KR102673298B1 - 연료전지 시스템용 공기밸브 장치 - Google Patents

연료전지 시스템용 공기밸브 장치 Download PDF

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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 설치된 밸브플랩과, 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다. 밸브바디와 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비된다. 제어부는, 코일과 전기적으로 연결되고, 밸브플랩이 이동시 코일을 지나는 자석의 자기선속이 변화됨에 따라 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 제어부의 제어에 의하지 않고 밸브플랩이 이동하여 입구측 공기통로와 출구측 공기통로가 개방되면 입구측 공기통로와 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 밸브플랩을 제어한다.

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 스택으로 유입되는 공급공기와 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기를 조절하기 위해, 종래의 연료전지 시스템에는 통상적으로 공기밸브장치가 마련된다.
공기밸브장치는 플랩타입과 로터리타입 등 다양한 타입이 있으며, 그 중에 플랩타입의 공기밸브장치가 밀폐력이 우수하므로 이를 연료전지 시스템에 이용하는 것을 고려해볼 수 있다.
플랩타입의 공기밸브장치에는 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로를 개폐하기 위한 밸브플랩이 마련되는데, 밸브플랩과 공기통로 사이의 밀폐력을 높이기 위해 밸브플랩에 고무 등의 탄성부재를 구비하기도 한다.
그런데, 차량이 장시간 방치되어 연료전지 시스템이 시동 오프(OFF)된 상태로 유지되면, 밸브플랩에 구비된 탄성부재의 탄성에 의해 밸브플랩이 공기통로로부터 밀려나며 기밀이 약해지고, 그 결과 연료전지 시스템의 시동이 오프(OFF)된 상태에서 공기가 연료전지 스택으로 유입되게 된다. 연료전지 스택의 시동이 꺼진 상태에서 연료전지 스택의 내부로 공기가 유입되면, 스택이 열화되거나, 이후 연료전지 스택의 시동이 켜졌을 때 초기에 과도한 전압이 생성되어 연료전지 시스템의 손상 가능성이 높아지는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 연료전지 시스템의 시동이 꺼진 상태에서도 제어부의 제어에 의하지 않고 밸브플랩이 개방되는 것을 감지하여, 밸브플랩이 폐쇄되도록 제어되는 공기밸브장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.
또한, 밸브플랩의 개방되는 것을 감지하기 위해 별도의 전원을 필요로 하지 않는 공기밸브장치를 제공하는 것에 목적이 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 공기밸브장치는, 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와; 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치된 밸브플랩과; 상기 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비된다.
상기 제어부는, 상기 코일과 전기적으로 연결된다.
상기 제어부는, 상기 밸브플랩이 이동시 상기 코일을 지나는 상기 자석의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 제어부의 제어에 의하지 않고 상기 밸브플랩이 이동하여 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로가 개방되면 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩을 제어한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 공기밸브장치는, 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디와; 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치된 밸브플랩과; 상기 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비되어, 상기 밸브플랩이 이동함에 따라 상기 자석에 의해 상기 코일에 생성되는 자기선속이 변화하며 유도전류가 생성되면, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하도록 상기 밸브플랩이 이동된다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
밸브바디와 밸브플랩 중에 일측에 구비되는 자석과 타측에 구비되고 상기 자석의 자기선속이 지나는 코일을 포함하여, 제어부가 상기 밸브플랩이 이동시 코일을 지나는 자석의 자기선속에 변화됨에 따라 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 제어부의 제어에 의하지 않고 밸브플랩이 이동하여 공기통로가 개방되면 공기통로를 폐쇄하기 위해 밸브프랩을 제어하도록 마련될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 공기밸브장치는 연료전지 시스템의 시동이 꺼진 상태에서도 제어부의 제어에 의하지 않고 밸브플랩이 개방되는 것을 감지하여, 밸브플랩이 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
또한, 자석과 코일에 의해 생성되는 유도전류를 이용해 밸브플랩의 개방을 감지함으로써, 밸브플랩의 개방되는 것을 감지하기 위해 별도의 전원을 필요로 하지 않는다.
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 공기밸브장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 공기밸브장치를 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 3은 도 1의 공기밸브장치의 정면도 및 단면도이다.
