KR20110054966A - 연료전지 시스템용 밸브기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브에 관한 것으로서, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에서 공기차단밸브 등으로 유용하게 사용될 수 있는 플랩 밸브 타입의 밸브기구에 관한 것이다. 특히, 밸브 결빙시 프리히팅 및 해빙 과정 없이도 유로의 개방이 가능하여, 고출력 및 고가의 히터 삭제가 가능하고, 이로써 원가 절감은 물론, 시동시 과도한 전력 사용으로 인한 배터리 방전 방지, 프리히팅 시간 삭제로 냉시동 시간의 단축 등이 가능해지는 연료전지 시스템용 밸브기구를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 도넛 형상의 외부플랩과, 주연부가 상기 외부플랩의 내주부에 접하도록 외부플랩 내측으로 배치되는 내부플랩으로 분리 구성된 2단 개폐 구조를 가지는 플랩 밸브와; 상기 외부플랩과 내부플랩을 독립적으로 회전 및 개폐 구동시킬 수 있는 액츄에이터를 포함하는 연료전지 시스템용 밸브기구가 개시된다.

연료전지, 밸브기구, 플랩 밸브, 외부플랩, 내부플랩, 모터, 스프링, 신뢰성 향상

Description

연료전지 시스템용 밸브기구 {Valve mechanism for fuel cell system}

본 발명은 밸브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에서 공기차단밸브 등으로 유용하게 사용될 수 있는 플랩 밸브 타입의 밸브기구에 관한 것이다.

수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템과, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.

여기서, 수소공급장치는 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 공기밸브, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.

수소공급장치에서는 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소가 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인의 블로워가 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다.

공기공급장치에서는 공기블로워에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기를 통과하는 동안 스택의 캐소드 출구에서 배출된 배출가스(습윤공기)와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급된다.

한편, 연료전지 자동차에서 해결해야 할 여러 과제 중 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보이다. 연료전지 시스템이 빙점 이하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관되면, 스택 내부를 포함하여 밸브류 등 시스템 각 구성부에 존재하는 물이 얼어붙게 되면서 시동이 어렵게 된다.

연료전지 차량의 운행을 마친 후 스택을 보관하는 방법에 따라 스택의 내구성이 결정되기도 하는데, 운행 종료 후 스택의 캐소드 쪽으로 공기가 들어가면 스택의 내구성이 떨어지게 되고(스택 열화 속도 빨라짐), 이를 방지하기 위해 캐소드 입구 및 출구 쪽 두 군데에 공기차단밸브를 설치하고 있다.

그러나, 겨울에는 결빙으로 인한 공기차단밸브의 작동에 문제가 발생할 수밖에 없으며, 그 이유는 연료전지의 가장 취약점인 물에 있다. 즉, 차량 주행을 마치고 키-오프(key-off)하면, 공기차단밸브(플랩 밸브 타입)가 닫히고, 이에 캐소드 쪽으로 공기가 들어오지 않음과 동시에 스택에서 발생한 물이 공기차단밸브 때문에 밖으로 배출되지 못하여 고이게 된다.

이 물이 영하의 온도에서는 얼게 되어, 차량 시동을 걸게 되면 얼음으로 인해 공기차단밸브가 개방되어야 함에도 작동하지 않는 경우가 발생하게 된다.

도 1과 도 2는 종래의 밸브기구가 가지는 문제점을 설명하는 도면으로서, 스택의 캐소드 입, 출구 쪽에 도시된 바와 같은 플랩(flap) 밸브 타입의 공기차단밸브가 설치되며, 이는 시동 오프시 닫혀져 외부 공기가 스택의 캐소드에 유입되지 않도록 차단하게 된다.

그러나, 시동을 오프한 상태에서도 스택 내에 생성된 물은 사라지지 않고 배관 등에 존재하게 되는데, 공기차단밸브를 닫게 되면, 도 1에 나타낸 바와 같이 밸브(110)의 아래 면에 물이 고이게 되고, 빙점 이하의 온도에서는 이 물이 얼게 된다.

