KR20220048366A

KR20220048366A - 차량용 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20220048366A
Application number: KR1020200131442A
Authority: KR
Inventors: 김형우
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-19

Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 유입가스를 압축하는 압축기; 압축기에 연결되며, 압축기를 통과한 유입가스를 제습하는 제습기; 제습기에 연결되며, 제습기를 통과한 유입가스를 저장탱크로 공급하는 제1공급라인; 제1공급라인과 개별적으로 제습기에 연결되며, 제습기를 통과한 유입가스에서 포집된 응축수를 공급하는 제2공급라인; 제1공급라인 및 제2공급라인이 각각 연결되며, 응축수 및 유입가스가 혼합된 혼합가스가 저장되는 혼합탱크; 및 혼합탱크에 연결되며, 혼합가스를 연료전지 스택으로 공급하는 제3공급라인;을 포함하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

차량용 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있는 차량용 연료전지 시스템에 관한 것이다.

수소차는 연료(수소)와 공기(산소)의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다.

일반적으로, 수소차는, 수소와 산소(O₂)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack), 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 및 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치(air processing system) 등을 포함할 수 있다.

연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성된다.

연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.

한편, 연료전지 스택이 정상적으로 동작하기 위해서는 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 유입가스(예를 들어, 공기)는 연료전지 스택으로 유입되기 전에 가습기에 의해 가습될 수 있어야 한다.

최근에는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 가습기를 통과하는 유입가스를 가습하는 방식이 제시된 바 있다.

그러나, 기존에는 차량(수소차)의 제동 또는 여타 다른 편의장치(예를 들어, 도어의 개폐를 위한 에어 실린더)의 작동을 위한 압축공기(예를 들어, 차량 제동을 위한 압축공기)를 공급하기 위한 에어 관리 시스템(air management system) 외에, 연료전지 스택에 공기(가습된 공기)를 공급하기 위한 공기공급장치를 별도로 마련해야 함에 따라, 구조가 복잡해지고, 공간활용성 및 설계자유도가 저하될 뿐만 아니라, 원가가 상승하는 문제점이 있다.

특히, 기존에는 연료전지 스택에 가습된 공기를 공급하기 위해, 에어 관리 시스템과 별도로, 압축기 및 가습기와 함께 이를 제어하는 제어기를 추가적으로 마련해야 함에 따라, 공간활용성 및 설계자유도가 저하되는 문제점이 있으며, 작동 소음 및 진동이 증가하는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있는 차량용 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 단 하나의 압축기를 이용하여 차량의 제동 또는 여타 다른 편의장치의 작동을 위한 압축공기와, 연료전지 스택의 작동을 위한 가습공기를 함께 공급할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 원가를 절감하고 경량화에 기여할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 진동 및 작동 소음을 최소화하고, 정숙성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 유입가스를 압축하는 압축기; 압축기에 연결되며, 압축기를 통과한 유입가스를 제습하는 제습기; 제습기에 연결되며, 제습기를 통과한 유입가스를 저장탱크로 공급하는 제1공급라인; 제1공급라인과 개별적으로 제습기에 연결되며, 제습기를 통과한 유입가스에서 포집된 응축수를 공급하는 제2공급라인; 제1공급라인 및 제2공급라인이 각각 연결되며, 응축수 및 유입가스가 혼합된 혼합가스가 저장되는 혼합탱크; 및 혼합탱크에 연결되며, 혼합가스를 연료전지 스택으로 공급하는 제3공급라인;을 포함한다.

이는, 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키기 위함이다.

