KR20090009343A - 연료전지 차량용 워터트랩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 연료전지 스택으로부터 연장된 애노드 출구라인을 직접 워터트랩의 내부를 관통하는 구조로 개선하는 동시에 애노드 출구라인에 워터트랩의 바닥쪽으로 연장되는 작은 직경의 냉각수 배출파이프를 일체로 형성함으로써, 베르누이 원리에 의하여 애노드 출구라인내의 수소가 워터트랩 출구밸브로 배출될 때, 워터트랩내의 냉각수도 냉각수 배출파이프를 따라 워터트랩 출구밸브로 동시 배출될 수 있도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공하고자 한 것이다.

연료전지, 워터트랩, 애노드 출구라인, 수소, 냉각수, 냉각수 배출파이프, 워터트랩 출구밸브

Description

연료전지 차량용 워터트랩 장치{Water trap device of fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로부터 잔여수소 및 워터트랩내에 모인 잔여 냉각수를 동시에 배출시킬 수 있는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것이다.

연료전지 차량에 적용되고 있는 연료전지 스택은 가장 안쪽에 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하며, 이 전극막은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학반응으로 이온화가 이루어 져서, 수소쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화반응을 하고, 산소쪽은 산소이온이 수소이온과 반응하여 물이 생성되는 환원반응을 한다.

즉, 수소가 애노드(Anode "산화전극" 이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 분리판(Separator)을 통하여 캐소드로 전달된다.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 캐소드로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

한편, 수소이온을 캐소드로 공급된 산소쪽으로 이동시켜주는 절연체가 젖어 있는 상태가 아니고 마른 상태이면 수소이온의 원활한 흐름이 이루어지지 않게 되므로, 산소쪽에서 생성되는 물 이외에 보다 많은 수분 즉, 가습을 위한 이온이 존재하지 않는 물이 필요하다.

따라서, 연료전지 스택에는 냉각과 가습을 위한 냉각수가 흐르게 되는데, 이 냉각과 가습을 시켜주는 냉각수는 연료전지 스택으로 공급되는 가스(수소, 공기)에 물부족 현상이 일어나지 않을 정도의 밸런스(Balance)를 유지시켜준다.

일반적으로, 물부족 현상이 일어나면 연료전지의 성능 및 열화에 영향을 주기 때문에 항상 연료전지 스택 외부로 나가는 물의 양은 남게 설계되어 있다.

이에, 잔여 냉각수는 워터트랩으로 모아지고, 그 모아진 양이 적정치 이상이 면 외부로 자동 배출되며, 잔여 냉각수의 배출이 원활하지 못하면 가습 밸런스에 영향을 주어 결국 연료전지 스택의 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다.

한편, 수소연료는 수소탱크에서 공급된 수소와, 연료전지 스택에서 반응이 이루어진 후에 애노드 출구라인으로 배출되는 미반응 수소가 혼합되어 연료전지 스택의 수소 입구단으로 공급된다.

그러나, 애노드 출구라인으로부터 배출된 수소를 계속해서 재순환시키면 수소 농도가 떨어지게 되므로, 미리 설정된 제어로직에 따라 수소를 재순환시키지 않고 수소 벤트밸브 및 소음기를 통하여 외부로 배출시키기도 한다.

여기서, 기존의 워터트랩 구조 및 이를 이용한 잔여 냉각수의 배출 작동을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 기존의 워터트랩 및 그 연결라인을 나타내는 개략도이다.

연료전지 스택(100)의 공용분배기에 내설된 애노드 출구라인(10: 수소배출라인)에는 수소벤트밸브(40) 및 소음기(50)가 차례로 연결되고, 또한 연료전지 스택의 공용분배기의 냉각수 출구라인(30)에는 워터트랩(20)이 연결된다.

또한, 상기 워터트랩(20)의 상단과 상기 애노드 출구라인(10)간에는 수소에 포함된 수분 액적들이 워터트랩(20)으로 배출되도록 한 별도의 수분제거라인(60)이 연결된다.

