KR20150078791A

KR20150078791A - 이젝터 및 이의 구동방법

Info

Publication number: KR20150078791A
Application number: KR1020130168515A
Authority: KR
Inventors: 정세권; 이현준; 노용규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-07-08
Also published as: KR101543133B1

Abstract

본 발명은 이젝터에 관한 것으로서, 수소 유입구와 수소 유출구를 구비한 1차 노즐, 1차 노즐의 외면을 감싸며 1차 노즐보다 더 큰 직경의 수소 유출구를 구비한 2차 노즐 및 2차 노즐을 1차 노즐의 수소 유출구의 반대방향으로 밀어내어 2차 노즐의 수소 유출구가 밀폐되도록 하는 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이젝터 및 이의 구동방법 {An ejector and the operating method thereof}

본 발명은 이젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입되는 수소의 압력에 따라 노즐(nozzle)이 다단으로 조절되는 이젝터에 관한 것이다.

이젝터(Ejector)는 고압의 구동 유체를 노즐로 분사시켜 그 분류주변의 저압유체와 운동량을 교환하도록 함으로써, 저압 유체를 보다 높은 압력까지 압축 및 이송하는 장치이다.

이러한 이젝터는 증기터빈(Turbin) 복수기의 추기용 펌프(Pump) 용도로 사용되기 시작하여 진공펌프, 배기펌프 및 열 압축기 등으로 그 사용범위가 확대되었으며, 최근에는 연소장치, 천연가스(Gas)장치를 비롯하여 자동차의 수소 연료 전지 시스템(System)에까지 광범위하게 활용되고 있다.

특히, 연료전지에 사용되는 이젝터는 스택에서 배출된 가스를 재순환시키는 역할을 한다.

연료전지가 전력을 생산하려면, 연료전지의 스택(Stack)에 전지반응에 필요한 수소를 계속해서 공급해야 한다. 그러나, 공급되는 수소는 스택에서 100 퍼센트(%) 화학반응을 일으키지는 못한다. 따라서, 전지반응에 필요한 수소의 양보다 더 많은 양의 수소를 스택에 공급하는 것이 일반적이다.

스택에서 전지반응에 사용되고 남은 수소는 시스템의 효율을 높이기 위하여 스택으로 재순환되는데, 이러한 재순환을 위하여 압력을 상승시켜주는 수소 재순환 이젝터가 사용된다.

이러한 수소 재순환 용도로 사용되는 이젝터에 있어서, 이젝터에 공급되는 수소의 속도가 빠를수록 재순환 양은 늘어나므로 노즐목 단면적을 되도록 적게 설계한다.

그러나, 이 경우에는 연료전지에 공급되는 최대 공급유량이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 그렇다고 하여 노즐목 단면적을 크게 형성하면 이젝터에서 공급하는 수소의 속도가 저하되므로 수소 재순환 양이 줄어들게 되는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료전지가 저출력 영역에서 작동할 때는 이젝터의 1차 노즐만 개방하여 수소 재순환량을 증가시킬 수 있는 이젝터를 제공하고자 한다.

