KR20040038095A - 연료전지차량의 가스 공급장치 - Google Patents

연료전지차량의 가스 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지차량의 가스 공급장치에 관한 것으로, 가스 저장 탱크와 가스 공급 관로 사이에 설치되어 전동 모터에 의해 회전식으로 개폐되는 회전식 단속 밸브 및, 입력되는 제어신호에 따라 상기 회전식 단속 밸브의 전동 모터로 전류의 방향을 선택 절환하여 인가함으로써 상기 회전식 단속 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
이러한 본 발명에 따르면, 개폐를 절환할 때만 밸브로 동작 전류를 인가하므로 열화현상이 발생되지 않아 내구성이 향상되며 밸브 자체로부터 전류 방전 현상이 발생하는 사고를 방지할 수 있다.

Description

연료전지차량의 가스 공급장치 {Apparatus for supplying gas to fuel cell stacks in fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지차량의 가스 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열을 발생시키거나 전류 방전을 유발하지 않으며 내구성이 좋은 구조로 이루어진 밸브를 채용하여 가스 저장 탱크와 가스 공급 관로 사이에 가스를 단속하도록 구성된 연료전지차량의 가스 공급장치에 관한 것이다.
근래, 자동차 산업에 요구되는 장래기술의 하나로서, 지구 온난화, 석유자원 고갈 및 도심대기환경악화 등에 대처함은 물론 석유대체에너지의 이용이나 에너지절약의 강화, 즉 고효율화 및 저공해화를 실현 할 수 있는 차량의 개발이 절실히 요구되고 있다.
이러한 요구에 따라 차량의 연비를 기존 차량에 비해 크게 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 자동차에 대한 개발이 상당한 진척을 가져오고 있는데, 이러한 하이브리드 자동차는, 예를 들어 엔진과 전동 모터의 2개의 동력원을 갖고서 목적에 따라서, 각각을 가장 효율적으로 사용해 에너지절약과 저공해를 달성하려는 것이다.
이러한 하이브리드 차량 중 그 한 예는 연료전지를 이용하는 연료전지차량인데 이와 같은, 연료전지차량은 순수수소(통상,99%이상)를 연료로 사용하는 연료전지시스템을 이용한다.
이와 같이 연료전지차량에 채용되는 연료전지시스템은, 고압의 수소가 충전되어 있는 복수의 수소 저장 탱크와, 이 수소 저장 탱크에 충전되어 있는 수소 가스를 운반하는 수소 공급 관로와, 각 수소 저장 탱크와 수소 공급 관로의 사이에 설치되어 밸브의 개폐동작에 의해 가스를 단속하는 마그네틱 밸브와, 수소 공급 관로로부터 공급되는 수소 가스를 일정한 압력으로 감압하는 레귤레이터와, 이 레귤레이터에서 감압된 수소를 공급받아 이를 산소와 반응시켜 전력을 발생하는 연료전지와, 이 연료전지에 의해 발생된 전력에 의해 구동력을 발생하는 모터로 구성된다.
이와 같이 구성된 연료전지시스템은, 차량에 시동이 걸리지 않은 상태일 때 마그네틱 밸브가 오프되어 있어서 수소 저장 탱크에 충전된 수소 가스가 수소 공급 관로로 공급되지 않게 되나, 차량에 시동을 걸고자 이그니션 키를 온(on)하면 배터리로부터 마그네틱 밸브로 전류가 인가되어 마그네틱 밸브가 개방되고 수소 저장 탱크에 충전된 수소 가스가 수소 공급 관로로 공급된다.
그런데, 상기한 종래의 연료전지시스템에서 사용되는 마그네틱 밸브는, 그 구조적인 특성상 밸브의 개방 상태를 유지하기 위해 계속적으로 전류를 인가하여야 하고, 이러한 전류의 지속적인 인가에 의해 마그네틱 밸브에 열이 발생되어 쉽게 노후화되는 바, 내구성이 약한 문제점이 있었다.
