KR101558587B1 - 연료전지 차량용 워터트랩 장치 - Google Patents

연료전지 차량용 워터트랩 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 센서 장착부위의 기밀 불량으로 인한 워터트랩 누설의 위험을 해소하면서 워터트랩의 액적 및 진동 등에 의해 발생하던 수위센서의 오인식을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 스택에서 생성된 물을 저장하는 워터트랩과, 상기 워터트랩 내 수위 감지를 위한 수위센서와, 상기 워터트랩에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 상기 수위센서로서 물과 공기의 비유전율 차이를 이용하여 워터트랩 내 물을 감지하는 비접촉식의 정전용량형 수위센서가 워터트랩의 외부에 장착되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치가 개시된다.
연료전지, 스택, 응축수, 워터트랩, 수위센서, 정전용량형 센서, 비접촉식, 근접센서, 배출밸브, 솔레노이드 밸브, 오인식 방지

Description

연료전지 차량용 워터트랩 장치{Water trap system for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 생성된 물을 저장하는 워터트랩과, 상기 워터트랩 내 수위 감지를 위한 수위센서와, 상기 워터트랩에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합 체(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. 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.
첨부한 도 1은 종래의 워터트랩 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 워터트랩 장치의 개략도로서, 수위센서 의존형 제어 방식의 배출 시스템을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 워터트랩 장치는 물이 저장되는 워터트랩(30), 워터트랩(30) 내 수위 감지를 위한 광학식 수위센서(31a,31b), 워터트랩(30)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브(32)를 주된 구성으로 한다.
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 애노드의 물을 배출하기 위해 스택(10) 하부에 워터트랩(30)을 설치하여 주기적으로 물을 배출해주는데, 애노드에서 발생한 물을 워터트랩(30)에 저장한 뒤 일정량 이상의 물이 채워지면 외부로 배출하고 있다.
이때, 워터트랩(30)에는 애노드에서 나온 혼합가스(H2 포함)로부터 물이 분 리되어 모이게 되며, 액적이 제거된 혼합가스는 수소 재순환 블로워(20)에 의해 재순환되어 수소탱크로부터 공급된 수소와 섞인 뒤 스택(10)에 재투입된다.
워터트랩(30)에 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥 쪽의 배출밸브(32)가 열리면서 물의 배출이 이루어진다. 워터트랩(30) 상, 하 위치에 수위센서(31a,31b)가 장착되어, 상위 수위센서(31a)가 동작(물 감지)하면 워터트랩(30)에 물이 찬 것으로 판단하여 배출밸브(32)를 개방한다. 이후 수위가 내려가서 하위 수위센서(32b)가 동작(드라이 상태 감지)하면 수위가 안전한 레벨까지 내려간 것으로 판단하여 배출밸브(32)를 닫는다. 이러한 배출밸브(32)의 제어시에 중요한 전제 조건은 수소는 최대한 배출하지 않으면서 물만 배출하는 것이다.
하지만 종래의 워터트랩 장치에서는 수위센서로 광학식 수위센서가 사용됨에 따라 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, 애노드 워터트랩은 수소 가스가 지나가는 통로이기 때문에 기밀이 매우 중요하다. 특히, 광학식 수위센서의 경우 접촉식 타입이므로 항상 누설의 가능성이 존재하여 조립시 유의해야 한다. 즉, 발광부와 수광부가 워터트랩 내부로 삽입되어 물과 직접 접촉되어야 하므로 수위센서가 삽입된 워터트랩 부위에서 누설의 가능성이 있는 것이다. 통상 테플론 테이프로 수회 감은 후 워터트랩 측방에 가공된 홀에 삽입하여 기밀을 유지하게 된다.
