KR102664114B1 - Air shut off valve apparatus for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 공기밸브 장치는, 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 밸브플랩과, 공급공기보다 상대적으로 고온 다습한 배출공기로부터 공급공기로 열이나 수분이 제공되도록 하기 위해, 밸브바디의 내부에 설치되는 교환기를 포함한다. 교환기는, 배출공기가 유동되는 배출공기유로와, 배출공기유로를 가로질러 배치되고 공급공기가 유동되는 공급공기튜브를 포함한다. The air valve device according to the present invention includes a valve body having an inlet air passage through which supply air supplied to the fuel cell stack flows and an outlet air passage through which exhaust air discharged from the fuel cell stack flows, and an inlet air passage. A valve flap is rotatably installed inside the valve body to open and close the furnace and outlet air passages, and a valve body to provide heat or moisture to the supply air from the exhaust air, which is relatively hot and humid than the supply air. Includes an exchanger installed inside. The exchanger includes an exhaust air passage through which exhaust air flows, and a supply air tube disposed across the exhaust air passage and through which supply air flows.

Description

연료전지 시스템용 공기밸브 장치{AIR SHUT OFF VALVE APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM}Air valve device for fuel cell system {AIR SHUT OFF VALVE APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템용 공기밸브 장치에 관한 것으로서, 보다 자세히는 열 또는 수분의 교환을 위한 교환기를 포함하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an air valve device for a fuel cell system, and more specifically, to an air valve device for a fuel cell system including an exchanger for exchange of heat or moisture.

연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.The fuel cell system is a system that continuously produces electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative to solve global environmental problems.

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.Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell system is divided into phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). ), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), alkaline fuel cell (AFC; alkaline fuel cell), and direct methanol fuel cell (DMFC), etc., depending on the type of fuel used. Depending on the operating temperature, output range, etc., it can be applied to various application fields such as mobile power, transportation, and distributed power generation.

이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.Among these, polymer electrolyte fuel cells are being applied to the field of hydrogen vehicles (hydrogen fuel cell vehicles), which are being developed to replace internal combustion engines.

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. Hydrogen cars produce their own electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen and drive by driving a motor. Therefore, a hydrogen car consists of a hydrogen tank (H 2 Tank) that stores hydrogen (H 2 ), a stack (FC STACK: Fuel Cell Stack) that produces electricity through the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen (O 2 ), and produced water. It has a structure that includes not only various devices for draining electricity, but also a battery that stores electricity produced in the stack, a controller that converts and controls the produced electricity, and a motor that generates driving force.

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. Among them, a stack is a device that refers to a fuel cell body in which tens or hundreds of cells are stacked in series. It has a structure in which multiple cells are stacked between end plates, and the inside of each cell is partitioned by an electrolyte membrane and one side is A cathode is provided on the other side of the anode.

각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다. A separator plate is placed between each cell to limit the flow path of hydrogen and oxygen, and the separator plate is made of a conductor to move electrons during a redox reaction.

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.In this stack, when hydrogen is supplied to the anode, it is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst, the electrons move to the outside of the stack through the separator and generate electricity, and the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane and move to the cathode and are then released into the outside air. It combines with supplied oxygen and electrons to form water and is discharged to the outside.

일반적으로, 고분자 전해질형 연료전지는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 고분자 전해질 막에 일정량의 수분을 공급하여 적정 함수율을 유지해야만 발전효율이 유지될 수 있다. 때문에, 종래의 연료전지 시스템은 스택 내부로 유입되는 유입 가스를 가습하기 위해 가습기를 포함하여 구성되기도 한다. In general, the power generation efficiency of a polymer electrolyte fuel cell can be maintained only by maintaining an appropriate moisture content by supplying a certain amount of moisture to the polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly (MEA). Therefore, a conventional fuel cell system may be configured to include a humidifier to humidify the incoming gas flowing into the stack.

한편, 통상적으로 연료전지 스택의 내부로 공급되는 공급공기는 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기보다 온도가 낮다. 연료전지 스택의 내부에서 연료인 수소와 공기 중의 산소의 반응성을 높이기 위해서는, 스택으로 공급되는 공급공기가 일정 온도 이상으로 공급되는 것이 바람직하다. 연료전지 시스템에 가습기를 추가하는 경우, 공급공기가 배출공기에 의해 가습될 뿐만 아니라 공급공기가 배출공기에 의해 가열되는 효과도 가질 수 있다.Meanwhile, the supply air supplied into the fuel cell stack typically has a lower temperature than the exhaust air discharged from the fuel cell stack. In order to increase the reactivity of hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air inside the fuel cell stack, it is desirable that the supply air supplied to the stack is above a certain temperature. When adding a humidifier to a fuel cell system, not only can the supply air be humidified by the exhaust air, but it can also have the effect of heating the supply air by the exhaust air.

