KR101875632B1 - 연료전지 배출 수소 농도 저감장치 - Google Patents

Abstract

연료전지 배출 수소 농도 저감장치가 개시된다. 개시된 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출 가스를 배기 라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 촉매를 포함하며, 배기 라인과 연결되는 촉매 희석부와, ⅱ)촉매 희석부의 외측에 구비되며, 외부 공기를 촉매 희석부의 가스 배출 측으로 유도하는 공기 희석부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 배출 수소 농도 저감장치 {DEVICE FOR DECREASING HYDROGEN CONCENTRATION OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 실시 예는 연료전지 시스템의 배기 계통에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에서 공기와 함께 대기 중으로 방출되는 수소의 농도를 저감시키기 위한 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지로 공기와 수소를 공급하여 그 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

연료전지 시스템은 연료전지들이 적층된 스택, 연료전지들의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치, 연료전지들의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 그리고 연료전지들의 반응 부산물인 열과 물을 제거하며 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리장치를 구비하고 있다.

고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템은 스택으로 공급되는 반응기체를 가습하는 가습장치를 채용하고 있다.

가습장치는 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치로부터 공급되는 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급한다.

또한, 연료전지 시스템은 연료전지들의 연료극으로부터 배출되는 수소와 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 다시 연료극으로 공급하는 수소 재순환장치를 구비하고 있다.

한편, 연료전지 시스템의 운전 중 연료전지들의 연료극에서는 질소 및 수증기 등의 불순물이 누적되어 수소의 농도가 낮아지는데, 그 수소의 농도가 지나치게 낮아지는 경우, 연료전지 스택에서 셀 빠짐 등의 현상이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연료전지 시스템은 초기 시동 및 운전 시, 퍼지 밸브를 주기적으로 개방하며, 연료극으로부터 수소와 함께 불순물을 배출함으로써 그 연료극의 수소 농도를 일정 수준 이상으로 관리하고 있다.

여기서, 퍼지 밸브의 개방으로 연료극을 퍼지시키게 되면, 연료극에서는 불순물과 함께 수소를 배출하는데, 그 퍼지 가스는 공기극으로부터 배출되는 공기와 함께 가습장치로 유입된다.

그러면, 불순물 중의 수증기는 가습장치에서 연료전지의 전기 화학적인 반응에 필요한 반응기체의 가습원으로 사용되고, 수소와 질소 등의 가스는 공기와 함께 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출된다.

따라서, 이와 같은 수소 퍼지 방식은 연료극에서 배출되는 수소를 공기극으로부터 배출되는 공기와 혼합하며, 배기 계통을 통해 대기 중으로 배출함으로써 퍼지 수소 농도의 공기 희석 효과를 도모하고 있다.

더 나아가, 연료전지 시스템의 초기 시동 및 정지 시 또는 연료전지 시스템을 채용한 연료전지 차량의 아이들 조건(예를 들면, 연료전지 차량의 ISG 조건)에서는 연료전지들의 연료극에서 멤브레인을 통해 공기극으로 크로스 오버(cross over)된 상당한 양의 수소를 배출한다.

이러한 수소는 연료전지들의 공기극으로부터 공기와 함께 가습장치로 배출되고, 그 가습장치에서 공기에 의해 희석되며, 농도가 저감된 상태로 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출된다.

하지만, 종래 기술에서는 상술한 바와 같은 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 배출되는 수소를 공기극에서 배출되는 공기와 가습장치에서 혼합하며 수소의 농도를 일부 감소시키지만, 수소와 공기의 충분한 혼합 효과를 구현하기가 어려워 수소의 농도를 현저하게 감소시키지는 못하고 있는 실정이다.

따라서, 종래 기술에서는 연료전지 시스템에서 배출되는 수소의 농도를 효과적으로 감소시키지 못하고, 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 희석되지 않은 수소를 배출할 수 있는 조건이 충분히 존재하기 때문에, 설정된 범위를 초과하는 배출 수소의 농도에 의해 발화 및 폭발의 위험을 유발할 수 있다.

이를 방지하기 위해 연료전지 시스템에는 배기 계통을 통해 배출되는 수소의 농도를 일정 수준 이하로 낮춰 대기 중으로 방출하는 방안을 반드시 적용하여야 한다.