즉, 기존에는 차량의 제동 또는 여타 다른 편의장치의 작동을 위한 압축공기(예를 들어, 차량 제동을 위한 압축공기)를 공급하기 위한 에어 관리 시스템 외에, 연료전지 스택에 공기(가습된 공기)를 공급하기 위한 공기공급장치를 별도로 마련해야 함에 따라, 구조가 복잡해지고, 공간활용성 및 설계자유도가 저하될 뿐만 아니라, 원가가 상승하는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 단 하나의 압축기를 이용하여 차량의 제동 또는 여타 다른 편의장치(공압부품)의 작동을 위한 압축공기와, 연료전지 스택의 작동을 위한 가습공기를 함께 공급하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는, 연료전지 스택의 작동을 위한 가습공기를 공급하기 위해, 압축기 및 가습기와 함께 이를 제어하는 제어기를 추가적으로 마련하지 않고도, 차량의 제동 또는 여타 다른 편의장치의 작동을 위한 압축공기를 공급하기 위해 이미 마련되어 있는 에어 관리 시스템을 이용하여 연료전지 스택에 선택적으로 가습 처리된 공기를 공급할 수 있으므로, 구조를 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2공급라인은 유입가스에서 응축수를 포집하여 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

일 예로, 차량용 연료전지 시스템은, 제2공급라인에 마련되며 제습기를 통과한 유입가스에서 응축수를 포집하는 워터트랩, 및 제2공급라인에 마련되며 워터트랩에 의해 포집된 응축수를 저장하는 응축수 저장부를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제1공급라인에서 분기되는 분기라인을 포함할 수 있고, 유입가스는 분기라인을 따라 혼합탱크로 공급될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1공급라인에는 밸브가 마련될 수 있으며, 분기라인은 밸브를 매개로 제1공급라인에 연결될 수 있다.

밸브로서는 유입가스의 유동 경로를 저장탱크 및 혼합탱크 중 적어도 어느 하나로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단이 사용될 수 있다.

일 예로, 밸브는, 제1공급라인에 연결되는 제1포트, 분기라인과 연결되는 제2포트, 및 저장탱크와 연결되는 제3포트를 포함할 수 있으며, 제2포트 및 제3포트 중 적어도 어느 하나는 선택적으로 개폐될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 혼합탱크는, 제1공간, 및 제1공간과 개별적으로 밀폐되는 제2공간을 포함할 수 있고, 분기라인을 따라 공급되는 유입가스는 제1공간에 저장되고, 유입가스와 응축수가 혼합된 혼합가스는 제2공간에 저장될 수 있다.

제2공간에는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 혼합가스가 저장될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제2공간과 연결되며 제2공급라인이 연결되는 이젝터, 및 제1공간과 이젝터를 연결하는 제1연결라인를 포함하고, 이젝터는, 제1연결라인을 따라 공급되는 유입가스 및 제2공급라인을 따라 공급되는 응축수를 혼합한 상기 혼합가스를 상기 제2공간으로 공급할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 분기라인을 통해 공급된 유입가스가 제1공간에 저장된 후, 제1연결라인을 통해 이젝터로 공급되도록 하는 것에 의하여, 압축기 및 각종 밸브의 이상 작동이 발생하더라도, 유입가스의 압력 및 유량 저하없이 이젝터로 공급되는 유입가스의 압력 및 유량을 일정하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 이젝터를 이용하여 유입가스 및 응축수를 혼합하여 제2공간에 저장하는 것에 의하여, 별도의 구동원(파워소스)을 사용하지 않고도, 유입가스 및 응축수를 효과적으로 혼합할 수 있으며, 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제1공간에 연결되는 제4공급라인을 포함할 수 있고, 제4공급라인은 제1공간에 저장된 유입가스를 선택적으로 차량의 공압부품으로 공급할 수 있다.

이와 같이, 혼합탱크가 유입가스와 응축수를 혼합하여 저장하는 역할을 수행함과 아울러, 공압부품으로 공압을 공급하기 위한 탱크(저장탱크)의 역할을 함께 수행하도록 하는 것에 의하여, 저장탱크의 개수 및 용량을 증가시키지 않고도 공압의 저장 용량을 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제1공급라인에 마련되며, 제습기를 통과한 유입가스에서 수분을 제거하는 수분제거부를 포함할 수 있다.

이와 같이, 제1공급라인을 따라 공급되는 유입가스가 수분제거부를 통과한 후 저장탱크로 공급되도록 하는 것에 의하여, 저장탱크에 저장되는 유입가스에서 수분의 함량을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 분기라인은 수분제거부와 저장탱크에 사이에서 제1공급라인에 연결될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 압축기의 작동을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제어부는 유입가스의 압력에 기초하여 압축기의 분당회전수(RPM)를 제어할 수 있다.

