KR101361254B1 - 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치 - Google Patents

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심효섭
권부길
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 연료극에서 배출되어 워터트랩에 저장된 물을 외부 배출하기 위한 물배출밸브와, 연료극 내 불순물을 제거하기 위한 퍼지밸브를 하나의 밸브로 구성하여 부품수 축소, 제조원가 절감이 가능해지고, 패키지 측면에서 보다 유리해지는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 제공함에 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 연료극 출구 측에 연결되어 연료극으로부터 배출되는 물을 저장하도록 설치되는 워터트랩; 워터트랩 내 상부와 저면부에 각각 형성된 기체유입구와 물유입구를 가지면서 상기 기체유입구와 물유입구를 통해 유입된 워터트랩 내 기체 불순물과 워터트랩 내 저장된 물을 배출하는 배출통로; 및 상기 배출통로의 출구와 연통되는 내부 유로를 가지면서 상기 내부 유로의 개방시에 기체유입구와 물유입구를 통해 상기 배출통로 및 상기 내부 유로로 유입된 기체 불순물과 물을 출구부를 통해 외부로 배출하는 배출밸브;를 포함하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 제공한다.

Description

연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치{Impurities exhaust apparatus for anode of fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 연료극에서 배출된 물의 외부 배출 기능(워터트랩의 물배출밸브의 기능)과 더불어 연료극 내 불순물을 외부 배출하기 위한 기능(연료극 배기라인의 퍼지밸브의 기능)을 하나의 밸브에서 구현할 수 있는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치에 관한 것이다.
연료전지 차량의 주 동력원은 연료전지 스택이라 부르는 발전장치이며, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시킨다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 또한 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지 반응에 의해 생성된 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 스택으로부터 제거가 필요하며, 이에 스택에서 생성된 물을 워터트랩(Water Trap)에 모아 배출하도록 되어 있다.
워터트랩 장치는 물이 저장되는 워터트랩, 워터트랩 내 수위 감지를 위한 수위센서, 및 워터트랩에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 물배출밸브를 주된 구성으로 한다. 여기서, 수위센서의 신호는 제어기로 입력되고, 제어기는 수위센서의 신호에 기초하여 물배출밸브의 개폐동작을 제어한다.
연료전지 스택의 캐소드에서 수소 이온과 산소가 만나 물이 발생하는 것으로 알려져 있으나, 전해질로 사용되는 멤브레인의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의해 발생하는 역확산(back diffusuion)으로 인해 상당량의 물이 애노드를 통해 배출된다. 이와 같이 스택이 운전되면 캐소드 쪽에 많은 물이 생성되어 대부분의 물이 공기블로워의 영향으로 캐소드 출구 쪽으로 배출되지만, 애노드 쪽으로도 일부가 넘어온다. 애노드 쪽은 순수 수소가 공급되고 또한 불순물 제거를 위한 주기적인 퍼징(purging)과 수소 순환을 위한 수소 재순환 블로워가 동작하지만 캐소드에서 넘어온 물이 상당부분 제거되지 않고 계속 쌓이게 된다.
이에 도 1에 나타낸 바와 같이 애노드의 물을 배출하기 위해 스택(10) 하부에 워터트랩(21)을 설치하여 주기적으로 물을 배출해주는데, 애노드(연료극)에서 발생한 물을 워터트랩(21)에 저장한 뒤 일정량 이상의 물이 채워지면 외부로 배출하고 있다. 이때, 워터트랩(21)에는 스택(10)의 연료극에서 나온 혼합가스(H2 포함)로부터 물이 분리되어 모이게 되며, 액적이 제거된 혼합가스는 수소 재순환 블로워(40)에 의해 재순환되어 수소공급부(50)로부터 공급된 신규 수소와 섞인 뒤 스택(10)에 재투입된다.
