KR20150110201A

KR20150110201A - 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브

Info

Publication number: KR20150110201A
Application number: KR1020140034289A
Authority: KR
Inventors: 이현준; 권부길
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-10-02
Also published as: CN104948788A; DE102014222966A1; US20150267836A1; KR101646112B1; DE102014222966B4

Abstract

연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브가 개시된다. 개시된 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브는 연료전지 시스템의 수소 공급 루트에 설치되는 수소 차단밸브로서, ⅰ)밸브 하우징과, ⅱ)수소를 유입하는 유입 통로, 수소를 배출하는 배출 통로 및 유입 통로와 배출 통로를 연결하는 밸브 통로를 지니며 밸브 하우징에 설치되는 밸브 바디부와, ⅲ)밸브 하우징의 내부에 설치되는 솔레노이드부와, ⅳ)솔레노이드부의 내측에 밸브 스프링을 통해 지지되며, 밸브 통로에 대응하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플런저부와, ⅴ)플런저부의 외측에 구비되며, 유입 통로에서 분기된 분기 통로를 통하여 기 설정된 수소의 유입 압력 보다 큰 과압이 인가되면 그 과압에 상응하는 힘으로 플런저부를 가압하는 압력 밸런스부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브 {SOLENOID VALVE FOR A FUEL SYSTEM}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 저장탱크에 저장된 고압의 수소를 스택으로 공급하는 수소 공급장치용 솔레노이드 밸브에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되어 구동 모터를 전기 에너지로 작동시켜 차량을 구동시킨다.

이러한 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

여기서, 스택은 연료전지의 공기극에서 수분을 포함하고 있는 공기를 배출하고, 연료전지의 연료극에서는 수분을 포함하고 있는 미반응 수소를 배출할 수 있다.

그리고, 상기 수소 공급장치는 일정 압력의 수소를 저장하며, 그 수소를 연료 전지의 연료극으로 공급하는 수소 저장탱크를 구비하고 있다.

한편, 연료전지 시스템에는 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소와, 스택으로부터 배출되는 미반응 수소를 믹싱하여 그 믹싱된 수소를 스택으로 재순환시키기 위한 이젝터(당 업계에서는 통상 "제트펌프" 라고도 한다)로서의 수소 재순환유닛을 구비하고 있다.

수소 재순환유닛은 수소 저장탱크에서 공급된 수소를 노즐을 통해 분사하여 진공을 발생시키고, 이를 통해 스택으로부터 배출되는 미반응 수소를 흡입하여 스택으로 재순환시키는 기능을 한다.

다른 한편으로, 수소 저장탱크에 저장된 수소는 700bar 정도의 압력으로서 고압 레귤레이터를 거치며 그 압력이 10bar 내외로 조정되고, 수소 공급밸브에 의해 압력이 조절된 상태에서 수소 재순환유닛을 통하여 스택으로 유입될 수 있다.

이 때, 밸브 및 레귤레이터 등의 고장으로 인해 스택으로 과압의 수소가 유입될 경우에는 스택 내부의 압력 차에 의해 막-전극 어셈블리(MEA)가 파손될 수 있다. 이러한 막-전극 어셈블리의 파손은 수소와 산소의 반응에 의해 화재의 위험성을 유발할 수 있다.

이를 방지하기 위해 수소 공급장치의 수소 공급 경로에 안전장치로서, 고압 및 저압 압력 방출 밸브(Pressure Relief Valve)와 수소 차단밸브(예를 들면, 솔레노이드 밸브) 등을 설치하고 있다.

특히, 고압 레귤레이터의 고장 발생 시, 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입될 수 있으므로, 고압 압력 방출 밸브는 특정 압력 이상(15~20bar)의 수소가 스택으로 유입되는 것을 차단하고 있다. 그리고, 고압 방출 밸브의 후방에서는 수소 차단밸브를 통해 과압의 수소가 스택으로 유입되는 것을 2차적으로 차단하고 있다.