도 4는 도 1의 공기밸브장치의 내부사시도이다.
도 5는 도 1의 공기밸브장치의 구성 중의 일부의 사시도 및 확대도이다.
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 공기밸브장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 공기밸브장치를 다른 방향에서 바라본 사시도이고, 도 3은 도 1의 공기밸브장치의 정면도 및 단면도이고, 도 4는 도 1의 공기밸브장치의 내부사시도이고, 도 5는 도 1의 공기밸브장치의 구성 중의 일부의 사시도 및 확대도이다.
본 실시예에 따른 공기밸브장치는 밸브바디(10), 밸브플랩(30), 및 제어부(90)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 밸브바디(10)는 공기밸브장치의 외관을 형성하며, 하나 이상의 바디로 구성될 수 있다.
밸브바디(10)에는 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로(11)와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로(12)가 형성된다.
밸브바디(10)는 밸브플랩(30)이 설치되는 내부 공간을 마련할 수 있다.
도 3을 참조하면, 밸브플랩(30)은 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디(10)의 내부에 회동 가능하게 설치된다.
상기 밸브바디(10)와 상기 밸브플랩(30) 중에 일측에는 자석(32)이 구비되고, 타측에는 상기 자석(32)의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일(15)이 구비된다.
이하에서는 밸브플랩(30)에 자석(32)이 구비되고, 밸브바디(10)에 코일(15)이 구비되는 경우를 예로써 설명하기로 한다.
제어부(90)는 밸브플랩(30)의 개폐를 제어하기 위해 마련된다. 제어부(90)는 상기 코일(15)과 전기적으로 연결된다.
제어부(90)는, 상기 밸브플랩(30)이 이동시 상기 코일(15)을 지나는 상기 자석(32)의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일(15)에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 제어부(90)의 제어에 의하지 않고 상기 밸브플랩(30)이 이동하여 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)가 개방되면 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩(30)을 제어한다.
연료전지 스택으로 유입되는 공급공기와 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기를 조절하기 위해, 종래의 연료전지 시스템에는 통상적으로 공기밸브장치가 마련된다.
공기밸브장치는 플랩타입과 로터리타입 등 다양한 타입이 있으며, 그 중에 플랩타입의 공기밸브장치가 밀폐력이 우수하므로 이를 연료전지 시스템에 이용하는 것을 고려해볼 수 있다.
플랩타입의 공기밸브장치에는 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로를 개폐하기 위한 밸브플랩이 마련되는데, 밸브플랩과 공기통로 사이의 밀폐력을 높이기 위해 밸브플랩에 고무 등의 탄성부재를 구비하기도 한다.
그런데, 차량이 장시간 방치되어 연료전지 시스템이 시동 오프(OFF)된 상태로 유지되면, 밸브플랩에 구비된 탄성부재의 탄성에 의해 밸브플랩이 공기통로로부터 밀려나며 기밀이 약해지고, 그 결과 연료전지 시스템의 시동이 오프(OFF)된 상태에서 공기가 연료전지 스택으로 유입되게 된다. 연료전지 스택의 시동이 꺼진 상태에서 연료전지 스택의 내부로 공기가 유입되면, 스택이 열화되거나, 이후 연료전지 스택의 시동이 켜졌을 때 초기에 과도한 전압이 생성되어 연료전지 시스템의 손상 가능성이 높아지는 등의 문제점이 있다.
본 실시예에 따른 공기밸브장치는 연료전지 시스템의 시동이 꺼진 상태에서도 제어부의 제어에 의하지 않고 밸브플랩이 개방되는 것을 감지하여, 밸브플랩이 폐쇄되도록 제어하기 위한 것이다.
보다 구체적으로 본 실시예에 따른 공기밸브장치는, 상기 밸브바디(10)와 상기 밸브플랩(30) 중에 일측에 구비되는 자석(32)과, 타측에 구비되고 상기 자석(32)의 자기선속이 지나는 코일(15)을 포함하고, 제어부(90)가 상기 밸브플랩(30)이 이동시 상기 코일(15)을 지나는 상기 자석(32)의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일(15)에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 제어부(90)의 제어에 의하지 않고 상기 밸브플랩(30)이 이동하여 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)가 개방되면 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩(30)을 제어하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 공기밸브장치의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 공기밸브장치는 밸브플랩(30)을 구동시키기 위해, 밸브샤프트(40)와 밸브모터(50)를 더 포함할 수 있다.
