KR101326509B1 - 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온필터의 상단 캡에 기포 배출 구조를 형성하여, 냉각수에 포함된 기포를 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택된 이온필터에 냉각수에 포함된 기포를 제거할 수 있는 기포 제거 수단을 형성하여, 열 및 물관리 시스템내의 냉각수에 포함된 기포를 신속하게 배출시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치{Air bubble exhausting device mounted in the ion filter for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온필터의 상단 캡에 기포 배출 구조를 형성하여, 냉각수에 포함된 기포를 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치에 관한 것이다.

연료전지 차량의 주행을 위한 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지 스택은 고분자 전해질막 및 전극을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와, 가스확산층(GDL)과, 개스킷(Gasket)과, 유로가 형성된 분리판과, 이들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 차례로 적층된 다수의 유니트 셀들이 소정의 면압을 유지하며 결합된 것으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 역할을 한다.

즉, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.

연료전지 차량에 구축되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택 외에 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 열 및 물관리 시스템은 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수를 연료전지 스택(12)으로 순환시키는 냉각펌프(14)와, 스택(12)으로부터 냉각을 마치고 배출된 냉각수가 냉각되도록 한 라디에이터(16)를 기본적으로 포함하고 있고, 특히 냉각루프에서 용출되는 이온을 필터링하는 이온필터(10)를 포함하고 있다.

상기 이온필터는 연료전지의 수명 연장 및 연료전지 시스템의 전기적 안정을 위하여 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수로부터 금속이온을 제거하여 냉각수의 전기전도도를 낮게 유지시키는 역할을 하는 것으로서, 이를 위해 이온필터의 내부에는 냉각수에 함유된 이온을 실질적으로 여과해주는 미립자 형태의 이온수지가 내장되어 있다.

좀 더 상세하게는, 첨부한 도 4에서 보듯이 상기 이온필터(10)의 몸체부(18) 내부에는 미립자 형태의 이온수지가 내장되어 있고, 몸체부(18)의 하단에는 이온수지로 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구(20)가 형성되어 있으며, 몸체부(18)의 상단에는 이온이 필터링된 냉각수가 배출되도록 냉각수 배출구(22)를 갖는 커버캡(24)이 장착되어 있다.

따라서, 연료전지 스택(12)을 순환하고 나온 냉각수가 냉각수 유입구(20)를 통하여 이온수지로 들어가서 금속 이온이 제거된 후, 커버캡(24)의 냉각수 배출구(22)를 통과하여 다시 연료전지 스택(12)으로 순환된다.

이러한 이온필터는 열 및 물관리 시스템의 다른 구성들에 비하여 최상단 위치에 배치되는데, 그 이유는 이온필터의 교체가 신속하고 편리하면서 간단하게 이루어질 수 있고, 이온필터의 장착 위치 및 장착방향에 대한 자유도 보장을 위함에 있다.

한편, 연료전지 시스템의 작동시 냉각수에 포함된 부동액 부피가 팽창되는 동시에 냉각수내의 기포가 팽창되고, 이렇게 생성된 기포가 라디에이터에 포집되어 압력이 상승되면 첨부한 도 5에 도시된 라디에이터(16) 상단에 장착된 가압캡(26)이 열리면서 기포가 방출되지만, 기포의 완전한 제거를 위해서는 최소 5시간 이상 소요되는 문제점이 있고, 또한 부동액내 기포는 방열 성능을 저하시키는 요인이 되고 있다.

특히, 상기 이온필터(10)는 열 및 물관리 시스템의 다른 구성들에 비하여 가장 상단에 배치되어 있기 때문에, 이온필터를 통과한 냉각수에 다량의 기포가 발생되고 있고, 첨부한 도 6에서 보듯이 냉각수에 포함된 기포는 이온필터(10)의 상단에 장착된 커버캡(24)내의 상부공간에 주로 포집되고 있다.

