KR102299528B1 - 연료전지용 통합 배출 밸브 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 수소 연료전지의 스택과 연결되며 상기 스택으로부터 배출되는 유체가 유입되는 유입구 및 상기 유체가 배출되는 배출구를 포함하는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되며 상기 유입구 및 상기 배출구 사이에 배치되는 연결부, 상기 연결부 상에 배치되며 상기 연결부를 개폐하는 다이어프램, 상기 다이어프램의 위치를 제어하는 솔레노이드 구동부, 상기 연결부와 인접하게 배치되며 상기 연결부의 정전 용량을 감지하는 감지부 및 상기 감지부에서 감지한 신호를 바탕으로 상기 연결부의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 연결부가 오픈되어 상기 감지부가 감지한 정전 용량 강도 값이 기준값으로부터 제 1 범위만큼 증가하고, 상기 정전 용량 강도의 최대값으로부터 제 2 범위만큼 감소할 때 상기 제어부는 상기 연결부를 폐쇄한다.

Description

연료전지용 통합 배출 밸브{MULTI FUNCTIONAL EXHAUST VELVE FOR FUEL CEL}
실시예는 수소 연료전지에서 형성된 물과 가스를 배출하기 위한 수소 연료전지용 통합 배출 밸브에 관한 것이다.
환경 오염에 대한 지구 온난화로 전세계가 환경 보호에 대한 관심이 많아지고 있다. 이 중에서 환경 오염 중 하나인 대기 오염은 다양한 요인으로 발생하며 화석 연료의 연소 과정에 형성되는 배기가스가 한 요인으로 지목되고 있다.
배기가스는 자동차, 난방 장치, 발전 설비 등 화석 연료를 주 연료로 사용하는 기기에서 주로 배출된다. 특히, 대부분의 자동차는 가솔린, 디젤 등의 화석 연료를 통해 생성된 동력을 이용하여 동작한다. 그러나, 상술한 화석 연료가 연소하는 과정에 질소산화물(NO-x), 일산화탄소(CO), 미세먼지 등의 배기가스를 형성하는 문제가 있다.
이때, 상기 질소산화물은 오존(O3)을 형성하는 전구체 역할을 하며 산성비의 원인이 될 수 있어 환경에 치명적일 수 있다. 또한, 질소산화물은 각종 피부 질환과 호흡기 질환을 유발할 수 있어 사람뿐만 아니라 각종 동식물에도 치명적일 수 있다. 또한, 상기 일산화탄소는 인화성이 강하며, 인체 내에서 헤모글로빈과 결합하여 체내 산소공급을 방해할 수 있어 치명적일 수 있다. 또한, 상기 미세먼지는 탄소, 유기탄화수소, 질산염, 유해금속 성분 등을 포함하며 크기가 매우 작아 체내에 유입될 수 있고, 이로 인해 호흡기 질환을 유발할 수 있다.
이러한 문제로, 건강과 환경 보호 차원에서 새로운 친환경 자동차에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히, 최근에는 상술한 배기가스를 배출하지 않는 수소 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
수소 연료전지 자동차는 물의 전기분해 역반응을 이용한 자동차로, 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 생성된 전기를 동력원으로 사용하는 자동차이다. 일반적으로 수소 연료전지 자동차는 전기화학 반응으로부터 전기를 형성하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소 공급부, 상기 연료전지 스택에 산소를 공급하는 공기 공급부, 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 생성된 물을 배출하는 배출부를 포함한다. 또한, 상기 배출부는 연료전지 스택 내부 연료극의 수소 농도를 관리하기 위한 퍼지 밸브, 연료전지 스택의 연료극으로부터 배출된 물을 포집하고 저장하는 워터 트랩, 워터 트랩에 모인 물을 감지하고 배출하기 위한 수위감지 센서와 드레인 밸브 등을 포함한다.
그러나, 상기 연료전저 자동차가 상술한 퍼지 밸브, 워터 트랩, 수위감지 센서 및 드레인 밸브 등을 포함함에 따라 요구되는 부품수가 증가하여 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 물을 포집하고 저장하는 워터 트랩이 큰 부피를 차지하여 수소 연료전지의 전체적인 무게, 크기를 감소하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 연료전지 자동차가 낮은 기온에 노출될 경우, 전기화학 반응에 의해 형성된 물이 결빙되는 문제점이 있다. 예를 들어, 0
Figure 112019130173021-pat00001
이하의 환경에서 상기 밸브들 및 상기 워터 트랩에 수용된 물이 결빙되는 문제가 있고, 이로 인해 시동이 원활하게 걸리지 않는 문제점이 있다.
이를 방지하기 위해 결빙된 영역에 물리적 힘을 인가하거나 히터를 배치하여 해빙하는 방식이 사용되고 있으나, 제한된 구조 내에 히터 등을 추가 배치하기 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 히터 등의 구성이 추가되어 수소 연료전지 전체의 크기, 무게가 증가하는 문제점이 있다.
또한, 전기 발생을 위해 상기 연료전지 스택이 수소를 소비할 경우, 상기 연료전지 스택 내부에 미세량의 질소가 누적되어 수소의 순도는 점점 감소할 수 있다. 이때, 수소의 농도를 조절하는 밸브를 적절히 제어하여 수소의 순도를 적절히 높여야 하며, 내부에 수용된 물을 효과적으로 배출하기 위한 밸브 역시 적절히 제어해야 할 필요성이 있다. 그러나, 상기 밸브들을 통해 배출되는 물, 가스 등을 효과적으로 감지하기 어려워 수소 가스가 불필요하게 대기 중으로 배출되는 문제점이 있다.
따라서, 상술한 문제를 해결할 수 있는 새로운 연료전지용 통합 배출 밸브가 요구된다.
실시예는 종래의 수소 퍼지 밸브와 워터 트랩을 통합할 수 있는 연료전지용 통합 배출 밸브를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 저온의 환경에서 결빙으로 인한 오동작, 미동작을 방지할 수 있는 연료전지용 통합 배출 밸브를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 균일한 내구성 및 신뢰성을 가지며 부피 및 무게를 감소할 수 있는 연료전지용 통합 배출 밸브를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 다양한 온도에서 배출되는 유체의 종류를 효과적으로 파악할 수 있는 연료전지용 통합 배출 밸브를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 수소 연료전지의 스택과 연결되며 상기 스택으로부터 배출되는 유체가 유입되는 유입구 및 상기 유체가 배출되는 배출구를 포함하는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되며 상기 유입구 및 상기 배출구 사이에 배치되는 연결부, 상기 연결부 상에 배치되며 상기 연결부를 개폐하는 다이어프램, 상기 다이어프램의 위치를 제어하는 솔레노이드 구동부, 상기 연결부와 인접하게 배치되며 상기 연결부의 정전 용량을 감지하는 감지부 및 상기 감지부에서 감지한 신호를 바탕으로 상기 연결부의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 연결부가 오픈되어 상기 감지부가 감지한 정전 용량 강도 값이 기준값으로부터 제 1 범위만큼 증가하고, 상기 정전 용량 강도의 최대값으로부터 제 2 범위만큼 감소할 때 상기 제어부는 상기 연결부를 폐쇄한다.