기존의 워터트랩은 상하부분에 각각 제1 및 제2 레벨센서(70a,70b)가 장착되고, 하단부에는 워터트랩 출구밸브(80)가 장착되어 있다.

따라서, 제1레벨센서(70a)에서 냉각수 수위를 높게 감지하면, 출구밸브(80)가 열려서 물이 배출되고, 제2레벨센서(70b)에서 냉각수 수위를 낮게 감지하면, 출구밸브(80)를 닫게 된다.

이렇게 워터트랩(20)의 내부에 제2레벨센서(70b)에서 감지할 수 있을 정도의 냉각수를 남겨두는 이유는, 냉각수가 워터트랩(20)에 일정량 남도록 하여 상기 애노드 출구라인(10)을 통해 배출되는 수소가 수소벤트밸브(40)를 통하여 소음기(50)쪽으로 배출되지 않고, 수분제거라인(60: 애노드 출구라인내의 수소에 함유된 냉각수분 제거를 위한 배관)을 통하여 워터트랩쪽으로 배출되는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같은 기존의 워터트랩 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 레벨센서의 오작동 및 고장으로 인하여 워터트랩에 남은 냉각수가 제거되지 않아, 연료전지 스택의 성능을 저하시킬 수 있다.

2) 애노드 출구라인을 통하여 배출되는 수소는 상압보다 높아서 배출소음을 줄이기 위한 소음기, 2개의 레벨 센서, 애노드 출구라인과 워터트랩을 연결하는 수분제거라인 등이 필요하여 제작 비용이 많이 드는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 애노드 출구라인을 직접 워터트랩의 내부를 관통하는 구조로 개선하는 동시에 애노드 출구라인에는 워터트랩의 바닥쪽으로 연장되는 작은 직경의 냉각수 배출파이프를 일체로 형성하여, 베르누이 원리에 의하여 애노드 출구라인내의 수소가 워터트랩 출구밸브로 배출될 때, 워터트랩내의 냉각수도 냉각수 배출파이프를 따라 워터트랩 출구밸브로 동시 배출될 수 있도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 수소 배출 유속과 워터트랩내의 압력을 이용하는 수단에 의하여, 연료전지 스택으로부터 배출되는 수소와, 워터트랩내의 냉각수를 동시에 배출시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 수소 배출 유속과 워터트랩내의 압력을 이용하는 수단은: 연료전지 스택으로부터 연장되어 그 말단부가 상기 워터트랩의 상단 내부를 관통하는 애노드 출구라인과; 상기 워터트랩을 관통하여 나온 애노드 출구라인의 끝단에 연결되는 워터트랩 출구밸브와; 상기 연료전지 스택으로부터 연장되어 그 말단부가 워터트랩의 상단부에 연결되는 냉각수 출구라인과; 상기 워터트랩의 내부에서, 애노드 출구라인으로부터 워터트랩의 바닥쪽으로 연장된 냉각수 배출파 이프; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 냉각수 배출파이프의 직경은 상기 애노드 출구라인의 직경보다 작게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

1) 애노드 출구라인을 워터트랩을 지나 워터트랩 출구밸브에 연결하고, 애노드 출구라인에 워터트랩 바닥으로 연장되는 냉각수 배출파이프를 일체로 형성하여, 수소와 냉각수를 동시에 배출시킬 수 있도록 함으로써, 기존에 냉각수 배출을 위한 레벨센서, 수소 배출을 위한 벤트밸브 및 소음기, 수분제거라인 등의 부품이 배제되어, 원가절감을 크게 얻을 수 있다.

2) 수소 배출시 냉각수가 희석 혼용되어 배출됨에 따라, 냉각수가 수소 배출소음을 흡수하여, 별도의 소음기 없이도 배출소음을 낮출 수 있다.

