KR20110109378A - Hydrogen recirculation ejector for fuel cell - Google Patents

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장석영
김현중
홍창욱
문종훈
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Abstract

본 발명은 이젝터 자체에 체크밸브 기능을 구비함으로써, 부품수를 저감하고 부피와 중량을 크게 저감시킬 수 있도록 하며, 재순환가스의 유동시 압력강하에 따른 손실이 극소화 되도록 함으로써, 수소 재순환 이젝터의 성능을 크게 향상시킬 수 있도록 한 연료전지의 수소 재순환 이젝터를 제공한다.The present invention provides a check valve function in the ejector itself, thereby reducing the number of parts, greatly reducing the volume and weight, and minimizing the loss due to pressure drop during the flow of recycle gas, thereby improving the performance of the hydrogen recycle ejector. A hydrogen recycle ejector for a fuel cell is provided that can be greatly improved.

Description

연료전지의 수소 재순환 이젝터{Hydrogen Recirculation Ejector for Fuel Cell}Hydrogen Recirculation Ejector for Fuel Cell

본 발명은 연료전지에 수소를 공급하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 스택에서 반응이 이루어지지 않은 수소를 다시 스택으로 재순환시키도록 하는 수소 재순환 이젝터에 관한 기술이다.The present invention relates to an apparatus for supplying hydrogen to a fuel cell, and more particularly, to a hydrogen recycle ejector for recycling hydrogen that has not been reacted in a stack of a fuel cell back to the stack.

연료전지의 스택에는 전지반응에 필요한 수소를 계속해서 공급하게 되는데, 공급된 수소는 스택에서 100%의 화학반응을 일으키지는 못한다. 따라서 전지반응에 필요한 수소의 양보다 더 많은 양의 수소를 스택에 공급해야 한다. The fuel cell stack continues to supply hydrogen for the cell reaction, which does not cause 100% chemical reaction in the stack. Therefore, more hydrogen should be supplied to the stack than the amount of hydrogen required for the cell reaction.

스택에서 전지반응에 사용되고 남은 수소는 시스템의 효율을 높이기 위하여, 상기 스택으로 재순환 공급하도록 하는데, 상기와 같은 수소의 재순환을 위해서는 스택을 통과하면서 감압된 잉여 수소를 스택으로 재순환시키기 위해 압력을 상승시켜주는 수소 재순환 이젝터가 사용된다.The remaining hydrogen used for the cell reaction in the stack is recycled to the stack in order to increase the efficiency of the system.In order to recycle the hydrogen, the pressure is increased to recycle the surplus hydrogen decompressed to the stack while passing through the stack. Note that a hydrogen recycle ejector is used.

상기 이젝터는 고압의 수소를 노즐을 이용하여 분사시켜서, 재순환가스와 혼합되는 부분인 챔버의 압력을 크게 낮춤으로써, 스택의 잉여 수소가 상기 재순환가스로서 상기 챔버로 유입되도록 하고, 상기 노즐을 통한 순수 수소와 함께 혼합되어 다시 스택의 입구로 공급되도록 한다.The ejector injects high-pressure hydrogen by using a nozzle, thereby greatly reducing the pressure of the chamber, which is a portion mixed with the recycle gas, to allow excess hydrogen in the stack to flow into the chamber as the recycle gas, and the pure water through the nozzle. It is mixed with hydrogen and fed back to the inlet of the stack.

상기와 같은 이젝터에는 체크밸브가 구비되는데, 상기 체크밸브는 스택으로부터 잉여 수소를 포함한 재순환가스가 이젝터를 향해서만 흐를 수 있도록 하고, 그 반대방향의 유동을 제한하여, 연료전지 수소공급시스템의 가스 퍼지시나, 차량 이상 작동시 수소가스가 이젝터의 재순환흡입구로 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다.The ejector is provided with a check valve, which allows the recycle gas containing excess hydrogen from the stack to flow only toward the ejector and restricts flow in the opposite direction, thereby purging the gas in the fuel cell hydrogen supply system. In order to prevent backflow of hydrogen gas into the recirculation intake of the ejector during operation of a vehicle or a vehicle.