실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 하나의 밸브로 수소 퍼지 및 반응에 의해 형성된 물을 배출할 수 있다. 자세하게, 수소 퍼지가 요구되면 연결부 내의 수소가 퍼지될 수 있고, 상기 연결부 내에 물이 수용되면 상기 연결부를 개방하여 물을 배출할 수 있다. 이에 따라, 종래의 수소 퍼지 밸브, 워터 트랩, 수위 감지 센서 등의 구성을 생략할 수 있어 보다 작은 부피 및 경량으로 제공할 수 있고, 부품수 감소 등의 원가 절감 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 상기 통합 배출 밸브는 설계의 자유도를 극대화할 수 있어 차량뿐만 아니라 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 소수성 재질을 포함하며 상기 밸브에 유입된 유체가 유동하는 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 밸브 내에서 물, 가스가 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 상기 연결부에 열 에너지를 제공하는 발열부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발열부는 상기 연결부 중 결빙 발생이 쉽거나, 결빙 시 해빙해야 될 영역에 열을 효과적으로 제공가능한 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 통합 배출 밸브 내에 잔류한 물, 가스 등의 결빙으로 상기 밸브가 오작동 또는 미작동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브는 다양한 온도 범위에서 내부를 유동하는 유체를 효과적으로 파악할 수 있다. 예를 들어, 상기 통합 배출 밸브는 약 -30℃ 내지 약 85℃의 환경에서 유동하는 유체에 의해 변화하는 정전 용량 강도 값을 바탕으로 상기 유체의 종류를 효과적으로 파악할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브는 다양한 온도에 대응하며 상기 스택에서 형성된 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 수소 가스가 불필요하게 배출되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 하면도이다.
도 3은 솔레노이드 구동부 및 커버 케이스를 제외한 연료전지용 통합 배출 밸브의 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 발열부와 연결부의 관계를 도시한 연료전지용 통합 배출 밸브의 일측면도이다.
도 5는 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 블록도이다.
도 6은 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 동작에 대한 순서도이다.
도 7은 실시예에 따른 감지부가 저온(약 -30℃)에서 감지한 정전 용량 변화량에 대한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 감지부가 상온(약 25℃)에서 감지한 정전 용량 변화량에 대한 그래프이다.
도 9는 실시예에 따른 감지부가 고온(약 85℃)에서 감지한 정전 용량 변화량에 대한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 발명의 실시예에 대한 설명을 하기 앞서 제 1 방향은 도면에 도시된 x축 방향을 의미할 수 있고, 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 다른 방향일 수 있다. 일례로, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 수직인 방향으로 도면에 도시된 y축 방향을 의미할 수 있다. 또한, 수평 방향은 제 1 및 제 2 방향을 의미할 수 있고, 수직 방향은 상기 제 1 및 제 2 방향 중 적어도 한 방향과 수직인 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 수평 방향은 도면의 x축 및 y축 방향을 의미할 수 있고, 수직 방향은 도면의 z축 방향으로 상기 x축 및 y축 방향과 수직인 방향일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 하면도이다. 또한, 도 3은 솔레노이드 구동부 및 커버 케이스를 제외한 연료전지용 통합 배출 밸브의 단면도이고, 도 4는 실시예에 따른 발열부와 연결부의 관계를 도시한 연료전지용 통합 배출 밸브의 일측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 하우징(100), 다이어프램(200), 솔레노이드 구동부(미도시), 커버 부재(400) 및 감지부(700)를 포함할 수 있다.
상기 하우징(100)은 수소 연료전지의 스택(미도시)과 연결될 수 있다. 상기 하우징(100)은 소정의 강도를 가지며 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수한 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 하우징(100)은 수지 재질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 하우징(100)은 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(100)은 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 폴리올레핀(Polyolefine) 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate) 수지, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer) 수지, TPU(Thermoplastic Urethane) 수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, PPA(Polyphthalamide) 수지, PPS(Polyphenylene sulfide) 수지, PEEK(Polyether ether ketone) 수지 및 LCP(Liquid Crystral Polymer) 수지 중 적어도 하나의 수지 재질을 포함할 수 있다.
상기 하우징(100)이 수지 재질을 포함함에 따라 향상된 성형성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(100)은 이중 사출, 인서트 사출 등의 다양한 사출 공정으로 형성할 수 있어 향상된 설계 자유도를 가질 수 있다. 또한, 상기 하우징(100)이 수지 재질을 포함함에 따라 금속 재질의 하우징과 비교하여 원가를 절감할 수 있고 경량으로 구현할 수 있다. 이에 따라 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)의 전체 무게는 효과적으로 감소할 수 있다.
상기 하우징(100)은 유입구(110) 및 배출구(120)를 포함할 수 있다. 상기 유입구(110)는 상기 수소 연료전지의 스택과 연결되는 입구일 수 있다. 상기 연료전지의 스택에서 형성된 물과 가스는 상기 유입구(110)를 통해 상기 하우징(100) 내에 유입될 수 있다. 상기 배출구(120)는 상기 유입구(110)와 연결되며 상기 유입구(110)를 통해 유입된 물 및 가스 중 적어도 하나가 배출되는 출구일 수 있다.
상기 유입구(110) 및 상기 배출구(120)는 상기 하우징(100)의 외측면 상에 배치되며 서로 이격될 수 있다. 상기 유입구(110) 및 상기 배출구(120)는 서로 다른 외측면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3과 같이 상기 유입구(110)는 상기 하우징(100)의 일측면 상에 배치될 수 있고, 상기 배출구(120)는 상기 하우징(100)의 하면 상에 배치될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 유입구(110) 및 상기 배출구(120)는 상기 하우징(100)의 동일한 외측면 상에 배치될 수 있으며, 이에 대해 제한하지는 않는다.
상기 하우징(100)은 연결부(130)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(130)는 상기 유입구(110) 및 상기 배출구(120) 사이에 배치되며, 상기 유입구(110) 및 상기 배출구(120)를 연결하는 유동 경로일 수 있다. 상기 연결부(130)는 상기 파이프(pipe) 및 수용 공간 중 적어도 하나의 형태로 제공될 수 있다. 상기 연결부(130)는 복수의 연결부를 포함하며 이에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 다이어프램(200)은 상기 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 다이어프램(200)은 탄성력이 있는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다이어프램(200)은 폴리염화비닐, 실리콘, 폴리우레탄, EPDM(Ethylene Propylene), NBR(Nitrile Butadiene Rubber), FPM(Fluorinated Rubber), 실리콘 등과 같은 수지 재질, 탄성이 있는 고무 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다이어프램(200)은 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역을 차폐할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(100)은 오픈된 상부 영역으로 정의되는 제 1 오픈 영역을 포함할 수 있고, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 1 오픈 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 다이어프램(200)은 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역보다 큰 수평 방향 너비를 가질 수 있다. 또한, 상기 다이어프램(200)은 후술할 솔레노이드 구동부, 커버 부재(400) 등에 의해 탄성 변형할 수 있고, 상기 제 1 오픈 영역 전체를 차폐할 수 있다.
또한, 상기 다이어프램(200)은 상기 연결부(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 다이어프램(200)은 상기 복수의 연결부(130) 중 상기 다이어프램(200)을 향해 연장하는 제 2 연결부(132), 상기 제 1 오픈 영역과 대응되는 제 4 연결부(134) 상에 배치될 수 있다.
상기 다이어프램(200)은 상기 연결부(130)를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 상기 다이어프램(200)은 후술할 제어부(910)로부터 인가된 신호에 의해 상기 제 2 연결부(132)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 또한, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 4 연결부(134)를 차폐하여 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역을 통해 수소 가스가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 다이어프램(200)에 대해 보다 자세히 설명하면, 상기 다이어프램(200)은 중심부(210) 및 확장부(220)를 포함할 수 있다.
상기 중심부(210)는 상기 다이어프램(200)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 중심부(210)는 상기 제 2 연결부(132)와 수직 방향(z축 방향)으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다. 상기 중심부(210)는 상기 솔레노이드 구동부에 의해 상기 제 2 연결부(132)와 직접 접촉하거나 이격되어 상기 제 2 연결부(132)의 끝단을 선택적으로 개폐할 수 있다.
상기 확장부(220)는 상기 중심부(210)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 확장부(220)는 상기 중심부(210)의 가장자리 영역과 연결되며 상기 하우징(100)의 상면 방향으로 연장할 수 있다. 이때, 상기 확장부(220)는 상기 중심부(210)로부터 연장하는 과정에 연장 방향이 밴딩되는 적어도 하나의 밴딩 영역을 포함할 수 있다. 상기 확장부(220)의 가장자리 영역은 상기 하우징(100)의 상면 상에 배치되며, 후술할 솔레노이드 구동부 및/또는 커버 부재(400)에 의해 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역을 차폐할 수 있다.
