KR20210023495A - 연료전지 배기 장치 - Google Patents

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KR20210023495A KR1020190103760A KR20190103760A KR20210023495A KR 20210023495 A KR20210023495 A KR 20210023495A KR 1020190103760 A KR1020190103760 A KR 1020190103760A KR 20190103760 A KR20190103760 A KR 20190103760A KR 20210023495 A KR20210023495 A KR 20210023495A
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Abstract

연료전지의 배기 장치를 개시한다. 배기 장치는 일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 파이프; 일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 수조관;으로서, 상기 파이프의 폐쇄된 타측이 상기 수조관의 개방된 일측으로 삽입되어 상기 파이프의 외주면의 일부를 커버하는 수조관; 상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프에 연통되는 개질기 배기관; 상기 개질기 배기관과 이격되고, 상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프와 연통되는 스택 배기관; 상기 개질기 배기관 또는 상기 스택 배기관에 인접하여 위치하고, 상기 수조관의 외주면에 형성되어 상기 수조관의 내부와 연통되는 배수관; 그리고, 상기 폐쇄된 파이프의 타측에 형성되고, 상기 수조관의 폐쇄된 타측과 이격되는 홀을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 배기 장치{FUEL CELL EXHAUST DEVICE}
본 발명은 연료전지의 배기 장치에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell) 장치는 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 공기중의 산소를 스택의 막전극조합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이며, 작동시 물과 열이 발생된다.
연료전지 장치는 공급 연료를 개질하는 개질기와, 개질반응에 필요한 열을 공급하는 버너와, 스택을 냉각하고 열을 회수하기 위한 열교환기 및 냉각수배관, 생산된 직류전류를 교류전류로 바꿔주는 전력변환기 등을 구비한다.
연료전지 장치의 케이스 내부에는 다수의 개별 장치들과 이들 사이의 유체 흐름(공기, 연료, 물)을 가능케 하는 배관이 복잡하게 설치되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2012-0071288호는, 스택모듈(10)이 연료전지 셀이 적층되어 구성되고 전력을 생산하는 스택(10A)과, 스택(10A)에서 생산된 직류전류를 교류전류로 변환하는 전력변환기(10B)와, 스택(10A)을 냉각시키는 초순수가 순환하는 초순수 열교환기(10C)를 포함하는 연료전지 장치를 개시한다.
연료변환기모듈(20)은 연료가스를 공급받아 수소가스로 변환하는 개질기(20A)와, 개질기(20A)로 개질반응에 필요한 열을 공급하는 버너(20B)를 포함한다.
BOP모듈(30)은 스택(10A)의 배기가스로부터 열을 회수하는 제1열교환기(30A)와, 버너(20B)의 배기가스로부터 열을 회수하는 제2열교환기(30B)와, 개질기(20A)에서 배출되는 수소가스로부터 열을 회수하는 제3열교환기(30C)를 포함한다.
열저장모듈(40)은 스택모듈(10)의 초순수 열교환기(10C)와, 상기 제1열교환기(30A)와, 제2열교환기(30B)와, 제3열교환기(30C)로 저장수를 순환시켜 열을 회수, 저장하는 온수탱크(40A)를 포함한다. 즉, 온수탱크(40A)는 축열 기능을 수행한다.
스택(10A)의 배기가스 출구와 제1열교환기(30A)의 코어 입구 사이에는 스택배기가스유입관(83)이 연결되고, 제1열교환기(30A)의 코어 출구에는 스택배기가스배출관(84)이 연결된다.
개질기(20A)의 수소가스 출구와 제3열교환기(30C)의 코어 입구 사이에는 수소가스유입관(87)이 연결되고, 제3열교환기(30C)의 코어 출구와 스택(10A)의 수소가스 입구 사이에는 수소가스배출관(88)이 연결된다.
그러나, 이러한 연료전지 장치는 스택 및 개질기 연소의 배기를 별도로 구성하여 시스템의 복잡도가 증가하고, 하나의 배기로 병합하면 유로의 간섭에 의해 출력이 일정하지 않으며, 응축수 배수를 위한 밸브 제어에 따른 기생전력이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또, 다른 목적은 유로의 간섭을 개선한 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공하는 것일 수 있다.
또, 다른 목적은 일정한 출력을 제공하는 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공하는 것일 수 있다.