그러나, 이와 같은 배경 기술에서 고압 및 저압 압력 방출 밸브는 스프링에 의해 기계적으로 작동하게 되므로, 기계적인 오작동에 의해 수소가 누설될 염려가 있으며, 이러한 문제는 차량의 연비 악화, 연료전지 시스템의 수소 안전문제를 야기할 수 있다.

또한, 본 배경 기술에서는 수소 공급 루트에 고압 압력 방출 밸브를 설치하고 있어도 수소의 압력이 과도하게 유입될 경우, 그 수소의 압력이 수소 차단밸브의 스프링의 탄성력을 극복하며 스택으로 유입될 위험성이 있다. 이를 방지하기 위해 수소 차단밸브의 솔레노이드 힘을 증대시킬 필요가 있는데, 이러한 방안은 전체 밸브의 부피 증대 및 작동 소음를 야기할 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 수소를 스택으로 공급하는 수소 공급 루트에서기 설정된 유입 압력 보다 큰 과압의 수소가 스택으로 공급되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브는, 연료전지 시스템의 수소 공급 루트에 설치되는 수소 차단밸브로서, ⅰ)밸브 하우징과, ⅱ)수소를 유입하는 유입 통로, 수소를 배출하는 배출 통로 및 상기 유입 통로와 배출 통로를 연결하는 밸브 통로를 지니며 상기 밸브 하우징에 설치되는 밸브 바디부와, ⅲ)상기 밸브 하우징의 내부에 설치되는 솔레노이드부와, ⅳ)상기 솔레노이드부의 내측에 밸브 스프링을 통해 지지되며, 상기 밸브 통로에 대응하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플런저부와, ⅴ)상기 플런저부의 외측에 구비되며, 상기 유입 통로에서 분기된 분기 통로를 통하여 기 설정된 수소의 유입 압력 보다 큰 과압이 인가되면 그 과압에 상응하는 힘으로 상기 플런저부를 가압하는 압력 밸런스부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 밸브 하우징에는 상기 분기 통로와 연결되는 연결 통로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 압력 밸런스부는 상기 연결 통로의 상단에 설치되며 수소의 과압에 의해 탄성 변형하는 다이아프램과, 상기 다이아프램의 상면에 연결되게 설치되는 작동 로드와, 상기 솔레노이드부에 피봇 가능하게 결합되며 일측 단부가 상기 작동 로드에 연결되고 다른 일측 단부를 통해 상기 플런저부를 가압하는 레버부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 레버부재는 지렛대 타입으로 상기 솔레노이드부에 피봇 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 레버부재는 피봇축을 통해 상기 솔레노이드부 상의 피봇 결합 돌기에 피봇 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 레버부재는 상기 솔레노이드부와의 피봇 결합점을 기준으로, 상기 피봇 결합점과 일측 단부 사이의 길이를 L1, 상기 피봇 결합점과 다른 일측 단부 사이의 길이를 L2 라고 할 때, L2＞L1을 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브는, 상기 유입 통로를 통해 상기 플런저부에 작용하는 수소 압력을 P1, 상기 분기 통로 및 연결 통로를 통해 상기 작동 로드에 작용하는 과압을 P2, 상기 레버부재의 다른 일측 단부를 통해 플런저부에 작용하는 힘을 P3, 상기 밸브 스프링을 통해 상기 플런저부에 작용하는 힘을 P4 라고 할 때, P4+P3＞P1을 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 레버부재의 다른 일측 단부에는 상기 플런저부의 상면을 가압하는 가압 돌기가 일체로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서, 상기 레버부재와 솔레노이드부의 피봇 결합점을 기준으로, 상기 레버부재의 일측 단부 측을 제1 부분, 상기 레버부재의 다른 일측 단부 측을 제2 부분이라고 할 때, 상기 제1 부분은 수평 방향으로 배치되고, 상기 제2 부분은 상향 경사지게 배치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브는, ⅰ)밸브 하우징과, ⅱ)반응가스를 유입하는 유입 통로, 반응가스를 배출하는 배출 통로 및 상기 유입 통로와 배출 통로를 연결하는 밸브 통로를 지니며 상기 밸브 하우징에 설치되는 밸브 바디부와, ⅲ)상기 밸브 하우징의 내부에 설치되는 솔레노이드부와, ⅳ)상기 솔레노이드부의 내측에 밸브 스프링을 통해 지지되며, 상기 밸브 통로에 대응하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플런저부와, ⅴ)상기 유입 통로에서 분기된 분기 통로 및 상기 분기 통로와 연결된 상기 밸브 하우징의 연결 통로 상단에 설치되며, 반응가스의 과압에 의해 탄성 변형하는 다이아프램와, ⅵ)상기 다이아프램의 상면에 연결되게 설치되는 작동 로드와, ⅶ)상기 솔레노이드부에 피봇 가능하게 결합되며, 일측 단부가 상기 작동 로드에 연결되고, 다른 일측 단부를 통해 상기 플런저부를 가압하는 레버부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브는, 연료전지 시스템의 수소 공급 루트에 설치되는 수소 차단밸브로서 구비될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 밸브 바디부의 유입 통로를 통해 기 설정된 유입 압력 보다 큰 과압의 수소가 유입되더라도 레버부재를 포함하는 압력 밸런스부에 의해 밸브 통로의 기밀을 유지할 수 있으므로, 과압의 수소가 스택으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 발생 시, 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입될 염려가 없으므로, 스택 내부의 압력 차에 의해 막-전극 어셈블리(MEA)가 파손되거나 이에 따른 화재의 위험성을 미연에 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 간단한 구성의 압력 밸런스부를 채용하여 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입되는 것을 방지할 수 있으므로, 기존에 안전장치로서 사용되는 고압 압력 방출 밸브 등을 삭제할 수도 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 고압 압력 방출 밸브 등의 안전장치를 일부 삭제할 수 있으므로, 전체 연료전지 시스템의 패키지 및 부피를 줄일 수 있고, 제조 원가를 절감할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브를 개략적으로 도시한 부분 절단 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 적용되는 압력 밸런스부의 레버부재를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브를 개략적으로 도시한 부분 절단 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 밸브(100)는 반응가스로서 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전기 에너지로서 구동 모터를 작동시키며, 그 구동 모터의 구동력으로서 차륜을 구동시키는 연료전지 차량에 적용될 수 있다.

