KR101209745B1

KR101209745B1 - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR101209745B1
Application number: KR1020100123049A
Authority: KR
Inventors: 서상훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-12-07
Also published as: KR20120061664A; US20120141890A1

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 ⅰ)단위 연료 전지들의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 외부 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 수분 교환을 통하여 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 이렇게 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 스택과 가습기에 연결되게 구성되며, 상기 스택의 시동 오프 시 상기 가습기를 통한 스택의 공기 공급 경로 및 공기 배출 경로로의 외부 공기 유입을 차단하기 위한 밸브 유닛을 포함하되, 상기 밸브 유닛은 제1 및 제2 밸브 통로로서의 상기 공기 공급 경로와 제3 및 제4 밸브 통로로서의 상기 공기 배출 경로를 각각 구성하는 밸브 바디부와, 상기 공기 공급 경로와 공기 배출 경로를 개폐시키는 개폐부를 포함하여 이루어진다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 열화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대습도가 낮은 반응기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

이에, 연료전지의 공기극(Cathode)측 가습을 위해서 최고 유량을 적정 수준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기가 필요하다.

현재, 연료전지 자동차에는 중공사막 가습기가 장착되는데, 이 가습기는 연료전지로부터 배출되는 습윤 공기인 배출 공기의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 공기인 공급 공기가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동한다.

한편, 연료전지 차량의 시동 오프 시에는 연료 전지의 공기극(Cathode)과 연료극(Anode)측에 각각 공기와 수소 일부가 정체되는데, 이때 연료극의 수소가 전해질 막을 통과하여 공기극의 산소와 반응하여 소모되면 연료극은 진공 상태가 되고, 이에 진공력에 의하여 공기극의 산소가 다시 전해질 막을 통과하여 연료극에 채워지는 현상이 발생하고 있다.

즉, 연료전지 차량의 시동 오프시, 연료전지에 공기와 수소 공급이 중단되지만, 시동 오프 상태가 장시간 유지되는 경우 연료극에 남아 있던 수소가 전해질 막을 통과하여 공기극으로 넘어가게 된다.

이에, 연료극 압력이 공기극 압력에 비해 낮아지게 되고, 입출구가 막혀 있는 연료극에는 음압이 형성되므로 연료극과 공기극의 압력 차이로 인해 공기극에 있던 산소가 연료극으로 확산된다.

여기서, 공기극의 입출구는 열려 있는 상태가 되어, 공기극은 항상 대기압 상태를 유지하게 된다.

이러한 상태에서, 일정 시간이 지난 후에 다시 연료전지 자동차의 시동을 온(On)시키게 되면, 산소로 채워진 연료극에 수소가 유입되어 연료전지의 성능 감소를 유발하는 열화 현상이 발생하게 되고, 결국 이 열화 현상은 연료전지의 내구 수명을 단축시키는 문제점을 초래한다.

다시 말해서, 연료전지 자동차의 시동이 이루어지면, 연료극에 수소가 공급되는 동시에 이 수소는 잔존하던 산소와 계면을 형성하게 되어 화학 반응 현상이 발생하게 되고, 이에 공기극에서 고전위의 포텐셜이 발생하여 카본 부식이 일어나게 되며, 결국 공기극의 카본 촉매가 유실되면서 그 촉매의 활성화가 감소되어 연료전지 성능 감소를 유발하는 열화 현상이 발생하게 된다.

