KR102670016B1 - 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치 - Google Patents

연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치(1)에 관한 것으로, 상기 탱크 장치(1)는 2개 이상의 탱크 용기(2) 및 이들 탱크 용기(2)와 연결될 수 있는 공급 라인(3)을 포함한다. 각각의 탱크 용기(2)는 하나 이상의 압력 제어형 오버플로 밸브(5)를 포함하며, 이 오버플로 밸브(5)는 각각의 탱크 용기(2)와 공급 라인(3) 사이에 배치된다. 또한, 공급 라인(3) 내에는 중앙 차단 밸브(8)가 배치된다.

Description

연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치
본 발명은, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한, 특히 예를 들어 연료 전지 구동 장치를 구비한 차량에 사용하기 위해, 수소를 저장하기 위한 탱크 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 천연가스 기반의(CNG: Compressed natural gas) 연소 기관을 구비한 차량에도 사용될 수 있다.
미공개 출원 DE 10 2018 201 055 A1호는, 예를 들어 700바아 이하의 비교적 높은 내부 압력하에서 가스 형태의 연료, 특히 수소, 메탄 또는 천연가스의 저장을 가능하게 하는 2개 이상의 저장 유닛을 갖는 가스 저장 시스템을 기술한다. 이와 같은 저장 시스템에서는, 저장 유닛이 제어 밸브를 각각 하나씩 구비하고, 이 제어 밸브에 의해서 저장 유닛이 켜지거나 꺼질 수 있다. 저장 유닛들은 라인 시스템을 통해 서로 그리고 출력 라인과 연결되어 있다. 이때, 출력 라인은 예를 들어 연료 전지 유닛 또는 연소 기관과 같은 에너지 소비 유닛과 연결되어 있다.
DE 10 2018 201 055 A1호에서와 같은 저장 유닛을 위한 안전 장치들은 규격화되어 있다. 이 경우, 각각의 저장 유닛은 자동으로 차단 가능한 오버플로 밸브 및 퓨즈 밸브를 구비해야 한다. 이로써, 예를 들어 가스 저장 시스템에서 사고가 발생하거나 라인이 파손되는 경우, 오버플로 밸브가 저장 유닛을 폐쇄할 수 있음으로써, 저장 유닛으로부터 가스가 전혀 방출될 수 없게 된다. 또한, 퓨즈 밸브는 반드시, 예를 들어 화재 시 또는 온도가 미리 정해진 임계값을 초과해서 상승하는 경우, 저장 유닛 또는 심지어 전체 가스 저장 시스템의 폭발을 예방하기 위해, 예를 들어 수소가 저장 유닛 밖으로 빠져나갈 수 있도록 해야 한다.
이와 같은 안전 예방 조치를 위해서는 다수의 밸브가 필요하며, 이로 인해 전체 가스 저장 시스템의 복잡성 및 비용이 증대된다.
그에 비해, 청구항 1의 특징부의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 탱크 장치는, 비용 효율적이고 공간 최적화된 방식으로 탱크 장치의 기능을 개선하기 위해, 모든 안전 조치가 보장되는 동시에 간단하고도 효율적인 방식으로 밸브 수가 감소하는 장점이 있다.
이를 위해, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치가 2개 이상의 탱크 용기 및 이들 탱크 용기와 연결될 수 있는 공급 라인을 포함한다. 이 경우, 각각의 탱크 용기는 하나 이상의 압력 제어형 오버플로 밸브를 포함하며, 이 오버플로 밸브는 각각의 탱크 용기와 공급 라인 사이에 배치된다. 더 나아가, 공급 라인 내에 중앙 차단 밸브가 배치된다.
이렇게 해서, 간단하고도 비용 효율적인 방식으로 탱크 장치의 효율이 최적화될 수 있고, 탱크 장치의 안전성이 증대될 수 있다.
바람직한 제1 개선예에서는, 중앙 차단 밸브가 자기 차단 밸브로서 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 바람직하게, 탱크 장치가 탱크 용기들과 연결될 수 있는 밸브 라인을 포함하고, 이 밸브 라인 내에 중앙 퓨즈 밸브가 배치된다. 더 바람직하게는, 개별 탱크 용기와 밸브 라인 사이에 또 다른 압력 제어형 오버플로 밸브가 각각 하나씩 배치된다. 이렇게 해서, 비용 효과적인 방식으로 전체 탱크 장치의 효율 증대가 달성된다.
바람직한 개선예에서, 탱크 장치는 종방향 연결부들 및 하나의 횡방향 연결부를 갖는 제어 라인을 포함하며, 이 경우 종방향 연결부들은 탱크 용기에 배치되고, 횡방향 연결부를 통해 서로 연결되어 있다. 바람직한 방식으로, 제어 라인은 제1 라인 섹션 및 제2 라인 섹션을 구비하며, 상기 제1 라인 섹션은 제1 체크 밸브를 통해 공급 라인과 연결될 수 있다. 이렇게 해서, 제어 라인은 제1 라인 섹션을 통해 예를 들어 수소와 같은 가스로 채워질 수 있다. 바람직하게는, 제2 라인 섹션이 제2 체크 밸브를 통해 공급 라인과 배출 라인 사이의 연결부를 개방하거나 폐쇄하는 구성이 제안된다. 따라서, 예를 들어 탱크 용기 외부에서 화재가 발생하는 경우, 제어 라인을 사용해서 개별 탱크 용기를 간단하고 효율적인 방식으로 비울 수 있다.