또, 다른 목적은 밸브제어시 발생할 수 있는 기생전력을 개선할 수 있는 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공하는 것일 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 파이프; 일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 수조관;으로서, 상기 파이프의 폐쇄된 타측이 상기 수조관의 개방된 일측으로 삽입되어 상기 파이프의 외주면의 일부를 커버하는 수조관; 상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프에 연통되는 개질기 배기관; 상기 개질기 배기관과 이격되고, 상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프와 연통되는 스택 배기관; 상기 개질기 배기관 또는 상기 스택 배기관에 인접하여 위치하고, 상기 수조관의 외주면에 형성되어 상기 수조관의 내부와 연통되는 배수관; 그리고, 상기 폐쇄된 파이프의 타측에 형성되고, 상기 수조관의 폐쇄된 타측과 이격되는 홀을 포함하는 연료전지 배기장치를 제공한다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배수관에 설치되는 밸브를 더 포함할 수 있다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 밸브는 전원이 인가되면 상기 배수관을 닫고, 전원이 해제되면 상기 배수관을 열 수 있다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 수조관에 설치되고, 상기 수조관에 수집되는 응축수의 수위를 감지하는 센서를 더 포함할 수 있다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 센서로부터 상기 응축수의 수위정보를 획득하여, 상기 밸브에 전원을 인가하거나 해제하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 응축수의 수위가 상기 수조관의 폐쇄된 타측으로부터 상기 파이프의 홀의 높이 보다 작으면 상기 밸브에 전원을 인가하고, 상기 응축수의 수위가 상기 수조관의 폐쇄된 타측으로부터 상기 파이프의 홀의 높이 보다 크면 상기 밸브에 전원을 해제할 수 있다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 파이프의 직경은 상기 수조관의 직경 보다 작고, 상기 스택 배기관 또는 상기 개질기 배기관의 직경은 상기 파이프의 직경 보다 작을 수 있다.
또 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배수관은 상기 수조관의 개방된 일측에 인접하여 상기 수조관과 연통될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 배기장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 의하면, 유로의 간섭을 개선한 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 의하면, 일정한 출력을 제공하는 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 의하면, 밸브제어시 발생할 수 있는 기생전력을 개선할 수 있는 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명과 관련된 종래 연료전지 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 배치장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 밸브구조의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출구조의 예들을 도시한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브제어의 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2를 참조하면, 파이프(110)는 제1 파트(111), 제2 파트(113), 그리고 제3 파트(115)를 포함할 수 있다. 개질기 배기관(120) 및 스택 배기관(130)은 파이프(110)와 연통할 수 있다. 제1 파트(111)는 상하가 개방된 파이프 일 수 있다. 개질기 배기관(120)은 파이프(110)의 제1 파트(111)와 연통하고, 스택 배기관(130)은 파이프(110)의 제1 파트(111)와 연통할 수 있다. 개질기 배기관(120)과 스택 배기관(130)은 파이프(110)의 제1 파트(111)에 상하로 배치될 수 있고, 서로 이격될 수 있다.
예를 들면, 제1 파트(111)의 직경은 개질기 배기관(120)의 직경 보다 3배 이상 클 수 있다. 다른 예를 들면, 제1 파트(111)의 직경은 스택 배기관(130)의 직경 보다 3배 이상 클 수 있다.
이에 따라, 개질기 배기관(120)과 스택 배기관(130)에서 파이프(110)로 합쳐지는 배기 유동에 간섭이 생기지 않을 수 있다.
파이프(110)의 제2 파트(113)는 제1 파트(111)의 하부에서 제1 파트(111)와 연통될 수 있다. 제2 파트(113)는 하부가 폐쇄되고 상부가 개방된 파이프일 수 있다. 제2 파트(113)의 직경은 제1 파트(111)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다. 홀(117)은 제2 파트(113)의 하면에 형성될 수 있다. 예를 들면, 홀(117)의 직경은 제2 파트(113)의 직경의 1/3 이하일 수 있다.
파이프(110)의 제3 파트(115)는 제1 파트(111)의 상부에서 제1 파트(111)와 연통될 수 있다. 제3 파트(115)는 상하가 개방된 파이프일 수 있다. 제3 파트(115)는 제1 파트(111)로부터 굽어지면서 형성될 수 있다. 예를 들면, 제3 파트(115)의 직경은 제1 파트(111)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.