오인식의 문제로서, 첨부한 도 3은 광학식 수위센서의 동작원리를 설명하기 위한 도면으로, 광학식 수위센서는 빛의 굴절원리를 이용하여 동작하는 방식이다. 센싱부는 빛을 발산하는 발광부와 그 빛을 수신하는 수광부를 가지며, 발광부에서 수광부로 빛이 굴절될 수 있도록 프리즘 구조로 되어 있고, 물이 있을 때와 없을 때의 광도 차이를 구분하여 워터트랩 내 물의 존재 유무를 판단하게 된다.
즉, 센싱부에 물이 없는 경우 발광부를 통해 발산된 빛의 대부분이 수광부로 들어오지만, 물이 있을 경우 산란되어 나가는 빛에 의해 수광부에 수신되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 이러한 원리를 이용하여 물의 존재 유무를 판단하게 된다. 그 결과 다음과 같은 오인식 가능성이 존재한다.
1) 액적에 의한 오인식 : 워터트랩은 연료전지에서 발생하는 물과 재순환되는 수소 가스, 수증기가 지나가는 통로이다. 그렇기 때문에 액적들이 워터트랩 내 벽면을 타고 수위센서 측으로 흘러내릴 가능성이 매우 높으며, 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같이 액적이 센싱부(발광부 및 수광부)에 맺히거나 벽면에서 흘러내릴 경우 물이 있는 것으로 오인식할 수 있다. 실제 차량 운행시에 하위 수위센서에서 물을 감지하지 않고 있는데도 상위 수위센서에서 액적에 의해 물을 감지하는 사례가 종종 발생하고 있다. 첨부한 도 5는 물이 없음을 나타내는 신호가 출력되어야 하나(5V) 액적에 의해 물이 있음을 오인식(0V)하게 되는 예를 보여주고 있다.
이렇게 광학식 수위센서의 경우 센싱부에 형성된 습기만으로 물을 감지하는 오동작이 문제가 되고 있다. 물에 잠기지는 않았지만 센싱부에 습기가 존재하면 물에 잠긴 것으로 오동작하는 것이다. 광학식 수위센서는 드라이(Dry) 상태(물이 없는 상태)에 대해서는 정확히 감지하는 특성이 있으나, 물을 감지한 상태(Wet 상태)가 실제 물속에 잠겨 있는 것인지 아니면 단순히 수분이 묻어 있는 것인지 알 수 없다.
2) 진동에 의한 오인식 : 광학식 수위센서의 경우 진동에 의한 워터트랩 내 응축수의 출렁임에 의해 수위가 검출수위 근방에서 지속적으로 움직이며, 진동으로 인해 응축수가 센싱부에 일시적으로 접촉됨으로써 오인식할 가능성이 있다. 즉, '현 수위 < 검출수위'임에도 출렁임에 의한 오인식이 발생하며, 이때 물이 없다 라고 출력신호를 내보내야 하나 물이 있다고 내보내는 경우가 발생한다. 또한 '현 수위 ≥ 검출수위'임에도 출렁임에 의한 오인식이 발생하며, 이때 물이 있다 라고 출력신호를 내보내야 하나 물이 없다고 내보내는 경우가 발생한다. 첨부한 도 6과 도 7은 진동에 의한 광학식 수위센서의 오인식을 설명하기 위한 도면으로, 도 6의 경우 현 수위가 검출수위 이상(현 수위 ≥ 검출수위)임에도 진동시 출렁임에 의해 수위센서에 물이 접촉하지 않음을 보여주고 있다. 이렇게 물이 검출수위 이상임에도 수위센서가 물이 없다고 인식할 수 있으며, 도 7은 물이 있음을 나타내어야 하나(0V) 출렁임에 의해 주기적으로 물이 없음을 나타내는 신호(5V)가 출력됨을 보여주고 있다.
3) 저온 방치시 오인식 : 차량이 저온에서 방치된 후 운전 초기에 센서 발광부 혹은 수광부에 맺혀 있는 아이스 상태의 물에 의해 실제 물이 없는데도 물이 있다 라고 오인식할 가능성이 있다. 그리고, 운전 초기시 내부 표면에 아이스 상태의 물이 해빙되면서 흘러내릴 경우 액적들에 의해 센서가 오인식할 가능성이 있다.
