KR101134377B1 - 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치 - Google Patents

연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 시동 정지시 캐소드측의 산소가 애노드측으로 넘어가, 애노드측의 잔존 수소 또는 새로이 공급되는 수소와 반응하여 발생되는 카본 부식 현상을 줄일 수 있도록 캐소드측으로 공기가 더 이상 유입되는 것을 차단할 수 있는 새로운 구조의 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 프로파일 회전축에 장착된 편심캠과; 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인 및 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인의 한쪽 외측면에 고정되는 지지판과; 상기 편심캠의 표면과 접촉하며 직선 이동 가능하게 배열되는 이동판과; 상기 지지판의 외표면과 이동판의 내표면간에 배열되는 스프링과; 상기 이동판의 내표면에서 수평 연장되어, 지지판 및 공기공급라인 및 공기배출라인을 관통하여 배열되는 수평봉과; 상기 수평봉의 끝단에 일체로 형성되어, 상기 공기공급라인 및 공기배출라인내의 흐름통로를 차단 또는 개방시키는 기밀판; 으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치를 제공한다.
연료전지, 카본 부식, 방지, 밸브 장치, 이동판, 지지판, 기밀판, 공기

Description

연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치{Valve for preventing carbon corrosion of fuel cell}
본 발명은 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 시동 정지시 캐소드측의 산소가 애노드측으로 넘어가, 애노드측의 잔존 수소 또는 새로이 공급되는 수소와 반응하여 발생되는 카본 부식 현상을 줄일 수 있도록 캐소드측으로 공기가 더 이상 유입되는 것을 차단할 수 있는 새로운 구조의 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치에 관한 것이다.
연료전지의 시동 중지시 애노드유로에 공기중의 산소가 유입되었을 경우, 도 2(미국특허 2003/034165A1)에 도시한 바와 같이 연료전지 내부에 부분적으로 수소/산소 계면이 형성되는 동시에 1.5V-2.0V의 고전압 회로가 형성되어, 캐소드 측의 카본 서포트(carbon support) 재질이 부식되어 없어짐으로써, 연료전지의 성능이 급격이 저하된다.
이러한 연료전지의 시동 중지시 수소/산소 계면 형성에 의한 성능저하, 즉 카본 부식을 억제하기 위하여, 종래에는 별도의 저항을 추가하는 기술(미국특허 2003/034165A1), 가스 버너를 장착시킨 기술(미국특허 2003/0031966 A1), 연료전지 스타트 업/셧다운(start up/shut down)프로세스로서 셧다운 시 애노드 질소 퍼징 및 공기퍼징 기술(미국특허 2003/034165A1) 및 스타트 업시 애노드측에 수소 공급 을 먼저 실시하는 기술(미국특허 2003/034165A1) 등이 개시되어 있다.
그러나, 저항 및 가스버너 등은 수소가스를 태우는 역할을 하나, 안전상에 문제가 있을 수 있고 추가적인 장치가 많이 필하여, 전력 소모 및 차량의 레이아웃상 공간을 많이 차지하게 되는 문제점이 있다.
또한, 연료전지의 셧다운 시 프로세스의 경우에 공기퍼징을 하는 경우라 할지라도, 애노드 측의 수소/산소 계면이 일어날 수 밖에 없고, 애노드측이 공기로 채워지는 시간을 단축시키는 상황이 되어, 스타트 업 시 애노드측에 수소가 공급되었을 때 항상 수소/산소 계면이 형성되어 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.
이러한 카본 부식을 억제하는 여러 가지 기술들이 개시되어 있지만, 근본적으로 캐소드측에 공기의 유입을 완전히 막거나, 아니면 최소화 함으로써, 카본 부식의 근본 원인인 산소의 유입 방지 또는 속도를 줄일 수 있는 바, 이를 위해 공기가 캐소드측으로 공급되는 라인을 일시적으로 막아주어 그 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 시동 정 지시 캐소드측으로 공기가 더 이상 공급되는 것을 차단하여, 기존에 연료전지의 시동 정지시 캐소드측의 산소가 애노드측으로 넘어가서 애노드측의 잔존 수소 또는 새로이 공급되는 수소와 반응하여 카본 부식 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 새로운 구조의 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 프로파일 회전축에 장착된 편심캠과; 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인 및 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인의 한쪽 외측면에 고정되는 지지판과; 상기 편심캠의 표면과 접촉하며 직선 이동 가능하게 배열되는 이동판과; 상기 지지판의 외표면과 이동판의 내표면간에 배열되는 스프링과; 상기 이동판의 내표면에서 수평 연장되어, 지지판 및 공기공급라인 및 공기배출라인을 관통하여 배열되는 수평봉과; 상기 수평봉의 끝단에 일체로 형성되어, 상기 공기공급라인 및 공기배출라인내의 흐름통로를 차단 또는 개방시키는 기밀판; 으로 구성하여, 연료전지의 시동 정지시 기밀판이 공기공급라인 및 공기배출라인의 흐름통로를 일시적으로 차단할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 프로파일 회전축에 연결되는 구동모터와, 구동모터에 작동을 위한 전류를 인가하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인과 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인의 소정 위치에 편심캠에 의하여 열림 및 닫힘이 이루어지는 간단한 구조의 밸브 장치를 설치하여, 연료전지의 시동 정지시 캐소드측으로 공기가 더 이상 공급되는 것을 차단할 수 있고, 연료전지의 시동 정지시 캐소드측의 산소가 애노드측으로 넘어가서 애노드측의 잔존 수소 또는 새로이 공급되는 수소와 반응하여 카본 부식이 발생되는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 열림 상태(기밀 전)를 나타내는 도면이고, 도 2a 및 도 2d는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 닫힘 상태(기밀 후)를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 밸브 장치(10)는 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인(12)과, 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인(14)의 소정 위치에 설치되어, 연료전지의 시동 정지시 공기공급수단(외기를 흡입하는 블로워)으로부터 캐소드측으로 공기가 더 이상 공급되는 것을 차단하게 되고, 외기가 공기배출라인(14)을 통해 캐소드로 침투하는 것을 차단하게 된다.
