KR100986473B1 - 연료전지 시스템의 수소 배기 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 수소 배기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에서 배기시 배출되는 수소의 희석을 최적화하여 연료전지 차량의 안정성을 확보하고, 배기시 발생되는 소음을 최소화하여 차량의 정숙성을 확보할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 연료극 및 이 연료극으로부터 배기되는 수소를 퍼지시키는 퍼지밸브를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 있어서, 상기 퍼지밸브로부터 연장된 수소퍼지라인에 외기로부터 공기를 흡입하는 이젝터를 설치하고, 상기 이젝터의 배출라인에 배기된 수소를 제거할 수 있는 후처리 장치를 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치를 제공한다.
연료전지, 연료극, 공기극, 수소, 배기, 후처리 장치, 가습기, 이젝터

Description

연료전지 시스템의 수소 배기 장치{Device for removing exhaust hydrogen of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에서 배기시 배출되는 수소의 희석을 최적화하여 연료전지 차량의 안정성을 확보하고, 배기시 발생되는 소음을 최소화하여 차량의 정숙성을 확보할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
이러한 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 수소 출구측에 수소 재순환 블로워를 연결하여, 연료전지 스택의 연료극(anode)측에서 사용하고 남은 수소를 다시 연료극쪽으로 재순환시켜, 수소의 재사용을 도모하고 있다.
또한, 상기 연료전지 스택으로부터 주기적인 퍼지를 통해, 연료극측에 축적된 질소나 물 등을 배출시키고 있다.
즉, 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 스택의 운전에 따라, 스택의 수소극(연료극)측에 질소나 물이 축적되어 스택의 성능을 저하시키게 되기 때문에 주기적인 수소극의 퍼지를 통하여 스택의 안정적인 성능을 확보하여야 한다.
이때, 연료전지 스택으로부터 주기적인 퍼지를 통해, 질소나 물이 배출될 때 잔여 수소가 함께 배출되고 있으며, 배출된 수소의 농도가 높을 경우 폭발에 대한 위험성을 갖게 된다.
따라서, 수소 배기에 따른 폭발 위험을 억제시키기 위하여, 배출된 수소의 농도를 최소한[폭발범위 이내]으로 억제 혹은 희석하여야 한다.
이를 위해, 기존에는 희석기를 수소 퍼지라인에 설치하여, 수소를 공기에 희석시키는 방법들이 주로 제안되어 왔다.
그러나, 희석기를 사용하는 경우, 수소가 공기와 함께 섞일 뿐, 전체 배출되는 수소의 절대량은 감소되지 않아, 차량의 실내 기동시 수소가 축적되어 안전사고 발생의 우려가 높으며, 또한 희석기로의 공기 유입을 위한 별도의 배관 경로나 공기공급장치가 추가로 설치되어야 하는 비용 상승 및 배관 복잡성을 초래하는 등의 문제점이 있다.
또한, 기존에는 연료전지 스택으로부터 배기된 수소를 후처리하는 장치로서, 다량의 공기를 반응기 내부로 유입시켜 배기수소의 제거를 도모할 수 있는 촉매연소방식 혹은 화염연소방식이 적용되었는 바, 이는 배관경로의 복잡성, 촉매연소 혹 은 화염연소장치쪽으로 공기를 공급하기 위한 공기블로워의 부하증가를 초래하거나, 혹은 별도의 공기공급장치가 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 수소 퍼지 라인에 공기를 흡입하는 이젝터를 설치하고, 이 이젝터의 배출부쪽에 후처리장치로서 가습기, 촉매연소반응기, 버너 등을 설치하여, 상당량의 배기 수소를 제거함과 동시에 스택의 가습량의 증가를 도모하여, 궁극적으로는 스택의 성능과 내구성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 배기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 연료극 및 이 연료극으로부터 배기되는 수소를 퍼지시키는 퍼지밸브를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 있어서, 상기 퍼지밸브로부터 연장된 수소퍼지라인에 외기로부터 공기를 흡입하는 이젝터를 설치하고, 상기 이젝터의 배출라인에 배기된 수소를 제거할 수 있는 후처리 장치를 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 후처리 장치는 연료전지 스택의 공기극으로 가습 공기를 제공하기 위한 가습기이고, 상기 이젝터의 배출라인을 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 후처리 장치는 상기 이젝터의 배출라인에 장착되는 촉매연소장치이고, 상기 촉매연소장치의 배출라인을 외기로 연장시키거나 또는 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 후처리 장치는 상기 이젝터의 배출라인에 장착되는 버너이고, 상기 버너의 배출라인을 외기로 연장시키거나 또는 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 연료전지 스택의 공기극으로부터 연장된 공기배출라인과 상기 이젝터의 배출라인간을 공기공급밸브를 갖는 분기라인으로 연결시킨 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
연료전지 스택의 수소 퍼지라인에 이젝터를 설치하고, 이 이젝터에 후처리 장치로서 촉매연소장치, 버너, 가습기 등을 연결시킴으로써, 연료전지 스택으로부터 배출되는 수소를 희석화시키는 동시에 그 농도를 감소시키거나 용이하게 제거할 수 있다.
