KR20130063828A - 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 작동 중지시 스택으로 산소가 유입되는 시간이 지연되고, 배기관 내의 응축수 처리 부하를 경감시키는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조는, 연료전지 스택(10)의 애노드(11)와 캐소드(12)에 응축수 배출라인이 각각 연결되어, 상기 연료전지 스택(10)에서 발생하는 응축수를 외부로 배출하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 있어서, 상기 애노드(11)에서 배출된 응축수를 포집하는 워터트랩(21)과, 상기 워터트랩(21)의 후단에 연결되어, 상기 워터트랩(21)에 응축수가 모이면 상기 응축수를 외부로 배출시키는 배출밸브(22)와, 상기 캐소드(12)에서 배출되는 응축수가 모이는 가습기(31)와, 상기 가습기(31)의 일단이 연결되어 외부로 공기를 배출시키고, 상기 가습기(31)와 인접하게 배치되어 공기배출을 단속하는 에어컷밸브(42)가 구비된 배기관(41)을 포함한다.

Description

연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조{Condensate water drain structure for fuel cell stack in fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량에서 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 작동 중지시 스택으로 산소가 유입되는 시간이 지연되고, 배기관 내의 응축수 처리 부하를 경감시키는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 관한 것이다.

친환경 자동차인 연료전지 차량은 연료전지를 에너지원으로 하여, 상기 연료전지에서 발생한 전력을 이용하여 구동모터를 구동시켜 주행이 가능토록 하는 차세대 자동차이다.

이러한 연료전지 차량이 주행에 필요한 전력을 발생시키기 위해서 연료전지의 스택에서는 응축수가 발생하고, 안정적으로 연료전지가 작동되도록 하기 위해서, 연료전지 스택에서 발생한 응축수를 외부로 배출해주어야 한다.

도 1 및 도 2를 참조로 하여, 종래기술에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조를 살펴보면, 연료전지의 스택(110)의 애노드(111)에서 발생한 응축수는 우선 워터트랩(121)에 일단 포집된 후, 일정량에 도달하면 배출밸브(122)를 개방시켜 가습기(131)로 유입되고, 캐소드(112)에서 발생한 응축수는 바로 가습기(131)로 유입된다.

상기와 애노드(111)와 캐소드(112)에서 발생한 응축수는 가습기(131)에서 외부로 배출되는 공기와 함께 배기관(141)을 통해 배출되다가, 배기관(141)에 형성된 드레인(143, 144)을 통해 외부로 배출된다. 상기 배기관(141)에는 복수, 대체로 2개의 드레인(143, 144)이 형성되고, 상기 가습기(131)와 첫번째 드레인(143) 사이에 배기관(141)의 타단 또는 드레인(143, 144)을 통하여 산소가 역으로 스택(110)으로 유입되는 것을 차단하는 에어컷밸브(142)가 구비된다.

상기 에어컷밸브(142)는 가습기(131)와 첫 번째 드레인(143) 사이에 구비되어, 스택(110)에서 외부로 배기되는 공기를 단속하는데, 연료전지의 작동 중지와 상기 에어컷밸브(142)의 폐쇄 사이에는 연료전지의 배기를 위해 지연시간이 존재하는데, 상기 지연시간동안 배기관(141)의 단부 또는 드레인(143, 144)을 통하여 산소가 포함된 외부의 공기가 역류하는 현상이 발생한다. 특히, 상기 에어컷밸브(142)에 가장 인접한 드레인(143)은 상기 에어컷밸브(142)와 거리가 상대적으로 가까워서 이 부분을 통하여 스택(110)의 내부로 산소가 유입되어, 스택(110)의 열화를 가속시키는 문제점이 있다.

또한, 상기 배기관(141)을 통하여 공기와 응축수가 동시에 이동하다가, 드레인(143, 144)을 통하여 배출되는 것으로서, 초기에 응축수와 공기를 함께 공급해야 하기 때문에, 그 만큼 부하가 더 소요되는 문제점도 있다.

아울러, 배기관(141)의 타단에서 배출되는 공기는 다습한 상태이므로, 배출공기에 포함된 수분에 의해서 배기관(141)의 타단에 인접하게 배치된 부품의 전기적 안정성을 떨어뜨리기도 한다.