바람직한 용례들에서, 탱크 장치는 차량 내에 배치된다. 이 경우, 제어 라인의 종방향 연결부들이 차량 내에서 탱크 용기의 하부에 배치된다. 이로써, 예를 들어 차량 바닥으로부터 유발되는 화재의 경우, 탱크 용기의 폭발 가능성을 예방하기 위해, 온도 상승 및 이로 인한 제어 라인 내 압력 상승에 의해 수소가 즉시 탱크 용기 외부로 안내될 수 있다.
도면부에는, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 본 발명에 따른 탱크 장치의 실시예들이 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탱크 장치의 제1 실시예의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탱크 장치의 제2 실시예의 평면도이다.
도 1 에는, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 본 발명에 따른 탱크 장치의 제1 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 탱크 장치(1)는, 본 실시예에서 수소로 채워진 복수의 탱크 용기(2)를 구비한다. 또한, 각각의 탱크 용기(2)는 제1 단부(22)에서 분기(26)를 통해 공급 라인(3)과 연결되어 있으며, 이 공급 라인(3)의 분기(26) 내에 오버플로 밸브(5)가 배치되어 있다. 오버플로 밸브(5)는 정상 작동 상태에서 개방되어 있음으로써, 수소가 탱크 용기(2)로부터 공급 라인(3) 내로 방출될 수 있다.
공급 라인(3) 내에는 그 밖에도, 본 실시예에서 자기 차단 밸브로서 구성된 중앙 차단 밸브(8)가 배치되어 있다. 이로써, 차단 밸브(8)는 전자석의 도움으로 모든 탱크 용기(2)로부터 소비 장치로의, 본 실시예에서는 연료 전지 어셈블리 쪽으로의 수소 공급을 중앙에서 제어한다. 제어에 따라, 탱크 용기(2) 방향으로의 수소 흐름도 유발될 수 있다.
또한, 각각의 탱크 용기(2)는 또 다른 단부(24)에서 밸브 라인(6)과 연결되어 있으며, 각각의 개별 탱크 용기(2)와 밸브 라인(6) 사이에 추가 오버플로 밸브(50)가 배치되어 있다. 정상 작동 상태에서는, 이 추가 오버플로 밸브(50)도 개방되어 있음으로써, 탱크 용기(2)의 내부와 밸브 라인(6) 사이의 연결부가 개방된다. 밸브 라인(6) 내에는 중앙 퓨즈 밸브(10)가 배치되어 있다. 퓨즈 밸브(10)는 평상 시에는 닫혀 있고, 화재 발생 시에만 또는 예를 들어 105℃의 미리 정해진 온도 임계값을 초과하는 경우에만 개방됨으로써, 수소가 탱크 용기(2)로부터 밸브 라인(6)을 통해 배출될 수 있으며, 지나치게 높은 압력으로 인한 탱크 용기(2)의 폭발 가능성이 억제된다.
오버플로 밸브(5, 50)가 탱크 용기(2)의 단부들(22, 24)에 각각 배치됨에 따라, 탱크 장치(1)의 사고 발생 시 또는 제1 라인(3) 및/또는 밸브 라인(6)의 파손 시 오버플로 밸브(5, 50)가 닫혀서 수소가 탱크 용기(2)로부터 배출될 수 없게 된다.
도 2 에는, 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 본 발명에 따른 탱크 장치의 제2 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 동일한 기능을 갖는 부품은 도 1 에서와 동일한 참조 번호로 표시하였다. 본 실시예에서, 탱크 장치(1)는 마찬가지로 수소로 채워진 복수의 탱크 용기(2)를 구비하며, 이들 탱크 용기는 일 단부(22)에 의해 오버플로 밸브(5)를 통해 분기(26)를 이용해서 공급 라인(3)과 연결되어 있다. 오버플로 밸브(5)는 정상 작동 시 탱크 용기(2) 내부와 공급 라인(3) 사이의 연결을 허용한다. 제1 실시예에서도 그렇듯이, 공급 라인(3) 내에는 자기 차단 밸브로서 구성된 중앙 차단 밸브(8)가 배치되어 있으며, 이 중앙 차단 밸브를 통해 탱크 용기(2)로의 수소 유입과 마찬가지로, 탱크 용기(2)로부터 연료 전지 어셈블리 쪽으로의 수소 방출도 제어될 수 있다. 오직 탱크 장치(1)에서 사고가 발생하거나 공급 라인(3)이 파손되는 경우에만 오버플로 밸브(5)가 닫힘으로써, 수소가 탱크 용기(2)로부터 배출될 수 없게 된다.