하지만, 연료전지 시스템에 가습기를 추가하는 경우 시스템의 전체 부피가 증가하고 시스템의 구성이 복잡해지는 문제점이 존재하였다.However, when adding a humidifier to a fuel cell system, there was a problem that the overall volume of the system increased and the system configuration became complicated.

본 발명은 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기의 열 또는 수분이 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기로 제공되도록 마련되는 공기밸브 장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.The main purpose of the present invention is to provide an air valve device that allows heat or moisture from exhaust air discharged from a fuel cell stack to be provided to supply air supplied to the fuel cell stack.

열 또는 수분을 교환하기 위한 교환기를 포함하는 공기밸브 장치로서, 구조 및 구성이 간단한 공기밸브 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.The purpose is to provide an air valve device that includes an exchanger for exchanging heat or moisture, and has a simple structure and configuration.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 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; 및 상기 공급공기보다 상대적으로 고온 다습한 상기 배출공기로부터 상기 공급공기로 열이나 수분이 제공되도록 하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 설치되는 교환기를 포함한다.In order to achieve the above object, an air valve device according to an embodiment of the present invention includes an inlet air passage through which supply air supplied to the fuel cell stack flows, and an outlet side through which exhaust air discharged from the fuel cell stack flows. A valve body with an air passage formed; a valve flap rotatably installed inside the valve body to open and close the inlet air passage and the outlet air passage; and an exchanger installed inside the valve body to provide heat or moisture to the supply air from the exhaust air, which is relatively hot and humid than the supply air.

상기 교환기는, 상기 배출공기가 유동되는 배출공기유로와, 상기 배출공기유로를 가로질러 배치되고 상기 공급공기가 유동되는 공급공기튜브를 포함한다.The exchanger includes an exhaust air passage through which the exhaust air flows, and a supply air tube disposed across the exhaust air passage and through which the supply air flows.

본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to an embodiment of the present invention, one or more of the following effects are achieved.

첫째, 상기 밸브바디의 내부에 설치되는 교환기를 포함함으로써, 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기의 열 또는 수분이 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기로 제공되는 공기밸브 장치를 제공할 수 있다.First, by including an exchanger installed inside the valve body, it is possible to provide an air valve device in which heat or moisture of exhaust air discharged from the fuel cell stack is provided as supply air to the fuel cell stack.

둘째, 배출공기가 유동되는 배출공기유로와, 상기 배출공기유로를 가로질러 배치되고 상기 공급공기가 유동되는 공급공기튜브를 포함하는 교환기를 밸브바디의 내부에 설치하는 것으로 공기밸브 장치가 구성됨으로써, 공기밸브 장치의 구조 및 구성이 간단하게 마련될 수 있다.Second, the air valve device is configured by installing an exchanger inside the valve body including an exhaust air passage through which discharge air flows and a supply air tube disposed across the discharge air passage and through which the supply air flows, The structure and configuration of the air valve device can be simply prepared.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 공기밸브 장치의 상하방향 단면도이다.
도 3은 도 1의 공기밸브 장치의 교환기의 사시도이다.
도 4는 도 1의 공기밸브 장치를 다른 측면에서 바라본 사시도이다.
도 5는 도 1의 공기밸브 장치의 구성 중의 일부의 단면도이다.
1 is a perspective view of an air valve device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a vertical cross-sectional view of the air valve device of Figure 1.
Figure 3 is a perspective view of the exchanger of the air valve device of Figure 1.
Figure 4 is a perspective view of the air valve device of Figure 1 viewed from another side.
FIG. 5 is a cross-sectional view of part of the configuration of the air valve device of FIG. 1.

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.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.

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.Additionally, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, that component can be connected or connected directly to that other component, but there is no need for another component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” or “connected.”

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기밸브 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 공기밸브 장치의 상하방향 단면도이다.Figure 1 is a perspective view of an air valve device according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a vertical cross-sectional view of the air valve device of Figure 1.

본 실시예에 따른 공기밸브 장치는 밸브바디(10), 밸브플랩(30), 교환기(60)를 포함한다.The air valve device according to this embodiment includes a valve body 10, a valve flap 30, and an exchanger 60.

