되고,

   상기 드레인 탱크는 직경에 비해 길이가 상대적으로 긴 실린더 형태이고, 상기 수소배출라인에 수평방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 응축수 배출장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 드레인 탱크의 유입구는 진행방향으로 기준하여 일정한 각도로 하향 경사지게 형성되고, 상기 드레인 탱크의 배출구는 상향경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 응축수 배출장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 배수용 펌프는 입구측에 장착되어 드레인탱크로부터 배출된 유체가 수소 또는 응축수인지를 감지하는 로드셀을 포함하고, 상기 로드셀에 의해 감지된 신호를 입력받아 드레인탱크로부터 배출된 유체가 수소인 경우에는 닫힘상태를 유지하고, 응축수인 경우에는 열림상태로 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 응축수 배출장치.
5. 삭제

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