일 예로, 압축기가 제1분당회전수 범위로 작동하고, 제2포트 및 제3포트가 모두 개방된 상태에서, 유입가스의 압력이 기설정된 최대 기준 압력보다 높거나 같으면, 제3포트는 차단되고, 압축기는 제1분당회전수 범위보다 낮은 제2분당회전수 범위로 작동할 수 있다.

다른 일 예로, 압축기가 제2분당회전수 범위로 작동하고, 제2포트는 개방되고 제3포트가 차단된 상태에서, 유입가스의 압력이 기설정된 최소 기준 압력보다 낮거나 같으면, 제3포트는 개방되고, 압축기는 제2분당회전수 범위보다 높은 제1분당회전수 범위로 작동할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제3공급라인에 마련되는 유량센서, 및 제3공급라인에 마련되는 유량조절밸브를 포함할 수 있고, 제어부는 유량센서에서 측정된 신호에 기초하여 유량조절밸브를 제어할 수 있다.

이와 같이, 유량센서에서 측정된 신호에 기초하여 유량조절밸브를 제어하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라, 혼합탱크에서 연료전지 스택으로 공급되는 혼합가스(가습된 공기)의 공급 유량을 보다 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1공급라인에는 복수개의 저장탱크에 각각 공급되는 유입가스의 공급을 조절하는 조절밸브가 마련될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 단 하나의 압축기를 이용하여 차량의 제동 또는 여타 다른 편의장치의 작동을 위한 압축공기와, 연료전지 스택의 작동을 위한 가습공기를 함께 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 원가를 절감하고 경량화에 기여하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 진동 및 작동 소음을 최소화하고, 정숙성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 밸브의 제3포트가 차단되고, 제2포트가 개방된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 밸브의 제2포트 및 제3포트가 개방된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 압축기의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템(10)은, 유입가스를 압축하는 압축기(200); 압축기(200)에 연결되며, 압축기(200)를 통과한 유입가스를 제습하는 제습기(300); 제습기(300)에 연결되며, 제습기(300)를 통과한 유입가스를 저장탱크(340)로 공급하는 제1공급라인(L1); 제1공급라인(L1)과 개별적으로 제습기(300)에 연결되며, 제습기(300)를 통과한 유입가스에서 포집된 응축수를 공급하는 제2공급라인(L2); 제1공급라인(L1) 및 제2공급라인(L2)이 각각 연결되며, 응축수 및 유입가스가 혼합된 혼합가스가 저장되는 혼합탱크(430); 및 혼합탱크(430)에 연결되며, 혼합가스를 연료전지 스택(600)으로 공급하는 제3공급라인(L3);을 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(600)을 적용 가능한 다양한 연료전지 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차)에 적용될 수 있으며, 차량용 연료전지 시스템(10)이 적용되는 연료전지 차량의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

연료전지 스택(600)은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)(미도시)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.

일 예로, 연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 연료전지 스택(600)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(유입가스)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

압축기(200)는 연료전지 스택(600)의 작동 및 차량의 작동(예를 들어, 제동)에 사용되는 유입가스를 압축시켜 공급하도록 마련된다.

유입가스로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 가스가 사용될 수 있다. 일 예로, 유입가스로서는 공기가 사용될 수 있다.

압축기(200)로서는 유입가스를 압축할 수 있는 다양한 종류의 압축기(200)가 사용될 수 있으며, 압축기(200)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 압축기(200)로서는 분당회전수를 제어하여 유입가스의 공급 유량을 조절할 수 있는 통상의 회전식 압축기가 사용될 수 있다.

유입가스는 압축기(200)에 유입되기 전에 필터(100)(예를 들어, 에어필터)를 거쳐 필터(100)링된 상태로 압축기(200)에 유입될 수 있다.

여기서, 유입가스를 필터(100)링한다 함은, 유입가스에 포함된 먼지와 같은 이물질이 필터(100)에 의해 걸러지는 것으로 정의된다.

