KR102635919B1 - 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은연료전지 시스템의 시동 초기에 연료전지 스택에 주입된 수소를 외부 공기와 희석하여 배출시킬 수 있는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치는 연료전지 스택의 캐소드와 연결되어 연료전지 스택으로 주입되는 공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와; 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 연통시켜서 바이패스 공기통로가 형성된 바이패스바디와; 일면으로 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 개폐하고, 타면으로 상기 바이패스 공기통로를 개폐하기 위해 밸브바디에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩을 포함한다.

Description

연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법{AIR SHUT OFF VALVE APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 시동 초기에 연료전지 스택에 주입된 수소를 외부 공기와 희석하여 배출시킬 수 있는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소의 화학적 반응에 의해 전기와 물을 발생시키는 장치이고, 수소 연료전지 차량은 연료전지 시스템에서 발생된 전기를 구동원으로 사용하는 차량이다.
연료전지 시스템에는 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택이 포함되어서 구성되고, 상기 연료전지 스택은 공기가 공급되는 캐소드(cathode, 공기극, 산소극, 환원극), 수소가 공급되는 애노드(anode, 연료극, 수소극, 산화극), 캐소드와 애노드사이의 전해질 막을 포함한다.
연료전지 시스템이 운전 중일 때에 외부 공기는 필터와 블로워 및 막 가습기를 통과하면서 습기가 함유된 가습 공기가 되고, 연료전지 스택의 캐소드 측으로는 가습된 공기가 공급된다.
연료전지 스택의 애노드 측으로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온만이 전해질 막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질 막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하게 되고, 이때 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생함에 따라 전기가 생성된다.
따라서, 연료전지 시스템이 운전 중일 때에 막 가습기를 통과한 가습된 공기가 연료전지 스택의 캐소드 측으로 공급되어야 하고, 연료전지 시스템의 운전이 종료되면 캐소드 츨으로 가습 공기의 유입이 차단되어야 하는 바, 이를 위해 연료전지 스택의 캐소드 측에는 공기의 흐름을 제어하는 공기밸브 장치가 장착된다.
상기 공기밸브 장치는 캐소드 측으로 연결되는 입구측 및 출구측의 공기통로에 설치되고, 연료전지 시스템의 정지시에 캐소드 측으로 가습된 공기의 유입을 완전히 차단하여야만 연료전지 스택의 내구성을 확보할 수 있다.
한편, 수소 연료전지 차량을 운행하기 위하여 시동을 걸면 수소가 애노드 측으로 주입되고, 이어서 공기압축기가 구동하여 공기가 캐소드 측으로 주입된다. 이때 연료전지 스택 내부에 퍼지된 수소가 공기와 충분히 희석되지 않고 주입 압력에 의해 출구측 공기통로까지 유동되는 현상이 발생된다. 이에 따라 출구측의 공기통로를 통하여 배출되는 배출가스의 수소농도가 일시적을 증가하여 법규를 만족시키지 못하는 현상이 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 10-2012-0019764호 (2012.03.07)
본 발명은 연료전지 시스템의 시동 초기에 연료전지 스택에 주입된 수소를 외부 공기와 희석하여 배출시킬 수 있는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치는 연료전지 스택의 캐소드와 연결되어 연료전지 스택으로 주입되는 공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와; 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 연통시켜서 바이패스 공기통로가 형성된 바이패스바디와; 일면으로 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 개폐하고, 타면으로 상기 바이패스 공기통로를 개폐하기 위해 밸브바디에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩을 포함한다.
상기 바이패스바디는 상기 밸브플랩을 기준으로 연료전지 스택으로 주입되는 공기가 유입되는 방향에서 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로에 연통되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브바디에 설치된 밸브모터; 상기 밸브바디에 축회전이 가능하도록 설치되어 상기 밸브모터의 작동에 연동되고, 밸브플랩이 고정되게 결합된 밸브샤프트를 더 포함한다.
