KR102010287B1 - 연료전지 차량용 응축수 배출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 응축수 배출장치에 관한 것으로, 연료전지 스택부와, 연료전지 스택부에 공기를 공급하고 연료전지 스택부를 통과한 공기를 배출하는 공기제공부와, 공기제공부에 형성되고 공기제공부를 통과하는 응축수를 가열하여 수증기로 변환시키는 응축수변환부를 포함하여, 겨울철 응축수 배출에 의한 빙판 생성을 방지할 수 있다.

Description

연료전지 차량용 응축수 배출장치{CONDENSATE WATER DRAIN DEVICE FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량용 응축수 배출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기가 연료전지와 반응하여 응축수가 된 후 지면에 도달하여 동결되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 응축수 배출장치에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 자동차인 연료전지 차량은 연료전지를 에너지원으로 하고, 연료전지에서 발생한 전력을 이용하여 구동모터를 구동시켜 주행이 가능토록 하는 차세대 자동차이다.
이러한 연료전지 차량이 주행에 필요한 전력을 발생시키기 위해서 연료전지의 스택에서는 응축수가 발생하고, 안정적으로 연료전지가 작동되도록 하기 위해서, 연료전지 스택에서 발생한 응축수를 외부로 배출해주어야 한다.
즉, 종래기술에 따른 연료전지 차량의 응축수 배출구조를 살펴보면, 연료전지 스택의 캐소드에서 발생한 응축수의 일부는 전해질막을 통과하여 애노드로 이동한 후, 스택 외부로 배출되어 워터트랩에 일단 포집되고, 일정량에 도달하면 배출밸브의 개방에 의해 차량 외부로 배출된다.
한편, 대부분의 응축수는 캐소드에서 스택 외부로 배출되어 가습장치로 공급된다. 가습장치에서 배기가스에 포함된 응축수의 일부는 외부에서 공급되는 공기의 가습에 이용되고, 나머지는 스택 외부로 배출된다.
종래에는 연료전지 차량에서 배기관을 통해 응축수가 배출되므로, 겨울철에 응축수가 지면에서 동결되어 차량 사고를 유발하는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1776334호(2017.09.01. 등록, 발명의 명칭 : 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조)에 게시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 공기가 연료전지와 반응하여 응축수가 된 후 지면에 도달하여 동결되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 응축수 배출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는: 연료전지 스택부; 상기 연료전지 스택부에 공기를 공급하고, 상기 연료전지 스택부를 통과한 공기를 배출하는 공기제공부; 및 상기 공기제공부에 형성되고, 상기 공기제공부를 통과하는 응축수를 가열하여 수증기로 변환시키는 응축수변환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기제공부는 상기 연료전지 스택부를 통과하는 제공관부; 상기 제공관부의 일단부에 형성되고, 외부 공기가 유입되는 제공유입부; 및 상기 제공관부의 타단부에 형성되고, 상기 연료전지 스택부를 통과하는 공기 및 수증기를 외부로 배출하는 제공유출부;를 포함하고, 상기 응축수변환부는 상기 연료전지 스택부와 상기 제공유출부 사이에 형성되는 상기 제공관부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는: 냉각수가 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각부;를 더 포함하고, 상기 응축수변환부는 상기 냉각부와 연결되고, 상기 공기제공부를 가열하는 것을 특징으로 한다.
상기 응축수변환부는 히트펌프인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는: 상기 냉각부와 상기 공기제공부를 연결하고, 상기 냉각부와 상기 공기제공부를 열교환하는 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는 응축수변환부가 응축수를 수증기로 변환시켜 줌으로써, 겨울철 응축수 배출에 의한 도로 빙결을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는 응축수변환부가 연료전지 스택부를 냉각시키는 냉각부를 열원으로 이용함으로서, 응축수변환부의 에너지 소모를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치는 열교환부가 냉각부의 폐열을 전달하여 응축수변환부로 이동되는 응축수를 선가열함으로써, 응축수변환부의 에너지 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 냉각부와 연결된 응축수변환부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에서 공기제공부와 냉각부를 연결하는 열교환부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 연료전지 스택부(10)와, 공기제공부(20)와, 응축수변환부(30)를 포함한다.