도 2를 참조하면, 플랩 밸브 타입으로 구비되는 공기차단밸브에서 배관(101)과 밸브(110)의 경계부에 존재하는 얼음으로 인해 밸브가 열리지 않고 있음을 보여주고 있는데, 경계면에서 결빙면적이 넓을 경우 밸브를 동작시키는 힘이 아주 커야 하며, 그 힘이 모자라게 되면 밸브가 열리지 않게 된다.

특히, 밸브(110)의 움직임 궤적 상에서 경계부 배관(101) 면에 밸브가 열리는 힘의 방향에 대하여 횡방향이 아닌 종방향으로 길게 결빙부(도 2의 얼음)가 존재하게 되면, 밸브 개방을 위한 요구 토크가 커지게 된다.

이렇게 밸브가 얼어붙어 있는 상태에서는 시동시 밸브가 열리지 않게 되고, 해빙을 위해 시동 전 장시간 동안 프리히팅을 해주어야 한다.

따라서, 공기차단밸브를 포함하여 연료전지 시스템의 밸브류에는 바디부에 고열량, 고출력의 히터가 장착되고, 영하의 온도로 방치된 상태에서 시동 전 히터로 장시간 프리히팅(preheating)하여 밸브를 해빙시키고 있다.

그러나, 공기차단밸브와 같이 플랩 밸브 타입으로 설치되는 연료전지 시스템의 밸브를 히터를 이용하여 해빙하는 경우, 시동 전원(battery)의 방전이 발생할 수 있고, 고가의 히터를 사용해야 하므로 시스템 원가가 상승하는 단점이 있다.

또한 밸브의 해빙에 소요되는 시간은 전체 냉시동 시간의 일부를 차지하므로, 밸브의 해빙(프리히팅)에 많은 시간을 소요하게 되면 냉시동 시간 및 차량이 기동하기까지 걸리는 시간이 길어질 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 결빙이 발생한 상태에서도 쉽게 배관의 유로를 열어줄 수 있는 연료전지 시스템용 밸브기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 밸브 결빙시 프리히팅 및 해빙 과정 없이도 유로의 개방이 가능하여, 고출력 및 고가의 히터 삭제가 가능하고, 이로써 원가 절감은 물론, 시동시 과도한 전력 사용으로 인한 배터리 방전 방지, 및 프리히팅 시간 삭제를 통한 냉시동 시간의 단축 등이 가능해지는 연료전지 시스템용 밸브기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 도넛 형상의 외부플랩과, 주연부가 상기 외부플랩의 내주부에 접하도록 외부플랩 내측으로 배치되는 내부플랩으로 분리 구성된 2단 개폐 구조를 가지는 플랩 밸브와; 상기 외부플랩과 내부플랩을 독립적으로 회전 및 개폐 구동시킬 수 있는 액츄에이터를 포함하는 연료전지 시스템용 밸브기구를 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 시스템용 밸브기구에서는 배관과 밸브 사이 의 경계부에 결빙이 발생한 상태에서도 내부플랩의 개방으로 쉽게 배관의 유로를 열어줄 수 있으므로 냉시동 등 빙점 이하의 조건에서 밸브 구동의 신뢰성이 향상되는 장점이 있다.

또한 냉시동시 밸브의 프리히팅 및 해빙 과정 없이도 배관의 유로를 개방할 수 있고, 이에 고출력 및 고가의 히터 삭제가 가능하므로 밸브기구 및 연료전지 시스템의 원가 절감이 가능해진다.

또한 시동시 과도한 전력 사용으로 인한 배터리 방전 방지, 및 프리히팅 시간 삭제를 통한 냉시동 시간의 단축 등이 가능해지는 장점이 있다.

이러한 본 발명의 밸브기구는 연료전지 시스템에서 플랩 밸브 형태로 구비되는 밸브기구를 대체할 수 있으며, 특히 스택의 캐소드 입, 출구단에 설치되는 공기차단밸브에 유용하게 적용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 입, 출구 쪽에 구비되는 공기차단밸브 등 플랩 밸브 형태로 구비되는 밸브기구에 관한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브기구를 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 밸브기구의 동작상태를 나타내는 단면도이며, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 밸브기구의 동작상태를 나타내는 사시도이다.

