KR102453338B1 - 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신뢰성 있는 압력 조절을 수행하기 위한 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치 및 방법에 관한 것으로, 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되며, 상기 수소 공급 라인의 수소가 유입되는 제 1 밸브홀을 구비하는 베이스 블록; 상기 베이스 블록의 상부에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 포펫 탑재 영역을 케이싱 내부에 구비하는 밸브 케이싱; 상기 제 1 밸브홀에 지지되도록 상기 포펫 탑재 영역에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 제 2 밸브홀을 포펫 저부에 구비하는 외측 포펫; 및 상기 제 2 밸브홀에 지지되며, 상기 외측 포펫의 내부에 배치되는 내측 포펫;을 포함하며, 상기 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 외측 포펫의 내부에 배치된 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 제 2 밸브홀을 개방한다.

Description

연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치 및 방법{Apparatus for preventing over pressure in fuel cell of hydrogen feed system and method thereof}

본 발명은 연료 전지용 수소 공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지로 수소를 공급하기 위한 수소 공급 라인에서 수소의 압력을 조절하는 과압 방지 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수소 연료 전지 자동차는 연료 전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차이다.

수소 연료 전지 자동차는 수소 연료로부터 전기를 만들면서 모터를 돌려 차량을 달리도록, 연료 전지의 본체인 스택(stack)과 그 스택 주위에 운전에 필요한 주변 보조기기(Balance of Plant, BOP)들을 구비한다.

주변 보조기기는 수소 연료 공급시스템(fuel processing system), 공기, 가습, 배기, 열회수, 재순화 등의 장치로 구성된다.

특히, 수소 연료 공급시스템은 수소 저장원의 수소를 연료 전지인 스택에 공급하는 이젝터, 이젝터와 스택 사이에 연결된 수소 공급 라인, 수소 공급 라인에 설치된 압력 조절기, 스택에 연결된 가습기, 가습기로부터 이젝터까지 연결된 수소 재순환 라인, 벤트 시스템(vent system)을 포함한다.

압력 조절기는 예컨대 릴리프 밸브[당 업계에서는 통상적으로 "압력 릴리프 밸브" 또는 "PRV(Pressure Relief Valve)" 라고도 함]이다.

수소 공급 라인을 통해 스택으로 공급되는 수소의 공급 압력이 과도하게 상승되지 않도록, 릴리프 밸브는 압력을 조절한다. 스택으로 주입되는 수소의 압력은 정상 압력일 수도 있으나, 밸브 스프링의 탄성력을 초과하는 일정 압력(cracking pressure) 또는 그 이상 일 수 있다. 이 경우, 밸브 개방이 이루어지고, 수소의 압력은 낮아진다. 밸브 개방 이후 수소의 압력이 정상 압력으로 복귀되면, 밸브 차단이 이루어진다.

종래 기술에 따른 릴리프 밸브는 밸브 스프링이 밸브 하우징의 내벽면에 접촉하고 있는 경우가 있다. 액체 맺힘 현상 또는 빙점 이하의 저온에서 액체의 결빙에 의해 밸브 스프링이 밸브 하우징의 내벽면에 달라붙는 문제가 있다.

이로써, 종래 기술에서는 밸브 스프링과 연결된 포펫(poppet)이 개방되지 않아 수소의 토출 압력이 크게 높아지게 되고, 이에 따라 고압에서도 밸브의 작동이 제대로 이루어지지 않게 된다는 문제점을 내포하고 있다.

그리고 추가적으로 릴리프 밸브를 더 설치하는 경우에는 릴리프 밸브의 크기가 비대해져서 밸브 설치상 공간 확보의 문제점이 발생된다.

또한, 스택으로 공급되는 수소의 압력 제한에 대한 안전 장치인 릴리프 밸브가 미 작동할 경우, 스택이 손상되는 문제점을 발생시킨다.

또한, 릴리프 밸브에 전기적 센서를 설치하는 경우, 센서 설치에 따른 회로 구성 및 설치 공간이 요구되는 단점이 있다.

그리고, 종래 기술에서는 수소 공급 라인 상에 릴리프 밸브를 두 개 이상 장착할 경우, 차량의 조립 라인에서 밸브 개수만큼의 작업이 필요하고, 센서류와 같은 전장 부품을 장착할 경우 그 부품 개수만큼의 작업이 요구되며, 이로 인해 작업 시간 및 소요 인력이 증가하게 된다는 문제점도 내포하고 있다.

