KR101724835B1 - 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 초기 시동시 및 운전시 연료극의 입출구를 가변시킴으로써, 연료전지 차량의 운전 안정성을 확보함과 더불어 수소 배출량 저감에 따른 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 스택의 초기 시동시에는 연료극의 입구 및 출구 즉, 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 반대방향을 향하도록 제어하여, 입구 매니폴드와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스를 동일한 길이가 되도록 함으로써, 스택의 연료극에 대한 수소 농도를 증가시켜서 초기 시동 안정성을 도모하는 동시에 수소가 외기로 배출되는 양을 최소화시켜 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치{Device for changing anode inlet and outlet of fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 초기 시동시 및 운전시 연료극의 입출구를 가변시킴으로써, 연료전지 차량의 운전 안정성을 확보함과 더불어 수소 배출량 저감에 따른 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 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 시스템과, 실질적으로 수소 및 공기를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택 등을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 연료공급 시스템으로부터 연료전지 스택의 연료극에 수소가 공급되는 동시에 공기공급시스템으로부터 연료전지 스택의 공기극에 산소가 공급됨으로써, 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
한편, 연료전지 스택을 탑재한 연료전지 차량의 정차 후, 연료극내의 가스 조성은 수소가 거의 없는 질소 분위기로 유지되고, 이후 연료전지 차량의 주행을 위한 초기 시동시에는 스택내 일정 농도의 수소가 필요하다.
이를 위해, 연료전지 차량의 초기 시동 준비(Start-up)시, 연료극내 질소를 배출시키는 동시에 스택내의 수소 농도를 증가시키는 수소 퍼지 과정이 진행된다.
상기 수소 퍼지 과정은 새로운 수소가 원활하게 연료극으로 공급될 수 있도록 질소 분위기의 연료극내 압력을 떨어뜨리는 동시에 연료공급 시스템으로부터의 새로운 수소를 연료극에 공급하는 과정을 말하며, 이러한 수소 퍼지 과정 중 연료극의 출구 매니폴드에 연결된 퍼지밸브가 오픈된 상태가 되어 연료극내의 질소 및 일부 새로운 수소가 퍼지밸브를 통하여 외부로 배출된다.
이때, 상기 수소 퍼지 과정에서 적절한 퍼지시간 설정이 중요하며, 그 이유는 퍼지시간이 짧으면, 초기 수소 농도 부족으로 시동시 셀 성능 편차가 커지는 현상으로 인하여 연료전지 셧 다운(shut down)이 발생하고, 퍼지시간이 길면 스택내 충분한 수소 농도 확보는 가능하지만 퍼지밸브를 통하여 외부로 배출되는 수소누출량의 증가로 인하여 연비 악화를 초래하는 동시에 환경법규 대응 필요성이 발생하기 때문이다.
여기서, 연료전지 스택의 초기 시동을 위한 종래의 수소 퍼지 과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 종래의 연료전지 스택에서 이루어지는 수소 퍼지 과정을 도시한 개략도이다.
도 1에서 도면부호 20은 다수의 연료전지 셀이 적층 구성된 연료전지 스택을 지시한다.
상기 연료전지 스택(20)에는 연료극의 입구 및 출구에는 각각 수소의 공급 및 배출을 위한 통로로서, 입구 매니폴드(10) 및 출구 매니폴드(30)가 연결되어 있다.
참고로, 연료전지 스택의 공기극의 입출구 등에도 매니폴드가 별도로 구획되어 있다.
이때, 상기 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 상기 출구 매니폴드(30)의 출구(32)는 동일한 방향을 향하여 개방되어 있다.
또한, 상기 입구 매니폴드(10)의 입구(12)에는 연료공급 시스템의 이젝터(14)가 연결되고, 상기 출구 매니폴드(30)의 출구(32)에는 퍼지밸브(34)가 연결된다.
이렇게 상기 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)가 동일한 방향을 향하여 개방되어 있음에 따라, 스택을 구성하는 각 셀 중 입구 매니폴드(10)의 입구(12) 및 출구 매니폴드(30)의 출구(32)로부터 가장 가까운 제1셀(22)과 가장 먼 제n셀(24)이 존재하게 된다.