최근에 들어서는 연료전지 배출 수소에 의한 발화 및 폭발의 위험을 방지하기 위해, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 관련 법규에서 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 배출되는 수소의 농도를 최대 8% 미만 및 3초 평균 4% 미만으로 규제하고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키며, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있도록 한 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출 가스를 배기 라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 촉매를 포함하며, 상기 배기 라인과 연결되는 촉매 희석부와, ⅱ)상기 촉매 희석부의 외측에 구비되며, 외부 공기를 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측으로 유도하는 공기 희석부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 배기 라인을 통해 배출 가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때, 상기 촉매 희석부 및 공기 희석부는 상기 배기 라인의 후단 부 측에서 그 배기 라인의 도중에 장착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매 희석부는 상기 배기 라인 후단 부 측에서 그 배기 라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 유동 경로에 상기 촉매를 형성하고 있는 제1 관로부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 상기 제1 관로부재를 내부 중심에 두고 상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되며, 상기 제1 관로부재 외주와의 사이에 상기 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로를 형성하는 제2 관로부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 관로부재는 동심원을 형성하는 이중 관 형태로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 관로부재는 상기 제1 관로부재의 외주 면과 상기 제2 관로부재의 내주 면 사이에 상기 제2 유동 경로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 관로부재는 상기 배기 라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되며 상기 배출 가스를 유입하는 가스 유입 단과, 상기 제2 관로부재의 내부에 배치되며 상기 촉매를 거친 배출 가스를 배출하는 가스 배출 단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 가스 배출 단은 상기 배출 가스의 배출 방향으로 갈수록 그 단면 직경이 점차 작아지는 형상으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 관로부재는 상기 가스 유입 단 측에 위치하며 상기 제2 유동 경로로 외부 공기를 유입하는 공기 유입 단과, 상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되며 외부 공기를 상기 가스 배출 단 측으로 유도하는 공기 배출 단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 배기 라인을 통해 배출 가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때, 상기 촉매 희석부 및 공기 희석부는 일체로 구비되며, 상기 배기 라인의 후단에 장착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매 희석부는 상기 배기 라인의 후단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 유동 경로에 상기 촉매를 형성하고 있는 제1 관로부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 상기 제1 관로부재를 내부 중심에 두고 상기 제1 관로부재에 일체로 연결되며, 상기 제1 관로부재 외주와의 사이에 상기 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로를 형성하는 제2 관로부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 관로부재는 상기 배기 라인의 후단에 연결되며 상기 배출 가스를 유입하는 가스 유입 단과, 상기 제2 관로부재의 내부에 배치되며 상기 촉매를 거친 배출 가스를 배출하는 가스 배출 단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 관로부재는 상기 가스 유입 단 측에 위치하며 상기 제2 유동 경로로 외부 공기를 유입하는 공기 유입 단과, 대기와 연결되며 상기 외부 공기를 상기 가스 배출 단 측으로 유도하는 공기 배출 단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매는 백금 및 팔라듐을 포함하며, 상기 배출 가스 중의 수소 및 산소와 반응하여 열과 물을 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매는 상기 촉매 희석부의 배출 가스 유동 관로 단면적에 대응하는 단면적을 지니며, 상기 배출 가스를 유동시키는 다수 개의 격자 홀들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매는 상기 촉매 희석부의 배출 가스 유동 관로에서 그 관로 중심의 상측에 위치하며, 상기 배출 가스를 유동시키는 다수 개의 격자 홀들을 형성할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출 가스를 배기 라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 촉매를 포함하며, 상기 배기 라인의 후단 부 측에서 그 배기 라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되는 촉매 희석부와, ⅱ)상기 촉매 희석부를 내부에 두고 상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되며, 외부 공기를 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측으로 유도하는 공기 희석부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매 희석부는 상기 배기 라인의 내부 중심으로 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 상기 촉매 희석부 외주와의 사이로 외부 공기를 유입하며, 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측에서 상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단으로 연결되는 제2 유동 경로를 형성할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출 가스를 배기 라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 촉매를 포함하며, 상기 배기 라인의 후단에 연결되는 촉매 희석부와, ⅱ)상기 촉매 희석부를 내부에 두고 상기 촉매 희석부와 일체로 연결되며, 외부 공기를 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측으로 유도하는 공기 희석부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매 희석부는 상기 배기 라인의 내부 중심으로 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 상기 촉매 희석부 외주와의 사이로 외부 공기를 유입하며, 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측에서 대기 중으로 연결되는 제2 유동 경로를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 촉매 희석부를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 1차적으로 저감시키며, 공기 희석부를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 수소의 농도를 효과적으로 저감시킴으로써, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있고, 연료전지 차량의 배출 수소 저감 측면에서 경쟁적 우위를 확보할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 제1 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 제2 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 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 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템(1)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 예를 들면 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 구성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템(1)에 사용되는 연료를 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)로 정의할 수 있으며, 연료전지 시스템(1)에 사용되는 산화제를 공기로 정의할 수 있다.

