KR101394795B1 - 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온수지를 통과한 냉각수로부터 발생되는 기포를 외부로 배출시켜 용이하게 제거할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템의 구성 중 가장 높은 곳에 위치한 이온필터에 기포를 외부로 배출시킬 수 있는 수단을 설치하여, 냉각수가 이온필터를 통과할 때 집중적으로 발생하는 기포를 외부로 용이하게 배출시켜 연료전지 시스템의 출력 효율 및 방열 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치{ION FILTER FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온수지를 통과한 냉각수로부터 발생되는 기포를 외부로 배출시켜 용이하게 제거할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치에 관한 것이다.
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 6에 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 5에서 보듯이 상기 이온필터(10)의 몸체부(20)내부에는 미립자 형태의 이온수지가 카트리지 타입으로 내장되어 있고, 하단부에는 이온수지로 냉각수가 공급되는 냉각수 유입구(22)가 형성되어 있으며, 또한 상단부에 체결된 커버캡(24)에는 이온이 필터링된 냉각수가 배출되도록 냉각수 배출구(26)가 형성되어 있다.
따라서, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수가 냉각수 유입구(20)를 통하여 내부로 들어가서 이온수지(24)를 통과하면서 금속 이온이 제거된 후, 커버캡의 냉각수 배출구(22)를 통해 빠져나간 후 다시 연료전지 스택(12)으로 순환된다.
그러나, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 열 및 물관리 시스템의 구성 중 이온필터(10)는 가장 높은 곳에 위치됨에 따라 냉각수의 기포들이 포집되는 현상이 발생되고 있다.
즉, 냉각수 루프내 기포들이 이온필터내의 이온수지를 통과하여 그 상단에 위치된 커버캡의 내부공간에 포집되나, 별도의 기포 배출수단이 없기 때문에 기포들이 냉각수와 함께 커버 캡의 냉각수 배출구를 통하여 빠져나가 연료전지 시스템(스택, 라디에이터 등)을 순환하게 된다.
이렇게 냉각수와 함께 기포들이 순환하게 되면, 즉 이온필터를 빠져나간 기포들이 냉각수와 함께 순환하게 되면, 기포 제거에만 약 2~3일 소요될 뿐만 아니라 기포들이 라디에이터내에 포집되어 방열 성능을 저하시키는 요인으로 작용하고, 냉각수 유동 소음을 발생시키는 문제점이 있다.
이와 같이, 연료전지 시스템내에 냉각수로부터 발생된 기포들이 순환하게 되면, 연료전지 시스템의 방열 효율을 떨어뜨리게 되므로, 기포를 제거하는 수단이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템의 구성 중 가장 높은 곳에 위치한 이온필터에 기포를 외부로 배출시킬 수 있는 수단을 설치하여, 냉각수가 이온필터를 통과할 때 집중적으로 발생하는 기포를 외부로 용이하게 배출시켜 연료전지 시스템의 출력 효율 및 방열 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 저부에 냉각수 유입구가 형성되고 내부에는 이온수지가 내장된 이온필터 몸체부와, 이온수지로부터 필터링된 냉각수를 배출시키는 냉각수 배출구가 형성된 구조로서 몸체부의 상단에 체결되는 커버캡을 포함하되, 상기 이온수지를 통과한 냉각수로부터 발생되는 기포를 외부로 배출시키기 위하여, 상기 커버캡의 상단 내면부에 부력을 이용하여 외부와 개폐되는 기포제거수단을 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 기포제거수단은: 커버캡의 상단끝에 형성되는 기포 배출구와; 커버캡의 상단 내부에서 기포 배출구 주변에 일체로 형성되는 볼 이탈 방지가이드와; 볼 이탈 방지가이드내에 위치되어 냉각수에 의하여 플로팅되면서 기포 배출구를 개폐하는 플로팅 볼; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 플로팅 볼은 스틸볼을 부력을 갖는 연성 재질로 감싼 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼 이탈 방지 가이드는: 아래쪽에서 위쪽으로 점차 좁아지는 직경을 갖는 볼 이송 가이드와; 볼 이송 가이드의 하단에서 안쪽으로 절곡되어 플로팅 볼의 하방향 이탈을 차단하는 스토퍼; 로 구성되고, 볼 이송 가이드의 하단부 및 스토퍼의 표면에는 기포 통과홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 구성 중 가장 높은 곳에 위치한 이온필터에 냉각수 기포를 외부로 배출시킬 수 있는 기포제거수단으로서 부력을 이용한 플로팅 볼을 설치함으로써, 냉각수가 이온필터를 통과할 때 집중적으로 발생하는 기포를 실시간으로 배출시켜 제거할 수 있고, 냉각수의 수위 상승시 기포 배출구를 막아 냉각수의 기밀 유지가 가능한 장점이 있다.