연료전지 시스템은 스택, 수소 공급장치 및 공기 공급장치를 포함한다. 스택은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 전기 발생 집합체이다. 스택은 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 공급받고 공기 공급장치로부터 공기를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

그리고, 수소 공급장치는 수소 가스를 저장하며 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 수소 저장탱크를 포함한다. 공기 공급장치는 공기를 스택으로 공급하기 위한 공기 압축기 또는 공기 블로워를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)는 수소 저장탱크에 저장된 고압의 반응가스인 수소를 일정한 압력으로 조절하여 스택으로 공급할 수 있는 수소 공급 루트에 구성될 수 있다.

이러한 수소 공급 루트에는 수소의 압력을 일정한 압력으로 조정하기 위한 고압 레귤레이터, 고압 차단밸브, 고압/저압 압력 방출 밸브 및 수소 공급 밸브 등이 설치되며, 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소와 스택으로부터 배출되는 미반응 수소를 믹싱하여 스택으로 재순환시키는 수소 재순환유닛이 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)는 상기한 수소 공급 루트에서 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 시, 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입되는 것을 보조적으로 차단하는 수소 차단밸브로서 구성될 수 있다.

한편, 이와 같은 솔레노이드 밸브(100)는 일반 차량, 하이브리드 차량 및 전기 자동차 등에 구성될 수도 있는데, 이하에서는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에서 수소 공급 루트에 구성되는 솔레노이드 밸브를 예로 들어 설명하기로 한다.

그러나 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 종류 및 용도의 유체 공급 구조에 채용되는 솔레노이드 밸브라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)는 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 발생 시, 수소의 공급 루트를 차단한 상태에서 과도한 압력의 수소가 유입되더라도 간단한 구성으로 기밀을 유지하며, 과압의 수소가 스택으로 유입되는 것을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)는 기본적으로, 밸브 하우징(10), 밸브 바디부(20), 솔레노이드부(30), 플런저부(40) 및 압력 밸런스부(50)를 포함한다.