도 4에서 (a)는 밸브 닫힘상태를, (b)는 정상 열림상태를, (c)는 냉시동시 등 빙점 이하의 온도에서 외부플랩(111)이 결빙에 의해 고착되고 내부플랩(112)만으로 배관(101)의 유로가 개방된 상태를 나타낸 것이다. 또한 도 5a는 밸브 닫힘상태를, 도 5b는 정상 열림상태를, 도 5c는 외부플랩(111)이 고착된 상태로 내부플랩(112)만이 개방된 상태를 나타내는 사시도이다.

그리고, 도 6은 본 발명과 종래의 밸브를 비교하여 설명하는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브기구(100)를 도시한 단면도이다.

결빙시 플랩 밸브의 개방 여부는 결빙면적 및 개방시 결빙으로 인해 증가된 토크의 크기에 달려 있으며, 이는 밸브와 배관의 경계부에 존재하는 얼음의 면적, 배관 내측면에서 밸브의 움직임 궤적 상에 존재하는 얼음의 존재 형태에 관계된다.

예컨대, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 배관(101)의 내측면에서 밸브(110)가 열리는 힘의 방향에 대해 종방향으로 길게 얼음이 존재하게 되면 밸브의 개방시 요구 토크가 커지므로 밸브가 열리지 않게 된다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 밸브기구(100)에서는 밸브체, 즉 플랩 밸브(110)가 외측으로 배치되는 도넛(donut) 형상의 외부플랩(111)과, 상기 외부플랩(111)의 내측으로 배치되는 내부플랩(112)으로 분리 구성된 2단 개폐 구조로 구성된다.

이때 내부플랩(112)은 주연부가 외부플랩(111)의 내주부에 접할 수 있도록 설치되어, 내부플랩(112)의 주연부가 외부플랩(111)의 내주부에 접하도록 두 플랩이 동일 평면상에서 조합되고 나면, 종래와 같은 하나의 플랩 밸브 형상을 형성하는 바, 이 상태에서 정상적인 밸브 개폐시에는 두 플랩이 함께 회전하여 배관(101)의 유로를 열거나 닫게 되어 있다.

다만, 이러한 플랩 밸브의 구조에서, 본 발명의 밸브기구(100)는 결빙시 외부플랩(111)이 경계부 및 배관(101) 내측면의 얼음에 의해 열리지 않더라도 내부플랩(112)이 열리면서 공기가 공급되도록 하고, 이로써 연료전지 스택의 운전이 가능해지도록 구성된다.

도 6의 (b)는 외부플랩(111)과 내부플랩(112)의 경계부에 결빙으로 인한 얼음이 존재하는 상태를 보여주고 있으며, 외부플랩(111)과 배관(101)의 경계부에 종방향으로 길게 얼음이 존재하여 외부플랩(111)이 배관(101)에 고착되더라도 내부플랩(112)은 작은 토크로 열릴 수 있음을 보여주고 있다.

상기한 외부플랩(111)과 내부플랩(112)의 개폐 구동에 있어서, 기본적으로 외부플랩(111)이 배관(101)의 유로를 개방하도록 회전되는 경우, 외부플랩(111)과 내부플랩(112)은 하나의 밸브체로서 함께 동일 방향으로 회전되어 유로를 개방하게 된다(도 4의 (b) 및 도 5b 참조). 즉, 정상적인 밸브 개방시에는 외부플랩(111)과 내부플랩(112)이 함께 회전되어 배관(101)의 유로를 열게 되는 것이다.

반면, 결빙으로 외부플랩(111)이 열리지 않는 상황이 되면, 내부플랩(112)만이 회전되어 배관(101)의 유로를 열어주게 된다(도 4의 (c) 및 도 5c 참조).