수위센서의 오동작시 문제점으로서, 물이 워터트랩에 일정 수준 채워지지 않은 상태에서 배출밸브가 오동작하면 응축수보다 수소를 배출하는 경우가 많아지게 된다. 워터트랩에서 수소 배출에 따른 문제점은 수소 이용률의 저하를 들 수 있 으며, 연료인 수소를 불필요하게 배출하면 주행거리 및 연비에 악영향을 주게 된다. 또한 수소 배출시 수소 센서의 작동에 따라 시스템이 강제로 셧다운될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 센서 장착부위의 기밀 불량으로 인한 워터트랩 누설의 위험을 해소하면서 워터트랩의 액적 및 진동 등에 의해 발생하던 수위센서의 오인식을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택에서 생성된 물을 저장하는 워터트랩과, 상기 워터트랩 내 수위 감지를 위한 수위센서와, 상기 워터트랩에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 상기 수위센서로서 물과 공기의 비유전율 차이를 이용하여 워터트랩 내 물을 감지하는 비접촉식의 정전용량형 수위센서가 워터트랩의 외부에 장착되어 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 워터트랩은 플라스틱을 재질로 하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 상기한 과제 해결 수단을 통해 다음과 같은 효과가 있게 된다.
1) 워터트랩의 외부에 장착되는 비접촉식 타입의 센서를 사용함으로써 누설 의 위험성이 제거될 수 있다. 센서를 볼트 등의 체결수단을 이용해 워터트랩의 외부에 쉽게 고정할 수 있으므로 조립작업의 시간 단축이 가능함은 물론 작업성이 향상될 수 있다.
2) 액적에 의한 오인식 방지 : 센서가 워터트랩 외부에 장착되기 때문에 워터트랩 내부 벽면을 따라 흐르는 액적이나 응축수에 의해서는 오인식을 하지 않는다.
3) 진동에 의한 오인식 최소화 : 정전용량형 센서의 경우, 진동에 의한 응축수의 출렁임에 의해 현 수위가 검출수위 미만일 경우에는 간헐적으로 오인식을 할 수 있지만, 검출수위 이상에서는 오인식을 하지 않는 특성을 가진다. 즉, 진동에 의한 출렁임으로 순간적인 '현 수위 ≥ 검출수위'인 경우에는 물이 있다 라고 오인식하지 않고 물이 없다 라는 정상적인 신호를 지속적으로 출력하게 된다.
4) 저온 방치시 오인식 방지 : 비접촉식 센서가 적용되기 때문에 센서 표면에 아이스 결빙이 일어날 수 없으므로 그로 인한 오인식 가능성이 없고, 워터트랩 내부 표면에 결빙되어 있는 소량의 물에 의해 센서가 동작하지 않으므로 차량이 저온에서 방치된 후 운전하는 경우에서 아이스 상태의 물에 의해 오인식할 가능성이 없다.
5) 워터트랩을 플라스틱으로 제작하고, 정전용량형 수위센서를 사용하므로, 경량화 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료전지 시스템에서 생성되는 응축수를 제거하기 위해 장착되는 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 종래의 금속재 워터트랩 대신 플라스틱 재질의 워터트랩을 사용하고, 특히 정확한 수위 감지 및 배출 제어를 위해, 수위센서를 물에 직접적으로 접촉시키는 종래의 접촉식 수위센서(광학식 수위센서) 대신, 워터트랩의 외부에 장착되는 비접촉식 수위센서를 사용하여, 수위센서 장착부위의 기밀 불량 및 그로 인한 워터트랩 누설의 위험을 방지하고, 진동 및 액적에 의한 오인식을 최소화할 수 있도록 구성한 것에 특징이 있는 것이다.
본 발명에서 비접촉식 수위센서로는 근접센서인 정전용량형 센서가 사용되며, 정정용량형 센서를 사용하게 되면 액적 및 진동에 의한 오인식, 특히 실제 수위가 검출수위 이상일 때의 오인식이 방지될 수 있는 장점이 있다.