밸브플랩(30)은 복수 개의 밸브플랩(30)을 포함할 수 있다. 밸브플랩(30)은 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)를 폐쇄할 때의 밀폐력을 높이기 위해, 상기 입구측 공기통로(11)와 상기 출구측 공기통로(12)와 맞닿게 되는 부분에 탄성부재(31)를 포함할 수 있다.
탄성부재(31)는 밸브플랩(30)의 플레이트 부분을 커버하도록 마련될 수 있다. 탄성부재(31)는 고무 등의 탄성체로 마련되어, 소정의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 공기밸브 장치는 밸브바디(10)에 설치된 밸브모터(50), 상기 밸브바디(10)에 축회전이 가능하도록 설치되고 복수 개의 밸브플랩(30)이 고정되게 결합된 밸브샤프트(40), 및 상기 밸브모터(50)와 밸브샤프트(40)를 연결해서 밸브모터의 동력을 밸브샤프트(40)로 전달하는 밸브기어들(41, 51)을 더 포함할 수 있다.
밸브기어들(41, 51)은 밸브샤프트(40)에 설치되는 밸브샤프트 기어(41)와, 밸브모터(50)에 설치되는 밸브모터 기어(51)를 포함할 수 있다. 밸브샤프트 기어(41)와 밸브모터 기어(51)가 서로 맞물리며, 밸브모터(50)의 구동력이 밸브기어들(41, 51)을 통해 밸브샤프트(40)로 전달되어 밸브샤프트(40)와 밸브플랩(30)이 회전될 수 있다.
일 실시예에서, 밸브샤프트 기어(41)는 세그먼트 기어로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 밸브모터 기어(51)는 피니언 기어로 마련될 수 있다.
밸브샤프트 기어(41)와 밸브모터 기어(51)는 서브바디(20)의 내부 공간에 설치될 수 있다.
상기 밸브샤프트 기어(41)와 상기 밸브모터 기어(51)는, 상기 밸브샤프트 기어(41)와 상기 밸브모터 기어(51)의 기어비 (밸브샤프트기어의 잇수)/(밸브모터기어의 잇수) 가 1 보다 크도록 마련될 수 있다.
이 경우, 기어비로 인해, 밸브모터(50)에 의해 밸브모터 기어(51)가 상대적으로 작은 토크로 밸브샤프트 기어(41)를 회전시킬 수 있는 반면, 반대로 밸브샤프트 기어(41)가 밸브모터 기어(51)를 회전시키기 위해서는 상대적으로 큰 토크가 필요하게 된다.
이에 따라, 공기의 압력이나 탄성부재(31)의 탄성 등에 의해 밸브플랩(30)이 개방되는 방향으로 힘이 작용하더라도, 밸브샤프트 기어(41)와 밸브모터 기어(51)가 서로 맞물려 있는 상태에서는 밸브플랩(30)이 개방되는 것이 억제될 수 있다.
또한, 밸브모터(50)가 오프(OFF)되어 있는 상태에서, 밸브모터(50)의 회전자(rotator)를 인위적으로 회전시키게 되면 고정자(stator)와 회전자 사이에 코깅 토크(cogging torque)가 발생되어 회전자의 회전이 억제되게 된다. 이와 같이 발생되는 코깅 토크에 의해 밸브플랩(30)의 개방이 억제될 수도 있다.
이를 통해, 공기밸브장치가 상기 연료전지 스택이 오프(OFF)된 상태에서 상기 밸브플랩(30)에 대한 제어를 수행하지 않는 슬립모드에 있을 때, 제어부(90)의 제어 없이 밸브플랩(30)이 개방되는 것이 억제될 수 있다.