밸브바디(10)는 공기밸브 장치의 외관을 형성하며, 하나 이상의 바디로 구성될 수 있다.The valve body 10 forms the exterior of the air valve device and may be composed of one or more bodies.

밸브바디(10)는 메인바디(10a)와 서브바디(10b)를 포함할 수 있다. 메인바디(10a)는 밸브플랩(30)이 설치되는 내부 공간을 마련할 수 있다. 서브바디(10b)는 교환기(60)가 설치되는 직육면체 형상의 내부 공간을 마련할 수 있다.The valve body 10 may include a main body 10a and a subbody 10b. The main body 10a can provide an internal space where the valve flap 30 is installed. The subbody 10b may provide a rectangular parallelepiped-shaped internal space in which the exchanger 60 is installed.

밸브바디(10)에는 연료전지 스택(미도시)으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로(11a, 11b)와, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로(12a, 12b)가 형성될 수 있다.The valve body 10 includes an inlet air passage 11a, 11b through which supply air supplied to the fuel cell stack (not shown) flows, and an outlet air passage 12a through which exhaust air discharged from the fuel cell stack flows. 12b) can be formed.

입구측 공기통로(11a, 11b)는 상기 메인바디(10a)에 마련되는 제1 입구측 공기통로(11a)와, 상기 서브바디(10b)에 마련되는 제2 입구측 공기통로(11b)를 포함할 수 있다.The inlet air passages 11a and 11b include a first inlet air passage 11a provided in the main body 10a and a second inlet air passage 11b provided in the sub body 10b. can do.

출구측 공기통로(12a, 12b)는 메인바디(10a)에 마련되는 제1 출구측 공기통로(12a)와, 상기 서브바디에 마련되는 제2 출구측 공기통로(12b)를 포함할 수 있다.The outlet-side air passages 12a and 12b may include a first outlet-side air passage 12a provided in the main body 10a and a second outlet-side air passage 12b provided in the sub-body.

밸브플랩(30)은 상기 입구측 공기통로(11a, 11b)와 상기 출구측 공기통로(12a, 12b)를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디(10)의 내부에 회동 가능하게 설치될 수 있다.The valve flap 30 may be rotatably installed inside the valve body 10 to open and close the inlet air passages 11a and 11b and the outlet air passages 12a and 12b.

교환기(60)는 공급공기보다 상대적으로 고온 다습한 배출공기로부터 상기 공급공기로 열이나 수분이 제공되도록 하기 위해, 상기 밸브바디(10)의 내부에 설치될 수 있다.The exchanger 60 may be installed inside the valve body 10 to provide heat or moisture to the supply air from exhaust air that is relatively hot and humid than the supply air.

교환기(60)는 배출공기가 유동되는 배출공기유로(미도시)와, 공급공기가 유동되는 공급공기튜브(62)를 포함할 수 있다. 공급공기튜브(62)는 배출공기유로를 가로질러 배치될 수 있다.The exchanger 60 may include an exhaust air passage (not shown) through which exhaust air flows, and a supply air tube 62 through which supply air flows. The supply air tube 62 may be disposed across the exhaust air flow path.

일반적으로, 고분자 전해질형 연료전지는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 고분자 전해질 막에 일정량의 수분을 공급하여 적정 함수율을 유지해야만 발전효율이 유지될 수 있다. 때문에, 종래의 연료전지 시스템은 스택 내부로 유입되는 유입 가스를 가습하기 위해 가습기를 포함하여 구성되기도 한다. In general, the power generation efficiency of a polymer electrolyte fuel cell can be maintained only by maintaining an appropriate moisture content by supplying a certain amount of moisture to the polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly (MEA). Therefore, a conventional fuel cell system may be configured to include a humidifier to humidify the incoming gas flowing into the stack.

한편, 통상적으로 연료전지 스택의 내부로 공급되는 공급공기는 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기보다 온도가 낮다. 연료전지 스택의 내부에서 연료인 수소와 공기 중의 산소의 반응성을 높이기 위해서는, 스택으로 공급되는 공급공기가 일정 온도 이상으로 공급되는 것이 바람직하다. 연료전지 시스템에 가습기를 추가하는 경우, 공급공기가 배출공기에 의해 가습될 뿐만 아니라 공급공기가 배출공기에 의해 가열되는 효과도 가질 수 있다.Meanwhile, the supply air supplied into the fuel cell stack typically has a lower temperature than the exhaust air discharged from the fuel cell stack. In order to increase the reactivity of hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air inside the fuel cell stack, it is desirable that the supply air supplied to the stack is above a certain temperature. When adding a humidifier to a fuel cell system, not only can the supply air be humidified by the exhaust air, but it can also have the effect of heating the supply air by the exhaust air.