한편, 하기의 선행기술문헌은 '자동차용 연료전지 스택의 응축수 배출장치'에 관한 것으로, 연료전지 스택의 운전시에 애노드 출구에서 생성되는 물을 효과적으로 배출하기 위하여 수소 배출라인에 응축수 배출장치를 설치하되, 상기 수소 배출라인을 응축수 배출장치의 리저버 내에서 분리시켜 반응기체가 리저버를 통과하면서 응축수가 자동으로 제거되도록 하는 자동차용 연료전지 스택의 응축수 배출장치에 관한 기술이 개시되어 있다.

KR 10-0897117 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 연료전지의 작동이 중지하더라도 연료전지스택으로 외부의 산소가 역류하여 유입되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기시 응축수의 배출에 필요한 부하를 경감시킬 수 있는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조는, 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 응축수 배출라인이 각각 연결되어, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 응축수를 외부로 배출하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 있어서, 상기 애노드에서 배출된 응축수를 포집하는 워터트랩과, 상기 워터트랩의 후단에 연결되어, 상기 워터트랩에 응축수가 모이면 상기 응축수를 외부로 배출시키는 배출밸브와, 상기 캐소드에서 배출되는 응축수가 모이는 가습기와, 상기 가습기의 일단이 연결되어 외부로 공기를 배출시키고, 상기 가습기와 인접하게 배치되어 공기배출을 단속하는 에어컷밸브가 구비는 것을 포함한다.

상기 가습기와 연료전지 스택 사이에는 가습기에서 가습된 공기를 연료전지 스택으로 리턴시키는 리턴라인이 구비되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가습기와 석션라인으로 연결되어 상기 가습기의 내부에 모인 응축수를 석션하여 가습하여 이젝터라인을 통해 상기 가습기로 공급하는 이젝터와, 상기 이젝터에 상기 이젝터로 석션라인을 통해 유입된 응축수가 석션되어 가습되도록 상기 이젝터로 가압된 공기를 공급하는 공기공급수단이 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 공기공급수단은 압축기 또는 블로워 중 어느 하나가 되도록 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 따르면, 배기관에 드레인이 삭제됨으로써, 연료전지의 작동 중지시 드레인을 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 외부 공기의 유입시간을 지연시킬 수 있다. 상기와 같이, 외부 공기의 유입시간이 지연되면, 연료전지의 스택으로 산소가 유입되어 연료전지의 내구성이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 애노드와 캐소드의 응축수 배출라인을 독립적으로 구성하고, 애노드 측의 배출라인에서 발생하는 응축수를 직접 외부로 배출함으로서, 배기관에서 배출 처리해야 하는 부하를 경감시킨다.

아울러, 고온 다습한 배기관 측의 공기를 재활용하여, 스택으로 공급되는 공기를 가습시킬 수 있다.

그리고, 배기관에서 최종적으로 배출되는 공기에 포함되는 수분이 감소되어, 배기관의 단부에 구비되는 전장품의 전기적 안정성을 향상시킨다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조,
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에서 배기관을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조를 도시한 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조를 상세히 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조는, 스택(10)의 애노드(11)에서 배출된 응축수를 포집하는 워터트랩(21)과, 상기 워터트랩(21)의 후단에 연결되어, 상기 워터트랩(21)에 응축수가 모이면 상기 응축수를 외부로 배출시키는 배출밸브(22)와, 상기 캐소드(12)에서 배출되는 응축수가 모이는 가습기(31)와, 상기 가습기(31)의 일단이 연결되어 외부로 공기를 배출시키고, 상기 가습기(31)와 인접하게 배치되어 공기배출을 단속하는 에어컷밸브(42)가 구비된 배기관(41)을 포함하고, 상기 가습기(31)의 일측으로 석션라인(35)으로 연결되는 이젝터(33)와, 상기 이젝터(33)로 가압된 공기를 공급하는 공기공급수단(34)를 구비하고, 공기공급수단(34)에서 이젝터(33)로 가압된 공기를 공급하면 가습된 공기가 상기 가습기(31)와 스택(10)사이에 리턴라인(32)을 통하여 스택(10)의 내부로 공급된다.