또한, 상기와 같이 계속적으로 전류를 인가함으로 인해 마그네틱 밸브 자체에서 전류가 방전될 수 있는 가능성이 있고, 이 경우 수소는 인화성이 높은 물질이므로 폭발사고가 발생될 수 있는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로, 개폐를 절환할 때만 전류를 인가하도록 이루어진 밸브에 의해 가스 저장 탱크와 가스 공급관로 사이에 가스를 단속하도록 구성된 연료전지차량의 가스 공급장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지차량의 가스 공급장치에 대한 개략적인 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 회전식 단속 밸브의 분리 사시도,
도 3는 도 2의 AA방향에 대한 단면도로서 밸브가 개방된 상태를 나타낸 도면,
도 4는 도 2의 AA방향에 대한 단면도로서 밸브가 폐쇄된 상태를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 수소 저장 탱크 20: 수소 공급 관로
30: 충전구 40: 압력 게이지
50: 레귤레이터 60: 연료 전지
70: 모터 100: 회전식 단속 밸브
110: 전동 모터 120: 밸브부재
121: 유로 122: 체결공
130: 밸브몸체 131, 132: 포트
140: 스토퍼 구멍 150: 스토퍼부재
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 가스 공급장치는, 가스 저장 탱크와 가스 공급 관로 사이에 설치되어 전동 모터에 의해 회전식으로 개폐되는 회전식 단속 밸브 및, 입력되는 제어신호에 따라 상기 회전식 단속 밸브의 전동 모터로 전류의 방향을 선택 절환하여 인가함으로써 상기 회전식 단속 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 회전식 단속 밸브가, 상기 제어부로부터 인가되는 전류의 방향에 따라 정역 회전하는 전동 모터와, 상기 전동 모터의 회전축에 결합되어 회동 가능하게 되고 그 회동하는 방향과 수직 교차하는 방향으로 유로가 형성되어 있는 밸브부재와, 상기 밸브부재가 수용되어 회동할 수 있도록 되어 있고 양측으로 상기 밸브부재의 유로와 연통하는 한쌍의 포트가 구비되어 있는 밸브몸체와, 상기 밸브부재의 회전을 일정 각도 내로 제한하는 구속수단으로 구성되어 있는 것을 다른 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지차량의 가스 공급장치에 대한 개략적인 구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 연료전지차량의 가스 공급장치는, 복수의 수소 저장 탱크(10)와 수소 공급 관로(20)와 충전구(30)와 압력 게이지(40)와 레귤레이터(50)와 연료전지(60)와 모터(70)와 복수의 회전식 단속 밸브(100)와 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
상기 복수의 수소 저장 탱크(10)는, 고압(예컨대, 대략 350bar 정도)의 수소가 충전되어 있으며, 상기 수소 공급 관로(20)는 각 수소 저장 탱크(10)에 충전되어 있는 수소를 레귤레이터(50)로 운반한다.
상기 충전구(30)는 각 수소 저장 탱크(10)로 수소를 보충하기 위한 것으로 수소 공급 관로(20)의 일단에 구비되며, 상기 압력게이지(40)는 수소 공급 관로(20) 내의 가스 압력을 감지하여 표시한다.
상기 레귤레이터(50)는 수소 공급 관로(20)로부터 공급되는 수소 가스를 일정한 압력으로 감압(예컨대, 1~2 bar 정도)하고, 상기 연료전지(60)는 레귤레이터(50)에서 감압된 수소를 공급받아 이를 산소와 반응시켜 전력을 발생하며, 상기 모터(70)는 연료전지(60)에서 발생한 전력에 의해 구동력을 발생한다.
상기 회전식 단속 밸브(100)는, 각 수소 저장 탱크(10)와 수소 공급 관로(20)의 사이에 설치되어 제어부(200)의 제어에 따라 가스를 단속하는 것으로, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전동 모터(110)와 밸브부재(120)와 밸브몸체(130)를 포함하여 구성된다.