상기 솔레노이드 구동부(미도시)는 상기 하우징(100)의 상면 상에 배치될 수 있다. 상기 솔레노이드 구동부는 상기 다이어프램(200) 상에 배치되어 상기 다이어프램(200)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 솔레노이드 구동부는 상기 다이어프램(200)과 물리적으로 연결되고, 인가된 전원에 의해 상기 다이어프램(200)의 위치를 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 2 연결부(132)를 선택적으로 개폐할 수 있다.
자세하게, 상기 솔레노이드 구동부는 코일부(미도시), 코어(미도시), 플런저(미도시) 등을 포함할 수 있다.
먼저 상기 코일부는 권선된 코일을 포함하며 인가된 전원에 의해 자기장을 형성할 수 있다. 상기 코어는 형성된 자기장에 의해 자화될 수 있고, 상기 플런저는 상기 코어의 자력에 의해 이동 가능하게 제공될 수 있다. 이때, 상기 플런저는 상기 다이어프램(200)과 물리적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 솔레노이드 구동부는 인가된 전원에 의해 상기 다이어프램(200)의 위치를 제어할 수 있다.
또한, 상기 솔레노이드 구동부는 탄성 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 탄성 부재는 상기 코어 및 상기 플런저 사이에서 상하 방향으로 탄성 변형이 가능하게 제공될 수 있다. 상기 탄성 부재는 상기 플런저를 상하 방향으로 밀거나 당겨 상기 다이어프램(200)이 상기 연결부(130)를 개폐할 수 있는 탄성력을 제공할 수 있다.
또한, 상기 솔레노이드 구동부는 상기 플런저의 이동에 따라 발생하는 소음을 방지하기 위한 댐퍼(미도시), 상기 코일부와 상기 코어 사이의 위치, 밀착 특성을 개선할 수 있는 와셔(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 커버 부재(400)는 상기 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 커버 부재(400)는 오픈된 하부 영역을 포함하고, 내부에 수용 공간을 포함할 수 있다. 상기 솔레노이드 구동부는 상기 커버 부재(400)의 하부 영역을 통해 삽입되어 상기 수용 공간 내에 배치될 수 있다.
상기 커버 부재(400)는 소정의 강도를 가지며 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수한 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 커버 부재(400)는 금속, 세라믹 및 수지 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 커버 부재(400)가 수지 재질을 포함할 경우 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 커버 부재(400)는 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 폴리올레핀(Polyolefine) 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate) 수지, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer) 수지, TPU(Thermoplastic Urethane) 수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, PPA(Polyphthalamide) 수지, PPS(Polyphenylene sulfide) 수지, PEEK(Polyether ether ketone) 수지 및 LCP(Liquid Crystral Polymer) 수지 중 적어도 하나의 수지 재질을 포함할 수 있다.
상기 커버 부재(400)는 상기 하우징(100)과 결합할 수 있다. 상기 커버 부재(400)는 상기 다이어프램(200) 및 상기 솔레노이드 구동부를 설정된 위치에 고정함과 동시에 상기 구성들(200, 300)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 하우징(100)은 상면 상에 형성되는 적어도 하나의 제 1 홈(미도시)을 포함하고, 상기 커버 부재(400)는 상기 제 1 홈과 대응되는 적어도 하나의 제 2 홈(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 홈은 서로 중첩되는 위치에 배치되며 서로 대응되는 개수로 제공될 수 있다.
상기 제 1 홈 및 상기 제 2 홈은 체결 부재(450)의 삽입을 위한 홈일 수 있다. 일례로, 상기 제 1 홈 및 상기 제 2 홈은 내주면에 패턴홈이 형성된 암나사 형태로 제공될 수 있고, 상기 체결 부재(450)는 수나사 형태로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 하우징(100) 및 상기 커버 부재(400)는 상기 체결 부재(450)의 나사 결합에 의해 서로 결합할 수 있다. 또한, 상기 다이어프램(200)은 나사 결합하는 과정에 탄성 변형하여 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역을 효과적으로 차폐할 수 있다.
즉, 상기 커버 부재(400)는 상기 다이어프램(200) 및 상기 솔레노이드 구동부가 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 다이어프램(200) 및 상기 솔레노이드 구동부는 우수한 신뢰성을 가짐과 동시에 설정된 위치에 고정되어 상기 제 2 연결부(131)를 효과적으로 개폐할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 하우징(100) 및 상기 커버 부재(400) 사이에는 밀봉 부재(미도시)가 더 배치될 수 있다. 상기 밀봉 부재는 오링(O-ring) 형상을 가질 수 있다. 상기 밀봉 부재는 탄성이 있는 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 밀봉 부재는 NBR(Nitrile Butadiene Rubber), EPDM(Ethylene Propylene), FPM(Fluorinated Rubber), 실리콘 등과 같은 수지 재질, 탄성이 있는 고무 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 밀봉 부재는 상기 하우징(100)과 상기 커버 부재(400)가 결합하는 과정에 탄성 변형할 수 있다. 이에 따라, 외부 이물질이 상기 하우징(100)과 상기 커버 부재(400) 사이의 영역을 통해 상기 통합 배출 밸브(1000) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있고, 상기 하우징(100) 내부의 수소 가스가 상기 사이 영역을 통해 상기 통합 배출 밸브(1000) 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 연결부(130)는 상기 하우징(100) 내에 복수 개가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 연결부(130)는 제 1 연결부(131), 제 2 연결부(132), 제 3 연결부(133) 및 제 4 연결부(134)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 내지 제 4 연결부(131, 132, 133, 134)는 상기 하우징(100) 내에 파이프(pipe) 또는 수용 공간 중 선택되는 하나의 형태로 제공될 수 있다.
상기 제 1 연결부(131)는 상기 유입구(110)와 연결될 수 있다. 상기 제 1 연결부(131)는 상기 유입구(110)와 대응되는 너비 또는 직경을 가질 수 있다. 상기 제 1 연결부(131)의 일 끝단은 상기 유입구(110)와 연결되며 제 1 방향(x축 방향)으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 연결부(131)는 상기 하우징(100)의 내부 중심 영역으로 연장할 수 있다. 상기 제 1 연결부(131)는 상기 유입구(110)와 대응되는 너비 또는 직경을 가질 수 있다. 상기 제 1 연결부(131)는 수직 방향(z축 방향) 단면 형상이 원, 반원 또는 다각형인 파이프 형태로 제공될 수 있다.
상기 제 2 연결부(132)는 상기 제 1 연결부(131)와 연결될 수 있다. 상기 제 2 연결부(132)는 상기 제 1 연결부(131)보다 작거나 같은 너비 또는 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 연결부(132)는 상기 제 1 연결부(131)보다 작은 너비 또는 직경으로 제공되어 상기 제 2 연결부(132)를 유동하는 유체의 유속, 유량을 제어할 수 있다.
상기 제 2 연결부(132)의 일 끝단은 상기 제 1 연결부(131)의 일 끝단과 반대되는 타 끝단과 연결될 수 있다. 상기 제 2 연결부(132)는 상기 제 1 연결부(131)와 상이한 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 연결부(132)는 수직 방향(z축 방향)으로 연장할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 연결부(132)는 상기 다이어프램(200)을 향해 연장할 수 있다.
상기 제 2 연결부(132)는 상기 다이어프램(200)과 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 연결부(132)는 상기 다이어프램(200)의 중심부(210)와 수직 방향으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 2 연결부(132)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제 2 연결부(132)는 상기 솔레노이드 구동부의 플런저와 수직 방향으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
일례로, 상기 다이어프램(200)이 닫힌 상태일 경우, 상기 다이어프램(200)의 중심부(210)는 상기 제 2 연결부(132)의 일 끝단과 반대되는 타 끝단과 접하며 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 유입구(110)를 통해 유입된 물, 가스는 상기 제 1 연결부(131) 및 상기 제 2 연결부(132) 이외의 영역으로 유동하지 못할 수 있다.
