KR101806690B1 - 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브 - Google Patents

연료전지 시스템의 연료극 배출밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 수소 재순환라인에 설치되는 밸브 본체와 상기 밸브 본체 내부에 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 수소 배출구를 선택적으로 개방하는 개방부재와 결합되는 구동 샤프트 및 상기 밸브 본체의 수소 유입구에 연결되어 수소 유입 경로를 형성하고, 상기 수소 유입 경로를 통해 유입되는 수소의 압력이 증가됨에 따라 동작하여 상기 구동 샤프트를 회전시키는 기구부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템의 연료극 배출밸브{Operating anode discharge valve of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과압 방지 기능을 가지는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소(연료)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템과, 수소 및 산소의 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하도록 다수의 단위 셀이 적층 결합된 연료전지 스택과, 연료전지 스택의 전기화학적 반응열을 제거하는 동시에 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기와 같은 연료전지 시스템 중 연료공급시스템의 동작을 설명하면, 먼저 수소탱크로부터 고압레귤레이터 및 수소공급밸브를 통과한 수소(연료)가 분사압을 제공하는 이젝터를 통하여 연료전지 스택의 연료극(anode)으로 들어간 후, 전기 생성을 위한 반응을 마치게 되면, 일부는 연료극으로 재순환되고 나머지는 연료극 배출밸브를 거쳐 공기극으로 배출되는 수소 퍼지가 이루어진다.
즉, 수소 퍼지 시 수소 재순환 블로워의 작동에 의하여 연료전지 스택에서 배출된 수소의 일부는 수소 재순환라인을 통과하며 연료극으로 재순환되고, 나머지는 연료극 배출밸브에 의해 수소 퍼지라인을 통과하며 공기극으로 배출된다.
여기서, 수소 퍼지라인에는 상기와 같은 연료극 배출밸브와 함께 연료전지 스택으로 과압이 인가될 경우 압력을 강하시키는 과압 해소밸브가 설치되는데, 이러한 과압 해소밸브는 연료극 배출밸브와 동일한 경로로 배기되지만, 기능이 상이하기 때문에 수소 재순환라인에서 연료극 배출밸브와 별도로 설치되어야 한다.
대한민국공개특허공보 제10-2011-0062012호(2011.06.10.)
본 발명의 목적은, 과압 발생에 따라 선택적으로 이동하는 로드를 구비하고, 이러한 로드가 밸브 본체의 로터를 회전시켜 밸브가 개방되도록 함으로써, 하나의 밸브를 통해 과압 해소와 수소 퍼지를 동시에 수행할 수 있는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브는 연료전지 스택의 수소 퍼지라인에 설치되는 밸브 본체와 상기 밸브 본체 내부에 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 수소 배출구를 선택적으로 개방하는 개방부재와 결합되는 구동 샤프트 및 상기 밸브 본체의 수소 유입구에 연결되어 수소 유입 경로를 형성하고, 상기 수소 유입 경로를 통해 유입되는 수소의 압력이 증가됨에 따라 동작하여 상기 구동 샤프트를 회전시키는 기구부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구동 샤프트는 상기 기구부의 단부와 접하도록 측방향을 따라 돌출 형성되고, 상기 기구부의 동작에 따른 회전경로를 가이드하는 가이드 부재를 구비한다.
이러한 상기 기구부는 상기 수소 유입 경로를 형성하는 본체부와 상기 수소 유입 경로와 연결된 이동영역에 설치되며, 상기 수소 유입 경로를 따라 이동하는 수소의 압력이 증가됨에 따라 슬라이드 이동하는 이동부 및 상기 이동부의 슬라이드 이동에 따라 함께 이동하여 상기 이동영역의 외부로 돌출되며, 상기 가이드 부재를 가압하여 상기 구동 샤프트를 회전시키는 구동부를 구비한다.
그리고, 상기 기구부는 상기 구동부의 외주면을 감싸도록 결합되며, 상기 이동영역의 내부에서 상기 구동부의 슬라이드 이동에 따른 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 구비한다.
또한, 상기 이동부는 상기 수소 유입 경로를 따라 이동하는 수소에 의한 상기 이동 영역의 내부를 밀폐하도록 구비되는 오링부재를 구비한다.
한편, 상기 개방부재는 상기 구동 샤프트의 단부와 나사 결합되며, 상기 구동 샤프트는 상기 구동부의 동작에 따라 회전되어 상기 개방부재를 승강시키고, 상기 수소 배출구가 개방되도록 한다.