3) 워터트랩내에 남아 있는 냉각수가 매우 적어서, 냉시동시에 열선을 이용한 냉각수(얼음)해동에도 적은 열 부하만을 요구하거나, 추가의 해동을 위한 열선이 필요없어, 원가절감을 더욱 실현할 수 있다.

4) 기존의 레벨센서가 필요없기 때문에, 레벨센서의 오작동으로 인한 냉각수 미제거로 연료전지 스택 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 나타내는 개략도이다.

연료전지용 공용분배기는 연료전지 스택 모듈에 연료전지 반응에 필요한 수소와 공기(산소)를 분배 공급하는 역할을 하며, 그 내부에는 수소 및 공기의 공급 및 배출라인이 배치되어 있으며, 그 중 하나가 애노드 출구라인이다.

상기 애노드 출구라인(10)은 연료전지 스택(100)에서 반응을 마친 수소가 배출되는 라인으로서, 이 애노드 출구라인(10)을 통해 배출되는 미반응 수소는 재순환되거나, 수소 농도가 떨어진 경우 그대로 외기로 배출된다.

전술한 바와 같이, 기존에는 애노드 출구라인(10: 수소배출라인)에 수소벤트밸브(40) 및 소음기(50)가 차례로 연결되었지만, 본 발명에서는 수소벤트밸브(40) 및 소음기(50)를 배제하고, 직접 애노드 출구라인(10)을 워터트랩(20)을 관통시켜서 워터트랩 출구밸브(80)에 연결시킨다.

보다 상세하게는, 연료전지 스택(100)으로부터 연장된 애노드 출구라인(10)의 말단부가 상기 워터트랩(20)의 상단 내부를 관통하여, 그 끝단이 워터트랩 출구밸브(80)에 직접 연결된다.

특히, 상기 워터트랩(20)의 내부를 지나는 애노드 출구라인(10)에는 워터트 랩(20)의 바닥쪽으로 연장되는 냉각수 배출파이프(90)가 연결되는 바, 이 냉각수 배출파이프(90)의 직경은 상기 애노드 출구라인(10)의 직경보다 작게 형성되도록 한다.

한편, 상기 연료전지 스택(100) 즉, 연료전지 스택의 공용분배기의 냉각수 출구라인(30)이 워터트랩(20)의 상단부에 연결되어, 이 냉각수 출구라인(30)을 통해 배출된 냉각수가 워터트랩(20)에 모이게 된다.

또한, 상기 워터트랩(20)에 모이는 냉각수 양은 반응한 수소의 양에 비례하며, 수소 배출 주기 또한 반응한 수소의 양에 비례하므로, 냉각수 양의 증감과 비례하여 수소 배출를 통한 냉각수 배출 양도 증감하게 된다.

여기서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 워터트랩 장치에 대한 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 연료전지 스택(100)으로부터 반응을 마치고 배출되는 잔여수소 즉 미반응 수소가 상기 애노드 출구라인(10)을 따라 배출되는데, 수소가 애노드 출구라인(10)중 워터트랩(20)에 관통된 부분을 지나서, 워터트랩 출구밸브(80)를 통해 외기로 배출된다.

이와 동시에, 상기 워터트랩(20)의 내부에 모인 냉각수가 애노드 출구라인(10)으로부터 워터트랩(20)의 바닥으로 연장된 냉각수 배출파이프(90)쪽으로 빨려들며 상승하게 되고, 동시에 상기 애노드 출구라인(10)을 지나는 수소와 희석 혼용되어 워터트랩 출구밸브(80)를 통해 외기로 배출된다

이렇게 상기 워터트랩내의 냉각수가 수소와 함께 배출될 수 있는 이유는 다 음과 같다.

고압의 수소가 애노드 출구라인(10)을 통해 배출될 때, 베르누이의 법칙에 의하여 그 수소 유체의 속력이 증가하면 압력은 감소하게 되고, 또한 상기 냉각수 배출파이프(90)는 좁은 관이므로 그 내부는 유속 증가에 따라 압력이 감소된 상태가 된다.