첨부한 도 8과 도 9는 본 발명에 따른 워터트랩 장치를 도시한 사시도로서, 도 8은 수위센서가 장착된 부분을, 도 9는 배출밸브가 장착된 부분을 보여주는 사시도이다.
또한 첨부한 도 10은 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 정전용량형 수위센서의 작동원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 배출밸브의 장착구조를 도시한 분리 사시도이다.
또한 첨부한 도 12는 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 배출밸브의 장착구조를 도시한 단면도이고, 도 13과 도 14는 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 액적 과 진동에 의한 오인식이 방지될 수 있음을 설명하기 위한 단면도이다.
우선, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 워터트랩 장치(100)에서는 워터트랩(110) 내 수위 감지 및 배출 제어를 위한 수위센서로서 워터트랩(110)의 측방 외부에 정전용량형 센서(120a,120b)가 장착된다.
상기 정전용량형 센서(120a,120b)는 종래의 광학식 수위센서를 대체하는 것으로서, 배출 제어를 위한 제어 알고리즘, 즉 배출밸브(솔레노이드 밸브)(130)의 개폐 작동을 제어하기 위한 알고리즘(수위센서 의존형 방식 또는 전류적산 제어 방식)은 동일하게 적용될 수 있다. 또한 도시한 실시예에서는 상위 수위센서와 하위 수위센서로서 상, 하 위치에 각각 1개씩 총 2개의 정전용량형 센서(120a,120b)가 장착됨을 보이고 있으나, 1개의 광학식 수위센서가 장착된 종래의 워터트랩 장치와 마찬가지로 정전용량형 센서 1개만을 장착하여 워터트랩 장치를 구성할 수도 있다.
상기 정전용량형 수위센서(120a,120b)는, 워터트랩 내에 삽입되는 접촉식의 광학식 수위센서와는 달리, 워터트랩(110)의 외부에 장착되는 근접센서로서, 워터트랩(110) 내에 존재하는 물을 비접촉식으로 감지하며, 워터트랩 내 검출높이에 존재하는 다량의 물에 대해서는 물이 있는 것으로 감지하나, 검출위치에 존재하는 종래와 같은 액적(습기)이나 진동시 출렁임에 의해 검출높이에 일시적으로 도달한 물에 대해서는 물이 있는 것으로 감지하지 않는다.
본 발명의 워터트랩 장치(100)에서 정전용량형 수위센서(120a,120b)는 물의 비유전율과 공기의 비유전율 차이를 이용해 물의 존재 유무를 확인하게 되며, 정전 용량형 수위센서의 적용을 위해 워터트랩(110)의 재질로 종래의 금속 소재(SUS 등) 대신 플라스틱 소재가 사용된다. 플라스틱으로 제작된 워터트랩(110)이 사용되고, 이 플라스틱 워터트랩(110)에 정전용량형 수위센서(120a,120b)가 장착되는 것이다. 워터트랩(110)을 플라스틱으로 제작하고 정전용량형 수위센서(120a,120b)를 사용하는 경우, 경량화 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
정전용량형 수위센서는 워터트랩이 종래와 같은 금속 재질이라면 적용하기에 어려움이 있으며, 금속 재질에 적용은 가능하나 센서로부터의 이격거리 등 사용을 위해 고려해야 할 부분이 상당히 많아진다.
본 발명에서 정전용량형 수위센서(120a,120b)는 워터트랩(110)의 두께를 고려하여 센싱감도 및 커패시턴스의 값이 설정되어야 하는데, 예컨대, 워터트랩의 두께를 2.0 ~ 3.5 mm의 두께로 제작한 뒤, 2.0 ~ 3.5 mm 두께의 플라스틱 재질은 미감지하고 그 내부의 물만 감지하도록 정전용량형 수위센서의 센싱감도 및 커패시턴스 값을 설정할 수 있다.
도 10을 참조하여 정전용량형 수위센서의 작동원리에 대해 상술하기로 한다.
