KR102654843B1 - 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브장치는, 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와, 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩와, 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 입구측 공기통로를 통해 연료전지 스택으로 공급공기가 공급되도록 하기 위해, 공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 입구측 체크밸브와, 및 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 출구측 공기통로를 통해 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되도록 하기 위해, 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 출구측 체크밸브를 포함한다.

Description

연료전지 시스템용 공기밸브 장치{AIR SHUT OFF VALVE APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템용 공기밸브 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다.
이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
연료전지 시스템에는 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기를 조절하고 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기를 조절하기 위한 공기밸브 장치가 마련된다.
이와 같은 공기밸브 장치는 전기적인 제어에 의해 개방 또는 폐쇄되는 밸브플랩을 포함하여, 밸브플랩의 구동에 의해 공급공기가 유동되는 공기통로 및/또는 배출공기가 유동되는 공기통로가 개폐될 수 있다.
한편, 공기밸브 장치의 고장으로 밸브플랩이 정상적으로 구동되지 않는 경우, 연료전지 스택으로 공기가 공급되지 못하여 연료전지 스택이 전력을 생성하지 못하고, 이에 따라 연료전지 차량의 동력이 제공되지 못하게 되는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 공기밸브 장치의 고장으로 밸브플랩이 정상적으로 구동되지 않는 경우라도 연료전지 스택으로 공급공기가 최소한으로 필요한 정도는 공급될 수 있고 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 최소한으로 필요한 정도는 배출될 수 있는 공기밸브 장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치는, 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디; 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩; 상기 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 상기 입구측 공기통로를 통해 상기 연료전지 스택으로 상기 공급공기가 공급되도록 하기 위해, 상기 공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 입구측 체크밸브; 및 상기 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 상기 출구측 공기통로를 통해 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 상기 배출공기가 유동되도록 하기 위해, 상기 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 출구측 체크밸브를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 입구측 체크밸브 및 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 출구측 체크밸브를 포함함으로써, 밸브플랩이 개방되지 않는 경우에도 연료전지 스택으로 공급공기가 최소한으로 필요한 정도는 공급될 수 있고 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 최소한으로 필요한 정도는 배출될 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 공기밸브 장치를 일측에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 1의 공기밸브 장치에 체크밸브가 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 단면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, 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 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 공기밸브 장치를 일측에서 바라본 도면이고, 도 3은 도 1의 공기밸브 장치에 체크밸브가 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
본 실시예에 따른 공기밸브 장치는 밸브바디(10), 밸브플랩(30), 입구측 체크밸브(50), 및 출구측 체크밸브(60)를 포함한다.
밸브바디(10)는 공기밸브 장치의 외관을 형성하며, 하나 이상의 바디로 구성될 수 있다. 밸브바디(10)는 밸브플랩(30)이 설치되는 내부 공간을 마련할 수 있다.
밸브바디(10)에는 연료전지 스택(미도시)으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로(11a, 11b, 13)와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로(12a, 12b, 14)가 형성될 수 있다.
입구측 공기통로(11a, 11b, 13)는, 상기 밸브플랩(30)에 의해 개폐되는 입구측 메인공기통로(11a, 11b)와, 상기 입구측 체크밸브(50)에 의해 개폐되는 입구측 서브공기통로(13)를 포함할 수 있다.
입구측 메인공기통로(11a, 11b)는 공기공급장치로부터 공기가 유입되는 제2 입구측 공기통로(11b)와, 연료전지 스택을 향하여 공기가 배출되는 제1 입구측 공기통로(11a)를 포함할 수 있다.
출구측 공기통로(12a, 12b, 14)는, 상기 밸브플랩(30)에 의해 개폐되는 출구측 메인공기통로(12a, 12b)와, 상기 출구측 체크밸브(60)에 의해 개폐되는 출구측 서브공기통로(14)를 포함할 수 있다.
출구측 메인공기통로(12a, 12b)는 연료전지 스택에서 배출된 공기가 유입되는 제1 출구측 공기통로(12a)와, 공기밸브 장치로부터 공기가 배출되는 제2 출구측 공기통로(12b)를 포함할 수 있다.
