KR101459484B1 - 연료 전지용 공기 공급장치 - Google Patents

Abstract

연료 전지용 공기 공급장치가 개시된다. 개시된 연료 전지용 공기 공급장치는 연료전지 스택의 출력에 따라 rpm이 가변되는 공기 공급수단을 통해 공기를 가습기로 공급하고, 가습기에서 가습된 가습 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 전지용 공기 공급장치로서, 공기 공급수단, 가습기 및 연료전지 스택을 연결하는 공기 공급라인 상에서 공기 공급수단의 후단과 연료전지 스택의 전단을 연결하는 바이패스 라인과, 바이패스 라인에 각각 설치되는 체크 밸브 및 개폐 밸브와, 바이패스 라인 상에서 체크 밸브와 개폐 밸브 사이에 설치되며 고압의 공기를 저장하는 공기 저장수단을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지용 공기 공급장치 {AIR SUPPLY DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시예는 연료 전지 차량용 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지(당 업계에서는 "단위 셀" 이라고도 한다)로 공기를 공급하기 위한 연료 전지용 공기 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료 전지로 공기와 수소를 공급하여 그 연료 전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다. 예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

연료 전지 시스템은 연료 전지들이 적층된 스택, 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급장치, 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 그리고 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리 장치를 구비하고 있다.

그리고, 고분자 연료 전지의 경우 이의 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료 전지 시스템에는 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습장치를 구비하고 있다.

한편, 스택의 운전 시 반응기체인 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 스택 내부에 응축수가 축적될 수 있고, 스택의 운전 초기에 반응기체 입구 측에서 과량의 응축수가 발생할 수 있다. 이에, 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철에는 스택 내부의 응축수 결빙으로 연료 전지의 냉 시동이 불가능해진다.

따라서, 겨울철의 연료 전지 냉 시동성을 개선하고 스택 내 응축수의 결빙으로 인한 손상을 방지하기 위해서는 스택의 운전 정지 시 축적된 응축수를 제거해야 한다.

이와 같이 스택 내부에 축적된 응축수를 효과적으로 제거하기 위해서는 건조한 공기를 스택으로 공급하는 것이 바람직하나, 공기가 가습기를 거쳐 스택으로 공급되기 때문에 현실적으로는 건조한 공기를 스택으로 공급하는 것이 쉽지 않은 실정이다.

한편, 연료전지 스택의 운전 시, 공기가 기준 유량 보다 적은 유량으로 스택에 공급되는 경우에는 연료전지 스택의 셀 빠짐 현상을 일으키고, 응축수 쏠림에 의한 플러딩(flooding) 현상을 유발할 수 있다.

상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위해 종래 기술에서는 공기 공급수단 예컨대 공기 블로워 및/또는 에어 컴프레셔의 운전을 가변하여 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유량을 증대시키고 있으나, 이는 필요 이상으로 많은 양의 연료전지 파워를 소모하므로 연료전지 시스템의 성능 효율을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있고, 공기 공급수단의 응답 속도가 느리다는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예들은 겨울철 냉 시동성을 개선할 수 있고, 연료전지 스택의 셀 빠짐 발생 시 응축수 쏠림에 의한 플러딩 현상을 방지할 수 있도록 차량의 급 가속, 연료 전지 스택의 성능 저하, 시동 및 정지 시 상대적으로 건조한 공기를 빠른 응답 속도로서 연료전지 스택에 공급할 수 있도록 한 연료 전지용 공기 공급장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치는, 연료전지 스택의 출력에 따라 rpm이 가변되는 공기 공급수단을 통해 공기를 가습기로 공급하고, 상기 가습기에서 가습된 가습 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 전지용 공기 공급장치로서, 공기 공급수단, 가습기 및 연료전지 스택을 연결하는 공기 공급라인 상에서 상기 공기 공급수단의 후단과 연료전지 스택의 전단을 연결하는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인에 각각 설치되는 체크 밸브 및 개폐 밸브와, 상기 바이패스 라인 상에서 상기 체크 밸브와 개폐 밸브 사이에 설치되며 고압의 공기를 저장하는 공기 저장수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서, 상기 공기 공급수단은 공기 블로워 및 에어 컴프레셔 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고출력 운전 시, 상기 공기 공급수단은 고압의 공기를 상기 가습기로 공급하고, 상기 공기 저장수단에는 상기 체크 밸브를 통해 고압의 공기가 저장될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서, 상기 개폐 밸브는 상기 공기 저장수단과 연료전지 스택을 연결하는 유로를 선택적으로 개폐할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서, 상기 공기 저장수단은 공기를 고압으로 저장하는 가스 실린더로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치는, 연료 전지 차량의 연료 전지 시스템에 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서, 상기 공기 저장수단은 차량의 급 가속, 연료 전지 스택의 성능 저하, 시동 및 정지 시에 고압의 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 공기 저장수단에 저장된 고압의 공기를 필요에 따라 순간적으로 연료전지 스택에 분사할 수 있으므로, 겨울철 냉 시동성을 개선할 수 있고, 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 셀 빠짐 발생 시 응축수 쏠림에 의한 플러딩 현상을 방지할 수 있고, 연료 전지 시스템의 전반적인 운전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치의 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.