연료전지 스택부(10)는 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지 스택부(10)의 전기화학 반응을 위해 수소가 연료로 제공될 수 있다.
공기제공부(20)는 연료전지 스택부(10)에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급한다. 또한, 공기제공부(20)는 연료전지 스택부(10)를 통과한 공기 및 응축수를 외부로 배출한다.
응축수변환부(30)는 공기제공부(20)에 형성되고, 공기제공부(20)를 통과하는 응축수를 가열하여 수증기로 변환시킨다. 일 예로, 응축수변환부(30)는 공기제공부(20)에 장착되고, 전원이 인가되면 공기제공부(20)를 가열하여 공기제공부(20)를 통과하는 응축수를 수증기로 변환시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기제공부(20)는 제공관부(21)와, 제공유입부(22)와, 제공유출부(23)를 포함한다. 제공관부(21)는 연료전지 스택부(10)를 통과하고, 제공관부(21)의 일단부에 형성되는 제공유입부(22)를 통해 외부 공기가 유입되며, 제공관부(21)의 타단부에 형성되는 제공유출부(23)를 통해 공기가 외부로 배출된다.
일 예로, 제공유입부(22)를 통해 유입된 공기는 제공관부(21)를 통해 연료전지 스택부(10)에 공기를 공급할 수 있다. 그리고, 연료전지 스택부(10)를 통해 반응이 완료된 공기는 제공유출부(23)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편, 응축수변환부(30)는 연료전지 스택부(10)와 제공유출부(23) 사이에 형성되는 제공관부(21)에 배치된다. 이러한 응축수변환부(30)는 연료전지 스택부(10)를 통과하면서 발생되는 응축수를 가열하여 수증기 상태로 변환시킬 수 있다. 이로 인해 제공유출부(23)를 통해 공기 및 수증기가 외부로 배출됨으로써, 겨울철 응축수 낙하에 의한 빙판 생성을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1에서 냉각부와 연결된 응축수변환부를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 냉각부(40)를 더 포함할 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 냉각부(40)는 냉각수가 연료전지 스택부(10)를 통과하여 순환되도록 유도할 수 있으며, 응축수변환부(30)는 냉각부(40)와 연결되어 공기제공부(20)를 가열할 수 있다.
일 예로, 냉각부(40)는 냉각관부(41)와, 이온필터부(42)와, 우회관부(43)와, 조절부(44)를 포함한다. 냉각관부(41)는 냉각수가 연료전지 스택부(10)를 통과하여 순환되도록 유도할 수 있다. 이온필터부(42)는 냉각관부(41)에 형성되고, 냉각수의 금속이온을 제거할 수 있다. 우회관부(43)는 냉각관부(41)에 양단부가 연결되고, 이온필터부(42)를 우회할 수 있다. 조절부(44)는 이온필터부(42)의 이온전도도를 감지하여 우회관부(43)를 통과하는 냉각수량을 컨트롤할 수 있다. 즉, 이온필터부(42)의 이온전도도에 따라 우회관부(43)의 통과 면적이 조절되고, 이에 대응되어 이온필터부(42)를 통과하는 냉각수량이 조절될 수 있다.
그 외, 연료전지 스택부(10)를 통과한 후 이온필터부(42)로 이동되도록 유도하는 냉각관부(41)에는 조절열교환부(45)가 배치되어 냉각수를 냉각시킬 수 있다. 그리고, 이온필터부(42)를 통과한 후 연료전지 스택부(10)로 이동되도록 유도하는 냉각관부(41)에는 펌프부(46)가 배치되어 냉각수를 강제로 이송시킬 수 있다.