따라서, 릴리프 밸브의 작동 신뢰성을 증대시키는 이중안전구조를 구현하면서도, 밸브 크기를 과도하게 증대시키지 않으면서, 스택 손상 전에 릴리프 밸브의 작동 불량을 미연에 파악할 수 있는 수단에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 외측 포펫의 내부에 내측 포펫을 구비하여, 밸브 미 작동 문제, 스택 손상 문제, 밸브 크기의 과도한 증가 문제를 해소할 수 있도록 한 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치는, 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되며, 상기 수소 공급 라인의 수소가 유입되는 제 1 밸브홀을 구비하는 베이스 블록; 상기 베이스 블록의 상부에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 포펫 탑재 영역을 케이싱 내부에 구비하는 밸브 케이싱; 상기 제 1 밸브홀에 지지되도록 상기 포펫 탑재 영역에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 제 2 밸브홀을 포펫 저부에 구비하는 외측 포펫; 및 상기 제 2 밸브홀에 지지되며, 상기 외측 포펫의 내부에 배치되는 내측 포펫;을 포함하며, 상기 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 외측 포펫의 내부에 배치된 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 제 2 밸브홀을 개방한다.

상기 베이스 블록은 상기 밸브 케이싱의 상기 수소를 수소 배출 라인을 통해 배출시키도록, 상기 제 1 밸브홀로부터 이격되어 있고, 상기 베이스 블록의 두께 방향으로 관통되어 있는 벤트홀을 더 포함한다.

상기 밸브 케이싱은 상기 포펫 탑재 영역과 상기 벤트홀을 상호 연결시키도록 상기 밸브 케이싱의 내부에 형성되어 있는 수소 배출 영역을 더 포함한다.

상기 외측 포펫은 상기 제 1 밸브홀에 안착될 수 있도록 상기 제 2 밸브홀의 외측에서 일체형으로 돌출되어 있는 중공 헤드부와, 상기 중공 헤드부와 상기 제 1 밸브홀 사이의 틈새를 실링하기 위하여 상기 중공 헤드부에 설치되어 있는 외측 실링부재와, 상기 외측 실링부재의 위쪽을 기준으로 상기 중공 헤드부의 외측에 일체형으로 형성되어 있는 외측 스프링 받침부와, 상기 외측 스프링 받침부와 상기 제 2 밸브홀 사이를 기준으로 상기 중공 헤드부의 상면에서 수직 방향으로 연장되어 있고, 상기 내측 포펫을 상기 외측 포펫의 내부에 배치시키기 위한 수용공간의 외벽이 되는 중공 몸체부, 및 상기 중공 몸체부의 상단에 나사 결합되고, 상기 수소를 상기 외측 포펫의 밖으로 배출시키기 위하여 배출구가 형성되어 있는 커버를 포함한다.

상기 외측 포펫은, 상기 외측 포펫을 상기 제 1 밸브홀 쪽으로 밀착시키도록, 상기 외측 스프링 받침부와 상기 밸브 케이싱의 내표면 사이에 배치되어 있는 외측 스프링을 포함한다.

상기 외측 포펫은 상기 배출구 쪽으로 유입되는 수소의 압력으로 진동하는 진동판에 의해 음향이 발생되도록, 상기 배출구에 설치되어 있는 알람장치를 더 포함한다.

상기 내측 포펫은 상기 외측 포펫의 상기 중공 몸체부의 내경보다 작고 상기 커버의 상기 배출구의 구멍 사이즈보다 큰 직경을 가지며, 상기 제 2 밸브홀에 안착되는 내측 헤드부와, 상기 내측 헤드부와 상기 제 2 밸브홀 사이의 틈새를 실링하기 위하여 상기 내측 헤드부에 설치되어 있는 내측 실링부재와, 상기 내측 실링부재의 위쪽을 기준으로 상기 내측 헤드부의 외측에 일체형으로 형성되어 있는 내측 스프링 받침부, 및 상기 내측 헤드부의 직경보다 작은 직경으로 상기 내측 헤드부의 상면 중심에서 수직 방향으로 연장된 샤프트부를 포함한다.

상기 내측 포펫은 상기 내측 포펫을 상기 제 2 밸브홀 쪽으로 밀착시키도록, 상기 내측 스프링 받침부와 상기 커버 사이에 배치되어 있는 내측 스프링을 포함한다.