정전용량형 센서는 정전유도현상을 이용하는 것으로, 극판에 (+) 전압을 인가하면, 극판 면에는 (+) 전하가, 대지쪽에는 (-) 전하가 발생하면서 극판과 대지 사이에 전계가 형성된다.
이때, 물체가 극판쪽으로 접근하면 정전유도를 일으켜, 물체 내부에 있는 전하들이 극판쪽으로는 (-) 전하가, 반대쪽으로는 (+) 전하가 이동하게 된다. 이러한 현상을 분극현상이라 한다.
물체가 극판에서 멀어지면 분극현상이 약해져서 정전용량이 적어지고(도 10의 (a)), 반대로 극판쪽으로 접근하면 분극현상이 커지면서 극판 면의 (+) 전하가 증가하여 정전용량이 커지는데(도 10의 (b)), 이 변화량을 검출하여 물체의 유무를 판단하게 된다.
정전용량은 비유전율과 극판의 면적에 비례하고 극판의 간격에 반비례하는 특성을 지니므로, 이러한 원리를 이용하면 워터트랩(110) 내 수위를 감지할 수 있다.
본 발명의 워터트랩 장치(100)에서 플라스틱으로 제작된 워터트랩(110)에 정전용량형 수위센서(120a,120b)를 장착하고 전원을 인가하면, 상기 정전용량형 수위센서(120a,120b)는 비유전율이 낮은 플라스틱은 검출하지 않는다. 하지만, 워터트랩(110) 내에서 비유전율이 큰 응축수가 센서의 검출위치까지 축적되어 올라오면, 정전용량형 수위센서(120a,120b)는 물이 있다는 신호를 출력하게 된다.
본 발명의 워터트랩 장치(100)에서 상기 정전용량형 수위센서(120a,120b)는 비유전율을 기준으로 플라스틱과 공기는 검출하지 않고 순수한 물만을 검출할 정도의 비유전율 센싱 범위를 가지도록 설계되어 장착된다. 비유전율은 물질의 유전율과 공기의 유전율의 비(比)로서, 공기는 1, 플라스틱은 2 ~ 3, 물은 80 정도인 것으로 알려져 있다.
본 발명의 워터트랩 장치는 상기한 정전용량형 수위센서를 사용함으로써 다음과 같은 장점이 있게 된다.
1) 워터트랩(110)의 외부에 장착되는 비접촉식 타입의 센서를 사용함으로써 누설의 위험성이 제거될 수 있다. 센서를 볼트 등의 체결수단을 이용해 워터트랩의 외부에 쉽게 고정할 수 있으므로 조립작업의 시간 단축이 가능함은 물론 작업성이 향상될 수 있다. 종래의 광학식 수위센서는 워터트랩 내부로 수평하게 삽입하여 장착하였기 때문에 누설의 위험성이 상존하였다.
2) 액적에 의한 오인식 방지 : 센서가 워터트랩(110) 외부에 장착되기 때문에 워터트랩 내부 벽면을 따라 흐르는 액적이나 응축수에 의해서는 오인식을 하지 않는다(도 5 및 도 13 참조). 정전용량형 센서(120a,120b)가 작동하기 위해서는 센서로부터 특정 거리 이내에 일정량 이상의 물이 존재해야 하기 때문이다. 종래의 광학식 수위센서는 워터트랩 입구에서 흘러내리는 응축수에 의한 오인식의 가능성이 있다.