또한, 연료전지가 고출력 영역에서 작동할 때는 이젝터의 2차 노즐도 함께 개방하여 공급되는 수소의 양을 늘릴 수 있는 이젝터를 제공하고자 한다. 이를 통해 연료전지 시스템이 운전되는 모든 영역에서 높은 효율성을 가지는 이젝터를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 수소 유입구와 수소 유출구를 구비한 1차 노즐; 상기 1차 노즐의 외면을 감싸며 상기 1차 노즐보다 더 큰 직경의 수소 유출구를 구비한 2차 노즐; 및 상기 2차 노즐을 상기 1차 노즐의 수소 유출구의 반대방향으로 밀어내어 상기 2차 노즐의 수소 유출구가 밀폐되도록 하는 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 2차 노즐의 외면을 감싸며, 상기 탄성부재가 상기 2차 노즐을 밀어내도록 지지면을 제공하는 노즐 캡;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 2차 노즐은 상기 1차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입되는 수소의 압력이 기설정된 압력치를 넘는 경우에 상기 1차 노즐의 수소 유출구 방향으로 상기 탄성부재를 밀어내면서 전방으로 이동되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 기설정된 압력치는 상기 탄성부재의 복원력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 탄성부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한,상기 1차 노즐 또는 상기 2차 노즐은 자기 윤활성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 본 발명은 수소가 유입되는 단계; 수소가 1차 노즐의 개구를 통하여 유입되고, 상기 1차 노즐의 수소 유출구를 통하여 유출되는 단계; 수소의 유입압력이 기설정된 압력치보다 높아지면, 상기 2차 노즐이 전방으로 전진하는 단계; 상기 2차 노즐이 전방으로 전진함에 따라, 상기 2차 노즐의 수소 유출구가 개방되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터 구동 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 수소 유입구와 수소 유출구를 구비한 2차 노즐; 상기 2차 노즐의 내부에 위치하며, 상기 2차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입된 수소가 유입되는 개구와 상기 2차 노즐의 수소 유출구보다 작은 직경의 수소 유출구를 구비한 1차 노즐; 및 상기 1차 노즐의 일측에 형성되어 상기 2차 노즐의 수소 유출구 방향으로 상기 1차 노즐을 밀어냄으로써, 상기 2차 노즐의 수소 유출구를 밀폐시킬 수 있는 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 탄성부재의 변형 정도를 제한하기 위하여 상기 탄성부재의 주위를 감싸도록 형성되면서, 상기 1차 노즐의 전방 및 후방 이동이 가능하도록 개구가 구비된 스토퍼;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 1차 노즐은 상기 2차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입되는 수소의 압력이 기설정된 압력치를 넘는 경우에 상기 2차 노즐의 수소 유출구의 반대방향으로 탄성부재를 밀어내면서 후방으로 이동되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 기설정된 압력치는 상기 탄성부재의 탄성력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 탄성부재는 다이아프램인 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 상기 1차 노즐 또는 상기 2차 노즐은 자기 윤활성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 이젝터를 제공한다.

또한, 본 발명은 수소가 유입되는 단계; 수소가 1차 노즐의 개구를 통하여 유입되고, 상기 1차 노즐의 수소 유출구를 통하여 유출되는 단계; 수소의 유입압력이 기설정된 압력치보다 높아지면, 상기 1차 노즐이 후방으로 후퇴하는 단계; 및 상기 1차 노즐이 후방으로 후퇴함에 따라, 2차 노즐의 수소 유출구가 개방되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터 구동 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 이젝터는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연료전지의 저출력 영역에서는 노즐목이 작은 1차 노즐을 통하여 수소를 공급하여 수소 재순환량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

둘째, 연료전지의 고출력 영역에서는 1차 노즐보다 노즐목이 큰 2차 노즐을 개방하여 1차 노즐과 함께 수소를 공급함으로써, 많은 양의 수소를 공급할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 이젝터의 전체적인 성능이 향상되는 효과가 있다.

셋째, 2차 노즐은 연료전지의 중출력 또는 고출력에서만 작동하므로 노즐이 작동하는 횟수를 최소화할 수 있어 노즐 내부 가변기구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

넷째, 1차 노즐과 2차 노즐이 하나의 노즐을 구성하도록 이루어져 있어서, 이젝터의 부피 및 중량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 1차 노즐 및 2차 노즐을 구동하기 위한 솔레노이드(Solenoid) 등 별도의 추가 액츄에이터(Actuator)가 필요 없으므로 그 구성이 간단하고 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터가 사용되는 연료전지의 전체적인 시스템의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도면 2도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 3도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터의 노즐부분을 더욱 확대하여 나타낸 도면이다.
도면 4도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터가 연료전지의 중출력 또는 고출력 영역에서 수소가 유입될 때 작동하는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터의 일실시예를 보여주는 도면이다.
도면 6도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터의 노즐 부분을 더 확대하여 나타낸 도면이다.
도면 7도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터의 2차 노즐이 개방된 상태를 보여주는 도면이다.
도면 8도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터의 스토퍼 부분을 확대하여 나타낸 부분이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터가 사용되는 연료전지의 전체적인 시스템의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.

일반적인 연료 전지 시스템은 수소 탱크(Tank)(10), 고압 레귤레이터(Regulator)(20), 수소 공급 밸브(Valve)(30), 이젝터(100), 스택(Stack), 퍼지(Furge) 밸브(40), 워터(Water) 트랩(Trap) 탱크(50), 드레인(Drain) 밸브(60), 배기 매니폴드(Manifold)(90) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터의 노즐(110) 구조는 이젝터(100) 안에 형성될 수 있다.

연료전지 시스템의 일반적인 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.

수소 탱크(10)는 연료 전지에서 사용될 수소를 고압으로 저장하고 있는 장소이다.

