KR102200780B1 - 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응축수의 배출성능을 향상시키고 응축수 배출유로가 결빙되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브에 관한 것으로, 응축수를 저장하는 워터트랩과, 상기 워터트랩에 저장된 응축수를 외부로 배출하는 배출밸브를 포함하여 구성된다. 상기 워터트랩에는, 응축수가 저장되는 챔버와, 상기 챔버의 바닥에 형성된 이송로와, 상기 챔버의 한쪽에 형성되고 상기 이송로와 연결된 배출로가 구비된다. 이때, 상기 배출로의 입구는 상기 챔버의 바닥보다 높게 위치되고, 상기 챔버의 바닥은 상기 입구 측으로 갈수록 높아지게 기울어지며, 상기 이송로는 상기 챔버의 바닥과 평행하도록 기울어지게 배치된다. 또한, 상기 이송로와 상기 배출로 사이에 보조 챔버가 마련되고, 상기 보조 챔버 상에 상기 배출밸브가 설치되어 상기 이송로를 개방 또는 폐쇄한다. 이때, 상기 보조 챔버의 바닥은 상기 보조 챔버 상의 응축수가 자중에 의해 상기 배출로 측으로 흐를 수 있도록 기울어지게 형성된다.

Description

연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브{CONDENSATE DISCHARGE INTEGRATED VALVE FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 응축수 배출유로가 결빙되는 것을 방지하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브에 관한 것이다.
연료전지는 연료인 수소와 산화제인 공기가 전기화학반응을 일으키는 과정에서 전기를 발생시키는 일종의 발전 장치이다. 이러한 연료전지는 에너지 효율이 높고 공해가 없어 차세대 대체에너지로 각광을 받고 있다. 일례로, 휴대용 기기의 배터리에서부터 차량의 동력원 및 대규모 발전설비에 이르기까지 그 적용범위가 매우 광범위하다.
연료전지시스템의 구성을 살펴보면, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(좀 더 상세하게는 산소)를 공 급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리시스템 등으로 구성된다.
연료전지 스택에서는 연료인 수소와 산화제인 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 과정에서 열과 물이 생성된다. 이렇게 생성된 물은 수소와 산소의 흐름을 방해하므로 연료극(anode) 측에 축적될 경우 연료전지 스택의 성능이 저하시킨다. 따라서 연료전지 스택에서 생성된 물을 주기적으로 배출하여 연료전지 스택의 안정적인 성능을 확보하여야 한다.
공개특허공보 제2019-0059692호(2019.05.31.)에는 수소연료전지용 물 가스 통합 배출밸브 및 배출장치가 개시되어 있다.
상기 통합 배출밸브 및 배출장치는 수소연료전지의 스택으로부터 물과 가스를 배출시키기 위한 드레인 밸브 및 퍼지 밸브를 하나로 통합한 드레인/퍼지 통합 밸브로, 밸브의 내부를 소수성 코팅하여 수분이 응결되지 않고 배출되도록 함으로써 밸브 내벽에 수분이 응결되거나 응결된 수분이 동결되는 것을 방지한다.
그러나 종래의 통합 배출밸브 및 배출장치는 응축수를 배출하는 배출유로가 수평으로 배치되고 출구와 연결된 공간이 홈 형태를 가지므로, 밸브 개폐부 측(출구와 연결된 공간)에서 응축수가 정체되어 결빙되고 이로 인해 응축수의 배출성능이 저하되는 문제가 있었다.
공개특허공보 제2019-0059692호(2019.05.31.)
본 발명의 목적은 응축수 배출유로가 결빙되는 것을 방지하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브는, 응축수를 저장하는 워터트랩과, 상기 워터트랩에 저장된 응축수를 외부로 배출하는 배출밸브를 포함하여 구성된다.
상기 워터트랩에는, 응축수가 저장되는 챔버와, 상기 챔버의 바닥에 형성된 이송로와, 상기 챔버의 한쪽에 형성되고 상기 이송로와 연결된 배출로가 구비된다.
이때, 상기 배출로의 입구는 상기 챔버의 바닥보다 높게 위치되고, 상기 챔버의 바닥은 상기 입구 측으로 갈수록 높아지게 기울어지며, 상기 이송로는 상기 챔버의 바닥과 평행하도록 기울어지게 배치된다.
또한, 상기 이송로와 상기 배출로 사이에 보조 챔버가 마련되고, 상기 보조 챔버 상에 상기 배출밸브가 설치되어 상기 이송로를 개방 또는 폐쇄한다.