도 1은 종래의 수소 재순환 이젝터(500)와 여기에 장착된 체크밸브(502)를 도시한 것으로서, 이젝터(500)에는 상술한 바와 같이 순수한 수소가 공급되는 입구(504)와, 노즐(506)이 구비되고, 재순환가스가 공급되는 재순환흡입구(514)가 있으며, 재순환가스와 순수 수소가 혼합되는 챔버(508)와, 혼합된 가스가 스택으로 공급되도록 배출되는 출구(510)가 구비되어 있고, 상기 재순환흡입구(514) 상류측에는 체크밸브(502)가 구비되어, 상기 챔버(508)로부터 스택으로 가스의 역류가 발생하는 것을 방지하도록 되어 있다.FIG. 1 shows a conventional hydrogen recirculation ejector 500 and a check valve 502 mounted therein, the inlet 504 of which pure hydrogen is supplied to the ejector 500 as described above, and the nozzle 506. Is provided, there is a recirculation suction inlet 514 is supplied with the recycle gas, the chamber 508 is mixed with the recycle gas and pure hydrogen, and the outlet 510 is discharged so that the mixed gas is supplied to the stack, A check valve 502 is provided upstream of the recirculation suction port 514 to prevent backflow of gas from the chamber 508 to the stack.

그런데, 상기한 바와 같은 체크밸브(502)는 상기 이젝터(500)에 부가적으로 조립되는 기성품으로서, 그 부피가 크고 별도의 부품으로서 부품수를 증가시키게 되며, 중량이 큰 단점이 있다.However, the check valve 502 as described above is an off-the-shelf product that is additionally assembled to the ejector 500, the volume of which is increased and the number of parts as a separate component, the weight is disadvantageous.

또한, 체크밸브(502)의 기능을 수행하기 위한 스프링(512)의 장력으로 인하여 재순환가스의 유동시 상대적으로 큰 압력강하를 초래하여 궁극적으로는 이젝터(500)의 손실로 작용하는 문제점이 있다.In addition, due to the tension of the spring 512 to perform the function of the check valve 502 there is a problem that causes a relatively large pressure drop during the flow of the recycle gas to ultimately act as a loss of the ejector 500.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 상황을 고려하여 안출된 것으로서, 이젝터 자체에 체크밸브 기능을 구비함으로써, 부품수를 저감하고 부피와 중량을 크게 저감시킬 수 있도록 하며, 재순환가스의 유동시 압력강하에 따른 손실이 극소화 되도록 함으로써, 성능을 크게 향상시킬 수 있도록 한 연료전지의 수소 재순환 이젝터를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the conventional situation as described above, by providing a check valve function in the ejector itself, it is possible to reduce the number of parts, greatly reduce the volume and weight, and the pressure drop during the flow of the recycle gas It is an object of the present invention to provide a hydrogen recycle ejector of a fuel cell that can greatly improve the performance by minimizing the loss caused by the present invention.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지의 수소 재순환 이젝터는 Hydrogen recycle ejector of the fuel cell of the present invention for achieving the above object is

내부에 재순환가스와 수소가 혼합되는 공간인 챔버가 구비된 챔버바디와;A chamber body having a chamber that is a space in which a recycle gas and hydrogen are mixed;

상기 챔버바디에 결합되어 재순환가스를 상기 챔버의 내부로 공급할 수 있도록 하는 재순환흡입구를 형성하는 재순환니플과;A recycling nipple coupled to the chamber body to form a recycling suction port for supplying a recycling gas into the chamber;

상기 재순환니플과 상기 챔버바디의 결합부 사이에 개재되어, 자체적인 탄성변형에 의해 상기 재순환니플의 재순환흡입구를 개폐하는 탄성판막과;An elastic valve interposed between the recycling nipple and the coupling portion of the chamber body to open and close the recycling suction port of the recycling nipple by its own elastic deformation;

상기 탄성판막이 상기 재순환흡입구로부터 상기 챔버를 향한 유체의 유동만 허용하도록, 상기 탄성판막의 변형방향을 제한하도록 구비된 변형제한체;A deformation limiter provided to limit the deformation direction of the elastic valve so that the elastic valve only permits the flow of fluid from the recirculation suction port to the chamber;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Characterized in that configured to include.