연료전지 스택(10)의 애노드(11)와 캐소드(12)에는 각각 응축수를 배출할 수 있는 응축수 배출라인이 구비되고, 서로 독립적으로 응축수를 처리하도록 구성된다.

상기 애노드(11)측에 연결되는 응축수 배출라인에는 워터트랩(21)과 배출밸브(22)가 구비된다.

워터트랩(21)은 상기 응축수 배출라인을 통하여 배출되는 응축수를 포집한다. 상기 워터트랩(21)에 일정량의 응축수가 포집되면, 상기 워터트랩(21)의 후단에 연결된 배출밸브(22)를 개방시켜 워터트랩(21)의 내부에 포집된 응축수를 직접 외부로 배출시킨다.

상기 캐소드(12)측에 연결되는 응축수 배출라인은 가습기(31)로 연결된다. 상기 가습기는 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기를 가습하여 연료전지의 작동에 필요한 수분을 공급하는 역할을 한다. 따라서, 상기 캐소드(12)로부터 배출된 응축수를 가습기(31)에서 포집하고, 포집된 응축수를 이용하여 공기를 가습하도록 한다.

상기 가습기(31)와 연료전지 스택(10) 사이에는 리턴라인(32)이 구비되어, 상기 가습기(31)에서 가습된 공기가 연료전지 스택(10)으로 공급되도록 한다.

상기 캐소드(12)에 연결된 응축수 배출라인에는 공기와 수분이 혼합되어 배출되는 바, 수분은 상기 가습기(31)에서 포집하되, 공기는 외부로 배출시켜야 한다.

배기관(41)은 상기 가습기(31)의 일측에 연결되어, 연료전지 스택(10)에서 외부로 배출시켜야 하는 공기를 상기 배기관(41)을 통하여 외부로 배출된다. 상기 배기관(41)에는 배기를 단속하기 위해서 상기 가습기(31)와 인접하게 에어컷밸브(42)가 구비된다. 상기 에어컷밸브(42)는 연료전지가 작동 중일 때에는 개방되어 배기가 가능한 상태가 되도록 하고, 연료전지의 작동이 중지되면, 상기 에어컷밸브(42)가 배기관(41)을 폐쇄하여 배기가 되지 않도록 하고, 외부로부터 산소가 유입되는 것을 차단한다.

한편, 상기 배기관(41)에는 종래 기술과 달리 별도의 드레인은 형성되지 않고, 수분은 가습기(31)를 통하여 포집된 후, 다시 스택(10)으로 리턴되도록 한다.

이젝터(33)는 상기 가습기(31)의 일측으로 구비된다. 상기 이젝터(33)는 상기 가습기(31)의 하단과 이젝터(33)를 연결하는 석션라인(35)과, 상기 이젝터(33)에서 상기 가습기로 가압 및 가습된 공기를 공급하는 이젝터라인(36)을 통하여 연결된다. 상기 이젝터(33)는 차압과 유속에 의해 재순환력이 발생되는 기구부로서, 상기 이젝터(33)를 통하여 응축수 재순환 및 재분사를 통하여 스택으로 유입되는 공기의 습도를 향상시킨다. 상기 이젝터(33)는 상기 이젝터(33)의 일측으로 가압된 공기가 공급되어 상기 이젝터라인(36)으로 유동되도록 하면, 그 흐름과 수직한 방향으로 석션라인(35)으로부터 응축수가 셕션되도록 하여, 이젝터라인(36)으로 응축수가 분사되도록 한다.

공기공급수단(34)은 상기 이젝터(33)의 일측에 구비되어, 상기 이젝터(33)로 가압된 공기를 공급한다. 압축기, 블로워 등으로 마련되는 공기공급수단(34)이 이젝터(33)로 가압된 공기를 공급하여 이젝터라인(36)으로 공급되도록 함으로써, 석션라인(35)으로부터 응축수를 석션하여 분사되도록 함으로써, 이젝터라인(36)으로 분사된 응축수가 유동되도록 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조의 작용에 대하여 설명한다.