하지만, 연료전지 시스템에 가습기를 추가하는 경우 시스템의 전체 부피가 증가하고 시스템의 구성이 복잡해지는 문제점이 존재하였다.However, when adding a humidifier to a fuel cell system, there was a problem that the overall volume of the system increased and the system configuration became complicated.

본 발명은 공급공기와 배출공기 사이에 열이나 수분의 교환이 이루어지도록 하는 구성이 마련되는 공기밸브 장치에 관한 것이다. 공기밸브 장치는 연료전지 스택으로의 공기의 입출입을 조절하기 위해 통상적으로 마련되는 장치인데, 여기에 공급공기와 배출공기 사이에 열이나 수분의 교환시키는 기능을 더 추가한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 공기밸브 장치는, 배출공기로부터 공급공기로 열이나 수분이 제공되도록 하기 위해, 배출공기가 유동되는 배출공기유로와, 상기 배출공기유로를 가로질러 배치되고 공급공기가 유동되는 공급공기튜브(62)를 포함하는 교환기(60)를 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.The present invention relates to an air valve device that is provided with a configuration that allows exchange of heat or moisture between supply air and discharge air. The air valve device is a device commonly provided to control the inflow and outflow of air into the fuel cell stack, with the additional function of exchanging heat or moisture between supply air and exhaust air. More specifically, in order to provide heat or moisture from the discharge air to the supply air, the air valve device according to the present embodiment has an exhaust air passage through which the exhaust air flows, and is disposed across the discharge air passage and the supply air flows. The basic feature is that it includes an exchanger (60) containing a flowing supply air tube (62).

본 실시예에 따른 공기밸브 장치의 특징을 이하에서 보다 상술한다.The characteristics of the air valve device according to this embodiment will be described in more detail below.

도 2를 참조하면, 서브바디(10b)의 내부에는, 직육면체 형상의 내부공간인 가습공간(13)이 마련될 수 있다. 공급공기와 배출공기의 전반적인 유동이 상하방향으로 이루어지도록, 가습공간(13)은 상측과 하측으로 개구될 수 있다.Referring to FIG. 2, a humidifying space 13, which is an internal space in the shape of a rectangular parallelepiped, may be provided inside the subbody 10b. The humidifying space 13 may be opened at the top and bottom so that the overall flow of supply air and exhaust air is in the vertical direction.

교환기(60)는 전체적으로 직육면체 형상으로 형성될 수 있다. 배출공기유로가 상하방향과 좌측방향의 사이의 방향으로 연장되고, 공급공기튜브(62)가 상하방향과 우측방향의 사이의 방향으로 연장되도록, 교환기(60)는 상기 가습공간(13)에 비스듬하게 설치될 수 있다. 즉, 교환기(60)는 직육면체 형상의 모서리 부분이 서브바디(10b)의 내면에 접촉되도록, 서브바디(10b)의 내부에 설치될 수 있다.The exchanger 60 may be formed overall into a rectangular parallelepiped shape. The exchanger 60 is inclined to the humidification space 13 so that the exhaust air flow path extends in the direction between the up-down direction and the left direction, and the supply air tube 62 extends in the direction between the up-down direction and the right direction. can be installed. That is, the exchanger 60 may be installed inside the subbody 10b so that the corner portion of the rectangular parallelepiped shape contacts the inner surface of the subbody 10b.

도 3은 도 1의 공기밸브 장치의 교환기의 사시도이고, 도 4는 도 1의 공기밸브 장치를 다른 측면에서 바라본 사시도이다.FIG. 3 is a perspective view of the exchanger of the air valve device of FIG. 1, and FIG. 4 is a perspective view of the air valve device of FIG. 1 viewed from another side.

도 3을 참조하면, 교환기(60)는 서로 마주보는 양측(상측 및 하측)이 개구된 직육면체 형상의 프레임(61)을 포함하여, 프레임(61)의 개구부를 통해 배출공기가 상하방향으로 유동되도록 마련될 수 있다.Referring to FIG. 3, the exchanger 60 includes a rectangular parallelepiped frame 61 with openings on both sides (upper and lower sides) facing each other, so that discharged air flows in an upward and downward direction through the openings of the frame 61. It can be provided.