이때, 상기 보조 챔버의 바닥은 상기 보조 챔버 상의 응축수가 자중에 의해 상기 배출로 측으로 흐를 수 있도록 기울어지게 형성된다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브는, 배출로의 입구가 챔버의 바닥보다 높게 위치되어 챔버의 바닥과 이송로가 배출로의 입구 측으로 갈수록 높아지게 기울어지게 형성된다.
따라서 배출밸브의 개폐부 측(이송로와 연결되고 배출밸브에 의해 개폐되는 부분)에서 응축수가 정체되어 결빙되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 보조 챔버의 바닥이 기울어지게 형성되므로 보조 챔버에 응축수가 정체되어 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브 중 배출밸브를 확대한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브를 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브(1)는, 응축수를 저장하는 워터트랩(100)과, 워터트랩(100)에 저장된 응축수를 외부로 배출하는 배출밸브(200)를 포함하여 구성된다.
워터트랩(100)은 상면이 개방되고 내부가 중공인 컵(Cup) 형상이다. 워터트랩(100)의 내부에는 챔버(110)가 형성되고, 챔버(110)에는 연료전지 스택(미도시)에서 전기를 생산할 때 생성된 응축수가 저장된다.
챔버(110)의 바닥에는 이송로(120)가 형성되고, 챔버(110)의 일측에는 배출로(130)가 형성된다. 이송로(120)는 챔버(110)에 저장된 응축수가 배출로(130) 측으로 이송될 수 있도록 안내하며, 배출로(130)는 이송로(120)를 통해 이송된 응축수가 외부로 배출될 수 있도록 안내한다.
이때, 이송로(120)와 배출로(130) 사이에 보조 챔버(140)가 마련된다. 보조 챔버(140)는 배출밸브(200)의 설치공간임과 동시에 이송로(120)를 개방 또는 폐쇄하는 작동공간의 역할을 한다.
본 실시예의 워터트랩(100)은, 배출로(130)가 챔버(110)의 일측에 형성되되 수직방향으로 연장되고, 배출로(130)의 입구(132)는 챔버(110)의 바닥보다 높게 위치에 형성된다.
따라서 챔버(110)의 바닥은 배출로(130)의 입구(132) 측으로 갈수록 높아지게 기울어진 형태를 갖는다. 또한, 이송로(120)는 챔버(110)의 바닥과 평행하도록 기울어지게 배치된다.
이와 같이 이송로(120)가 배출로(130)의 입구(132) 측으로 갈수록 높아지게 기울어질 경우, 배출밸브(200)의 개폐부 측(이송로(120)와 연결되고 배출밸브(200)에 의해 개폐되는 부분)에서 응축수가 정체될 우려가 없다. 즉, 배출밸브(200)의 개폐부 측의 응축수가 자중에 의해 챔버(110)의 바닥 측으로 흐르게 되므로, 응축수가 정체되어 결빙되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있다.
이때, 이송로(120)는 응축수의 배출성능 및 밸브의 크기 등을 고려하여 수평방향에 대해 약 20 ~ 40도 기울어지게 배치되는 것이 바람직하다.
보조 챔버(140)는 배출밸브(200)의 설치 및 작동을 위한 공간으로서, 응축수가 이송로(120)를 통해 배출로(130) 측으로 이송되는 과정에서 정체될 우려가 있다.
이를 방지하기 위하여, 보조 챔버(140)의 바닥은 응축수가 자중에 의해 배출로(130) 측으로 흐를 수 있도록 기울어지게 형성된다. 특히, 보조 챔버(140)의 바닥에는 이송로(120)와 연결된 테이퍼 형상의 밸브 시트(142)가 형성되는데, 이때 밸브 시트(142)의 경사면은 수평방향보다 아래쪽, 즉 배출로(130) 측으로 기울어지게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 워터트랩(100)의 하부에는 이송로(120)의 결빙을 방지하는 히터(150)가 구비된다. 히터(150)는 이송로(120)와 평행하게 배치되어 이송로(120) 전 구간에서 응축수가 결빙되는 것을 방지한다.
이때, 히터(150)는 고객의 요구조건 및 결빙조건에 따라 설치, 제거 및 교체가 가능하도록 워터트랩(100)에 탈착 가능하게 결합된다.
배출밸브(200)는 보조 챔버(140)에 설치되어 이송로(120), 좀 더 상세하게는 밸브 시트(142)를 개방 또는 폐쇄함으로써 응축수의 외부 배출을 허용 또는 차단한다.
그 구성을 살펴보면, 배출밸브(200)는 하우징(210)을 포함하여 구성된다.
