KR20190074633A - 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기 - Google Patents

응축수 유입을 방지하는 공기 차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기가 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기는 내측에 위치하는 제 1 배관; 상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관 및 상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관을 포함하고, 상기 제 3 배관의 내측에는 공기 차단 밸브가 구비되어 있다.

Description

응축수 유입을 방지하는 공기 차단기 {AIR BLOCK DEVICE FOR PREVENTING FLOWED IN CONDENSATE WATER}
본 발명은 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에 응축수 유입을 차단하여 연료전지 스택 내구성 및 전압 안전성을 향상시킬 수 있는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 차량은 연료공급부에서 공급되는 수소와, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 산소가 가습기에 공급되어, 물의 전기분해 역반응인 전기화학반응에 의해 연속적으로 생성되는 전기에너지를 사용하여 구동하게 된다.
여기서, 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.
일반적으로, 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 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축하여 공급하는 공기 블로워, 및 공기 블로워를 제어하는 컨트롤박스를 포함하여 구성되고, 공기블로워에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기를 통과하는 동안 스택의 캐소드 출구에서 배출된 배출가스(습윤공기)와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급된다.
일반적으로, 연료전지 차량은 운행 종료 후, 연료전지 스택의 캐소드 입출구를 통해 공기가 유입되면 내구성이 떨어지게 되는데, 이를 방지 하고자 연료전지 스택의 캐소드 입구 및 출구에 공기유로를 차단시키는 공기차단밸브를 설치하고 있다.
도 1은 종래의 공기밸브 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 연료전지 시스템용 공기밸브 장치는 연료전지 스택(1)의 캐소드(1a)와 연결되는 공기통로(11)가 형성된 밸브바디(10); 및 상기 공기통로(11)의 개폐를 위해 밸브바디(10)에 회전 가능하게 설치된 밸브플랩(20)을 포함한다.
상기 밸브바디(10)에 형성된 공기통로(11)는 가습된 외부공기가 연료전지 스택(1)의 캐소드(1a)측으로 유입되는 입구측 공기통로(11a) 및 상기 캐소드(1a)로부터 공기가 배출되는 출구측 공기통로(11b)로 구성되고, 상기 입구측 공기통로(11a)와 출구측 공기통로(11b)는 하나의 밸브바디(10)에 형성되어 있다.
상기 밸브플랩(20)은 입구측 공기통로(11a)와 출구측 공기통로(11b)를 각각 개폐시킬 수 있도록 복수개로 구성되고, 상기 복수개의 밸브플랩(20)은 입구측 공기통로(11a)와 출구측 공기통로(11b)를 동시에 개폐시키도록 구성된다.
상기 밸브바디(10)는 밸브플랩(20)이 회전 가능하게 설치되는 것으로 밸브장치의 외형적 형상을 이루는 메인바디(12), 및 상기 밸브플랩(20)의 개폐시 밸브플랩(20)과 접촉하는 서브바디(13)로 구성되고, 상기 메인바디(12)와 서브바디(13)는 서로 분리 가능하게 결합된 구조를 갖는다.
종래의 공기 차단 밸브는 연료전지 스택이 셧다운된 후 스택으로의 공기유입을 차단하여 연료전지 스택 내 전해질막과 촉매층의 내구성을 향상시키고 있다.
그러나, 종래의 공기 차단 밸브는 운전 시에 가습기를 통해서 스택으로 유입되는 응축수를 방지하는 구조가 없어서 운전 중 연료전지 스택의 전압안정성을 유지하기 어렵다.
이러한 응축수는 연료전지 스택의 전압안정성을 유지할 수 없게 하여 차량 내구성뿐만 아니라 안전성을 저해하는 문제를 발생시킨다.
대한민국 공개특허출원 제 10-2017-0097810 호
본 발명의 일 실시 예는 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 연료전지 스택 내 수분 유입을 방지하고, 외측 배관 벽에 필름 형태로 부착된 응축수가 스택으로 유입되는 현상도 방지하여 응축수의 유입을 차단하여 연료전지 스택 내 셀 빠짐 현상도 방지할 수 있는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서, 내측에 위치하는 제 1 배관; 상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관 및 상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 개폐되어 있는 제 3 배관을 포함하고, 상기 제 3 배관의 내측에는 공기 차단 밸브가 구비되어 있다.