프레임(61)의 내부에는 배출공기가 유동되는 배출공기유로가 마련될 수 있다. 즉, 배출공기유로는 프레임(61)에 의해 형성되는 유로이다.An exhaust air flow path through which exhaust air flows may be provided inside the frame 61. That is, the discharge air flow path is a flow path formed by the frame 61.

공급공기튜브(62)의 일단 및 타단의 각각은 상기 프레임(61)의, 서로 마주보는 일측면(좌측면)과 타측면(우측면)에 고정될 수 있다. 이에 따라, 공급공기가 프레임(61)의 좌측면에서 우측면으로 유동되도록 마련될 수 있다.Each of one end and the other end of the supply air tube 62 may be fixed to one side (left side) and the other side (right side) of the frame 61 facing each other. Accordingly, the supply air can be arranged to flow from the left side to the right side of the frame 61.

일 실시예에서, 공급공기튜브(62)는 프레임(61)과 일체(one body)로 형성될 수 있다. 이 경우, 공급공기튜브(62)와 프레임(61)은 동일한 재질로 형성될 수 있다.In one embodiment, the supply air tube 62 may be formed as one body with the frame 61. In this case, the supply air tube 62 and the frame 61 may be formed of the same material.

일 실시예에서, 공급공기튜브(62)는 프레임(61)과 별도로 형성되어, 프레임(61)에 설치되는 구성일 수 있다. 이 경우, 공급공기튜브(62)와 프레임(61)은 이종 재질로 형성될 수 있다.In one embodiment, the supply air tube 62 may be formed separately from the frame 61 and installed on the frame 61. In this case, the supply air tube 62 and the frame 61 may be formed of different materials.

일 실시예에서, 공급공기튜브(62)는 열전도성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들면, 공급공기튜브(62)는 금속 소재로 형성되어, 배출공기로부터 공급공기로의 열전달이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.In one embodiment, the supply air tube 62 may be made of a material with excellent thermal conductivity. For example, the supply air tube 62 may be made of a metal material to effectively transfer heat from discharge air to supply air.

일 실시예에서, 공급공기튜브(62)는 중공사막 또는 중공사막다발로 구성되어, 배출공기로부터 공급공기로 열 뿐만 아니라 수분이 제공될 수 있도록 마련될 수 있다. 중공사막은 종래의 가습기에서도 널리 쓰이는 것으로, 가스는 중공사막을 통과하지 않지만 수분은 중공사막을 통과할 수 있다. 중공사막의 내부와 외부로 각각 습도가 서로 다른 가스가 유통될 때, 일측에서 타측으로 수분이 제공되며 수분을 제공받은 가스가 가습될 수 있다.In one embodiment, the supply air tube 62 is composed of a hollow fiber membrane or a bundle of hollow fiber membranes, and can be provided so that not only heat but also moisture can be provided from the exhaust air to the supply air. Hollow fiber membranes are also widely used in conventional humidifiers. Gas does not pass through the hollow fiber membrane, but moisture can pass through the hollow fiber membrane. When gases with different humidity are distributed inside and outside the hollow fiber membrane, moisture is provided from one side to the other, and the gas provided with moisture can be humidified.

이와 같이 마련되는 공기밸브 장치에서, 도 2를 기준으로, 가습공간(13)에서 공급공기의 유동(F1)은 좌하단에서 우상단으로 대각 방향으로 나타나고, 배출공기의 유동은 좌상단에서 우하단으로 대각 방향으로 나타나며, 공간 효율적으로 배출공기와 공급공기가 간접적으로 접하게 된다.In the air valve device provided in this way, based on Figure 2, the flow (F1) of the supply air in the humidifying space 13 appears diagonally from the lower left to the upper right, and the flow of discharged air is diagonal from the upper left to the lower right. direction, and the exhaust air and supply air come into contact indirectly in a space-efficient manner.

또한, 서브바디(10b)의 내부에 형성된 공간에 교환기(60)를 설치하는 간단한 구성만으로, 서브바디(10b)의 내부에 배출공기와 공급공기가 유동되는 유로가 서로 구분되게 마련될 수 있어, 제작 및 조립이 간단한 이점도 있다.In addition, with a simple configuration of installing the exchanger 60 in the space formed inside the sub-body 10b, the flow paths through which the discharged air and the supply air flow can be provided separately from each other inside the sub-body 10b, It also has the advantage of being simple to manufacture and assemble.