본 발명은 이젝터 자체에 체크밸브 기능을 구비함으로써, 부품수를 저감하고 부피와 중량을 크게 저감시킬 수 있도록 하며, 재순환가스의 유동시 압력강하에 따른 손실이 극소화 되도록 함으로써, 수소 재순환 이젝터의 성능을 크게 향상시킬 수 있도록 한다.The present invention provides a check valve function in the ejector itself, thereby reducing the number of parts, greatly reducing the volume and weight, and minimizing the loss due to pressure drop during the flow of recycle gas, thereby improving the performance of the hydrogen recycle ejector. Make great improvements.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지의 수소 재순환 이젝터를 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 수소 재순환 이젝터의 분해사시도,
도 3은 도 2의 이젝터를 조립한 상태에서 절단한 단면도,
도 4는 도 3의 이젝터의 작용을 설명한 도면이다.1 is a view illustrating a hydrogen recycle ejector of a fuel cell according to the prior art;
2 is an exploded perspective view of a hydrogen recycle ejector of a fuel cell according to the present invention;
FIG. 3 is a cross-sectional view of the ejector of FIG. 2 assembled; FIG.
4 is a view for explaining the operation of the ejector of FIG.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명 실시예는 내부에 재순환가스와 수소가 혼합되는 공간인 챔버(1)가 구비된 챔버바디(3)와; 상기 챔버바디(3)에 결합되어 재순환가스를 상기 챔버(1)의 내부로 공급할 수 있도록 하는 재순환흡입구(5)를 형성하는 재순환니플(7)과; 상기 재순환니플(7)과 상기 챔버바디(3)의 결합부 사이에 개재되어, 자체적인 탄성변형에 의해 상기 재순환니플(7)의 재순환흡입구(5)를 개폐하는 탄성판막(9)과; 상기 탄성판막(9)이 상기 재순환흡입구(5)로부터 상기 챔버(1)를 향한 유체의 유동만 허용하도록, 상기 탄성판막(9)의 변형방향을 제한하도록 구비된 변형제한체(11)를 포함하여 구성된다.
2 to 4, an embodiment of the present invention includes a chamber body 3 having a chamber 1 that is a space in which a recycle gas and hydrogen are mixed; A recycling nipple (7) coupled to the chamber body (3) to form a recycling suction port (5) for supplying the recycling gas into the chamber (1); An elastic valve (9) interposed between the recirculation nipple (7) and the coupling portion of the chamber body (3) to open and close the recirculation suction opening (5) of the recirculation nipple (7) by its own elastic deformation; And a deformation restrictor 11 provided to limit the deformation direction of the elastic valve 9 so that the elastic valve 9 only permits the flow of fluid from the recirculation suction port 5 toward the chamber 1. It is configured by.

본 실시예에서, 상기 재순환니플(7)은 상기 챔버바디(3)의 내부로 나사결합되는 나사결합부(13)가 구비되고, 상기 탄성판막(9)은 상기 재순환니플(7)의 나사결합부(13) 선단과 상기 챔버바디(3) 사이에 개재되며, 상기 변형제한체(11)는 상기 나사결합부(13)와 상기 탄성판막(9) 사이에 개재된 구조로 하였다.
In this embodiment, the recirculation nipple 7 is provided with a screw coupling portion 13 which is screwed into the interior of the chamber body 3, the elastic valve 9 is a screw coupling of the recirculation nipple (7) It is interposed between the front end of the part 13 and the chamber body 3, and the deformation restrictor 11 has a structure interposed between the screw coupling portion 13 and the elastic valve (9).

즉, 상기 재순환흡입구(5)를 형성하면서 상기 챔버바디(3)에 나사결합되는 상기 재순환니플(7)의 선단과 상기 챔버바디(3) 사이에 상기 탄성판막(9)과 변형제한체(11)를 설치함으로써, 종래의 체크밸브의 기능을 상기 챔버바디(3) 내에서 상기 탄성판막(9)과 변형제한체(11)가 수행하도록 한 것이다.
That is, the elastic valve 9 and the strain limiting member 11 are formed between the front end of the recycling nipple 7 and the chamber body 3 which are screwed to the chamber body 3 while forming the recycling suction port 5. ), The elastic valve 9 and the deformation restrictor 11 perform the function of the conventional check valve in the chamber body 3.