그러나, 이온필터에 별도의 기포 제거 수단이 갖추어져 있지 아니하여, 결국 냉각수가 라디에이터까지 순환된 후, 상기와 같이 가압캡을 통하여 배출되므로, 기포 제거 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택된 이온필터에 냉각수에 포함된 기포를 제거할 수 있는 기포 제거 수단을 형성하여, 열 및 물관리 시스템내의 냉각수에 포함된 기포를 신속하게 배출시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택되는 이온필터의 커버캡에 기포 배출 장치를 설치하여, 이온필터를 통과하여 커버캡에 포집되는 냉각수내의 기포가 기포 배출 장치를 통하여 배출될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 기포 배출 장치는: 이온필터의 상단에 장착된 커버캡의 상면에 일체로 형성되는 수직나사홀을 갖는 체결단과; 상기 체결단의 하단부에 수평방향으로 관통 형성되어 수직나사홀과 연통되는 기포배출홀과; 상단은 체결단의 수직나사홀에 나사 체결되는 나사부로 형성되고, 하단부에는 기포배출홀을 개폐하는 개폐단으로 형성된 기포배출용 나사; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 기포 배출 장치는: 이온필터의 상단에 장착된 커버캡의 상면에 일체로 형성되는 수직홀을 갖는 체결단과; 상기 체결단의 하단부에 수평방향으로 관통 형성되어 수직홀과 연통되는 기포배출홀과; 상기 체결단의 수직홀내에 탄성으로 누름 가능하게 장착되어, 기포배출홀을 개폐하는 누름밸브체; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 누름밸브체는: 체결단의 수직홀 상부에 누름 가능하게 위치되는 누름단과; 체결단의 수직홀 저부에 밀착되는 개폐단과; 누름단 및 개폐단을 일체로 연결하며 수직홀내에 배열되는 연결단과; 상단은 누름단의 저면에 지지되고 하단은 수직홀의 하단에 지지되도록 연결단의 외경에 삽입되며 수직홀내에 배열되는 스프링; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택된 이온필터에 냉각수에 포함된 기포를 제거할 수 있는 기포 제거 수단을 별도로 설치하여, 열 및 물관리 시스템내의 냉각수에 포함된 기포를 외부로 배출시킬 수 있도록 함으로써, 열 및 물관리 시스템의 냉각 루프를 흐르는 냉각수의 기포를 신속하게 배출시킬 수 있다(기존 5시간 이상 → 1시간 이내).

이에, 냉각수에 의한 연료전지 시스템의 방열 성능을 향상시킬 수 있고, 냉각수에 부동액을 주입하는 시간을 단축하여 시스템 정비성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치를 나타내는 단면도,
도 3은 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템 구성을 설명하는 개략도,
도 4는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템에 채택되는 이온필터 설치 상태를 보여주는 개략도,
도 5는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템 구성중 라디에이터에 장착된 가압캡을 보여주는 개략도,
도 6은 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템에 채택되는 이온필터의 냉각수 기포 포집 위치를 설명하는 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3을 참조로 전술한 바와 같이, 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템은 냉각수를 연료전지 스택(12)으로 순환시키는 냉각펌프(14)와, 스택(12)으로부터 냉각을 마치고 배출된 냉각수가 냉각되도록 한 라디에이터(16)를 기본적으로 포함하고 있고, 특히 연료전지의 수명 연장 및 연료전지 시스템의 전기적 안정을 위하여 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수로부터 금속이온을 제거하여 냉각수의 전기전도도를 낮게 유지시키는 역할을 하는 이온필터(10)를 포함하고 있다.

첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이온필터(10)의 몸체부(18) 내부에는 미립자 형태의 이온수지(19)가 내장되어 있고, 몸체부(18)의 하단에는 이온수지로 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구(20)가 형성되어 있으며, 몸체부(18)의 상단에는 이온이 필터링된 냉각수가 배출되도록 냉각수 배출구(22)를 갖는 커버캡(24)이 장착되어 있다.

이때, 상기 이온필터(10)는 열 및 물관리 시스템의 다른 구성들에 비하여 가장 상단에 배치되어 있기 때문에, 이온필터를 통과한 냉각수에 다량의 기포가 커버캡(24)내의 상부공간에 주포 포집되고 있다.

본 발명은 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택되는 이온필터(10)의 커버캡(24)에 기포 배출 장치(30)를 설치하여, 이온필터(10)를 통과하여 커버캡(24)내에 포집되는 냉각수내의 기포가 기포 배출 장치(30)를 통하여 배출될 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기포 제거 장치 및 그 작동 흐름을 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기포 배출 장치(30)는 기포배출용 나사(35)를 이용한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 이온필터(10)의 상단에 장착된 커버캡(24)의 상면에 체결단(32)이 일체로 형성되고, 이 체결단(32)에 기포 배출용 나사(35)가 분리 가능하게 체결되도록 수직나사홀(31)이 관통 형성된다.

특히, 상기 체결단(32)의 하단부에는 수평방향으로 기포배출홀(33)이 관통 형성되는데, 이 기포배출홀(33)은 커버캡(24)의 상부공간 및 수직나사홀(31)과 연통되는 상태가 된다.

이에, 상기 체결단(32)의 수직나사홀(31)에 기포배출용 나사(35)를 체결하게 되면, 기포배출홀(33)이 밀폐되는 상태가 된다.