이러한 상태에서, 연료전지 스택의 초기 시동을 위하여 수소 퍼지 공정은 연료공급 시스템으로부터 이젝터(14)를 통하여 새로운 수소가 입구 매니폴드(10)로 공급되는 단계와, 입구 매니폴드(10)를 경유한 수소가 스택(20)을 구성하는 각 셀의 연료극에 채워지는 단계와, 연료극에 잔존하던 질소 및 불순물이 퍼지밸브(34, 수소 퍼지 공정시 열림으로 제어됨)를 통하여 외기로 배출되는 단계로 이루어진다.
이때, 상기와 같이 수소 퍼지 과정의 기간 즉, 퍼지시간이 길면 스택내 충분한 수소 농도 확보는 가능하지만, 퍼지밸브를 통하여 외부로 배출되는 수소누출량의 증가로 인하여 연비 악화를 초래하는 동시에 환경법규 대응 필요성이 발생하는 문제점이 있다.
더욱이, 첨부한 도 1에서 보듯이 스택을 구성하는 각 셀 중 입구 매니폴드(10)의 입구(12) 및 출구 매니폴드(30)의 출구(32)로부터 가장 가까운 제1셀(22)을 통과하는 수소 유량이 가장 먼 제n셀(24)에 비하여 크기 때문에, 수소 퍼지 과정 중 입구 매니폴드(10)→ 제1셀(22)→ 출구 매니폴드(30)→ 퍼지밸브(32)를 통하여 많은 수소가 외기로 배출되어 연비 악화를 초래하는 동시에 환경법규 대응 필요성이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 수소가 외기로 배출되는 것을 최소화하기 위하여 수소 퍼지 과정의 기간 즉, 퍼지시간을 줄이면, 스택내의 수소 농도가 낮아져서 초기 시동 안전성에 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 초기 시동시에는 연료극의 입구 및 출구 즉, 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 반대방향을 향하도록 제어하여, 입구 매니폴드와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스를 동일한 길이가 되도록 함으로써, 스택의 연료극에 대한 수소 농도를 증가시켜서 초기 시동 안정성을 향상시키는 동시에 수소가 외기로 배출되는 양을 최소화시켜 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 스택의 연료극 입구에 연결되는 입구 매니폴드와; 상기 연료극 출구에 연결되는 출구 매니폴드와; 상기 입구 매니폴드 또는 출구 매니폴드 중 하나의 내부에 장착되어, 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 동일방향 또는 반대방향을 향하도록 제어하는 입출구 가변수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 입출구 가변수단은: 입구 매니폴드의 내부에 길이방향을 따라 장착되어, 수소를 스택의 후단부쪽으로 먼저 안내하는 제1수소안내경로와 수소를 스택의 전단부쪽으로 먼저 안내하는 제2수소안내경로를 서로 다른 공간으로 구분해주는 수소 안내플레이트와; 수소 안내플레이트의 선단부에 회전 가능하게 장착되어, 제1수소안내경로와 제2수소안내경로 중 하나를 선택적으로 막아주는 가변 게이트; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수소 안내플레이트의 말단부와 입구 매니폴드의 후단 벽면 사이에는 제1수소안내경로를 통하여 유입된 수소를 스택쪽으로 안내하는 안내홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 입출구 가변수단은 가변 게이트의 회전축에 연결되는 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가변 게이트는 연료전지 초기 시동시 제2수소안내경로의 입구를 막는 위치로 가변되고, 초기 시동후 정상 운전시에는 제1수소안내경로의 입구를 막는 위치로 가변되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 입출구 가변수단은: 입구 매니폴드의 입구와 연결되는 수소공급라인에 장착되는 3방향 밸브와; 3방향 밸브로부터 분기되어 입구 매니폴드의 후단부에 연통 가능하게 연결되는 분기라인; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 3방향 밸브는 연료전지 초기 시동시 분기라인 및 입구 매니폴드의 후단부로 수소 공급 가능하게 오픈되고, 초기 시동후 정상 운전시에는 본래 수소공급라인 및 입구 매니폴드의 입구로 수소 공급 가능하게 오픈되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 연료전지 스택의 초기 시동시에는 연료극의 입구 및 출구가 되는 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 반대방향을 향하도록 가변 제어하여 입구 매니폴드와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이가 되도록 함으로써, 스택을 구성하는 각 셀의 연료극에 대한 수소 농도를 고르게 증가시켜서 초기 시동 안정성 향상을 도모할 수 있다.