필터(100)로서는 통상의 건식 또는 여과지 방식의 필터부재가 사용될 수 있으며, 필터(100)의 재질 및 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 필터(100)는 유입가스에 포함된 큰 사이즈(예를 들어, 2.0㎛보다 큰 사이즈)의 먼지를 필터(100)링하도록 마련될 수 있다. 경우에 따라서는 필터가 작은 사이즈(예를 들어, 2.0㎛ 보다 작은 사이즈)의 먼지를 필터링하도록 구성되는 것도 가능하다.

제습기(300)는 압축기(200)의 출구에 연결되며, 압축기(200)를 통과한 유입가스(압축된 유입가스)를 제습하도록 마련된다.

제습기(300)로서는 유입가스에 함유된 수분을 제습할 수 있는 다양한 제습기(300)가 사용될 수 있으며, 제습기(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제습기(300)로서는 통상의 건조제(예를 들어, 실리카겔)를 이용한 데시컨트(desiccant) 제습기(300)가 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면 제습기(300)가 여타 다른 방식으로 유입가스를 제습하도록 구성하는 것도 가능하다.

제1공급라인(L1)은 제습기(300)의 일측에 연결되며, 제습기(300)를 통과한 유입가스(압축된 상태에서 제습 처리된 유입가스)를 저장탱크(340)로 공급하는 유로를 형성하도록 마련된다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 저장탱크(340)라 함은, 차량의 작동(예를 들어, 제동)에 필요한 공압을 공급하기 위한 탱크로 이해될 수 있으며, 저장탱크(340)의 구조 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템(10)은, 개별적으로 공압을 제공하는 복수개(예를 들어, 3개)의 저장탱크(340)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장탱크(340) 중 하나는 차량의 전륜 제동(예를 들어, 브레이크)을 위한 공압을 공급하기 위해 사용될 수 있고, 저장탱크(340) 중 다른 하나는 차량의 후륜 제동을 위한 공압을 공급하기 위해 사용될 수 있으며, 저장탱크(340) 중 나머지 다른 하나는 차량의 주차시 제동을 위한 공압을 공급하기 위해 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1공급라인(L1)의 일단은 제습기(300)에 연결되고, 제1공급라인(L1)의 다른 일단은 저장탱크(340)에 연결될 수 있다.

바람직하게, 제습기(300)와 저장탱크(340)의 사이에서 제1공급라인(L1)에는 복수개의 저장탱크(340)에 각각 공급되는 유입가스의 공급을 조절하는 조절밸브(330)가 마련될 수 있다.

조절밸브(330)로서는 서킷 밸브(circuit valve)와 같은 통상의 조절밸브(330)가 사용될 수 있으며, 조절밸브(330)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

제2공급라인(L2)은 제1공급라인(L1)과 개별적으로 제습기(300)의 다른 일측에 연결되며, 제습기(300)를 통과한 유입가스에서 포집된 응축수를 혼합탱크(430)로 공급하는 유로를 형성하도록 마련된다.

제2공급라인(L2)은 유입가스에서 응축수를 포집하여 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2공급라인(L2)의 응축수 공급 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제2공급라인(L2)에 마련되며 제습기(300)를 통과한 유입가스에서 응축수를 포집하는 워터트랩(410), 및 제2공급라인(L2)에 마련되며 워터트랩(410)에 의해 포집된 응축수를 저장하는 응축수 저장부(420)를 포함할 수 있다.

워터트랩(410)은 제습기(300)에서 배출된 유입가스(응축수를 포함하는 유입가스)에서 응축수를 포집할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 워터트랩(410)의 구조 및 포집 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 유입가스에 포함된 응축수는 워터트랩(410)을 통과하는 중에 워터트랩(410)의 유입가스가 벽면에 접촉되거나 중력(자중)에 의해 낙하함으로써 워터트랩(410)에 포집될 수 있다.

응축수 저장부(420)는 워터트랩(410)에 의해 포집된 응축수를 저장 가능한 다양한 구조(예를 들어, 응축수 저장탱크)로 제공될 수 있으며, 응축수 저장부(420)의 종류 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

제1공급라인(L1)을 따라 유동하는 유입가스는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 혼합탱크(430)에 공급될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제1공급라인(L1)에서 분기되는 분기라인(BL)을 포함할 수 있고, 유입가스는 분기라인(BL)을 따라 혼합탱크(430)로 공급될 수 있다.