상기 밸브플랩은 일면으로 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 각각 개폐하고 타면으로 상기 바이패스 공기통로를 개폐할 수 있도록 복수개로 구성되고 개폐하고, 각각의 밸브플랩은, 밸브샤프트와 결합된 밸브플레이트와; 상기 밸브플레이트를 커버링하는 러버재질의 플레이트커버로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브플랩의 타면에 해당되는 플레이트커버에는 바이패스바디의 격벽과 접촉하여 상기 바이패스 공기통로를 둘러싸는 제 1 씰링돌기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 씰링돌기에는 상기 바이패스바디의 격벽과 접촉하는 영역 중 일부에 적어도 하나 이상의 씰홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브플랩의 일면에 해당되는 플레이트커버에는 밸브바디의 격벽과 접촉하여 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 둘러싸는 제 2 실링돌기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브바디는 상기 밸브플랩이 회전 가능하게 설치되고 외형적 형상을 이루는 메인바디와; 상기 밸브플랩의 밀폐시 밸브플랩과 접촉하고 연료전지 스택과 면착으로 결합되는 서브바디로 구성되고, 상기 바이패스바디는 상기 메인바디에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브바디 및 바이패스바디는 기밀성능 향상을 위해 메인바디보다 조도가 높은 것을 특징으로 한다.
상기 서브바디 및 바이패스바디는 밸브플랩에 의한 파손을 방지할 수 있도록 메인바디보다 경도가 높은 것을 특징으로 한다.
상기 밸브바디는 상기 밸브플랩이 회전 가능하게 설치되고 외형적 형상을 이루는 메인바디와; 상기 밸브플랩의 밀폐시 밸브플랩과 접촉하고 연료전지 스택과 면착으로 결합되는 서브바디로 구성되고, 상기 바이패스바디는 상기 메인바디에 일체로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명이 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 제어방법은 연료전지 스택으로 공급되는 공기가 캐소드 측으로 주입되는 것을 차단하고, 수소가 연료전지 스택의 애노드 측으로 주입되는 것을 차단하는 시동 정지단계와; 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 캐소드 측으로 주입하지 않고 바이패스 시켜서 배출시키고, 수소를 연료전지 스택의 애노드 측으로 주입하는 시동 1단계와; 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 일부를 캐소드 측으로 주입하면서 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 다른 일부를 바이패스 시켜서 배출시키고, 연료전지 스택 내의 수소를 바이패스 되는 공기에 희석하여 배출시키는 시동 2단계와; 연료전지 스택으로 공급되는 공기에서 바이패스 되어 배출되는 공기를 차단하면서 공기를 캐소드 측으로 주입하는 운전단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 연통시켜서 바이패스 공기통로가 형성된 바이패스바디를 구비하고, 회동 동작에 의해 입구측 공기통로 및 출구측 공기통로와 더불어 바이패스 공기통로를 선택적으로 개폐할 수 있는 밸브플랩을 구비하고, 그 동작을 제어함으로써, 시동 초기에 연료전지 스택에 주입된 수소를 바이패스 시킨 외부 공기와 희석하여 배출시킬 수 있어 배출되는 가스의 수소 농도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치가 적용되는 연료전지 시스템을 보여주는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 평면도이고,
도 4는 도 3의 A-A선에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브플랩을 보여주는 요부 사시도 및 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 요부를 보여주는 요부 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 작동상태를 보여주는 작동 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명을 설명하기 위하여 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치가 적용되는 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치가 적용되는 연료전지 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 시스템은 외부 공기를 연료전지 스택으로 주입하기 위하여 필터(1), 공기압축기(2), 막 가습기(3) 및 공기밸브 장치(4)가 순차적으로 연결되고, 공기밸브 장치(4)가 연료전지 스택(8)으로 연결된다. 이때 연료전지 스택은 공기가 공급되는 캐소드(5), 수소가 공급되는 애노드(7), 캐소드(5)와 애노드(7)사이의 전해질 막(6)을 포함한다.
그리고 공기밸브 장치(8)에는 연료전지 스택(8)에서 배출되는 배출가스가 배기되는 배기덕트(9)가 연결된다.
그래서, 외부 공기는 필터(1)와, 공기압축기(2) 및 막 가습기(3)를 순차적으로 통과하면서 습기가 함유된 가습 공기가 되어 공기밸브 장치(4)를 통하여 선택적으로 연료전지 스택(8)의 캐소드(5) 측으로 공급되거나 배기덕트(9)로 바이패스되어 배기된다.