밸브 하우징(10)은 밸브의 외관을 이루는 밸브 케이스로 구비되며, 밸브 바디부(20)는 수소의 유출입 통로를 지니며 밸브 하우징(10)에 설치된다. 솔레노이드부(30)는 밸브 하우징(10)의 내부에 설치되며, 전원을 인가받아 전자기력을 발생시킬 수 있다.

그리고, 플런저부(40)는 솔레노이드부(30)의 내측에 밸브 스프링(41)을 통해 탄성 지지되며, 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 플런저부(40)는 솔레노이드부(30)에 전원을 인가하면 전자기력에 의해 밸브 스프링(41)의 탄성력을 극복하며 상측 방향으로 이동될 수 있고, 솔레노이드부(30)에 인가되는 전원을 차단하면 밸브 스프링(41)의 탄성 복원력에 의해 하측 방향으로 이동될 수 있다.

여기서, 밸브 바디부(20)에는 수소를 유입하는 유입 통로(21)와, 수소를 배출하는 배출 통로(23)와, 유입 통로(21)와 배출 통로(23)를 연결하는 밸브 통로(25)를 형성하고 있다.

이 경우, 플런저부(40)는 솔레노이드부(30)에 전원을 인가하면 전자기력에 의해 상측 방향으로 이동되며 밸브 통로(25)를 개방할 수 있고, 솔레노이드부(30)에 인가되는 전원을 차단하면 밸브 스프링(41)에 의해 하측 방향으로 이동되며 밸브 통로(25)를 폐쇄할 수 있다.

상기한 바와 같은 밸브 하우징(10), 밸브 바디부(20), 솔레노이드부(30) 및 플런저부(40)의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 솔레노이드 밸브의 기본적인 구성이므로, 본 명세서에서 이들 구성의 상세 구조 및 결합 구조의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 압력 밸런스부(50)는 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 발생 시, 수소의 공급 루트를 차단한 상태에서 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)를 통해 기 설정된 유입 압력 보다 큰 과압의 수소가 유입될 때, 밸브 스프링(41)의 탄성력과 함께 플런저부(40)에 부가적인 가압력을 인가할 수 있는 구조로 이루어진다.

이와 같은 압력 밸런스부(50)의 구체적인 구성을 설명하기에 앞서, 밸브 바디부(20)는 유입 통로(21)로부터 분기되는 분기 통로(27)를 형성하고 있으며, 밸브 하우징(10)에는 분기 통로(27)와 연결되는 연결 통로(17)를 형성하고 있다. 도면을 기준할 때 연결 통로(17)는 밸브 하우징(10)에 수직 방향(상하 방향)으로 관통되게 형성된다.

본 발명의 실시예에서, 압력 밸런스부(50)는 플런저부(40)의 외측에 구성되는 바, 분기 통로(27) 및 연결 통로(17)를 통하여 기 설정된 수소의 유입 압력 보다 큰 과압이 인가되면 그 과압에 상응하는 힘으로 플런저부(40)를 가압할 수 있다. 이러한 압력 밸런스부(50)는 다이아프램(51), 작동 로드(61) 및 레버부재(71)를 포함한다.

다이아프램(51)은 위에서 언급한 바 있는 연결 통로(17)의 상단부에 설치된다. 다이아프램(51)은 분기 통로(27)를 통해 연결 통로(17)로 유입되는 수소의 과압에 의해 탄성 변형될 수 있다.

이러한 다이아프램(51)은 당 업계에서 밸브 등에 널리 사용되는 공지 기술의 다이아프램으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 작동 로드(61)는 수소의 과압에 의해 탄성 변형되는 다이아프램(51)에 의해 연결 통로(17)의 상단부 측에서 상하 방향으로 이동(작동)하는 것으로, 그 다이아프램(51)의 상면에 연결되게 설치된다.