워터트랩(21)에 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥 쪽의 물배출밸브(22)가 열리면서 물의 배출이 이루어진다. 이를 위해 워터트랩(21)에 상, 하위 수위센서(23,24)가 장착되어, 상위 수위센서(23)가 동작(물 감지)하면 제어기(미도시)가 워터트랩(21)에 물이 찬 것으로 판단하여 물배출밸브(22)를 개방한다. 이후 수위가 내려가서 하위 수위센서(24)가 동작(드라이 상태 감지)하면 제어기는 수위가 안전한 레벨까지 내려간 것으로 판단하여 물배출밸브(22)를 닫는다.
한편, 연료전지 시스템의 동작에 있어서, 연료전지 스택(10)의 연료극 측에는 질소나 물이 축적되어 스택의 성능을 저하시키게 되기 때문에 주기적인 연료극의 퍼지를 통하여 스택의 안정적인 성능을 확보하여야 한다. 이를 위해 연료전지 스택(10)의 연료극에는 제어기의 명령에 따라 개폐되는 전자식 밸브, 즉 퍼지밸브(30)를 설치하고, 이를 통해 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 스택 내 수분이나 질소 등의 불순물을 제거하고 수소 이용률을 높이게 된다. 퍼지밸브(30)는 연료전지 스택(10)의 연료극에 존재하는 불순물(질소)을 제거함과 더불어 스택에 일시적인 차압을 발생시켜 스택 내부의 채널에 고여있는 수분을 제거하는 기능을 한다.
상기 퍼지밸브(30)는 연료극의 불순물을 제거하기 위해 연료극 출구 측에 연결된 배기라인(11)에 설치되며, 제어기에서 수소 퍼지 요구가 있는 경우, 퍼지밸브(30)가 일시적으로 열리게 되어 스택(10)의 연료극에 존재하는 불순물이 연료극의 수소와 함께 대기로 배출되어진다.
그러나, 미반응수소와 함께 생성된 물을 배출시키는 워터트랩(21)의 물배출밸브(22)와, 연료극의 불순물을 제거하기 위한 퍼지밸브(30)가 연료전지 스택(10)의 연료극 출구 측에 각각 별도로 설치됨에 따라, 부품수가 많이 들고, 결국 제조원가의 증가를 초래하는 단점이 있다.
좀더 상세히 설명하면, 연료전지 스택(10)의 연료극에는 액체인 물과 기체인 질소의 2가지 형태의 불순물이 유입/전달되기 때문에 이를 효과적으로 제거하여 연료전지 스택의 성능을 안정적으로 구현하여야 한다. 하지만 상기 2가지의 불순물이 각각 액체와 기체로 존재하기 때문에 이를 배출하기 위해 종래에는 물을 배출하기 위한 워터트랩(21)의 배출밸브(22)와, 기체 불순물을 배기하기 위한 퍼지밸브(30)를 별도로 구성하여 연료전지 시스템에 적용하고 있다.
이와 같이 스택(10)의 연료극 측에 밸브(22,30) 2개를 설치하는 경우 패키지 및 비용 측면에서 불리해지고, 특히 종래의 경우 워터트랩(21)에서 응축수의 양을 관리하기 위해 수위센서(23,2)가 필요함은 물론 수위센서와 연결된 제어기의 입출력 포트 등이 추가로 더 요구되기 때문에 제조원가가 크게 소요되는 부담이 따른다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 스택의 연료극에서 배출되어 워터트랩에 저장된 물을 외부 배출하기 위한 물배출밸브와, 연료극 내 불순물을 제거하기 위한 퍼지밸브를 하나의 밸브로 구성하여 부품수 축소, 제조원가 절감이 가능해지고, 패키지 측면에서 보다 유리해지는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 연료극 출구 측에 연결되어 연료극으로부터 배출되는 물을 저장하도록 설치되는 워터트랩; 워터트랩 내 상부와 저면부에 각각 형성된 기체유입구와 물유입구를 가지면서 상기 기체유입구와 물유입구를 통해 유입된 워터트랩 내 기체 불순물과 워터트랩 내 저장된 물을 배출하는 배출통로; 및 상기 배출통로의 출구와 연통되는 내부 유로를 가지면서 상기 내부 유로의 개방시에 기체유입구와 물유입구를 통해 상기 배출통로 및 상기 내부 유로로 유입된 기체 불순물과 물을 출구부를 통해 외부로 배출하는 배출밸브;를 포함하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치에 의하면, 연료전지 스택의 연료극에서 배출되어 워터트랩에 저장된 물을 외부 배출하기 위한 물배출밸브와, 연료극 내 불순물을 제거하기 위한 퍼지밸브가 하나의 밸브로 구성됨으로써, 부품수 축소, 제조원가 절감이 가능해지고, 패키지 측면에서 보다 유리해지는 이점이 있다.