이러한 열화 현상이 유발되면, 일정 시간 동작한 연료전지는 전압 강하 현상이 발생하여 내구 수명에 영향을 미치게 되며, 전체 시스템이 불안정하게 되어 결국 잦은 셧-다운(Shut-Down) 발생으로 스택을 교체해야 하는 문제점이 야기될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 스택의 시동 오프 시, 외부 공기가 스택의 공기 배출측 및 공기 공급 측으로 유입되는 것을 차단함으로써 연료 전지의 열화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)단위 연료 전지들의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 외부 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 수분 교환을 통하여 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 이렇게 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 스택과 가습기에 연결되게 구성되며, 상기 스택의 시동 오프 시 상기 가습기를 통한 스택의 공기 공급 경로 및 공기 배출 경로로의 외부 공기 유입을 차단하기 위한 밸브 유닛을 포함하되, 상기 밸브 유닛은 제1 및 제2 밸브 통로로서의 상기 공기 공급 경로와 제3 및 제4 밸브 통로로서의 상기 공기 배출 경로를 각각 구성하는 밸브 바디부와, 상기 공기 공급 경로와 공기 배출 경로를 개폐시키는 개폐부를 포함하여 이루어진다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 밸브 유닛은 4-웨이 밸브(4-way valve)로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습기는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되며 상기 배출 공기와 공급 공기의 수분 교환을 통해 상기 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 상기 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급 경로는 상기 제1 배출부와 연결되며, 상기 공기 배출 경로는 제1 유입부와 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제4 밸브 통로는 상기 가습기와 연결되고, 상기 제2 및 제3 밸브 통로는 상기 스택과 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 밸브 통로는 상기 제1 배출부와 연결되고, 상기 제2 밸브 통로는 상기 스택의 공기 공급 측과 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제3 밸브 통로는 상기 스택의 공기 배출 측과 연결되며, 상기 제4 밸브 통로는 상기 제1 유입부와 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개폐부는 상기 스택의 시동 시, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 공급 경로로서의 제1 및 제2 밸브 통로를 개방하고, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 배출 경로로서의 제3 및 제4 밸브 통로를 개방할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개폐부는 상기 스택의 시동 오프 시, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 공급 경로로서의 제1 및 제2 밸브 통로를 폐쇄하고, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 배출 경로로서의 제3 및 제4 밸브 통로를 폐쇄할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개폐부는 상기 밸브 바디부의 내부에 회전 가능하게 장착되어 상기 공기 공급 경로 및 공기 배출 경로를 개폐하는 작동 플런저를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 밸브 유닛은 상기 작동 플런저를 회전시키기 위한 엑츄에이터를 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 스택의 시동 오프 시, 외부 공기가 스택의 공기 배출측 및 공기 공급 측으로 유입되는 것을 밸브 유닛을 통해 차단할 수 있으므로, 연료 전지의 공기극 쪽에서 연료극 쪽으로 더 이상 공기가 확산되지 않게 되고, 결국 연료극에 잔존하던 산소에 의하여 열화 현상이 발생되는 것을 지연 내지 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 밸브 유닛이 4-웨이 밸브로서 이루어지므로, 단일의 밸브를 통하여 스택의 공기 배출측 및 공기 공급 측을 개방 또는 폐쇄할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 전체 시스템의 구조를 단순화 및 경량화시킬 수 있고, 제작 원가를 절감할 수 있으며, 차량 패키지의 개선 및 시스템의 모듈화를 도모할 수 있고, 시스템의 정비성을 개선할 수 있으며, 시스템의 고장률을 저감시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 적용되는 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 적용되는 밸브 유닛을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 개략적인 단면 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료로서의 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습기(50)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(80)과, 밸브 유닛(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 단위 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.

여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지(17)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.

상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 외부 공기를 공급하기 위한 것이다.

상기 공기 공급유닛(30)은 대기 중의 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 가습기(50)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 이용하여, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 가습을 행하고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.

이와 같은 본 실시예에 따른 상기 가습기(50)의 구성은 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.

여기서, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(81)와, 그 수소 블로워(81)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하는 믹서(83)와, 미반응한 수소를 대기 중으로 방출시키기 위한 퍼지 밸브(85)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 스택(10), 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(80)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면에서 미설명된 참조 부호 89는 연료 전지(17)의 연료극(15)에서 생성된 응축수를 포집 및 배출하기 위한 워터 트랩을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 적용되는 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 가습기(50)는 기본적으로 하우징(51)과, 그 하우징(51)에 내장되는 막 모듈(55)을 포함하여 구성된다.

상기에서, 하우징(51)은 배출 공기를 도입하는 제1 유입부(53a)와, 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)와, 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부(53d)를 형성하고 있다.

즉, 상기 제1 유입부(53a)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결되며, 제2 유입부(53b)는 공기 블로워(31)와 연결되고, 제1 배출부(53c)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출되는 배출 공기는 소정의 습기와 열을 포함하고 있다.

상기 막 모듈(55)은 하우징(51)의 내부에 내장되며, 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막(56)으로서 구비될 수 있다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 적용되는 밸브 유닛을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 개략적인 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 밸브 유닛(90)은 스택(10)의 내구성 향상을 위한 보조장치로서, 스택(10)의 시동 오프 시, 외부 공기가 스택(10)의 공기 배출측 및 공기 공급측으로 유입되는 것을 차단하기 위한 것이다.

즉, 상기 밸브 유닛(90)은 스택(10)의 시동 오프 시, 가습기(50)를 통한 스택(10)의 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)로의 외부 공기의 유입을 차단함으로써 외부 공기가 스택(10)의 연료 전지(17)로 유입됨으로 인해 연료 전지(17)의 열화 현상이 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이와 같은 본 실시예에 따른 밸브 유닛(90)의 구성을 앞서 개시한 도면들 및 도 3과 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하면, 상기 밸브 유닛(90)은 기본적으로 상기 밸브 유닛(90)은 밸브 바디부(93)와, 개폐부(95)와, 엑츄에이터(99)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기한 밸브 유닛(90)은 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)를 개폐시키기 위한 4-웨이 밸브(4-way valve)로서 이루어지는 것이 바람직하다.