밸브플랩(30)은 상기 입구측 메인공기통로(11a, 11b)와 상기 출구측 메인공기통로(12a, 12b)를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디(10)의 내부에 회동 가능하게 설치될 수 있다.
입구측 체크밸브(50)는 밸브플랩(30)이 폐쇄된 상태에서도 상기 입구측 서브공기통로(13)를 통해 상기 연료전지 스택으로 상기 공급공기가 공급되도록 하기 위해, 상기 공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련될 수 있다.
출구측 체크밸브(60)는 상기 밸브플랩(30)이 폐쇄된 상태에서도 상기 출구측 서브공기통로(14)를 통해 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 상기 배출공기가 유동되도록 하기 위해, 상기 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련될 수 있다.
일반적으로 연료전지 시스템에는 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기를 조절하고 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기를 조절하기 위한 공기밸브 장치가 마련된다.
이와 같은 공기밸브 장치는 전기적인 제어에 의해 개방 또는 폐쇄되는 밸브플랩을 포함하여, 밸브플랩의 구동에 의해 공급공기가 유동되는 공기통로 및/또는 배출공기가 유동되는 공기통로가 개폐될 수 있다.
한편, 공기밸브 장치의 고장으로 밸브플랩이 정상적으로 구동되지 않는 경우, 연료전지 스택으로 공기가 공급되지 못하여 연료전지 스택이 전력을 생성하지 못하고, 이에 따라 연료전지 차량의 동력이 제공되지 못하게 되는 문제점이 존재하였다.
또한, 공기압력기에서 공기밸브 장치로 공급된 공급공기의 압력이 과도하게 높아져서 공기밸브 장치나 공기압력기에 부하가 걸리게 되고, 그 결과 공기밸브 장치나 공기압력기 등이 파손될 수 있는 문제점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 공기밸브 장치는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 공기밸브 장치는, 밸브플랩(30)이 폐쇄된 상태에서도 공급공기의 압력이 소정 압력 이상이면 연료전지 스택으로 공급공기가 공급되도록 하고, 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 연료전지 스택으로부터 외부로 배출공기가 배출되도록 하기 위해, 상기 공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 입구측 체크밸브(50) 및 상기 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 출구측 체크밸브(60)를 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 공기밸브 장치의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
공기밸브 장치는 밸브플랩(30)을 구동시키기 위해, 밸브모터(미도시)와 밸브샤프트(40)를 더 포함할 수 있다.
밸브플랩(30)은 복수 개의 밸브플랩(30)을 포함할 수 있다. 복수 개의 밸브플랩(30)의 각각은 입구측 메인공기통로(11a, 11b)와 출구측 메인공기통로(12a, 12b)를 개폐할 수 있다.
입구측 서브공기통로(13)는 제2 입구측 메인공기통로(11b)와 합류될 수 있다. 입구측 서브공기통로(13)는 일단이 제2 입구측 메인공기통로(11b)와 연결되고, 타단이 연료전지 스택과 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 입구측 서브공기통로(13)는 제1 입구측 메인공기통로(11a)와 합류될 수도 있다. 이 경우, 입구측 서브공기통로(13)는 일단이 제1 입구측 메인공기통로(11a)와 연결되고, 타단이 연료전지 스택과 연결될 수 있다.
출구측 서브공기통로(14)는 제2 출구측 메인공기통로(12b)와 합류될 수 있다. 출구측 서브공기통로(14)는 일단이 제2 출구측 메인공기통로(12b)와 연결되고, 타단이 연료전지 스택과 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 출구측 서브공기통로(14)는 제1 출구측 메인공기통로(12a)와 합류될 수 있다. 이 경우, 출구측 서브공기통로(14)는 일단이 제1 출구측 메인공기통로(12a)와 연결되고, 타단이 연료전지 스택과 연결될 수 있다.
