KR101988054B1 - 통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템 - Google Patents

통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 스택(10), 워터 트랩(50) 및 상기 스택(10)에 연결되어 스택으로부터 배출되는 질소, 물 또는 미반응 수소를 워터 트랩(50)에 공급하는 공용 분배기(40)를 포함하는 연료 전지의 배출 시스템에 있어서, 상기 워터 트랩(50)에 연결되어 상기 질소, 물 및 미반응 수소를 동시에 배출 가능한 통합 배기 밸브(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 배출 시스템이다.

Description

통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템 {FUEL CELL EXHAUST SYSTEM INCLUDING MULTI-FUNCTIONAL EXHAUST VALVE}
본 발명은 연료 전지 스택의 퍼지 밸브 및 워터 드레인 밸브를 통합한 배기 밸브에 관한 것으로, 특히 모터에 의하여 구동되는 3-웨이 밸브에 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, 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체
(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 '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 수소이온(proton, H+ )과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
이와 같은 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] 2H2 → 4H + + 4e-
[캐소드에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다.
발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.
상기 환원극 반응을 위해 수소이온은 전해질막을 통과해 지나가야만 하는데, 이때 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응기체와 막을 가습하게 된다.
가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 전해질막이 말라 버리며, 이에 연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 전해질막이 습하게 유지되어야 한다. 막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.
연료전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는데, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료전지로 공급되기 전에 공기는 원활한 작동을 위해서 충분히 가습된다.
한편, 연료전지 차량에서 스택의 운전에 따라 연료전지반응의 산화제로 사용한 공기 중의 질소와 캐소드(공기극)에서 생성된 생성수들이 전해질막을 통해 크로스 오버되어 애노드(수소극) 측으로 이동해 온다.
이때 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 통상 연료전지 시스템에는 수소 퍼지를 위한 장치가 구비된다.
첨부한 도 1은 종래기술에 따른 수소 퍼지 장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도로서, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기(산소)공급장치(30), 연료전지 스택(10)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS), 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
여기서 수소공급장치(20)는 수소탱크, 고압(미도시)/저압 레귤레이터(21), 수소 재순환 장치(22) 등을 포함하고, 공기공급장치(30)는 공기블로워(31), 가습기(32) 등을 포함하며, 열 및 물 관리계는 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.
상기 수소공급장치(20)의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 고압/저압 레귤레이터(21)를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 공용분배기(40)를 통해 연료전지 스택(10)으로 공급되며, 수소 재순환 장치(22)에서는 재순환 라인(23)에 블로워(24)를 설치하여 스택(10)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
여기서 상기 공용분배기(40)는 수소, 공기, 냉각수의 공급 및 배기 시스템과 분리판의 매니폴드를 연결시켜 주어, 스택을 구성하는 각 단위 셀에 효율적으로 수소, 공기, 냉각수를 공급하고 배출해주는 역할을 한다. 도 1 을 참조하면, 수소공급장치(20)/공기공급장치(30)와 스택(10) 사이에 위치된 공용분배기(40)에 수소 및 공기 유로가 형성됨을 볼 수 있다.
상기 공용분배기(40)에는 수소극에서 생성된 응축수를 제거하기 위한 워터트랩(50)이 연결되어 구비되며, 스택 (10)에서 공용분배기(40)를 통해 나온 미반응 수소, 질소, 수증기를 포함한 혼합가스가 워터트랩(50)을 거친 뒤 다시 공용분배기(40)를 통해 수소공급장치(20)의 수소 재순환 라인(23)으로 이동하게 된다.
이때 워터트랩(50)에서는 혼합가스에 함유된 물이 분리되어 모이게 되며, 액체가 제거된 혼합가스가 수소 재순환 블로워(24)에 의해 재순환되어, 수소탱크에서 공급된 수소와 섞인 뒤 연료전지 스택(10)에 재투입된다.
또한 워터트랩(50)에서는 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥쪽의 워터 드레인 밸브(51)가 열리면서 물의 방출이 이루어지며 상기 질소 및 미반응된 수소의 일부는 수소 퍼지 밸브를 통해 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 분리판의 액체들을 제거하고 수소 이용률을 높이게 된다.
상기와 같이 공용분배기(40)는 연료전지 스택(10)과 수소공급장치(20), 공기공급장치(30), 워터트랩(50) 사이에 위치되어 이들 장치의 유체 통로를 서로 연결하는 역할을 하며, 내부 유로를 통해 공기와 수소, 혼합가스를 정해진 장치로 적절히 분배하게 된다.
통상 수소 퍼지 밸브(25)는 수소 재순환 라인(23)에서 재순환 블로워(24) 전단 위치에 설치하고 이 수소 퍼지 밸브(25)를 통해 배출된 수소가 퍼지 라인(26)을 따라 가습기(32)로 이동하도록 하여 수소 퍼지 장치를 구성한다.
종래에는 수소 퍼지 밸브(25)를 솔레노이드 타입으로 구성하고 스택 내 분리판과는 거리가 멀게 설치하기 때문에 혼합가스 퍼지 효과가 크지 않은 문제점이 있으며, 워터 드레인 밸브(51)는 워터 트랩 내 수증기의 배출이 힘든 구조로 스택 전류의 출력이 높을 시에 생성되는 대량의 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 없으며 솔레노이드 타입 적용시, 밸브 출력이 높지 않은 관계로 저온 상태에서 밸브가 작동하지 않을 가능성이 높았다.