상기 내측 스프링은 상기 외측 스프링에 비하여 상대적으로 큰 탄성력을 발휘하도록 제작되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 방법은 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되며, 외측 스프링의 탄성력과 상기 수소의 압력에 대응하여 제 1 밸브홀을 개폐하는 외측 포펫과, 상기 외측 포펫의 내부에서 내측 스프링의 탄성력과 상기 수소의 압력에 대응하여 상기 외측 포펫의 제 2 밸브홀을 개폐하는 내측 포펫을 구비한 과압 방지 장치에 의한 것으로서, 상기 수소의 압력이 제 1 밸브홀 및 상기 제 2 밸브홀에 전달되는 단계; 상기 외측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소의 압력에 의해 상기 외측 포펫이 상기 제 1 밸브홀을 개방하는 단계; 상기 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 내측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소에 의해 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 상기 제 2 밸브홀을 개방하는 단계; 및 상기 제 2 밸브홀을 경유한 수소가 상기 외측 포펫에 마련된 알람장치를 경유하여 음향을 발생하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치는, 외측 포펫의 내부에 내측 포펫이 구비되어 있는바, 기본적인 외측 포펫의 작동 불능 상태로 인해 비상 상황이 발생하더라도, 내측 포펫이 수소를 배출시킬 수 있도록 작동하여, 밸브 작동에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 방법은, 외측 포펫과 내측 포펫에 의한 이중안전구조를 통해서 연료 전지의 본체인 스택(stack)에 대한 확실한 과압보호를 통해 수택 손상을 최소화 할 수 있으며, 스택의 수명 증대에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 외측 포펫 및 외측 스프링의 부분 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 내측 포펫 및 내측 스프링의 정면도.
도 5 및 도 6는 도 1에 도시된 과압 방지 장치의 작동을 설명하기 위한 단면도.
도 7은 도 1에 도시된 과압 방지 장치에 의한 과압 방지 방법을 설명하기 위한 흐름도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예는 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되는 과압 방지 장치이다.

구체적으로, 본 실시예에 따른 과압 방지 장치는 당 업계에서 통상적으로 스택(STACK)이라고 불리우는 연료 전지로 수소와 공기를 공급하여 그 수소와 공기의 전기 화학적인 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지 시스템에 적용된다.

더욱 구체적으로, 본 실시예에 의한 과압 방지 장치는 연료 전지로 수소를 공급할 때, 그 수소의 압력을 조절하기 위한 것이다. 예컨대, 수소 공급 시스템은 별도 저장된 수소와 연료 전지에서 배출되는 미반응 수소를 이젝터로 믹싱하고, 그 믹싱된 수소를 수소 공급 라인(미 도시)을 통해 연료 전지로 재 공급하는 수소 재순환 시스템에 적용 가능하다.

이때, 과압 방지 장치는 수소 공급 라인을 통해 연료 전지로 공급되는 수소의 공급 압력이 과도하게 상승될 때 그 상승된 압력을 조절하는 기본적인 기능을 제공한다. 또한, 과압 방지 장치는 기본적인 기능을 담당하는 과압 방지 장치 내의 제 1 밸브홀이 외측 포펫의 오작동 또는 고장 등의 이유로 폐쇄되어 압력을 조절하는 것이 불가능한 상황이 발생되는 경우에도 이중안전구조를 실현하도록 되어 있다. 즉, 본 실시예의 과압 방지 장치는 상기와 같은 불가능 상황에서도 외측 포펫의 내부에 배치된 내측 포펫이 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결된 제 2 밸브홀을 개방시켜서 그 상승된 압력을 조절하는 기능을 한다.

이를 위한 구성으로서 본 실시예에 따른 과압 방지 장치는 분해 조립이 가능하게 제작되고, 수소 공급 라인에 인가되는 극한 압력 및 온도 등의 환경에서도 견고한 작동 성능을 보장할 수 있는 재질로 제작되어 있는 베이스 블록(10), 밸브 케이싱(20)을 포함한다.

도 2는 도 1에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 과압 방지 장치는 밸브 케이싱(20)의 내부에 배치된 외측 포펫(30), 외측 스프링(40), 내측 포펫(50), 내측 스프링(60)을 포함한다.

베이스 블록(10)은 수소 공급 라인 상에 설치되도록 판 형태의 몸체를 갖는다. 또한, 베이스 블록(10)은 수소 공급 라인의 개구부(미 도시)에 복수의 볼트 및 볼트 구멍을 이용하여 체결된다.

베이스 블록(10)은 몸체의 두께 방향으로 관통되어 있는 제 1 밸브홀(11)을 구비한다. 여기서, 제 1 밸브홀(11)은 수소 공급 라인의 개구부를 통해서 수소 공급 라인과 상호 연결된다.