상기 전동 모터(110)는 제어부(200)로부터 인가되는 전류의 방향에 따라 정역 회전 구동하고, 상기 밸브부재(120)는 원통형으로서 전동 모터(110)의 회전축에 결합하여 전동 모터(110)에 연동하여 회전하도록 되어 있으며 그 회동하는 방향과수직 교차하는 방향으로 수소가 유통할 수 있는 유로(121)가 형성되어 있다.
상기 밸브몸체(130)는 밸브부재(120)가 수용되어 회동할 수 있도록 되어 있고 양측으로 밸브부재(120)의 유로(121)와 연통하고 수소 저장 탱크(10)와 수소 공급 관로(20)에 각각 연결되는 한쌍의 포트(131, 132)가 구비되어 있다.
여기서, 밸브몸체(130)의 일 측면에는, 밸브부재(120)가 회전하는 방향으로 일정 길이만큼 직선형태로 길게 스토퍼 구멍(140)이 형성되어 있는데, 이 스토퍼 구멍(140)을 통해 돌기형상의 스토퍼부재(150)가 삽입되어 밸브부재(120)에 측면에 체결 고정된다.
일예로, 스토퍼부재(150)와 밸브부재(120)의 체결 방법으로는, 스토퍼부재(150)의 일단을 핀 형태로 가공하여 밸브부재(120)에 형성된 체결공(122)에 삽입한 다음 용접 등의 방법으로 고정하거나, 스토퍼부재(150)의 일단을 볼트형태로 나사가공하고 체결공(122)의 내주면을 너트형태로 나사 가공하여 나사 결합에 의해 양자를 고정하도록 구성할 수도 있다.
상기 제어부(200)는, 차량의 시동조작을 위해 사용되는 이그니션 키로부터 입력되는 이그니션 키신호에 따라 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)로 이를 정회전 또는 역회전시키도록 전류의 방향을 절환하여 인가한다.
이제 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 초기 상태에서, 회전식 단속 밸브(100)는 폐쇄된 상태를 유지하게 되며, 운전자가 차량에 시동을 걸기 위해 이그니션 키를 온(on) 하면 이그니션 키로부터 그에 상응하는 키신호가 발생되어 제어부(200)로 입력된다.
이에 제어부(200)는 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)로 정방향의 전류를 인가하고, 제어부(200)로부터 정방향의 전류가 인가됨에 따라 전동 모터(110)는 정회전 동작한다.
이와 같이 전동 모터(110)가 정회전 동작함에 의해 전동 모터(110)의 회전축에 결합되어 있는 밸브부재(120)가 시계방향으로 회전한다.
이때, 밸브부재(120)의 측면에 결합되어 있는 스토퍼부재(150)로 인해 밸브부재(120)가 회전할 수 있는 각도는 스토퍼 구멍(140)의 범위 내로 구속되므로, 도 3에 도시된 바와 같은 상태에서 밸브부재(120)의 회전이 정지하게 되며, 밸브부재(120)에 형성된 유로(121)는 밸브몸체(130)의 한쌍의 포트(131, 132)와 연통한다.
이에 따라, 수소 저장 탱크(10)에 충전된 고압의 수소 가스가 유로(121)와 각 포트(131, 132)를 통해 수소 공급 관로(20)로 방출된다.
그리고, 제어부(200)로부터 회전식 단속 밸브(100)로 인가되는 전류가 차단되어, 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)가 정지한다.
참고적으로, 회전식 단속 밸브(100)의 개방동작을 위해 밸브부재(120)가 회전하는 각도는 대략 90。 이내의 범위인데, 통상적인 전동 모터들의 회전속도가 수천 rpm 이상인 점을 감안할 때, 밸브의 개방동작은 측정하기 어려울 정도의 짧은 시간에 이루어지므로, 제어부(200)로부터 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)로 전류가 인가되는 시간은 대략 수 msec 정도면 충분하다.
다음, 운전자가 차량에 시동을 끄기 위해 이그니션 키를 오프(off)시키면 이그니션 키로부터 그에 상응하는 키신호가 발생되어 제어부(200)로 입력된다.