또한 두 플랩(111,112)이 열리는 방향은 같은 방향이다. 다시 말해, 내부 플랩(112)과 외부플랩(111)이 배관(101)의 유로를 열게 될 때, 두 플랩은 같은 방향으로 회전되고, 또한 내부플랩(112)만 회전되는 경우에도 외부플랩(111)과 함께 개방될 때와 같은 방향으로 회전되어 유로를 개방하게 된다.

그리고, 상기의 플랩 구동을 위해, 두 플랩(111,112)을 독립적으로 회전 구동시킬 수 있는 액츄에이터가 구비된다. 이때 액츄에이터에 의해 내부플랩(112)이 회전되어 유로를 개방할 때에는 내부플랩(112)만이 회전될 수 있도록 하는 구조가 구비되고, 액츄에이터에 의해 외부플랩(111)이 회전되어 유로를 개방할 때 내부플랩(112)이 함께 회전되도록 하는 구조가 구비된다.

우선, 밸브바디부에는 외부플랩(111)을 회전 구동시키기 위한 제1구동모터(121)와, 내부플랩(112)을 회전 구동시키기 위한 제2구동모터(122)를 구비하며, 상기 각 구동모터(121,122)의 회전축은 해당 플랩의 회전중심부에 고정 결합된 플랩의 회전축(113,114)에 일체 회전되도록 직결된다. 즉, 제1구동모터(121)의 회전축은 외부플랩(111)의 회전축(113)과 직결되고, 제2구동모터(122)의 회전축은 내부플랩(112)의 회전축(114)과 직결되도록 하는 것이다.

상기 두 구동모터(121,122)는 해당 회전축(113,114) 및 플랩(111,112)을 90°이내로 회전시켜 배관(101) 유로를 개폐하는 액츄에이터로서, 제1구동모터(121)의 회전시에는 직결된 회전축(113) 및 외부플랩(111)이 일체로 회전되어 개폐 동작되고, 제2구동모터(122)의 회전시에는 직결된 회전축(114) 및 내부플랩(112)이 일체로 회전되어 개폐 동작된다.

상기 제1구동모터(121)와 제2구동모터(122)는 제어기(예를 들면, 연료전지 시스템 제어기)가 출력하는 제어신호에 의해 구동이 제어되는 모터로서, 플랩 밸브(110)의 개폐 구동시 상기 제어기는 제1구동모터(121)와 제2구동모터(122)를 동시에 구동시켜 외부플랩(111)과 내부플랩(112)을 동시에 개폐 구동시키게 된다.

특히, 빙점 이하의 냉시동시, 제어기가 플랩 밸브(110)를 열어줄 때, 외부플랩(111)이 결빙에 의해 배관(101)에 고착된 상태에서는, 내부플랩(112)만이 제2구동모터(122)의 회전력에 의해 회전되어 개방되며, 이에 배관(101)의 유로가 열리면서 공기가 공급될 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 제1구동모터(121)가 밸브열림 방향으로 회전될 때 외부플랩(111)이 회전되어 열리게 되고, 제2구동모터(122)가 밸브열림 방향으로 회전될 때 내부플랩(112)이 회전되어 열리게 된다.

또한 제2구동모터(122)가 밸브열림 방향으로 회전 구동될 때, 외부플랩(111)이 결빙상태로 배관(101)에 고착되고 제1구동모터(121)가 회전 구동되지 못하더라도, 제2구동모터(122)의 회전력에 의해 내부플랩(112)만이 회전되어 개방될 수 있다.

이와 같이 플랩 밸브(110)의 개방을 위해 두 구동모터(121,122)를 동시에 회전시키면, 외부플랩(111)과 내부플랩(112)이 동시에 회전되어 개방될 수 있으나, 만약 외부플랩(111)이 결빙되어 고착된 경우 내부플랩(112)만이 개방될 수 있으며, 이에 공기가 공급되어 스택의 운전이 가능해지게 된다.

다만, 상온에서 정상적인 밸브 개폐시, 제1구동모터(121)에 의해 외부플랩(111)이 열리게 될 때, 후술하는 바와 같이 제1구동모터(121)의 회전력만으로 외 부플랩(111)과 더불어 내부플랩(112)이 함께 회전되어 열리도록 할 수 있다.