상기 제 1 배관의 하부는 가습기 배관과 연통될 수 있다.
상기 제 1 배관의 상부에는 공기가 배출되는 1개 이상의 홀들이 천공될 수 있다.
상기 제 1 배관과 제 2 배관의 상단은 상기 공기 차단 밸브에 의해 개폐될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브는 상기 제 2 배관의 상단에 구비될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브는 비작동시 자중에 의해 밀폐될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브는 제 1 배관 또는 제 2 배관에 의해 정지되어 상기 제 3 배관의 일부 또는 전부가 폐쇄될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브는 가습기로부터 공급되는 공기에 의해 개방될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브는 제 1 밸브부 및 상기 제 1 밸브부와 대응하는 형상의 제 2 밸브부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 밸브부와 제 2 밸브부는 힌지에 의해 연결될 수 있다.
상기 제 2 배관의 길이는 제 2 배관 상단부터 제 3 배관의 하단 밀폐부의 길이보다 작은 구조일 수 있다.
상기 제 3 배관의 내측에는 베플이 구비될 수 있다.
상기 공기 차단 밸브 상부에는 베플이 위치할 수 있다.
상기 베플은 원판형일 수 있다.
상기 베플은 제 3 배관의 내측으로 하향 경사져 있는 구조일 수 있다.
상기 제 3 배관의 하단에는 응축수를 수집하는 바이패스 유로가 연통되어 있는 구조일 수 있다.
상기 바이패스 유로의 타단은 가습기 튜브와 연통되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 3 배관의 상부는 공기 매니폴드와 연통될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서, 내측에 위치하는 제 1 배관; 상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관 및 상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관을 포함하고, 상기 제 3 배관의 내측에는 베플이 구비되어 있고, 베플 상부에는 공기 차단 밸브가 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서, 내측에 위치하는 제 1 배관; 상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관 및 상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관을 포함하고, 상기 제 3 배관의 중간부분은 응축수가 체류하도록 내측으로 오목한 형상일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기는 연료전지 스택 내 수분 유입을 방지하기 위해 배관의 구조에 의하여 응축수와 가습 공기의 유동 방향을 변경하여 응축수 유입을 차단하고, 또한 베플에 의하여 외측 배관 벽에 필름 형태로 부착된 응축수가 스택으로 유입되는 현상도 방지하여 연료전지 스택 내 셀 빠짐 현상도 해소하므로 차량의 효율 향상 및 전압 안전성도 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 공기밸브 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 모식도이다.
도 3은 도 2의 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 작동 모식도이다.
도 4는 도 2의 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 유동 해석 결과를 나타내는 모식도이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기를 설명하기에 앞서 종래의 공기 차단 밸브는 연료전지 스택이 셧다운된 후 스택으로의 공기유입을 차단하고 있으나 응축수를 방지하는 구조가 없어 안전성을 저해하는 문제를 야기시킨다.
따라서, 응축수가 스택으로 유입되는 현상을 방지하여 연료전지 스택 내 셀 빠짐 현상을 해소할 수 있는 공기 차단기가 요구되고 있는 실정이며, 이에 본 출원의 발명자는 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭하여 본 발명에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기를 제공한다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 모식도이고, 도 3은 도 2의 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 작동 모식도이며, 도 4는 도 2의 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(100)는 내측에 위치하는 제 1 배관(110), 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관(120) 및 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관(130)을 포함하고, 상기 제 3 배관(130)의 내측에는 공기 차단 밸브(140)가 구비되어 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 배관(110)의 하부는 가습기 배관과 연통되어 있고, 상기 제 1 배관(110)의 상부에는 공기가 배출되는 1개 이상의 홀들(112)이 천공되어 있다.
이러한 상기 제 1 배관(110)에는 제 2 배관(120)이 연통되어 있되, 상기 제 2 배관(120)은 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있다. 여기서, 상기 제 1 배관(110)과 제 2 배관(120)의 상단은 상기 공기 차단 밸브(140)에 의해 개폐되어 있으며, 상기 제 2 배관(120)의 직경은 제 1 배관(110)의 직경보다 크게 구성되어 있고, 상기 제 1 배관(110)의 상부에 천공되어 있는 1개 이상의 홀들(112)을 통해 제 2 배관(120)과 연통되는 구조이다. 이때, 상기 제 2 배관(120)의 길이(L2)는 제 2 배관(120) 상단부터 제 3 배관(130)의 하단 밀폐부의 길이(L1)보다 작은 길이를 갖는다.