또한, 상기 다이어프램(200)이 열린 상태일 경우, 상기 다이어프램(200)의 중심부(210)는 상기 제 2 연결부(132)의 타 끝단과 이격될 수 있다. 이 경우, 상기 유입구(110)를 통해 유입된 물, 가스는 상기 제 1 및 제 2 연결부(131, 132)를 통해 상기 제 4 및 제 3 연결부(134, 133)로 유동할 수 있고, 이후 상기 배출구(120)로 배출될 수 있다.
상기 제 3 연결부(133)는 상기 배출구(120)와 연결될 수 있다. 상기 제 3 연결부(133)는 상기 배출구(120)와 대응되는 너비 또는 직경을 가질 수 있다. 상기 제 3 연결부(133)의 일 끝단은 상기 배출구(120)와 연결되며 수직 방향(z축 방향)으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 연결부(133)는 상기 하우징(100)의 내부 중심 영역으로 연장할 수 있다. 자세하게, 상기 제 3 연결부(133)는 상기 제 4 연결부(134) 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제 3 연결부(133)는 상기 배출구(120)와 대응되는 너비 또는 직경을 가질 수 있다. 상기 제 3 연결부(133)는 수평 방향(x축 또는 y축 방향) 단면 형상이 원, 반원 또는 파이프 형태로 제공될 수 있다.
상기 제 3 연결부(133)는 제 1 서브 연결부(133a) 및 제 2 서브 연결부(133b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 서브 연결부(133a)는 상기 배출구(120)와 직접 연결되는 서브 연결부일 수 있다. 상기 제 2 서브 연결부(133b)는 상기 제 1 서브 연결부(133a)와 상기 제 4 연결부(134) 사이를 연결하는 서브 연결부일 수 있다.
상기 제 1 서브 연결부(133a) 및 상기 제 2 서브 연결부(133b)는 서로 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 4 연결부(134)와 연결된 상기 제 2 서브 연결부(133b)는 상기 제 1 서브 연결부(133a)와 상이한 수평 방향 단면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 서브 연결부(133a) 및 상기 제 2 서브 연결부(133b) 각각을 유동하는 유체의 유속, 유량은 서로 다를 수 있다.
자세하게, 실시예에 따른 제 2 서브 연결부(133b)는 상기 제 1 서브 연결부(133a)보다 좁은 수평 방향 단면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 서브 연결부(133b)와 인접하게 배치된 감지부(700)는 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 물, 가스 등의 유체를 효과적으로 감지할 수 있고, 감지한 정보를 바탕으로 상기 다이어프램(200)의 개폐를 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 제 4 연결부(134)는 상기 제 2 연결부(132) 및 상기 제 3 연결부(133) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 4 연결부(134)는 상기 하우징(100)의 내부 공간일 수 있다. 자세하게, 상기 제 4 연결부(134)는 상기 하우징(100)의 제 1 오픈 영역 및 상기 다이어프램(200)과 대응되는 영역에 형성되는 수용 공간일 수 있다.
상기 제 4 연결부(134) 상에는 상기 다이어프램(200)이 배치될 수 있다. 상기 제 4 연결부(134)는 상기 다이어프램(200)에 의해 상기 하우징(100)의 외측으로부터 차폐될 수 있다. 즉, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 4 연결부(134) 내에 유입된 물, 가스 등이 상기 제 1 오픈 영역을 통해 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 4 연결부(134)는 상기 제 2 연결부(132) 및 상기 제 4 연결부(134)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 4 연결부(134)는 상기 제 2 연결부(132)와 선택적으로 연결될 수 있다. 자세하게, 상기 제 4 연결부(134)는 상기 다이어프램(200)의 개폐 여부에 따라 상기 제 2 연결부(132)와 연결되거나 연결되지 않을 수 있다. 즉, 상기 다이어프램(200)은 상기 제 2 및 제 4 연결부(132, 134) 사이에 배치되어 상기 제 2 연결부(132)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 또한, 상기 제 4 연결부(134)는 하면에 형성될 홀을 통해 상기 제 3 연결부(133)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 연결부(133)의 일 끝단과 반대되는 타 끝단은 상기 제 4 연결부(134)의 홀과 연결될 수 있다. 자세하게, 상기 제 3 연결부(133)의 제 2 서브 연결부(133b)는 상기 제 4 연결부(134)와 연결될 수 있다.
상기 제 4 연결부(134)의 하면은 도 3과 같이 평평하게 제공될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 제 4 연결부(134)의 하면은 경사질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 4 연결부(134) 하면은 유체가 하면 상에 고이는 것을 방지하기 위해 상기 홀을 향해 소정의 경사각으로 경사지게 제공될 수 있다. 즉, 상기 제 4 연결부(134)는 깔대기(hopper) 형태를 가질 수 있다.
상기 제 4 연결부(134)의 하면 경사각은 약 5도 내지 약 20도일 수 있다. 예를 들어, 상기 하면의 경사각이 약 5도 미만인 경우, 상기 제 4 연결부(134)의 하면 상에 고여있는 물 등의 유체가 상기 홀을 통해 상기 제 3 연결부(133)로 원활하게 배출되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 물 등의 유체가 기온이 낮은 환경에서 상기 제 4 연결부(134)의 하면 상에 결빙될 수 있다.
또한, 상기 하면의 경사각이 약 20도를 초과할 경우, 물 등의 유체가 상기 제 4 연결부(134)의 하면 상에 고이지 않고 원활하게 배출될 수 있으나, 상기 경사각에 의해 상기 하우징(100)의 신뢰성이 저하되고, 상기 제 4 연결부(134)의 유체 수용량이 감소할 수 있다.
따라서, 상기 제 4 연결부(134)의 하면 경사각은 상술한 문제를 방지하기 위해 상술한 범위를 만족해야 할 필요가 있다. 바람직하게, 상기 제 4 연결부(134)의 하면 경사각은 하면 상에 유체가 고이는 것을 방지하고, 유체의 수용량, 상기 하우징(100)의 신뢰성 등을 고려하여 약 5도 내지 약 15도일 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 코팅층(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 소수성 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은 상기 테플론, 아연산화물 나노와이어, 안티몬산화물, 폴리카보네이트 및 폴리프로필렌 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 상기 하우징(100)의 내측면, 예컨대 상기 연결부(130)의 표면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은 상기 제 1 내지 제 4 연결부(131, 132, 133, 134) 중 적어도 하나의 연결부 상에 배치될 수 있다. 바람직하게 상기 코팅층은 상기 제 1 내지 제 4 연결부 표면 전체 영역 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 코팅층은 상기 다이어프램(200)의 표면 상에 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은 상기 제 2 연결부(132)와 마주하는 상기 중심부(210) 전체 표면 상에 배치되거나, 상기 연결부(130)와 마주하는 상기 다이어프램(200)의 일면 전체 상에 배치될 수 있다.
즉, 상기 코팅층은 상기 통합 배출 밸브(1000) 내에 유입된 물 및 가스 등의 유체와 접하는 표면 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 통합 배출 밸브(1000) 내부로 유입된 물 및 가스 내에 포함된 수분이 결빙되는 것을 방지할 수 있어, 상기 통합 배출 밸브(1000)의 오작동 또는 미작동을 방지할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 발열부(500), 기판(600) 및 감지부(700)를 포함할 수 있다.
자세하게, 상기 하우징(100)은 오픈된 하부 영역으로 정의되는 제 2 오픈 영역을 포함할 수 있고, 상기 제 2 오픈 영역과 대응되는 리세스를 포함할 수 있다. 상기 리세스는 상기 발열부(500), 상기 기판(600), 상기 감지부(700)를 수용하기 위해 상기 연결부(130) 방향으로 오목한 형태를 가질 수 있다.