그리고 연료전지 스택(8)의 애노드(7) 측으로 공급된 수소는 일부가 공기밸브 장치(4)의 작동에 의해 반응 배기덕트(9)로 배기된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 평면도이고, 도 4는 도 3의 A-A선에 따른 공기밸브 장치를 보여주는 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브플랩을 보여주는 요부 사시도 및 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 요부를 보여주는 요부 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 작동상태를 보여주는 작동 상태도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치(4)는 연료전지 스택(8)의 캐소드(5)와 연결되는 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)가 형성된 밸브바디(10)와; 바이패스 공기통로(21)가 형성된 바이패스바디(20)와, 상기 입구측 공기통로(11), 출구측 공기통로(13) 및 바이패스 공기통로(21)의 개폐를 위해 밸브바디(10)에 회동 가능하게 설치된 밸브플랩(30)을 포함한다.
본 실시예에 따른 공기밸브 장치(4)는 버터플라이 타입의 밸브장치로서, 솔레노이드 타입에 비해 원가가 저렴한 장점이 있다.
상기 밸브바디(10)에는 연료전지 스택(8)의 캐소드(5) 측과 연결되어 연료전지 스택(8)으로 주입되는 공기가 유동되는 입구측 공기통로(11)와, 연료전지 스택(8)으로부터 배출되는 공기가 유동되는 출구측 공기통로(13)가 형성된다. 상기 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)는 하나의 밸브바디(10)에 형성되는바, 이를 통해 밸브장치의 개수 및 전체적인 사이즈의 축소를 도모할 수 있게 되고, 원가절감을 도모할 수 있게 된다.
한편, 상기 밸브바디(10)는 밸브플랩(30)이 회전 가능하게 설치되는 것으로 밸브장치의 외형적 형상을 이루는 메인바디(10a)와, 상기 밸브플랩(30)의 밀폐시 밸브플랩(30)과 접촉하는 서브바디(10b)로 구성되고, 상기 메인바디(10a)와 서브바디(10b)는 서로 분리 가능하게 결합된 구조를 갖는다.
이때 상기 서브바디(10b)는 메인바디(10a)보다 높은 조도 및 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 메인바디(10a)는 경량화를 위해 알루미늄 다이캐스팅으로 제작되고, 상기 서브바디(10b)는 메인바디(10a)보다 높은 조도 및 경도의 확보를 위해 스테인레스 스틸로 제작되거나 또는 알루미늄 하드 아노다이징(anodizing) 처리하여 제작된다.
상기 서브바디(10b)는 밸브플랩(30)과의 기밀성능 향상(누설방지)을 위해 메인바디(10a)보다 높은 조도를 가지는 것을 특징으로 한다.
밸브플랩(30)과 직접적으로 접촉하는 서브바디(10b)는 밸브플랩(30)의 밀폐시에 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)의 기밀성능을 결정하는 중요한 구성요소로서, 상기 서브바디(10b)를 메인바디(10a)와 동일하게 알루미늄 다이캐스팅으로만 제작하게 되면 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)의 조도 관리가 용이하지 않음에 따라 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)의 기밀성능이 나빠지는 단점이 발생하게 되는바, 본 실시예는 이의 단점을 예방하기 위해 서브바디(10b)를 스테인레스 스틸로 제작하거나 또는 알루미늄 하드 아노다이징(anodizing)으로 후처리하여 제작함으로써, 서브바디(10b)가 메인바디(10a)보다 높은 조도를 확보할 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기 서브바디(10b)는 밸브플랩(30)에 의한 파손을 방지할 수 있도록 메인바디(10a)보다 경도가 높은 것을 특징으로 한다.
밸브바디(10)에서 밸브플랩(30)과 직접적으로 접촉하는 부위(입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)가 형성된 부위)는 동절기시 공기에 함유된 습기에 의해 결빙이 발생하게 되고, 결빙이 발생하면 밸브플랩(30)과의 접촉시 미세하게 파손이 발생하는 단점이 있는바, 본 실시예는 이의 단점을 예방하기 위해 서브바디(10b)를 스테인레스 스틸로 제작하거나 또는 알루미늄 하드 아노다이징(anodizing)으로 후처리하여 제작함으로써, 서브바디(10b)가 메인바디(10a)보다 높은 경도를 확보할 수 있도록 한 것이다.