이어서, 공기 차단 밸브(140)가 상기 제 2 배관(120)의 상단에 구비되어 있되, 상기 공기 차단 밸브(140)는 비작동시 자중에 의해 밀폐된다. 또한, 공기 차단 밸브(140)는 제 1 배관(110) 또는 제 2 배관(120)에 의해 정지되어 상기 제 3 배관(130)의 일부 또는 전부가 폐쇄되고, 가습기로부터 공급되는 공기에 의해 개방되는 구조이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 공기 차단 밸브(140)는 제 1 밸브부(141) 및 상기 제 1 밸브부(141)와 대응하는 형상의 제 2 밸브부(142)를 포함하여 구성되어 있고, 상기 제 1 밸브부(141)와 제 2 밸브부(142)는 중앙에 위치하는 힌지에 의해 연결되어 개폐된다.
한편, 상기 제 3 배관(130)은 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있으며, 상기 제 3 배관(130)의 직경은 제 2 배관(120)의 직경보다 큰 구조이다.
또한, 상기 공기 차단 밸브(140) 상부에는 베플(150)이 위치하고 있되, 상기 제 3 배관(130)의 내측에는 베플(150)이 구비되어 있고, 상기 베플(150)은 원판형이며, 제 3 배관(130)의 내측으로 하향 경사져 있는 구조이다. 여기서, 상기 제 3 배관(130)은 하부가 밀폐되어 있되, 상기 제 3 배관(130)의 하단에는 응축수를 수집하는 바이패스 유로(132)가 연통되어 있다. 상기 제 3 배관(130)과 연통되어 있는 바이패스 유로(132)의 타단은 가습기 튜브와 연통되어 있는 구조이다.
이러한 구조에서, 바이패스 유로(132)가 구비되어 있는 상기 제 3 배관(130)의 상부는 공기 매니폴드와 연통되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(100)의 전체 구성 및 기능을 구체적으로 설명하면, 제 1 배관(110), 제 2 배관(120) 및 제 3 배관(130)의 3중으로 된 배관들을 기본 구조로 하며 가장 내측의 중심에 있는 제 1 배관(110)은 가습기에서 연통되어 있는 배관과 연결된다. 또한, 제 1 배관(110)의 상부에는 중간에 위치한 제 2 배관(120)과 연결될 수 있도록 1개 이상의 홀들(112)이 천공되어 있으며 제 1 배관(110)과 제 2 배관(120)의 상부는 개폐되어 있다. 그리고, 가장 외측에 위치하고 있는 제 3 배관(130)은 하부가 막혀 있으며, 하부 일측에는 응축수를 외부로 배출할 수 있는 바이패스 유로(132)가 연통되어 있고, 상기 바이패스 유로(132)는 가습기 내 중공사막 튜브와 연통되어 있다. 여기서, 상기 제 3 배관(130)은 상부가 연통되어 연료전지 스택의 공용분배기와 연통되어 있다. 또한, 제 3 배관(130)의 상부 중간에는 배관 안쪽으로 원판형의 구조물인 베플(150)이 경사지게 구비되어 있고, 제 2 배관(120)의 상단에는 중앙 부위가 힌지 구조로 연결되어 있는 공기 차단 밸브(140)가 구비되어 있다.
바람직하게, 공기 차단 밸브(140)가 제 2 배관(120)의 상단에 구비되어 있되, 상기 공기 차단 밸브(140)의 개폐는 공기 차단 밸브(140)가 비작동시 자중에 의해 밀폐되고, 가습기로부터 공급되는 공기에 의해 개방되며, 제 1 배관(110) 또는 제 2 배관(120)에 의해 정지되어 상기 제 3 배관(130)의 일부 또는 전부가 폐쇄되는 구조이다.
본 발명에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(100)의 연료전지 스택의 운전 중인 경우와 연료전지 스택의 셧다운된 경우에 대해 설명하면, 먼저 스택 운전 중에는 도 3의 좌측 도면과 같이 공기의 흐름에 의한 모멘텀에 의하여 힌지에 의해 연결된 반원 구조의 공기 차단 밸브(140)가 상부로 이동하며 배관 내부에 흐름이 발생하고, 이를 통하여 가습기에서 나온 가습 공기가 연료전지 스택 공기 매니폴드로 이동하게 된다.