그러나, 위와 같은 구조를 통해 공기밸브장치에 전원이 공급되지 않는 상태에서 밸브플랩(30)의 개방이 억제된다고 하더라도, 장시간 연료전지 시스템이 방치되게 되면 서서히 밸브플랩(30)이 개방될 수 있다. 본 발명은 이와 같이 밸브플랩(30)이 개방되는 것을 능동적으로 감지하여, 그에 대한 피드백 제어를 수행하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 상기 밸브샤프트(40)의 회전 마찰력을 저감시키기 위해 베어링(60)이 밸브바디(10)에 설치될 수 있다. 베어링(60)은 한 쌍의 베어링(60)을 포함할 수 있고, 한 쌍의 베어링(60)이 밸브샤프트(40)의 양쪽단에 각각 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밸브샤프트(40)와 밸브바디(10) 사이의 이격 공간으로 유체가 누설되는 것을 방지하기 위해 이너실(70)이 밸브바디(10)에 설치될 수 있다. 이너실(70)은 밸브샤프트(40)의 양측단에 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밸브샤프트(40)와 밸브모터(50)는 밸브바디(10) 내에 설치되되 공기의 유동저항을 없애기 위해 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(12)의 밖에 위치하도록 설치될 수 있다.
제어부(90)는 서브바디(20)의 내부 공간에 설치될 수 있다. 제어부(90)는 PCB를 포함하여 구성될 수 있다. 제어부(90)는 프로세서와 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 인스트럭션들을 저장하도록 구비될 수 있다. 프로세서는 이하에서 설명하는 과정들을 수행하기 위해, 인스트럭션들을 수행하도록 구비될 수 있다.
제어부(90)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(90)는 연료전지 스택이 오프(OFF)된 상태에서 밸브플랩(30)에 대한 제어를 수행하지 않는 슬립모드에 놓일 수 있다.
슬립모드에서는, 제어부(90)에 외부 전원이 인가되지 않거나, 또는 전원이 인가되더라도 밸브플랩(30)의 제어에 필요한 정도로 인가되지 않을 수 있다. 즉, 슬립모드에서는, 제어부(90)에 대기 전력만 인가될 수 있다.
제어부(90)는 슬립모드로 있는 중에 코일(15)에서 유도전류가 생성되면, 밸브플랩(30)에 대한 제어를 수행하는 웨이크업모드로 전환되어, 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(12)를 폐쇄하기 위해 밸브플랩(30)을 제어할 수 있다.
제어부(90)는 밸브플랩(30)에 대한 제어를 완료하면, 다시 슬립모드로 들어갈 수 있다.
이를 통해, 제어부(90)는 외부로부터 별도의 전원이 인가되지 않는 슬립모드 상태에서, 코일(15)에 생성되는 유도전류에 기초해 밸브플랩(30)의 개방을 감지할 수가 있다. 즉, 밸브플랩(30)의 개방 또는 밸브플랩(30)의 회전을 감지하기 위해 전원을 필요로 하는 별도의 장치(예를 들면, 밸브샤프트나 밸브플랩의 회전을 감지하는 센서 등)가 없이도, 자석(32)과 코일(15)에 의해 생성되는 유도전류를 이용해 제어부(90)가 밸브플랩(30)의 개방을 감지할 수 있게 된다.
또한, 제어부(90)는 유도전류가 생성되면 밸브플랩(30)의 제어를 위해, 전력을 소모하지 않는 모드(본 실시예에서 슬립모드라고 함)에서 전력을 소모하는 모드(본 실시예에서 웨이크업모드라고 함)로 전환되어, 밸브플랩(30)을 제어하여 입구측 공기통로(11)와 출구측 공기통로(12)를 폐쇄한다.
공기밸브장치는 밸브플랩(30)의 회전각도에 관한 정보를 획득하는 회전획득부(80)를 더 포함할 수 있다.
회전획득부(80)는 밸브샤프트(40)의 일단에 설치될 수 있다. 또는, 회전획득부(80)는 제어부(90)의 PCB 상에 설치될 수 있다.
제어부(90)는 회전획득부(80)로부터 획득한 회전각도에 관한 정보에 기초하여, 밸브플랩(30)이 완전히 폐쇄되었는지를 판단할 수 있다.