수조관(140)은 파이프(110)의 하부의 외경을 커버할 수 있다. 수조관(140)은 하면이 폐쇄되고 상면이 개방된 파이프 형상일 수 있다. 예를 들면, 수조관(140)의 높이는 제2 파트(113)의 높이와 동일할 수 있다. 수조관(140)의 하면은 제2 파트(113)의 하면과 이격될 수 있다. 수조관(140)의 내주면은 제2 파이프(113)의 외주면과 이격될 수 있다.
배수관(150)은 수조관(140)의 외주면을 통해서 수조관(140)의 내부와 연통될 수 있다. 배수관(150)은 개방된 수조관(140)의 상면에 인접하여 위치할 수 있다.
도 3을 참조하면, 센서(160)는 수조관(140)에 설치될 수 있다. 센서(160)는 수위센서일 수 있다. 예를 들면, 센서(160)는 정전용량센서일 수 있다. 밸브(170)는 배수관(150)에 설치될 수 있다. 밸브(170)는 전기적으로 개폐(172)되는 밸브일 수 있다. 예를 들면, 밸브(170)는 전류가 가해지면 폐쇄(closed)되고, 전류가 해제되면 개방(open)되는 밸브일 수 있다. 밸브(170)는 센서(160)에서 감지되는 수위에 의해서 조절될 수 있다.
도 4를 참조하면, 배기가스(GS)에서 응축되는 물(이하, 응축수, W)은 파이프(110)의 제2 파트(113)의 홀(117)을 통해 수조관(140)에 수집될 수 있다. 응축수(W)는 수조관(140)에서 일정한 수위(H1)를 형성할 수 있다. 응축수(W)의 수위(H1)가 제2 파트(113)의 홀(117)의 높이 보다 낮은 경우(연료전지의 초기 구동시), 배기가스(GS)는 제2 파트(113)의 홀(117)을 통해서 배출관(150)으로 유동할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 밸브(170, 도 3 참조)를 잠글 수 있다. 예를 들면, 밸브(170)에 전류를 가하여 밸브(170)가 배출관(150)을 폐쇄할 수 있다.
도 5를 참조하면, 응축수(W)가 수조관(140)에서 제2 파트(113)의 홀(117) 보다 높은 수위(H1)를 형성하는 경우, 배기가스(GS)는 홀(117)을 통해 수조관(140)으로 유동할 수 없다. 응축수(W)는 배기가스(GS)에 대하여 봉수의 기능을 할 수 있다. 홀(117)을 통해 제2 파트(113)의 외부로 유동할 수 없는 배기가스(GS)는 파이프(110, 도 2 참조)의 제1 파트(111) 및/또는 제3 파트(115)로 유동할 수 있다. 이때, 밸브(170, 도 3 참조)를 열 수 있다.
밸브(170)가 열리더라도 응축수(W)가 배기가스(GS)가 홀(117)을 통해 수조관(140)으로 유동하지 못하게 봉수의 역할을 하기 때문에, 밸브(170)가 배출관(150)을 열더라도 배기가스(GS)가 배출관(150)으로 유출되는 현상을 방지할 수 있다. 예를 들면, 밸브(170)에 전류를 해제하여 밸브(170)가 배출관(150)을 개방할 수 있다. 이때, 응축수(W)의 수위(H1)는 제2 파트(113)의 홀(117)의 높이 보다 크고 배출관(150)의 높이(H2) 보다는 작을 수 있다.
도 6을 참조하면, 응축수(W)의 수위(H1)가 배출관(150)의 높이(H2) 보다 커지면, 응축수(W)는 배출관(150)을 통해서 외부로 배수될 수 있다. 예를 들면, 밸브(170)에 여전히 전류가 흐르지 않는 상태일 수 있다. 응축수(W)의 수위(H1)가 배출관(150)의 높이(H2)와 동일해질 때까지 응축수(W)는 배출될 수 있고, 배출관(150)을 통해 배수되어 응축수(W)의 수위(H1)가 배출관(150)의 높이(H2) 보다 작으면 응축수(W)는 배출되지 않을 수 있다. 또, 응축수(W)의 수위(H1)가 제2 파트(113)의 홀(117)의 높이 보다 큰 경우, 밸브(170)는 전류 없이 개방상태를 유지할 수 있다.