또한, 도 3의 우측 도면과 같이 연료전지 스택 운전이 정지된 상태에서는 가습기를 통하여 유입되는 공기가 없기 때문에 공기 차단 밸브(140)에 가해지는 힘이 제거되며, 공기 차단 밸브(140)가 자중에 의하여 제 1 배관(110)과 제 2 배관(120)의 상단을 폐쇄하여 제 3 배관(130)의 일부 또는 전부의 공기 흐름을 차단하게 된다. 따라서, 연료전지 스택으로 유입되는 공기를 차단하여 셧다운 후 공기 유입에 의한 촉매층과 전해질막의 열화를 방지하게 된다.
이 경우에, 바이패스 유로는 제 3 배관(130)의 하단에 위치하며 가습기 내 중공사막층의 튜브측과 연결되어 있다. 상기 공기 차단 밸브(140) 내에서 분리된 응축수가 제 3 배관(130)의 하단부에 모이면 바이패스 유로를 통하여 가습기 튜브측으로 이동하여 이 응축수는 가습기 내 중공사막 층에서 다시 건조한 공기를 가습하는데 사용된다.
이제, 본 발명에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(100)에 의해 응축수의 발생 및 연료전지 스택으로의 유입 차단에 대해 구체적으로 설명하면, 도 4의 좌측 도면에서와 같이, 제 1 배관(110)은 가습기에서 나오는 배관과 연결되어 가습기로부터 가습공기와 응축수가 유입되고, 1개 이상의 홀들(112)에 의하여 제 2 배관(120)으로 응축수와 가습 공기가 흐르게 된다. 상기 제 2 배관(120)의 상부는 폐쇄되어 있으며 제 1 배관(110)에서 유입된 응축수와 가습 공기는 하부 방향으로만 유동이 가능하다. 제 2 배관(120)을 통해서 유동이 하부 방향으로 전환되며 응축수는 이 과정에서 응축수 자체의 자중에 의하여 제 3 배관(130)의 하부에 수집된다.
이와 반대로, 가습된 공기는 제 3 배관(130)의 상부를 통하여 공용분기 공기 매니폴드로 이동하게 된다. 공기의 유속은 연료전지 스택의 출력에 따라 변하게 되며 최대 출력시 강한 유속 공기 유속에 의하여 일부 응축수가 같이 상부로 이동할 수 있지만 제 3 배관(130)의 내벽에 위치한 배플베플(150)에 의하여 이동이 방지되고 다시 제 3 배관(130)의 내벽을 따라서 제 3 배관(130)의 하부에 응축수가 수집된다. 여기서, 일부 응축수는 베플(150)과 제 3 배관(130) 사이에 정체되어 있다가 공기의 유속이 약해지면 그때 제 3 배관(130)의 내벽을 따라서 하부에 모일 수도 있다. 이러한, 응축수가 하부에 수집되면 바이패스 배관의 밸브를 통하여 외부로 배출이 된다. 이러한 구성을 통하여 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(200)는 내측에 위치하는 제 1 배관(110), 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관(120) 및 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관(130)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 제 1 배관(110)에는 제 2 배관(120)이 연통되어 있되, 상기 제 2 배관(120)은 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있다. 여기서, 상기 제 1 배관(110)과 제 2 배관(120)의 상단은 개폐되어 있으며, 상기 제 2 배관(120)의 직경은 제 1 배관(110)의 직경보다 크게 구성되어 있다. 상기 제 1 배관(110)의 상부에 천공되어 있는 1개 이상의 홀들(112)을 통해 제 2 배관(120)과 연통되고, 제 3 배관(130)은 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있으며, 상기 제 3 배관(130)의 직경은 제 2 배관(120)의 직경보다 큰 구조이다.