또한, 베이스 블록(10)은 벤트홀(12)을 구비한다. 벤트홀(12)은 밸브 케이싱(20)의 수소를 수소 배출 라인을 통해 배출시키는 역할을 담당한다. 벤트홀(12)은 제 1 밸브홀(11)로부터 베이스 블록(10)의 길이 방향을 따라 이격되어 있고, 상기 베이스 블록(10)의 두께 방향으로 관통되어 있다. 이러한 벤트홀(12)은 수소 배출 라인의 연결 배관 부재(미 도시)에 상호 연결된다.

밸브 케이싱(20)은 수소 공급 라인의 수소 압력이 정상적인 공급 압력 이상이 될 경우, 상기 수소 공급 라인으로부터 수소를 유입 받은 후, 벤트홀(12) 쪽으로 유입 받은 수소를 배출시킬 수 있는 구조물이다.

이를 위해 밸브 케이싱(20)은 케이싱 상부 및 케이싱 상부와 연결된 케이싱 측부가 폐쇄되어 있고, 케이싱 저부가 개방된 구조물이다.

또한, 밸브 케이싱(20)의 저부의 외측에는 복수의 볼트 구멍을 갖는 플랜지가 일체형으로 형성되어 있다. 밸브 케이싱(20)은 플랜지, 볼트 구멍 및 체결볼트를 통해서 베이스 블록(10)에 분해 조립 가능하게 결합된다.

베이스 블록(10)과 밸브 케이싱(20)은 제작 편의성을 위해서 분해 조립 가능하게 결합될 뿐, 설계 변경을 통해서 일체형으로도 제작될 수도 있다.

특히, 밸브 케이싱(20)은 그의 내부 일측에 형성된 포펫 탑재 영역(21)과, 내부 타측에 형성된 수소 배출 영역(22)를 구비한다.

포펫 탑재 영역(21)은 제 1 밸브홀(11)과 상호 연결되어 있다. 포펫 탑재 영역(21)은 외측 포펫(30), 외측 스프링(40), 내측 포펫(50), 내측 스프링(60)의 설치 위치로 사용된다. 여기서, 포펫 탑재 영역(21)의 내부 구조물은 외측 스프링(40)의 측부가 포펫 탑재 영역(21)의 내부 구조물의 내표면과 비접촉될 수 있도록 설계되어 있어서, 외측 포펫(30)의 오작동을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 밸브 케이싱(20)의 상부에는 포펫 탑재 영역(21) 쪽으로 유지 보수 또는 수리를 위하여 밸브 케이싱(20)의 상부를 개방시킬 수 있는 캡(29)이 더 마련되어 있다.

수소 배출 영역(22)은 포펫 탑재 영역(21)과 벤트홀(12)을 상호 연결시키는 역할을 담당한다. 또한, 수소 배출 영역(22)을 감싸고 있는 밸브 케이싱(20)의 측벽은 엘보 형상 또는 곡선 관부재 형상 등과 같은 유선형 구조로서 수소의 유동 경로를 자연스럽게 변경시켜 신속하게 배출시킬 수 있도록 되어 있다. 이러한 유선형 구조에 의해서 포펫 탑재 영역(21)의 수소는 수소 배출 영역(22)에서 곡선 형태로 유동하여 벤트홀(12) 쪽으로 원활하게 배출될 수 있다.

외측 포펫(30)은 내측 포펫(50)을 포펫 내부에 설치하기 위한 중공형 구조물이면서 밸브 개방 수단이다.

외측 포펫(30)은 제 1 밸브홀(11)에 지지되도록 포펫 탑재 영역(21)에 배치된다. 또한, 외측 포펫(30)은 제 1 밸브홀(11)과 상호 연결되도록 포펫 저부에 형성된 제 2 밸브홀(31)을 구비한다.

외측 스프링(40)은 밸브 케이싱(20)의 상부(예: 케이싱 천장)에 지지되어서, 외측 포펫(30)에 탄성력을 제공한다. 외측 스프링(40)은 외측 포펫(30)의 외부를 비접촉 형태로 감싸도록 형성된다.

내측 포펫(50)은 제 2 밸브홀(31)에 지지되도록 외측 포펫(30)의 내부에 배치된다. 내측 포펫(50)의 외측 또는 내측 스프링(60)의 외측에 해당하는 부위는 외측 포펫(30)의 중공 몸체부(36)의 내주면에 비접촉 상태로 놓여 있어서, 액체 맺힘 현상 또는 빙점 이하의 저온에서 액체의 결빙에 의해 내측 스프링(60)이 외측 포펫(30)의 중공 몸체부(36)의 내주면에 달라붙지 않고 신뢰성 있는 밸브 개방을 구현할 수 있다.

