KR20100136059A - 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 워터트랩의 구조를 새롭개 개선하여, 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브가 결빙되어 수소 누출이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 최고수위 감지센서 및 최저수위 감지센서를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 상기 워터트랩의 내부공간이 상부공간 및 하부공간으로 나누어지도록 워터트랩의 내부에 일체로 형성된 격벽과; 상기 상부공간 및 하부공간의 배출측에 각각 장착되는 제1 및 제2드레인밸브와; 상기 상부공간 및 하부공간을 연통 또는 차단시키도록 상기 격벽의 소정 우치에 장착되는 개폐밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.

연료전지 스택, 워터트랩, 격벽, 제1 및 제2드레인 밸브, 개폐밸브, 결빙

Description

연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법{Water trap device of fuel cell system and method for controlling the same}

본 발명은 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 워터트랩의 구조를 새롭개 개선하여, 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브가 결빙되어 수소 누출이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템의 주된 구성중 연료전지 스택은 일종의 발전장치로서, 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소를 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

즉, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

이러한 연료전지 스택의 반응에 있어서, 스택의 연료극 출구에서 나오는 가스에는 공기극에서 건너온 응축수가 다량으로 포함되어 있는데, 이 응축수가 원활하게 배출되지 않을 경우에는 스택 내부에 그대로 쌓여 수소의 반응을 방해하게 되고, 결국 스택의 출력 및 운전 안정성을 저해하므로, 연료전지 시스템에 연료극 응축수를 제거하기 위한 워터트랩이 설치되고 있다.

따라서, 연료전지 스택에서 생성된 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지게 되어 있으며, 아래로 떨어진 물은 워터트랩(Water Trap) 장치에 모이게 된다.

여기서, 종래의 워터트랩 구성 및 그 작동 흐름을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 기존의 워터트랩 장치를 설명하는 개략도이다.

연료전지 스택(10)의 연료극(ANODE)쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소(H₂+Water[Vapor+Liquid])는 연료극의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩(20: WATER TRAP)내에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 재순환라인을 따라 연료극의 입구단쪽으로 재순환된다.

연료전지 스택(10)의 연료극에서 생성된 생성수는 갑자기 많이 생성되는 것이 아니라, 조금씩 생성이 되기 때문에 일정 시간동안 외부로 배출되지 않고 스택 내부에 잔존하게 되고, 어느 정도 물이 모이게 되면 자연스럽게 워터트랩(20)내로 중력에 의하여 떨어져 모이게 되며, 스택내에 물이 많이 생성되면 수소퍼지밸브(34)까지 열어 강제로 외부로 배출시키게 된다.

상기 수소퍼지밸브(34)는 ON/OFF 밸브로서, 스택 출구에서 배기되는 가스에 질소나 기타 부산물을 대기로 퍼지(배출)하여, 재순환되는 가스, 즉 수소의 물성을 연료전지 시스템이 최적으로 유지되는 수준으로 조절하는 기능을 하게 되고, 퍼지시에는 질소, 수소, 수증기, 물 등이 함께 배출되며 부하에 따라 그 온/오프(ON/OFF) 횟수와 개방시간이 조절된다.

이때, 상기 수소퍼지밸브(34)를 많이 열게 되면 스택에서 소비되지 않은 수소가 외부로 배출되어 연비가 떨어지게 되고, 적게 열면 스택에 물이 너무 많이 생성되어 전기 에너지를 제대로 뽑지 못하는 단점이 있다.

한편, 연료전지 스택에서 발생된 물이 중력에 의하여 낙하되어 워터트랩(20)내에 일정량 이상의 물이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서(24)에서 감지하여 워트트랩(20) 바닥쪽의 드레인 밸브(36)가 열리게 되어, 물이 외부로 배출된다.

반면에, 상기 워터트랩(20)내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수위 감지센서(25)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 드레인 밸브(36)가 닫히게 되어, 워터트랩(20)내에 최소한의 물이 잔류하게 된다.

이에, 항상 대기와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 물이 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 되는 것이다.

그러나, 드레인 밸브를 열어서 물을 배출시킬 때, 드레인밸브내에 소량의 물이 고이게 되는 바, 동절기시에는 드레인밸브에 고인 물이 결빙되어, 다음날 시동 을 걸게 되면 수소가 외부로 새는 문제점이 있었다.

즉, 첨부한 도 3a에 도시된 바와 같이 드레인 밸브의 밸브바디(50)내에 잔존하는 수분이 결빙되면서 밸브바디(50)내에 삽입되어 있던 플런저(52)를 열림방향으로 상승시켜 드레인밸브를 열리게 함에 따라, 워터트랩내의 물이 모두 배출되고, 이후 시동을 걸게 되면 스택으로부터 배출되어 재순환되어야 할 수소 등이 드레인밸브를 통과하여 외부로 새는 문제점이 있었다.