분기라인(BL)은 제1공급라인(L1)에서 분기되며, 제1공급라인(L1)을 따라 공급되는 유입가스를 혼합탱크(430)로 안내하는 유로를 형성하도록 마련된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1공급라인(L1)에는 밸브(320)가 마련될 수 있으며, 분기라인(BL)은 밸브(320)를 매개로 제1공급라인(L1)에 연결될 수 있다.

밸브(320)로서는 유입가스의 유동 경로를 저장탱크(340) 및 혼합탱크(430) 중 적어도 어느 하나로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단이 사용될 수 있다.

일 예로, 밸브(320)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 밸브(320)는, 제1공급라인(L1)에 연결되는 제1포트(322), 분기라인(BL)과 연결되는 제2포트(324), 및 저장탱크(340)와 연결되는 제3포트(326)를 포함할 수 있으며, 제2포트(324) 및 제3포트(326) 중 적어도 어느 하나는 선택적으로 개폐될 수 있다.

밸브(320)의 제2포트(324) 및 제3포트(326)를 선택적으로 개폐하는 것에 의하여, 유입가스의 유동 경로를 저장탱크(340) 및 혼합탱크(430) 중 적어도 어느 하나로 전환할 수 있다. 즉, 도 2와 같이, 제2포트(324)와 제3포트(326)를 모두 개방하면, 제1공급라인(L1)을 따라 공급되는 유입가스는 혼합탱크(430) 및 저장탱크(340)에 각각 유입될 수 있다. 반면, 도 3과 같이, 제2포트(324)를 개방하고 제3포트(326)를 차단하면, 제1공급라인(L1)을 따라 공급되는 유입가스는 분기라인(BL)을 거쳐 혼합탱크(430)에만 유입될 수 있다. 경우에 따라서는, 제2포트를 차단하고 제3포트를 개방하는 것에 의하여, 제1공급라인을 따라 공급되는 유입가스가 저장탱크에만 공급되도록 구성하는 것도 가능하다.

혼합탱크(430)는 제2공급라인(L2)을 따라 공급되는 응축수, 및 분기라인(BL)을 따라 공급되는 유입가스를 혼합하여 혼합가스(유입가스+응축수)로 저장하도록 마련되며, 혼합탱크(430)에는 분기라인(BL) 및 제2공급라인(L2)이 각각 연결된다.

일 예로, 혼합탱크(430)는, 제1공간(432), 및 제1공간(432)과 개별적으로 밀폐되는 제2공간(434)을 포함할 수 있고, 분기라인(BL)을 따라 공급되는 유입가스는 제1공간(432)에 저장되고, 유입가스와 응축수가 혼합된 혼합가스는 제2공간(434)에 저장될 수 있다.

혼합탱크(430)의 내부 공간은 격벽(미도시)에 의해 제1공간(432)과 제2공간(434)으로 구획될 수 있으며, 제1공간(432)과 제2공간(434)의 사이즈(체적) 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 제2공간(434)은 제1공간(432)보다 상대적으로 큰 체적을 갖도록 정의될 수 있다.

제2공간(434)에는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 혼합가스가 저장될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제2공간(434)과 연결되며 제2공급라인(L2)이 연결되는 이젝터(440), 및 제1공간(432)과 이젝터(440)를 연결하는 제1연결라인(CL)을 포함하고, 이젝터(440)는, 제1연결라인(CL)을 따라 공급되는 유입가스 및 제2공급라인(L2)을 따라 공급되는 응축수를 혼합한 상기 혼합가스를 상기 제2공간(434)으로 공급할 수 있다.