또한, 공기밸브 장치가 도 1, 도 2 또는 도 4에 나타난 상하방향이 중력방향과 평행하도록 연료전지 시스템에 설치될 시, 교환기(60)에서 생성된 물이 중력에 의해 프레임(61)이나 공급공기튜브(62)를 따라 하측으로 흐르게 되므로, 교환기(60)의 내부에 물이 고여 교환기(60)의 열 또는 수분 교환 성능이 저하되는 것이 방지될 수 있다.In addition, when the air valve device is installed in the fuel cell system so that the vertical direction shown in Figures 1, 2 or 4 is parallel to the direction of gravity, the water generated in the exchanger 60 is supplied to the frame 61 or the like by gravity. Since it flows downward along the air tube 62, water can be prevented from accumulating inside the exchanger 60 and deteriorating the heat or moisture exchange performance of the exchanger 60.

만약, 교환기(60)가 도 2와 같이 가습공간(13)에 비스듬하게 설치되지 않고, 공급공기튜브(62)가 상하방향으로 연장되도록 교환기(60)가 세워져서 설치되거나, 공급공기튜브(62)가 좌우방향으로 연장되도록 교환기(60)가 눕혀져서 설치되는 경우, 배출공기나 공급공기 중에 어느 하나는 교환기를 통과할 때 유동 방향이 급격하게 변경되어, 유동 저항을 크게 받게 된다. 배출공기나 공급공기가 유동 저항을 크게 받게 되면, 유속이 감소하게 되어 배출공기와 공급공기 사이의 열 또는 수분의 교환이 효과적으로 이루어지지 못하게 된다.If the exchanger 60 is not installed at an angle in the humidification space 13 as shown in FIG. 2, the exchanger 60 is installed upright so that the supply air tube 62 extends in the vertical direction, or the supply air tube 62 ) When the exchanger 60 is installed lying down so that it extends in the left and right directions, the flow direction of either the exhaust air or the supply air changes drastically when it passes through the exchanger, resulting in a large flow resistance. If the discharge air or supply air experiences a large flow resistance, the flow rate decreases, making it impossible to effectively exchange heat or moisture between the discharge air and supply air.

본 실시예에 따르면, 공급공기와 배출공기가 교환기(60)를 통과하며 유동될 때, 유동방향이 완만한 굴곡을 형성하게 되므로, 교환기(60)를 통과하면서 배출공기와 공급공기가 받는 유로 저항이 최소화되어, 배출공기와 공급공기가 공기밸브 장치의 내부에서 원활히 유통될 수 있다. According to this embodiment, when the supply air and discharge air flow through the exchanger 60, the flow direction forms a gentle curve, so the flow path resistance experienced by the discharge air and supply air while passing through the exchanger 60 This is minimized, allowing exhaust air and supply air to flow smoothly inside the air valve device.

상기 배출공기유로와 상기 공급공기튜브(62)를 통과하지 않고 상기 교환기(60)와 상기 서브바디(10b)의 사이 공간으로 공기가 유동되는 것을 방지하기 위해, 상기 교환기(60)와 상기 서브바디(10b)가 서로 연결되는 부분에 실링부(64)가 마련될 수 있다.In order to prevent air from flowing into the space between the exchanger 60 and the subbody 10b without passing through the discharge air flow path and the supply air tube 62, the exchanger 60 and the subbody 10b A sealing portion 64 may be provided at a portion where (10b) is connected to each other.

실링부(64)는 교환기(60)의 모서리들과 서브바디(10b)의 내측면의 사이에 개재될 수 있다. 실링부(64)는 교환기(60)와 서브바디(10b)가 서로 결합되는 부분의 밀봉을 위해 해당 부분에 형성될 수 있다.The sealing portion 64 may be interposed between the corners of the exchanger 60 and the inner surface of the subbody 10b. The sealing portion 64 may be formed at a portion where the exchanger 60 and the subbody 10b are coupled to each other to seal the portion.

실링부(64)는 배출공기나 공급공기와 접촉되더라도 변형되거나 물성이 변하면 안되므로, 이를 고려하여 종래의 실링을 위해 사용되는 다양한 물질 들 중에서 적절한 것을 이용할 수 있다. 예를 들면, 실링부(64)는 본드, 실리콘, 고무 등으로 형성될 수 있다.Since the sealing part 64 should not be deformed or change its physical properties even if it comes in contact with discharged air or supplied air, an appropriate one among various materials used for conventional sealing can be used in consideration of this. For example, the sealing portion 64 may be formed of bond, silicone, rubber, etc.

실링부(64)는 교환기(60)와 서브바디(10b)의 사이의 공간의 밀봉 기능을 수행하고, 이에 더해 교환기(60)와 서브바디(10b)를 서로 결합시키는 기능도 수행할 수 있다.The sealing unit 64 performs a function of sealing the space between the exchanger 60 and the subbody 10b, and may also perform a function of coupling the exchanger 60 and the subbody 10b to each other.