또는, 첨부한 도 3b에 도시된 바와 같이 플런저(52)와 결합되어 있던 스프링(54)부위에 잔존하는 수분이 결빙되면서 스프링(54)을 팽창시키고, 스프링의 팽창력을 받은 플런저(52)가 열림방향으로 상승되면서 드레인밸브가 열리게 됨에 따라, 워터트랩내의 물이 모두 외부로 배출되고, 마찬가지로 시동을 걸게 되면 재순환되어야 할 수소 등이 외부로 새는 문제점이 있었다.

이어서, 시동을 끈 후, 스택에 존재하는 물은 떨어지면서 워터트랩에 고이게 되는 바, 동절기에는 워터트랩내에 고인 물이 얼게 되어, 워터트랩과 연결된 드레인 밸브의 배관을 막아 버리게 되고, 결국 물의 배출시점에 물을 외부로 배출되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 1개의 공간으로 이루어진 워터트랩을 2개의 공간으로 나누고, 각 공간을 나누어주는 격판 에 온/오프 제어 가능한 개폐밸브를 장착하는 동시에 각 공간의 배출측에 제1 및 제2드레인밸브를 장착함으로써, 동절기시 워터트랩을 통해 재순환되어야 할 수소가 새어나가는 것을 방지할 수 있고, 워터트랩내의 물이 결빙되는 것을 방지하여 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 시스템용 워터트랩 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 최고수위 감지센서 및 최저수위 감지센서를 포함하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 있어서, 상기 워터트랩의 내부공간이 상부공간 및 하부공간으로 나누어지도록 워터트랩의 내부에 일체로 형성된 격벽과; 상기 상부공간 및 하부공간의 배출측에 각각 장착되는 제1 및 제2드레인밸브와; 상기 상부공간 및 하부공간을 연통 또는 차단시키도록 상기 격벽의 소정 위치에 장착되는 개폐밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 격벽은 상부공간의 물을 하부공간으로 유도하기 위하여 한쪽으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 제1 및 제2드레인밸브에는 열선이 감겨지고, 상기 워터트랩의 하부공간 바닥면에도 열선이 내설된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 워터트랩의 내부가 상부 및 하부공간으로 나누어진 상태에서, 상부공간내에 채워지는 물이 최고수위 감지센서에 도달하여 센싱되면, 상부공간의 배출측에 장착된 제1드레인 밸브를 열어주는 단계와; 제1드레인 밸브를 통해 물 배출이 이루어지는 도중, 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지면, 제1드레인 밸브를 닫아주어서 상부공간내에 최저 수위 이하로 물이 잔류되게 하는 단계와; 연료전지 시동 오프후, 상부 및 하부공간 사이에 장착된 개폐밸브를 열어주는 단계와; 상기 상부공간내에 잔존하는 물이 열림상태의 개폐밸브를 통해 하부공간으로 흘러가는 단계와; 연료전지 시동 온시, 다시 상부공간에 채워지는 물이 최고 및 최저수위 감지센서에 의한 센싱과 함께 제1드레인 밸브를 통해 이루어지도록 상기 개폐밸브를 닫아주는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 연료전지 시동 오프후에 하부공간에 흘러간 물이 결빙되면, 연료전지 시동 온시 열에 의한 해동이 이루어지고, 해동된 물의 배출이 이루어지도록 하부공간의 출구측에 장착된 제2드레인 밸브를 열어주는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 워터트랩 내부공간을 2개의 공간인 상부 및 하부으로 나누고, 각 공간을 나누어주는 격판에 온/오프 제어 가능한 개폐밸브를 장착하는 동시에 각 공간의 배출측에 제1 및 제2드레인밸브를 장착함으로써, 동절기시 워터트랩을 통해 재순환되어야 할 수소가 새어나가는 것을 방지할 수 있다.

또한, 동절기시 워터트랩내의 물이 결빙되는 것을 방지하여 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있다.

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

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 워터트랩 장치를 나타내는 단면도이다.

연료전지 스택(10)의 연료극의 출구측에는 연료극 응축수가 중력에 의하여 모이게 되는 소정 체적의 워터트랩(20)이 설치되어 있는 바, 이 워터트랩(20)의 내부공간을 상부 및 하부공간(21,22)으로 나누게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 워터트랩(20)의 내부공간에서 아래쪽 위치에 격벽(23)을 일체로 형성하여, 이 격벽(23)의 위쪽은 상부공간(21)으로, 격벽의 아래쪽은 하부공간(22)이 되도록 한다.