이러한 연료전지 시스템(1)은 기본적으로, 연료전지 스택(2), 공기 공급유닛(3), 수소 공급유닛(4), 가습기(5), 수소 재순환유닛(6) 그리고 열/물 관리유닛(7)을 포함하고 있다.

연료전지 스택(2)은 멤브레인(도면에 도시되지 않음)과, 공기극(2a) 및 연료극(2b)을 포함하는 연료전지들(2c)의 전기 발생 집합체이다. 연료전지들(2c)은 연료극(2b)으로 수소를 공급받고, 공기극(2a)으로 공기를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

공기 공급유닛(3)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로 공급한다. 공기 공급유닛(3)은 공기 압축기 또는 공기 블로워를 포함할 수 있다. 수소 공급유닛(4)은 수소를 압축 저장하며 그 수소를 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로 공급하는 수소탱크를 포함할 수 있다.

가습기(5)는 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 수분을 함유하며 배출되는 배출공기를 이용하여, 공기 공급유닛(3)으로부터 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습공기를 공기극(2a)으로 공급하는 막-가습장치를 포함할 수 있다.

수소 재순환유닛(6)은 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출되는 수소를 연료극(2b)으로 재순환시키기 위한 것이다. 수소 재순환유닛(6)은 연료극(2b)으로부터 배출되는 배출수소와, 수소 공급유닛(4)으로부터 공급되는 공급수소를 이젝터 등을 통해 혼합하여 연료극(2b)으로 공급할 수 있다.

열/물 관리유닛(7)은 연료전지들(2c)의 전기 화학적인 반응 시 발생하는 부산물인 열과 물을 제거하며, 연료전지 스택(2)의 운전 온도를 제어하기 위한 것이다.

이러한 연료전지 시스템(1)의 각종 구성 요소들은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성 요소들의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기에서와 같은 연료전지 시스템(1)을 연료전지 차량에 채용한 경우, 연료전지 시스템(1)은 차량의 시동 시, 크로스 오버(cross over)로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출하고, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 퍼지 수소를 배출한다.

또한, 연료전지 시스템(1)은 차량의 주행 시, 퍼지 수소만을 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출하고, 차량의 정지 시 또는 아이들 시(예를 들면, ISG 조건 시), 크로스 오버로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출한다.

상기에서 크로스 오버 수소는 연료전지 시스템(1)의 운전 정지 시, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)에 존재하는 수소의 잔압에 의해 멤브레인을 통해 공기극(2a)으로 크로스 오버된 수소로 정의할 수 있다.

그리고 퍼지 수소는 연료전지 시스템(1)의 운전 중, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)에 누적된 질소 및 수증기 등의 불순물을 제거하기 위해, 퍼지 밸브(8)의 작동으로서 불순물과 함께 연료극(2b)으로부터 배출되는 수소로 정의할 수 있다.

이와 같이 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소 또는 공기를 함유한 수소는 일 예로서 가습기(5)로 공급되며, 그 가습기(5)로부터 공기와 함께 배출되는데, 공기에 의해 희석되며 수소의 농도가 일부 저감된 상태로 배출된다.

즉, 차량의 시동 시, 주행 시 및 정지 시 또는 아이들 시, 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소는 그 연료전지들(2c)에서 배출되는 공기와 함께 가습기(5)로 유입되며, 공기에 의해 수소의 농도가 일부 저감된 상태로 배출될 수 있다.

이에, 연료전지 시스템(1)에는 가습기(5)를 통하여 배출되는 가스(수소와 공기를 함유한 가스로서, 이하에서는 "배출 가스" 라고 한다)를 대기 중으로 방출하기 위한 배기 계통(9)을 포함하고 있다. 여기서, 배출 가스는 수소와 공기 외에 물과 수증기를 포함하고 있다.

상기한 배기 계통(9)은 차량의 하부 구조에 전방에서 후방으로 설치되는 배기 라인(9a)을 포함한다. 배기 라인(9a)은 배출 가스를 차량의 전방에서 후방으로 유동시키며 대기 중으로 방출한다.

더 나아가, 배기 라인(9a)은 배출 가스를 유동시키는 배기 파이프로 구비되며, 그 배기 라인(9a)의 도중에는 배기 소음을 저감시키는 소음기, 수소의 농도를 감지하는 센서 등과 같은 각종 부품들이 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)에 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예는 배기 계통(9)을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키며, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 제1 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 제2 단면 구성도이다.

도 1과 함께 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 기본적으로, 촉매 희석부(20) 및 공기 희석부(60)를 포함하고 있다.