즉, 제어기가 온도센서의 검출값으로부터 빙점 이하의 온도에서 플랩 밸브(110)를 열어줄 경우, 예컨대 빙점 이하의 온도에서 냉시동을 판정한 경우에는, 상기와 같이 두 구동모터(121,122)를 동시에 회전시키나, 온도센서의 검출값으로부터 상온 또는 밸브의 결빙이 발생되지 않는 온도에서 플랩 밸브(110)를 열어줄 경우, 예컨대 상온에서의 시동을 판정한 경우에는, 제1구동모터(121)만을 회전시켜 외부플랩(111)과 내부플랩(112)이 동시에 개방되도록 할 수 있는 것이다.

이하, 제2구동모터(122)의 회전력에 의해 외부플랩(111)이 결빙에 의해 고착되더라도 내부플랩(112)만이 회전되어 유로를 개방할 수 있도록 하는 구조에 대해 설명하기로 한다.

또한 두 구동모터(121,122)를 함께 구동시키는 것이 아닌, 밸브의 결빙이 일어나지 않는 온도에서 제1구동모터(121)만 구동시키더라도 두 플랩(111,112)이 일체로 열릴 수 있도록 하는 구조에 대해 설명하기로 한다.

우선, 제1구동모터(121)의 구동시 회전되는 외부플랩(111)의 회전축(113)은 외부플랩(111)의 회전중심부에 고정되어 외부플랩(111)과 일체로 회전되도록 되어 있고, 제2구동모터(122)의 구동시 회전되는 내부플랩(112)의 회전축(114)은 내부플랩(112)의 회전중심부에 고정되어 내부플랩(112)과 일체로 회전되도록 되어 있다.

이때 외부플랩(111)의 회전축(113)에서, 내부플랩(112)의 회전축(114)과 중첩되는 구간, 즉 내부플랩(112)의 회전중심부를 지나는 구간(이하, 축중첩부라 함)에서는, 외부플랩(111)의 회전축(113)이 내부플랩(112)의 회전축(114) 외측으로 배 치된다.

또한 외부플랩(111)이 닫힘상태로 고착된 상태에서, 제2구동모터(122)에 의해 상기 내부플랩(112)이 열리는 방향으로 회전될 때 간섭을 받지 않도록, 축중첩부(113a)는 일측이 절개된 구조를 가진다.

즉, 상기한 축중첩부의 절개된 부분에 의해, 열리는 방향으로 회전되는 내부플랩(112)의 회전공간이 확보되도록 하고, 절개된 부분에서 내부플랩(112)이 외부플랩(111)의 회전축(113)에 의해 간섭을 받지 않도록 하는 것이다.

이렇게 내부플랩(112)의 회전축(114)과 중첩되는 외부플랩(111)의 축중첩부(113a)에서 절개된 부분은 내부플랩(112)이 회전될 수 있는 공간을 확보하기 위한 것으로, 내부플랩(112)의 표면이 간섭되지 않고 회전될 수 있는 궤적 공간을 확보하기 위한 것이다.

반면, 외부플랩(111)이 제1구동모터(121)에 의해 회전되어 개방될 때에는, 도 4의 (b) 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 내부플랩(112)의 회전축(114)과 중첩되는 외부플랩(111)의 축중첩부(113a)가 내부플랩(112)의 표면을 밀어 내부플랩(112)이 일체로 회전될 수 있게 한다.

바람직한 실시예에서, 내부플랩(112)의 회전축(114) 외측으로 배치되는 외부플랩(111)의 축중첩부(113a)는, 외부플랩(111)이 열리지 않더라도 내부플랩(112)의 최대 회전각도가 대략 90°가 될 수 있도록(만개시 90°), 즉 내부플랩(112)이 최대 회전각도인 90°이내에서 열리고 닫힐 수 있도록, 도 4에 나타낸 바와 같이, 4분원(4分圓)의 단면 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

이렇게 축중첩부(113a)가 4분원의 단면 형상을 가지는 경우 외부플랩(111)이 고착되더라도 내부플랩(112)은 90°각도로 완전 개방이 가능해진다.