한편, 조절부(44)는 조절감지부(441)와, 조절제어부(442)와, 조절밸브부(443)를 포함할 수 있다. 조절감지부(441)는 이온필터부(42)와 냉각관부(41) 중 어느 하나 이상에 장착되어 냉각수의 이온전도도를 감지할 수 있다. 조절제어부(442)는 조절감지부(441)의 감지신호를 수신하고, 우회관부(43)를 개폐하는 조절밸브부(443)를 제어할 수 있다.
일 예로, 냉각수의 이온전도도에 따라 우회관부(43)로 냉각수가 통과하기 위한 우회관부(43)의 개방면적이 달라질 수 있다. 그리고, 우회관부(43)를 통과하는 냉각수량과 이온필터부(42)를 통과하는 냉각수량은 반비례할 수 있다.
보다 구체적으로, 조절감지부(441)는 이온필터부(42)에 장착되어 이온필터부(42)의 전류를 검출하는 전극단자가 될 수 있다. 그 외, 조절감지부(441)는 냉각관부(41)에 하나 이상 장착되어 전류를 검출하는 전극단자가 될 수 있다.
만일, 이온필터부(42)의 이온전도도가 설정값 보다 높은 경우, 조절밸브부(443)는 우회관부(43)를 폐쇄할 수 있다. 그리고, 이온필터부(42)의 이온전도도가 설정값 보다 낮은 경우, 조절밸브부(443)는 우회관부(30)를 개방할 수 있다. 즉, 냉각수의 이온전도도에 따라 이온필터부(42)를 통과하는 냉각수의 유량을 조절할 수 있어서, 유동 저항을 최소화하고 냉각수의 이온전도도를 신속하게 낮출 수 있다.
조절부(44)는 조절배터리부(444)를 더 포함할 수 있다. 조절배터리부(444)는 조절제어부(442)에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 조절배터리부(444)는 조절제어부(442) 구동을 위한 연료전지 스택부(10)의 에너지 소비를 차단하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 조절부(44)는 조절전송부(445)를 더 포함할 수 있다. 조절전송부(445)는 조절제어부(442)에서 수신한 조절감지부(441)의 감지신호를 외부장비(100)로 전송할 수 있다.
한편, 응축수변환부(30)는 히트펌프가 사용될 수 있다. 이러한 응축수변환부(30)는 조절열교환부(45)와 이온필터부(42) 사이에 배치되는 냉각관부(41)와 연결되고, 냉각관부(41)의 열을 열원으로 하되, 추가 에너지를 사용하여 제공관부(21)를 통과하는 응축수가 수증기로 변환되도록 가열할 수 있다. 그 외, 응축수변환부(30)는 연료전지 스택부(10)와 조절열교환부(45) 사이에 배치되는 냉각관부(41)와 연결되어 고온의 열원을 이용하여 추가 에너지 사용을 줄일 수 있다.
도 3은 도 2에서 공기제공부와 냉각부를 연결하는 열교환부를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 열교환부(50)를 더 포함할 수 있다.
열교환부(50)는 냉각부(40)와 공기제공부(20)를 연결하고, 냉각부(40)와 공기제공부(20)를 열교환할 수 있다.
일 예로, 열교환부(50)는 일단부가 연료전지 스택부(10)와 조절열교환부(45) 사이에 배치되는 냉각관부(41)와 연결되고, 타단부가 연료전지 스택부(10)와 제공유출부(23) 사이에 배치되는 제공관부(21)와 연결될 수 있다. 이러한 열교환부(50)는 열전도성 재질을 포함하여 이루어지고, 추가 에너지 제공 없이 냉각관부(41)의 열을 제공관부(21)로 전달하여 제공관부(21)를 통과하는 응축수를 가열할 수 있다. 이러한 열교환부(50)에 의해 응축수변환부(30)로 이동되기 전 응축수가 선가열되어 응축수변환부(30)에서의 에너지 소모를 줄일 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.