상기에서와 같은 촉매 희석부(20) 및 공기 희석부(60)를 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 라인(9a)의 후단 부 측에서 그 배기 라인(9a)의 도중에 장착될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 배기 라인(9a)의 후단 부 측에 구성하는 이유는, 배기 라인(9a)을 따라 유동하는 배출 가스 중의 수분이 응축된 응축수를 용이하게 배출함으로써 동절기에 배기 라인(9a)의 도중에서 응축수가 빙결되는 것을 방지하기 위함이다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 배기 라인(9a)의 후단 부 측에 구성하는 다른 이유는, 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스 중의 수소와 외부 공기의 희석 성능을 극대화하기 위함이다.

여기서, 배기 라인(9a)의 도중이라 함은 전체 배기 라인(9a)에서 후단 부 측의 일 부분(11)과, 그 일 부분(11)을 제외한 나머지 부분(12) 사이의 영역으로 정의할 수 있다. 상기한 일 부분(11)과 나머지 부분(12)은 차량의 하부 구조에 고정되게 설치된다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 라인(9a)의 일 부분(11)과 나머지 부분(12) 사이의 영역에 장착되며, 그 일 부분(11)과 나머지 부분(12)을 상호 연결한다.

이하에서는 배기 라인(9a)의 도중에서 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)와 연결되는 나머지 부분(12)의 연결 단을 전방 측 연결 단(13)이라 한다. 그리고 배기 라인(9a)의 도중에서 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)와 연결되는 일 부분(11)의 연결 단을 후방 측 연결 단(14)이라 한다.

더 나아가, 상기에서의 "단"은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(단부)으로 정의될 수도 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 후자로 정의하기로 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 촉매 희석부(20)는 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로서 희석하기 위한 것이다.

상기 촉매 희석부(20)는 배기 라인(9a)의 후단 부 측에서 그 배기 라인(9a) 도중의 전방 측 연결 단 즉, 위에서 언급한 바 있는 나머지 부분(12)의 전방 측 연결 단(13)에 장착된다. 이러한 촉매 희석부(20)는 제1 관로부재(21) 및 촉매(31)를 포함한다.

상기 제1 관로부재(21)는 배출 가스의 스트림을 형성하는 파이프로 구비되며, 더욱 상세하게는 양단이 개방된 원형 단면의 파이프로 구비된다. 상기 제1 관로부재(21)는 나머지 부분(12)의 전방 측 연결 단(13)에 연결된다.

상기 제1 관로부재(21)는 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로(23)를 형성하고 있다. 이러한 제1 관로부재(21)는 상기 나머지 부분(12)을 통해 배출되는 배출 가스를 제1 유동 경로(23)로 유입하는 가스 유입 단(25)을 형성하고 있다. 상기 가스 유입 단(25)은 제1 관로부재(21)의 개방된 전단으로서 나머지 부분(12)의 전방 측 연결 단(13)에 연결된다.

그리고, 상기 제1 관로부재(21)는 뒤에서 더욱 설명될 촉매(31)를 거친 배출 가스를 배출하는 가스 배출 단(27)을 형성하고 있다. 상기 가스 배출 단(27)은 제1 관로부재(21)의 개방된 후단으로서 뒤에서 더욱 설명될 공기 희석부(60)와 연결된다.

여기서, 상기 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27)은 배출 가스의 배출 방향으로 갈수록 그 단면 직경이 점차 작아지는 테이퍼 형상으로 구비된다. 즉, 상기 제1 관로부재(21)는 가스 유입 단(25)에서 배출 가스의 유동 방향으로 일정 구간 단면 직경이 일정하고, 그 구간의 끝단에서 배출 가스의 유동 방향으로 갈수록 단면 직경이 점차 작아지는 형상으로 구비될 수 있다.

상기에서 촉매(31)는 제1 관로부재(21)의 제1 유동 경로(23)를 따라 유동하는 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로서 희석하기 위한 것이다. 상기 촉매(31)는 제1 관로부재(21)의 제1 유동 경로(23)에 형성된다.

상기 촉매(31)는 제1 관로부재(21)의 배출 가스 유동 관로 단면적에 대응하는 단면적을 지니며, 제1 유동 경로(23)에서 제1 관로부재(21)의 가스 유입 단(25) 및 가스 배출 단(27) 사이의 전체 영역 또는 일부 영역에 형성된다.

상기 촉매(31)는 제1 유동 경로(23)를 따라 유동하는 배출 가스 중의 수소 및 산소와 촉매 반응하며 열과 물을 생성함으로써 수소의 농도를 저감시키는 기능을 하게 된다.

상기 촉매(31)는 배출 가스 중의 수소를 수소 이온과 전자로 분리하고, 그 분리된 수소 이온 및 전자와 공기 중의 산소를 반응케 하여 열과 물을 생성하는 발열반응이 이루어진다.