그리고, 레버부재(71)는 플런저부(40)의 외측에서 솔레노이드부(30)에 피봇 가능하게 결합된다. 레버부재(71)는 지렛대 타입으로 솔레노이드부(30)에 피봇 결합될 수 있다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 적용되는 압력 밸런스부의 레버부재를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 레버부재(71)는 피봇축(73)을 통해 솔레노이드부(30) 상에 피봇 결합된다.

피봇축(73)은 솔레노이드부(30)에 대한 레버부재(71)의 피봇 결합점을 형성하는 것으로 레버부재(71)의 양측에 돌출되게 형성된다. 피봇축(73)은 솔레노이드부(30) 상에 한 쌍으로 돌출된 피봇 결합 돌기(33)에 피봇 회전 가능하게 결합된다.

한편, 레버부재(71)의 일측 단부는 위에서 언급한 바 있는 작동 로드(61)의 상단부와 연결되고, 레버부재(71)의 다른 일측 단부는 플런저부(40)의 상면을 가압할 수 있게 구비된다. 레버부재(71)의 다른 일측 단부에는 플런저부(40)의 상면을 실질적으로 가압하는 가압 돌기(75)가 일체로 형성되어 있다.

상기와 같은 레버부재(71)는 피봇축(73)을 통해 솔레노이드부(30)의 피봇 결합 돌기(33)에 지렛대 타입으로 피봇 결합될 수 있다.

따라서, 분기 통로(27)를 통해 연결 통로(17)로 유입되는 수소의 과압에 의해 다이아프램(51)이 탄성 변형되면, 작동 로드(61)에 의해 레버부재(71)의 일측 단부에는 상측으로 향하는 힘이 작용하고, 레버부재(71)의 다른 일측 단부에는 플런저부(40)를 향하는 힘이 작용하게 된다.

본 발명의 실시예에서, 레버부재(71)는 솔레노이드부(30)와의 피봇 결합점을 기준으로, 그 피봇 결합점과 일측 단부 사이의 길이를 L1, 피봇 결합점과 다른 일측 단부 사이의 길이를 L2 라고 할 때, L2＞L1을 만족하며 솔레노이드부(30)에 피봇 결합될 수 있다.

이와 같이, 레버부재(71)를 L2＞L1의 조건으로 솔레노이드부(30)에 피봇 결합한 이유는 레버부재(71)의 일측 단부에 대한 회전력 보다 더 큰 회전력을 레버부재(71)의 다른 일측 단부에 부여하기 위함이다.

상기한 레버부재(71)의 L1, L2는 그 레버부재(71)와 솔레노이드부(30)의 피봇 결합점의 위치에 따라 변화될 수 있으며, L1, L2의 길이는 밸브 스프링(41)의 탄성력에 따라 결정될 수 있다.

여기서, 레버부재(71)와 솔레노이드부(30)의 피봇 결합점을 기준으로, 그 레버부재(71)의 일측 단부 측을 제1 부분(77), 레버부재(71)의 다른 일측 단부 측을 제2 부분(79)이라고 할 때, 제1 부분(77)은 수평 방향으로 배치되고, 제2 부분(79)은 상향 경사지게 배치된다.

이는 위에서 언급한 바 있는 가압 돌기(75)의 길이를 증대시켜 레버부재(71)의 다른 일측 단부를 통해 플런저부(40)에 작용하는 힘을 더욱 증대시키기 위함이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)의 작동을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 본 발명의 실시예에서 고압 레귤레이터 및 밸브 등이 정상적으로 작동하는 상태에서, 수소 저장탱크에 저장된 수소를 수소 공급 루트를 통해 스택으로 공급하는 경우, 솔레노이드부(30)에 전원을 인가한다.

그러면, 솔레노이드부(30)에서 발생하는 전자기력에 의해 플런저부(40)는 밸브 스프링(41)의 탄성력을 극복하며 상측 방향으로 이동하게 되면서 밸브 바디부(20)의 밸브 통로(25)를 개방한다.