이를 위해 상기 밸브 바디부(93)는 언급한 바 있는 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)를 구성하는 바, 4 개소의 밸브 통로를 형성하고 있다.

즉, 상기 밸브 바디부(93)는 공기 공급 경로(91)로서 제1 및 제2 밸브 통로(94a, 94b)를 구성하고, 공기 배출 경로(92)로서 제3 및 제4 밸브 통로(94c, 94d)를 구성한다.

여기서, 상기 공기 공급 경로(91)라 함은 가습기(50)를 통해 스택(10)으로 공급되는 가습 공기의 공급 경로 및 공기 공급유닛(30)을 통해 가습기(50)로 공급되는 공급 공기의 공급 경로로서 정의할 수 있다.

그리고, 상기 공기 배출 경로(92)라 함은 스택(10)으로부터 배출되며 가습기(50)로 공급되는 배출 공기의 배출 경로 및 가습기(50)로부터 대기 중으로 배출되는 공기의 배출 경로로서 정의할 수 있다.

이 경우, 상기 공기 공급 경로(91)는 가습기(50)의 제1 배출부(53c)와 연결되며, 공기 배출 경로(92)는 가습기(50)의 제1 유입부(53a)와 연결될 수 있다.

상기 공기 공급 경로(91)에 있어 제1 밸브 통로(94a)는 가습기(50)의 제1 배출부(53c)와 연결되고, 제2 밸브 통로(94b)는 스택(10)의 공기 공급 측과 연결될 수 있다.

상기 공기 배출 경로(92)에 있어 제3 밸브 통로(94c)는 스택(10)의 공기 배출 측과 연결되며, 제4 밸브 통로(94d)는 가습기(50)의 제1 유입부(53a)와 연결될 수 있다.

즉, 상기 제1 및 제4 밸브 통로(94a, 94d)는 가습기(50)와 연결되며, 제2 및 제3 밸브 통로(94b, 94c)는 스택(10)과 연결되는 것이다.

본 실시예에서, 상기 개폐부(95)는 밸브 바디부(93)의 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)를 개폐시키기 위한 것으로서, 밸브 바디부(93)의 내부에 회전 가능하게 장착되는 작동 플런저(96)를 포함한다.

상기 작동 플런저(96)는 위에서와 같은 제1 내지 제4 밸브 통로(94a, 94b, 94c, 94d)의 분기점에 회전 가능하게 장착될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 엑츄에이터(99)는 작동 플런저(96)에 회전력을 제공하기 위한 것으로서, 도면에 도시되지 않은 제어기에 의해 전기적인 신호를 제공받아 작동하며 회전력을 작동 플런저(96)에 제공할 수 있는 공지 기술의 구동 모터로서 구비된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 하기의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 도 5a를 참조하면 본 실시예서 스택(10)의 시동 시, 밸브 유닛(90)의 엑츄에이터(99)는 제어기(도면에 도시되지 않음)로부터 제어 신호를 인가받아 작동 플런저(96)에 회전력을 제공한다.

그러면, 상기 작동 플런저(96)는 엑츄에이터(99)에 의해 회전하면서 스택(10)과 연결된 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)를 개방할 수 있다.

즉, 상기 작동 플런저(96)는 스택(10)과 가습기(50)를 연결하는 공기 공급 경로(91)로서의 제1 및 제2 밸브 통로(94a, 94b)를 개방하고, 스택(10)과 가습기(50)를 연결하는 공기 배출 경로(92)로서의 제3 및 제4 밸브 통로(94c, 94d)를 개방한다.

이와 같은 상태에서, 연료 전지(17)를 통한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 미반응 공기로서의 고온 다습한 배출 공기를 배출한다

여기서, 상기 고온 다습한 배출 공기는 공기 배출 경로(92)의 제3 및 제4 밸브 통로(94c, 94d)를 지나며 하우징(51)의 제1 유입부(53a)를 통해 막 모듈(55)로 유입되고, 대기 중의 공기(공급 공기)는 공기 공급유닛(30)의 공기 블로워(31)를 통해 흡입되면서 하우징(51)의 제2 유입부(53b)를 통해 막 모듈(55)로 공급된다.

그러면, 상기 하우징(51)의 내부에서는 막 모듈(55)에 의한 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지게 되며, 이렇게 가습된 공기는 공기 공급 경로(91)의 제1 및 제2 밸브 통로(94a, 94b)를 통하여 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급된다.

그리고, 상기 하우징(51)의 내부에서 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기 즉, 소정의 습기와 열을 포함한 배출 공기는 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.

한편, 도 5b에서와 같이 스택(10)의 시동 오프 시, 본 실시예에서 밸브 유닛(90)의 엑츄에이터(99)는 제어기(도면에 도시되지 않음)로부터 제어 신호를 인가받아 작동 플런저(96)에 회전력을 제공한다.