또한 수위센서의 삭제, 수위센서와 연결되는 제어기의 연결포트 삭제 등이 가능하고, 워터트랩에서 배출되는 물을 기체와 함께 분사하는 것이 가능해지므로, 배출밸브를 연료전지 스택의 공기극 가습을 위한 가습장치로 연결하여 물과 기체가 가습장치에서 함께 분사되도록 구성하는 경우, 워터트랩에 저장된 물을 공기 가습에 활용하는 것도 가능해진다.
또한 본 발명의 배출 장치에서는 밸브로의 기체와 물의 유입 경로가 별도로 구비되므로 워터트랩 내 물의 결빙 상태에서도 시동과 동시에 연료극의 불순물 제거를 위한 수소 퍼지는 가능하다.
도 1은 연료전지 차량에서 종래의 물배출밸브와 퍼지밸브가 설치된 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치에서 배출밸브가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치를 도시한 구성도이고, 도 3은 배출밸브가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지 스택의 연료극에서 배출되어 저장되는 워터트랩의 물을 외부 배출하기 위한 종래 물배출밸브의 기능과, 연료극 내 불순물(질소 및 수분 등)을 제거하기 위한 종래 퍼지밸브의 기능을 하나의 배출밸브에서 구현될 수 있도록 한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
즉, 본 발명에서는 종래와 같이 워터트랩의 물배출밸브와 연료극 배기라인의 퍼지밸브를 각각 별도로 구비하지 않고 하나의 배출밸브로 구성하며, 이 하나의 물배출밸브를 통해 연료극으로부터 배출된 기체와 물의 배출이 동시에 이루어지도록 한다.
그 구성에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료극 불순물 배출 장치는, 연료전지 스택(10)의 연료극 출구 측에 연결되어 연료극으로부터 배출되는 물을 저장하도록 설치되는 워터트랩(21); 상기 워터트랩(21) 내 상부와 저면부에 각각 형성된 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 가지면서 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 통해 유입된 워터트랩(21) 내 기체 불순물과 워터트랩(21) 내 저장된 물을 배출하는 배출통로(25); 그리고 상기 배출통로(25)의 출구(28)와 연통되는 내부 유로를 가지면서 외부로부터 인가되는 전기적인 신호에 의해 상기 내부 유로를 개폐하도록 제어되고 내부 유로 개방시 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 통해 상기 배출통로(25) 및 내부 유로로 유입된 기체 불순물과 물을 출구부(63)를 통해 외부로 배출하도록 된 배출밸브(60)를 포함하여 구성된다.
먼저, 워터트랩(21)은 연료전지 스택(10)의 연료극 출구 측에 연결 설치되어 연료극에서 배출 및 응축된 물을 저장하도록 구비된다.
워터트랩(21)의 내부에는 워터트랩의 저면부로부터 상부 사이를 연결하는 소정 높이의 배출통로(25)가 상하로 길게 형성되고, 워터트랩(21)의 내부에서 배출통로(25)의 하단부에는 소정의 개구 단면적을 가지는 물유입구(27)가 형성된다.
배출통로(25)의 상부에는 워터트랩(21)의 저면부로부터 소정 높이에 위치되는 기체유입구(26)가 형성되는데, 이때 기체유입구(26)는 소정의 개구 단면적을 가지도록 형성된다.