최종 수소 배출라인을 가습기로 연결함으로써, 후처리장치에서 수소가 제거 된 수분 등이 가습기로 유입되어, 공기극으로 공급되는 공기의 가습 효과를 보다 크게 얻을 수 있다.
또한, 최종 수소 배출라인을 가습기로 연결함에 따라, 가습기가 버퍼(Buffer)로 작용하여 소음기 역할을 할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 수소 퍼지라인(수소 배기용 배관)에 이젝터를 연결하여, 공기의 자발적 유입을 유도함으로써, 별도의 희석용 공기 공급을 위한 배관경로 및 공기공급장치를 필요로 하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택의 수소 퍼지라인(수소 배기용 배관)에 이젝터를 연결하고, 이젝터의 배출라인에 후처리 장치를 연결하여, 상당량의 수소를 제거함과 동시에 이를 연료전지 스택의 공기극 입구측으로 유입시켜 수소의 완전한 제거를 가능하게 하거나, 또는 공기극 배출구측으로 유입시켜 소량의 수소를 다시 한 번 희석하는 효과를 도모하고, 더불어 촉매연소에 의해 생성된 물은 공기극으로 유입되어 스택의 가습량 증가를 도모할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
제1실시예
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제1실시예를 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 연료극(12)에는 수소 재순환 라인(14) 이외에 퍼지밸브(16)를 포함하는 수소 퍼지라인(18)이 연결되어 있고, 또한 연료전지 스택(10)의 공기극(20)에는 공기공급 및 배출라인(22,24)이 연결되어 있고, 공기극(20)으로 가습된 공기를 제공하기 위한 가습기(26)가 연결되어 있다.
여기서, 상기 퍼지밸브(16)로부터 연장된 수소퍼지라인(18)에 외기로부터 공기를 흡입하는 이젝터(100)를 설치하고, 상기 이젝터(100)의 배출라인(28)을 그대로 외기상에 연장시킨다.
상기 퍼지밸브(16)는 ON/OFF 밸브로서, 스택 출구에서 배기되는 가스에 질소나 기타 부산물을 대기로 배출하여 재순환되는 가스의 물성을 시스템에 최적으로 유지되도록 하는 기능을 갖는데, 퍼지시에는 질소, 수소, 수증기, 물 등이 배출되며 부하에 따라 그 온/오프(ON/OFF) 횟수와 개방시간이 조절된다.
특히, 상기 이젝터(100)는 공기를 흡입할 수 있는 어떠한 종류의 이젝터를 사용할 수 있지만, 하우징(102)과 이젝터 본체(104)로 구성된 다단 직렬 카트리지 이젝터(100)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 이젝터(100)에 대한 구조를 설명하면 다음과 같다.
상기 이젝터 본체(104)는 외기 흡입구(106)를 갖는 하우징(102)내에 고정 장착되고, 상기 이젝터 본체(104)의 일 구성으로서 적어도 3개 이상의 노즐(110a,110b,110c)이 일정 갭(gap)을 두고 일렬로 순차 배치되며, 각 노즐(110a,110b,110c)은 입구측에서 출구측으로 그 배치순서에 따라 상대적으로 큰 직경으로 이루는 것으로 채택된다.
상기 각 노즐(110a,110b,110c)의 외경에는 적어도 3개의 서브 흡입구(112a,112b,112c)를 갖는 커버체(114)가 장착되어, 각 노즐(110a,110b,110c)이 고정된 상태가 되며, 상기 3개의 서브 흡입구(112a,112b,112c)는 상기 각 노즐(110a,110b,110c) 간의 갭 공간과 연통되는 상태가 된다.
특히, 상기 3개의 서브 흡입구(112a,112b,112c)에는 흡입공기가 외부로 빠져나가지 않도록 체크밸브(116)가 장착된다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 배기 장치의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.
상기 수소 퍼지라인(18)을 통해 배기되는 수소가 상기 이젝터(100)로 유입되면, 이젝터 본체(104)의 각 노즐(110a,110b,110c)에서 수소 흡입유량을 연속적으로 증가시키는 증폭 작용을 하고, 동시에 외부공기가 이젝터 본체(104)로 흡입되어, 결국 배기된 수소와 공기가 섞이게 되면서, 수소의 희석화가 이루어지게 된다.
