KR101655591B1 - 연료전지 차량의 배기구 구조 - Google Patents

연료전지 차량의 배기구 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 배기구 구조에 관한 것으로, 배기파이프와 수평하도록 배기파이프 상부에 장착된 재순환 유체 통로 및, 배기파이프 단부에 장착되고, 외부공기가 흡입되는 혼합파이프를 포함하며, 배출되는 수소의 농도가 기준치 이상일 때, 재순환 유체 통로를 통해 수소를 배기파이프 내부로 재순환 시키고, 혼합파이프를 통해서 외부공기와 혼합하여 외부로 배출함으로써, 시동 및 연료전지에서 수소를 제거하는 수소 퍼지 시, 연료전지에서 배출되는 고 농도의 수소가 재순환 유체 통로 및 혼합파이프를 통해 농도가 저감된 상태로 차량 외부로 배출되는

Description

연료전지 차량의 배기구 구조{STRUCTURE OF EXHAUST PIPE FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 배기구 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시동시 연료전지로부터 배출되는 고농도의 수소를 배기구를 이용해 대기로 배출되는 시점을 지연하여 배출가스의 수소농도를 저감시키는 연료전지 차량의 배기구 구조에 관한 것이다.
연료전지 시스템에서는, 배출가스의 발화 및 폭발의 위험을 막고자 배출가스가 일정한 수소농도를 갖도록 관리되어야 한다. 하지만, 퍼지 밸브 및 크로스 오버에 의하여 상당한 양의 수소는 배출될 수 있다.
한편, 배출가스의 수소농도는 모든 운전 조건에서 항상 일정 수준 이하로 낮아야 한다. 그러나, 종래 외부 공기를 이용한 배출가스 수소 농도 희석 시스템은 수소 농도를 저감하는데 있어서 추가적인 외부 공기 흡입을 위한 구조가 필요하였기에 구조가 복잡하였고, 운전 조건에 따라 수소 농도가 희석되지 않은 배출가스가 배출될 수 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0645247호(2006.11.06.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 연료전지 차량의 초기 시동 및 수소 퍼지 시 대기로 배출되는 배출가스의 수소농도를 저감할 수 있는 연료전지 차량의 배기구 구조를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 연료전지 차량의 배기구 구조는, 배기파이프와 수평하도록 배기파이프 상부에 장착된 재순환 유체 통로 및, 배기파이프 단부에 장착되고, 외부공기가 흡입되는 혼합파이프를 포함하며, 배출되는 수소의 농도가 기준치 이상일 때, 재순환 유체 통로를 통해 수소를 배기파이프 내부로 재순환 시키고, 혼합파이프를 통해서 외부공기와 혼합하여 외부로 배출한다.
위와 같은 본 발명의 연료전지 차량의 배기구 구조에 따르면, 시동 및 연료전지에서 수소를 제거하는 수소 퍼지 시, 연료전지에서 배출되는 고 농도의 수소가 재순환 유체 통로 및 혼합파이프를 통해 농도가 저감된 상태로 차량 외부로 배출되는 효과가 있으며, 궁극적으로 연료전지 차량의 안전성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 공기블로워 작동 및 수소 퍼지 시, 재순환 유체 통로를 통하여 수소를 희석할 수 있다.
또한, 별도의 액츄에이터 없이도 수소와 공기의 혼합가스를 재순환시킬 수 있으며, 수소 농도를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 연료전지 차량의 배기구 구조의 개요도,
도 2는 연료전지 차량의 시동 후 배출되는 수소의 농도 측정 데이터 그래프,
도 3은 연료전지 차량의 배기관 내부에 흐르는 배출가스의 수소 농도 해석 사진,
도 4는 도 1의 연료전지 차량의 배기구 구조가 장착된 차량 및 미장착된 차량의 수소배출량 비교 그래프이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 차량의 배기구 구조는, 배기파이프(100) 내부에 흐르는 수소와 공기가 혼합된 혼합가스가 유입되는 제1 포트홀(210) 및 혼합가스를 배기파이프(100)로 재주입하는 제2 포트홀(220)이 형성된 재순환 유체 통로(200) 및, 외부공기가 흡입되는 공기흡기로(310)가 형성되고, 배기파이프(100)로 재주입된 혼합가스를 외부 공기와 혼합하여 외부로 배출하도록 배기파이프(100) 단부에 장착된 혼합파이프(300)를 포함한다.