이렇게 내측 포펫(50)이 외측 포펫(30)의 내부에 구비되는 구조는 밸브 크기가 과도하게 비대해지는 문제를 해소할 수 있다.

내측 스프링(60)은 외측 포펫(30)의 상부인 커버(39)에 지지되어서, 내측 포펫(50)에 탄성력을 제공한다. 내측 스프링(60)은 내측 포펫(50)의 외부를 비접촉 형태로 감싸도록 형성된다.

내측 스프링(60)은 외측 스프링(40)에 비해 상대적으로 작은 직경을 가지고 있다. 이때, 내측 스프링(60)은 통상적으로 스프링 탄성력을 증대시킬 수 있는 제작 방법을 통해서, 외측 스프링(40)에 비하여 상대적으로 큰 탄성력을 발휘하도록 제작되어 있다.

도 3은 도 2에 도시된 외측 포펫 및 외측 스프링의 부분 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 내측 포펫 및 내측 스프링의 정면도이다.

도 3을 참조하면, 외측 포펫(30)은 제 2 밸브홀(31)의 외측에서 일체형으로 돌출되어 있는 중공 헤드부(32)를 포함한다.

중공 헤드부(32)는 그의 내부에 형성된 제 2 밴브홀(31)에 의해서 중공 단면을 갖는다.

중공 헤드부(32)의 외형 형상은 중심선(CL)을 기준으로 원추형의 단면 형태로 형성된다. 이러한 단면 형태는 중공 헤드부(32)의 중심선(CL)이 앞서 설명한 베이스 블록의 제 1 밸브홀의 중심에 자연스럽게 일치되는 셀프 얼라인먼트(self-alignment) 기능을 발휘한다.

또한, 중공 헤드부(32)의 외표면에는 베이스 블록의 제 1 밸브홀에 용이하게 안착 또는 분리될 수 있도록 경사면 및 단턱이 형성되어 있다.

외측 실링부재(33)는 중공 헤드부(32)와 베이스 블록의 제 1 밸브홀 사이의 틈새를 실링하기 위하여 중공 헤드부(32)에 설치된다.

외측 실링부재(33)는 오-링(o-ring), 쿼드-링(quad-ring), 가스켓(gasket) 등과 같은 기밀 유지수단으로서 이루어진다.

외측 스프링 받침부(34)는 외측 실링부재(33)의 위쪽을 기준으로 중공 헤드부(32)의 외측에 일체형으로 형성되어 있다. 외측 스프링 받침부(34)는 중공 헤드부(32)의 외주 방향을 따라 돌출된 원형 디스크 형상을 갖는다.

이런 외측 스프링 받침부(34)의 상표면에는 외측 스프링(40)을 안착시킬 수 있는 링형 홈(35)이 형성되어 있다. 외측 스프링(40)은 링형 홈(35)의 외측벽에 의해 외측 포펫(30)으로부터 쉽게 이탈되지 않게 된다.

중공 몸체부(36)는 외측 스프링 받침부(34)와 제 2 밸브홀(31) 사이를 기준으로 중공 헤드부(32)의 상면에서 수직 방향으로 연장되어 있다. 이러한 중공 몸체부(36)는 도 4에 도시된 내측 포펫(50)을 외측 포펫(30)의 내부에 배치시키기 위한 수용공간의 외벽이다. 또한, 중공 몸체부(36)의 상단의 내주면에는 암나사가 형성되어 있다.

커버(39)는 링형상의 판부재로 제작되어 있다. 커버(39)의 외주면에는 수나사가 형성되어 있다. 커버(39)는 중공 몸체부(36)의 상부를 마감하는 수단이다.

커버(39)는 중공 몸체부(36)의 상단, 즉 중공 몸체부(36)의 상단 내주면에 나사 결합된다. 커버(39)의 중심에는 외측 포펫(30)의 수용공간으로 유입된 수소를 외측 포펫(30)의 밖으로 배출시키기 위하여 배출구(38)가 형성되어 있다.

커버(39)의 배출구(38)는 도 2에 도시된 알람장치(70)의 설치 위치로도 사용된다. 만일 알람장치(70)가 배출구(38)에 설치되지 않는 경우라면, 외측 포펫(30)의 수용공간의 수소는 곧바로 외측 포펫(30)의 밖으로 배출된다.

또한, 알람장치(70)가 배출구(38)에 설치되는 경우라면, 수용공간의 수소는 알람장치(70)의 진동판 사이 틈새를 통해서 배출된다. 알람장치(70)는 진동판을 진동시켜 비프음 또는 경고음 등과 같은 음향을 발생시키는 역할을 한다. 예컨대, 알람장치(70)는 경고음 발생용 휘슬(whistle)일 수 있으나, 압력 작용으로 소리를 발생시키는 기계 장치일 경우, 휘슬로만 한정되지 않을 수 있다.