이젝터(440)로서는, 높은 압력을 갖는 유입가스의 흐름을 적절히 설계된 노즐을 이용하여 압력을 강하시키고 응축수와 혼합하여 방출(제2공간으로 공급)할 수 있는 통상의 이젝터(440)가 사용될 수 있으며, 이젝터(440)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 분기라인(BL)을 통해 공급된 유입가스가 제1공간(432)에 저장된 후, 제1연결라인(CL)을 통해 이젝터(440)로 공급되도록 하는 것에 의하여, 압축기(200) 및 각종 밸브의 이상 작동이 발생하더라도, 유입가스의 압력 및 유량 저하없이 이젝터(440)로 공급되는 유입가스의 압력 및 유량을 일정하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분기라인을 따라 공급된 유입가스가 혼합탱크(제1공간)를 거치지 않고, 이젝터에 직접 공급되도록 구성하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예는 이젝터(440)를 이용하여 유입가스 및 응축수를 혼합하여 제2공간(434)에 저장하는 것에 의하여, 별도의 구동원(파워소스)을 사용하지 않고도, 유입가스 및 응축수를 효과적으로 혼합할 수 있으며, 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제1공간(432)에 연결되는 제4공급라인(L4)을 포함할 수 있고, 제4공급라인(L4)은 제1공간(432)에 저장된 유입가스를 선택적으로 차량의 공압부품(470)으로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 차량의 공압부품(470)이라 함은, 차량의 부품 중 고압의 압축 공기에 의해 구동(작동)할 수 있는 다양한 공압부품을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있으며, 공압부품(470)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제4공급라인(L4)은 차량의 도어를 개폐하기 위한 에어실린더, 차량의 운전자 시트에 적용되는 에어스프링과 같은 공압부품(470)에 유입가스를 공급할 수 있다.

이와 같이, 혼합탱크(430)가 유입가스와 응축수를 혼합하여 저장하는 역할을 수행함과 아울러, 공압부품(470)으로 공압을 공급하기 위한 탱크(저장탱크)의 역할을 함께 수행하도록 하는 것에 의하여, 저장탱크(340)의 개수 및 용량을 증가시키지 않고도 공압 저장 용량을 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제1공급라인(L1)에 마련되며, 제습기(300)를 통과한 유입가스에서 수분을 제거하는 수분제거부(310)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 제1공급라인(L1)을 따라 공급되는 유입가스가 수분제거부(310)를 통과한 후 저장탱크(340)로 공급되도록 하는 것에 의하여, 저장탱크(340)에 저장되는 유입가스에서 수분의 함량을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

수분제거부(310)로서는 제1공급라인(L1)을 따라 공급되는 유입가스에서 수분을 제거할 수 있는 다양한 수분제거장치가 사용될 수 있으며, 수분제거부(310)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 수분제거부(310)로서는 통상의 퍼지 밸브(purge valve)가 사용될 수 있으며, 수분제거부(310)에서 수집된 응축수 및 습공기는 다시 제습기(300)로 환수될 수 있다.

바람직하게, 분기라인(BL)은 수분제거부(310)와 저장탱크(340)에 사이에서 제1공급라인(L1)에 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 분기라인이 제습기와 수분제거부의 사이에서 제1공급라인에 연결되는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 압축기(200)의 작동을 선택적으로 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.

제어부(500)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리 및/또는 스토리지에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리 및 스토리지는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.

바람직하게, 제어부(500)는 유입가스의 압력에 기초하여 압축기(200)의 분당회전수(RPM)를 제어할 수 있다.

일 예로, 압축기(200)가 제1분당회전수 범위로 작동하고, 제2포트(324) 및 제3포트(326)가 모두 개방된 상태에서, 유입가스의 압력이 기설정된 최대 기준 압력보다 높거나 같으면, 제3포트(326)는 차단되고, 압축기(200)는 제1분당회전수 범위보다 낮은 제2분당회전수 범위로 작동할 수 있다.

여기서, 유입가스의 최대 기준 압력은, 예를 들어, 저장탱크(340)(또는 제1공간)에 저장되는 유입가스의 최대 압력(cut off 압력)으로 이해될 수 있으며, 유입가스의 압력이 최대 기준 압력에 도달하면, 압축기(200)의 분당회전수가 낮게 제어(제1분당회전수 범위보다 낮은 제2분당회전수 범위로 제어)될 수 있다.