입구측 체크밸브(50)는 상기 입구측 서브공기통로(13)가 상기 입구측 메인공기통로(11a, 11b)에 합류되는 위치에 설치될 수 있다.
본 실시예에서, 입구측 체크밸브(50)는 입구측 서브공기통로(13)와 제2 입구측 메인공기통로(11b)가 서로 연결되는 지점에 설치될 수 있다.
출구측 체크밸브(60)는, 상기 출구측 서브공기통로(14)가 상기 출구측 메인공기통로(12a, 12b)에 합류되는 위치에 설치될 수 있다.
본 실시예에서, 출구측 체크밸브(60)는 출구측 서브공기통로(14)와 제2 출구측 메인공기통로(12b)가 서로 연결되는 지점에 설치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 입구측 체크밸브(50)는, 상기 입구측 서브공기통로(13)를 개방하는 위치인 개방위치와 상기 입구측 서브공기통로(13)를 폐쇄하는 위치인 폐쇄위치의 사이에서 이동되는 제1 패킹(51)을 포함할 수 있다.
입구측 체크밸브(50)는 상기 제1 패킹(51)을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해 마련되는 제1 탄성부재(52)를 포함할 수 있다. 제1 탄성부재(52)는 밸브바디(10)의 내부에 설치될 수 있다.
제1 패킹(51)은 상기 폐쇄위치에 위치할 때 상기 입구측 서브공기통로(13)를 효과적으로 폐쇄하기 위해, 탄성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 패킹(51)은 전체적으로 탄성을 갖는 재질로 형성되거나, 제1 패킹(51)의 외면에 탄성을 갖는 재질이 도포될 수 있다. 예를 들면, 여기서 탄성을 갖는 재질은 고무(rubber)일 수 있다.
도 3을 참조하여 예를 들면, 제1 패킹(51)은 볼 형상의 패킹일 수 있다.
제1 패킹(51)은 제2 입구측 메인공기통로(11b)로 유입된 상기 공급공기의 압력에 의해 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동되도록 하기 위해, 상기 입구측 서브공기통로(13) 내에 설치될 수 있다.
제1 탄성부재(52)는 상기 제1 패킹(51)을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해, 제2 입구측 메인공기통로(11b) 내에 설치될 수 있다.
상기 제1 탄성부재(52)는, 상기 공급공기의 압력에 의해 상기 제1 패킹(51)에 가해지는 힘이 소정값 이상일 때 상기 제1 패킹(51)이 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동하도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖도록 마련될 수 있다.
상기 출구측 체크밸브(60)는, 상기 출구측 서브공기통로(14)를 개방하는 위치인 개방위치와 상기 출구측 서브공기통로(14)를 폐쇄하는 위치인 폐쇄위치의 사이에서 이동되는 제2 패킹(61)을 포함할 수 있다.
출구측 체크밸브(60)는, 상기 제2 패킹(61)을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해 마련되는 제2 탄성부재(62)를 포함할 수 있다. 제2 탄성부재(62)는 밸브바디(10)의 내부에 설치될 수 있다.
제2 패킹(61)은 상기 폐쇄위치에 위치할 때 상기 출구측 서브공기통로(14)를 효과적으로 폐쇄하기 위해, 탄성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 패킹(61)은 전체적으로 탄성을 갖는 재질로 형성되거나, 제2 패킹(61)의 외면에 탄성을 갖는 재질이 도포될 수 있다. 예를 들면, 여기서 탄성을 갖는 재질은 고무일 수 있다.
도 3을 참조하여 예를 들면, 제2 패킹(61)은 볼 형상의 패킹일 수 있다.
상기 제2 패킹(61)은, 상기 입구측 서브공기통로(13)로 유입된 상기 배출공기의 압력에 의해 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동되도록 하기 위해, 상기 제2 출구측 메인공기통로(12b) 내에 설치될 수 있다.
제2 탄성부재(62)는 상기 제2 패킹(61)을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해, 제2 입구측 메인공기통로(11b) 내에 설치될 수 있다.