보다 상세하게는, 상기 기포배출용 나사(35)는 상부에 체결단(32)의 수직나사홀(31)에 나사 체결되는 나사부가 형성되고, 하단부에는 기포배출홀(33)을 개폐하는 개폐단(34)이 형성된 구조로 구비되어, 기포배출용 나사(35)의 나사부가 수직나사홀(31)에 체결되는 동시에 개폐단(34)이 기포배출홀(33)을 밀폐시키는 상태가 된다.

따라서, 이온필터(10)를 통과하여 커버캡(24)내에 포집되는 냉각수내의 기포를 배출 제거하고자, 상기 기포 배출 장치(30)의 기포배출용 나사(35)를 풀어주게 되면, 개폐단(34)이 승강하여 기포배출홀(33)이 개방되는 상태가 되고, 결국 커버캡(24)내의 냉각수 기포가 기포배출홀(33)을 통하여 외부로 배출되어진다.

여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기포 제거 장치 및 그 작동 흐름을 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 기포 배출 장치(30)는 누름밸브체(40)를 이용한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 이온필터(10)의 상단에 장착된 커버캡(24)의 상면에 체결단(32)이 일체로 형성되고, 이 체결단(32)에 누름밸브체(40)가 누름 가능하게 체결되도록 수직홀(36)이 관통 형성된다.

즉, 상기 체결단(32)의 수직홀(36)내에 누름밸브체(40)가 탄성으로 누름 가능하게 장착되어 기포배출홀(33)을 개폐하게 된다.

특히, 상기 체결단(32)의 하단부에는 수평방향으로 기포배출홀(33)이 관통 형성되는데, 이 기포배출홀(33)은 커버캡(24)의 상부공간 및 수직홀(36)과 연통되는 상태가 된다.

이에, 상기 체결단(32)의 수직홀(36)에 누름밸브체(40)를 누름 가능하게 체결하게 되면, 기포배출홀(33)이 밀폐되는 상태가 된다.

상기 누름밸브체(40)의 구성을 보면, 체결단(32)의 수직홀(36) 상부에 누름 가능하게 위치되는 누름단(42)과, 체결단(32)의 수직홀(36) 저부에 밀착되는 개폐단(44)과, 누름단(42) 및 개폐단(44)을 일체로 연결하며 수직홀(36)내에 배열되는 연결단(46)을 포함하고, 특히 상단은 누름단(42)의 저면에 지지되고 하단은 수직홀(36)의 하단에 지지되도록 연결단(46)의 외경에 삽입되며 수직홀(36)내에 배열되는 스프링(48)을 포함하여 구성된다.

따라서, 이온필터(10)를 통과하여 커버캡(24)내에 포집되는 냉각수내의 기포를 배출 제거하고자, 상기 누름밸브체(40)의 누름단(42)을 누르게 되면, 누름단(42)의 가압력에 의하여 스프링(48)이 압축되는 동시에 연결단(46)에 의하여 연결된 개폐단(44)이 하강하게 되어, 커버캡(24)의 상부공간과 기포배출홀(33)이 연통되는 상태가 됨으로써, 커버캡(24)내의 냉각수 기포가 기포배출홀(33)을 통하여 외부로 배출되어진다.

10 : 이온필터 12 : 연료전지 스택
14 : 냉각펌프 16 : 라디에이터
18 : 몸체부 19 : 이온수지
20 : 냉각수 유입구 22 : 냉각수 배출구
24 : 커버캡 26 : 가압캡
30 : 기포 배출 장치 31 : 수직나사홀
32 : 체결단 33 : 기포배출홀
34 : 개폐단 35 : 기포배출용 나사
36 : 수직홀 40 : 누름밸브체
42 : 누름단 44 : 개폐단
46 : 연결단 48 : 스프링

Claims (4)

1. 삭제
2. 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에 채택되는 이온필터(10)의 커버캡(24)에 기포 배출 장치(30)를 설치하여, 이온필터(10)를 통과하여 커버캡(24)내에 포집되는 냉각수내의 기포가 기포 배출 장치(30)를 통하여 배출될 수 있도록 하고,
   상기 기포 배출 장치(30)는:
   이온필터(10)의 상단에 장착된 커버캡(24)의 상면에 일체로 형성되는 수직나사홀(31)을 갖는 체결단(32)과;
   상기 체결단(32)의 하단부에 수평방향으로 관통 형성되어 수직나사홀(31)과 연통되는 기포배출홀(33)과;
   상단은 체결단(32)의 수직나사홀(31)에 나사 체결되는 나사부로 형성되고, 하단부에는 기포배출홀(33)을 개폐하는 개폐단(34)으로 형성된 기포배출용 나사(35);
   로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포 배출 장치.
   
3. 삭제
4. 삭제

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