다른 일 예로, 압축기(200)가 제2분당회전수 범위로 작동하고, 제2포트(324)는 개방되고 제3포트(326)가 차단된 상태에서, 유입가스의 압력이 기설정된 최소 기준 압력보다 낮거나 같으면, 제3포트(326)는 개방되고, 압축기(200)는 제2분당회전수 범위보다 높은 제1분당회전수 범위로 작동할 수 있다.

여기서, 유입가스의 최소 기준 압력은, 예를 들어, 저장탱크(340)(또는 제1공간)에 저장되는 유입가스의 최소 압력(cut in 압력 또는 저장 시작 압력)으로 이해될 수 있으며, 유입가스의 압력이 최소 기준 압력에 도달하면, 압축기(200)의 분당회전수가 높게 제어(제2분당회전수 범위보다 높은 제1분당회전수 범위로 제어)될 수 있다.

참고로, 압축기(200)의 제1분당회전수 범위 및 제2분당회전수 범위는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 압축기(200)의 제1분당회전수 범위 및 제2분당회전수 범위에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 압축기(200)의 제1분당회전수 범위는 연료전지 스택(600)의 단위 시간당 공기 소모량 기초하여 정의될 수 있고, 압축기(200)의 제2분당회전수 범위는 기설정된 압축기(200)의 목표 작동 시간에 기초하여 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압축기(200)의 제1분당회전수 범위는 하기 수학식 [1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, α는 혼합탱크(430)에만 유입가스가 공급되는 조건(제2포트 개방, 제3포트 차단)에서, 혼합탱크(430)의 압력이 최소 기준 압력에 도달하지 않도록 미리 결정되는 압력 마진이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압축기(200)의 제2분당회전수 범위는 하기 수학식 [2]을 만족할 수 있다.

[수학식 2]

여기서, 목표 작동 시간은 NVH(소음, 진동, 불쾌감) 및 동력 소모를 고려하여 미리 결정될 수 있다.

참고로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상용차(대형 트럭)을 기준으로, 압축기(200)의 최소 기준 압력은 11bar이고, 최대 기준 압력은 12.5bar일 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템(10)은, 제3공급라인(L3)에 마련되는 유량센서(460), 및 제3공급라인(L3)에 마련되는 유량조절밸브(450)를 포함할 수 있고, 제어부(500)는 유량센서(460)에서 측정된 신호에 기초하여 유량조절밸브(450)를 제어(제3공급라인을 따라 연료전지 스택으로 공급되는 혼합가스의 유량을 제어)할 수 있다.

유량센서(460)로서는 제3공급라인(L3)을 따라 유동하는 혼합가스의 유량을 센싱할 수 있는 다양한 유량센서(460)가 사용될 수 있으며, 유량센서(460)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

또한, 유량조절밸브(450)로서는 제3공급라인(L3)을 따라 연료전지 스택(600)으로 공급되는 혼합가스의 유량을 조절할 수 있는 다양한 유량조절밸브(450)가 사용될 수 있으며, 유량조절밸브(450)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

참고로, 유량센서(460)는 제어부(500)와 캔(can) 통신, 린(LIN) 통신 등을 통해 차량 내 통신 가능하게 연결될 수 있다.

이와 같이, 유량센서(460)에서 측정된 신호에 기초하여 유량조절밸브(450)를 제어하는 것에 의하여, 연료전지 스택(600)의 운전 조건에 따라, 혼합탱크(430)에서 연료전지 스택(600)으로 공급되는 혼합가스(가습된 공기)의 공급 유량을 보다 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 차량용 연료전지 시스템
100 : 필터
200 : 압축기
300 : 제습기
310 : 수분제거부
320 : 밸브
322 : 제1포트
324 : 제2포트
326 : 제3포트
330 : 조절밸브
340 : 저장탱크
410 : 워터트랩
420 : 응축수 저장부
430 : 혼합탱크
432 : 제1공간
434 : 제2공간
440 : 이젝터
450 : 유량조절밸브
460 : 유량센서
470 : 공압부품
500 : 제어부
600 : 연료전지 스택

