KR20110012124A - 연료전지스택용 환기장치 - Google Patents

연료전지스택용 환기장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지스택용 환기장치에 관한 것으로서, 스택 인클로우져에 에어필터를 탈부착 가능하게 장착함으로써, 스택 인클로우져의 내부에 미세 먼지 및 금속성 물질이 유입되는 것을 방지하여 분리판의 외부 오염으로 인한 스택의 온도상승요인을 제거할 수 있고, 이에 따라 스택의 운전성능 및 효율을 향상시킬 수 있고, 분리판의 외부 오염으로 분리판이 전기적으로 합선되는 안전사고 발생의 위험을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 공기여과유닛의 내부에 오리피스를 설치함으로써, 공기여과유닛 내부의 음압을 증가시킴에 따라 스택 인클로우져의 흡입량을 증가시키고 많은 양의 수소를 희석시켜 안전사고를 예방할 수 있다.
연료전지스택, 스택 인클로우져, 에어필터, 공기여과유닛, 오리피스

Description

연료전지스택용 환기장치{Air ventilation system for fuel cell stack}
본 발명은 연료전지스택용 환기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택의 외부를 감싸는 스택 인클로우져(enclosure) 내부공기의 오염을 방지하는 연료전지스택용 환기장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막과, 상기한 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
상기한 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있으며, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로써, 공급된 수소가 애노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되며, 이때 수소이온은 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다. 이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
애노드 : H2 → 2H+ + 2e
캐소드 : 1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O
실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 이렇게 적층한 것을 스택(Stack)이라 한다.
상기 연료전지스택은 하이브리드 차량 등에 탑재되어 구동모터를 구동하기 위해 전력을 생산하는 것으로서, 수소와 공기 및 냉각수가 계속적으로 순환되어야 하고, 발생되는 전력을 안전하게 인출하여 사용할 수 있도록 해야 한다.
상기 연료전지스택은 차량에 탑재되므로 구조적으로 안정되고 견고한 상태를 확보하여 차량의 탑재성이 좋도록 해야 하며, 발생된 전력이 원하지 않는 상태로 누출되어 차량에 위험을 초래하지 않도록 해야 하고, 상기와 같이 수소가 순환되므로 수소의 누출로 폭발이 발생하지 않도록 해야 한다.
도 1은 종래의 스택 인클로우져의 공기배기장치를 나타내는 것으로서, 상기 연료전지스택(11)에 구조적 안정성 및 전기적 안정성을 부여하기 위해 스택 인클로우져(10)가 연료전지스택(11)의 외부를 감싸고 있고, 스택 인클로우져(10)의 내부공기를 차량용 에어필터(12)를 이용하여 외부로 배기시킨다.
상기 인클로우져(10)는 완전 밀폐형이 아닌 부분 개방형이므로, 부분적으로 개방된 부분을 통해 외부에서 공기가 유입되고, 인클로우져(10)의 배출구에는 차량용 에어필터(12), 에어블로워(13) 및 가습기(14)(humidifier)가 순서대로 연결되어 있다.
이때, 에어블로워(13)가 가동되면 차량용 에어필터(12)에 상대적으로 압력이 낮은 음압이 발생된다.
상기 음압에 의해 인클로우져(10)의 내부에서 대기압 상태의 H2와 공기가 차량용 에어필터(12)로 배기되고, 외부의 오염된 공기가 인클로우져(10)의 내부에 유입된다.
그러나, 상기 필터링 되지 않은 외부 오염 공기가 인클로우져의 내부에 유입되면, 미세 먼지 및 금속성 물질이 다량으로 포함된 외부 오염 공기로 인해 스택의 분리판 외부가 오염된다.
따라서, 스택의 분리판 외부에서 열방출이 차단되고 스택의 온도가 상승하여 연료전지스택의 운전성능 및 효율이 저감되며, 상기 스택 분리판의 외부 오염으로 인해 부분적으로 스택의 분리판 끼리 접점이 발생하고 스택 분리판이 전기적으로 합선되어 안전사고가 발생될 위험이 있다.
또한, 스택 내부에 공기를 공급하기 위해 차량용 에어필터에 자연적으로 형성된 음압을 사용하므로, 스택 인클로저의 내부에서 외부로 배출되는 배기량이 매우 적은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택 인클로우져의 외부에 탈부착이 가능한 에어필터를 설치함으로써, 외부에서 스택 인클로우져의 내부에 유입되는 오염공기를 차단할 수 있는 연료전지스택용 환기장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 차량용 에어필터 케이스 내부에 오리피스를 설치함으로써, 스택 인클로우져에서 외부로 배출되는 공기량을 증대시킬 수 있는 연료전지스택용 환기장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적은 연료전지스택의 외부를 감싸며, 유입구와 배출구가 형성된 스택 인클로우져;
상기 스택 인클로우져의 유입구측에 장착되어 외부의 오염공기에 포함된 미세 먼지 및 금속성 물질을 차단하는 제1에어필터;
공기를 흡입하기 위한 에어블로워; 및
상기 스택 인클로우져와 연결되고, 상기 에어블로워의 흡입으로 내부에 음압이 형성되어 상기 스택 인클로우져의 내부공기를 흡입하는 공기여과유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치에 의해 달성된다.
상기 과제해결수단에 의한 본 발명에 따른 연료전지스택용 환기장치의 장점 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
1. 스택 인클로우져에 에어필터를 탈부착 가능하게 장착함으로써, 스택 인클로우져의 내부에 미세 먼지 및 금속성 물질이 유입되는 것을 방지하여 분리판의 외부 오염으로 인한 스택의 온도상승요인을 제거할 수 있고, 이에 따라 스택의 운전성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
2. 분리판의 외부 오염으로 분리판이 전기적으로 합선되는 안전사고 발생의 위험을 제거할 수 있다.