상기 촉매(31)는 담체(33)에 촉매 물질(도면에 도시되지 않음)이 담지된 것으로, 그 담체(33)에는 배출 가스가 통과하는 격자 홀들(35)이 형성된다. 여기서, 상기 격자 홀들(35)은 제1 유동 경로(23)를 따라 배열되며, 사각 격자, 육각 격자 또는 삼각 격자 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 촉매 물질은 백금 및 팔라듐을 포함할 수 있다.

상기와 같이 격자 홀들(35)의 형상을 다양하게 변형함으로써, 본 발명의 실시 예에서는 촉매 물질의 사용량을 감소시킬 수 있고, 수소의 촉매 희석 반응효율을 극대화시킬 수 있다.

이러한 촉매(31)는 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나며, 열과 물을 생성하는 공지 기술의 금속 수소화물(metal hydride)과 같은 촉매로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 조성 및 구조의 설명은 생략하기로 한다.

상기한 바와 같은 촉매(31)는 제1 유동 경로(23)를 따라 유동하는 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 기능 외에, 배기 라인(9a)을 따라 흐르는 배출 가스의 배기 소음을 저감시키는 소음기로서의 기능도 하게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 공기 희석부(60)는 외부 공기를 촉매 희석부(20)의 가스 배출 측, 즉 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27) 측으로 유도하여 제1 관로부재(21)에서 배출되는 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하기 위한 것이다.

더 나아가, 상기 공기 희석부(60)는 촉매 희석부(20)의 촉매(31)에 의한 배출 가스의 촉매 반응 시, 그 촉매(31)의 발열 반응에 의해 순간적으로 상승하며 제1 관로부재(21)에서 배출되는 배출 가스의 온도 및 제1 관로부재(21)의 온도를 외부 공기로서 낮추어 주는 기능도 하게 된다.

상기 공기 희석부(60)는 촉매 희석부(20)를 내부에 두고 배기 라인(9a) 도중의 후방 측 연결 단 즉, 위에서 언급한 바 있는 일 부분(11)의 후방 측 연결 단(14)에 장착된다. 이러한 공기 희석부(60)는 촉매 희석부(20)의 외측에 구비되는 제2 관로부재(61)를 포함한다.

상기 제2 관로부재(61)는 제1 관로부재(21) 외주와의 사이에 외부 공기의 스트림을 형성하는 파이프로 구비되며, 더욱 상세하게는 양단이 개방된 원형 단면의 파이프로 구비된다. 상기 제2 관로부재(61)는 제1 관로부재(21)를 내부 중심에 두고 일 부분(11)의 후방 측 연결 단(14)에 연결된다.

상기 제2 관로부재(61)는 제1 관로부재(21) 외주와의 사이에 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로(63)를 형성하고 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 관로부재(21, 61)는 동심원을 형성하는 이중 관 형태로 구비되며, 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면 사이에 제2 유동 경로(63)를 형성할 수 있다.

여기서, 상기 제2 유동 경로(63)는 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면 사이에서 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27)으로 연결되며, 일 부분(11)의 후방 측 연결 단(14)으로 연결되는 외부 공기의 스트림을 형성한다.

이러한 제2 관로부재(61)는 외부 공기를 제2 유동 경로(63)로 유입하는 공기 유입 단(65)을 형성하고 있다. 상기 공기 유입 단(65)은 제2 관로부재(61)의 개방된 전단으로서 제1 관로부재(21)의 가스 유입 단(25) 측에 위치하며, 대기와 연결된다.

그리고, 상기 제2 관로부재(61)는 외부 공기를 제2 유동 경로(63)를 통해 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27) 측으로 유도하며, 위에서 언급한 바 있는 일 부분(11)으로 배출하는 공기 배출 단(67)을 형성하고 있다. 상기 공기 배출 단(67)은 제2 관로부재(61)의 개방된 후단으로서 일 부분(11)의 후방 측 연결 단(14)에 연결된다.

여기서, 상기 제2 관로부재(61)의 공기 배출 단(67)은 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27)에 대응하여 배출 가스의 배출 방향으로 갈수록 그 단면 직경이 점차 작아지는 형상으로 구비된다. 즉, 상기 제2 관로부재(61)는 공기 유입 단(65)에서 외부 공기의 유동 방향으로 일정 구간 단면 직경이 일정하고, 그 구간의 끝단에서 외부 공기의 유동 방향으로 갈수록 단면 직경이 점차 작아지는 형상으로 구비될 수 있다.

상기에서 제2 유동 경로(63)를 통한 외부 공기의 스트림은 제2 관로부재(61)의 공기 유입 단(65)과, 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27) 사이의 압력 차이에 의해 형성될 수 있다.