이러한 수소 희석화가 이루어지는 이젝터의 작동 원리를 좀 더 상세하게 설명하면 아래와 같다.
1) 연료전지 스택(10)의 수소 퍼지라인(18)으로부터 배기된 수소가 1단 노즐(110a)에서 분사된다.
2) 1단 노즐(110a)에서 분사된 수소는 1단 노즐 부분을 진공(저압)압 상태로로 만들고, 이 진공압에 의하여 체크밸브(116)가 열리면서 1단 서브 흡입구(112a)를 통해 외부공기가 흡입된다.
3) 흡입된 외부공기와 수소가 혼합되면서 그 혼합 밀도가 증가하고, 이로 인 해 2단 노즐(110b)측에서 더 큰 진공압을 유도할 수 있다.
4) 2단계에서 2단 노즐(110b)로 재분사되어 진공(저압)압을 만들고, 이에 해당 체크밸브(116)가 열려서 2단 서브 흡입구(112b)로 외부공기가 흡입된다.
5) 위와 같은 원리로 3단 노즐(110c)에 의한 3단계에서는 더 큰 진공압을 유도하면서 3단 서브 흡입구(112c)로 외부공기가 흡입된다.
6) 1)∼5)의 과정은 각 단계에서 반복되며 단이 많을수록 공기 흡입유량은 증가한다.
위와 같이, 1개 이상의 이젝터(100)를 연료전지 스택(10)의 수소 퍼지라인(18)에 장착함으로써, 배기수소와 공기가 혼합되어 배기수소의 희석화가 용이하게 이루어지고, 희석된 수소는 이젝터의 배출라인(28)을 통해 대기로 방출된다.
이와 같이, 본 발명은 이젝터 적용을 통한 자발적인 공기의 유입을 통해서 자발적인 배기수소의 희석이 이루어지기 때문에, 이젝터 선정에 따라 공기 공급량의 제어가 용이하고 별도의 제어로직이 필요없으며, 외부 공기공급량의 제어를 통해 과승온의 억제가 쉽다는 장점을 제공할 수 있다.
제2실시예
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제2실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 이젝터(100)의 배출라인(28)을 대기로 연장시키지 않고, 공기극(20)에 가습공기를 제공하기 위한 가습기(26)에 연결시킨 점에 특징이 있다.
이에, 상기 이젝터의 배출라인(28)을 통해 배출되는 공기와 배기수소 즉, 희석가스가 대기로 방출되지 않고, 상기 가습기(26)내로 유입된다.
따라서, 상기 희석가스가 대기로 방출되지 않고 상기 가습기(26)내로 유입되면, 상기 가습기(26)는 버퍼탱크의 기능을 하여 소음기의 역할을 함과 동시에 다량의 공기와 수소를 희석시켜주는 희석기의 역할을 수행할 수 있다.
특히, 상기 가습기(26)로 공기와 배기수소만이 유입되는 것이 아니고, 배기수소에는 물이 함유되어 있기 때문에, 결국 가습기(26)로 유입되는 배기수소는 연료전지로 공급되는 공기의 가습원이 되며, 잉여 공기는 연료전지의 반응물인 산소의 추가 공급원이 되는 장점을 제공할 수 있다.
즉, 배기수소에 함유된 물은 가습기(26)내로 블로워(30)에 의하여 유입되는 공기를 가습시키는 역할을 할 수 있고, 또한 잉여 공기는 블로워(30)에 의하여 유입되는 공기와 합쳐져 공기극(20)으로 공급되는 산소의 추가 공급원이 될 수 있다.
제3실시예
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제3실시예를 나타내는 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따르면 상기 이젝터의 배출라인(28)에 후처리 장치로서, 촉매연소장치(32)가 장착된 점에 특징이 있다.
또한, 상기 촉매연소장치의 배출라인(34)은 외기로 연장되거나, 또는 상기 가습기(26)내에 연결된다.
따라서, 연료전지 스택(10)에서 배기된 수소가 이젝터(100)를 통과하면서 공기와 혼합되어 촉매연소장치(32)로 유입되면, 촉매연소반응을 통해 수소가 용이하게 제거될 수 있다.
이때, 상기 촉매연소장치(32)내의 촉매연소반응기는 버퍼(BUFFER)로서 작용하여, 배기수소의 유입시 발생하는 유입음을 제거하는 소음기의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
특히, 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(20)으로부터 연장된 공기배출라인(24)과 상기 이젝터의 배출라인(28)이 공기공급밸브(42)를 갖는 분기라인(40)으로 연결된다.