그리고, 고압 레귤레이터(20)은 수소 탱크(10)의 고압을 견디면서 수소 탱크(10)의 온(On) 또는 오프(Off)를 결정하는 역할을 수행한다.

수소 공급 밸브(30)는 고압 레귤레이터(20)를 통하여 수소 탱크(10)로부터 공급되는 수소를 이젝터(100)의 노즐(110)에 공급하는 역할을 수행한다.

이젝터(100)의 노즐(110)에 공급된 수소는 스택 애노드(Anode) 입구 유로(70)를 통하여 스택에서 공기와 반응하고, 반응하고 남은 수소는 스택 애노드 출구 유로(80)을 통하여 배출되게 된다.

그리고, 이렇게 배출된 수소 중의 일부는 다시 이젝터(100)에 의해서 수소 애노드 입구 유로(70)로 재순환하는 과정을 거치게 된다.

스택 애노드 출구 유로(80) 상에는 스택 내 물을 제거하는 퍼지 밸브(40), 수소와 공기의 반응으로 생성된 물을 저장하는 워터 트랩 탱크(60), 이러한 워터 트랩에 저장된 물을 배기 매니폴드(90)을 통하여 외부로 배출되게 된다.

도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예 따른 이젝터(100)의 모습을 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터(100)는 노즐(110)과 하우징(120)을 포함하여 구성될 수 있다.

도면 2도의 이젝터(100)의 경우에도 수소 공급 밸브(30)를 통하여 'A'방향에서 수소가 유입되고, 수소가 노즐(110)을 통하여 외부로 배출됨에 따라, 'B'방향에서 재순환 수소가 유입될 수 있다.

도면 3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터(100)의 노즐(110)부분을 더욱 확대하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터(100)의 노즐(110)은 1차 노즐(111), 2차 노즐(112), 노즐 캡(170), 스프링(160), 가스켓(150)을 포함하여 구성될 수 있다.

도면 3도의 이젝터(100)의 노즐(110)은 2차 노즐(112)의 내부에 1차 노즐(111)이 위치할 수 있다. 즉, 2차 노즐(112)은 1차 노즐(111)의 외면을 감싸고 있을 수 있다.

도면 3도의 이젝터(100)가 도면 3도 및 도면 4도의 이젝터(100)와 다른 점은 1차 노즐(111) 대신 2차 노즐(112)이 전방 또는 후방으로 이동할 수 있다는데 있다.

이를 위하여, 2차 노즐(112)의 외면에는 노즐 캡(170)이 더 구비될 수 있다.

노즐 캡(170)과 2차 노즐(112) 사이에는 스프링(160)이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 스프링(160)은 노즐 캡(170)을 지지대로 하여 2차 노즐(112)을 후방으로 밀어낼 수 있다. 여기서 후방이라 함은 1차 노즐(111)의 수소 유출구 방향을 전방으로 하였을 때 그 반대의 방향을 지칭하는 것일 수 있다.

도면 3도의 이젝터(100)의 경우는 2차 노즐(112)이 스프링(160)에 의하여 후방으로 밀어내짐으로써, 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 1차 노즐(111)의 수소 유출구의 외면과 맞닿으면서 밀폐될 수 있다.

2차 노즐(112)과 노즐 캡(170)이 맞닿는 부분에는 수소 가스가 외부로 새지 않도록 기밀성을 유지하기 위한 가스켓(Gasket)(150)이 설치될 수 있다.

연료전지가 저출력 영역에서 동작하는 경우에, 수소 공급 밸브(30)로부터 'A'방향을 통하여 주입된 수소의 압력은 스프링(160)의 탄성력보다 작을 수 있다. 따라서, 'A'방향을 통하여 주입된 수소는 그대로 1차 노즐(111)의 수소 유출구를 통하여 'C1'방향으로 유출될 수 있다.

도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터(100)가 연료전지의 중출력 또는 고출력 영역에서 수소가 유입될 때 작동하는 모습을 보여주는 도면이다.

연료전지가 발전량을 더 많이 생산하기 위해서는 수소가 유입되는 양이 증가되어야 한다. 그리고, 수소가 유입되는 양이 증가할수록 수소의 압력은 증가할 수 있다.

높은 압력을 지니게 된 수소는 스프링(160)이 제공하는 탄성력을 넘어설 수 있다. 그리고, 스프링(160)이 제공하는 탄성력은 본 발명에서 중출력 또는 고출력이라고 판단되는 압력보다는 작은 탄성력을 가지도록 선택될 수 있다. 그리고, 이러한 중출력 또는 고출력에 해당하는 압력은 연료전지 시스템의 설계에 의해서 적절한 발전량을 중출력 또는 고출력이라고 결정할 수 있다.