먼저 상기 기판(600)에 대해 설명하면, 상기 기판(600)은 회로기판으로 절연체 상에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있다. 상기 기판(600)은 수지 재질의 PCB(Printed circuit board), 금속 코어를 갖는 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 비연성 기판(nonflexible PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB), 세라믹 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 기판(600)은 수지 재질의 층이나 세라믹 계열의 층을 포함할 수 있으며, 상기 수지 재질은 실리콘, 또는 에폭시 수지, 또는 플라스틱 재질을 포함하는 열 경화성 수지, 또는 고내열성, 고 내광성 재질로 형성될 수있다. 상기 세라믹 재질은, 동시 소성되는 저온 소성 세라믹(LTCC: low temperature cofired ceramic) 또는 고온 소성 세라믹(HTCC: high temperature cofired ceramic)을 포함할 수 있다.
상기 기판(600)은 다수의 비아 구조를 가질 수 있다. 상기 기판(600)의 비아 구조는 상기 기판(600)의 상면과 하면 상에 형성된 전극 패턴을 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 기판(600) 상에는 보호 소자, 트랜지스터, 저항 등이 더 배치될 수 있다.
상기 발열부(500)는 상기 하우징(100)의 리세스 내에 배치될 수 있다. 상기 발열부(500)는 상기 리세스와 대응되는 형상을 가질 수 있고, 상기 기판(600)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 발열부(500)는 제 1 전극(510), 발열 소자(550) 및 제 2 전극(520)을 포함할 수 있다.
상기 발열 소자(550)는 상기 제 1 전극(510) 및 상기 제 2 전극(520) 사이에 배치되며 인가된 전원에 의해 발열할 수 있다. 상기 발열 소자(550)는 세라믹 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 발열 소자(550)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(510) 및 상기 제 2 전극(520)은 전도성 재질을 포함할 수 있고, 상기 발열 소자(550)에 전원을 인가할 수 있다. 또한, 상기 제 1 전극(510) 및 상기 제 2 전극(520)은 열 전도성이 우수한 재질을 포함하여 상기 발열 소자(550)로부터 방출된 열 에너지를 인접하거나 직접 접촉하는 구성에 제공할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 전극(510) 및 상기 제 2 전극(520)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 스테인리스 스틸(SUS), 인청동, Cu-Ti 합금, Cu-Be 합금, 양백, 황동 및 Cu-Ni-Si 중 적어도 하나의 금속 재질을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(510)은 상기 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 전극(510)은 상기 하우징(100)의 리세스에 의해 노출되는 상기 하우징(100)의 표면과 대응되는 형태를 가지며 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 1 전극(510)은 제 1 지지부(511) 및 복수의 연장부(512)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 지지부(511)는 플레이트 형상을 가지며 상기 발열 소자(550)와 동일한 방향, 예컨대 수평 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제 1 지지부(511)는 상기 제 1 연결부(131)의 하면과 수직 방향으로 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1 지지부(511)의 하면은 상기 발열 소자(550)의 상면과 직접 접촉할 수 있다.
상기 복수의 연장부(512)는 상기 제 1 지지부(511)와 연결될 수 있다. 상기 복수의 연장부(512)는 상기 제 1 지지부(511)와 다른 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 연장부(512)는 상기 제 1 지지부(511)의 제 1 측에서 수직 방향(z축 방향)으로 연장하는 제 1 연장부(512a), 상기 제 1 측과 반대되는 제 2 측에서 연장하는 제 2 연장부(512b)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 연장부(512a) 및 상기 제 2 연장부(512b)는 서로 평행하게 마주할 수 있다. 상기 제 1 연장부(512a) 및 상기 제 2 연장부(512b)는 상기 제 1 지지부(511)와 수직일 수 있다.
또한, 상기 복수의 연장부(512)는 상기 제 1 및 제 2 측을 연결하는 제 3 측에서 연장하는 제 3 연장부(512c)를 포함할 수 있다. 상기 제 3 연장부(512c)는 상기 제 1 지지부(511)의 제 3 측에서 수직 방향으로 연장할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(510)은 상기 유입구(110)와 마주하는 면, 상기 다이어프램(200)과 마주하는 두 개의 면이 오픈되고, 내부에 소정의 공간이 형성된 직육면체 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수의 연장부(512)는 상기 제 3 연장부(512c)의 상부 영역에서 수직 방향, 예컨대 상기 다이어프램(200) 방향으로 더 연장하는 제 4 연장부(512d)를 포함할 수 있다. 상기 제 4 연장부(512d)의 최고점은 상기 제 1 내지 제 3 연장부(512a, 512b, 512c)의 최고점보다 상기 다이어프램(200)과 인접할 수 있다.
상기 제 2 전극(520)은 상기 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 전극(520)은 상기 하우징(100)의 리세스 내에 배치되며 상기 제 1 전극(510)과 이격될 수 있다.
상기 제 2 전극(520)은 제 2 지지부(521) 및 제 5 연장부를 포함할 수 있다.
상기 제 2 지지부(521)는 플레이트 형상을 가지며 상기 발열 소자(550)와 동일한 방향, 예컨대 수평 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제 2 지지부(521)는 상기 제 1 지지부(511), 상기 제 1 연결부(131)의 하면과 수직 방향으로 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 2 지지부(521)의 상면은 상기 발열 소자(550)의 하면과 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 5 연장부는 상기 제 2 지지부(521)와 연결될 수 있다. 상기 제 5 연장부는 상기 제 2 지지부(521)와 다른 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 5 연장부(522)는 상기 제 2 지지부의 일측에서 수직 방향(z축 방향)으로 연장할 수 있다. 상기 제 5 연장부(522)는 상기 제 1 전극(510)의 제 3 연장부(512c)와 평행할 수 있다.
상기 발열부(500)는 상기 연결부(130)와 인접하게 배치될 수 있다. 상기 발열부(500)는 상기 제 1 및 제 2 연결부(131, 132)와 대응되는 상기 리세스의 표면과 직접 접촉할 수 있다. 상기 발열부(500)는 상기 제 1 연결부(131) 및 상기 제 2 연결부(132)에 열 에너지를 제공할 수 있다. 또한, 상기 발열부(500)는 상기 제 2 연결부(132)와 상기 다이어프램(200)의 경계 영역과도 인접하게 배치되어 상기 경계 영역에 열 에너지를 제공할 수 있다.
자세하게, 상기 제 1 전극(510)은 제 1 연결부(131)의 하면, 상기 제 1 연결부(131)의 측면, 상기 제 2 연결부(132)의 측면 중 적어도 하나의 면과 대응되는 영역에 배치될 수 있다.
더 자세하게, 상기 제 1 지지부(511)는 상기 리세스의 표면과 접하며 상기 제 1 연결부(131)의 하면과 수직 방향으로 중첩될 수 있다. 또한, 상기 제 1 내지 제 3 연장부(512a, 512b, 512c) 각각은 상기 리세스의 표면과 접하며 상기 제 1 연결부(131)의 측면 영역과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 연장부(512a)는 상기 제 1 연결부(131)의 제 1 측면과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 상기 제 2 연장부(512b)는 상기 제 1 연결부(131)의 제 1 측면과 반대되는 제 2 측면과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 상기 제 3 연장부는 상기 제 1 연결부(131)의 제 1 및 제 2 측면 사이의 제 3 측면과 수평 방향으로 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제 3 연장부(512c)는 상기 제 2 연결부(132)의 일측면과 대응되는 영역에 더 배치될 수 있다. 상기 제 3 연장부(512c)는 상기 제 2 연결부(132)의 일측면과 수평 방향으로 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제 4 연장부(512d)는 상기 제 2 연결부(132)의 일측면과 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 상기 제 4 연장부(512d)는 상기 제 2 연결부(132)의 일측면과 수평 방향으로 중첩될 수 있다.