이에, 제어부(미도시됨)에서 상기 퍼지밸브(16)가 열리는 시점에 맞추어 상기 공기공급밸브(42)를 열어주게 되면, 상기 분기라인을 통하여 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(20)으로부터 배출된 공기가 촉매연소장치(32)내의 촉매연소반응기로 추가 공급할 수 있으며, 이는 수소를 연소반응으로 제거하는데 필요한 공기량을 보다 많이 확보할 수 있도록 한 것이다.
이렇게 촉매연소장치(32)에 의하여 수소가 용이하게 제거된 후에도 소량의 수소와 물 등이 남아 있는 상태가 되며, 이 소량의 수소와 물 등은 상기 가습기(26)로 공급된다.
따라서, 촉매연소반응으로 생성된 물은 가습기(26)로 유입되어 공기 블로워(30)에서 스택(10)으로 공급되는 공기의 추가 가습원으로 작용하게 되고, 소량 남아 있는 수소는 가습기(26)내에서 배기되는 공기로 인해 완전히 희석되어 가습기(26)의 배출라인을 통해 외기로 배출된다.
제4실시예
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제4실시예를 나타내는 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따르면 상기 이젝터의 배출라인(28)에 후처리 장치로서, 버너(36)가 장착된 점에 특징이 있다.
또한, 상기 버너의 배출라인(38)은 외기로 연장되거나, 또는 상기 가습기(26)내에 연결된다.
따라서, 연료전지 스택(10)에서 배기된 수소가 이젝터(100)를 통과하면서 공기와 혼합되어 버너(36)로 유입되면, 버너(36)의 연소를 통해 수소가 용이하게 제거될 수 있다.
마찬가지로, 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(20)으로부터 연장된 공기배출라인(24)과 상기 이젝터의 배출라인(28)이 공기공급밸브(42)를 갖는 분기라인(40)으로 연결된다.
이에, 제어부(미도시됨)에서 상기 퍼지밸브(16)가 열리는 시점에 맞추어 상기 공기공급밸브(42)를 열어주게 되면, 상기 분기라인(40)을 통하여 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(20)으로부터 배출된 공기를 버너(36)의 연소부로 추가 공급할 수 있으며, 이는 수소를 연소반응으로 제거하는데 필요한 공기량을 보다 많이 확보 할 수 있도록 한 것이다.
이렇게 버너(36)에 의하여 수소가 용이하게 연소 제거된 후에도 소량의 수소와 물 등이 남아 있는 상태가 되며, 이 소량의 수소와 물 등은 상기 가습기(26)로 공급된다.
따라서, 버너(36)의 연소 작용으로 생성된 물은 가습기(26)로 유입되어 공기 블로워(30)에서 스택(10)으로 공급되는 공기의 추가 가습원으로 작용하게 되고, 소량 남아 있는 수소는 가습기(26)에서 배기되는 공기로 인해 완전히 희석되어 외기로 배출된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제1실시예를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제2실시예를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제3실시예를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 대한 제4실시예를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 적용되는 이젝터의 일례 및 그 작동 원리를 설명하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 12 : 연료극
14 : 수소 재순환라인 16 : 퍼지밸브
18 : 수소 퍼지라인 20 : 공기극
22 : 공기공급라인 24 : 공기배출라인
26 : 가습기 28 : 이젝터의 배출라인
30 : 블로워 32 : 촉매연소장치
34 : 촉매연소장치의 배출라인 36 : 버너
38 : 버너의 배출라인 40 : 분기라인
42 : 공기공급밸브 100 : 이젝터
102 : 하우징 104 : 이젝터 본체
106 : 흡입구 110a,110b,110c : 노즐
112a,112b,112c : 서브흡입구 114 : 커버체
116 : 체크밸브

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 연료전지 스택의 연료극 및 이 연료극으로부터 배기되는 수소를 퍼지시키는 퍼지밸브를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치에 있어서,
    상기 퍼지밸브로부터 연장된 수소퍼지라인에 외기로부터 공기를 흡입하는 이젝터를 설치하고, 상기 이젝터의 배출라인에 배기된 수소를 제거할 수 있는 후처리 장치를 연결하여서 이루어지며,
    상기 후처리 장치는 연료전지 스택의 공기극으로 가습공기를 제공하기 위한 가습기이고, 상기 이젝터의 배출라인을 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 후처리 장치는 상기 이젝터의 배출라인에 장착되는 촉매연소장치이고, 상기 촉매연소장치의 배출라인을 외기로 연장시키거나 또는 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 후처리 장치는 상기 이젝터의 배출라인에 장착되는 버너이고, 상기 버너의 배출라인을 외기로 연장시키거나 또는 상기 가습기내에 연결시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 공기극으로부터 연장된 공기배출라인과, 상기 이젝터의 배출라인간을 공기공급밸브를 갖는 분기라인으로 연결시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 배기 장치.
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