워터트랩(21)의 측면부에는 배출통로(25)의 내부로 유입된 기체 불순물과 물을 배출밸브(60)로 배출하는 출구(28)가 형성된다.
이러한 구성에서, 물유입구(27)는 연료전지 스택(10)의 연료극에서 배출 및 응축되어 중력에 의해 하부로 모인 워터트랩(21) 내 저장된 물이 배출통로(25)로 유입되도록 하는 유입구로서, 물유입구(27)를 통해 유입된 물이 배출통로(25)를 통해 외부로 배출될 수 있게 되어 있다.
또한 기체유입구(26)는 워터트랩(21) 내 하부에 저장된 물의 수면 위로 높게 형성되어 연료극으로부터 워터트랩(21) 내부로 배출된 기체 불순물이 배출통로(25)로 유입될 수 있게 구비되는 유입구로서, 기체유입구(26)를 통해 유입된 기체 불순물이 배출통로(25)를 거쳐 워터트랩(21) 내 물과 함께 외부로 배출될 수 있게 되어 있다.
여기서, 물유입구(27)의 단면적(예, A=2mm)에 비해 기체유입구(26)의 단면적(예, B=6~8mm)을 작게 하며, 물유입구(27)와 기체유입구(26)의 단면적 비를 적절히 조절하여 물과 기체의 배출량 비를 조절하는 것이 가능하다.
한편, 워터트랩(21)의 측면부에는 기체유입구(26)와 대략 동일한 높이가 되는 위치에 배출통로(25)의 출구(28)가 형성되고, 이 배출통로(25)의 출구(28)에는 전기적으로 개폐제어가 이루어지는 배출밸브(60)가 설치된다.
배출밸브(60)는 제어기(미도시)에서 출력되는 제어신호에 따라 전기적으로 개폐제어되는 전자식 밸브로서, 이는 통상의 솔레노이드 밸브가 될 수 있으며, 솔레노이드 밸브는 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 솔레노이드(65)에 전원이 인가되거나 차단됨으로써 플런저(66)가 상하로 이동되어 플런저 하단의 밸브체(67)가 밸브 내 유로를 개폐하는 통상의 구성을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 배출밸브(60)의 입구부(61)가 피팅부재(62)를 통해 워터트랩(21)의 배출통로(25)와 연통된 출구(28)에 연결됨을 볼 수 있으며, 배출밸브(60)의 출구부(63)는 별도의 피팅부재(64)를 통해 기체 불순물과 물을 외부로 배출하기 위한 배출관(미도시)과 연결된다.
본 발명에서 배출밸브(60)는 수소 퍼지 요구가 있을 경우 일정시간 동안 내부 유로를 개방하여 연료극 내 기체 불순물과 워터트랩(21) 내 저장된 물을 함께 배출하게 되는데, 제어기가 배출밸브(60)를 반복하여 개폐함으로써 연료극 내 기체 불순물과 더불어 워터트랩(21) 내 저장된 물을 주기적으로 외부 배출하게 된다.
배출밸브(60)가 개방된 상태에서는 연료극 압력에 의해 워터트랩(21) 내 수면 위로 배출된 기체 불순물이 기체유입구(26), 배출통로(25), 배출밸브(60)를 통해 외부로 배출되고, 이와 동시에 워터트랩(21) 내 저장된 물은 수면에 작용하는 압력(도 2에서 압력 'P')에 의해 가압되어 물유입구(27), 배출통로(25), 배출밸브(60)를 통해 외부로 배출된다.