배기파이프(100)는, 제2 포트홀(220) 일측에 위치되도록 배기파이프(100)에 형성된 제1 이젝터(110) 및, 혼합파이프(300) 일측에 위치되도록 배기파이프(100) 단부에 형성된 제2 이젝터(120)를 포함한다. 배기파이프(100)는, 제1 이젝터(110) 전단에 형성된 제1 밸브(130) 및 제1 아웃렛(140)을 더 포함한다.
혼합파이프(300)는, 제2 이젝터(120)를 통과한 혼합공기와 공기흡기로(310)를 통해 흡입된 외부공기를 혼합하는 밴츄리노즐(320) 및, 밴츄리노즐로부터 확관되도록 외부로 연장형성된 연장부(330)와 제2 아웃렛(340)을 포함한다. 본 발명의 일실시예에서 제2 아웃렛(340)의 내경은 연장부(330)의 내경 보다 크다. 외부공기는, 배기파이프(100) 외부로부터 혼합파이프(300)로 유입된 유입공기이다. 유입공기는 배기파이프(100) 외부로부터 혼합파이프(300)로 유입될 수 있으며, 흡기계로부터 혼합파이프(300)로 공급될 수도 있다.
재순환 유체 통로(200)는, 배기파이프(100)와 수평을 이루며, 배기파이프(100) 위에 위치되도록 배기파이프(100) 상부에 형성된다. 재순환 유체 통로(200)는, 연료전지 스택으로 외부공기를 공급하는 흡기덕트(400)와 연결된다. 재순환 유체 통로(200)와 흡기덕트(400) 사이에, 제2 밸브(230)가 위치된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 연료전지 차량의 배기구 구조를 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다. 재순환 유체 통로(200)로의 혼합가스 유동이 생성되도록, 제2 밸브(230)이 작동되고 재순환 유체통로(200)와 흡기덕트(400)가 연통된다. 이때, 혼합가스는, 흡기덕트(400) 및 재순환 유체통로(200)로 석션 된다.
흡기덕트(400)로 석션된 혼합가스는 재차 연료전지로 주입되고, 재순환 유체통로(200)로 석션된 혼합가스는 배기파이프(100) 내부로 재순환 된다. 배기파이프(100) 내부로 재순환된 혼합가스는 혼합파이프(300)를 통해서 혼합파이프(300)로 유입된 외부공기와 혼합되고, 외부로 배출됨으로써, 수소 농도가 저감된 상태로 배출된다.
본 발명의 일실시예에서는, 배기파이프(100)에 구비된 제1 이젝터(110)로 유입되는 혼합가스의 수소 농도 보다, 배기파이프(100)와 재순환 유체통로(200)의 연결부위 좀더 정확히는, 제1 포트홀(210)에 존재하는 혼합가스의 수소 농도가 높을 경우, 재순환 유체통로(200)와 흡기덕트(400)가 연통된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시동 시 수초 이내에 수소 농도는 최고 농도를 갖게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배기파이프(100) 내 상단과 하단의 수소 농도는 밀도 차이에 의해 다르게 된다.
본 발명은 재순환 유체 통로(200)가 배기파이프(100) 위에 위치됨으로써, 농도가 높은 수소가 제1 포트홀(210)을 통해서 재순환 유체 통로(200)로 유입된다. 또한, 재순환 유체 통로(200)와 흡기덕트(400) 사이에 위치된 제2 밸브(230)가 작동됨으로써, 발생되는 음압에 의하여 배기파이프(100)에 흐르는 수소를 석션하여 더 많은 수소 가스가 재순환 유체 통로(200)로 유입된다.