둘째, 입구 매니폴드와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이로 제어된 상태에서 입구 매니폴드와 각 셀과 출구 매니폴드를 경유하는 수소의 흐름량이 동일하게 되므로, 기존에 입구 매니폴드의 입구에서 가장 가까운 셀을 통과한 수소가 출구 매니폴드를 통하여 외기로 빠르게 배출되는 것을 방지할 수 있고, 결국 수소 퍼지 과정 중 수소가 외기로 배출되는 양을 최소화시켜 연비 향상을 이룰 수 있다.
셋째, 초기 시동후 정상 운전시에는 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 본래대로 서로 동일한 방향을 향하도록 가변 제어하여, 각 셀간 유량 편차를 최소화하여 스택 운전 안정성을 도모할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 스택에서 이루어지는 수소 퍼지 과정을 도시한 개략도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 도시한 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 연료극 입출구 가변장치의 적용시 수소 퍼지 과정과 기존의 수소 퍼지 과정에서 스택 출구의 수소 농도변화를 측정하여 비교한 그래프,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 연료극 입출구 가변장치의 적용시 수소 퍼지 과정과 기존의 수소 퍼지 과정에서 셀 유량 편차를 측정하여 비교한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 연료극 입출구 가변 장치를 적용할 경우, 초기 시동 준비 및 정상 운전시 수소 퍼지 과정에 대한 작동 개념을도 2a 및 도 2b를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치 적용시, 초기 시동 준비 및 정상 운전시 수소 퍼지 과정을 나타낸 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 연료전지 스택(20)에는 연료극의 입구 및 출구에는 각각 수소의 공급 및 배출을 위한 통로로서, 입구 매니폴드(10) 및 출구 매니폴드(30)가 연결되어 있다.
연료전지 차량의 주행을 위한 초기 시동시에는 수소 퍼지 과정을 위하여 입구 매니폴드(10)의 입구(12)를 출구 매니폴드(30)의 출구(32)와 서로 반대되는 방향으로 가변시키고, 초기 시동후 정상 운전시에는 입구 매니폴드(10)의 입구(12)를 출구 매니폴드(30)의 출구(32)와 서로 동일한 방향으로 가변시킨다.
따라서, 초기 시동 준비시에는 상기 입구 매니폴드(10)와 스택(20)을 구성하는 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 된다.
예를 들어, 도 2a에서 점선 화살표로 지시한 바와 같이, 초기 시동시에는 스택의 각 셀 중 양끝쪽에 배열된 셀을 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 됨을 알 수 있다.
도 2b를 참조하면, 연료전지 차량의 주행을 위한 초기 시동시에는 수소 퍼지 과정을 위하여 입구 매니폴드(10)의 입구(12)에 대하여 출구 매니폴드(30)의 출구(32)를 서로 반대되는 방향으로 가변시키고, 초기 시동후 정상 운전시에는 입구 매니폴드(10)의 입구(12)에 대하여 출구 매니폴드(30)의 출구(32)를 서로 동일한 방향으로 가변시킨다.
상기 출구 매니폴드(30)의 출구를 가변시키는 경우에도 마찬가지로, 도 2b에서 점선 화살표로 지시한 바와 같이 초기 시동 준비시에는 상기 입구 매니폴드(10)와 스택(20)을 구성하는 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 된다.
따라서, 수소 퍼지 과정 중, 입구 매니폴드(10)와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이로 조절된 상태에서 입구 매니폴드(10)와 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 경유하는 수소의 흐름량이 동일한 수준으로 조절될 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택의 초기 시동시 수소 퍼지 과정을 위하여, 연료극의 입구 및 출구가 되는 입구 매니폴드(10)의 입구와 출구 매니폴드(30)의 출구를 서로 반대방향을 향하도록 가변 제어하여, 입구 매니폴드(10)와 스택(20)을 구성하는 각 셀(20)의 연료극과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이가 되도록 함으로써, 스택을 구성하는 각 셀의 연료극에 대한 수소 농도를 고르게 증가시켜서 초기 시동 안정성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 입구 매니폴드(10)와 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 경유하는 수소의 흐름량이 동일한 수준으로 조절되므로, 전술한 바와 같이 기존에 수소 퍼지 과정 중 입구 매니폴드(10)의 입구에서 가장 가까운 제1셀을 통과한 수소가 출구 매니폴드(30)를 통하여 외기로 빠르게 배출되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 수소 퍼지 과정 중 수소가 외기로 배출되는 양을 최소화시켜 연비 향상을 도모할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치의 구성 및 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 연료극 입출구 가변수단은 입구 매니폴드(10) 또는 출구 매니폴드(30) 중 어느 하나의 내부에 장착되어, 입구 매니폴드(10)의 입구와 출구 매니폴드(30)의 출구를 서로 동일방향 또는 반대방향을 향하도록 제어하는 것이며, 여기서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 입구 매니폴드(10)에 장착된 것을 하나의 실시예로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 입출구 가변수단의 일 구성 중 수소 안내플레이트(40)가 입구 매니폴드(10)의 내부에 길이방향을 따라 장착된다.