예를 들면, 제어부(90)는 획득한 회전각도에 관한 정보에 기초하여, 밸브플랩(30)이 완전히 폐쇄된 것으로 판단되면, 슬립모드로 진입할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 공기밸브장치는 상기 코일(15)에서 생성되는 전류를 증폭시켜서 상기 제어부(90)로 전달하기 위해 마련되는 증폭기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 자석(32)과 코일(15) 사이의 상대적으로 작은량의 전류를 제어부(90)의 제어신호에 적합한 크기로 증폭시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 자석(32)은 상기 밸브플랩(30)의, 상기 밸브샤프트(40)로부터 먼쪽 단부인, 말단부에 위치될 수 있다. 자석(32)은 밸브플랩(30)이 이동될 때 함께 이동하며 코일(15)을 통과하는 자기선속을 변화시키게 된다. 자석(32)이 밸브플랩(30)의 말단부에 위치하게 되면 밸브플랩(30)의 회전축인 밸브샤프트(40)로부터 멀리 위치하게 되어, 자석(32)이 밸브플랩(30)의, 밸브샤프트(40)와 인접한 부분에 위치할 때보다 밸브플랩(30)이 이동될 때 자석(32)의 이동거리가 크다. 이는, 회전각도가 일정할 때 회전반경이 클수록 이동거리가 긴 것과 같은 원리이다.
일 실시예에서, 자석(32)은 밸브플랩(30)의 플레이트 형상의 일측에 접합될 수 있다.
일 실시예에서, 자석(32)은 밸브플랩(30)의 플레이트 형상의 내부에 삽입될 수 있다.
이를 통해, 밸브플랩(30)의 이동시에 자석(32)에 의해 코일(15)에 생성되는 자기선속의 변화량이 최대가 될 수 있다.
코일(15)은 밸브바디(10)의 내부에 삽입되되, 자석(32)과 인접하여 위치될 수 있다.
일 실시예에서 코일(15)은 자석(32)과 인접하는 출구측 공기통로(12)의 내부에 삽입될 수 있다.
코일(15)이 자석(32)과 인접하게 배치됨으로써, 자석(32)의 이동에 따라 코일(15)에 생성되는 자기선속의 변화가 최대가 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에서 코일(15)은 상기 밸브플랩(30)이 개방됨에 따라 상기 자석(32)과 상기 코일(15) 사이의 간격이 멀어지도록 위치할 수 있다.
본 실시예와 같은 플랩타입의 공기밸브장치의 구조상, 상기 밸브플랩(30)이 개방됨에 따라 상기 자석(32)과 상기 코일(15) 사이의 간격이 멀어지도록 코일(15)을 위치시키는 것이 밸브플랩(30)에 설치된 자석(32)이 이동됨에 따라 코일(15)을 통과하는 자기선속의 변화를 크게 하는데 바람직할 수 있다.
이와 같이 자석(32)과 코일(15)이 마련됨으로써, 밸브플랩(30)의 개방시에 자석(32)에 의해 코일(15)의 내부에 생성되는 자긴선속의 변화가 최대가 되어, 제어부(90)가 밸브플랩(30)의 개방을 효과적으로 감지하여 밸브플랩(30)을 폐쇄시키는 제어를 수행할 수 있게 된다.