이러한 실시간 기포 제거에 따라, 연료전지 시스템의 출력 효율 및 방열 효율을 극대화시킬 수 있고, 냉각수 내 기포에 의한 유동 소음 문제 개선할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치를 나타내는 요부 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치의 플로팅 볼 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 연료전지 시스템의 이온필터 설치 위치를 나타낸 개략도,
도 5는 연료전지 시스템용 이온필터의 외관을 보여주는 사시도,
도 6은 연료전지 시스템의 냉각수 순환 경로에 이온필터가 배치되는 위치를 설명하는 시스템 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 5를 참조하면, 연료전지 시스템용 이온필터(10)는 카트리지 타입의 이온수지(18)가 내설된 이온필터 몸체부(20)와, 이온필터 몸체부(20)의 상단에 체결되는 커버캡(24)을 포함한다.
이때, 상기 이온필터 몸체부(20)의 저부에는 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(22)가 형성되고, 상기 커버캡(24)의 일측에는 이온수지를 통과하여 금속 이온이 필터링된 냉각수를 다시 라디에이터 및 연료전지 스택으로 순환되게 배출시키는 냉각수 배출구(26)가 일체로 형성된다.
따라서, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수가 냉각수 유입구(22)를 통하여 이온수지(18)로 들어가게 되고, 냉각수가 이온수지(18)를 통과하면서 냉각수내의 금속 이온이 제거된 후, 그 위쪽의 커버캡(24) 내부공간으로 토출된다.
이렇게 이온수지(18)를 통과하면서 금속 이온이 제거된 후, 커버캡(24)의 내부공간으로 토출된 냉각수는 냉각수 배출구(26)를 통해 빠져나간 후, 다시 라디에이터 및 연료전지 스택 등으로 순환된다.
이때, 상기 이온필터(10)는 열 및 물관리 시스템의 구성 중 가장 높은 곳에 배치됨에 따라, 이온수지를 통과한 냉각수에 기포들이 다량 발생하게 되어, 커버캡(24)내에 포집된다.
본 발명에 따르면 이온수지(18)를 통과하여 그 위쪽의 커버캡(24) 내부공간으로 토출된 냉각수의 기포들을 제거하고자, 첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 커버캡(24)의 상단부쪽에 부력에 의하여 외부(외기)와 개폐 작동하는 기포제거수단(30)이 설치된다.
즉, 상기 이온수지(18)를 통과한 냉각수로부터 발생되는 기포를 외부로 배출시키기 위하여, 상기 커버캡(24)의 상단 내면부에 냉각수의 부력에 의하여 하강하면서 외부와 연통되는 작동을 하거나 승강하면서 외부와의 차단 작동을 하는 기포제거수단(30)이 설치된다.
상기 기포제거수단(30)은 그 주된 구성으로서, 커버캡(24)내로 토출되는 냉각수 표면에 플로팅되면서 냉각수위에 의하여 승강 또는 하강 작동을 플로팅 볼(36)을 포함한다.
이때, 기포가 외기로 빠져나가는 출구로서, 커버캡(24)의 상단끝에 기포 배출구(32)가 관통 형성된다.
특히, 상기 플로팅 볼(36)의 승하강시 제위치를 벗어나지 않도록 커버캡(24)의 상단 내부에는 기포 배출구(32) 주변으로부터 하방향(이온수지쪽)으로 연장되는 중공형의 볼 이탈 방지가이드(34)가 일체로 형성된다.
보다 상세하게는, 상기 볼 이탈 방지가이드(34)는 아래쪽에서 위쪽으로 점차 좁아지는 직경을 갖는 중공 구조로서 플로팅 볼(36)이 승하강 가능하게 내재되는 볼 이송 가이드(35)와, 플로팅 바(36)의 하단을 받쳐주도록 볼 이송 가이드(35)의 하단에서 안쪽으로 절곡되어 플로팅 볼(36)의 하방향 이탈을 차단하는 스토퍼(39)로 구성된다.
이때, 상기 볼 이송 가이드(35)의 하단부 및 스토퍼(39)의 전체 표면에 걸쳐 냉각수의 기포가 통과하여 기포 배출구(32)쪽으로 빠져나갈 수 있도록 다수의 기포 통과홀(33)이 관통 형성된다.
한편, 상기 볼 이탈 방지가이드(34)내에 위치되는 플로팅 볼(36)은 첨부한 도 3에서 보듯이, 냉각수 표면에 부력에 의하여 뜰 수 있도록 스틸볼(37)을 부력을 갖는 연성 재질을 감싼 구조, 바람직하게는 스틸볼(37)을 스티로폼(38)으로 감싼 구조로 제작되는 것이 바람직하고, 그 밖에 부력을 제공하기 위한 연성 및 부력이 있는 재질을 사용하여 제작될 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 스택을 순환하며 냉각을 마치고 나온 냉각수가 이온필터(10)의 몸체부(20) 하단에 형성된 냉각수 유입구(20)를 통하여 내부의 이온수지(18)로 들어가게 된다.
이어서, 냉각수가 이온수지(18) 통과하면서 냉각수에 존재하던 금속 이온이 이온수지(18)에 의하여 필터링되고, 필터링된 냉각수가 커버캡(24)의 상부공간으로 토출된다.