또한 배출밸브(60)가 개방되면, 워터트랩(21) 내 수면 위로 배출된 기체 불순물이 배출됨과 동시에 워터트랩(21) 내 저장된 물이 항시 함께 배출되는데, 통상적으로 연료전지 시스템의 운전 동안 연료극 퍼지는 주기적으로 반복하여 이루어지므로, 워터트랩(21) 내 물이 연료극 퍼지가 이루어질 때마다 외부로 배출되는바, 종래와 같이 수위를 감지하여 워터트랩(21) 내 일정 수위 이상의 물이 모아졌을 때만 물을 배출하는 것과 비교하여, 본 발명에서는 수위센서가 삭제될 수 있는 이점이 있게 된다.
즉, 연료전지 시스템의 운전 동안 연료극 퍼지 요구가 있을 때마다 주기적으로 배출밸브(60)가 열리면서 수소 퍼지가 수행되고, 이때 워터트랩(21) 내부에 저장된 물도 운전 도중 지속적으로 반복 배출되므로, 별도의 수위 감지를 통한 물 배출이 불필요해지는 것이다.
또한 본 발명에서 배출밸브(60)의 개방시 기체와 물이 동시에 배출밸브(60)를 통해 배출되어 분사될 수 있으며, 결국 배출밸브(60)의 출구부(63)를 배관을 통해 연료전지 시스템의 공기극 가습을 위한 가습장치로 연결하면, 워터트랩(21)에서 배출되는 수분을 공기극 가습을 위해 이용하는 것이 가능해진다.
종래의 워터트랩에 구비되는 물배출밸브의 경우, 워터트랩 내부에 저장된 물만 별도로 배출하는 구조이므로, 물배출밸브의 출구부를 배관을 통해 공기극 가습을 위한 가습장치에 연결하여 워터트랩 내 물을 가습장치로 배출하더라도 가습량의 증대효과는 상대적으로 낮다(물이 흘러가는 형태가 되어 가습에 비효율적임).
반면, 본 발명에서는 배출밸브(60)의 출구부(63)를 배관을 통해 공기극 가습을 위한 가습장치로 연결할 경우, 워터트랩(21)에서 배출된 물과 기체가 배출밸브(60)를 통해 함께 분사될 수 있기 때문에, 물 분산 효과에 의해 가습장치에서의 가습 효율이 증대될 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에서는 배출밸브(60)의 입구측에 위치하는 두 유입구, 즉 연료극 내 기체 불순물을 워터트랩(21)을 통해 배출하기 위한 기체유입구(26)와, 워터트랩(21) 내부에 모아져 저장된 물을 배출하기 위한 물유입구(27)를 각각 별도로 구비하는데, 이 경우 워터트랩(21) 내 물이 결빙된 상태라 하더라도 연료극으로부터 워터트랩(21) 내 수면 위로 배출된 기체 불순물이 배출밸브(60)를 통해 외부로 배출될 수 있는 이점이 있게 된다.
즉, 워터트랩(21) 내 물의 결빙 상태에서도 연료극 내 기체 불순물을 배출하는 퍼지 기능은 가능해지는 것이다.
통상의 연료전지 차량에서 차량의 시동 전에 연료극의 내부에는 공기가 채워져 있기 때문에 시동할 때 연료극 배기라인의 종래 퍼지밸브를 즉시 개방해서 연료극 내 불순물(공기)를 제거하여야만 발전이 가능하다.
그러나, 배출통로(25)의 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 분리하지 않고 하나로 하는 경우, 즉 하나의 유입구를 통해 워터트랩(21) 내 수면 위의 기체 불순물과 워터트랩(21) 내 저장된 물이 배출되는 구조인 경우, 영하의 온도에서 워터트랩(21) 내 저장된 물이 결빙되었을 때, 상기 하나의 유입구가 결빙된 상태이므로, 시동 후 수면 위의 기체 불순물을 즉각적으로 배출하는 것이 불가능해진다.
수소 퍼지 기능(연료극 내 기체 불순물 제거 기능)이 시동 즉시 사용되어야 하나, 상기와 같이 배출밸브(60)로 연결되는 하나의 유입구를 구비한다면(기체 불순물과 워터트랩 내 저장된 물을 함께 배출하는 용도의 유입구 하나를 구비한다면), 영하의 온도에서 워터트랩(21) 내 저장된 물이 결빙된 상태에서 즉각적인 수소 퍼지 작동이 불가능하고, 결국 히터를 적용하여 소정의 해빙시간 이후 수소 퍼지가 가능해진다.