본 발명은, 과압 발생에 따라 선택적으로 이동하는 로드를 구비하고, 이러한 로드가 밸브 본체의 로터를 회전시켜 밸브가 개방되도록 함으로써, 하나의 연료극 배출밸브를 통해 과압 해소와 수소 퍼지를 동시에 수행할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 과압 해소밸브의 구성을 연료극 배출밸브 내부에 포함시켜 기존의 수소 퍼지라인에 별도로 설치된 과압 해소밸브를 삭제할 수 있기 때문에, 원가 절감을 가능하게 하는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2 는 종래의 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 정상상태에서의 기구부를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 정상상태에서의 기구부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 과압상태에서의 기구부를 보여주는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 과압상태에서의 기구부의 동작을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이고, 도 2 는 종래의 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택(1)에 수소(연료)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택(1)에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공기압축기(30)를 통해 공급하는 공기공급시스템과, 수소 및 산소의 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하도록 다수의 단위 셀이 적층 결합된 연료전지 스택(1)으로 구성된다.
여기서, 연료공급시스템의 동작을 설명하면, 수소탱크로부터 고압레귤레이터 및 수소공급밸브를 통과한 수소(연료)가 분사압을 제공하는 이젝터(20)를 통하여 연료전지 스택(1)의 연료극(anode)으로 들어간 후, 전기 생성을 위한 반응을 마치게 되면, 일부는 연료극으로 재순환되고 나머지는 연료극 배출밸브(10)를 거쳐 공기극으로 배출되는 수소 퍼지가 이루어진다.
즉, 수소 퍼지 시 수소 재순환 블로워의 작동에 의하여 연료전지 스택(1)에서 배출된 수소의 일부는 수소 재순환라인(L2)을 통과하며 연료극으로 재순환되고, 나머지는 연료극 배출밸브(10)에 의해 수소 퍼지라인(L1)을 통과하며 공기극으로 배출된다.
여기서, 수소 퍼지라인(L1)에는 연료극 배출밸브(10)와 함께 연료전지 스택(1)으로 과압이 인가될 경우 압력을 강하시키는 과압 해소밸브(12)가 설치되는데, 이러한 과압 해소밸브(12)는 연료극 배출밸브(10)와 동일한 경로로 배기되지만, 기능이 상이하기 때문에 수소 퍼지라인(L1)에서 연료극 배출밸브(10)와 별도로 설치되어야 한다.
다시 말해, 연료전지 차량의 경우 수소 연료를 사용하며, 고압력(700 bar) 수소의 압력을 강하시켜 연료전지 스택(1)으로 공급하게 되는데, 일반적으로 연료전지 스택(1)의 사용압력은 3 bar 이하를 주로 사용하고 있다.
여기서, 압력조절기능에 이상이 발생할 경우 정상상태 보다 높은 압력이 연료전지 스택(1)에 형성되게 되며, 이러한 경우 연료전지 스택(1)의 영구적 손상이 발생할 수 있기 때문에, 연료전지 차량에서는 연료전지 스택(1)의 손상 방지를 위하여 과압방지 밸브(12)가 적용되어야 한다.
하지만, 만일 동일한 경로로 수소가 배기되도록 하는 연료극 배출밸브(10)와 과압 해소밸브(12)를 도 1에 도시된 바와 같이 하나로 통합할 경우, 그에 따른 원가절감 및 패키지 효율성 증대 등의 장점을 얻을 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 연료극 배출밸브(10) 내부에 과압 해소밸브(12)의 기능이 포함되도록 함으로써, 일반적으로 수소 퍼지라인(L1)에 별도로 설치된 과압 해소밸브(12)를 삭제할 수 있어 원가 절감을 가능하게 할 수 있다.
이하, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브의 구조를 보여주는 도면이고, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 정상상태에서의 기구부를 보여주는 도면이며, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 정상상태에서의 기구부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브(10)는 밸브 본체(100), 구동 샤프트(200) 및 기구부(300)를 포함한다.
밸브 본체(100)는 연료전지 스택(1)의 수소 재순환라인(L2)에 설치된다.
구동 샤프트(200)는 밸브 본체(100) 내부에 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 수소 배출구(100b)를 선택적으로 개방하는 개방부재(210)와 결합된다.