다시 말해서, 상기 수소 안내플레이트(40)는 입구 매니폴드(10)의 내부공간을 위쪽 및 아래쪽 공간으로 이등분하면서 입구 매니폴드(10)의 내부에 길이방향을 따라 고정 장착된다.
좀 더 상세하게는, 상기 수소 안내플레이트(40)에 의하여 구획된 입구 매니폴드(10)의 위쪽 공간은 수소를 스택(20)의 후단부쪽(제n셀쪽)으로 먼저 안내하는 제1수소안내경로(41)로 형성되고, 그 아래쪽 공간은 수소를 스택(20)의 전단부쪽(제1셀쪽)으로 먼저 안내하는 제2수소안내경로(42)로 형성된다.
이때, 상기 수소 안내플레이트(40)의 말단부와 입구 매니폴드(20)의 후단 벽면 사이에는 제1수소안내경로(41)를 통하여 유입된 수소를 스택(20)의 제n셀쪽으로 안내하는 안내홀(44)이 형성된다.
또한, 상기 수소 안내플레이트(40)의 선단부에는 제1수소안내경로(41)와 제2수소안내경로(42) 중 하나를 선택적으로 막아주는 가변 게이트(43)가 회전 가능하게 장착된다.
바람직하게는, 상기 가변 게이트(43)의 회전축에는 모터와 같은 액츄에이터(미도시됨)가 연결되어, 가변 게이트(43)를 일정 각도로 각회전시키게 된다.
따라서, 연료전지 차량의 주행을 위한 초기 시동을 위한 수소 퍼지 과정을 위하여, 상기 가변 게이트(43)를 제2수소안내경로(42)의 입구를 막는 위치로 가변시킴으로써, 제1수소안내경로(41)만이 개방되는 상태가 된다.
이렇게 상기 가변 게이트(43)가 제2수소안내경로(42)를 막게 됨에 따라, 입구 매니폴드(10)의 입구가 실질적으로 입구 매니폴드(10)의 후단부 즉, 수소 안내플레이트(40)의 말단부와 입구 매니폴드(10)의 후단 벽면 사이의 안내홀(44)로 가변됨으로써, 결국 입구 매니폴드(10)의 입구는 출구 매니폴드(30)의 출구와 서로 반대방향에 위치되는 상태가 된다.
이러한 상태에서, 연료전지 스택의 초기 시동을 위하여 수소 퍼지 공정은 연료공급 시스템으로부터 새로운 수소가 입구 매니폴드(10)내의 제1수소안내경로(41)로 공급되는 단계와, 제1수소안내경로(41)의 말단부에 위치한 안내홀(44)을 통과하여 스택(20)을 구성하는 각 셀의 연료극에 채워지는 단계와, 연료극에 잔존하던 질소 및 불순물과 함께 각 셀의 연료극으로부터 빠져나온 일부 수소가 출구 매니폴드(30)의 출구(32)를 통하여 외기로 배출되는 단계로 진행된다.
도 3을 참조하면, 위와 같은 초기 시동 준비시 제1수소안내경로(41)를 통하여 수소를 공급함으로써, 입구 매니폴드(10)와 스택(20)을 구성하는 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 된다.
예를 들어, 도 3에서 점선 화살표로 지시한 바와 같이, 초기 시동시에는 스택의 각 셀 중 양끝쪽에 배열된 제1셀(22)과 제n셀(24)을 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 됨을 알 수 있다.