상기 제2 탄성부재(62)는, 상기 배출공기의 압력에 의해 상기 제2 패킹(61)에 가해지는 힘이 소정값 이상일 때 상기 제2 패킹(61)이 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동하도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖도록 마련될 수 있다.
이와 같이 마련되는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 작동을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 공기공급장치(예를 들면, 공기압축기)로부터 공기밸브 장치의 제2 입구측 메인공기통로(11b)로 공급공기가 유입된다.
이때, 밸브플랩(30)이 정상적으로 작동되지 않아 입구측 메인공기통로(11a, 11b)가 폐쇄되면, 공기공급장치로부터 공급공기가 유입되는 제2 입구측 메인공기통로(11b) 내의 공급공기의 압력이 상승하게 된다.
제2 입구측 메인공기통로(11b) 내의 공급공기의 압력이 일정 이상이 되면, 제1 패킹(51)이 공급공기의 압력에 의해 받는 힘이 제1 탄성부재(52)의 탄성력을 극복하고 제1 패킹(51)이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동되게 된다.
제1 패킹(51)이 개방위치로 이동되면, 입구측 서브공기통로(13)가 개방되어, 도 3의 F1과 같이, 공급공기가 입구측 서브공기통로(13)를 통하여 연료전지 스택으로 공급되게 된다.
한편, 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기는 제1 출구측 메인공기통로(12a)와 출구측 서브공기통로(14)를 통해 공기밸브 장치로 유입된다.
이때, 밸브플랩(30)이 정상적으로 작동되지 않아 출구측 메인공기통로(12a, 12b)가 폐쇄되면, 연료전지 스택으로부터 배출공기가 유입되는 출구측 서브공기통로(14) 내의 배출공기의 압력이 상승하게 된다.
출구측 서브공기통로(14) 내의 공급공기의 압력이 일정 이상이 되면, 제2 패킹(61)이 배출공기의 압력에 의해 받는 힘이 제2 탄성부재(62)의 탄성력을 극복하고 제2 패킹(61)이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동되게 된다.
제2 패킹(61)이 개방위치로 이동되면, 출구측 서브공기통로(14)가 개방되어 도 3의 F2와 같이 배출공기가 출구측 서브공기통로(14)를 통하여 외부(또는, 차량의 배기계통)로 배출되게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 실시예에서 입구측 체크밸브(150)는 밸브플랩(30)에 설치될 수 있다. 입구측 체크밸브(150)는 도 4b와 같이 밸브플랩(30)이 회동될 때 회동을 방해하지 않도록, 밸브플랩(30)의 일측에 설치될 수 있다.
밸브플랩(30)에는 입구측 체크밸브(150)에 의해 개폐되는 제1 밸브플랩홀(16)이 형성될 수 있다.
입구측 체크밸브(150)는 제1 체크밸브하우징(153)과, 제1 패킹(151)과, 제1 탄성부재(152)를 포함할 수 있다.
제1 체크밸브하우징(153)은 밸브플랩(30)으로부터 일측으로 연장될 수 있다. 제1 체크밸브하우징(153)은 밸브플랩(30)의 일측면으로부터 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 제1 체크밸브하우징(153)은 내부에 제1 패킹(151)과 제1 탄성부재(152)가 수용되는 내부 공간을 마련할 수 있다.
또한, 제1 체크밸브하우징(153)은 제1 밸브플랩홀(16)을 통과하는 공급공기가 유동되는 경로를 마련할 수 있다.
제1 패킹(151)은 상기 제1 밸브플랩홀(16)을 개방하는 위치인 개방위치와 상기 제1 밸브플랩홀(16)을 폐쇄하는 위치인 폐쇄위치의 사이에서 이동되도록, 상기 제1 체크밸브하우징(153)의 내부에 설치될 수 있다.