통상의 연료전지 시스템에서 워터트랩 내 저장된 물의 배출을 위해 종래의 물배출밸브가 시동시 즉시 개방될 필요가 없으므로, 종래의 경우 히터를 적용하여 워터트랩 내 물을 해빙한 뒤 워터트랩 내 물을 배출하고 있으나, 상기와 같이 기체 불순물과 워터트랩 내 물 배출이 하나의 유입구를 통해 이루어진다면, 해빙시간 이후에나 수소 퍼지가 가능하여 시동 지연이 있게 되고, 더불어 결빙방지를 위한 히터가 반드시 구비되어야 하므로 부품수가 더욱 늘어날 뿐만 아니라 제어가 복잡해지는 문제점이 있게 된다.
따라서, 이러한 문제점이 발생하지 않도록, 본 발명에서는 워터트랩(21) 내부를 통해 연료극의 기체불순물을 배출함과 더불어 워터트랩(21) 내부에 저장된 물을 배출하는 하나의 배출밸브(60)를 설치함에 있어서, 배출통로(25)의 상, 하부에 각각 별도로 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 형성하며, 이를 통해 기체 불순물과 물이 별도 유입구를 통해 배출밸브(60)로 유입되도록 하여, 영하의 온도에서 저온 시동시에 워터트랩(21) 내 물이 결빙된 상태라 하더라도 기체 불순물이 수면 위에서 바로 배출밸브(60)를 통과할 수 있도록 하여, 수소의 과다 배출 없이 즉각적인 연료극의 수소 퍼지가 이루어질 수 있게 한다.
또한 상기와 같이 기체유입구(26)와 물유입구(27)를 별도로 구비하는 경우, 기체유입구(26)와 물유입구(27)의 단면적을 조절하는 것에 의해 기체 불순물과 물의 배출량 비를 조절하는 것이 가능하고, 또한 배출밸브(60)의 출구부(63)를 상기와 같이 연료전지 스택(10)의 공기극 가습을 위한 가습장치에 연결한 구성에서 단면적 조절을 통해 분사시간 및 분사비율(물과 기체의 혼합비율)을 목적에 맞게 설정하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 배출 장치에서 배출통로(25)의 물유입구(27) 단면적을 A, 기체유입구(26) 단면적을 B라 할 때, 배출밸브(60)의 개방시 A의 단면적을 갖는 물유입구(27)를 통해 워터트랩(21) 내 물이 배출되고, B의 단면적을 갖는 기체유입구(26)를 통해 워터트랩(21) 내 수면 위의 기체 불순물이 배출된다.
저온에서 워터트랩(21) 내 응축수가 결빙되어 있는 상태라 하더라도 B의 단면적을 갖는 기체 불순물의 배출이 가능하므로 시동 즉시 배출밸브(60)의 연료극 퍼지 동작이 가능하며, 만약 기체유입구(26) 없이 물유입구(27)만을 통해 배출밸브(60)를 충분한 시간 동안 개방할 경우 배출밸브(60)에는 잔류 수분을 최소화할 수 있지만, 다량의 수소 배출로 인해 수소 센서 감지를 통한 경고 작동과 더불어 연비 저하 등을 초래할 수 있다.
하기 표 1은 기체유입구(26)의 단면적을 달리한 경우 물 배출량과 기체 배출량을 실험적으로 확인하여 그 결과를 나타낸 표로서, 기체유입구(26)의 단면적으로 '1차 < 2차 < 3차 = 4차 < 5차 < 6차'의 형태로 변경함과 더불어 배출밸브(60)의 개방시간을 1차, 2차, 3차는 1초로 하고, 4차, 5차, 6차는 2초로 하여 물과 기체의 배출량을 측정하였다.