이와 동시에, 이온필터(10)가 열 및 물관리 시스템의 구성 중 가장 높은 곳에 배치됨에 따라, 이온수지(18)를 통과한 냉각수에 기포들이 다량 발생하여 커버캡(24)의 상부공간내에 포집되는 상태가 된다.
이때, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 커버캡(24)의 상부공간내에 냉각수의 토출이 아직 이루어지지 않거나 토출된 량이 적은 경우, 플로팅 볼(36)이 자중에 의하여 볼 이탈 방지가이드(34)의 스토퍼(39)까지 내려와 있는 상태가 되고, 이에 커버캡(24)의 상단에 형성된 기포배출구(32)가 플로팅 볼(36)에 의하여 막히지 않고 외기와 통하면서 개방된 상태가 된다
따라서, 커버캡(24)의 상부공간에 포집된 기포들이 볼 이송 가이드(35)의 하단부 및 스토퍼(39)에 형성된 기포 통과홀(33)을 통과하는 동시에 기포 배출구(32)를 통과하여 외부로 용이하게 배출 제거된다.
한편, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 커버캡(24)의 내부공간내에 냉각수 토출량이 많아짐에 따라 냉각수 수위가 상승하게 되면, 부력에 의하여 플로팅 볼(36)이 냉각수면에 떠서 점차 상승하게 된다.
즉, 상기 플로팅 볼(36)이 냉각수 상승에 따라 볼 이탈 방지가이드(34)의 내경면(아래쪽에서 위쪽으로 점차 좁아지는 직경의 내경면)을 따라 승강하게 되어, 볼 이송 가이드(35)의 상단부에 꼭 끼이는 상태가 되면서 커버캡(24)의 상단에 형성된 기포 배출구(32)를 막아주게 된다.
이렇게 플루팅 볼(36)이 냉각수 압력에 의해 기포 배출구(32)을 막아주게 되므로, 냉각수가 외부로 새어나가는 리크 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
이와 같이, 이온필터(10)내의 이온수지(18)를 통과하여 그 상단에 위치된 커버캡(24)의 내부공간에 포집된 냉각수 기포들을 기포 배출구(32)를 통하여 외부로 용이하게 배출 제거할 수 있고, 연이어 기포들이 제거된 냉각수가 커버캡(24)의 냉각수 배출구(26)를 통하여 빠져나가 연료전지 시스템의 냉각루프(스택, 라디에이터 등)를 따라 순환하게 된다.
결국, 실시간으로 기포가 제거된 상태의 냉각수를 냉각루프를 따라 순환시킴에 따라, 연료전지 시스템의 출력 효율 및 방열 효율을 극대화시킬 수 있고, 냉각수 내 기포에 의한 유동 소음 문제 개선할 수 있다.
10 : 이온필터
12 : 연료전지 스택
14 : 냉각펌프
16 : 라디에이터
18 : 이온수지
20 : 몸체부
22 : 냉각수 유입구
24 : 커버캡
26 : 냉각수 배출구
30 : 기포제거수단
32 : 기포 배출구
33 : 기포 통과홀
34 : 볼 이탈 방지가이드
35 : 볼 이송 가이드
36 : 플로팅 볼
37 : 스틸볼
38 : 스티로폼
39 : 스토퍼

Claims (5)

  1. 저부에 냉각수 유입구(22)가 형성되고 내부에는 이온수지(18)가 내장된 이온필터 몸체부(20)를 포함하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치에 있어서,
    상기 이온수지(18)를 통과한 냉각수로부터 발생되는 기포를 외부로 배출시키기 위하여, 상기 이온필터의 상단 내면부에 부력을 이용하여 외부와 개폐되는 기포제거수단(30)을 설치하고,
    상기 기포제거수단(30)은,
    이온필터의 상단끝에 형성되는 기포 배출구(32)와;
    이온필터의 상단 내부에서 기포 배출구(32) 주변에 일체로 형성되는 볼 이탈 방지가이드(34)와;
    볼 이탈 방지가이드(34)내에 위치되어 냉각수에 의하여 플로팅되면서 기포 배출구(32)를 개폐하는 플로팅 볼(36);
    을 포함하여 구성되며,
    상기 볼 이탈 방지 가이드(34)는,
    아래쪽에서 위쪽으로 점차 좁아지는 직경을 갖는 볼 이송 가이드(35)를 포함하고, 이 볼 이송 가이드(35)의 하단부 및 스토퍼(39)의 표면에는 기포 통과홀(33)이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플로팅 볼(36)은 스틸볼(37)을 부력을 갖는 연성재질로 감싼 구조로 제작된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼 이탈 방지 가이드(34)의 볼 이송 가이드(35)의 하단에는 안쪽으로 절곡되어 플로팅 볼(36)의 하방향 이탈을 차단하는 스토퍼(39)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 이온필터의 기포제거장치.
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