즉, 상기 제1 관로부재(21) 내부의 촉매(31)를 통과하며 가스 배출 단(27)으로 배출되는 배출 가스의 압력이 공기 유입 단(65) 측의 대기압 보다 크기 때문에, 외부 공기는 베르누이의 원리에 의해 공기 유입 단(65)으로 유입되며, 제2 유동 경로(63)를 따라 가스 배출 단(27)으로 흐르는 스트림을 형성할 수 있다.

더 나아가, 상기 제2 관로부재(61)의 공기 유입 단(65)으로 유입되는 외부 공기의 유입량은 가스 배출 단(27)의 단면 직경 사이즈를 가변하며 그 가스 배출 단(27) 측에서의 압력을 조정함으로써 조절될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 앞서 개시한 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 연료전지 시스템(1)은 차량의 시동 시, 크로스 오버(cross over)로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출하고, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 퍼지 수소를 배출한다.

또한, 연료전지 시스템(1)은 차량의 주행 시, 퍼지 수소만을 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출하고, 차량의 정지 시 또는 아이들 시(예를 들면, ISG 조건 시), 크로스 오버로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출한다.

이와 같은 차량 조건의 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소는 가습기(5)로 공급되며, 그 가습기(5)로부터 공기와 함께 배출되는데, 공기에 의해 희석되며 수소의 농도가 일부 저감된 상태로 배출될 수 있다.

한편, 상기 가습기(5)로부터 배출되는 배출 가스(수소와 공기를 함유한 가스)는 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)을 따라 유동하며 대기 중으로 방출되는데, 이러는 과정에 본 발명의 실시 예에서 배출 가스는 도 4에서와 같이, 촉매 희석부(20)의 제1 관로부재(21)의 가스 유입 단(25)으로 유입된다.

이렇게 가스 유입 단(25)으로 유입된 배출 가스는 제1 관로부재(21)의 제1 유동 경로(23)를 따라 유동하며 촉매(31)의 격자 홀들(35)을 통과한다. 이 과정에 상기 촉매(31)는 배출 가스 중의 수소를 수소 이온과 전자로 분리하고, 그 분리된 수소 이온 및 전자 그리고 공기 중 산소의 발열 반응으로 물과 열을 생성한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 배출 가스 중의 수소와 산소를 촉매(31)의 촉매 반응으로서 물로 변환하며 그 수소를 희석함으로써 배출 가스에 함유된 수소의 농도를 1차적으로 저감시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 배기 라인(9a)을 따라 배출되는 배출 가스의 압력을 촉매(31)를 통해 분산시킴으로써 그 배출 가스의 배기 소음을 저감시킬 수도 있다.

상기와 같이 배출 가스 중의 수소 농도가 촉매 희석부(20)를 통해 1차적으로 저감된 상태에서, 그 배출 가스는 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27)을 통해 배출된다.

이러는 과정에 본 발명의 실시 예에서는 가스 배출 단(27)을 통해 배출되는 배출 가스의 압력이 제2 관로부재(61)의 공기 유입 단(65) 측의 대기압 보다 크기 때문에, 그 공기 유입 단(65)과 가스 배출 단(27) 측의 압력 차이에 의해 외부 공기를 공기 유입 단(65)으로 유입할 수 있다.

상기 공기 유입 단(65)으로 유입된 외부 공기는 제1 및 제2 관로부재(21, 61) 사이의 제2 유동 경로(63)를 따라 가스 배출 단(27)으로 흐르는 스트림을 형성하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 외부 공기를 제2 유동 경로(63)를 통해 가스 배출 단(27) 측으로 유도하며, 그 가스 배출 단(27)을 통해 배출되는 배출 가스와 외부 공기를 혼합함으로써, 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하며 수소의 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 외부 공기를 제2 유동 경로(63)를 통해 가스 배출 단(27) 측으로 유도함으로써, 촉매(31)의 발열 반응에 의해 순간적으로 상승하며 제1 관로부재(21)에서 배출되는 배출 가스의 온도 및 제1 관로부재(21)의 온도를 낮출 수 있다.

이와 같이 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27) 측에서 배출 가스와 외부 공기를 혼합하며 배출 가스 중의 수소 농도를 2차적으로 저감시킨 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 그 수소 농도가 2차적으로 저감된 배출 가스를 배기 라인(9a)의 일 부분(11)을 통해 대기 중으로 방출한다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)에 의하면, 촉매 희석부(20)를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 1차적으로 저감시키며, 공기 희석부(60)를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템(1)의 배기 계통(9)을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 수소의 농도를 효과적으로 저감시킴으로써, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있고, 연료전지 차량의 배출 수소 저감 측면에서 경쟁적 우위를 확보할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)는 전기 실시 예의 구성을 기본으로 하면서, 배기 라인(9a)의 후단(15)(후방 맨 끝)에 구성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서 촉매 희석부(20)와 공기 희석부(60)는 배기 라인(9a)의 후단(15)에 장착된다. 상기 촉매 희석부(20)는 배기 라인(9a)의 후단(15)에 연결된다. 그리고 상기 공기 희석부(60)는 촉매 희석부(20)를 내부에 두고 그 촉매 희석부(20)와 일체로 연결된다.