이에, 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)로 유입된 수소는 밸브 통로(25)를 통하여 배출 통로(23)로 배출되며 수소 재순환유닛을 통하여 스택으로 공급될 수 있다.

여기서, 수소 저장탱크에 저장된 수소는 고압 레귤레이터 및 밸브 등을 통해 기 설정된 압력으로 조정된 상태에서 수소 재순환유닛을 통해 스택으로 공급될 수 있다.

한편, 앞서 개시한 도면들 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 수소 저장탱크에 저장된 수소를 수소 공급 루트를 통해 스택으로 공급하는 과정에, 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 발생 시에는 솔레노이드부(30)에 인가되는 전원을 차단한다.

그러면, 플런저부(40)는 밸브 스프링(41)의 탄성 복원력에 의해 하측 방향으로 이동하며 밸브 통로(25)를 폐쇄한다. 이에 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)로 유입되는 수소는 플런저부(40)에 의해 배출 통로(23)로 배출되지 않게 된다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)로 과도한 수소의 압력(P1)이 유입되는 경우, 그 압력(P1)이 플런저부(40)에 작용하게 되고, 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)로 유입된 과압의 수소는 분기 통로(27)로 유입되며, 다이아프램(51)을 상측 방향으로 탄성 변형시키게 된다.

이에, 다이아프램(51)은 작동 로드(61)를 상측 방향으로 이동시킨다. 그러면 작동 로드(61)는 레버부재(71)의 일측 단부에 상측 방향으로 작용하는 과압(P2)을 인가한다.

그러면, 레버부재(71)는 솔레노이드부(30) 상에 피봇 결합되어 있기 때문에, 솔레노이드부(30)와의 피봇 결합점을 중심으로 피봇 회전하게 되고, 그 레버부재(71)의 다른 일측 단부는 가압 돌기(75)를 통해 플런저부(40)에 소정의 가압력(P3)을 인가한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)를 통해 기 설정된 유입 압력 보다 큰 과압의 수소가 유입될 때, 밸브 스프링(41)의 탄성력(P4)과 함께 레버부재(71)에 의한 부가적인 가압력(P3)을 플런저부(40)에 인가하게 된다.

즉, 레버부재(71)의 가압력(P3)과 밸브 스프링(41)의 탄성력(P4)을 합한 힘을 플런저부(40)에 작용하게 되므로, 과도한 수소의 압력(P1)이 플런저부(40)에 작용하더라도 플런저부(40)는 그 수소의 압력(P1)에 의해 상측 방향으로 이동하지 않고, 밸브 통로(25)의 기밀을 유지할 수 있게 된다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 밸브 바디부(20)의 유입 통로(21)를 통해 기 설정된 유입 압력 보다 큰 과압의 수소가 유입되더라도 레버부재(71)를 포함하는 압력 밸런스부(50)에 의해 밸브 통로(25)의 기밀을 유지할 수 있으므로, 과압의 수소가 스택으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브(100)에 의하면, 고압 레귤레이터 및 밸브 등의 고장 발생 시, 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입될 염려가 없으므로, 스택 내부의 압력 차에 의해 막-전극 어셈블리(MEA)가 파손되거나 이에 따른 화재의 위험성을 미연에 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 간단한 구성의 압력 밸런스부(50)를 채용하여 과도한 압력의 수소가 스택으로 유입되는 것을 방지할 수 있으므로, 기존에 안전장치로서 사용되는 고압 압력 방출 밸브 등을 삭제할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 고압 압력 방출 밸브 등의 안전장치를 일부 삭제할 수 있으므로, 전체 연료전지 시스템의 패키지 및 부피를 줄일 수 있고, 제조 원가를 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 밸브 하우징 17... 연결 통로
20... 밸브 바디부 21... 유입 통로
23... 배출 통로 25... 밸브 통로
27... 분기 통로 30... 솔레노이드부
33... 피봇 결합 돌기 40... 플런저부
41... 밸브 스프링 50... 압력 밸런스부
51... 다이아프램 61... 작동 로드
71... 레버부재 73... 피봇축
75... 가압 돌기 77... 제1 부분
79... 제2 부분