스프링(160)이 제공하는 탄성력보다 유입되는 수소의 압력이 높아지는 경우, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터(100)의 2차 노즐(112)은 전방으로 이동할 수 있다.

그리고, 전방으로 이동함에 따라 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 개방될 수 있다. 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 개방됨에 따라, 연료전지의 스택에 공급되는 수소의 양은 더 증가할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 경우, 저출력 영역에서는 1차 노즐(111)만 개방되어 수소가 유출되는 빠른 속도를 유지할 수 있어 수소 재순환량을 증대시킬 수 있다. 또한, 중출력 또는 고출력 영역에서는 유입되는 수소의 양이 증가함에 따라 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 자연스럽게 개방됨에 따라, 수소가 유출되는 속도는 유지하면서 더 많은 수소를 스택으로 내보낼 수 있다. 따라서, 2차 노즐(112)이 개방되어도 수소 재순환량이 저하되지 않으며 균일하게 유지되는 효과가 있다.

도면 5도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터의 일실시예를 보여주는 도면이다.

도면 5도 상에서 수소는 수소 공급 밸브(30)를 통하여 'A'방향에서 주입된다. 그리고, 'A'방향에서 주입된 수소는 이젝터의 노즐(110)을 통하여 출력되며, 연료전지의 스택에서 화학반응을 하고 남은 수소는 'B'방향에서 압력차에 끌어 올려지고, 다시 연료전지의 스택으로 주입되게 된다.

도면 6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터의 노즐 부분을 더 확대하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터는 노즐(110), 하우징(Housing)(120), 스토퍼(Stopper)(130), 다이아프램(Diaphragm)(140)을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터의 노즐(110)은 1차 노즐(111)과 2차 노즐(112)로 구성될 수 있다. 1차 노즐(111)은 2차 노즐(112)의 내부에 위치할 수 있다. 그리고, 1차 노즐(111)의 수소 유출구의 직경은 2차 노즐(112)의 수소 유출구의 직경보다 작을 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 다른 이젝터(100)의 1차 노즐(111)의 일단에는 다이아프램(140)이 형성될 수 있다. 이러한 다이아프램(140)은 일단은 하우징(120)에 고정될 수 있고, 다른 타단은 1차 노즐(111)에 고정될 수 있다. 즉, 1차 노즐(111)의 수소 유출구의 반대 방향의 단부에 고정될 수 있다. 그리고, 이러한 다이아프램(140)은 탄성력을 구비하고 있어서, 1차 노즐(111)을 2차 노즐(112)의 수소 유출구 방향으로 밀어낼 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 다이아프램(140)의 외부로는 다이아프램(140)의 변형 정도를 제한하기 위한 스토퍼(130)가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 1차 노즐(111)은 수소가 유입되는 개구가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 개구는 2차 노즐(112)의 수소 유입구를 통하여 유입된 수소를 1차 노즐(111)로 도입하는 역할을 수행할 수 있다.

도면 6도 상의 이젝터(100)는 연료전지의 출력이 낮은 상황에서의 이젝터의 동작모습을 보여준다.

수소 공급 밸브(30)가 주입하는 수소는 'A'방향으로부터 화살표를 따라서 'C1'방향으로 흘러갈 수 있다. 즉, 2차 노즐(112)의 수소 유입구를 통하여 유입된 수소는 1차 노즐(111)의 개구를 통하여 1차 노즐(111)의 수소 유출구로 배출될 수 있다.

연료전지가 저출력영역에서 동작중이므로, 주입되는 수소의 압력보다 다이아프램(140)이 1차 노즐(111)을 2차 노즐(112)의 수소 유출구쪽으로 밀어내는 압력이 더욱 크다. 따라서, 2차 노즐(112)의 수소 유출구는 1차 노즐(111)의 외면에 의하여 밀착되어 폐쇄될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)에 있어서, 이와 같이 1차 노즐(111)만 개방되어 있는 경우에는 수소 유출구의 직경이 작으므로 배출되는 수소의 속도는 증가될 수 있다. 따라서, 스택 내에서 반응하지 못하고 배출된 수소의 재순환량을 증가시킬 수 있다.

도면 7도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 2차 노즐(112)이 개방된 상태를 보여주는 도면이다.

연료전지에서 높은 출력을 내기 위해서는 수소 공급 밸브(30)에서 공급하는 수소의 양이 증가하여야 한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)로 공급되는 수소의 압력이 증가하게 된다.