Claims

유입가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기에 연결되며, 상기 압축기를 통과한 상기 유입가스를 제습하는 제습기;
상기 제습기에 연결되며, 상기 제습기를 통과한 상기 유입가스를 저장탱크로 공급하는 제1공급라인;
상기 제1공급라인과 개별적으로 상기 제습기에 연결되며, 상기 제습기를 통과한 상기 유입가스에서 포집된 응축수를 공급하는 제2공급라인;
상기 제1공급라인 및 상기 제2공급라인이 각각 연결되며, 상기 응축수 및 상기 유입가스가 혼합된 혼합가스가 저장되는 혼합탱크; 및
상기 혼합탱크에 연결되며, 상기 혼합가스를 연료전지 스택으로 공급하는 제3공급라인;
을 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1공급라인에서 분기되며, 상기 혼합탱크에 연결되는 분기라인을 포함하고,
상기 유입가스는 상기 분기라인을 따라 상기 혼합탱크로 공급되는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 혼합탱크는,
제1공간; 및
상기 제1공간과 개별적으로 밀폐되는 제2공간;을 포함하고,
상기 분기라인을 따라 공급되는 상기 유입가스는 상기 제1공간에 저장되고, 상기 혼합가스는 상기 제2공간에 저장되는 차량용 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2공간과 연결되며, 상기 제2공급라인이 연결되는 이젝터; 및
상기 제1공간과 상기 이젝터를 연결하는 제1연결라인;을 포함하고,
상기 이젝터는, 상기 제1연결라인을 따라 공급되는 상기 유입가스 및 상기 제2공급라인을 따라 공급되는 상기 응축수를 혼합한 상기 혼합가스를 상기 제2공간으로 공급하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2공급라인에 마련되며, 상기 제습기를 통과한 상기 유입가스에서 상기 응축수를 포집하는 워터트랩; 및
상기 제2공급라인에 마련되며, 상기 워터트랩에 의해 포집된 상기 응축수를 저장하는 응축수 저장부;
를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1공간에 연결되는 제4공급라인을 포함하고,
상기 제4공급라인은 상기 제1공간에 저장된 상기 유입가스를 선택적으로 차량의 공압부품으로 공급하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1공급라인에 마련되며, 상기 제습기를 통과한 상기 유입가스에서 수분을 제거하는 수분제거부를 포함하고,
상기 분기라인은, 상기 수분제거부와 상기 저장탱크에 사이에서 상기 제1공급라인에 연결되는 차량용 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1공급라인에 연결되는 제1포트, 상기 분기라인과 연결되는 제2포트, 및 상기 저장탱크와 연결되는 제3포트를 구비하는 밸브를 포함하고,
상기 제2포트 및 상기 제3포트 중 적어도 어느 하나는 선택적으로 개폐되는 차량용 연료전지 시스템.
제8항에 있어서,
상기 압축기의 작동을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 유입가스의 압력에 기초하여 상기 압축기의 분당회전수(RPM)를 제어하는 차량용 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 압축기가 제1분당회전수 범위로 작동하고, 상기 제2포트 및 상기 제3포트가 모두 개방된 상태에서,
상기 유입가스의 압력이 기설정된 최대 기준 압력보다 높거나 같으면,
상기 제3포트는 차단되고, 상기 압축기는 상기 제1분당회전수 범위보다 낮은 제2분당회전수 범위로 작동하는 차량용 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 압축기가 제2분당회전수 범위로 작동하고, 상기 제2포트는 개방되고 상기 제3포트가 차단된 상태에서,
상기 유입가스의 압력이 기설정된 최소 기준 압력보다 낮거나 같으면,
상기 제3포트는 개방되고, 상기 압축기는 상기 제2분당회전수 범위보다 높은 제1분당회전수 범위로 작동하는 차량용 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제3공급라인에 마련되는 유량센서; 및
상기 제3공급라인에 마련되는 유량조절밸브;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 유량센서에서 측정된 신호에 기초하여 상기 유량조절밸브를 제어하는 차량용 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1공급라인에는 복수개의 상기 저장탱크가 연결되고,
상기 제1공급라인에는 복수개의 상기 저장탱크에 각각 공급되는 상기 유입가스의 공급을 조절하는 조절밸브가 마련되는 차량용 연료전지 시스템.