즉, 상기 제 1 전극(510)은 상기 제 1 연결부(131)의 하면 및 측면을 감싸며 배치되며 상기 제 2 연결부(132)의 일측면과 대응되도록 배치될 수 있다. 이에 따라 상기 제 1 연결부(131)에 잔류한 물, 가스 등이 결빙되거나, 상기 제 2 연결부(132)와 상기 다이어프램(200)의 경계 영역이 결빙될 경우, 상기 영역들에 열을 효과적으로 제공하여 단시간에 해빙할 수 있다. 따라서, 상기 발열부(500)는 상기 통합 배출 밸브(1000) 내에 잔류한 물, 가스 등의 결빙으로 상기 밸브가 오작동 및 미작동하는 것을 방지할 수 있다.
상기 감지부(700)는 상기 하우징(100)의 리세스 내에 배치될 수 있다. 상기 감지부(700)는 상기 기판(600) 상에 배치되며 상기 기판(600)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 감지부(700)는 수직 방향(z축 방향)으로 연장하는 형태를 가질 수 있다.
상기 감지부(700)는 상기 연결부(130)와 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 감지부(700)는 상기 제 3 연결부(133)와 인접하게 배치되며 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량을 감지할 수 있다. 자세하게, 상기 감지부(700)는 상기 제 1 서브 연결부(133a)보다 좁은 단면적을 가지는 상기 제 2 서브 연결부(133b)와 인접하게 배치되어 상기 제 2 서브 연결부(133b)의 정전 용량을 감지할 수 있다. 상기 감지부(700)는 상기 제 2 서브 연결부(133b)와 수평 방향으로 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
상기 감지부(700)는 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 물, 가스 중 적어도 하나에 의해 변화하는 정전 용량 강도 값을 감지할 수 있다. 감지한 정전 용량 강도 값을 바탕으로 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 상기 연결부(130)에 수용된 유체를 판단할 수 있고, 상기 연결부(130)의 개폐 여부를 제어할 수 있다. 특히, 상기 감지부(700)는 상대적으로 좁은 단면적을 가지는 제 2 서브 연결부(133b)의 정전 용량을 감지함에 따라 상기 제 3 연결부를 유동하는 유체를 보다 효과적으로 파악할 수 있다. 감지한 정전 용량에 대한 상기 연결부(130)의 개폐 여부는 후술할 도 5 내지 도 9를 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
또한, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 차폐 부재(800)를 더 포함할 수 있다. 상기 차폐 부재(800)는 상기 하우징(100)의 제 2 오픈 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 차폐 부재(800)는 상기 제 2 오픈 영역과 대응되는 형태를 가지며, 상기 제 2 오픈 영역을 차폐할 수 있다. 즉, 상기 차폐 부재(800)는 상기 기판(600), 상기 감지부(700) 및 상기 발열부(500)가 상기 하우징(100)의 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 차폐 부재(800)는 외부 이물질이 상기 제 2 오픈 영역을 통해 상기 하우징(100) 내부에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 상기 차폐 부재(800)는 상기 하우징(100)과 동일하거나 다른 재질로 제공될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 5는 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 블록도이고, 도 6은 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브의 동작에 대한 순서도이다. 또한, 도 7 내지 도 9는 실시예에 따른 감지부가 저온, 상온 및 고온에서 각각 감지한 정전 용량 변화량에 대한 그래프다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 제어부(910) 및 전원부(920)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(910)는 상기 감지부(700)로부터 제공된 정보를 바탕으로 상기 연결부(130)의 개폐를 제어할 수 있다. 자세하게, 상기 제어부(910)는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 값을 바탕으로 상기 솔레노이드 구동부를 제어할 수 있고, 상기 다이어프램(200)의 위치를 제어할 수 있다.
상기 저장부(930)는 상기 제어부(910)와 연결될 수 있다. 상기 저장부(930)는 상기 연결부(130)의 개폐를 제어하기 위한 데이터를 저장할 수 있다. 일례로, 상기 저장부(930)는 상기 솔레노이드 구동부에 인가되는 신호에 대한 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 상기 저장부(930)는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량에 대한 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 상기 저장부(930)는 외부 환경에 따른 정전 용량 변화에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
상기 전원부(920)는 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)에 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 전원부(920)는 상기 제어부(910), 상기 솔레노이드 구동부, 상기 감지부(700) 등의 구성에 전원을 공급할 수 있다. 상기 전원부(920)는 상기 통합 배출 밸브(1000)의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 통합 배출 밸브(1000)에 전원을 제공할 수 있다. 이와 다르게, 상기 전원부(920)는 상기 통합 배출 밸브(1000)와 연결되는 별도의 외부 전원으로 제공될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 6을 참조하면, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량을 바탕으로 상기 연결부(130)의 개폐를 제어할 수 있다.
먼저, 상기 연결부(130)가 폐쇄된 상태일 경우, 상기 제 1 연결부(131) 및 상기 제 2 연결부(132)에는 상기 연료전지 스택에서 형성된 물 및 수소 등의 가스 중 적어도 하나의 유체가 수용될 수 있다. 또한, 상기 제 3 연결부(133) 내에는 상술한 유체가 거의 없거나 잔존하지 않을 수 있다.
이때, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도(intensity) 값은 기준값으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 기준값은 상기 통합 배출 밸브(1000)의 외부 또는 내부 온도에 따라 변화하는 값일 수 있다. 예를 들어, 상기 기준값은 상기 하우징(100) 또는 상기 연결부(130)의 외부 또는 내부 온도에 따라 변화하는 값일 수 있다. 그리고, 상기 기준값은 상기 제 1 및 제 2 연결부(131, 132)에 수용된 유체가 상기 제 3 연결부(133)를 유동할 때의 정전 용량 강도 값과 비교하여 상대적으로 낮은 값일 수 있다.
이어서, 상기 연결부(130)는 중앙 제어부(미도시), 예컨대 전자 제어 유닛(ECU; Electronic Control Unit)에 의해 개방될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 및 제 2 연결부(131, 132)에 수용된 물 및 가스 중 적어도 하나의 유체는 상기 제 4 연결부(134)로 유동한 이후 상기 제 3 연결부(133)를 통해 상기 배출구(120)로 배출될 수 있다.
이 과정에 상기 감지부(700)는 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량을 감지할 수 있다. 또한, 상기 제어부(910)는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 값의 변화를 바탕으로 상기 연결부(130)의 개폐를 제어할 수 있다.
자세하게, 상기 유체가 물 및 가스를 포함할 경우, 상기 제 3 연결부(133)에는 물이 먼저 유동할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 연결부(133)에는 가스압에 의해 물이 먼저 유동할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도(intensity) 값은 급증할 수 있다.
상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 기준값으로부터 제 1 범위만큼 상승할 경우, 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체가 물을 포함하는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 현재 상기 제 3 연결부(133)를 통해 상기 배출구(120)로 배출되는 유체가 물인 것으로 판단하고 상기 연결부(130)를 개방 상태로 유지할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 범위는 약 15% 내지 약 60%일 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 범위는 약 17% 내지 약 55%일 수 있다. 상기 제 1 범위가 약 15% 미만이거나 약 60%를 초과할 경우, 상기 제어부(910)가 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 효과적으로 파악하기 어려울 수 있다.
자세하게, 상기 기준값은 온도에 따라 변화하는 요소로 저온(약 -30℃)에서 고온(약 85℃)으로 갈수록 점점 증가할 수 있다. 이로 인해, 상기 제 1 범위의 최소값이 약 15% 미만인 경우 상기 기준값으로부터 변화하는 정전 용량 강도의 변화 폭이 미미할 수 있다. 이에 따라, 상기 정전 용량 강도 값의 변화를 바탕으로 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 판단하기 어려울 수 있다. 마찬가지로 상기 제 1 범위의 최대값이 약 60%를 초과할 경우, 상기 기준값으로부터 변화하는 정전 용량 강도의 변화 폭이 너무 클 수 있다. 이에 따라, 상기 정전 용량 강도 값의 변화를 바탕으로 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 판단하기 어려울 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 범위는 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)가 사용되는 저온 내지 고온의 환경, 예컨대 약 -30℃ 내지 약 85℃의 온도에서 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 정확히 판단하기 위해 약 20% 내지 약 50%일 수 있다.