'A'방향을 통하여 유입되는 수소의 압력이 증가하여 다이아프램(140)의 탄성력을 넘어서게 되면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 1차 노즐(111)은 2차 노즐(112)의 수소 유출구의 반대 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 2차 노즐(112)의 수소 유출구 방향을 전방이라고 하고, 그 반대 방향을 후방이라고 한다면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 1차 노즐은 다이아프램(140)을 밀어내면서 후방으로 이동할 수 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 다이아프램(140)은 1차 노즐(111)을 적절한 압력으로 밀어낼 수 있는 재질의 재료가 선택될 수 있다. 즉, 2차 노즐(112)이 개방되기에 적절하다고 판단되는 수소 압력을 기설정된 압력을 하여, 이러한 압력까지 1차 노즐(111)을 2차 노즐(112)의 수소 유출구 방향으로 밀어낼 수 있는 탄성력을 가지도록 다이아프램(140)을 설계할 수 있다.

1차 노즐(111)이 후방으로 이동함에 따라, 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 개방될 수 있다. 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 개방되면, 1차 노즐의 수소 유출구와 함께 더 많은 양의 수소를 연료전지의 스택에 주입할 수 있으므로 연료전지의 발전량이 증가할 수 있다

또한, 수소 공급 밸브(30)를 통하여 주입되는 수소 압력의 증가에 따라, 2차 노즐(112)의 수소 유출구도 개방되는 것이므로, 이젝터(100)의 노즐을 통하여 배출되는 수소의 속도는 저하되지 않는다. 따라서, 수소 재순환량을 균일하게 유지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 스토퍼(130)는 1차 노즐(111)의 후방 이동의 범위를 제한할 수 있다. 그리고, 이는 스토퍼(130)가 다이아프램(140)이 일정 범위 이상 확장되지 못하도록 제한함으로써 이루어질 수 있다.

이러한 스토퍼(130)로 인하여, 다이아프램(140)의 과다 팽창 및 파열이 방지될 수 있는 효과가 있다. 또한, 하우징(120)과 스토퍼(130)는 1차 노즐(111) 및 2차 노즐(112)이 기울어지지 않도록 위치를 규제하는 가이드 역할을 수행하도록 적절한 형상으로 설계될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 1차 노즐(111)은 폴리테트라 플루오르에틸렌(PTFE; Polytetrafluoroethylene)이나 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK; Polyether ether ketone) 등 자기 윤활성을 가지고 있다고 알려진 재질로 형성될 수 있다. 이러한 재질로 1차 노즐(111)이 형성됨으로써, 1차 노즐(111)과 2차 노즐(112) 사이에서 발생하는 마찰을 줄일 수 있다. 또한, 노즐과 가이드 역할을 수행하는 하우징(120) 및 스토퍼(130) 사이의 마찰이나 마모도 방지할 수 있다.

도면 8도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 스토퍼(130) 부분을 확대하여 나타낸 부분이다.

다이아프램(140)을 감싸는 스토퍼(130)는 1차 노즐(111)이 전방 또는 후방으로 이동할 수 있는 통로의 역할을 하는 개구가 형성되어 있으며, 이러한 개구의 일부분에는 다이아프램(140)이 이동함에 따른 공기의 배출이 가능한 통기구멍(131)이 형성될 수 있다.

연료전지가 적용된 차량에 있어서, 대부분의 주행시간동안 연료전지는 저출력 구간에서 운행되게 된다. 즉, 연료전지의 스택에 공급되는 수소의 공급량은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)의 1차 노즐(111)만 개방되어도 충분한 양의 수소를 공급할 수 있다. 이 경우, 다이아프램(140)은 유입되는 수소의 압력보다 충분한 탄성력을 제공하여 1차 노즐(111)을 2차 노즐(112)의 수소 유출구 방향으로 밀어낼 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이젝터(100)에서는 다이아프램(140)만 적용된 것으로 설명되었으나, 다이아프램(140) 외에도 스프링(Spring) 등이 추가적으로 더 구비되어 1차 노즐(111)을 2차 노즐(112)과 밀착하도록 할 수 있다.

연료전지가 적용된 차량에서 고출력이 순간적으로 필요한 구간에서는 연료전지에 공급되는 수소의 양이 증가된다. 이 경우, 2차 노즐(112)에 유입되는 수소의 압력은 다이아프램(140)이 1차 노즐(111)을 전방으로 밀어내는 힘보다 더 커질 수 있다. 따라서, 고출력 구간에서는 자연스럽게 2차 노즐(112)의 수소 유출구가 개방될 수 있다.