예컨대, 알람장치(70)는 배출구(38) 쪽으로 유입된 후 외측 포펫(30)의 밖으로 배출되는 수소의 압력으로 진동하는 진동판에 의해 음향이 발생되도록 구성되어 있다. 알람장치(70)는 배출구(38)에 설치되며, 이때 나사 결합, 용접과 같은 기계적 장착 수단에 의해 고정될 수 있다.

이러한 알람장치(70)는 외측 포펫(30)의 미 작동 상태에서 내측 포펫(50)이 작동하는 해당 비상 상황을 운전자 또는 사용자에게 알려서 점검을 받게 할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 알람장치(70)는 수소의 배출로 인해 작동되는 기계식 음향 발생장치이므로, 센서 또는 센서와 관련된 회로를 구성함에 발생되는 문제점을 해소할 수 있고, 전자식 경보기에 비하여 과압 방지 장치의 제작을 용이하게 하고, 제작 원가를 절감할 수 있는 효과를 가진다.

외측 스프링(40)은 외측 포펫(30)에 장착된다. 예컨대, 외측 스프링(40)은 탄성력으로 외측 포펫(30), 커버(39), 내측 포펫(50) 및 내측 스프링(60)을 이동시킬 수 있는 탄성력을 갖는다. 외측 스프링(40)은 외측 포펫(30)의 베이스 블록의 제 1 밸브홀 쪽으로 밀착시키는 역할을 한다.

도 4를 참조하면, 내측 포펫(50)은 도 3의 제 2 밸브홀(31)에 안착되는 내측 헤드부(51)를 포함한다.

내측 헤드부(51)는 도 3에 도시된 외측 포펫(30)의 중공 몸체부(36)의 내경보다 작고 커버(39)의 배출구(38)의 구멍 사이즈보다 큰 직경을 갖는다.

내측 헤드부(51)는 내부가 채워진 원추형의 단면 형태로 형성된다. 내측 헤드부(51)도 외측 포펫(30)의 제 2 밸브홀(31)의 중심선(CL)에 자연스럽게 일치되는 셀프 얼라인먼트 기능을 발휘한다.

내측 실링부재(52)는 내측 헤드부(51)와 제 2 밸브홀(31) 사이의 틈새를 실링하는 역할을 담당한다. 내측 실링부재(52)는 내측 헤드부(51)에 설치되는데, 예컨대, 내측 헤드부(51)의 외표면 중에서 경사면과 단턱이 이루는 곳의 실링부재 설치홈에 설치된다.

내측 스프링 받침부(53)는 내측 실링부재(52)의 위쪽을 기준으로 내측 헤드부(51)의 외측에 일체형으로 돌출되게 형성되어 있다. 내측 스프링 받침부(53)의 상면에도 내측 스프링(60)을 안착시킬 수 있는 링형 홈(미 도시)이 형성되어 있다.

내측 스프링(60)도 도 3의 구조와 유사하게 내측 스프링 받침부의 링형 홈의 외측벽에 의해 내측 포펫(50)으로부터 쉽게 이탈되지 않게 된다.

샤프트부(54)는 내측 헤드부(51)의 직경보다 작은 직경으로 내측 헤드부(51)의 상면 중심에서 수직 방향으로 연장되어 있다. 샤프트부(54)와 내측 헤드부(51)가 연결된 지점에는 보강부(55)가 더 마련되어 있다. 보강부(55)는 내측 헤드부(51)로부터 샤프트부(54)까지 점차적으로 직경이 줄어드는 단면을 가지고 있다. 이러한 보강부(55)의 외부에는 경사면이 형성된다. 이러한 보강부(55)는 샤프트부(54)와 내측 헤드부(51) 사이의 구조적 강성과 내구성을 증대시키는 역할을 담당한다.

내측 스프링(60)은 내측 포펫(50)에 장착된다. 예컨대, 내측 스프링(60)은 탄성력으로 내측 포펫(50)을 외측 포펫(30)의 제 2 밸브홀(31) 쪽으로 밀착시키는 역할을 한다. 이러한 내측 스프링(60)은 내측 스프링 받침부(53)와 외측 포펫의 커버(39) 사이에 배치된다.