이에, 상기 애노드 출구라인(10) 및 냉각수 배출파이프(90)내의 압력은 워터트랩(20)내의 압력보다 낮은 상태가 되어, 마치 분무기의 동작과 같이 워터트랩(20)내의 냉각수가 냉각수 배출파이프(90)로 빨려드는 동시에 상승하게 되어, 상기 애노드 출구라인(10)을 지나는 수소와 희석 혼용됨과 함께 워터트랩 출구밸브(80)를 통해 외기로 배출된다.

따라서, 애노드 출구라인(10)을 통해 배출되는 수소에 냉각수가 희석 혼용됨에 따라 수소 배출시의 소음감소 효과를 얻게 되고, 배출 수소의 발화성 역시 현저히감소하게 된다.

이와 같이, 베르누이 원리에 의하여 애노드 출구라인(10)내의 수소가 워터트랩 출구밸브(80)로 배출될 때, 워터트랩(20)내의 냉각수도 냉각수 배출파이프(90)를 따라 워터트랩 출구밸브(80)로 동시 배출될 수 있도록 함으로써, 기존의 냉각수 배출을 위한 레벨센서, 수소 배출을 위한 벤트밸브 및 소음기, 수분제거라인 등의 부품이 배제되어, 원가절감을 크게 얻을 수 있다.

또한, 워터트랩 내부에 모든 냉각수가 제거된 경우, 애노드 출구라인을 통해 배출되는 수소에 함유된 수분이 자중에 의하여 상기 냉각수 배출파이프를 따라 워 터트랩에 모이게 되는 효과도 얻을 수 있다.

또한, 냉시동시에 시동을 끌 경우, 기존의 워터트랩의 경우에는 남아있는 냉각수를 제거하기 위해 워터트랩 출구밸브를 추가적으로 열어두지만 스택내 압력 대부분이 벤트라인으로 빠져나가서 중력만으로는 냉각수 제거량이 적은 반면, 본 발명에 따른 워터트랩의 경우에는 시동을 끌때 냉각수 배출파이프를 통하여 워터트랩 출구밸브로 물이 강제 제거되므로 남아있는 냉각수량이 적게 되고, 결국 워터트랩내에 남아 있는 냉각수가 매우 적어서, 냉시동시에 열선을 이용한 냉각수(얼음)해동에도 적은 열 부하만을 요구하거나, 추가의 해동을 위한 열선이 필요없어, 원가절감을 더욱 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 워터트랩 장치를 나타내는 개략도,

도 2는 기존의 워터트랩 장치를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 애노드 출구라인 20 : 워터트랩

30 : 냉각수 출구라인 40 : 수소벤트밸브

50 : 소음기 60 : 수분제거라인

70a : 제1레벨센서 70b : 제2레벨센서

80 : 워터트랩 출구밸브 90 : 냉각수 배출파이프

100 : 연료전지 스택

Claims (3)

1. 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서,

   수소 배출 유속과 워터트랩내의 압력을 이용하는 수단에 의하여, 연료전지 스택으로부터 배출되는 수소와, 워터트랩내의 냉각수를 동시에 배출시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 수소 배출 유속과 워터트랩내의 압력을 이용하는 수단은:

   연료전지 스택으로부터 연장되어 그 말단부가 상기 워터트랩의 상단 내부를 관통하는 애노드 출구라인과;

   상기 워터트랩을 관통하여 나온 애노드 출구라인의 끝단에 연결되는 워터트랩 출구밸브와;

   상기 연료전지 스택으로부터 연장되어 그 말단부가 워터트랩의 상단부에 연결되는 냉각수 출구라인과;

   상기 워터트랩의 내부에서, 애노드 출구라인으로부터 워터트랩의 바닥쪽으로 연장된 냉각수 배출파이프;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 냉각수 배출파이프의 직경은 상기 애노드 출구라인의 직경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.

Images