제공유입부(22)를 통해 유입된 외부 공기는 제공관부(21)를 통해 연료전지 스택부(10)를 통과한다. 이러한 제공관부(21)에서 제공되는 공기 및 연료로 제공되는 수소에 의해 연료전지 스택부(10)는 전기화학 반응을 하여 전기를 생산할 수 있다.
한편, 연료전지 스택부(10)를 통과한 공기 중에는 응축수가 생성되고, 공기와 응축수는 제공관부(21)를 통해 이동된 후 제공유출부(23)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 연료전지 스택부(10)와 제공유출부(23) 사이에 배치되는 제공관부(21)에는 응축수변환부(30)가 장착되어 제공관부(21)를 가열한다. 이로 인해 응축수는 수증기로 변환되어 외부로 배출됨으로써, 겨울철 응축수 낙하에 의한 도로 빙결을 방지할 수 있다.
응축수변환부(30)는 연료전지 스택부(10)를 냉각시키는 냉각부(40)와 연결되어 열원으로 사용함으로써, 응축수를 수증기로 변환시키기 위한 에너지 소모를 줄일 수 있다. 그리고, 냉각관부(41)의 열을 제공관부(21)로 전달하는 열교환부(50)에 의해 응축수를 수증기로 변환시키기 위한 응축수변환부(30)의 에너지 소모를 추가로 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 응축수변환부(30)가 응축수를 수증기로 변환시켜 줌으로써, 겨울철 응축수 배출에 의한 도로 빙결을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 응축수변환부(30)가 연료전지 스택부(10)를 냉각시킨 후 가열된 냉각부(40)를 열원으로 이용함으로서, 응축수변환부(30)의 에너지 소모를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출장치(1)는 열교환부(50)가 냉각부(40)의 폐열을 전달하여 응축수변환부(30)로 이동되는 응축수를 선가열함으로써, 응축수변환부(30)의 에너지 소모를 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택부 20 : 공기제공부
21 : 제공관부 22 : 제공유입부
23 : 제공유출부 30 : 응축수변환부
40 : 냉각부 41 : 냉각관부
42 : 이온필터부 43 : 우회관부
44 : 조절부 45 : 조절열교환부
46 : 펌프부 50 : 열교환부

Claims (5)

  1. 연료전지 스택부;
    상기 연료전지 스택부에 공기를 공급하고, 상기 연료전지 스택부를 통과한 공기를 배출하는 공기제공부;
    상기 공기제공부에 형성되고, 상기 공기제공부를 통과하는 응축수를 가열하여 수증기로 변환시키는 응축수변환부; 및
    냉각수가 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각부;를 포함하고,
    상기 응축수변환부는 상기 냉각부와 연결되고, 상기 공기제공부를 가열하며,
    상기 냉각부는
    냉각수가 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각관부;
    상기 냉각관부에 형성되고, 냉각수의 금속이온을 제거하는 이온필터부;
    상기 냉각관부에 양단부가 연결되고, 상기 이온필터부를 우회하는 우회관부; 및
    상기 이온필터부의 이온전도도를 감지하여 상기 우회관부를 통과하는 냉각수량을 조절하는 조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공기제공부는
    상기 연료전지 스택부를 통과하는 제공관부;
    상기 제공관부의 일단부에 형성되고, 외부 공기가 유입되는 제공유입부; 및
    상기 제공관부의 타단부에 형성되고, 상기 연료전지 스택부를 통과하는 공기 및 수증기를 외부로 배출하는 제공유출부;를 포함하고,
    상기 응축수변환부는 상기 연료전지 스택부와 상기 제공유출부 사이에 형성되는 상기 제공관부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 응축수변환부는 히트펌프인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각부와 상기 공기제공부를 연결하고, 상기 냉각부와 상기 공기제공부를 열교환하는 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출장치.
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