특히, 내측 스프링(60)은 수소의 압력 증가에 따라 외측 포펫(30)이 내측 포펫(50)보다 먼저 개방되도록, 외측 스프링(40)에 비하여 상대적으로 큰 탄성력을 발휘하도록 제작되어 있다.

이하, 본 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치의 작동에 따른 과압 방지 방법을 설명하고자 한다.

도 5 및 도 6는 도 1에 도시된 과압 방지 장치의 작동을 설명하기 위한 단면도이고, 도 7은 도 1에 도시된 과압 방지 장치에 의한 과압 방지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 제 1 밸브홀(11)은 상대적으로 큰 직경을 갖는다. 제 2 밸브홀(31)은 제 1 밸브홀(11)의 내측 또는 상부에서 직렬로 배치되어 상대적으로 작은 직경을 갖는다. 제 1 밸브홀(11) 및 제 2 밸브홀(31)에 연결된 수소 공급 라인(F)에는 연료 전지로 공급할 정상 주입 압력의 수소가 유동한다.

이러한 정상 주입 압력은 외측 스프링(40) 또는 내측 스프링(60)의 탄성력에 비하여 작다. 따라서, 수소 공급 라인(F)의 수소는 벤트 시스템 쪽으로 배출되지 않고 연료 전지로만 공급된다.

수소 공급 라인(F) 내의 압력이 정상 주입 압력 이상으로 증가(예: 과압 발생)되면, 외측 포펫(30)은 도 2의 상태에서 도 5의 상태로 된다.

즉, 상대적으로 약한 탄성력을 갖는 외측 스프링(40)이 먼저 압축된다. 외측 포펫(30)이 이동하고, 제 1 밸브홀(11)이 개방된다.

수소는 외측 포펫(30)의 외측 실링부재(33)와 제 1 밸브홀(11) 사이의 틈새를 통해 밸브 케이싱(20)의 내부로 유동한 후, 벤트홀(12)를 통해 수소 배출 라인을 통해 배출된다.

그 결과, 수소 공급 라인(F) 내의 압력이 감소되어 다시 정상 주입 압력에 이르게 되면 제 1 밸브홀(11)은 다시 도 2와 같은 상태로 폐쇄된다.

이렇게 기본적인 수소 공급시의 과압 발생은 외측 포펫(30)의 개폐로 조절될 수 있다.

다만, 외측 포펫(30)이 도 6과 같이 작동 불능 상태가 되는 경우가 있다. 이런 경우에는 제 1 밸브홀(11)이 개방되지 못하고, 수소의 압력이 증가되는 비상 상황이 발생될 수 있다.

이러한 비상 상황에서는 작동 불능 상태의 외측 포펫(30)의 내부에 마련된 내측 포펫(50)이 제 2 밸브홀(31)을 개방하여, 역시 벤트홀(12)을 통해 수소의 배출이 이루어지고, 과압이 방지된다.

이와 같은 일련의 과정은 도 7에 도시된 바와 같은 과압 방지 방법에 해당한다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 과압 방지 방법은 수소의 압력이 제 1 밸브홀 및 상기 제 2 밸브홀에 전달되는 단계(S10)와, 상기 외측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소의 압력에 의해 상기 외측 포펫이 상기 제 1 밸브홀을 개방하는 단계(S20)를 포함한다.

이러한 단계(S10, S20)는 연료 전지를 보호하기 위한 기본적인 안전 장치의 작동일 수 있다.

앞서 언급한 비상 상황에서는, 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 내측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소에 의해 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 상기 제 2 밸브홀을 개방하는 단계(S30)와, 상기 제 2 밸브홀을 경유한 수소가 상기 외측 포펫에 마련된 알람장치를 경유하여 음향을 발생하는 단계(S40)가 진행될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 베이스 블록 11 : 제 1 밸브홀
12 : 벤트홀 20 : 밸브 케이싱
30 : 외측 포펫 40 : 외측 스프링
50 : 내측 포펫 60 : 내측 스프링
70 : 알람장치

Claims (10)