연료전지로부터 지속적으로 배출되는 새로운 혼합가스는 제1 이젝터(110)를 통과하게 되고, 제1 이젝터(110)를 통과한 새로운 혼합가스는, 제2 포트홀(220)을 통해서 재순환 유체 통로(200) 내부의 혼합가스를 배기파이프(100)로 재차 흡입시키게 된다. 재순환 유체 통로(200)로부터 배기파이프(100)로 재차 흡입된 수소 농도가 높은 혼합가스와 새로운 혼합가스가 제1 이젝터(110) 및 제2 이젝터(120) 사이에서 섞이며 1차 혼합가스를 형성하게 된다.
1차 혼합가스는 제2 이젝터(120)를 통과하며, 공기흡기로(310)를 통해서 외부 공기를 혼합파이프(300) 내부로 흡입시키게 된다. 1차 혼합가스는 외부공기와 함께 혼합파이프(300)에 형성된 밴츄리노즐(320)을 통과하며 혼합되고 2차 혼합가스를 형성하게 된다. 2차 혼합가스는 혼합파이프(300)에 형성된 연장부(330)를 통과하며 감속되고, 최대한 외부 공기와 섞여 수소농도가 최소화된 상태로 제2 아웃렛(340)을 통과하며 외부로 배출된다.
연장부(330) 및 제2 아웃렛(340)은 밴츄리노즐(320)로부터 확관된 형상으로, 밴츄리노즐(320)을 통과하며 혼합된 2차 혼합가스의 속도를 늦추게 된다. 연장부(330)를 통해 속도가 감소된 2차 혼합가스는, 속도가 감소 되지 않은 경우와 대비하여 더 빨리 대기 중의 공기와 섞이게 된다.
제1 아웃렛(140)은, 재순환 유체 통로(200) 및 혼합파이프(300)로 인하여 발생되는 배압을 낮추기 위해서 장착된다. 초기 시동시 저 유량 구간에서는 배압의 영향이 미미하다. 그러나, 고 유량 구간 즉, 배기파이프(100)를 통하여 시동시 보다 많은 양의 혼합가스가 외부로 배출되는 고출력 구간에서는 재순환 통로, 제1 이젝터(110), 제2 이젝터(120) 및 혼합파이프(300)로 인하여 배압이 과다하게 발생 된다.
이러한 과다한 배압은 연료전지의 성능을 감소시키게 된다. 한편, 고 유량 구간에서는 수소가 거의 배출되지 않으므로, 제1 아웃렛(140)을 통해서 혼합가스를 외부로 배출함으로써 배압을 낮춰 연료전지의 성능을 정상 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 배기파이프(100)와 제1 아웃렛(140)을 연통 또는 차단하는 제1 밸브(130)는, 배기파이프(100) 내부압이 적정치 이상일 때 배기파이프(100)와 제1 아웃렛(140)이 연통되도록 작동된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 연료전지 차량의 배기구 구조가 연료전지 차량에 구비됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 차량의 배기구 구조가 미적용된 차량에 비하여 초기 배출되는 수소 농도가 기준치 이하로 감소된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 배기파이프 110: 제1 이젝터
120: 제2 이젝터 130: 제1 밸브
140: 제1 아웃렛 200: 재순환 유체 통로
210: 제1 포트홀 220: 제2 포트홀
230: 제2 밸브 300: 혼합파이프
310: 공기흡기로 320: 밴츄리노즐
330: 연장부 340: 제2 아웃렛
400: 흡기덕트

Claims (14)

  1. 배기파이프 내부에 흐르는 수소와 공기가 혼합된 혼합가스가 유입되는 제1 포트홀 및 상기 혼합가스를 상기 배기파이프로 재주입하는 제2 포트홀이 형성된 재순환 유체 통로; 및
    외부공기가 흡입되는 공기흡기로가 형성되고, 상기 배기파이프로 재주입된 혼합가스를 외부 공기와 혼합하여 외부로 배출하도록 상기 배기파이프 단부에 장착된 혼합파이프를 포함하되,
    상기 재순환 유체 통로는 상기 배기파이프 상단에 위치하며, 상기 제1,2 포트홀은 상기 재순환 유체 통로와 상기 배기파이프 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기파이프는,
    상기 제2 포트홀 일측에 위치되도록 상기 배기파이프에 형성된 제1 이젝터; 및