여기서, 구동 샤프트(200)의 외주면에는 토션 스프링(40)이 설치되어 있으며, 이러한 토션 스프링(40)은 기구부(300)의 동작에 의해 구동 샤프트(200)가 회전하는 경우, 유입되는 수소가 정상상태가 되면 초기 위치로 복귀될 수 있도록 구동 샤프트(200)로 탄성 복원력을 제공한다.
이러한 구동 샤프트(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 기구부(300)의 단부와 접하도록 측방향을 따라 돌출 형성되고, 기구부(300)의 동작에 따른 회전경로를 가이드하는 가이드 부재(220)를 구비한다.
즉, 본 실시예에 따른 연료극 배출밸브(10)는 밸브 본체(100)의 수소 유입구(100a)에 연결되어 수소 유입 경로(300a)를 형성하는 기구부(300)를 포함하는데, 이러한 기구부(300)는 수소 유입 경로(300a)를 통해 유입되는 수소의 압력이 증가됨에 따라 동작하여 구동 샤프트(200)를 회전시킬 수 있다.
이를 위해, 기구부(300)는 도 5에 도시된 바와 같이 본체부(310), 이동부(320) 및 구동부(330)를 구비한다.
본체부(310)는 밸브 본체(100)의 내부에서 소정의 길이를 가지며 설치되고, 수소 유입구(100a)와 연결되어 내부에 수소 유입 경로(300a)가 형성되도록 한다.
이동부(320)는 수소 유입 경로(300a)와 연결된 이동영역(A)에 설치되며, 수소 유입 경로(300a)를 따라 이동하는 수소의 압력이 증가됨에 따라 이동영역(A) 내부에서 슬라이드 이동할 수 있다.
이러한 이동부(320)는 수소 유입 경로(300a)를 따라 이동하는 수소에 의한 이동영역(A)의 내부를 밀폐하도록 오링부재(320a)를 구비할 수 있다.
그에 따라, 이동부(320)는 수소 유입 경로(300a)를 따라 이동하는 수소에 대한 이동영역(A) 내부의 기밀을 유지할 수 있기 때문에, 수소가 이동영역(A)의 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
구동부(330)는 소정의 길이를 가지며 이동부(320)에 결합되는 것으로, 이동부(320)의 슬라이드 이동에 따라 함께 슬라이드 이동하여 일단부가 선택적으로 이동영역(A)의 외부로 돌출되며, 결과적으로는 가이드 부재(220)를 가압하여 구동 샤프트(200)를 회전시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 기구부(300)는 탄성부재(340)를 더 구비할 수 있는데, 이러한 탄성부재(340)는 구동부(330)의 외주면을 감싸도록 결합되며, 이동영역(A)의 내부에서 구동부(330)의 슬라이드 이동에 따른 탄성력을 제공한다.
즉, 탄성부재(340)는 이동영역(A) 내부에서 이동부(320) 및 구동부(330)의 초기위치를 가이드 하기 위한 것으로, 만일 도 5에 도시된 바와 같이 수소가 정상 상태로 수소 유입 경로(300a)를 따라 유입되게 되면, 유입되는 수소의 압력이 탄성부재(340)의 탄성력 보다 작으므로, 이동부(320) 및 구동부(330)를 슬라이드 이동시킬 수 없고, 그에 따라 구동 샤프트(200) 또한 회전시킬 수 없기 때문에, 결국 연료극 배출밸브(10)의 수소 배출구(100b)가 차단된 상태를 유지하도록 한다.
이하, 도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 과압상태에서의 기구부를 보여주는 도면이고, 도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브에 대한 과압상태에서의 기구부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 기구부(300)는 수소 유입 경로(300a)를 통해 유입되는 수소의 압력이 증가됨에 따라 이동부(320)가 이동되도록 하고, 그에 따라 구동부(330)가 가이드 부재(220)를 가압하여 구동 샤프트(200)를 회전시킬 수 있다.
상기와 같은 동작을 위한 기구부(300)의 구조적인 설명은 도 3 내지 도 5를 참조한 상세한 설명을 통해 전술되었으므로, 본 실시예에서는 생략하기로 한다.
한편, 본 실시예에 따른 구동 샤프트(200)의 회전 이동 과정을 순차적으로 설명하면, 먼저 수소 유입 경로(300a)를 통해 높은 압력의 수소가 유입되게 되면, 이러한 수소의 과압에 의해 이동부(320)가 밀려나 이동영역(A) 내부에서 슬라이드 이동하게 된다.