즉, 상기 연결부(130)가 개방될 경우, 상기 유체에 포함된 가스의 압력에 의해 상기 제 3 연결부(133)에는 물이 먼저 유동할 수 있다. 이때, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도(intensity) 값은 상술한 바와 같이 상기 기준값으로부터 증가할 수 있다. 또한, 상기 정전 용량 강도 값은 상기 기준값으로부터 상기 제 1 범위를 초과하는 강도 값을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도 값은 상기 제 1 범위는 초과하는 강도에서 최대값을 가질 수 있다.
상술한 가스압에 의해 소정의 물이 먼저 배출된 이후, 상기 제 3 연결부(133)에는 상기 가스압에 의해 물과 가스가 함께 유동할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도(intensity) 값은 감소할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 감지한 상기 최대값으로부터 제 2 범위만큼 감소할 경우, 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체가 물과 가스가 포함하는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 현재 상기 제 3 연결부(133)를 통해 상기 배출구(120)로 배출되는 유체가 물과 가스를 포함하는 것으로 판단하고, 상기 연결부(130)를 폐쇄할 수 있다.
자세하게, 상기 물과 함께 배출되는 가스에는 상기 연료전지 스택 내부에 누적된 질소 가스뿐만 아니라, 수소 가스가 다량 포함될 수 있다. 이러한 수소 가스가 상기 배출구(120)를 통해 외부로 배출될 경우 연료의 손실이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 상기 제어부(910)는 감지한 최대 정전 용량 강도 값(상기 최대값)으로부터 상기 정전 용량 강도 값이 제 2 범위만큼 감소하면, 상기 연결부(130)를 폐쇄하여 수소 가스의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 최대값으로부터 상기 제 2 범위 미만 감소할 경우, 상기 연결부(130)의 개방 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 범위는 약 5% 내지 약 20%일 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 범위는 약 5% 내지 약 15%일 수 있다. 상기 제 2 범위가 약 5% 미만이거나 약 20%를 초과할 경우, 상기 제어부(910)가 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 효과적으로 파악하기 어려울 수 있다.
자세하게, 상기 정전 용량 강도 값은 온도에 따라 변화하는 요소이며 상기 최대값 역시 온도에 따라 변화할 수 있다. 상기 제 2 범위의 최소값이 약 5% 미만인 경우, 상기 최대값으로부터 변화하는 정전 용량 강도의 변화 폭이 미미할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체의 가스 포함 여부를 판단하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 제 2 범위의 최대값이 약 20%를 초과할 경우, 상기 최대값으로부터 변화하는 정전 용량 강도의 변화 폭이 너무 클 수 있다. 이 경우, 상기 제 3 연결부(133) 및 상기 배출구(120)를 통해 다량의 수소가 배출될 수 있어 상기 통합 배출 밸브(1000)의 효율이 저하될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 2 범위는 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)가 사용되는 저온 내지 고온의 환경, 예컨대 약 -30℃ 내지 약 85℃의 온도에서 상기 제 3 연결부(133)를 유동하는 유체를 정확히 판단하고, 수소 가스의 배출을 차단하기 위해 약 5% 내지 약 10%일 수 있다.
즉, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 상기 밸브를 통해 배출되는 유체를 정확히 파악할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 반응에 의해 형성된 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 반응하지 않은 수소 가스가 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 다양한 온도 환경에서 일정한 성능을 유지할 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 상기 감지부(700)는 저온(약 -30℃)의 환경에서 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 변화를 감지할 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 연결부(130)가 폐쇄된 상태에서 상기 제 3 연결부(133) 내에는 상기 연료전지 스택에서 형성된 물 및 수소 등의 가스를 포함하는 유체가 거의 없거나 잔존하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도(intensity) 값은 약 1500일 수 있고, 상기 값을 기준값(P1)으로 정의할 수 있다.
이후, 상기 중앙 제어부에 의해 상기 연결부(130)가 개방될 수 있고, 유동하는 유체에 의해 상기 감지부(700)가 감지하는 정전 용량 강도 값은 증가할 수 있다. 이때, 상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 기준값(P1)으로부터 상기 제 1 범위만큼 증가하면 물이 유동하는 단계(A1)로 판단할 수 있다.
또한, 상기 정전 용량 강도 값은 상기 물에 의해 약 2400까지 올라갈 수 있다. 그리고, 상기 제어부는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도 값이 최대값보다 상기 제 2 범위만큼 낮은 지점(P2)까지 감소하면 물과 가스가 함께 유동하는 단계(A2)로 판단할 수 있다. 상기 제어부(910)는 현 단계가 상기 물과 가스가 함께 유동하는 단계(A2)로 판단할 경우, 상기 솔레노이드 구동부 및 상기 다이어프램(200)을 제어하여 상기 연결부(130)를 폐쇄할 수 있다.
상기 연결부(130)가 폐쇄되면 상기 제 3 연결부(133)에는 물 및 가스가 더 이상 유입되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도 값은 상기 기준값(P1)을 향해 감소할 수 있다.
이에 따라, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 약 -30℃의 저온 환경에서 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 수소 가스가 불필요하게 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면 상기 감지부(700)는 상온(약 25℃)의 환경에서 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 변화를 감지할 수 있다. 도 11을 참조하면, 상기 연결부(130)가 폐쇄된 상태에서 상기 제 3 연결부(133) 내에는 상기 연료전지 스택에서 형성된 물 및 수소 등의 가스를 포함하는 유체가 거의 없거나 잔존하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도(intensity) 값은 약 1850일 수 있고, 상기 값을 기준값(P1)으로 정의할 수 있다.
이후, 상기 중앙 제어부에 의해 상기 연결부(130)가 개방될 수 있고, 유동하는 유체에 의해 상기 감지부(700)가 감지하는 정전 용량 강도 값은 증가할 수 있다. 이때, 상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 기준값(P1)으로부터 상기 제 1 범위만큼 증가하면 물이 유동하는 단계(B1)로 판단할 수 있다.
또한, 상기 정전 용량 강도 값은 상기 물에 의해 약 3020까지 올라갈 수 있다. 그리고, 상기 제어부는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도 값이 최대값보다 상기 제 2 범위만큼 낮은 지점(P2)까지 감소하면 물과 가스가 함께 유동하는 단계(B2)로 판단할 수 있다. 상기 제어부(910)는 현 단계가 상기 물과 가스가 함께 유동하는 단계(B2)로 판단할 경우, 상기 솔레노이드 구동부 및 상기 다이어프램(200)을 제어하여 상기 연결부(130)를 폐쇄할 수 있다.
상기 연결부(130)가 폐쇄되면 상기 제 3 연결부(133)에는 물 및 가스가 더 이상 유입되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도 값은 상기 기준값(P1)을 향해 감소할 수 있다.
이에 따라, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 약 25℃의 상온 환경에서 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 수소 가스가 불필요하게 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면 상기 감지부(700)는 고온(약 85℃)의 환경에서 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 변화를 감지할 수 있다. 도 12를 참조하면, 상기 연결부(130)가 폐쇄된 상태에서 상기 제 3 연결부(133) 내에는 상기 연료전지 스택에서 형성된 물 및 수소 등의 가스를 포함하는 유체가 거의 없거나 잔존하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도(intensity) 값은 약 2200일 수 있고, 상기 값을 기준값(P1)으로 정의할 수 있다.