    상기 혼합파이프 일측에 위치되도록 상기 배기파이프 단부에 형성된 제2 이젝터를 포함하는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 이젝터에 혼합가스가 통과할 때,
    상기 제2 포트홀을 통해서 상기 재순환 유체 통로에 존재하는 혼합가스가 상기 배기파이프로 재 흡입되는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배기파이프는,
    상기 제1 이젝터 전단에 형성된 제1 밸브 및 제1 아웃렛을 더 포함하는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 밸브는,
    상기 배기파이프 내부압이 적정치 이상일 때 상기 배기파이프와 상기 제1 아웃렛이 연통되도록 작동되는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 이젝터에 혼합공기가 통과할 때,
    상기 공기흡기로를 통해서 외부공기가 상기 혼합파이프 내부로 흡입되는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼합파이프는,
    상기 제2 이젝터를 통과한 혼합공기와 상기 공기흡기로를 통해 흡입된 외부공기를 혼합하는 밴츄리노즐; 및
    상기 밴츄리노즐로부터 확관되도록 외부로 연장형성된 연장부와 제2 아웃렛을 포함하는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 아웃렛의 내경이 상기 연장부의 내경 보다 큰 연료전지 차량의 배기구 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 유체 통로는,
    상기 배기파이프와 수평을 이루며,
    상기 배기파이프 위에 위치되도록 상기 배기파이프 상부에 형성된 연료전지 차량의 배기구 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 유체 통로는,
    연료전지 스택으로 외부공기를 공급하는 흡기덕트와 연결된 연료전지 차량의 배기구 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 재순환 유체 통로와 상기 흡기덕트 사이에, 제2 밸브가 위치된 연료전지 차량의 배기구 구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 밸브가 열릴 때, 상기 혼합가스가 상기 배기파이프로부터 상기 재순환 유체 통로로 흡입되는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  13. 배기파이프와 수평하도록 상기 배기파이프 상부에 장착된 재순환 유체 통로; 및
    상기 배기파이프 단부에 장착되고, 외부공기가 흡입되는 혼합파이프를 포함하며,
    상기 재순환 유체 통로로의 혼합가스 유동이 생성되도록, 상기 재순환 유체통로가 흡기덕트와 연통되고, 상기 재순환 유체 통로를 통해 혼합가스가 상기 배기파이프 내부로 재순환 되고, 상기 배기파이프 내부로 재순환된 혼합가스는 상기 혼합파이프를 통해서 외부공기와 혼합되고, 외부로 배출되되;
    상기 재순환 유체 통로는 상기 배기파이프 내부에 흐르는 수소와 공기가 혼합된 상기 혼합가스가 유입되는 제1 포트홀 및 상기 혼합가스를 상기 배기파이프로 재주입하는 제2 포트홀이 형성되고, 상기 제1,2 포트홀은 상기 재순환 유체 통로와 상기 배기파이프 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기구 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배기파이프로 유입되는 혼합가스의 수소 농도 보다, 상기 배기파이프와 상기 재순환 유체통로의 연결부위에 존재하는 혼합가스의 수소 농도가 높을 경우, 상기 재순환 유체통로와 상기 흡기덕트가 연통되는 연료전지 차량의 배기구 구조.
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