본 발명의 실시 예에서 상기 촉매 희석부(20)는 전기 실시 예에서와 같이, 제1 관로부재(21)에 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로(23)를 형성하고, 제1 유동 경로(23)에 촉매(31)를 형성하고 있으며, 제1 관로부재(21)의 양단에 가스 유입 단(25)과 가스 배출 단(27)을 형성하고 있다. 여기서, 상기 가스 유입 단(25)은 배기 라인(9a)의 후단(15)에 연결된다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 상기 공기 희석부(60)는 전기 실시 예에서와 같이, 제2 관로부재(61)의 내부 중심에 제1 관로부재(21)를 두고 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로(63)를 형성하고 있으며, 제2 관로부재(61)의 양단에 공기 유입 단(65)과 공기 배출 단(67)을 형성하고 있다. 상기 제2 유동 경로(63)는 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면 사이에 형성된다.

여기서, 상기 공기 유입 단(65)은 제1 관로부재(21)의 가스 유입 단(25) 측에서 대기와 연결되며, 공기 배출 단(67)은 제1 관로부재(21)의 가스 배출 단(27) 측에서 대기와 연결된다.

상기 제2 유동 경로(63)는 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면 사이에서, 제2 관로부재(61)의 공기 유입 단(65)과 대기를 연결하며, 제2 관로부재(61)의 공기 배출 단(67)과 대기를 연결하는 외부 공기의 스트림을 형성한다.

그리고, 상기 제2 관로부재(61)는 내부 중심에 제1 관로부재(21)를 두고 그 제1 관로부재(21)와 일체로 연결된다. 이에 상기 제1 및 제2 관로부재(21, 61)는 동심원 형태로 구비되며, 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면 사이에 제2 유동 경로(63)를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 및 제2 관로부재(21, 61)는 연결핀과 같은 연결부재(71)를 통해 일체로 연결되는 바, 예를 들면 상기 연결부재(71)는 제1 관로부재(21)의 외주 면과 제2 관로부재(61)의 내주 면을 일체로 연결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전기 실시 예에서와 같이 촉매 희석부(20)를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 1차적으로 저감시키고, 공기 희석부(60)를 통해 배출 가스 중의 수소 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시 예에서는 수소 농도가 2차적으로 저감된 배출 가스를 제2 관로부재(61)의 공기 배출 단(67)을 통해 대기 중으로 방출한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예에서와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(300)는 전기 실시 예들의 구성을 기본으로 하며, 배출 가스 유동 관로에서 그 관로 중심의 상측에 촉매(31)를 형성하는 촉매 희석부(20)를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 촉매(31)는 제1 관로부재(21)의 제1 유동 경로(23)에서 그 유동 경로의 상측에 위치하며, 다수 개의 격자 홀들(35)을 형성하고 있다.

즉, 상기 촉매(31)는 제1 유동 경로(23)의 배출 가스 유동 관로 단면에서 그 유동 관로 중심에 상측에 대응하는 반원형의 단면적을 지니며, 제1 관로부재(21)의 가스 유입 단(도면에 도시되지 않음) 및 가스 배출 단(도면에 도시되지 않음) 사이의 전체 영역 또는 일부 영역에 형성될 수 있다.

이와 같이 상기 촉매(31)를 제1 관로부재(21)에서 제1 유동 경로(23)의 상측에 구성하는 이유는, 제1 유동 경로(23)를 따라 유동하는 배출 가스 중의 수소 농도가 그 배출 가스의 스트림 하측 부 보다 상측 부에서 상대적으로 높기 때문이다.