또한, 본 발명의 이상적인 설명에 있어 탄성부재로 스프링(160)이나 다이아프램(140)를 예를 들어 설명하였으나, 다른 탄성부재의 사용을 제한하는 것은 아니다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 수소 탱크
20 : 고압 레귤레이터
30 : 수소 공급 밸브
40 : 퍼지 밸브
50 : 워터 트랩 탱크
60 : 드레인 밸브
70 : 스택 애노드 입구 유로
80 : 스택 애노드 출구 유로
90 : 배기 매니폴드
100 : 이젝터
110 : 노즐
111 : 1차 노즐
112 : 2차 노즐
120 : 하우징
130 : 스토퍼
131 : 통기 구멍
140 : 다이아프램
150 : 가스켓
160 : 스프링
170 : 노즐 캡

Claims

수소 유입구와 수소 유출구를 구비한 1차 노즐;
상기 1차 노즐의 외면을 감싸며 상기 1차 노즐보다 더 큰 직경의 수소 유출구를 구비한 2차 노즐; 및
상기 2차 노즐을 상기 1차 노즐의 수소 유출구의 반대방향으로 밀어내어 상기 2차 노즐의 수소 유출구가 밀폐되도록 하는 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제2항에 있어서,
상기 2차 노즐의 외면을 감싸며, 상기 탄성부재가 상기 2차 노즐을 밀어내도록 지지면을 제공하는 노즐 캡;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 2차 노즐은
상기 1차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입되는 수소의 압력이 기설정된 압력치를 넘는 경우에 상기 1차 노즐의 수소 유출구 방향으로 상기 탄성부재를 밀어내면서 전방으로 이동되는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제3항에 있어서,
상기 기설정된 압력치는 상기 탄성부재의 복원력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제1항에 있어서,
상기 탄성부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 이젝터.
제1항에 있어서,
상기 1차 노즐 또는 상기 2차 노즐은 자기 윤활성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 이젝터.
수소가 유입되는 단계;
수소가 1차 노즐의 개구를 통하여 유입되고, 상기 1차 노즐의 수소 유출구를 통하여 유출되는 단계;
수소의 유입압력이 기설정된 압력치보다 높아지면, 상기 2차 노즐이 전방으로 전진하는 단계;
상기 2차 노즐이 전방으로 전진함에 따라, 상기 2차 노즐의 수소 유출구가 개방되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터 구동 방법.
수소 유입구와 수소 유출구를 구비한 2차 노즐;
상기 2차 노즐의 내부에 위치하며, 상기 2차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입된 수소가 유입되는 개구와 상기 2차 노즐의 수소 유출구보다 작은 직경의 수소 유출구를 구비한 1차 노즐; 및
상기 1차 노즐의 일측에 형성되어 상기 2차 노즐의 수소 유출구 방향으로 상기 1차 노즐을 밀어냄으로써, 상기 2차 노즐의 수소 유출구를 밀폐시킬 수 있는 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제8항에 있어서,
상기 탄성부재의 변형 정도를 제한하기 위하여 상기 탄성부재의 주위를 감싸도록 형성되면서, 상기 1차 노즐의 전방 및 후방 이동이 가능하도록 개구가 구비된 스토퍼;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 1차 노즐은
상기 2차 노즐의 수소 유입구를 통하여 유입되는 수소의 압력이 기설정된 압력치를 넘는 경우에 상기 2차 노즐의 수소 유출구의 반대방향으로 탄성부재를 밀어내면서 후방으로 이동되는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제10항에 있어서,
상기 기설정된 압력치는 상기 탄성부재의 탄성력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이젝터.
제8항에 있어서,
상기 탄성부재는 다이아프램인 것을 특징으로 하는 이젝터.
제8항에 있어서,
상기 1차 노즐 또는 상기 2차 노즐은 자기 윤활성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 이젝터.
수소가 유입되는 단계;
수소가 1차 노즐의 개구를 통하여 유입되고, 상기 1차 노즐의 수소 유출구를 통하여 유출되는 단계;
수소의 유입압력이 기설정된 압력치보다 높아지면, 상기 1차 노즐이 후방으로 후퇴하는 단계; 및
상기 1차 노즐이 후방으로 후퇴함에 따라, 2차 노즐의 수소 유출구가 개방되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이젝터 구동 방법.