상기 탄성판막(9)은 원형판의 내부에 원호형 절개부(15)가 구비되어, 상기 절개된 내측부분이 나머지 부분에 대하여 탄성적으로 변형되도록 형성되고, 상기 변형제한체(11)는 상기 탄성판막(9)의 일측면에 밀착되어, 상기 탄성판막(9)의 절개된 내측부분이 일측으로 탄성변형되어 형성하는 통로와 연통되는 연통구멍(17)이 구비되되, 상기 탄성판막(9)의 절개된 부분이 타측으로 변형되는 것을 제한하도록 형성된 제한부(19)를 구비한 링형상으로 형성된 구조이다.
The elastic valve membrane (9) is provided with an arc-shaped cutout (15) in the interior of the circular plate, the inner portion is formed to be elastically deformed with respect to the remaining portion, the deformation limiting member (11) is the elastic A communication hole 17 is provided, which is in close contact with one side of the valve 9 and communicates with a passage formed by elastically deforming an inner portion of the elastic valve 9 to one side. It is a structure formed in the shape of a ring with a restricting portion 19 formed to limit the deformation of the cut portion to the other side.

상기 탄성판막(9)은, 고무나 실리콘 등의 재질로 구성되어 외력이 가해지지 않은 상태에서는 단일평판 형상을 이루다가, 양쪽의 압력차가 발생하면, 상기 절개부(15)가 탄성적으로 변형되어 유로를 형성할 수 있도록 구성된다.
The elastic valve film 9 is made of a material such as rubber or silicone, and forms a single flat plate in a state where no external force is applied. When the pressure difference between both sides occurs, the cutout part 15 is elastically deformed. It is comprised so that a flow path may be formed.

따라서, 상기 탄성판막(9)은 상기 챔버(1)의 내부와 스택 사이의 압력 차이에 의해 용이하게 변형되며, 종래와 같이 체크밸브를 이루는 스프링에 의한 압력강하가 발생하지 않아, 이젝터의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
Therefore, the elastic valve 9 is easily deformed by the pressure difference between the inside of the chamber 1 and the stack, and the pressure drop due to the spring forming the check valve does not occur as in the prior art, thereby improving the efficiency of the ejector. To improve.

한편, 상기 챔버바디(3)의 일측에는 순수한 수소가스를 공급할 수 있는 수소입구(21)및 노즐(23)이 장착되어, 상기 노즐(23)에서 분출되는 수소가 상기 챔버(1) 내에서 상기 재순환흡입구(5)와 탄성판막(9)을 통과한 재순환가스와 혼합되어, 상기 챔버바디(3)의 타측에 구비되는 출구(25)를 통해 다시 연료전지의 스택으로 공급되도록 되어 있다.
Meanwhile, one side of the chamber body 3 is equipped with a hydrogen inlet 21 and a nozzle 23 capable of supplying pure hydrogen gas, so that hydrogen ejected from the nozzle 23 is discharged in the chamber 1. It is mixed with the recirculation gas passing through the recirculation suction port 5 and the elastic plate 9, and is supplied to the stack of the fuel cell through the outlet 25 provided on the other side of the chamber body 3.

상기 노즐(23)에서 수소가 분출되지 않는 동안에는, 도 4의 상측에 도시된 바와 같이 상기 탄성판막(9)이 상기 챔버(1)로부터 수소가 스택으로 역류하는 것을 방지하도록 하며, 상기 노즐(23)에서 수소가 분출되도록 하여, 상기 챔버(1)의 압력이 상대적으로 낮아지게 하면, 상기 탄성판막(9)이 도 4의 하측에 도시된 바와 같이 열려서, 스택으로부터의 재순환가스를 상기 챔버(1) 내부로 유입시켜서, 상기 분출되는 수소와 혼합되어 상기 출구(25)로 공급되게 한다.
While hydrogen is not ejected from the nozzle 23, the elastic membrane 9 prevents hydrogen from flowing back from the chamber 1 into the stack as shown above in FIG. 4, and the nozzle 23. In this case, the hydrogen is ejected from the chamber 1 so that the pressure in the chamber 1 is relatively lowered. Then, the elastic valve 9 is opened as shown in the lower side of FIG. 4, and the recycle gas from the stack is discharged. ) To be mixed with the ejected hydrogen and supplied to the outlet 25.

상기와 같이 이젝터를 이루는 챔버바디(3) 자체 내에 상기 탄성판막(9)과 변형제한체(11)로 체크밸브 기능을 구비함으로써, 부품수를 저감하고 부피와 중량을 크게 저감시킬 수 있도록 하며, 재순환가스의 유동시 압력강하에 따른 손실이 극소화 되도록 함으로써, 수소 재순환 이젝터의 성능이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.By providing a check valve function as the elastic valve (9) and the strain limiting member (11) in the chamber body (3) itself forming the ejector as described above, it is possible to reduce the number of parts and to greatly reduce the volume and weight, By minimizing the loss due to the pressure drop during the flow of the recycle gas, it is possible to obtain an effect of greatly improving the performance of the hydrogen recycle ejector.