Figure 112012069960906-pat00001
표 1에서와 같이, 배출밸브(60)의 개방량에 따라 배출되는 기체의 양은 감소하고 반대로 물의 배출량은 증가하는데, 연료전지 스택(10)의 연료극에서 응축되는 물량에 따라 기체유입구(26)와 물유입구(27)의 단면적 비를 조절할 경우 기체와 물의 배출량 비를 조절하는 것이 가능함을 알 수 있다.
연료전지 스택(10)의 연료극에서 물의 생성량은 MEA의 특성, 연료전지의 사용환경 등에 따라 달라지는데, 기체유입구(26)와 물유입구(27)의 단면적 비를 조절하고, 이를 연료전지 차량의 제어 로직에 반영할 경우, 연료극 내 물 및 기체 불순물의 최적 배출 제어가 달성될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료극 불순물 배출 장치에 의하면, 종래의 워터트랩 내 물 배출을 위한 물배출밸브와, 연료극 퍼지를 위한 퍼지밸브가 하나의 배출밸브로 통합됨으로써, 부품수 축소, 제조원가 절감이 가능해지고, 패키지 측면에서 보다 유리해지는 이점이 있게 된다.
또한 수위센서의 삭제, 수위센서와 연결되는 제어기의 연결포트 삭제 등이 가능하고, 워터트랩에서 배출되는 물을 기체와 함께 분사하는 것이 가능해지므로, 배출밸브를 연료전지 스택의 공기극 가습을 위한 가습장치로 연결하여 물과 기체가 가습장치에서 함께 분사되도록 구성하는 경우, 워터트랩에 저장된 물을 공기 가습에 활용하는 것도 가능해진다.
또한 본 발명의 배출 장치에서는 밸브로의 기체와 물의 유입 경로가 별도로 구비되므로 워터트랩 내 물의 결빙 상태에서도 시동과 동시에 연료극의 불순물 제거를 위한 수소 퍼지는 가능하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 21 : 워터트랩
25 : 배출통로 26 : 기체유입구
27 : 물유입구 28 : 출구
60 : 배출밸브

Claims (6)

  1. 연료전지 스택의 연료극 출구 측에 연결되어 연료극으로부터 배출되는 물을 저장하도록 설치되는 워터트랩;
    워터트랩 내 상부와 저면부에 각각 형성된 기체유입구와 물유입구를 가지면서 상기 기체유입구와 물유입구를 통해 유입된 워터트랩 내 기체 불순물과 워터트랩 내 저장된 물을 배출하는 배출통로; 및
    상기 배출통로의 출구와 연통되는 내부 유로를 가지면서 상기 내부 유로의 개방시에 기체유입구와 물유입구를 통해 상기 배출통로 및 상기 내부 유로로 유입된 기체 불순물과 물을 출구부를 통해 외부로 배출하는 배출밸브;
    를 포함하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출통로는 워터트랩 내부에서 워터트랩의 상부와 저면부 사이를 연결하도록 상하로 길게 형성되는 통로이고,
    상기 워터트랩 내부에서 상기 배출통로의 하단부에 상기 물유입구가, 상기 배출통로의 상부에 상기 기체유입구가 형성되며,
    상기 워터트랩의 측면부에 상기 배출통로의 내부로 유입된 기체 불순물과 물을 배출밸브로 배출하는 상기 배출통로의 출구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배출통로의 출구 높이가 배출밸브의 기체유입구 높이와 동일한 높이로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 물유입구의 단면적에 비해 상기 기체유입구의 단면적을 작게 형성한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출밸브의 출구부가 연료전지 스택의 공기극 가습을 위한 가습장치로 연결되어, 배출밸브의 출구부를 통해 배출되는 기체 불순물과 물이 가습장치에서 공기극 가습을 위해 사용되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출밸브는 외부로부터 인가되는 전기적인 신호에 의해 상기 내부 유로를 개폐하도록 제어되는 전자식 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치.
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