결국, 도 4에 나타낸 바와 같이, 밸브가 닫혀있는 상태에서는 외부플랩(111)과 내부플랩(112)이 조합된 상태로 배관(101)의 유로를 완전히 닫고 있으나, 정상적인 밸브 개방시에는 제1구동모터(121)가 구동하여 외부플랩(111)이 열리도록 회전되면서 외부플랩(111)의 축중첩부(113a) 끝단이 회전방향으로 내부플랩(112)의 표면을 밀어주게 되고, 이에 내부플랩(112)이 일체로 회전되어 열리게 된다.

반면, 제2구동모터(122)가 밸브열림 방향으로 구동하게 되면, 외부플랩(111)이 배관(101) 내측면과의 사이에 존재하는 얼음에 의해 고착된 상태라 하더라도(외부플랩의 결빙상태), 내부플랩(112)이 단독으로 회전되어 배관(101)의 유로를 열어줄 수 있게 된다.

상기 플랩 밸브(110)가 연료전지 시동시 스택에 공기를 공급하기 위해 개방되어야 하는 공기차단밸브(110)라 할 때, 제어기는 키 신호 입력으로부터 시동 온을 검출하고 온도센서(예, 외기온센서)의 검출값으로부터 빙점 이하의 온도에서 이루어지는 냉시동임을 판정하게 되면, 제1구동모터(121)와 제2구동모터(122)를 동시에 구동시키며, 이때 외부플랩(111)이 결빙되어 배관(101)에 고착되어 있으면, 제2구동모터(122)의 회전력에 의해 내부플랩(112)만이 회전되어 유로를 열어주게 된다. 이에 연료전지 스택에 공기가 공급되어 시동이 걸릴 수 있게 된다.

연료전지 차량이 시동이 걸리게 되면, 스택에서 열이 발생하게 되고, 이에 고온의 공기가 스택 출구 쪽으로 나오게 되면서 얼어붙은 얼음 알갱이가 녹아, 스 택 출구 쪽의 플랩 밸브(공기차단밸브)(110)의 외부플랩(111)도 개방되어 공기가 원활하게 흐를 수 있게 된다.

또한 온도센서의 검출값으로부터 상온에서의 시동임을 판정할 경우, 제어기는 제1구동모터(121)만 구동시킬 수도 있으며, 이 경우 외부플랩(111)이 회전될 때 축중첩부(113a)가 내부플랩(112)의 표면을 밀어 함께 개방시키므로, 외부플랩(111)과 내부플랩(112)이 일체로 개방되어 공기가 원활하게 흐를 수 있게 된다.

물론, 상온에서의 시동임을 판정할 경우에도 제1구동모터(121)와 제2구동모터(122)를 동시에 구동시키는 것이 가능하다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

본 실시예는 구동모터를 1개만 사용한 경우로서, 내부플랩(112)의 회전축(114)에 직결된 구동모터(123)만이 설치되어 구성된다.

그리고, 외부플랩(111)의 회전축(113)과 내부플랩(112)의 회전축(114) 사이에는 제1스프링부재(124)가 설치되어 내부플랩(112)의 회전축(114)에서 외부플랩(111)의 회전축(113)이 탄력 지지되고, 외부플랩(111)의 회전축(113)이 배관(101) 외측의 고정부(102) 사이에 설치된 제2스프링부재(125)에 의해 탄력 지지된다.

상기와 같이 외부플랩(111)의 회전축(113)과 내부플랩(112)의 회전축(114) 사이에 제1스프링부재(124)가 설치되고 외부플랩(111)의 회전축(113)이 배관(101) 외부에서 제2스프링부재(125)에 의해 탄력지지되는 것을 제외하고는, 도 3의 실시예 구성과 차이가 없다.