3. 공기여과유닛의 내부에 오리피스를 설치함으로써, 공기여과유닛 내부의 음압을 증가시킴에 따라 스택 인클로우져의 흡입량을 증가시키고 많은 양의 수소를 희석시켜 안전사고를 예방할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택용 환기장치를 나타내는 개략도이고, 도 3은 도 2에서 "A"부를 확대한 확대도이고, 도 4는 도 2에서 공기여과유닛을 확대한 확대도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택용 환기장치는 스택 인클로우져(100), 제1에어필터(101), 공기여과유닛(120), 제2에어필터(125), 오리피 스(126), 에어블로워(130) 등을 포함한다.
본 발명의 연료전지스택(110)은 차량에 탑재되므로 구조적으로 안정되고 견고한 상태를 확보하여야 하고 차량의 탑재성이 좋도록 해야 하며, 발생된 전력이 원하지 않는 상태로 누출되어 차량에 위험을 초래하지 않도록 해야 하고, 스택의 내부에 수소가 순환되므로 수소의 누출로 폭발이 발생하지 않도록 해야 한다.
상기 스택 인클로우져(100)는 연료전지스택(110)의 외부를 밀폐형으로 감싸서 구조적 및 전기적 안정성을 확보하는 역할을 한다.
상기 스택 인클로우져(100)의 일단에는 유입구가 형성되어, 이 유입구를 통해 외부공기가 스택 인클로우져(100)의 내부에 유입될 수 있고, 이 유입구에는 제1에어필터(101)가 공기흐름의 수직방향으로 설치되고, 상기 제1에어필터(101)의 외측에는 필터케이스(102)가 설치된다.
상기 필터케이스(102)는 외부공기가 아래에서 위로 유입되고 상단에서 소정 경사각으로 전환되어 제1에어필터(101)를 통과할 수 있는 구조로 설치되고, 제1에어필터(101)의 외부를 커버하여 외부로부터 손상되지 않도록 보호하며 외부공기가 다량으로 들어올수 있도록 유도한다.
상기 스택 인클로우져(100)의 유입구에 제1에어필터(101)가 장착됨에 따라, 외부 공기가 유입구를 통해 유입될 때 외부 공기에 포함된 미세 먼지 및 금속성 물질이 제1에어필터(101)에 의해 걸러져서 정화된 공기가 스택 인클로우져(100)의 내부로 유입된다.
이와 같이 상기 미세 먼지 및 금속성 물질이 제1에어필터(101)에 의해 제거 된 후 깨끗한 공기가 스택 인클로우져(100)의 내부에 유입되면, 분리판의 외부가 오염되지 않으므로 분리판의 열방출이 용이해져 스택의 온도가 하강하여 스택의 운전성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 분리판의 외부가 오염되지 않으므로 부분적으로 분리판끼리 접점이 발생하지 않고 분리판이 전기적으로 합선되지 않아 안전사고의 위험을 줄일 수 있다.
상기 스택 인클로우져(100)의 내부에는 연료전지스택(110)을 수용할 수 있는 체적공간이 구비되어 있고, 연료전지스택(110)은 스택 분리판의 열방출이 용이하고 스택에서 누출된 수소를 외부공기로 희석시키기에 용이하도록 스택 인클로우져(100)의 내벽면과 사방향으로 소정간격을 두고 장착된다.
상기 스택 인클로우져(100)의 타단에는 배출구가 형성되고, 이 배출구를 통해 스택 인클로우져(100)의 내부공기가 배출된다.
상기 스택 인클로우져(100)의 배출구에는 공기여과유닛(120)이 연결되어 스택 인클로우져(100)의 내부공기가 공기여과유닛(120)으로 유입된다.
상기 공기여과유닛(120)은 하우징(121), 제2에어필터(125), 오리피스(126)를 포함한다.
하우징(121)은 스택 인클로우져(100)의 배출구와 연결된 제1유입구(122)와, 외부공기가 유입되도록 형성된 제2유입구(123)와, 제2에어필터(125)에 의해 정화된 공기를 배출시키는 배출구(124)를 포함한다.
상기 하우징(121)의 내부에는 대각선 방향으로 제2에어필터(125)가 장착되고, 이 제2에어필터(125)는 제1 및 제2유입구(122,123)를 통해 유입된 공기의 미세 먼지 및 금속성 물질을 제거하는 역할을 한다.
상기 하우징(121)의 배출구(124)는 연료전지 시스템의 출력을 발생시키는 데 사용되는 에어블로워(130)와 연결되고, 에어블로워(130)가 가동됨에 따라 에어블로워(130)가 공기여과유닛(120)의 내부공기를 흡입하면서 공기여과유닛(120)의 내부에 음압이 형성된다.
상기 공기여과유닛(120)의 내부에 음압이 형성됨에 따라 스택 인클로우져(100)의 내부공기가 공기여과유닛(120)으로 유입된다.
여기서, 상기 공기여과유닛(120)의 제2유입구(123)에는 오리피스(126)가 설치되고, 이 오리피스(126)는 공기여과유닛(120)의 내부에 더 큰 음압을 형성하도록 해 준다.
상기 오리피스(126)는 양단의 제1 및 제2포트와, 단면적이 상대적으로 더 작게 형성된 목부(127)를 포함한다.
상기 공기여과유닛(120)의 제1유입구(122)를 통해 유입된 공기의 일부는 오리피스(126)의 제1포트를 통해 유입되고 오리피스(126)의 목부(127)에서 유속이 증가함에 따라 압력이 강하되어 음압을 더 크게 하며 제2포트를 통해 배출된다.
그리고, 공기여과유닛(120)의 제2유입구(123)를 통해 유입된 공기는 오리피스(126)의 목부(127)에서 양쪽으로 분기되어 제1 및 제2포트로 배출된다.
이와 같이 상기 공기여과유닛(120)에 오리피스(126)를 설치함에 따라, 공기여과유닛(120)의 내부에 자연적으로 형성된 음압에 비해 더 큰 음압이 형성되어, 즉 스택 인클로우져(100)와 공기여과유닛(120)의 압력차이가 커져서 스택 인클로우 져(100)의 공기가 공기여과유닛(120)으로 더 많이 유입된다.
그리고, 스택 인클로우져(100)의 내부공기가 배출구를 통해 더 많이 배출됨으로써, 스택 인클로우져(100)가 유입구 및 제1에어필터(101)를 통해 더 많은 양의 공기를 흡입할 수 있다.
따라서, 상기 스택 인클로우져(100)의 공기 흡입량이 증가하면 공기유동량이 증가하여 연료전지스택(110)과 외부공기의 열교환율이 증가하고, 연료전지스택(110)에서 누출된 수소가 외부공기에 의해 더 많이 희석됨으로써 수소 폭발로 인한 안전사고를 방지할 수 있고, 연료전지스택(110)의 구조적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 연료전지스택용 환기장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택용 환기장치를 나타내는 개략도
도 3은 도 2에서 "A"부를 확대한 확대도
도 4는 도 2에서 공기여과유닛을 확대한 확대도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 스택 인클로우져 101 : 제1에어필터
102 : 필터케이스 110 : 연료전지스택
120 : 공기여과유닛 121 : 하우징
122 : 제1유입구 123 : 제2유입구
124 : 배출구 125 : 제2에어필터
126 : 오리피스 127 : 목부
130 : 에어블로워 140 : 가습기