그러면, 상기 작동 플런저(96)는 엑츄에이터(99)에 의해 회전하면서 스택(10)과 연결된 공기 공급 경로(91) 및 공기 배출 경로(92)를 폐쇄할 수 있다.

즉, 상기 작동 플런저(96)는 스택(10)과 가습기(50)를 연결하는 공기 공급 경로(91)로서의 제1 및 제2 밸브 통로(94a, 94b)를 폐쇄하고, 스택(10)과 가습기(50)를 연결하는 공기 배출 경로(92)로서의 제3 및 제4 밸브 통로(94c, 94d)를 폐쇄한다.

따라서, 본 실시예에서는 스택(10)의 시동 오프 시, 외부 공기가 스택(10)의 공기 배출측 및 공기 공급 측으로 유입되는 것을 밸브 유닛(90)을 통해 차단할 수 있으므로, 연료 전지(17)의 공기극(13) 쪽에서 연료극(15) 쪽으로 더 이상 공기가 확산되지 않게 되고, 결국 연료극(15)에 잔존하던 공기 즉, 산소에 의하여 열화 현상이 발생되는 것을 지연 내지 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에서는 밸브 유닛(90)이 4-웨이 밸브로서 이루어지므로, 단일의 밸브를 통하여 스택(10)의 공기 배출측 및 공기 공급 측을 개방 또는 폐쇄할 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 전체 시스템의 구조를 단순화 및 경량화시킬 수 있고, 제작 원가를 절감할 수 있으며, 차량 패키지의 개선 및 시스템의 모듈화를 도모할 수 있고, 시스템의 정비성을 개선할 수 있으며, 시스템의 고장률을 저감시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 스택 17... 연료 전지
30... 공기 공급유닛 31... 공기 블로워
50... 가습장치 51... 하우징
55... 막 모듈 56... 중공사막
70... 수소 공급유닛 80... 수소 재순환유닛
90... 밸브 유닛 91... 공기 공급 경로
92... 공기 배출 경로 93... 밸브 바디부
95... 개폐부 99... 엑츄에이터

Claims

단위 연료 전지들의 집합체로서 이루어지는 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 외부 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 수분 교환을 통하여 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 이렇게 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기;
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛; 및
상기 스택과 가습기에 연결되게 구성되며, 상기 스택의 시동 오프 시 상기 가습기를 통한 스택의 공기 공급 경로 및 공기 배출 경로로의 외부 공기 유입을 차단하기 위한 밸브 유닛을 포함하며,
상기 밸브 유닛은,
제1 및 제2 밸브 통로로서의 상기 공기 공급 경로와, 제3 및 제4 밸브 통로로서의 상기 공기 배출 경로를 각각 구성하는 밸브 바디부와,
상기 공기 공급 경로와 공기 배출 경로를 개폐시키는 개폐부를 포함하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 밸브 유닛이 4-웨이 밸브(4-way valve)로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 가습기는,
하우징과,
상기 하우징의 내부에 배치되며, 상기 배출 공기와 공급 공기의 수분 교환을 통해 상기 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막
을 포함하는 연료 전지 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 하우징은,
상기 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부
를 포함하는 연료 전지 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 공기 공급 경로는 상기 제1 배출부와 연결되며, 상기 공기 배출 경로는 제1 유입부와 연결되는 연료 전지 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 제1 및 제4 밸브 통로는 상기 가습기와 연결되고, 상기 제2 및 제3 밸브 통로는 상기 스택과 연결되는 연료 전지 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 제1 밸브 통로는 상기 제1 배출부와 연결되고, 상기 제2 밸브 통로는 상기 스택의 공기 공급 측과 연결되며,
상기 제3 밸브 통로는 상기 스택의 공기 배출 측과 연결되며, 상기 제4 밸브 통로는 상기 제1 유입부와 연결되는 연료 전지 시스템.
제5 항 내지 제7 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 개폐부는 상기 스택의 시동 시,
상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 공급 경로로서의 제1 및 제2 밸브 통로를 개방하고, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 배출 경로로서의 제3 및 제4 밸브 통로를 개방하는 연료 전지 시스템.
제8 항에 있어서,
상기 개폐부는 상기 스택의 시동 오프 시,
상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 공급 경로로서의 제1 및 제2 밸브 통로를 폐쇄하고, 상기 스택과 가습기를 연결하는 상기 공기 배출 경로로서의 제3 및 제4 밸브 통로를 폐쇄하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 개폐부는,
상기 밸브 바디부의 내부에 회전 가능하게 장착되어 상기 공기 공급 경로 및 공기 배출 경로를 개폐하는 작동 플런저를 포함하는 연료 전지 시스템.
제10 항에 있어서,
상기 밸브 유닛은,
상기 작동 플런저를 회전시키기 위한 엑츄에이터를 포함하는 연료 전지 시스템.