1; 챔버
3; 챔버바디
5; 재순환흡입구
7; 재순환니플
9; 탄성판막
11; 변형제한체
13; 나사결합부
15; 절개부
17; 연통구멍
19; 제한부
21; 수소입구
23; 노즐
25; 출구
One; chamber
3; Chamber body
5; Recirculation Intake
7; Recycle Nipple
9; Elastic valve
11; Strain limit
13; Screw joint
15; Incision
17; Communication hole
19; Limited
21; Hydrogen inlet
23; Nozzle
25; exit

Claims (4)

내부에 재순환가스와 수소가 혼합되는 공간인 챔버가 구비된 챔버바디와;
상기 챔버바디에 결합되어 재순환가스를 상기 챔버의 내부로 공급할 수 있도록 하는 재순환흡입구를 형성하는 재순환니플과;
상기 재순환니플과 상기 챔버바디의 결합부 사이에 개재되어, 자체적인 탄성변형에 의해 상기 재순환니플의 재순환흡입구를 개폐하는 탄성판막과;
상기 탄성판막이 상기 재순환흡입구로부터 상기 챔버를 향한 유체의 유동만 허용하도록, 상기 탄성판막의 변형방향을 제한하도록 구비된 변형제한체;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 재순환 이젝터.A chamber body having a chamber that is a space in which a recycle gas and hydrogen are mixed;
A recycling nipple coupled to the chamber body to form a recycling suction port for supplying a recycling gas into the chamber;
An elastic valve interposed between the recycling nipple and the coupling portion of the chamber body to open and close the recycling suction port of the recycling nipple by its own elastic deformation;
A deformation limiter provided to limit the deformation direction of the elastic valve so that the elastic valve only permits the flow of fluid from the recirculation suction port to the chamber;
Hydrogen recycle ejector of the fuel cell, characterized in that configured to include. 청구항 1에 있어서,
상기 재순환니플은 상기 챔버바디의 내부로 나사결합되는 나사결합부가 구비되고;
상기 탄성판막은 상기 재순환니플의 나사결합부 선단과 상기 챔버바디 사이에 개재되며;
상기 변형제한체는 상기 나사결합부와 상기 탄성판막 사이에 개재된 것
을 특징으로 하는 연료전지의 수소 재순환 이젝터.The method according to claim 1,
The recycling nipple is provided with a screw coupling portion screwed into the chamber body;
The elastic valve is interposed between the tip of the threaded portion of the recirculation nipple and the chamber body;
The deformation limiter is interposed between the screw coupling portion and the elastic valve
Hydrogen recycle ejector of a fuel cell, characterized in that. 청구항 2에 있어서,
상기 탄성판막은 원형판의 내부에 원호형 절개부가 구비되어, 상기 절개된 내측부분이 나머지 부분에 대하여 탄성적으로 변형되도록 형성되고;
상기 변형제한체는 상기 탄성판막의 일측면에 밀착되어, 상기 탄성판막의 절개된 내측부분이 일측으로 탄성변형되어 형성하는 통로와 연통되는 연통구멍이 구비되되, 상기 탄성판막의 절개된 부분이 타측으로 변형되는 것을 제한하도록 형성된 제한부를 구비한 링형상으로 형성된 것
을 특징으로 하는 연료전지의 수소 재순환 이젝터The method according to claim 2,
The elastic valve is provided with an arcuate incision inside the circular plate, the inner portion is formed to be elastically deformed with respect to the remaining portion;
The strain limiting body is in close contact with one side of the elastic valve, the communication inner hole is provided with a communication hole in communication with the passage formed by elastically deformed to one side, the cut portion of the elastic valve other Formed in a ring shape with a restricting portion formed to limit deformation to the side
Hydrogen recycle ejector of fuel cell, characterized in that 청구항 1 내지 청구항 3항 중 어느 한 항의 수소 재순환 이젝터를 구비한 연료전지.

A fuel cell comprising the hydrogen recycle ejector of any one of claims 1 to 3.

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