Claims (6)

  1. 연료전지스택(110)의 외부를 감싸며, 유입구와 배출구가 형성된 스택 인클로우져(100);
    공기를 흡입하기 위한 에어블로워(130); 및
    상기 스택 인클로우져(100)와 연결되고, 상기 에어블로워(130)의 흡입으로 내부에 음압이 형성되어 상기 스택 인클로우져(100)의 내부공기를 흡입하는 공기여과유닛(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스택 인클로우져(100)의 유입구측에 장착되어 외부의 오염공기에 포함된 미세 먼지 및 금속성 물질을 차단하는 제1에어필터(101)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1에어필터(101)의 외측에는 필터케이스(102)가 설치되어 제1에어필터(101)를 외부로부터 보호하고 외부공기의 유입을 유도하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 공기여과유닛(120)은 유입구(122) 및 배출구(124)가 형성된 하우징(121);
    상기 유입구(122)를 통해 유입된 공기의 이물질을 제거하도록 하우징(121)의 내부에 장착된 제2에어필터(125);
    상기 하우징(121)의 내부에 더 큰 음압을 형성하도록 유입구(122) 측에 설치된 오리피스(126)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 오리피스(126)는 공기의 유속이 증가하도록 상대적으로 단면적이 더 작게 형성된 목부(127)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 하우징은 외부로부터 공기를 흡입하기 위해 유입구(123)가 하나 더 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 환기장치.
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