도 5는 도 1의 공기밸브 장치의 구성 중의 일부의 단면도이다. FIG. 5 is a cross-sectional view of part of the configuration of the air valve device of FIG. 1.

도 5는 설명의 편의를 위해, 교환기(60)가 생략된 공기밸브 장치의 단면도를 나타낸 것이다.Figure 5 shows a cross-sectional view of the air valve device with the exchanger 60 omitted for convenience of explanation.

공기밸브 장치는 밸브플랩(30)을 구동시키기 위해, 밸브모터(미도시)와 밸브샤프트(40)를 더 포함할 수 있다.The air valve device may further include a valve motor (not shown) and a valve shaft 40 to drive the valve flap 30.

밸브플랩(30)은 복수 개의 밸브플랩(30)을 포함할 수 있다.The valve flap 30 may include a plurality of valve flaps 30.

일 실시예에서, 공기밸브 장치는 상기 메인바디(10a)에 설치된 밸브모터, 상기 메인바디(10a)에 축회전이 가능하도록 설치되고 복수개의 밸브플랩(30)이 고정되게 결합된 밸브샤프트(40), 및 상기 밸브모터와 밸브샤프트(40)를 연결해서 밸브모터의 동력을 밸브샤프트(40)로 전달하는 밸브기어들(미도시)을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the air valve device includes a valve motor installed on the main body 10a, a valve shaft 40 installed on the main body 10a to enable shaft rotation, and a plurality of valve flaps 30 fixedly coupled to each other. ), and valve gears (not shown) that connect the valve motor and the valve shaft 40 to transmit the power of the valve motor to the valve shaft 40.

일 실시예에서, 상기 밸브샤프트(40)는 메인바디(10a)내에 설치되되 공기의 유동저항을 없애기 위해 제1 입구측 공기통로(11a)와 제1 출구측 공기통로(12a)의 밖에 위치하도록 설치될 수 있다. In one embodiment, the valve shaft 40 is installed in the main body 10a, but is located outside the first inlet air passage 11a and the first outlet air passage 12a to eliminate air flow resistance. Can be installed.

상기 밸브플랩(30)은 밸브샤프트(40)의 회전시에 메인바디(10a)에 형성되는 제1 입구측 공기통로(11a)와 제1 출구측 공기통로(12a)의 단부를 완전히 덮는 형태로 구비될 수 있다.The valve flap 30 is in a form that completely covers the ends of the first inlet air passage 11a and the first outlet air passage 12a formed in the main body 10a when the valve shaft 40 rotates. It can be provided.

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.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description will be provided by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Various implementations are possible within the scope of equivalency of the patent claims.

10 : 밸브바디
10a : 메인바디
10b : 서브바디
11a, 11b : 제1, 2 입구측 공기통로
12a, 12b : 제1, 2 출구측 공기통로
13 : 가습공간
30 : 밸브플랩
40 : 밸브샤프트
60 : 교환기
61 : 프레임
62 : 공급공기튜브
64 : 실링부
F1 : 공급공기의 유동
F2 : 배출공기의 유동
10: valve body
10a: main body
10b: subbody
11a, 11b: 1st and 2nd inlet air passages
12a, 12b: 1st and 2nd outlet air passages
13: Humidifying space
30: valve flap
40: valve shaft
60: exchanger
61: frame
62: Supply air tube
64: Sealing part
F1: Flow of supplied air
F2: Flow of discharged air

Claims (7)