따라서, 수소 퍼지 과정 중, 입구 매니폴드(10)와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이로 조절된 상태에서 입구 매니폴드(10)를 경유하여 각 셀로 공급되는 수소는 각 셀의 연료극내에 고르게 분포하면서 초기 시동을 위한 일정 농도를 유지하게 되므로, 초기 시동 안정성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 입구 매니폴드(10)와 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 차례로 경유하는 수소의 흐름량이 동일한 수준으로 조절되므로, 전술한 바와 같이 기존에 수소 퍼지 과정 중 입구 매니폴드(10)의 입구에서 가장 가까운 제1셀을 통과한 수소가 출구 매니폴드(30)를 통하여 외기로 빠르게 배출되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 수소 퍼지 과정 중 수소가 외기로 배출되는 양을 최소화시켜 수소 소비 절감에 따른 연비 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 연료극 입출구 가변장치의 적용시 수소 퍼지 과정과 기존의 수소 퍼지 과정에서 스택 출구의 수소 농도변화를 측정하여 비교한 도 5를 참조하면, 기존에 연료극의 입출구를 동일한 방향으로 배열한 것에 비하여 연료극의 입출구를 반대방향으로 가변시킨 경우, 연료극 출구 즉, 출구 매니폴드내의 수소 농도가 시간이 지날수록 서서히 증가함을 알 수 있고, 이는 수소 퍼지 과정 중 외기로 배출되는 수소양을 최소화시켜 수소 소비 절감에 따른 연비 향상을 도모할 수 있음을 보여주는 것이다.
한편, 위와 같은 연료전지 초기 시동후 정상 운전시에는 상기 가변 게이트(43)를 제1수소안내경로(41)의 입구를 막는 위치로 가변시키는 동시에 제2수소안내경로(42)만이 개방되는 상태가 되도록 함으로써, 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)가 본래대로 서로 동일한 방향을 향하게 되어, 각 셀간 유량 편차를 최소화하면서 스택의 운전 안정성을 도모할 수 있다.
첨부한 도 6 내지 도 7을 참조하면, 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)를 서로 반대방향으로 가변시킨 경우에 비하여, 본래대로 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)를 동일한 방향으로 위치시킨 경우가 각 셀간의 유량 편차를 줄일 수 있으므로, 연료전지 초기 시동 후 정상 운전시에는 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)가 본래대로 서로 동일한 방향이 되도록 한다.
좀 더 상세하게는, 스택 입출구 방향에 따른 셀 입출구 압력 해석 결과를 도시한 첨부한 도 7을 참조하면, 스택의 각 셀 압력은 입구 및 출구매니폴드에서 매니폴드가 막혀 있는 쪽으로 갈수록 압력이 증가하고, 그에 따라 매니폴드 입/출구가 동일 방향인 경우가, 반대인 경우에 비해 셀간 차압 편차가 더 작음을 알 수 있고, 또한 각 셀 유량과 차압은 비례관계가 있기 때문에 매니폴드 입/출구가 동일인 경우 유량 편차가 더 작음을 알 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치의 구성 및 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 입출구 가변수단은 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 연결되는 수소공급라인에 장착되는 3방향 밸브(50)와, 이 3방향 밸브(50)로부터 분기되어 입구 매니폴드(10)의 후단부에 연통 가능하게 연결되는 분기라인(52)으로 구성된다.
따라서, 연료전지 차량의 주행을 위한 초기 시동을 위한 수소 퍼지 과정을 위하여, 상기 3방향 밸브(50)를 분기라인(52) 및 입구 매니폴드(10)의 후단부로 수소 공급 가능하게 오픈시킴으로써, 입구 매니폴드(10)의 실제 입구(12)는 막혀진 상태가 된다.
이에, 상기 입구 매니폴드(10)의 후단부가 입구로 가변되고, 가변된 입구는 출구 매니폴드(30)의 출구(32)와 반대방향으로 위치된다.
도 4를 참조하면, 위와 같은 초기 시동 준비시 3방향 밸브(50)를 이용하여 상기 입구 매니폴드(10)의 후단부가 입구가 되도록 함으로써, 입구 매니폴드(10)와 스택(20)을 구성하는 각 셀과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 된다.