3) 진동에 의한 오인식 최소화 : 정전용량형 센서(120a,120b)의 경우, 진동에 의한 응축수의 출렁임에 의해 현 수위가 검출수위 미만일 경우에는 간헐적으로 오인식을 할 수 있지만, 검출수위 이상에서는 오인식을 하지 않는 특성을 가진다. 즉, '현 수위 < 검출수위'일 때는 정전용량형 센서의 경우도 오인식을 할 수 있으며, 물이 없다 라고 출력신호를 내보내야 하나 물이 있다 라고 출력신호를 내보내는 경우가 발생한다. 반면, 진동에 의한 출렁임으로 순간적인 '현 수위 ≥ 검출수위'인 경우에는 물이 있다 라고 오인식하지 않고 물이 없다 라는 정상적인 신호를 지속적으로 출력한다(도 6 및 도 14 참조). 진동시 현 수위가 일시적으로 검출수위 이상이 되었을 경우에 오인식이 절대 발생하지 않으므로, 이러한 특성을 이용하여 수위 제어로직을 구성하게 되면 오인식 가능성을 제거할 수 있다.
4) 저온 방치시 오인식 방지 : 비접촉식 센서가 적용되기 때문에 센서 표면에 아이스 결빙이 일어날 수 없으므로 그로 인한 오인식 가능성이 없고, 워터트랩(110) 내부 표면에 결빙되어 있는 소량의 물에 의해 센서가 동작하지 않으므로 차량이 저온에서 방치된 후 운전하는 경우에서 아이스 상태의 물에 의해 오인식할 가능성이 없다.
한편, 본 발명에서는 누설의 위험성 및 액적에 의한 오인식 가능성을 제거하기 위해 정전용량형 수위센서(120a,120b)가 사용되므로, 플라스틱 소재로 성형하여 제작된 워터트랩(110)이 사용되고, 워터트랩(110) 외부에 정전용량형 수위센서(120a,120b)와 배출밸브(솔레노이드 밸브)(130)를 장착하기 위한 구조가 구비된다.
플라스틱으로 제작되는 워터트랩(110)은 성형이 용이하므로 정전용량형 수위센서(120a,120b)와 배출밸브(130)가 장착되는 부위를 센서와 밸브의 형상에 맞추어 최적의 형상으로 성형할 수 있다.
우선, 도 9에서 도면부호 111과 112는 체결부로서, 워터트랩(110) 상단 입구의 체결부(111)를 스택 매니폴드 또는 공용분배기의 하측에 볼트로 체결하며, 측방의 체결부(112)를 스택 인클로져 하측 측단에 볼트로 체결하여, 워터트랩 장치(100)를 고정한다.
또한 플라스틱 소재 적용에 따른 강성 보강을 위해, 워터트랩(110)에서 차량 또는 스택(스택 매니폴드 또는 공용분배기)측과 연결되는 부위의 외부 표면에 리브(113)를 돌출 형성시킨다. 또한 워터트랩(110)에서 진동용착 공정이 적용되는 부위에도 리브를 돌출 형성시킬 수 있다.
그리고, 워터트랩(110)에 배출밸브(130)를 장착하기 위해, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 물이 배출되는 워터트랩(110) 하단의 출구부(114)에 물 배출통로(140a)가 형성된 플러그(140)를 매개로 배출밸브(솔레노이드 밸브)(130)의 밸브 바디(131)를 고정하는데, 플러그(140)는 워터트랩 출구부(114)의 장착단(115)에 체결되는 판상의 체결부(141)와, 배출밸브(130)의 밸브 바디(131) 입구에 삽입되어 연결되는 관상(管狀)의 밸브 연결부(142)가 일체로 된 구조를 가진다.
상기 플러그(140)의 체결부(141)에는 체결홀(141a)이 형성되어, 이 체결홀(141a)과 워터트랩 출구부(114)의 장착단(115)에 형성된 체결홀(115a)에 볼트(또는 나사, 스크류)를 체결함으로써, 플러그(140)가 워터트랩(110)에 고정된다. 상기 플러그(140)의 체결부(141)와 워터트랩(110)의 출구부(114) 사이에는 O-링(143)을 개재하여 기밀을 유지한다.
또한 플러그(140)의 밸브 연결부(142)는 밸브 바디(131) 입구 내측으로 끼워져 연결되는 부분으로, 플러그(140)의 밸브 연결부(142)와 밸브 바디(131) 입구단 사이에도 O-링(144)을 개재하여 기밀을 유지한다.