1. 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되며, 상기 수소 공급 라인의 수소가 유입되는 제 1 밸브홀을 구비하는 베이스 블록;
   상기 베이스 블록의 상부에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 포펫 탑재 영역을 케이싱 내부에 구비하는 밸브 케이싱;
   상기 제 1 밸브홀에 지지되도록 상기 포펫 탑재 영역에 배치되며, 상기 제 1 밸브홀과 상호 연결되는 제 2 밸브홀을 포펫 저부에 구비하는 외측 포펫; 및
   상기 제 2 밸브홀에 지지되며, 상기 외측 포펫의 내부에 배치되는 내측 포펫;을 포함하며,
   상기 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 외측 포펫의 내부에 배치된 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 제 2 밸브홀을 개방하고,
   상기 외측 포펫은,
   상기 제 1 밸브홀에 안착될 수 있도록 상기 제 2 밸브홀의 외측에서 일체형으로 돌출되어 있는 중공 헤드부와,
   상기 중공 헤드부와 상기 제 1 밸브홀 사이의 틈새를 실링하기 위하여 상기 중공 헤드부에 설치되어 있는 외측 실링부재와,
   상기 외측 실링부재의 위쪽을 기준으로 상기 중공 헤드부의 외측에 일체형으로 형성되어 있는 외측 스프링 받침부와,
   상기 외측 스프링 받침부와 상기 제 2 밸브홀 사이를 기준으로 상기 중공 헤드부의 상면에서 수직 방향으로 연장되어 있고, 상기 내측 포펫을 상기 외측 포펫의 내부에 배치시키기 위한 수용공간의 외벽이 되는 중공 몸체부,
   상기 중공 몸체부의 상단에 나사 결합되고, 상기 수소를 상기 외측 포펫의 밖으로 배출시키기 위하여 배출구가 형성되어 있는 커버, 및
   상기 배출구 쪽으로 유입되는 수소의 압력으로 진동하는 진동판에 의해 음향이 발생되도록, 상기 배출구에 설치되어 있는 알람장치를 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 블록은,
   상기 밸브 케이싱의 상기 수소를 수소 배출 라인을 통해 배출시키도록, 상기 제 1 밸브홀로부터 이격되어 있고, 상기 베이스 블록의 두께 방향으로 관통되어 있는 벤트홀을 더 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 밸브 케이싱은,
   상기 포펫 탑재 영역과 상기 벤트홀을 상호 연결시키도록 상기 밸브 케이싱의 내부에 형성되어 있는 수소 배출 영역을 더 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 포펫은,
   상기 외측 포펫을 상기 제 1 밸브홀 쪽으로 밀착시키도록, 상기 외측 스프링 받침부와 상기 밸브 케이싱의 내표면 사이에 배치되어 있는 외측 스프링을 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서, 상기 내측 포펫은,
   상기 외측 포펫의 상기 중공 몸체부의 내경보다 작고 상기 커버의 상기 배출구의 구멍 사이즈보다 큰 직경을 가지며, 상기 제 2 밸브홀에 안착되는 내측 헤드부와,
   상기 내측 헤드부와 상기 제 2 밸브홀 사이의 틈새를 실링하기 위하여 상기 내측 헤드부에 설치되어 있는 내측 실링부재와,
   상기 내측 실링부재의 위쪽을 기준으로 상기 내측 헤드부의 외측에 일체형으로 형성되어 있는 내측 스프링 받침부, 및
   상기 내측 헤드부의 직경보다 작은 직경으로 상기 내측 헤드부의 상면 중심에서 수직 방향으로 연장된 샤프트부를 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 내측 포펫은,
   상기 내측 포펫을 상기 제 2 밸브홀 쪽으로 밀착시키도록, 상기 내측 스프링 받침부와 상기 커버 사이에 배치되어 있는 내측 스프링을 포함하는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 내측 스프링은,
   상기 외측 스프링에 비하여 상대적으로 큰 탄성력을 발휘하도록 제작되어 있는 것
   인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 장치.
   
10. 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템의 수소 공급 라인에 설치되며, 외측 스프링의 탄성력과 상기 수소의 압력에 대응하여 제 1 밸브홀을 개폐하는 외측 포펫과, 상기 외측 포펫의 내부에서 내측 스프링의 탄성력과 상기 수소의 압력에 대응하여 상기 외측 포펫의 제 2 밸브홀을 개폐하는 내측 포펫을 구비한 과압 방지 장치에 의한 과압 방지 방법에 있어서,
    상기 수소의 압력이 제 1 밸브홀 및 상기 제 2 밸브홀에 전달되는 단계;
    상기 외측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소의 압력에 의해 상기 외측 포펫이 상기 제 1 밸브홀을 개방하는 단계;
    상기 외측 포펫의 작동 불능에 따라 상기 내측 스프링의 탄성력을 초과하는 상기 수소에 의해 상기 내측 포펫이 상기 외측 포펫의 상기 제 2 밸브홀을 개방하는 단계; 및
    상기 제 2 밸브홀을 경유한 수소가 상기 외측 포펫에 마련된 알람장치를 경유하여 음향을 발생하는 단계;를 포함하는 것
    인 연료 전지용 수소 공급 시스템의 과압 방지 방법.

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