상기 제1스프링부재(124)와 제2스프링부재(125)로는 각각 코일스프링이 사용될 수 있고, 제2스프링부재(125)는 열림상태의 외부플랩(111)을 닫힘상태로 복원 회전시키기 위해 외부플랩(111)의 회전축(113)에 탄성력을 제공하게 되며, 제2스프링부재(125)의 탄성력에 의해 외부플랩(111)의 회전축(113)이 개방시와 반대로 역 회전되면서 외부플랩(111)이 닫힘상태로 복원되게 된다.

상기 제1스프링부재(124)는 외부플랩(111)과 내부플랩(112) 양측의 회전축(113,114) 간을 연결하여 잡아주는 부재로서, 제1스프링부재(124)는 구동모터(123)에 의해 내부플랩(112)이 회전될 때 외부플랩(111)이 함께 회전되도록 외부플랩(111)의 회전축(113)을 잡아주는 역할을 한다. 상기 제1스프링부재(124)에 의해 연결된 두 플랩의 회전축(113,114)이 함께 회전되도록 하는 것이다.

이때, 상기 제1스프링부재(124)의 스프링력이 양측 회전축(113,114) 및 플랩(111,112)을 함께 회전되도록 잡아주게 되므로, 구동모터(123)의 구동으로 내부플랩(112)이 회전되어 열리게 될 때, 내부플랩(112)의 회전축(114)으로부터 상기 제1스프링부재(124)를 통해 외부플랩(111)의 회전축(113)으로 회전력이 전달되면서, 두 플랩(111,112)이 함께 회전되게 되고, 두 플랩이 모두 열린 상태로 배관(101)의 유로가 열리게 된다.

위에서 외부플랩(111)이 열리는 동안 제2스프링부재(125)의 스프링력을 극복하여 외부플랩(111)의 회전축(113)이 회전되므로, 이때 상기 제2스프링부재(125)가 탄성력을 가지도록 변형되고, 이후 구동모터(123)가 밸브닫힘 방향으로 회전될 때에는 내부플랩(112)이 닫히면서 제1스프링부재(124)의 스프링력(두 회전축을 일체 로 잡아주는 힘)과 더불어, 제2스프링부재(124)의 탄성력에 의해 외부플랩(111)이 닫힘상태로 복원 회전되게 된다.

하지만, 외부플랩(111)이 결빙에 의해 배관(101)에 고착된 상태에서는 구동모터(123)의 회전시 내부플랩(112)만이 회전되는데, 이때 외부플랩(111)의 회전축(113)은 고정된 상태에서 제1스프링부재(124)를 통해 연결된 내부플랩(112)의 회전축(114)만이 회전될 수 있으므로, 제1스프링부재(124)가 탄성을 가지도록 변형되면서 내부플랩(112)만이 완전히 개방되는 위치까지 회전될 수 있게 된다.

결국, 스택의 입, 출구 쪽 공기차단밸브에 적용하는 경우, 외부플랩(111)이 결빙된 상태에서도 내부플랩(112)만이 회전되어 유로를 열어줄 수 있고, 결국 공기가 공급되어 연료전지 스택의 운전이 가능해진다.

시동 후에는 연료전지 스택에서 열이 발생하게 되므로 고온의 공기가 스택 출구 쪽으로 나오게 되고, 스택 입구로 공급되는 공기 역시 가습기에서 수분과 함께 열을 공급받으므로 어느 정도 승온이 이루어지는 바, 입, 출구 쪽의 플랩 밸브가 모두 해빙되고 나면 제1스프링부재(124)의 탄성력에 의해 외부플랩(111)도 열리는 방향으로 회전되어 유로를 열어주게 된다.

이때 외부플랩(111)이 제2스프링부재(125)의 스프링력을 극복하고 제1스프링부재(124)의 탄성력에 의해 회전되어야 하고, 또한 위의 설명에서 외부플랩(111)이 결빙에 의해 배관(101)에 고착되어 있지 않았을 때도 외부플랩(111)이 제2스프링부재(125)의 스프링력을 극복하고 제1스프링부재(124)의 스프링력에 의해 내부플랩(112)과 함께 회전되어야 하므로, 이를 위해서는 두 스프링부재의 스프링 강성 등이 적절히 설계됨이 마땅하다.