이를 위해, 본 발명의 밸브 장치(10)의 일 구성으로서, 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인(12) 및 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인(14)의 한쪽 외측면에 사각 플레이트 형상의 지지판(16)을 일체로 부착하고, 이 지지판(16)의 후면으로부터 소정 거리 떨어진 위치에 프로파일 회전축(18)에 의하여 회전하는 편심캠(20)을 배열시킨다.
상기 프로파일 회전축(18)에는 구동모터(22)가 연결되는 바, 이 구동모터(22)는 전기를 생산하는 연료전지 이외에 연료전지 차량에 탑재되는 배터리를 전원으로 사용하는 것이 바람직하고, 연료전지 시동 정지시 제어기(24)의 제어에 의하여 구동모터(22)에 작동을 위한 배터리 전류가 인가되어진다.
특히, 상기 편심캠(20)의 표면에는 이동판(26)의 후면이 접촉하는 바, 이 이동판(26)은 편심캠(20)의 회전에 따라 좌측 또는 우측방향으로 직선 이동을 하게 된다.
즉, 편신캠(20)이 회전하게 되면, 상기 이동판(26)은 편심캠(20)과의 접촉에 의해 수평봉(30)을 통해 연결되어 있는 기밀판(32)과 함께 우측(도 1c에서 도면의 우측)으로 밀려나거나, 스프링(28)에 의해 좌측(도 1c에서 도면의 좌측)으로 밀려나면서 이동을 하게 된다.
또한, 상기 지지판(16)의 외표면과 이동판(26)의 내표면간에 스프링(28)이 배열되는데, 편심캠(20)의 회전각도에 따라 이동판(26)이 밀려나면서 스프링(28)을 압축하거나, 스프링(28)의 탄성복원력에 의하여 이동판(26)이 본래 위치로 돌아가는 이동을 하게 된다.
이때, 상기 이동판(26)의 전면 중심부에는 수평봉(30)이 일체로 형성되는데, 이 수평봉(30)은 상기 지지판(16)의 중심을 관통하는 동시에 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)내의 흐름통로를 관통하는 길이로 연장된다.
또한, 상기 수평봉(30)의 끝단에는 상기 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)내의 흐름통로를 차단 또는 개방시키는 기밀판(32)이 일체로 부착된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 밸브장치에 대한 작동 흐름을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 연료전지 시동시에는 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)이 열림 상태로서, 공기공급라인(12)을 따라 연료전지의 캐소드로 공기(산소)가 정상 공급되고, 연료전지에서 반응을 마친 공기가 공기배출라인(14)을 통해 정상 배출된다.
즉, 상기 편심캠(20)의 일측면(프로파일 회전축에서 편심캠의 외표면까지 가장 긴 길이를 갖는 쪽)이 이동판(26)을 밀어주는 동시에 이동판이 스프링(28)을 압축시키고 있는 상태이면서, 수평봉(30)이 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)을 지나서 기밀판(32)을 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)의 외경부에 위치되도록 하는 상태이므로, 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)내의 흐름통로가 열림 상태가 된다.
이에, 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)의 흐름통로를 따라 연료전지의 캐소드로 공기(산소)가 정상 공급되고, 연료전지에서 반응을 마친 공기가 정상 배출된다.
연료전지 시동 정지시, 제어기(24)의 제어에 의하여 구동모터(22)에 작동을 위한 배터리 전류가 인가되면, 도 2a 내지 도 2d에 나타낸 바와 같이 상기 편심 캠(20)이 180°회전을 하게 되고, 이동판(26)은 본래 위치로 복귀 이동하게 된다.
즉, 상기 편심캠(20)의 타측면(프로파일 회전축에서 편심캠의 외표면까지 가장 짧은 길이를 갖는 쪽)이 복귀 이동된 이동판(26)과 접촉하는 상태가 되는데, 이는 스프링(28)의 탄성복원력이 이동판(26)에 작용하여 편심캠(20)의 타측면쪽으로 밀어주기 때문이다.
이와 동시에, 상기 이동판(26)과 일체로 된 수평봉(30)이 이동판(26)과 동일한 방향으로 복귀 이동하면서 기밀판(32)을 당겨주게 되어, 기밀판(32)이 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)내의 흐름통로내에 위치되고, 결국 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)내의 흐름통로가 닫힘 상태가 된다.
이와 같이, 연료전지의 시동 정지시 기밀판(32)이 공기공급라인(12) 및 공기배출라인(14)의 흐름통로를 일시적으로 차단하는 상태가 됨에 따라, 공기공급수단(외기를 흡입하는 블로워)으로부터 캐소드측으로 공기가 더 이상 공급되지 않게 되고, 외기가 공기배출라인(14)을 통해 캐소드로 침투하는 것도 용이하게 차단됨으로써, 기존에 연료전지의 시동 정지시 캐소드측의 산소가 애노드측으로 넘어가서 애노드측의 잔존 수소 또는 새로이 공급되는 수소와 반응하여 카본 부식 현상이 발생되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 열림 상태(기밀 전)를 나타내는 일부 단면 사시도,
도 1c 및 도 1d는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 열림 상태(기밀 전)를 나타내는 측단면도 및 평단면도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 닫힘 상태(기밀 후)를 나타내는 일부 단면 사시도,
도 2c 및 도 2d는 본 발명에 따른 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치의 닫힘 상태(기밀 후)를 나타내는 측단면도 및 평단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 밸브 장치 12 : 공기공급라인
14 : 공기배출라인 16 : 지지판
18 : 프로파일 회전축 20 : 편심캠
22 : 구동모터 24 : 제어기
26 : 이동판 28 : 스프링
30 : 수평봉 32 : 기밀판