본 실시예에서는, 탱크 용기(2)의 타측 단부(24)가 폐쇄되어 있고, 추가 오버플로 밸브(50)는 생략되어 있다. 본 실시예에서, 탱크 장치(1)는 제어 라인(4)을 구비하며, 이 제어 라인은 예를 들어 1㎜의 직경을 갖는 얇은 원통형 라인으로서 구성되어 있다. 제어 라인(4)은, 서로에 대해 90도의 각도를 갖는 종방향 연결부들(28) 및 하나의 횡방향 연결부(30)를 구비하며, 이 경우 횡방향 연결부(30)가 종방향 연결부들(28)을 서로 연결한다. 종방향 연결부들(28)은 탱크 용기(2) 상에서 탱크 용기(2)의 길이(I)를 따라 연장된다. 이 경우, 종방향 연결부(28)와 횡방향 연결부(30)는 대안적으로 서로에 대해 다른 각도를 가질 수 있다.
또한, 제어 라인(4)은, 횡방향 연결부(30)와 연결되어 있고 볼 체크 밸브(ball check valve) 형상의 제1 체크 밸브(14)에 의해 공급 라인(3)과 연결될 수 있는 제1 라인 섹션(40)을 구비한다. 따라서, 제어 라인(4)은 제1 라인 섹션(40)을 통해 공급 라인(3)으로부터 도달하는 수소로 채워질 수 있다.
제어 라인(4)은 또한, 종방향 연결부(28)와 연결된 제2 라인 섹션(400)을 구비한다. 제2 라인 섹션(400) 내에는 볼 체크 밸브 형상의 제2 체크 밸브(16)가 배치되어 있다. 제2 체크 밸브(16)는 제어 라인(4) 내의 압력 조건에 따라 공급 라인(3)과 배출 라인(20) 사이의 연결부를 개방하거나 차단한다.
예를 들어 화재로 인한 탱크 용기(2) 근처에서의 온도 상승이, 탱크 용기(2)로의 제어 라인(4)의 종방향 연결부들(28) 내에서 제어 라인(4)의 압력 상승을 야기함으로써, 미리 정해진 압력 임계값을 초과하는 경우에는 제2 체크 밸브(16)가 개방되어 공급 라인(3)과 배출 라인(20) 사이의 연결을 릴리스한다. 이로써, 탱크 용기(2) 내의 과잉 압력은 배출 라인(20)을 통해 감소할 수 있고, 수소는 탱크 용기(2) 밖으로 안내될 수 있다.
제2 실시예에서는 제어 라인의 도입으로 인해, 안전에 필요한 밸브 수의 감소가 심지어 더욱 심화될 수 있다.
실시예들에 도시된 본 발명에 따른 탱크 장치(1)는 예를 들어 천연가스 기반의(CNG: Compressed natural gas) 연소 기관을 갖춘 차량을 위한 탱크 장치에도 사용될 수 있으며, 연료 전지에 의해 작동되는 차량에 사용하기 위한 탱크 장치로 한정되지 않는다.
제어 라인(4)의 종방향 연결부들(28)은, 예를 들어 차량 바닥으로부터 야기되는 화재의 경우에, 효과적인 방식으로 온도 상승에 의해서 그리고 이로 인한 제어 라인(4) 내 압력 상승에 의해서 수소를 즉시 탱크 용기(2) 밖으로 안내할 수 있도록 하기 위해, 차량 내에서 바람직하게 탱크 용기(2) 아래에 설치된다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 탱크의 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치(1)로서, 이 탱크 장치(1)가 2개 이상의 탱크 용기(2) 및 이들 탱크 용기(2)와 연결될 수 있는 공급 라인(3)을 포함하고, 각각의 탱크 용기(2)가 하나 이상의 압력 제어형 오버플로 밸브(5)를 포함하며, 이 오버플로 밸브(5)가 각각의 탱크 용기(2)와 공급 라인(3) 사이에 배치되며, 공급 라인(3) 내에 중앙 차단 밸브(8)가 배치되고,
    탱크 장치(1)가 종방향 연결부들(28) 및 하나의 횡방향 연결부(30)를 갖는 제어 라인(4)을 포함하며, 상기 종방향 연결부들(28)은 탱크 용기들(2)에 배치되고 횡방향 연결부(30)를 통해 서로 연결되고, 제어 라인(4)이 제1 라인 섹션(40) 및 제2 라인 섹션(400)을 구비하며, 상기 제1 라인 섹션(40)은 제1 체크 밸브(14)를 통해 공급 라인(3)과 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 중앙 차단 밸브(8)가 자기 차단 밸브로서 구성되는 것을 특징으로 하는, 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 라인 섹션(400)이 제2 체크 밸브(16)를 통해 공급 라인(3)과 배출 라인(20) 사이의 연결부를 개방하거나 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 온도감응식 압력 경감을 위한 탱크 장치(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 따른 탱크 장치(1)를 구비한 차량에 있어서,
    제어 라인(4)의 종방향 연결부들(28)이 차량 내에서 탱크 용기(2)의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 차량.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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