구체적으로, 상기 제 2 배관(120)의 상단으로부터 이격되어 상부측으로 제 3 배관(130)의 내측에는 베플(150)이 구비되어 있되, 상기 베플(150)의 상측으로 공기 차단 밸브(140)가 구비되어 있으며, 상기 공기 차단 밸브(140)는 비작동시 자중에 의해 밀폐된다. 상기 공기 차단 밸브(140)가 구비되어 있되, 상기 제 1 밸브부(141)와 제 2 밸브부(142)는 중앙에 위치하는 힌지에 의해 연결되어 있다. 이러한 공기 차단 밸브(140)는 비작동시 자중에 의해 밀폐되고, 제 1 배관(110) 또는 제 2 배관(120)에 의해 정지되어 제 3 배관(130)의 일부 또는 전부가 폐쇄된다. 또한, 상기 공기 차단 밸브(140)는 제 1 밸브부(141) 및 상기 제 1 밸브부(141)와 대응하는 형상의 제 2 밸브부(142)를 포함하여 구성되어 있다.
이와 같이, 공기 차단 밸브(140)와 베플(150)의 설치 위치가 다르다는 점을 제외하고 동일한 구조의 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 스택 운전에 따른 공기 및 응축수 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 6을 참조하면, 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(300)는 내측에 위치하는 제 1 배관(110), 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관(120) 및 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관(130)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 제 1 배관(110)에는 제 2 배관(120)이 연통되어 있되, 상기 제 2 배관(120)은 상기 제 1 배관(110)의 외부에 위치하며 제 1 배관(110)의 상부와 연통되어 있다. 여기서, 상기 제 1 배관(110)과 제 2 배관(120)의 상단은 개폐되어 있으며, 상기 제 2 배관(120)의 직경은 제 1 배관(110)의 직경보다 크게 구성되어 있다. 상기 제 1 배관(110)은 상기 제 1 배관(110)의 상부에 천공되어 있는 1개 이상의 홀들(112)을 통해 제 2 배관(120)과 연통되는 구조이다.
이어서, 공기 차단 밸브(140)가 상기 제 2 배관(120)의 상단에 구비되어 있되, 상기 공기 차단 밸브(140)는 비작동시 자중에 의해 밀폐되고, 제 1 배관(110) 또는 제 2 배관(120)에 의해 정지되어 제 3 배관(130)의 일부 또는 전부가 폐쇄된다. 또한, 상기 공기 차단 밸브(140)는 제 1 밸브부(141) 및 상기 제 1 밸브부(141)와 대응하는 형상의 제 2 밸브부(142)를 포함하여 구성되어 있고, 상기 제 1 밸브부(141)와 제 2 밸브부(142)는 중앙에 위치하는 힌지에 의해 연결되어 있다.
한편, 상기 제 3 배관(130)은 상기 제 2 배관(120)의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있으며, 상기 제 3 배관(130)의 직경은 제 2 배관(120)의 직경보다 큰 구조이다.
또한, 상기 제 3 배관(130)의 내측의 제 2 배관(120) 상단으로부터 이격되어 있는 위치에 베플(150)이 구비되어 있되, 상기 베플(150)은 원판형이며 제 3 배관(130)의 내측으로 하향 경사져 있는 구조이다.
구체적으로, 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기(300)는 제 2 배관(120)이 위치하고 있는 부분에 대응하는 제 3 배관(130)의 중간 부분은 응축수가 체류하도록 내측으로 오목한 형상의 구조, 즉 외부에서 본 경우에는 외측으로 볼록한 형상을 갖는다.
즉, 제 3 배관(130)의 중앙부의 공간을 넓혀 제 3 배관(130)의 공간 내에서 외류가 발생하도록 하는 원리이다. 여기서 발생된 와류를 통하여 상부로 향하려는 모멘텀이 상실되는 구간에서 유동의 흐름 안에서 자중이 큰 응축수는 유동 모멘텀을 잃고 제 3 배관(130)의 넓어진 벽을 타고 하부로 수집될 수 있는 구조가 된다. 제 3 배관(130)의 넓어진 공간은 상대적으로 공기의 주흐름이 없는 상태에서 유동의 와류 현상만 나타남으로 제 3 배관(130) 벽에 필름 형태로 부착된 응축수가 체류하게 되어 배관 하부로 용이하게 흐를 수 있는 구조를 갖는다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 유동 해석 결과를 나타내는 모식도이다.
도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기의 작동 원리 및 효과를 설명하면, 종래에는 공기 공급계에서 가습기를 통과한 가습 공기는 가습기 내의 응축수와 함께 연료전지 스택으로 유입되게 된다. 이러한 현상이 발생할 때 연료전지 스택 내에 수분 유입으로 인하여 연료전지 스택 셀 성능이 불균일해지고 셀 빠짐 현상도 발생하게 된다.