제1 탄성부재(152)는 제1 패킹(151)을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해, 제1 체크밸브하우징(153)의 내부에 설치될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 출구측 체크밸브(미도시)도 상기 입구측 체크밸브(150)와 마찬가지로 마련될 수 있다. 다만, 입구측 체크밸브(150)는 제2 입구측 메인공기통로(11b)로 유입된 공급공기의 압력에 의해 제1 패킹(151)이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동(도 4a를 기준으로 좌측으로 이동)되는 반면, 출구측 체크밸브는 제1 출구측 메인공기통로(12a)로 유입된 배출공기의 압력에 의해 제2 패킹이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동(도 4a를 기준으로 우측으로 이동)되는 차이가 있다. 따라서, 제2 패킹이 제2 탄성부재에 의해 지지되는 방향은 제1 패킹(151)이 제1 탄성부재(152)에 의해 지지되는 방향의 반대방향으로 마련될 수 있다. 즉, 제1 패킹(151)은 폐쇄위치에서 개방위치로 이동될 때 도 4a를 기준으로 우측에서 좌측으로 이동되도록 마련되고, 한편 제2 패킹은 폐쇄위치에서 개방위치로 이동될 때 도 4a를 기준으로 좌측에서 우측으로 이동되도록 마련될 수 있다.
이와 같이 마련되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기밸브 장치의 작동을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 공기공급장치(예를 들면, 공기압축기)로부터 공기밸브 장치의 제2 입구측 메인공기통로(11b)로 공급공기가 유입된다.
이때, 밸브플랩(30)이 정상적으로 작동되지 않아 입구측 메인공기통로(11a, 11b)가 폐쇄되면, 공기공급장치로부터 공급공기가 유입되는 제2 입구측 메인공기통로(11b) 내의 공급공기의 압력이 상승하게 된다.
제2 입구측 메인공기통로(11b) 내의 공급공기의 압력이 일정 이상이 되면, 제1 패킹(151)이 공급공기의 압력에 의해 받는 힘이 제1 탄성부재(152)의 탄성력을 극복하고 제1 패킹(151)이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동되게 된다.
제1 패킹(151)이 개방위치로 이동되면, 제1 밸브플랩홀(16)이 개방되어, 도 4a의 F1과 같이 공급공기가 제1 체크밸브하우징(153)의 내부의 공기통로를 통하여 제1 입구측 메인공기통로(11a)로 유입되고, 그 결과 공급공기가 연료전지 스택으로 공급되게 된다.
한편, 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기는 제1 출구측 메인공기통로(12a)를 통해 공기밸브 장치로 유입된다.
이때, 밸브플랩(30)이 정상적으로 작동되지 않아 출구측 메인공기통로(12a, 12b)가 폐쇄되면, 연료전지 스택으로부터 배출공기가 유입되는 제1 출구측 메인공기통로(12a) 내의 배출공기의 압력이 상승하게 된다.
제1 출구측 메인공기통로(12a) 내의 공급공기의 압력이 일정 이상이 되면, 제2 패킹이 배출공기의 압력에 의해 받는 힘이 제2 탄성부재의 탄성력을 극복하고 제2 패킹이 폐쇄위치에서 개방위치로 이동되게 된다.
제2 패킹이 개방위치로 이동되면, 밸브플랩(30)에 형성된 제2 밸브플랩홀(미도시)이 개방되어 배출공기가 제2 체크밸브하우징(미도시)의 내부의 공기통로를 통하여 제2 출구측 메인공기통로(12b)로 유입되고, 그 결과 배출공기가 외부(또는, 차량의 배기계통)로 배출되게 된다.
도 4b를 참조하면, 밸브플랩(30)이 정상적으로 동작되어 밸브플랩(30)이 개방된 경우, 제2 입구측 메인공기통로(11b)에서 제1 입구측 메인공기통로(11a)로 도 4b의 F1과 같이 공급공기가 유동될 수 있다. 이를 통해, 연료전지 스택으로 공급공기가 공급될 수 있다.