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.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치(100)는 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 생산된 전기 에너지로서 연료 전지 차량의 전기 모터를 구동시키는 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 연료 전지 시스템은 다수 매의 단위 셀들(연료 전지들)이 적층된 연료전지 스택(1)과, 그 연료전지 스택(1)으로 공기를 공급하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급장치(100) 및 연료전지 스택(1)으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 공급장치(도면에 도시되지 않음)를 포함하고 있다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급장치(100)는 기본적으로 공기 공급수단(3)과 가습기(5)를 포함하고 있다.

상기 공기 공급수단(3)은 대기 중의 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급하기 위한 것으로서, 차량에 구비된 고전압의 메인 배터리로부터 전원을 인가받아 구동한다.

이 경우, 상기 공기 공급수단(3)은 연료전지 스택(1)의 출력에 따라 rpm이 가변될 수 있다. 즉, 연료전지 스택(1)이 고 출력 운전을 하게 되면 공기 공급수단(3)은 고 rpm으로 작동하여 고압의 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.

상기한 바와 같은 공기 공급수단(3)은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 공기 블로워 또는 에어 컴프레셔를 포함할 수 있으며, 공기 블로워 및 에어 컴프레셔를 모두 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 가습기(5)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기와 공기 공급수단(3)으로부터 공급되는 건조 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.

상기에서와 같은 공기 공급수단(3) 및 가습기(5)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 공기 공급원 및 가습장치로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 공기 공급장치(100)는 겨울철 냉 시동성을 개선할 수 있고, 연료전지 스택의 셀 빠짐 발생 시 응축수 쏠림에 의한 플러딩(flooding) 현상을 방지할 수 있도록 차량의 급 가속, 연료 전지 스택의 성능 저하, 시동 및 정지 시 상대적으로 건조한 공기를 빠른 응답 속도로서 연료전지 스택(1)에 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(1)의 출력에 따른 공기 가변압 운전을 응용하여 겨울철 연료전지 스택(1)의 냉 시동 개선을 위해 스택 내부의 응축수를 제거하거나 연료전지 스택(1)의 셀 빠짐이 발생하는 등의 필요에 따라 고압의 공기를 연료전지 스택(1)으로 직접 분사할 수 있는 연료 전지용 공기 공급장치(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치(100)는 바이패스 라인(10), 체크 밸브(30), 개폐 밸브(50) 그리고 공기 저장수단(70)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 바이패스 라인(10)은 공기 공급수단(3), 가습기(5) 및 연료전지 스택(1)을 연결하는 공기 공급라인(7) 상에서 공기 공급수단(3)의 후단과 연료전지 스택(1)의 전단을 연결하고 있다.

상기 체크 밸브(30)는 바이패스 라인(10)에 설치되며, 공기 공급수단(3)으로부터 공급되는 공기의 설정된 압력 이상에서 밸브체가 작동하여 바이패스 라인(10)의 유로을 개방하고, 공기의 압력이 설정 압력 미만인 경우 밸브체가 스프링에 의해 원상 복귀되며 바이패스 라인(10)의 유로를 폐쇄하는 기능을 하게 된다.

상기 개폐 밸브(50)는 바이패스 라인(10)에서 체크 밸브(30)의 후단 측에 설치되며, 전기적인 제어 신호에 의해 뒤에 더욱 설명될 공기 저장수단(70)과 연료전지 스택(1)을 연결하는 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 예를 들면, 개폐 밸브(50)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공기 저장수단(70)은 연료전지 스택(1)의 고출력 운전 시, 고 rpm으로 운전하는 공기 공급수단(3)을 통해 고압의 공기를 가습기(5)로 공급할 때, 체크 밸브(30)의 밸브체 작동으로 그 고압의 공기 일부를 바이패스 라인(10)을 통해 저장할 수 있는 구조로 이루어진다.

이러한 공기 저장수단(70)은 바이패스 라인(10)에서 체크 밸브(30)와 개폐 밸브(50) 사이에 설치되며, 공기를 고압으로 저장하는 가스 실린더로서 구비될 수 있다.