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
11 : 입구측 공기통로
12 : 출구측 공기통로
15 : 코일
20 : 서브바디
30 : 밸브플랩
31 : 탄성부재
32 : 자석
40 : 밸브샤프트
41 : 밸브샤프트 기어
50 : 벨브모터
51 : 밸브모터 기어
60 : 베어링
70 : 이너실
80 : 회전획득부
90 : 제어부

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 설치된 밸브플랩;
    상기 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부;
    상기 밸브바디에 설치된 밸브모터; 및
    상기 밸브바디에 축회전이 가능하도록 설치되어 상기 밸브모터의 작동에 연동되고, 상기 밸브플랩과 결합되는 밸브샤프트를 포함하고,
    상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비되고,
    상기 제어부는,
    상기 코일과 전기적으로 연결되고,
    상기 제어부의 제어에 의하지 않고 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로가 개방되는 방향으로 상기 밸브플랩이 이동할 시, 상기 코일을 지나는 상기 자석의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩을 제어하고,
    상기 자석은, 상기 밸브플랩의, 상기 밸브샤프트로부터 먼쪽 단부인, 말단부에 위치하는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일은, 상기 밸브바디의 내부에 삽입되되, 상기 자석과 인접하여 위치하는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 코일은, 상기 밸브플랩이 개방됨에 따라 상기 자석과 상기 코일 사이의 간격이 멀어지도록 위치하는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  5. 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 설치된 밸브플랩;
    상기 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부;
    상기 밸브바디에 설치된 밸브모터; 및
    상기 밸브바디에 축회전이 가능하도록 설치되어 상기 밸브모터의 작동에 연동되고, 상기 밸브플랩과 결합되는 밸브샤프트를 포함하고,
    상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비되고,
    상기 제어부는,
    상기 코일과 전기적으로 연결되고,
    상기 제어부의 제어에 의하지 않고 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로가 개방되는 방향으로 상기 밸브플랩이 이동할 시, 상기 코일을 지나는 상기 자석의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩을 제어하고,
    상기 밸브샤프트에는 밸브샤프트 기어가 구비되고, 상기 밸브모터의 모터샤프트에는 밸브모터 기어가 구비되어, 상기 밸브샤프트 기어와 상기 밸브모터 기어가 서로 맞물리고,
    상기 밸브샤프트 기어와 상기 밸브모터 기어는, 상기 밸브샤프트 기어와 상기 밸브모터 기어의 기어비 (밸브샤프트기어의 잇수)/(밸브모터기어의 잇수) 가 1 보다 크도록 마련되는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브플랩은,
    상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄할 때의 밀폐력을 높이기 위해, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로와 맞닿게 되는 부분에 탄성부재를 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  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 설치된 밸브플랩; 및
    상기 밸브플랩의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비되고,
    상기 제어부는,
    상기 코일과 전기적으로 연결되고,
    상기 제어부의 제어에 의하지 않고 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로가 개방되는 방향으로 상기 밸브플랩이 이동할 시, 상기 코일을 지나는 상기 자석의 자기선속이 변화됨에 따라 상기 코일에서 생성되는 유도전류에 기초하여, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩을 제어하고,
    상기 연료전지 스택이 오프(OFF)된 상태에서 상기 밸브플랩에 대한 제어를 수행하지 않는 상기 제어부의 모드를 슬립모드라고 할 때,
    상기 제어부는,
    상기 슬립모드로 있는 중에 상기 코일에서 유도전류가 생성되면, 상기 밸브플랩에 대한 제어를 수행하는 웨이크업모드로 전환되어, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하기 위해 상기 밸브플랩을 제어하고,
    상기 밸브플랩에 대한 제어를 완료하면, 다시 상기 슬립모드로 들어가는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 밸브바디의 내부에 축회전 가능하게 설치된 상기 밸브플랩의 회전각도에 관한 정보를 획득하는 회전획득부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 회전획득부로부터 제공받은 정보에 기초하여, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로가 폐쇄되도록 상기 밸브플랩이 소정의 위치까지 회전한 것으로 판단되면, 상기 밸브플랩에 대한 제어를 완료한 것으로 판단하여 상기 슬립모드로 들어가는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일에서 생성되는 전류를 증폭시켜서 상기 제어부로 전달하기 위해 마련되는 증폭기를 더 포함하는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
  10. 연료전지 스택으로 공급되는 공급공기가 유동되는 입구측 공기통로와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기가 유동되는 출구측 공기통로가 형성된 밸브바디; 및
    상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 개폐하기 위해, 상기 밸브바디의 내부에 회동 가능하게 설치된 밸브플랩을 포함하고,
    상기 밸브바디와 상기 밸브플랩 중에 일측에는 자석이 구비되고, 타측에는 상기 자석의 자기선속(magnetic flux)이 지나는 코일이 구비되어,
    상기 밸브플랩이 이동함에 따라 상기 자석에 의해 상기 코일에 생성되는 자기선속이 변화하며 유도전류가 생성되면, 상기 입구측 공기통로와 상기 출구측 공기통로를 폐쇄하도록 상기 밸브플랩이 이동되는, 연료전지 시스템용 공기밸브장치.
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