Claims (2)

  1. 프로파일 회전축에 장착된 편심캠과;
    연료전지의 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급라인 및 캐소드로부터 공기를 배출시키는 공기배출라인의 한쪽 외측면에 고정되는 지지판과;
    상기 편심캠의 표면과 접촉하며,상기 편심캠의 회전에 따라 그 전면에서 일체 형성되는 수평봉을 통해 연결되어 있는 기밀판과 함께 직선 이동 가능하게 배열되는 이동판과;
    상기 지지판의 후면과 이동판의 전면간에 배열되는 스프링과;
    상기 이동판의 전면에서 수평 연장되어, 지지판 및 공기공급라인 및 공기배출라인을 관통하여 배열되는 수평봉과;
    상기 수평봉의 끝단에 일체로 형성되어, 상기 공기공급라인 및 공기배출라인내의 흐름통로를 차단 또는 개방시키는 기밀판; 으로 구성하여,
    연료전지의 시동 정지시 기밀판이 공기공급라인 및 공기배출라인의 흐름통로를 일시적으로 차단할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로파일 회전축에 연결되는 구동모터와, 구동모터에 작동을 위한 전류를 인가하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 카본 부식 방지용 밸브 장치.
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KR19980048687A (ko) * 1996-12-18 1998-09-15 박병재 수소 연료 엔진에서 잔류가스 배출시의 이물질 유입방지장치
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