이때, 상기 워터트랩(20)의 상부공간(21)에서 가장 상단부쪽에 최고수위 감지센서(24)가 부착되고, 하단부쪽에 최저수위 감지센서(25)가 장착된다.

특히, 상기 격벽(23)은 한쪽방향으로 기울어지게 형성하여, 상부공간(21)에 쌓이는 물이 하부공간(22)으로 원할하게 흐를 수 있도록 한다.

또한, 상기 격벽(23)의 소정 위치(바람직하게는, 기울어진 격벽의 최저점 위치) 에는 온/오프 제어에 의하여 개폐되는 개폐밸브(26)가 장착된다.

한편, 상기 상부공간(21)의 바닥과 인접한 일측면(기울어진 격벽의 최고점과 바로 인접한 위치)에 배출배관(27)이 연결되며, 이 배출배관(27)에 제1드레인 밸브(30)가 개폐 제어 가능하게 설치된다.

또한, 상기 하부공간(22)의 바닥과 인접한 일측면에도 배출배관(28)이 연결되며, 이 배출배관(28)에 제1드레인 밸브(30)와 동일 사양인 제2드레인 밸브(32)가 개폐 제어 가능하게 설치된다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 제1 및 제2드레인밸브(30,32)에 결빙 방지를 위한 열선(40,42)이 감겨지고, 또한 상기 워터트랩(20)의 하부공간(22) 바닥면에도 결빙된 물을 해동시킬 수 있는 열선(44)이 내설된다.

여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 시스템용 워터트랩 장치에 대한 작동 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.

일반 운전시

일반 운전시라 함은 물이 어는 동절기를 제외한 조건에서, 연료전지 시동 온/시동중/시동 오프가 이루어지는 상태를 모두 포함한다.

먼저, 일반 운전시에는 상기 격벽(23)에 장착된 개폐밸브(26)는 닫힘으로 제어되어, 상부공간(21)과 하부공간(22)은 서로 차단된 상태가 된다.

이러한 상태에서, 연료전지 스택(10)에서 생성된 응축수 등이 워터트랩(20)의 상부공간으로 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 이 상부공간(21)내에 채워지는 물이 최고수위 감지센서(24)에 도달하여 센싱이 이루어지면, 상부공간(21)의 배출배관(27)에 장착된 제1드레인 밸브(30)를 열어주는 제어가 이루어진다.

따라서, 상기 제1드레인 밸브(30)를 통해 상부공간(21)내의 물이 외부로 배출되고, 이러한 물 배출이 이루어지는 도중, 상부공간(21)의 하단에 장착된 최저수위 감지센서(25)의 센싱이 이루어지면, 제1드레인 밸브(30)는 닫힘으로 제어된다.

이에, 상기 워터트랩(20)의 상부공간(21)내에 최저 수위 이하로 물이 잔류하게 된다.

이렇게 상기 워터트랩(20)의 상부공간(21)내에 물이 잔류되는 이유는 항상 대기와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 물이 재순환되어야 할 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하기 때문이다.

물론, 재차 상부공간(21)내에 물이 최고 수위로 채워지면 최고수위 감지센서(24)에 의한 센싱을 시작으로 상기와 같은 물 배출 과정이 반복 진행된다.

시동 오프시

시동 오프시, 상기 개폐밸브(26)를 열어주는 제어가 이루어지고, 상기 하부공간(22)의 배출배관(28)에 장착된 제2드레인 밸브(32)는 계속 닫힘 상태로 제어된다.

시동 오프 후, 스택(10)에 잔존하던 물이 상부공간으로 떨어지는 동시에 기울어진 격벽(23)을 타고 개폐밸브(26)쪽으로 흐르고, 연이어 열림 상태인 개폐밸브(26)를 통과하여 하부공간(22)으로 떨어지게 된다.

이때, 시동 오프 상태에서 동절기의 영하 기온으로 인하여, 상기 하부공간(22)에 채워진 물은 얼음인 상태로 결빙되지만, 잔존하는 물이 모두 하부공 간(22)으로 빠져나간 상태인 상부공간(21)에서는 결빙의 우려가 전혀 없게 되고, 특히 종래와 같이 제1드레인 밸브(30)에 결빙이 발생되는 현상도 방지될 수 있다.

시동 온시

상기한 연료전지의 시동 오프 상태에서, 다시 시동 온을 하게 되면, 상기 개폐밸브(26)를 다시 닫힘으로 제어하는 동시에 상기 하부공간(22)의 배출배관(28)에 장착된 제2드레인 밸브(32)를 열림으로 제어하게 된다.