하우징(210)은 하면이 개방된 컵 형상으로 형성되고, 하단 일측에는 코일 어셈블리(220)에 전원을 인가하기 위한 커넥터(212)가 마련된다.
하우징(210)의 내부에는 전원 인가 시 자기력을 발생시키는 코일 어셈블리(220)가 설치된다.
보빈 어셈블리(220)는, 보빈(222)과, 보빈(222)의 둘레에 감긴 코일(224)로 구성된다.
보빈(222)은 중공의 스풀(spool) 형상으로, 둘레에는 자기장을 발생시키는 코일(224)이 감기며, 내부에는 고정철심인 코어(230)와 가동철심인 플런저(240)가 구비된다. 이러한 보빈(222)은 코일(224)과 코어(230) 사이, 코일(224)과 플런저(240) 사이를 전기적으로 차단할 수 있도록 절연체로 제작된다.
코일(224)은 보빈(222)의 외주면에 촘촘하고 균일하게 감겨 원통 형상을 이루며, 전원 인가 시 보빈(222)의 주위에 자기력을 발생시킨다. 코일(224)에서 발생한 자기력은 코어(230)를 자화시키고, 자화된 코어(230) 측으로 플런저(240)를 이동시킨다.
이때, 자기력의 세기는 코일(224)을 따라 흐르는 전류의 세기와 보빈(222)에 감긴 코일(224)의 수에 비례한다. 따라서 코일(224)에 강한 전류를 인가하거나 코일(224)을 많이 감을수록 강한 자기력이 발생하여 플런저(240)의 이동을 확실하게 제어할 수 있다.
코어(230)는 코일(224)에서 발생한 자기력에 의해 자화되는 고정철심이다. 이러한 코어(230)는 일 방향으로 연장된 원기둥 형상으로 형성되고, 보빈(222)의 상단 내부에 삽입되게 결합된다.
플런저(240)는 코일(224)에서 발생한 자기력에 의해 이동하는 가동철심이다. 전원 인가 시 코일 어셈블리(220)에서 발생한 자기력은 코어(230)를 자화시키고, 플런저(240)를 자화된 코어(240) 측으로 이동시킨다.
플런저(240)의 하단에는 밸브 시트(142)를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체(250)가 구비된다.
밸브체(250)는 소정의 두께를 가진 원판 형상의 탄성체이다. 밸브체(250)는, 밸브 시트(142)에 접촉되는 업소버(252)와, 업소버(252)의 둘레에 형성된 다이어프램(254)로 이루어진다. 이때, 다이어프램(254)는 가이드(256)에 고정되어 보조 챔버(140)와 배출밸브(200) 사이를 구획한다.
따라서 보조 챔버(140)의 응축수가 배출밸브(200)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
플런저(240)의 하단 둘레에는 링 형상의 가이드(256)가 설치되고, 가이드(256)와 코일 어셈블리(220) 사이에는 스프링(258)이 개재된다. 가이드(256)와 스프링(258)은 전원 미인가 시 플런저(240)를 하향(밸브 시트(142) 측)으로 탄성 지지하여 밸브 시트(142)를 폐쇄한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
1: 통합밸브 100: 워터트랩
110: 챔버 120: 이송로
130: 배출로 140: 보조 챔버
150: 히터 200: 배출밸브
210: 하우징 220: 보빈 어셈블리
230: 코어 240: 플런저
250: 밸브체

Claims (7)

  1. 응축수가 저장되는 챔버와, 상기 챔버의 바닥에 형성된 이송로와, 상기 챔버의 한쪽에 형성되고 상기 이송로와 연결된 배출로가 구비된 워터트랩; 및
    상기 배출로 상에 설치되어 응축수의 배출을 허용 또는 차단하는 배출밸브를 포함하되,
    상기 배출로의 입구는 상기 챔버의 바닥보다 높게 위치되고, 상기 챔버의 바닥은 상기 입구 측으로 갈수록 높아지게 기울어지며, 상기 이송로는 상기 챔버의 바닥과 평행하도록 기울어지게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송로와 상기 배출로 사이에 보조 챔버가 마련되고, 상기 보조 챔버 상에 상기 배출밸브가 설치되어 상기 이송로를 개방 또는 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보조 챔버의 바닥은 상기 보조 챔버 상의 응축수가 자중에 의해 상기 배출로 측으로 흐를 수 있도록 기울어지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이송로는 수평방향에 대해 20 ~ 40도 기울어지게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터트랩의 하부에는 상기 이송로의 결빙을 방지하는 히터가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 히터는 상기 이송로와 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히터는 상기 워터트랩에 탈착 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 응축수 배출 통합밸브.
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