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; 및
상기 공급공기보다 상대적으로 고온 다습한 상기 배출공기로부터 상기 공급공기로 열이나 수분이 제공되도록 하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 설치되는 교환기를 포함하고,
상기 교환기는, 상기 배출공기가 유동되는 배출공기유로와, 상기 배출공기유로를 가로질러 배치되고 상기 공급공기가 유동되는 공급공기튜브를 포함하고,
상기 밸브바디는, 상기 밸브플랩이 내부에 설치되는 메인바디와, 내부에 상기 교환기가 설치되는 직육면체 형상의 내부공간인 가습공간이 마련되는 서브바디를 포함하고,
상기 입구측 공기통로는, 상기 메인바디에 마련되는 제1 입구측 공기통로와, 상기 서브바디에 마련되는 제2 입구측 공기통로를 포함하고,
상기 출구측 공기통로는, 상기 메인바디에 마련되는 제1 출구측 공기통로와, 상기 서브바디에 마련되는 제2 출구측 공기통로를 포함하고,
상기 입구측 공기통로를 통한 상기 공급공기와 상기 출구측 공기통로를 통한 상기 배출공기의 전반적인 유동이 상하방향으로 이루어지도록, 상기 가습공간은 상측과 하측으로 개구되고,
상기 교환기는, 전체적으로 직육면체 형상이고,
상기 상하방향에 수직한 방향을 좌우방향이라고 할 때, 상기 배출공기유로가 상기 상하방향과 좌측방향의 사이의 방향으로 연장되고, 상기 공급공기튜브가 상기 상하방향과 우측방향의 사이의 방향으로 연장되도록, 상기 교환기는 상기 가습공간에 비스듬하게 설치되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
A valve body having an inlet air passage through which supply air supplied to the fuel cell stack flows and an outlet air passage through which exhaust air discharged from the fuel cell stack flows;
a valve flap rotatably installed inside the valve body to open and close the inlet air passage and the outlet air passage; and
An exchanger installed inside the valve body to provide heat or moisture from the discharge air, which is relatively hot and humid than the supply air, to the supply air,
The exchanger includes an exhaust air passage through which the discharge air flows, and a supply air tube disposed across the exhaust air passage and through which the supply air flows,
The valve body includes a main body in which the valve flap is installed, and a subbody in which a humidifying space, which is a rectangular parallelepiped-shaped internal space in which the exchanger is installed, is provided,
The inlet-side air passage includes a first inlet-side air passage provided in the main body and a second inlet-side air passage provided in the sub-body,
The outlet-side air passage includes a first outlet-side air passage provided in the main body and a second outlet-side air passage provided in the sub-body,
The humidifying space is opened at the top and bottom so that the overall flow of the supply air through the inlet air passage and the exhaust air through the outlet air passage is in an upward and downward direction,
The exchanger has an overall rectangular parallelepiped shape,
When the direction perpendicular to the up and down direction is referred to as the left and right direction, the discharge air flow path extends in a direction between the up and down directions and the left direction, and the supply air tube extends in a direction between the up and down directions and the right direction. Preferably, the exchanger is installed obliquely in the humidifying space.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 교환기는, 서로 마주보는 양측이 개구된 직육면체 형상의 프레임을 포함하여, 상기 프레임의 개구된 양측을 통해 배출공기가 유동되도록 마련되고,
상기 공급공기튜브의 일단 및 타단의 각각은, 상기 프레임의, 서로 마주보는 일측면과 타측면에 고정되어, 상기 공급공기가 상기 프레임의 일측면에서 타측면으로 유동되도록 마련되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
In claim 1,
The exchanger includes a rectangular parallelepiped frame with openings on both sides facing each other, and is provided so that exhaust air flows through the openings on both sides of the frame,
Each of the one end and the other end of the supply air tube is fixed to one side and the other side of the frame facing each other, and is provided to allow the supply air to flow from one side to the other side of the frame. Air valve device.
청구항 1에 있어서,
상기 배출공기유로와 상기 공급공기튜브를 통과하지 않고 상기 교환기와 상기 밸브바디의 사이 공간으로 공기가 유동되는 것을 방지하기 위해, 상기 교환기와 상기 밸브바디가 서로 연결되는 부분에 마련되는 실링부를 더 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
In claim 1,
In order to prevent air from flowing into the space between the exchanger and the valve body without passing through the discharge air flow path and the supply air tube, it further includes a sealing portion provided at a portion where the exchanger and the valve body are connected to each other. An air valve device for fuel cell systems.
청구항 1에 있어서,
상기 공급공기튜브는, 중공사막을 포함하여 구성되어, 상기 배출공기로부터 상기 공급공기로 수분의 유입이 허용되도록 마련되는, 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
In claim 1,
The supply air tube is configured to include a hollow fiber membrane and is provided to allow moisture to flow from the discharge air into the supply air.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 밸브바디에 설치된 밸브모터; 및
상기 밸브바디에 축회전이 가능하도록 설치되어 상기 밸브모터의 작동에 연동되고, 상기 밸브플랩이 고정되게 결합된 밸브샤프트를 더 포함하는 연료전지 시스템용 공기밸브 장치.
In claim 1,
A valve motor installed on the valve body; and
An air valve device for a fuel cell system further comprising a valve shaft that is installed on the valve body to enable shaft rotation, is linked to the operation of the valve motor, and is coupled to fix the valve flap.
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