상기 바이패스바디(20)는 상기 메인바디(10a)에 결합되어 상기 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)를 연통시키는 바이패스 공기통로(21)가 형성된다. 그래서, 외부로부터 입구측 공기통로(11)를 통하여 공급되는 공기가 밸브플랩(30)의 회동에 의해 선택적으로 연료전지 스택(8)의 캐소드(5) 측으로 공급되지 않고 바이패스 공기통로(21)를 통하여 출구측 공기통로(13)로 바로 유동(바이패스)되어 배기될 수 있도록 한다. 이를 위하여 상기 바이패스바디(20)는 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13) 중 밸브플랩(30)을 기준으로 외부 공기가 유입되는 쪽에 배치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 바이패스바디(20)은 서브바디(10b)와 마찬가지로 메인바디(10a)보다 높은 조도 및 경도를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 전술된 실시예와 같이 바이패스바디(20)를 메인바디(10a)에 결합하는 것이 아니라 바이패스바디(20)와 메인바디(10a)를 일체로 형성할 수 있을 것이다.
상기 밸브플랩(30)은 일면으로 상기 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)를 개폐하고, 타면으로 상기 바이패스 공기통로(21), 정확하게는 입구측 공기통로(11)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21) 및 출구측 공기통로(13)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)를 각각 개폐시킬 수 있도록 복수개로 구성되고, 상기 복수개의 밸브플랩(30)은 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)를 동시에 개폐시키거나 입구측 공기통로(11)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21) 및 출구측 공기통로(13)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)를 동시에 개폐시키도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 공기밸브 장치(4)는 상기 메인바디(10a)에 설치된 밸브모터(40), 상기 메인바디(10a)에 축회전이 가능하도록 설치되고 복수개의 밸브플랩(30)이 고정되게 결합된 밸브샤프트(50), 및 상기 밸브모터(40)와 밸브샤프트(50)를 연결해서 밸브모터(40)의 동력을 밸브샤프트(50)로 전달하는 밸브기어들(60)을 더 포함한다.
상기 밸브샤프트(50)는 메인바디(10a)내에 설치되되 공기의 유동저항을 없애기 위해 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)의 밖에 위치하도록 설치되고, 상기 밸브플랩(30)은 밸브샤프트(50)의 회전시에 서브바디(10b)에 형성되는 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)의 단부 및 입구측 공기통로(11)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)와 출구측 공기통로(13)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)의 단부를 완전히 덮는 형태로 구비된다.
그래서, 밸브샤프트(50)의 회전동작에 의해 밸브플랩(30)이 회동하여 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)를 밀폐하거나 바이패스 공기통로(21)를 밀폐시킨다. 물론 밸브샤프트(50)의 회전동작에 의해 입구측 공기통로(11), 출구측 공기통로(13) 및 바이패스 공기통로(21)를 모두 개방할 수도 있을 것이다.
상기 밸브플랩(30)은 밸브샤프트(50)와 결합된 스틸 또는 플라스틱 재질의 밸브플레이트(31) 및 상기 밸브플레이트(31)를 커버링하는 것으로 서브바디(10b)와의 접촉시 소음과 충격을 흡수하고 공기통로(11, 13, 21)와의 기밀성을 향상시키는 러버재질의 플레이트커버(32)로 구성된다.
특히, 플레이트커버(32)는 서브바디(10b)에 형성되는 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)의 단부 및 입구측 공기통로(11)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)와 출구측 공기통로(13)와 연통되는 부분의 바이패스 공기통로(21)의 단부를 밀폐시켜서 닫힘 상태를 유지해야 할 뿐만 아니라 연료전지 시스템이 요구하는 기밀성능도 확보해야 한다.
이를 위하여 상기 밸브플랩(30)의 타면에 해당되는 플레이트커버(32)에는 바이패스바디(20)의 격벽과 접촉하여 상기 바이패스 공기통로(21)를 둘러싸는 제 1 씰링돌기(32a)가 일체로 형성된다.