또한, 밸브플랩(30)이 개방된 경우, 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기는, 제1 출구측 메인공기통로(미도시)에서 제2 출구측 메인공기통로(미도시)로 유동되어, 배기계통으로 배출될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 밸브바디
11a, 11b : 제1, 2 입구측 메인공기통로
12a, 12b : 제1, 2 출구측 메인공기통로
13 : 입구측 서브공기통로
14 : 출구측 서브공기통로
16 : 제1 밸브플랩홀
30 : 밸브플랩
40 : 밸브샤프트
50, 150 : 입구측 체크밸브
51, 151 : 제1 패킹
52, 152 : 제1 탄성부재
153 : 제1 체크밸브하우징
60 : 출구측 체크밸브
61 : 제2 패킹
62 : 제2 탄성부재
F1 : 공급공기의 유동
F2 : 배출공기의 유동

Claims (10)

  1. 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디;
    상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치되는 밸브플랩;
    상기 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 상기 입구측 공기통로를 통해 상기 연료전지 스택으로 상기 공급공기가 공급되도록 하기 위해, 상기 공급공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 입구측 체크밸브; 및
    상기 밸브플랩이 폐쇄된 상태에서도 상기 출구측 공기통로를 통해 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 상기 배출공기가 유동되도록 하기 위해, 상기 배출공기의 압력이 소정의 압력 이상이면 개방되도록 마련되는 출구측 체크밸브를 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구측 공기통로는, 상기 밸브플랩에 의해 개폐되는 입구측 메인공기통로와, 상기 입구측 체크밸브에 의해 개폐되는 입구측 서브공기통로를 포함하고,
    상기 출구측 공기통로는, 상기 밸브플랩에 의해 개폐되는 출구측 메인공기통로와, 상기 출구측 체크밸브에 의해 개폐되는 출구측 서브공기통로를 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 입구측 체크밸브는, 상기 입구측 서브공기통로가 상기 입구측 메인공기통로에 합류되는 위치에 설치되고,
    상기 출구측 체크밸브는, 상기 출구측 서브공기통로가 상기 출구측 메인공기통로에 합류되는 위치에 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 입구측 체크밸브는, 상기 입구측 서브공기통로를 개방하는 위치인 개방위치와 상기 입구측 서브공기통로를 폐쇄하는 위치인 폐쇄위치의 사이에서 이동되는 제1 패킹과, 상기 제1 패킹을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해 마련되는 제1 탄성부재를 포함하고,
    상기 출구측 체크밸브는, 상기 출구측 서브공기통로를 개방하는 위치인 개방위치와 상기 출구측 서브공기통로를 폐쇄하는 위치인 폐쇄위치의 사이에서 이동되는 제2 패킹과, 상기 제2 패킹을 상기 폐쇄위치로 탄성 지지하기 위해 마련되는 제2 탄성부재를 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 패킹은, 상기 입구측 메인공기통로로 유입된 상기 공급공기의 압력에 의해 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동되도록 하기 위해, 상기 입구측 서브공기통로 내에 설치되고,
    상기 제2 패킹은, 상기 입구측 서브공기통로로 유입된 상기 배출공기의 압력에 의해 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동되도록 하기 위해, 상기 출구측 메인공기통로 내에 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 탄성부재는, 상기 공급공기의 압력에 의해 상기 제1 패킹에 가해지는 힘이 소정값 이상일 때 상기 제1 패킹이 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동하도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖고,
    상기 제2 탄성부재는, 상기 배출공기의 압력에 의해 상기 제2 패킹에 가해지는 힘이 소정값 이상일 때 상기 제2 패킹이 상기 폐쇄위치에서 상기 개방위치로 이동하도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 탄성부재와 상기 제2 탄성부재는, 각각 상기 제1 패킹과 상기 제2 패킹을 탄성 지지하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구측 체크밸브 및 상기 출구측 체크밸브의 각각은 상기 밸브플랩에 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 밸브플랩에는, 상기 입구측 체크밸브에 의해 개폐되는 제1 밸브플랩홀과, 상기 출구측 체크밸브에 의해 개폐되는 제2 밸브플랩홀이 형성되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 입구측 체크밸브와 상기 출구측 체크밸브의 각각은, 상기 밸브플랩의 회동을 방해하지 않도록, 상기 밸브플랩의 일측에 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
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