여기서, 상기 공기 저장수단(70)으로서의 가스 실린더는 고압의 공기를 압축 저장할 수 있는 통상적인 구조의 가스 실린더 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치(100)에 의하면, 도 2에서와 같이 연료전지 스택(1)의 정상 운전 시 공기 공급수단(3)을 통해 공기를 가습기(5)로 공급하고, 그 가습기(5)에서 가습된 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급한다.

여기서, 체크 밸브(30)는 바이패스 라인(10)의 유로를 폐쇄한 상태에 있으며, 개폐 밸브(50)는 공기 저장수단(70)과 연료전지 스택(1)을 연결하는 유로를 폐쇄한 상태에 있다.

이와 같은 상태에서 도 3에서와 같이, 연료전지 스택(1)의 고 출력 운전 시, 공기 공급수단(3)은 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 고 rpm으로 운전을 하며 고압의 공기를 가습기(5)로 공급하고, 가습기(5)에서는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기와 공기 공급수단(3)으로부터 공급되는 건조 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급한다.

상기한 과정에 체크 밸브(30)는 공기의 설정된 압력 이상에서 밸브체가 작동하여 바이패스 라인(10)의 유로을 개방한다. 그러면, 공기 공급수단(3)을 통해 가습기(5)로 공급되는 고압의 공기 일부는 바이패스 라인(10)을 통해 공기 저장수단(70)에 저장될 수 있다. 이 때 개폐 밸브(50)는 공기 저장수단(70)과 연료전지 스택(1)을 연결하는 유로를 폐쇄한 상태에 있다.

한편, 겨울철 연료전지 스택(1)의 냉 시동 개선을 위해 스택 내부의 응축수를 제거하거나 연료전지 스택(1)의 셀 빠짐이 발생하는 경우, 즉 차량의 급 가속, 연료 전지 스택의 성능 저하, 시동 및 정지 시, 본 발명의 실시예에서는 도 4에서와 같이 제어기를 통해 개폐 밸브(50)에 전기적인 제어 신호를 인가하게 되면, 그 개폐 밸브(50)는 공기 저장수단(70)과 연료전지 스택(1)을 연결하는 유로를 개방한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같이 개폐 밸브(50)를 통해 공기 저장수단(70)과 연료전지 스택(1)을 연결하는 유로를 개방하게 되면, 그 공기 저장수단(70)에 저장된 고압의 공기(건조한 공기)를 연료전지 스택(1)으로 직접 분사할 수 있게 된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 공기 공급장치(100)에 의하면, 공기 저장수단(70)에 저장된 고압의 공기를 필요에 따라 공기 공급수단(3) 보다 빠른 응답 속도로 건조한 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 공기 저장수단(70)에 저장된 고압의 공기를 순간적으로 연료전지 스택(1)에 공급(분사)할 수 있으므로, 겨울철 냉 시동성을 개선할 수 있고, 연료전지 스택(1)의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 셀 빠짐 발생 시 응축수 쏠림에 의한 플러딩 현상을 방지할 수 있고, 더 나아가 연료 전지 시스템의 전반적인 운전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 연료전지 스택
3... 공기 공급수단
5... 가습기
7... 공기 공급라인
10... 바이패스 라인
30... 체크 밸브
50... 개폐 밸브
70... 공기 저장수단

Claims (6)

1. 연료전지 스택의 출력에 따라 rpm이 가변되는 공기 공급수단을 통해 공기를 가습기로 공급하고, 상기 가습기에서 가습된 가습 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 전지용 공기 공급장치에 있어서,
   공기 공급수단, 가습기 및 연료전지 스택을 연결하는 공기 공급라인 상에서 상기 공기 공급수단의 후단과 연료전지 스택의 전단을 연결하는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인에 각각 설치되는 체크 밸브 및 개폐 밸브와, 상기 바이패스 라인 상에서 상기 체크 밸브와 개폐 밸브 사이에 설치되며 고압의 공기를 저장하는 공기 저장수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 공급수단은 공기 블로워 및 에어 컴프레셔 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 연료전지 스택의 고출력 운전 시,
   상기 공기 공급수단은 고압의 공기를 상기 가습기로 공급하고, 상기 공기 저장수단에는 상기 체크 밸브를 통해 고압의 공기가 저장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 개폐 밸브는 상기 공기 저장수단과 연료전지 스택을 연결하는 유로를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.
5. 제1 항 내지 제4 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
   상기 공기 저장수단은 공기를 고압으로 저장하는 가스 실린더로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.
6. 제1 항 내지 제4 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
   상기 연료 전지용 공기 공급장치는 연료 전지 차량의 연료 전지 시스템에 구성되며,
   상기 공기 저장수단은 차량의 급 가속, 연료 전지 스택의 성능 저하, 시동 및 정지 시에 고압의 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 공기 공급장치.

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