그리고 상기 밸브플랩(30)의 일면에 해당되는 플레이트커버(32)에는 밸브바디(10)의 격벽과 접촉하여 상기 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(13)를 둘러싸는 제 2 씰링돌기(32b)가 일체로 형성된다.
그래서, 밸브플랩(30)이 바이패스 공기통로(21)를 밀폐시키는 동안에는 제 1 씰링돌기(32a)에 의해 기밀성능이 향상되고, 밸브플랩(30)이 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)를 밀떼시키는 동안에는 제 2 씰링돌기(32b)에 의해 기밀성능이 향상된다.
한편, 상기 제 1 씰링돌기(32a)에는 상기 바이패스바디(20)의 격벽과 접촉하는 영역 중 일부에 적어도 하나 이상의 씰홈(32c)이 형성된다. 그래서, 밸브플랩(30)이 바이패스 공기통로(21)를 밀폐시키는 동안에는 고압의 공기가 제 1 씰링돌기(32a)의 주변으로 유입되어 씰홈(32c)을 지나면서 제 1 씰링돌기(32a)를 가압하여 제 1 씰링돌기(32a)와 바이패스바디(20)의 격벽의 접촉면에서 접촉 눌림량을 증가시켜 기밀성능을 더욱 향상시킨다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 공기밸브 장치를 연료전지 시스템의 작동시 제어하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 작동상태를 보여주는 작동 상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 제어방법은 크게 시동 정지단계, 시동 1단계, 시동 2단계 및 운전단계로 구분된다.
정지단계에서는 밸브플랩(30)이 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)를 차단하고 있는 상태(도 7의 "A" 위치)로서, 외부 공기가 연료전지 스택(8)의 캐소드(5) 측으로 주입되는 것이 차단된다. 물론 공기압축기(2)도 작동되지 않는 상태이고, 수소가 연료전지 스택(8)의 애노드(7) 측으로 주입되는 것도 차단된다.
시동 1단계에서는 밸브플랩(30)이 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)를 차단하고 있는 상태에서 공기압축기(2)를 구동하여 외부 공기가 바이패스 공기통로(21)로 외부 공기가 공급되어 유동(바이패스) 되도록 한다.
이때 수소를 연료전지 스택(8)의 애노드(7) 측으로 주입시켜 연료전지 스택(8)의 내부를 수소로 퍼지시킨다.
시동 2단계에서는 밸브플랩(30)이 소정 각도 회동하여 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)와 함께 바이패스 공기통로(21)를 개방한 상태(도 7의 "B" 위치)로서, 연료전지 스택(8)과 바이패스 공기통로(21)에 동시에 공기가 공급된다. 그러면 연료전지 스택(8) 내부에 퍼지된 수소가 출구측 공기통로(13)로 배출되면서 바이패스 공기통로(21)로 유동되는 공기와 혼합되어 수소의 농도가 희석된 상태로 배기된다. 이에 따라 시동 초기에 배기되는 가스의 수소 농도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
운전단계는 밸브플랩(30)을 회동하여 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)를 완전히 개방하면서 바이패스 공기통로(21)를 차단하고 있는 상태(도 7의 "C" 위치)로서, 공기가 입구측 공기통로(11) 및 출구측 공기통로(13)로 유동되고, 바이패스 공기통로(21)로 유동되는 것이 차단된다.
다음으로, 비교예와 실시예에 의해 본 발명의 효과를 설명한다.