종래기술에서는 애노드(11)측으로부터 배출된 응축수를 캐소드(12)측에서 배출되는 응축수와 함께 처리하였으나, 본 발명에서는 애노드(11)측에서 발생한 응축수와 캐소드(12)측에서 발생한 응축수를 서로 독립적으로 처리한다.

연료전지의 작동에 의해서 애노드(11)에서 발생한 응축수는 응축수 배출라인을 통하여 워터트랩(21)에 포집되고, 상기 워터트랩(21)이 일정 수위이상으로 응축수가 포집되면 배출밸브(22)를 개방시켜 외부로 배출시킨다. 상기와 같이, 애노드(11)를 통하여 워터트랩(21)에 포집되는 애노드(11)측의 응축수는 유량이 적고 가습기(31) 내부에 머무는 시간이 짧기 때문에 가습성능에 도움을 주지 못하기 때문에 애노드(11)에 발생한 응축수는 가습기(31)로 유입시키지 않고 배출시킨다.

한편, 캐소드(12)에서 발생한 응축수는 응축수 배출라인을 통하여 가습기(31)로 보내진다. 연료전지가 작동중일 때에는 배기관(41)에 구비된 에어컷밸브(42)가 개방된 상태이므로, 연료전지로부터 배기된 공기는 배기관(41)을 통하여 외부로 배출된다.

이때, 상기 배기관(41)을 통하여 외부로 배출되는 공기는 가습기(31)에서 수분은 포집되어, 가습기(31)의 내부에 수분이 축적된다.

상기 가습기(31) 내부에 수분이 축적된 상태에서, 상기 공기공급수단(34)이 작동하면, 공기공급수단(34)-이젝터(33)-가습기(31)로 공기의 흐름이 발생하고, 상기 이젝터(33)의 내부에서 석션라인(35)을 통해 가습기(31) 하부의 응축수가 이젝터라인(36)으로 분사된다.

이젝터라인(36)을 통하여 가압, 가습된 공기가 가습기(31)의 내부로 유입되면, 외부에서 건조한 공기를 가습기(31)의 내부로 공급하였을 때보다, 가습기(31)의 내부에서 가습된 공기의 유동 분포가 개선되고, 이렇게 가습된 공기가 상기 리턴라인(32)을 통하여 스택(10)의 내부로 공급된다.

10 : 스택 11: 애노드
12 : 캐소드 21 : 워터트랩
22 : 배출밸브 31 : 가습기
32 : 리턴라인 33 : 이젝터
34 : 공기공급수단 35 : 석션라인
36 : 이젝터라인 41 : 배기관
42 : 에어컷밸브 110 : 스택
111: 애노드 112 : 캐소드
121 : 워터트랩 122 : 배출밸브
131 : 가습기 141 : 배기관
142 : 에어컷밸브 143, 144 : 드레인

Claims (4)

1. 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 응축수 배출라인이 각각 연결되어, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 응축수를 외부로 배출하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조에 있어서,
   상기 애노드에서 배출된 응축수를 포집하는 워터트랩과,
   상기 워터트랩의 후단에 연결되어, 상기 워터트랩에 응축수가 모이면 상기 응축수를 외부로 배출시키는 배출밸브와,
   상기 캐소드에서 배출되는 응축수가 모이는 가습기와,
   상기 가습기의 일단이 연결되어 외부로 공기를 배출시키고, 상기 가습기와 인접하게 배치되어 공기배출을 단속하는 에어컷밸브가 구비된 배기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가습기와 연료전지 스택 사이에는 가습기에서 가습된 공기를 연료전지 스택으로 리턴시키는 리턴라인이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가습기와 석션라인으로 연결되어 상기 가습기의 내부에 모인 응축수를 석션하여 가습하고 이젝터라인을 통해 상기 가습기로 공급하는 이젝터와,
   상기 이젝터에 상기 이젝터로 석션라인을 통해 유입된 응축수가 석션되어 가습되도록 상기 이젝터로 가압된 공기를 공급하는 공기공급수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조.
4. 제3항에 있어서,
   상기 공기공급수단은 압축기 또는 블로워 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 연료전지 스택의 응축수 배출구조.

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