Claims

연료전지 시스템의 수소 공급 루트에 설치되는 수소 차단밸브로서의 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브에 있어서,
밸브 하우징;
수소를 유입하는 유입 통로, 수소를 배출하는 배출 통로 및 상기 유입 통로와 배출 통로를 연결하는 밸브 통로를 지니며 상기 밸브 하우징에 설치되는 밸브 바디부;
상기 밸브 하우징의 내부에 설치되는 솔레노이드부;
상기 솔레노이드부의 내측에 밸브 스프링을 통해 지지되며, 상기 밸브 통로에 대응하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플런저부; 및
상기 플런저부의 외측에 구비되며, 상기 유입 통로에서 분기된 분기 통로를 통하여 기 설정된 수소의 유입 압력 보다 큰 과압이 인가되면 그 과압에 상응하는 힘으로 상기 플런저부를 가압하는 압력 밸런스부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 밸브 하우징에는,
상기 분기 통로와 연결되는 연결 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제2 항에 있어서,
상기 압력 밸런스부는,
상기 연결 통로의 상단에 설치되며, 수소의 과압에 의해 탄성 변형하는 다이아프램과,
상기 다이아프램의 상면에 연결되게 설치되는 작동 로드와,
상기 솔레노이드부에 피봇 가능하게 결합되며, 일측 단부가 상기 작동 로드에 연결되고, 다른 일측 단부를 통해 상기 플런저부를 가압하는 레버부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 레버부재는 지렛대 타입으로 상기 솔레노이드부에 피봇 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 레버부재는 피봇축을 통해 상기 솔레노이드부 상의 피봇 결합 돌기에 피봇 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 레버부재는,
상기 솔레노이드부와의 피봇 결합점을 기준으로, 상기 피봇 결합점과 일측 단부 사이의 길이를 L1, 상기 피봇 결합점과 다른 일측 단부 사이의 길이를 L2 라고 할 때, L2＞L1을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제6 항에 있어서,
상기 유입 통로를 통해 상기 플런저부에 작용하는 수소 압력을 P1, 상기 분기 통로 및 연결 통로를 통해 상기 작동 로드에 작용하는 과압을 P2, 상기 레버부재의 다른 일측 단부를 통해 플런저부에 작용하는 힘을 P3, 상기 밸브 스프링을 통해 상기 플런저부에 작용하는 힘을 P4 라고 할 때, P4+P3＞P1을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 레버부재의 다른 일측 단부에는,
상기 플런저부의 상면을 가압하는 가압 돌기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 레버부재와 솔레노이드부의 피봇 결합점을 기준으로, 상기 레버부재의 일측 단부 측을 제1 부분, 상기 레버부재의 다른 일측 단부 측을 제2 부분이라고 할 때,
상기 제1 부분은 수평 방향으로 배치되고, 상기 제2 부분은 상향 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
밸브 하우징;
반응가스를 유입하는 유입 통로, 반응가스를 배출하는 배출 통로 및 상기 유입 통로와 배출 통로를 연결하는 밸브 통로를 지니며 상기 밸브 하우징에 설치되는 밸브 바디부;
상기 밸브 하우징의 내부에 설치되는 솔레노이드부;
상기 솔레노이드부의 내측에 밸브 스프링을 통해 지지되며, 상기 밸브 통로에 대응하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 플런저부;
상기 유입 통로에서 분기된 분기 통로 및 상기 분기 통로와 연결된 상기 밸브 하우징의 연결 통로 상단에 설치되며, 반응가스의 과압에 의해 탄성 변형하는 다이아프램;
상기 다이아프램의 상면에 연결되게 설치되는 작동 로드; 및
상기 솔레노이드부에 피봇 가능하게 결합되며, 일측 단부가 상기 작동 로드에 연결되고, 다른 일측 단부를 통해 상기 플런저부를 가압하는 레버부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.
제10 항에 있어서,
상기 솔레노이드 밸브는 연료전지 시스템의 수소 공급 루트에 설치되는 수소 차단밸브로서 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 솔레노이드 밸브.