본 발명은 종래 퍼지 밸브가 스택 내 분리판과의 거리가 멀어 퍼지효과가 감소되는 문제와 워터 트랩 내에서 수증기 배출이 힘든 구조와 솔레노이드 타입의 드레인 밸브가 출력이 높지 않아 저온 상태에서 결빙에 의해 밸브가 작동하지 않는 문제점을 해결하고자 한다.
본원 발명은 스택(10), 워터 트랩(50) 및 상기 스택(10)에 연결되어 스택으로부터 배출되는 질소, 물 또는 미반응 수소를 워터 트랩(50)에 공급하는 공용 분배기(40)를 포함하는 연료 전지의 배출 시스템에 있어서, 상기 워터 트랩(50)에 연결되어 상기 질소, 물 및 미반응 수소를 동시에 배출 가능한 통합 배기 밸브(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 배출 시스템이다.
또한, 본 발명의 상기 통합 배기 밸브(60)는 바람직하게는 가스 배기 배관(71), 물 배출 배관(72) 및 가스 및 물 배출 통로(73)를 포함하여, 워터 트랩(71)의 가스는 가스 배기 배관(71)에 의해 배출되고 물은 물 배출 배관(72)을 통하여 배출된다.
또한, 본 발명의 상기 통합 배기 밸브(60)는 바람직하게는 모터에 의하여 구동될 수 있다.
또한, 본 발명의 통합 배기 밸브(60)는 바람직하게는 모터, 상기 모터에 의해 구동되는 기어, 상기 기어의 구동에 의하여 작동되는 스템을 포함하며, 상기 모터가 작동하면 스템에 의하여 가스 배기 배관(71) 및 물 배출 배관(72) 및 가스 및 물 배출 통로(73)가 선택적으로 개폐되어 가스 또는 물만이 배출되거나 가스 및 물이 동시에 배출가능하다.
또한, 본 발명의 통합 배기 밸브(60)는 바람직하게는 가스 배기 배관(71), 물 배출 배관(72) 및 가스 및 물 배출 통로(73)의 3웨이 밸브이다.
또한, 본 발명의 워터 트랩((50)은 추가로 부표(52)를 포함하여, 상기 부표(52)의 상태에 따라 통합형 배기 밸브(70)의 가스 배기 배관(71) 및 물 배출 배관(72)의 개폐를 제어할 수 있다.
본 발명은 종래의 퍼지 밸브와 워터 드레인 밸브의 기능을 통합하여 하나의 통합형 퍼지 밸브를 개발하여, 수소 라인 패키지 사이즈를 감소시키고 밸브 배출 효과를 극대화시켰다.
또한, 스택 내 분리판과 통합형 퍼지 밸브의 퍼지 라인 사이의 거리를 축소하여 혼합가스 퍼지 효과를 최적화시키고, 워터트랩 내의 수증기 또한 함께 배출하여 축적되는 응축수의 양을 줄였으며, 분리판에 수증기 상태의 가스가 유입되어 액적 현상이 발생하는 것을 최소화시킬 수 있도록 하였다.
도 1은 종래 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래 연료전지시스템의 밴트 라인 구성도이다.
도 3은 종래 연료전지시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 의한 통합형 배기 밸브를 포함하는 연료전지 시스템의 밴트라인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 물 배출 배관(72)이 차단되는 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 가스 배기 배관(71)이 차단되는 상태를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 3은 종래 연료전지 시스템의 구성도로서 차량의 운전시에 수소는 수소 공급 장치(20)에서 이젝터(60)를 통해 스택(10)으로 공급되며 스택(10)에서 재순환되는 수소는 수소 공급 장치(20)으로부터 공급되는 수소와 이젝터(60)에 의해 혼합하여 스택(10)에 공급된다.
공기 공급 장치(30)에서의 산소를 포함하는 공기는 가습기(32)에 의해 가습되어 스택(10)에 공급된다.
수소는 수소극(산화극)에서 전자를 잃고 수소이온이 되며, 공기에 포함된 산소는 산소극(환원극)에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자와 반응하여 물을 생성한다.
스택(10)에서 생성된 물과 공기중에 포함된 질소 및 재순환되지 않은 미반응 수소는 공용분배기(40)을 통해 워터 트랩(50)으로 공급되고 물은 워터 드레인 밸브(51)에 의해 질소 및 재순환되지 않는 미반응 수소는 퍼지 밸브를 통해 외부로 배출된다.
이러한, 구조의 종래 시스템에서는 퍼지 밸브와 스택의 거리가 멀고, 워터 드레인 밸브에서 수증기의 배출이 용이하지 않고, 솔레노이드 밸브의 특성상 냉시동시 작동이 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 종래의 퍼지 밸브와 워터 드레인 밸브의 기능을 통합하여 하나의 통합형 퍼지 밸브를 고안하였다. 이로 인하여, 수소 라인 패키지 사이즈를 감소시키어 밸브 배출 효과를 극대화시키며, 스택 내 분리판과 통합형 퍼지 밸브의 퍼지 라인 사이의 거리를 축소하여 혼합가스 퍼지 효과를 최적화시키고, 워터트랩 내의 수증기 또한 함께 배출하여 축적되는 응축수의 양을 줄일 수 있으며, 분리판에 수증기 상태의 가스가 유입되어 액적 현상이 발생하는 것을 최소화시킬 수 있도록 하였다.
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템 구성도로서, 본 발명은 종래 발명과 비교하여 공용분배기(40)에 워터트랩(50)이 연결되고 워터 트랩(50)에는 통합 배기 밸브(60)를 설치하여 스택(10)에서 배출되는 질소, 물 및 미반응된 수소를 동시에 배출하도록 하였다.
도 5는 본 발명의 워터 트랩(50)에 설치된 통합협 배기 밸브(70)를 보여준다. 본 발명은 스택(10)에서 배출된 혼합 가스와 수증기는 공용 분배기(40)를 통해 워터 트랩(50)에 보관되고 워터 트랩(50)에서는 모터에 의해 구동되는 통합형 배기밸브(70)를 통해 가스 및 물이 동시에 배출될 수 있도록 하였다.
워터 트랩에는 부표(52)를 설치하여 가스배기 배관(71) 및 물배출 배관(72)이 선택적으로 개폐 조정이 가능하도록 하였다.
도 6은 응축수가 소량인 경우 부표(52)의 위치를 검출하여 물 배출 배관(72)을 차단하고 가스 배기 배관(71)만 개방하여 혼합가스만 배출하는 상태를 도시하며, 도 7은 응축수가 과다인 경우 부표 위치에 의하여 가스 배출 배관(71)를 차단하여 응출수만 배출하는 구성을 보여준다.
본 발명의 통합형 배기밸브는 모터(74)에 의해 구동하도록 하였으며 모터가 구동하면 모터에 연결된 기어에 의하여 밸브의 스템을 직선운동하도록 하여 밸브를 개폐하도록하였다.
이러한 구조의 모터 구동 통합형 배기밸브는 솔레노이드 밸브에 의한 냉시동시 응축수가 얼어 작동이 안되는 문제를 해결하여 안정성을 극대화하였다.
또한, 본 발명에서는 3-way 통합형 배기 밸브로 구성하도록 하였으며, 구동 모터에 의하여 혼합가스 쪽 (상단) 밸브와 응축수 쪽(하단) 밸브를 동시 개방한 후 가스와 물을 동시에 배출가능하도록하여 보다 효과적으로 응축수와 혼합가스 배출이 가능하도록 하였으며, 혼합 가스가 스택과 인접한 영역에서 배출 가능하도록 하여 혼합가스의 퍼지효과를 증대시켰다.
10: 스택 20: 수소 공급 장치
25: 퍼지 밸브 30: 공기 공급 장치
40: 공용 분배기 50: 워터 트랩
51: 워터 드레인 밸브 60: 이젝터