이에 제어부(200)는 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)로 역방향의 전류를 인가하고, 제어부(200)로부터 역방향의 전류가 인가됨에 따라 전동 모터(110)는 역회전 동작한다.
이와 같이 전동 모터(110)가 역회전 동작함에 의해 전동 모터(110)의 회전축에 결합되어 있는 밸브부재(120)가 반시계방향으로 회전한다.
이때, 밸브부재(120)의 측면에 결합되어 있는 스토퍼부재(150)로 인해 밸브부재(120)가 회전할 수 있는 각도는 스토퍼 구멍(140)의 범위 내로 구속되므로, 도 4에 도시된 바와 같은 상태에서 밸브부재(120)의 회전이 정지하게 되며, 밸브부재(120)에 형성된 유로(121)는 밸브몸체(130)의 한쌍의 포트(131, 132)로부터 분리 폐쇄된다.
이에 따라, 수소 저장 탱크(10)로부터의 수소 가스 방출이 중단된다.
그리고, 제어부(200)로부터 회전식 단속 밸브(100)로 인가되는 전류가 차단되어, 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)가 정지한다.
참고적으로, 회전식 단속 밸브(100)의 폐쇄동작을 위해 밸브부재(120)가 회전하는 각도는 대략 90。 이내의 범위인데, 통상적인 전동 모터들의 회전속도가 수천 rpm 이상인 점을 감안할 때, 밸브의 개방동작은 측정하기 어려울 정도의 짧은 시간에 이루어지므로, 제어부(200)로부터 회전식 단속 밸브(100)의 전동 모터(110)로 전류가 인가되는 시간은 대략 수 msec 정도면 충분하다.
상기에서 본 발명은 특정 실시예를 예시하여 설명하지만 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명에 대한 다양한 변형, 수정을 용이하게 만들 수 있으며, 이러한 변형 또는 수정이 본 발명의 특징을 이용하는 한 본 발명의 범위에 포함된다는 것을 명심해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 가스 저장 탱크과 가스 공급 관로 사이에 가스를 단속하는 밸브로서 전동모터에 의해 개폐가 이루어지는 회전식 단속 밸브를 채용하였는 바, 개폐를 절환할 때만 밸브로 동작 전류를 인가하므로 열화현상이 발생되지 않아 내구성이 향상되며 밸브 자체로부터 전류 방전 현상이 발생하는 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 가스 저장 탱크에 충전되어 있는 가스를 가스 공급 관로를 통해 연료 전지로 공급하는 연료전지차량의 가스 공급장치,
    상기 가스 저장 탱크와 가스 공급 관로 사이에 설치되어 전동 모터에 의해 회전식으로 개폐되는 회전식 단속 밸브 및,
    입력되는 제어신호에 따라 상기 회전식 단속 밸브의 전동 모터로 전류의 방향을 선택 절환하여 인가함으로써 상기 회전식 단속 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가스 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전식 단속 밸브는,
    상기 제어부로부터 인가되는 전류의 방향에 따라 정역 회전하는 전동 모터와,
    상기 전동 모터의 회전축에 결합되어 회동 가능하게 되고 그 회동하는 방향과 수직 교차하는 방향으로 유로가 형성되어 있는 밸브부재와,
    상기 밸브부재가 수용되어 회동할 수 있도록 되어 있고 양측으로 상기 밸브부재의 유로와 연통하는 한쌍의 포트가 구비되어 있는 밸브몸체와,
    상기 밸브부재의 회전을 일정 각도 내로 제한하는 구속수단으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가스 공급장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 구속수단은, 상기 밸브몸체의 측면에 상기 밸브부재가 회전하는 방향으로 일정 길이만큼 직선형태로 길게 형성되어 있는 스토퍼 구멍과,
    일단이 상기 밸브부재의 측면에 결합 고정되고 타단이 상기 스토퍼 구멍으로 돌출되는 돌기형상의 스토퍼부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가스 공급장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부로 입력되는 제어신호는, 시동 조작을 위한 이그니션 키신호인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가스 공급장치.
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