또한 배출밸브(130) 상측의 솔레노이드부(132)는 지지브라켓(133)을 이용해 워터트랩(110) 외부에 고정되는데, 워터트랩(110) 외부 대응부위에 도 11에 나타낸 바와 같이 지지부(116)가 돌출 형성되고, 상기 지지부(116)에 솔레노이드부(132)를 안착시킨 상태에서, 도 9에 나타낸 바와 같이 솔레노이드부(132)를 둘러싸도록 조립되는 지지브라켓(133)을 상기 지지부(116)에 볼트(134)(또는 나사, 스크류)로 체 결함으로써, 배출밸브(130)의 솔레노이드부(132)가 워터트랩(110) 외부에 고정된다.
도 1은 종래의 워터트랩 장치를 도시한 사시도,
도 2는 종래의 워터트랩 장치의 개략도,
도 3은 광학식 수위센서의 동작원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 종래의 워터트랩 장치에서 액적으로 인한 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 5는 종래의 워터트랩 장치에서 액적에 의해 오인식이 발생하는 예를 나타낸 도면,
도 6과 도 7은 진동에 의한 광학식 수위센서의 오인식을 설명하기 위한 도면,
도 8과 도 9는 본 발명에 따른 워터트랩 장치를 도시한 사시도,
도 10은 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 정전용량형 수위센서의 작동원리를 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 배출밸브의 장착구조를 보여주는 분리 사시도,
도 12는 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 배출밸브의 장착구조를 도시한 단면도,
도 13과 도 14는 본 발명에 따른 워터트랩 장치에서 액적과 진동에 의한 오인식이 방지될 수 있음을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 워터트랩 장치 110 : 워터트랩
111, 112 : 체결부 113 : 리브
114 : 출구부 115 : 장착단
116 : 지지부 120a, 120b : 정전용량형 수위센서
130 : 배출밸브 131 : 밸브 바디
132 : 솔레노이드부 133 : 지지브라켓
140 : 플러그 141 : 체결부
142 : 밸브 연결부 143, 144 : O-링

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 연료전지 스택에서 생성된 물을 저장하는 워터트랩(110)과, 상기 워터트랩(110) 내 수위 감지를 위한 수위센서(120a,120b)와, 상기 워터트랩(110)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브(130)를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치(100)에 있어서,
    상기 수위센서(120a,120b)로서 물과 공기의 비유전율 차이를 이용하여 워터트랩(110) 내 물을 감지하는 비접촉식의 정전용량형 수위센서가 워터트랩(110)의 외부에 장착되어 구성되고,
    상기 워터트랩(110)은 플라스틱을 재질로 하여 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 워터트랩(110)에서 차량 또는 스택측과 연결되는 부위의 외부 표면에 보강을 위한 리브(113)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배출밸브(130)는 그 밸브 바디(131)가 물 배출통로(140a)가 형성된 플러그(140)를 매개로 하여 워터트랩(110)의 출구부(114)에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플러그(140)는 워터트랩(110)의 출구부 장착단(115)에 체결되는 판상의 체결부(141)와, 상기 배출밸브(130)의 밸브 바디(131) 입구에 삽입되어 연결되는 관상의 밸브 연결부(142)가 일체로 된 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 플러그(140)의 체결부(141)와 워터트랩(110)의 출구부(114) 사이에는 O-링(143)이 개재되어 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 플러그(140)의 밸브 연결부(142)와 밸브 바디(131) 입구단 사이에 O-링(144)이 개재되어 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  8. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 배출밸브(130)는 솔레노이드부(132)가 지지브라켓(133)에 의해 워터트랩(110)의 외부에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 솔레노이드부(132)는 상기 워터트랩(110)의 외부에 돌출 형성된 지지부(116)에 안착된 상태에서 솔레노이드부(132)를 둘러싸도록 조립되는 지지브라켓(133)이 상기 지지부(116)에 체결됨으로써 워터트랩(110)의 외부에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
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