Claims (5)

  1. 스택(10), 워터 트랩(50) 및 상기 스택(10)에 연결되어 스택으로부터 배출되는 질소, 물 또는 미반응 수소를 워터 트랩(50)에 공급하는 공용 분배기(40)를 포함하는 연료 전지의 배출 시스템에 있어서,
    상기 워터 트랩(50)에 연결되어 상기 질소, 물 및 미반응 수소를 동시에 배출 가능한 통합 배기 밸브(60)를 포함하고,
    상기 통합 배기 밸브(60)는 모터, 상기 모터에 의해 구동되는 기어, 상기 기어의 구동에 의하여 작동되는 스템을 포함하며,
    상기 모터가 작동하면 스템에 의하여 가스 배기 배관(71)과 배출 배관(72)이 선택적으로 개폐되어, 가스 및 물 배출 통로(73)를 통해 가스 또는 물만이 배출되거나 가스 및 물이 동시에 배출가능한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 배출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 워터 트랩((50)은 추가로 부표(52)를 포함하여, 상기 부표(52)의 상태에 따라 통합형 배기 밸브(70)의 가스 배기 배관(71) 및 물 배출 배관(72)의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 배출 시스템.
KR1020120153864A 2012-12-26 2012-12-26 통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템 KR101988054B1 (ko)

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