예를 들어, 아이들 운전 후 급발진 시 가습기 내에 쌓인 응축수가 빠른 유속으로 이동하게 되게 연료전지 스택 내 분리판에 셀 빠짐이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 가습기 아웃 캡의 형태를 바꾸거나 또는 연료전지 스택 내 엔드셀 히터의 바이패스 유로를 확대하여 전지셀로 수분이 유입되지 않도록 하는 방안들이 제안되었다.
그러나, 능동적으로 수분을 가습 공기와 분리하여 제거하는 장치가 종래의 기술에는 공지되어 있지 않기 때문에 연료전지 스택으로 응축수 유입을 방지하는 장치가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명에 따른 1 배관(110), 제 2 배관(120) 및 제 3 배관(130)으로 구성되어 있는 3중 배관 구조에 의하면 응축수와 가습 공기의 유동 방향이 달라지게 되되 A영역에는 공기가 존재하고 B영역으로부터 수분이 유입된다. 이와 같이 유입된 수분은 3중 배관 구조를 따라 이동하면서 C영역에 응축수가 분리되어 수집되고, D영역에는 응축수가 가습 공기와 미스트 형태로 섞여 있는 상태가 되는데, 이 과정에서 응축수는 자체의 자중에 의하여 가습 공기와 분리가 가능하고, 또한 베플에 의하여 외측 배관 벽에 필름 형태로 부착된 응축수가 스택으로 유입되는 현상도 방지되어 응축수의 유입을 최소화하고 시간을 지연시켜 스택 내 셀 빠짐 현상을 완화 및 방지할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당 업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시 예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시 예가 가능함을 밝혀둔다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 또한 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어가 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되어야 한다. 더불어, 상술하는 과정에서 기술된 구성의 순서는 반드시 시계열적인 순서대로 수행될 필요는 없으며, 각 구성 및 단계의 수행 순서가 바뀌어도 본 발명의 요지를 충족한다면 이러한 과정은 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 물론이다.
100: 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기
110: 제 1 배관 112: 홀들
120: 제 2 배관 130: 제 3 배관
132: 바이패스 유로 140: 공기 차단 밸브
141: 제 1 밸브부 142: 제 2 밸브부
150: 베플
200, 300: 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기

Claims (20)

  1. 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서,
    내측에 위치하는 제 1 배관;
    상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관; 및
    상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관;
    을 포함하고,
    상기 제 3 배관의 내측에는 공기 차단 밸브가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배관의 하부는 가습기 배관과 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배관의 상부에는 공기가 배출되는 1개 이상의 홀들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배관과 제 2 배관의 상단은 상기 공기 차단 밸브에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브는 상기 제 2 배관의 상단에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브는 비작동시 자중에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브는 제 1 배관 또는 제 2 배관에 의해 정지되어 상기 제 3 배관의 일부 또는 전부가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브는 가습기로부터 공급되는 공기에 의해 개방되는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브는,
    제 1 밸브부; 및
    상기 제 1 밸브부와 대응하는 형상의 제 2 밸브부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브부와 제 2 밸브부는 힌지에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 배관의 길이는 제 2 배관 상단부터 제 3 배관의 하단 밀폐부의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 배관의 내측에는 베플이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 차단 밸브 상부에는 베플이 위치하는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 베플은 원판형인 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 베플은 제 3 배관의 내측으로 하향 경사져 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 배관의 하단에는 응축수를 수집하는 바이패스 유로가 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로의 타단은 가습기 튜브와 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 배관의 상부는 공기 매니폴드와 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서,
    내측에 위치하는 제 1 배관;
    상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관; 및
    상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관;
    을 포함하고,
    상기 제 3 배관의 내측에는 베플이 구비되어 있고, 베플 상부에는 공기 차단 밸브가 위치하는 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
  20. 연료전지 시스템용 공기 차단기에 있어서,
    내측에 위치하는 제 1 배관;
    상기 제 1 배관의 외부에 위치하며 제 1 배관의 상부와 연통되어 있는 제 2 배관; 및
    상기 제 2 배관의 외부에 위치하며 하부가 밀폐되어 있는 제 3 배관;
    을 포함하고,
    상기 제 3 배관의 중간부분은 응축수가 체류하도록 내측으로 오목한 형상인 것을 특징으로 하는 응축수 유입을 방지하는 공기 차단기.
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