예를 들어, 도 4에서 점선 화살표로 지시한 바와 같이, 초기 시동시에는 스택의 각 셀 중 양끝쪽에 배열된 제1셀(22)과 제n셀(24)을 통과하는 수소의 유로패스가 동일한 길이를 갖게 됨을 알 수 있다.
따라서, 수소 퍼지 과정 중, 3방향 밸브(50)를 통하여 입구 매니폴드(10)의 후단부와 각 셀의 연료극과 출구 매니폴드(30)를 차례로 통과하는 수소의 유로 패스가 동일한 길이로 조절된 상태에서 각 셀로 공급되는 수소는 각 셀의 연료극내에 고르게 분포하면서 초기 시동을 위한 일정 농도를 유지하게 되므로, 초기 시동 안정성 향상을 도모할 수 있다.
반면, 위와 같은 연료전지 초기 시동후 정상 운전시에는 상기 3방향 밸브(50)를 본래 수소공급라인 및 입구 매니폴드(10)의 입구(12)로 수소 공급 가능하게 오픈시킴으로써, 입구 매니폴드(10)의 입구(12)와 출구 매니폴드(30)의 출구(32)가 본래대로 서로 동일한 방향을 향하게 되어, 각 셀간 유량 편차를 최소화하면서 스택의 운전 안정성을 도모할 수 있다.
10 : 입구 매니폴드
12 : 입구
14 : 이젝터
20 : 스택
22 : 제1셀
24 : 제n셀
30 : 출구 매니폴드
32 : 출구
34 : 퍼지밸브
40 : 수소 안내플레이트
41 : 제1수소안내경로
42 : 제2수소안내경로
43 : 가변 게이트
44 : 안내홀
50 : 3방향 밸브
52 : 분기라인

Claims (8)

  1. 연료전지 스택의 연료극 입구에 연결되는 입구 매니폴드와;
    상기 연료극 출구에 연결되는 출구 매니폴드와;
    상기 입구 매니폴드 또는 출구 매니폴드 중 하나의 내부에 장착되어, 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 동일방향 또는 반대방향을 향하도록 제어하는 입출구 가변수단;
    을 포함하고,
    상기 입출구 가변수단에 의하여 연료전지 초기 시동시에는 수소 퍼지 과정을 위하여 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구가 서로 반대되는 방향으로 가변되고, 초기 시동후 정상 운전시에는 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구가 서로 동일한 방향으로 가변되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입출구 가변수단은:
    입구 매니폴드의 내부에 길이방향을 따라 장착되어, 수소를 스택의 후단부쪽으로 먼저 안내하는 제1수소안내경로와 수소를 스택의 전단부쪽으로 먼저 안내하는 제2수소안내경로를 서로 다른 공간으로 구분해주는 수소 안내플레이트와;
    수소 안내플레이트의 선단부에 회전 가능하게 장착되어, 제1수소안내경로와 제2수소안내경로 중 하나를 선택적으로 막아주는 가변 게이트;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수소 안내플레이트의 말단부와 입구 매니폴드의 후단 벽면 사이에는 제1수소안내경로를 통하여 유입된 수소를 스택쪽으로 안내하는 안내홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 입출구 가변수단은 가변 게이트의 회전축에 연결되는 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 가변 게이트는 연료전지 초기 시동시 제2수소안내경로의 입구를 막는 위치로 가변되고, 초기 시동후 정상 운전시에는 제1수소안내경로의 입구를 막는 위치로 가변되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  7. 연료전지 스택의 연료극 입구에 연결되는 입구 매니폴드와;
    상기 연료극 출구에 연결되는 출구 매니폴드와;
    상기 입구 매니폴드의 입구와 출구 매니폴드의 출구를 서로 동일방향 또는 반대방향을 향하도록 제어하는 입출구 가변수단;
    을 포함하되,
    상기 입출구 가변수단은:
    입구 매니폴드의 입구와 연결되는 수소공급라인에 장착되는 3방향 밸브와;
    3방향 밸브로부터 분기되어 입구 매니폴드의 후단부에 연통 가능하게 연결되는 분기라인;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 3방향 밸브는 연료전지 초기 시동시 분기라인 및 입구 매니폴드의 후단부로 수소 공급 가능하게 오픈되고, 초기 시동후 정상 운전시에는 본래 수소공급라인 및 입구 매니폴드의 입구로 수소 공급 가능하게 오픈되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료극 입출구 가변 장치.
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