이후, 상기 중앙 제어부에 의해 상기 연결부(130)가 개방될 수 있고, 유동하는 유체에 의해 상기 감지부(700)가 감지하는 정전 용량 강도 값은 증가할 수 있다. 이때, 상기 제어부(910)는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 기준값(P1)으로부터 상기 제 1 범위만큼 증가하면 물이 유동하는 단계(C1)로 판단할 수 있다.
또한, 상기 정전 용량 강도 값은 상기 물에 의해 약 3400까지 올라갈 수 있다. 그리고, 상기 제어부는 상기 감지부(700)가 감지한 정전 용량 강도 값이 최대값보다 상기 제 2 범위만큼 낮은 지점(P2)까지 감소하면 물과 가스가 함께 유동하는 단계(C2)로 판단할 수 있다. 상기 제어부(910)는 현 단계가 상기 물과 가스가 함께 유동하는 단계(C2)로 판단할 경우, 상기 솔레노이드 구동부 및 상기 다이어프램(200)을 제어하여 상기 연결부(130)를 폐쇄할 수 있다.
상기 연결부(130)가 폐쇄되면 상기 제 3 연결부(133)에는 물 및 가스가 더 이상 유입되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 연결부(133)의 정전 용량 강도 값은 상기 기준값(P1)을 향해 감소할 수 있다.
이에 따라, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 약 85℃의 고온 환경에서 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 수소 가스가 불필요하게 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 배출 장치(미도시)에 적용될 수 있다. 상기 배출 장치는 상술한 연료전지 스택, 상기 통합 배출 밸브(1000), 상기 스택과 상기 통합 배출 밸브(1000)의 유입구(110)를 연결하는 제 1 배관(미도시), 상기 통합 배출 밸브(1000)의 배출구(120)로부터 연장되는 제 2 배관(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 스택으로부터 수소, 물 등의 유체는 상기 제 1 배관을 통해 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)에 제공될 수 있고, 상기 유체는 상기 제 2 배관을 통해 상기 배출 장치 외부로 배출될 수 있다. 상기 배출 장치는 차량뿐만 아니라 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 하나의 밸브를 이용하여 수소 퍼지 및 반응에 의해 형성된 물을 배출할 수 있다. 예를 들어, 상기 통합 배출 밸브(1000)는 수소 퍼지가 요구되면 상기 연결부(130) 내의 수소가 퍼지될 수 있다. 또한, 상기 연결부(130) 내에 반응에 의해 형성된 물이 수용되면 상기 다이어프램(200)을 개방하여 물을 배출할 수 있다. 이에 따라, 상기 통합 배출 밸브(1000)는 종래의 수소 퍼지 밸브, 워터 트랩, 수위 감지 센서 등의 구성을 생략할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 통합 배출 밸브(1000)는 하나의 밸브로 제공되어 보다 작은 부피 및 경량으로 제공할 수 있으며, 부품수 감소 등을 통해 원가 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 통합 배출 밸브(1000)는 수지 재질로 제공되어 다양한 형태를 가질 수 있으며 설계의 자유도를 극대화할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 통합 배출 밸브(1000)는 유체가 유동하는 표면 영역에 배치되는 소수성 재질의 코팅층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 통합 배출 밸브(1000)에 유입된 물, 가스가 결빙되는 것을 방지할 수 있어, 상기 통합 배출 밸브(1000)가 결빙에 의해 오작동 및 미작동 하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 통합 배출 밸브(1000)는 상기 연결부(130)에 열 에너지를 제공하는 발열부(500)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발열부(500)는 상기 연결부(130) 중 결빙 발생이 쉽거나, 결빙 시 해빙해야 될 영역에 열을 효과적으로 제공가능한 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 통합 배출 밸브(1000) 내에 잔류한 물, 가스 등의 결빙으로 상기 밸브가 오작동 또는 미작동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 상기 정전 용량 강도 값은 기온에 따라 기준값 및 최대값이 변화할 수 있다. 이에 따라, 다양한 온도 범위에서 하나의 설정 값을 이용하여 유체의 종류를 파악하기 어려울 수 있다.
그러나, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 약 -30℃ 내지 약 85℃의 온도 범위에서 상기 연결부(130)를 유동하는 유체를 효과적으로 파악할 수 있다. 자세하게, 상기 제어부(910)는 온도에 따른 기준값으로부터 설정된 범위만큼 증가하는 정전 용량 강도 값과, 최대값으로부터 설정된 범위만큼 감소하는 정전 용량 강도 값을 통해 상기 연결부(130)를 유동하는 유체를 효과적으로 파악할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 온도에 따라 가변하는 설정 값을 이용하여 상기 유체의 종류를 파악할 수 있어, 스택에서 형성된 물을 효과적으로 배출할 수 있고, 수소 가스가 배출되는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 연료전지용 통합 배출 밸브(1000)는 온도에 따른 오작동 및 미작동을 방지할 수 있으며 향상된 효율을 가질 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 수소 연료전지의 스택과 연결되며 상기 스택으로부터 배출되는 유체가 유입되는 유입구 및 상기 유체가 배출되는 배출구를 포함하는 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되며 상기 유입구 및 상기 배출구 사이에 배치되는 연결부;
    상기 연결부 상에 배치되며 상기 연결부를 개폐하는 다이어프램;
    상기 다이어프램의 위치를 제어하는 솔레노이드 구동부;
    상기 연결부와 인접하게 배치되며 상기 연결부의 정전 용량을 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부에서 감지한 신호를 바탕으로 상기 연결부의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 연결부가 오픈될 경우,
    상기 감지부는 상기 연결부의 정전 용량 강도(intensity) 값을 감지하고,
    상기 제어부는 상기 정전 용량 강도 값이 기준값으로부터 제 1 범위만큼 증가하고, 상기 정전 용량 강도 값의 최대값으로부터 제 2 범위만큼 감소할 때 상기 연결부를 폐쇄하고,
    상기 제어부는 상기 정전 용량 강도 값이 상기 기준값으로부터 상기 제 1 범위만큼 증가할 경우 상기 연결부를 유동하는 유체가 물을 포함하는 것으로 판단하고, 상기 정전 용량 강도 값이 상기 최대값으로부터 상기 제 2 범위만큼 감소할 경우 상기 연결부를 유동하는 유체가 물 및 가스를 포함하는 것으로 판단하는 연료전지용 통합 배출 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준값은 상기 하우징 또는 상기 연결부의 외부 또는 내부 온도에 따라 변화하는 연료전지용 통합 배출 밸브.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 하부에 형성되는 리세스를 포함하고,
    상기 감지부는 상기 하우징의 리세스 내에 배치되고,
    상기 하우징의 리세스 내에 배치되는 발열부를 더 포함하고,
    상기 발열부는 상기 연결부와 인접한 상기 리세스의 표면과 직접 접촉하는 연료전지용 통합 배출 밸브.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 범위는 15% 내지 60%이고, 상기 제 2 범위는 5% 내지 20%인 연료전지용 통합 배출 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 유입구와 연결되는 제 1 연결부;
    상기 제 1 연결부 및 상기 다이어프램 사이에 배치되는 제 2 연결부;
    상기 배출구와 연결되는 제 3 연결부; 및
    상기 제 2 연결부와 상기 제 3 연결부 사이에 배치되는 제 4 연결부를 포함하고,
    상기 다이어프램은 상기 제 2 및 제 4 연결부 사이에 배치되어 상기 제 2 연결부를 선택적으로 개폐하는 연료전지용 통합 배출 밸브.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 제 3 연결부와 인접하게 배치되며 상기 제 3 연결부의 정전 용량을 감지하는 연료전지용 통합 배출 밸브.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 연결부는,
    상기 배출구와 연결되는 제 1 서브 연결부; 및
    상기 제 1 서브 연결부 및 상기 제 4 연결부사이에 배치되는 제 2 서브 연결부를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 서브 연결부는 서로 다른 단면적을 가지고,
    상기 감지부는 상기 제 2 서브 연결부와 인접하게 배치되는 연료전지용 통합 배출 밸브.
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