비교예는 시동 초기에 공기의 바이패스가 적용되지 않은 일반적인 연료전지 시스템의 운전모델이고, 실시예는 시동 초기에 공기의 바이패스를 적용한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전모델이다. 그래서 비교예 및 실시예의 구동시 공기압축기의 구동정도에 따라 배출되는 수소 농도를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
구분
 압축기 rpm(krpm)
25 30 35 40
비교예 수소농도(%) 7.0 4.5 4.1 3.6
실시예 수소농도(%) 4.4 4.0 3.3 3.1
표 1에서 알 수 있듯이, 실시예의 경우 수소 피크(peak) 농도가 3.3 ~ 3.1% 수준을 확인하였다.(4% 이하 만족)
반면, 비교예의 경우 공기압축기를 통한 과급시에만 수소 피크(peak) 농도가 4% 이하를 만족한다.(소모동력 증가, 연비 하락)
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
4: 공기밸브 장치 10: 밸브바디
11: 입구측 공기통로 13: 출구측 공기통로
20: 바이패스바디 21: 바이패스 공기통로
30: 밸브플랩 40: 밸브모터
50: 밸브샤프트

Claims (12)

  1. 연료전지 스택의 캐소드와 연결되어 연료전지 스택으로 주입되는 공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와;
    상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 연통시켜서 바이패스 공기통로가 형성된 바이패스바디와;
    일면으로 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 개폐하고, 타면으로 상기 바이패스 공기통로를 개폐하기 위해 밸브바디에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩과;
    상기 밸브바디에 설치된 밸브모터와;
    상기 밸브바디에 축회전이 가능하도록 설치되어 상기 밸브모터의 작동에 연동되고, 밸브플랩이 고정되게 결합된 밸브샤프트를 포함하고,
    상기 밸브플랩은 일면으로 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 각각 개폐하고 타면으로 상기 바이패스 공기통로를 개폐할 수 있도록 복수개로 구성되고,
    복수의 밸브플랩은 하나의 밸브샤프트에 이격되어 동일한 각도로 고정되며,
    복수의 밸브플랩은 일측으로 회전시 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 동시에 폐쇄하고 타측으로 회전시 바이패스 공기통로를 동시에 폐쇄하며,
    각각의 밸브플랩은, 밸브샤프트와 결합된 밸브플레이트와; 상기 밸브플레이트를 커버링하는 러버재질의 플레이트커버로 구성되며,
    상기 밸브 샤프트는 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로의 외부에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스바디는 상기 밸브플랩을 기준으로 연료전지 스택으로 주입되는 공기가 유입되는 방향에서 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로에 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브플랩의 타면에 해당되는 플레이트커버에는 바이패스바디의 격벽과 접촉하여 상기 바이패스 공기통로를 둘러싸는 제 1 씰링돌기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 씰링돌기에는 상기 바이패스바디의 격벽과 접촉하는 영역 중 일부에 적어도 하나 이상의 씰홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브플랩의 일면에 해당되는 플레이트커버에는 밸브바디의 격벽과 접촉하여 상기 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 둘러싸는 제 2 실링돌기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  8. 청구항 1에 있어서.
    상기 밸브바디는 상기 밸브플랩이 회전 가능하게 설치되고 외형적 형상을 이루는 메인바디와; 상기 밸브플랩의 밀폐시 밸브플랩과 접촉하고 연료전지 스택과 면착으로 결합되는 서브바디로 구성되고,
    상기 바이패스바디는 상기 메인바디에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 서브바디 및 바이패스바디는 기밀성능 향상을 위해 메인바디보다 조도가 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 서브바디 및 바이패스바디는 밸브플랩에 의한 파손을 방지할 수 있도록 메인바디보다 경도가 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  11. 청구항 1에 있어서.
    상기 밸브바디는 상기 밸브플랩이 회전 가능하게 설치되고 외형적 형상을 이루는 메인바디와; 상기 밸브플랩의 밀폐시 밸브플랩과 접촉하고 연료전지 스택과 면착으로 결합되는 서브바디로 구성되고,
    상기 바이패스바디는 상기 메인바디에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  12. 청구항 1에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브장치를 제어하는 방법으로서,
    연료전지 스택으로 공급되는 공기가 캐소드 측으로 주입되는 것을 차단하고, 수소가 연료전지 스택의 애노드 측으로 주입되는 것을 차단하는 시동 정지단계와;
    연료전지 스택으로 공급되는 공기를 캐소드 측으로 주입하지 않고 바이패스 시켜서 배출시키고, 수소를 연료전지 스택의 애노드 측으로 주입하는 시동 1단계와;
    연료전지 스택으로 공급되는 공기의 일부를 캐소드 측으로 주입하면서 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 다른 일부를 바이패스 시켜서 배출시키고, 연료전지 스택 내의 수소를 바이패스 되는 공기에 희석하여 배출시키는 시동 2단계와;
    연료전지 스택으로 공급되는 공기에서 바이패스 되어 배출되는 공기를 차단하면서 공기를 캐소드 측으로 주입하는 운전단계를 포함하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 제어방법.
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