여기서, 배출 가스의 스트림 하측 부 보다 상측 부에서 배출 가스 중의 수소 농도가 상대적으로 높게 나타나는 이유는, 배출 가스 중의 수소 비중이 공기의 비중 보다 작아 제1 유동 경로(23)의 상측에서 수소 입자들이 뭉치기 때문이다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 촉매(31)를 제1 관로부재(21)에서 제1 유동 경로(23)의 상측에 구성함에 따라, 촉매(31)의 사용량을 줄이면서 수소의 촉매 희석 반응효율을 극대화시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 촉매(31)를 제1 관로부재(21)에서 제1 유동 경로(23)의 상측에 구성함으로써, 가습기를 통하여 배출 가스를 유동시키는데 따른 공기 공급 계통 내의 차압 증가를 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 공기 공급 계통 내의 차압이 증가함에 따라 공기 공급유닛의 소모 동력이 증가하고, 이로 인해 연료전지 시스템의 효율 측면에서 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(300)의 나머지 구성들 및 작용 효과는 전기 실시 예들에서와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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

1... 연료전지 시스템 2... 연료전지 스택
2a... 공기극 2b... 연료극
2c... 연료전지 3... 공기 공급유닛
4... 수소 공급유닛 5... 가습기
6... 수소 재순환유닛 7... 열/물 관리유닛
8... 퍼지밸브 9... 배기 계통
9a... 배기 라인 11... 일 부분
12... 나머지 부분 13... 전방 측 연결 단
14... 후방 측 연결 단 15... 후단
20... 촉매 희석부 21... 제1 관로부재
23... 제1 유동 경로 25... 가스 유입 단
27... 가스 배출 단 31... 촉매
33... 담체 35... 격자 홀
60... 공기 희석부 61... 제2 관로부재
63... 제2 유동 경로 65... 공기 유입 단
67... 공기 배출 단 71... 연결부재

Claims (20)

1. 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출 가스를 배기 라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서,
   상기 배출 가스 중의 수소를 촉매 반응으로 희석하는 촉매를 포함하며, 상기 배기 라인과 연결되는 촉매 희석부; 및
   상기 촉매 희석부의 외측에 구비되며, 외부 공기를 상기 촉매 희석부의 가스 배출 측으로 유도하는 공기 희석부;
   를 포함하고,
   상기 촉매는 상기 촉매 희석부의 배출 가스 유동 관로에서 그 관로 중심의 상측에 위치하며, 상기 배출 가스를 유동시키는 다수 개의 격자 홀들을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 배기 라인을 통해 배출 가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때,
   상기 촉매 희석부 및 공기 희석부는 상기 배기 라인의 후단 부 측에서 그 배기 라인의 도중에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 촉매 희석부는,
   상기 배기 라인 후단 부 측에서 그 배기 라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 유동 경로에 상기 촉매를 형성하고 있는 제1 관로부재
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 공기 희석부는,
   상기 제1 관로부재를 내부 중심에 두고 상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되며, 상기 제1 관로부재 외주와의 사이에 상기 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로를 형성하는 제2 관로부재
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 관로부재는,
   동심원을 형성하는 이중 관 형태로 구비되며,
   상기 제1 관로부재의 외주 면과 상기 제2 관로부재의 내주 면 사이에 상기 제2 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 관로부재는,
   상기 배기 라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유입하는 가스 유입 단과,
   상기 제2 관로부재의 내부에 배치되며, 상기 촉매를 거친 배출 가스를 배출하는 가스 배출 단
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 가스 배출 단은,
   상기 배출 가스의 배출 방향으로 갈수록 그 단면 직경이 점차 작아지는 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 제2 관로부재는,
   상기 가스 유입 단 측에 위치하며 상기 제2 유동 경로로 외부 공기를 유입하는 공기 유입 단과,
   상기 배기 라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되며, 외부 공기를 상기 가스 배출 단 측으로 유도하는 공기 배출 단
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 배기 라인을 통해 배출 가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때,
   상기 촉매 희석부 및 공기 희석부는 일체로 구비되며, 상기 배기 라인의 후단에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매 희석부는,
    상기 배기 라인의 후단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유동시키는 제1 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 유동 경로에 상기 촉매를 형성하고 있는 제1 관로부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 공기 희석부는,
    상기 제1 관로부재를 내부 중심에 두고 상기 제1 관로부재에 일체로 연결되며, 상기 제1 관로부재 외주와의 사이에 상기 외부 공기를 유동시키는 제2 유동 경로를 형성하는 제2 관로부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 관로부재는,
    상기 배기 라인의 후단에 연결되며, 상기 배출 가스를 유입하는 가스 유입 단과,
    상기 제2 관로부재의 내부에 배치되며, 상기 촉매를 거친 배출 가스를 배출하는 가스 배출 단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 관로부재는,
    상기 가스 유입 단 측에 위치하며 상기 제2 유동 경로로 외부 공기를 유입하는 공기 유입 단과,
    대기와 연결되며, 상기 외부 공기를 상기 가스 배출 단 측으로 유도하는 공기 배출 단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
14. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매는 백금 및 팔라듐을 포함하며, 상기 배출 가스 중의 수소 및 산소와 반응하여 열과 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
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