따라서, 연료전지 시동 온과 함께 다시 상부공간(21)에 스택(10)으로부터 물이 떨어져 모이게 되고, 상기와 같이 최고 및 최저수위 감지센서(24,25)에 의한 센싱과 함께 제1드레인 밸브(30)를 통하여 원할한 물 배출이 이루어질 수 있다.

즉, 상기한 바와 같이 시동 오프시 상부공간(21)내에 잔존하던 물이 하부공간(22)으로 이미 배출된 상태이므로, 상부공간(21) 및 제1드레인 밸브(30)에는 물 결빙 현상이 발생되지 않게 되고, 결국 물 배출을 위한 제1드레인 밸브(30)의 개폐 작동이 정상적으로 이루어지게 된다.

이때, 혹시라도 제1드레인 밸브(30)내에 잔존하는 물 결빙 상태를 신속하게 해소시킬 수 있도록 시동 온시 제1드레인 밸브(30)에 감겨진 열선(40)을 가동시킨다.

또한, 연료전지 시동 온시 하부공간(22)의 바닥면에 깔린 열선(44) 및 제2드레인 밸브(32)에 감겨진 열선(42)을 가동시켜, 하부공간(22)에서 결빙되어 있던 얼음 상태의 물은 해동시키는 동시에 제2드레인 밸브(32)에 잔존하던 물의 결빙 상태 로 해제시킴으로써, 하부공간(22)내에서 녹은 물이 제2드레인 밸브(32)를 통하여 외부로 용이하게 배출되어진다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 워터트랩(20)의 내부공간을 상부 및 하부공간(21,22)으로 나누고, 각 공간을 나누어주는 격판(23)에 온/오프 제어 가능한 개폐밸브(26)를 장착하는 동시에 각 공간의 배출측에 제1 및 제2드레인밸브(30,32)를 장착함으로써, 동절기시 워터트랩을 통해 재순환되어야 할 수소가 새어나가는 것을 방지할 수 있고, 워터트랩내의 물이 결빙되는 것을 해소하여 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 워터트랩 장치를 나타내는 단면도,

도 2는 종래의 워터트랩 장치를 나타내는 개략도,

도 3a 및 도 3b는 종래의 워터트랩 장치에서 발생되는 문제점을 설명하기 위한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택 20 : 워터트랩

21 : 상부공간 22 : 하부공간

23 : 격벽 24 : 최고수위 감지센서

25 : 최저수위 감지센서 26 : 개폐밸브

27,28 : 배출배관 30 : 제1드레인 밸브

32 : 제2드레인 밸브 34 : 수소퍼지밸브

40,42,44 : 열선

Claims (5)

1. 최고수위 감지센서 및 최저수위 감지센서를 포함하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치에 있어서,

   상기 워터트랩의 내부공간이 상부공간 및 하부공간으로 나누어지도록 워터트랩의 내부에 일체로 형성된 격벽과;

   상기 상부공간 및 하부공간의 배출측에 각각 장착되는 제1 및 제2드레인밸브와;

   상기 상부공간 및 하부공간을 연통 또는 차단시키도록 상기 격벽의 소정 우치에 장착되는 개폐밸브;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 격벽은 상부공간의 물을 하부공간으로 유도하기 위하여 한쪽으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 및 제2드레인밸브에는 열선이 감겨지고, 상기 워터트랩의 하부공간 바닥면에도 열선이 내설된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치.
4. 워터트랩의 내부가 상부 및 하부공간으로 나누어진 상태에서, 상부공간내에 채워지는 물이 최고수위 감지센서에 도달하여 센싱되면, 상부공간의 배출측에 장착된 제1드레인 밸브를 열어주는 단계와;

   제1드레인 밸브를 통해 물 배출이 이루어지는 도중, 최저수위 감지센서의 센싱이 이루어지면, 제1드레인 밸브를 닫아주어서 상부공간내에 최저 수위 이하로 물이 잔류되게 하는 단계와;

   연료전지 시동 오프후, 상부 및 하부공간 사이에 장착된 개폐밸브를 열어주는 단계와;

   상기 상부공간내에 잔존하는 물이 열림상태의 개폐밸브를 통해 하부공간으로 흘러가는 단계와;

   연료전지 시동 온시, 다시 상부공간에 채워지는 물이 최고 및 최저수위 감지센서에 의한 센싱과 함께 제1드레인 밸브를 통해 이루어지도록 상기 개폐밸브를 닫아주는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 제어 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   연료전지 시동 오프후에 하부공간에 흘러간 물이 결빙되면, 연료전지 시동 온시 열에 의한 해동이 이루어지고, 해동된 물의 배출이 이루어지도록 하부공간의 출구측에 장착된 제2드레인 밸브를 열어주는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 워터트랩 장치 제어 방법.

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