이와 같이 하여, 상술한 본 발명의 밸브기구(100)를 적용하는 경우, 밸브 결빙시에도 배관(101)의 유로를 개방하므로 프리히팅을 위한 고가의 히터장치가 필요 없게 되고, 이에 차량의 원가 절감이 가능해지게 된다.

이러한 본 발명의 밸브기구(100)는 공기차단밸브 외에 연료전지 차량의 플랩 밸브 형태로 구비되는 모든 밸브에 적용이 가능하다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1과 도 2는 종래의 밸브기구가 가지는 문제점을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브기구를 도시한 정면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 밸브기구의 동작상태를 나타내는 단면도이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 밸브기구의 동작상태를 나타내는 사시도이다.

도 6은 본 발명과 종래의 밸브를 비교하여 설명하는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브기구를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 밸브기구 101 : 배관

111 : 외부플랩 112 : 내부플랩

121 : 제1구동모터 122 : 제2구동모터

124 : 제1스프링부재 125 : 제2스프링부재

Claims (10)

1. 도넛 형상의 외부플랩과, 주연부가 상기 외부플랩의 내주부에 접하도록 외부플랩 내측으로 배치되는 내부플랩으로 분리 구성된 2단 개폐 구조를 가지는 플랩 밸브와;

   상기 외부플랩과 내부플랩을 독립적으로 회전 및 개폐 구동시킬 수 있는 액츄에이터;

   를 포함하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 액츄에이터는 외부플랩의 회전축에 직결된 제1구동모터와, 내부플랩의 회전축에 직결된 제2구동모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 외부플랩의 회전축에서 내부플랩의 회전축과 중첩되는 축중첩부는 상기 내부플랩의 회전축 외측으로 배치되고,

   상기 외부플랩의 축중첩부는, 외부플랩의 배관 고착시 내부플랩만이 개방될 수 있도록, 회전되는 내부플랩이 간섭되지 않게 일측이 절개된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 외부플랩의 축중첩부는 외부플랩의 고착시 내부플랩이 90°의 완전 개방이 가능하도록 4분원의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
5. 청구항 4에 있어서,

   제1구동모터의 구동만으로 외부플랩과 내부플랩이 일체로 개방될 수 있도록 상기 축중첩부의 끝단이 외부플랩의 개방시 내부플랩의 표면을 회전방향으로 밀어주도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
6. 도넛 형상의 외부플랩과, 주연부가 상기 외부플랩의 내주부에 접하도록 외부플랩 내측으로 배치되는 내부플랩으로 분리 구성된 2단 개폐 구조의 플랩 밸브와;

   상기 내부플랩을 회전 및 개폐 구동시킬 수 있는 액츄에이터와;

   상기 외부플랩의 회전축과 상기 내부플랩의 회전축 사이에 설치되어 외부플 랩과 내부플랩이 함께 회전되도록 하는 스프링력을 제공하며, 외부플랩의 고착시에는 내부플랩만이 개방될 수 있도록 변형되는 스프링부재;

   를 포함하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 외부플랩의 회전축은 배관의 고정부 사이에 설치된 제2스프링부재에 의해 탄력 지지되고, 상기 제2스프링부재는 외부플랩을 닫힘상태로 복원 회전시키기 위한 탄성력을 상기 외부플랩의 회전축에 제공하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
8. 청구항 6에 있어서,

   상기 액츄에이터는 내부플랩의 회전축에 직결된 구동모터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
9. 청구항 6에 있어서,

   상기 외부플랩의 회전축에서 내부플랩의 회전축과 중첩되는 축중첩부는 상기 내부플랩의 회전축 외측으로 배치되고,

   상기 외부플랩의 축중첩부는, 외부플랩의 배관 고착시 내부플랩만이 개방될 수 있도록, 회전되는 내부플랩이 간섭되지 않게 일측이 절개된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 외부플랩의 축중첩부는 외부플랩의 고착시 내부플랩이 90°의 완전 개방이 가능하도록 4분원의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 밸브기구.

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