그에 따라, 구동부(330) 또한 이동영역(A) 내부에서 슬라이드 이동하게 되고, 일단부가 이동영역(A)의 외부로 돌출되어 가이드 부재(220)를 가압하게 된다.
상기와 같이 구동부(330)의 가압에 의해 가이드 부재(220)가 회전하게 되면, 구동 샤프트(220) 또한 함께 회전하게 되고, 구동 샤프트(200)의 단부와 나사 결합된 개방부재(210)를 승강시키게 된다.
즉, 도 3을 참조하여 설명하면, 개방부재(210)는 구동 샤프트(200)의 단부와 나사 결합되는데, 만일 구동 샤프트(200)가 회전하게 되면, 이러한 회전에 의해 개방부재(210)가 승강하게 되고, 결국 연료극 배출밸브(10)의 수소 배출구(100b)가 개방되도록 한다.
따라서, 본 발명은 연료전지 스택(1)에서 배출되는 수소가 과압으로 수소 재순환라인(L2)을 따라 재순환되는 경우, 이러한 과압에 의해 이동부(320) 및 구동부(330)가 슬라이드 이동하도록 하고, 그에 따라 구동 샤프트(200)를 회전시켜 연료극 배출밸브(10)의 수소 배출구(100b)가 개방되도록 함으로써, 하나의 연료극 배출밸브(10)를 통해 수소에 대한 과압 해소와 퍼지를 동시에 수행할 수 있다.
본 발명은, 과압 발생에 따라 선택적으로 이동하는 로드를 구비하고, 이러한 로드가 밸브 본체의 로터를 회전시켜 밸브가 개방되도록 함으로써, 하나의 연료극 배출밸브를 통해 과압 해소와 수소 퍼지를 동시에 수행할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 과압 해소밸브의 구성을 연료극 배출밸브 내부에 포함시켜 기존의 수소 재순환라인에 별도로 설치된 과압 해소밸브를 삭제할 수 있기 때문에, 원가 절감을 가능하게 하는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
1 : 연료전지 스택 10 : 연료극 배출밸브
12 : 과압 해소밸브 20 : 이젝터
30 : 공기압축기 40 : 토션스프링
100 : 밸브 본체 100a : 수소 유입구
100b: 수소 배출구 200 : 구동 샤프트
210 : 개방부재 220 : 가이드 부재
300 : 기구부 300a : 수소 유입 경로
310 : 본체부 320 : 이동부
320a : 오링부재 330 : 구동부
340 : 탄성부재 A : 이동영역
L1 : 수소 퍼지라인 L2 : 수소 재순환라인

Claims (6)

  1. 연료전지 스택의 수소 재순환 라인에 설치되는 밸브 본체;
    상기 밸브 본체 내부에 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 수소 배출구를 선택적으로 개방하는 개방부재와 결합되는 구동 샤프트; 및
    상기 밸브 본체의 수소 유입구에 연결되어 수소 유입 경로를 형성하고, 상기 수소 유입 경로를 통해 유입되는 수소의 압력이 증가됨에 따라 동작하여 상기 구동 샤프트를 회전시키는 기구부;를 포함하고,
    상기 구동 샤프트는,
    상기 기구부의 단부와 접하도록 측방향을 따라 돌출 형성되고, 상기 기구부의 동작에 따른 회전경로를 가이드하는 가이드 부재를 구비하며,
    상기 기구부는,
    상기 수소 유입 경로를 형성하는 본체부;
    상기 수소 유입 경로와 연결된 이동영역에 설치되며, 상기 수소 유입 경로를 따라 이동하는 수소의 압력이 증가됨에 따라 슬라이드 이동하는 이동부; 및
    상기 이동부의 슬라이드 이동에 따라 함께 이동하여 상기 이동영역의 외부로 돌출되며, 상기 가이드 부재를 가압하여 상기 구동 샤프트를 회전시키는 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기구부는,
    상기 구동부의 외주면을 감싸도록 결합되며, 상기 이동영역의 내부에서 상기 구동부의 슬라이드 이동에 따른 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동부는,
    상기 수소 유입 경로를 따라 이동하는 수소에 의한 상기 이동 영역의 내부를 밀폐하도록 구비되는 오링부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 개방부재는,
    상기 구동 샤프트의 단부와 나사 결합되며,
    상기 구동 샤프트는, 상기 구동부의 동작에 따라 회전되어 상기 개방부재를 승강시키고, 상기 수소 배출구가 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료극 배출밸브.
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