도 3 내지 7을 참조하면, 센서(160)는 응축수(W)의 수위(H1)를 감지할 수 있다(S10). 제어부는 센서(160)에서 감지된 응축수(W)의 수위(H1)에 따라서 밸브(170)를 작동시킬 수 있다(S20). 응축수(W)의 수위(H1)가 제2 파트(113)의 홀(117)의 높이 보다 작은 경우, 밸브(170)는 전류가 인가되어 잠김된 상태를 유지할 수 있다(S30). 응축수(W)의 수위(H1)가 제2 파트(113)의 홀(117)의 높이 보다 큰 경우, 밸브(170)는 전류의 인가 없이 개방된 상태를 유지할 수 있다(S40, S50). 이에 따라, 밸브(170)작동을 위한 기생전력 소모를 방지할 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 어떤 실시예들 또는 다른 실시예들은 서로 배타적이거나 구별되는 것은 아니다. 앞서 설명된 본 발명의 어떤 실시예들 또는 다른 실시예들은 각각의 구성 또는 기능이 병용되거나 조합될 수 있다(Certain embodiments or other embodiments of the invention described above are not mutually exclusive or distinct from each other. Any or all elements of the embodiments of the invention described above may be combined or combined with each other in configuration or function).
예를 들어 특정 실시예 및/또는 도면에 설명된 A 구성과 다른 실시예 및/또는 도면에 설명된 B 구성이 결합될 수 있음을 의미한다. 즉, 구성 간의 결합에 대해 직접적으로 설명하지 않은 경우라고 하더라도 결합이 불가능하다고 설명한 경우를 제외하고는 결합이 가능함을 의미한다(For example, a configuration "A" described in one embodiment of the invention and the drawings and a configuration "B" described in another embodiment of the invention and the drawings may be combined with each other. Namely, although the combination between the configurations is not directly described, the combination is possible except in the case where it is described that the combination is impossible).
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다(Although embodiments have been described with reference to a number of illustrative embodiments thereof, it should be understood that numerous other modifications and embodiments can be devised by those skilled in the art that will fall within the scope of the principles of this disclosure. More particularly, various variations and modifications are possible in the component parts and/or arrangements of the subject combination arrangement within the scope of the disclosure, the drawings and the appended claims. In addition to variations and modifications in the component parts and/or arrangements, alternative uses will also be apparent to those skilled in the art).

Claims (7)

  1. 일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 파이프;
    일측이 개방되고, 타측이 폐쇄되는 수조관;으로서, 상기 파이프의 폐쇄된 타측이 상기 수조관의 개방된 일측으로 삽입되어 상기 파이프의 외주면의 일부를 커버하는 수조관;
    상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프에 연통되는 개질기 배기관;
    상기 개질기 배기관과 이격되고, 상기 파이프의 일측과 타측 사이에서 상기 파이프와 연통되는 스택 배기관;
    상기 개질기 배기관 또는 상기 스택 배기관에 인접하여 위치하고, 상기 수조관의 외주면에 형성되어 상기 수조관의 내부와 연통되는 배수관; 그리고,
    상기 폐쇄된 파이프의 타측에 형성되고, 상기 수조관의 폐쇄된 타측과 이격되는 홀을 포함하는 연료전지 배기장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배수관에 설치되는 밸브를 더 포함하는 연료전지 배기 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브는 전원이 인가되면 상기 배수관을 닫고, 전원이 해제되면 상기 배수관을 여는 연료전지 배기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수조관에 설치되고, 상기 수조관에 수집되는 응축수의 수위를 감지하는 센서를 더 포함하는 연료전지 배기 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서로부터 상기 응축수의 수위정보를 획득하여, 상기 밸브에 전원을 인가하거나 해제하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 응축수의 수위가 상기 수조관의 폐쇄된 타측으로부터 상기 파이프의 홀의 높이 보다 작으면 상기 밸브에 전원을 인가하고,
    상기 응축수의 수위가 상기 수조관의 폐쇄된 타측으로부터 상기 파이프의 홀의 높이 보다 크면 상기 밸브에 전원을 해제하는 연료전지 배기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프의 직경은 상기 수조관의 직경 보다 작고,
    상기 스택 배기관 또는 상기 개질기 배기관의 직경은 상기 파이프의 직경 보다 작은 연료전지 배기 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배수관은 상기 수조관의 개방된 일측에 인접하여 상기 수조관과 연통되는 연료전지 배기 장치.

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