KR20220079285A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20220079285A
KR20220079285A KR1020200168902A KR20200168902A KR20220079285A KR 20220079285 A KR20220079285 A KR 20220079285A KR 1020200168902 A KR1020200168902 A KR 1020200168902A KR 20200168902 A KR20200168902 A KR 20200168902A KR 20220079285 A KR20220079285 A KR 20220079285A
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김규영
반현석
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택, 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며 연료전지 스택의 둘레에 밀폐된 챔버를 형성하는 인클로저, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 일단은 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 인클로저에 연결되며, 챔버에 공기를 공급하는 분기라인, 및 인클로저에 연결되며 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인을 포함하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 통해 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다.
연료전지 스택이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 유입가스는 연료전지 스택으로 유입되기 전에 가습기에 의해 가습될 수 있다.
최근에는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 가습기를 통과하는 유입가스(건조공기)를 가습하는 방식이 제시된 바 있다.
한편, 연료전지 스택의 출력을 향상시키기 위해서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소 및 공기의 공급 압력이 충분하게 보장(연료전지 스택의 내압 성능이 확보)될 수 있어야 한다.
그런데, 기존에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력이 일정 이상 증가하면, 연료전지 스택의 기밀을 위해 마련된 가스켓에 의한 기밀 성능을 보장하기 어렵고, 연료전지 스택에 공급된 공기가 외부(연료전지 스택의 외부)로 누설되는 문제점이 있으므로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력을 일정 이상 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 내압 성능을 확보하고, 연료전지 스택의 출력을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 내압 성능을 확보하고, 연료전지 스택의 출력을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 인클로저의 압력을 최적화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 구조 변경없이 내압 성능을 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, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택, 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며 연료전지 스택의 둘레에 밀폐된 챔버를 형성하는 인클로저, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 일단은 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 인클로저에 연결되며, 챔버에 공기를 공급하는 분기라인, 및 인클로저에 연결되며 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인을 포함한다.
이는, 연료전지 스택의 성능을 향상시키고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 연료전지 스택의 출력을 향상시키기 위해서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소 및 공기의 공급 압력이 충분하게 보장(연료전지 스택의 내압 성능이 확보)될 수 있어야 하지만, 기존에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력이 일정 이상 증가하면, 연료전지 스택의 기밀을 위해 마련된 가스켓에 의한 기밀 성능을 보장하기 어렵고, 연료전지 스택에 공급된 공기가 외부(연료전지 스택의 외부)로 누설되는 문제점이 있으므로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력을 일정 이상 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 분기라인 및 공기배출라인을 이용하여 인클로저의 내부의 압력(챔버 압력)을 선택적으로 조절하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 공급되는 수소 및 공기의 공급 압력을 충분하게 보장할 수 있고, 연료전지 스택의 출력을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 내부 압력에 대응하여 챔버의 내부 압력을 조절하는 것에 의하여, 챔버의 내부 압력과 연료전지 스택의 내부 압력의 평형(압력 평형) 상태를 구현할 수 있으므로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력을 증가시키더라도 연료전지 스택에 공급된 공기가 연료전지 스택의 외부(챔버)로 누설되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택의 내압 성능을 보장하고, 연료전지 스택의 성능 및 출력을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 공기배출라인에 마련되며, 공기배출라인으로 배출되는 공기의 배출량을 선택적으로 조절하는 제1밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 분기라인에 마련되며, 분기라인을 따라 챔버로 공급되는 공기의 공급량을 선택적으로 조절하는 제2밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 챔버의 내부 압력을 측정하는 압력센서를 포함하되, 제1밸브는 연료전지 스택의 내부 압력과 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 공기의 배출량을 조절할 수 있다.
또한, 제2밸브는 연료전지 스택의 내부 압력과 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 공기의 공급량을 조절할 수 있다.
바람직하게, 제1밸브는 챔버의 내부 압력과 연료전지 스택의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있도록 공기의 배출량을 조절할 수 있다.
또한, 제2밸브는 챔버의 내부 압력과 연료전지 스택의 내부 압력이 기준 압력 범위에 있도록 공기의 공급량을 조절할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 내부 압력이 챔버의 내부 압력보다 높으면, 제1밸브는 공기의 배출량을 기설정된 기준 배출량보다 낮게 조절하고, 제2밸브는 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 높게 조절할 수 있다.
다른 일 예로, 연료전지 스택의 내부 압력이 챔버의 내부 압력보다 낮으면, 제1밸브는 공기의 배출량을 기준 배출량보다 높게 조절하고, 제2밸브는 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 낮게 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택, 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며 연료전지 스택의 둘레에 밀폐된 챔버를 형성하는 인클로저, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 일단은 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 인클로저에 연결되며 챔버에 공기를 공급하는 분기라인, 인클로저에 연결되며 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인, 공기배출라인에 마련되며 공기배출라인으로 배출되는 공기의 배출량을 선택적으로 조절하는 제1밸브, 및 분기라인에 마련되며 분기라인을 따라 챔버로 공급되는 공기의 공급량을 선택적으로 조절하는 제2밸브를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 내압 성능을 충분하게 확보할 수 있으며, 연료전지 스택의 출력을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 인클로저의 압력을 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 구조 변경없이 내압 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 공기의 유동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 챔버의 내부 압력이 연료전지 스택의 내부 압력보다 낮은 경우, 공기의 유동 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 챔버의 내부 압력이 연료전지 스택의 내부 압력보다 높은 경우, 공기의 유동 흐름을 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 발명에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(40), 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며 연료전지 스택(40)의 둘레에 밀폐된 챔버(51)를 형성하는 인클로저(50), 연료전지 스택(40)에 연결되며 연료전지 스택(40)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(110), 일단은 공기공급라인(110)에 연결되고 다른 일단은 인클로저(50)에 연결되며, 챔버(51)에 공기를 공급하는 분기라인(210), 및 인클로저(50)에 연결되며 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(220)을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(40)을 적용 가능한 다양한 연료전지 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차)에 적용될 수 있으며, 연료전지 시스템(10)이 적용되는 연료전지 차량의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(40)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.
연료전지 스택(40)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(40)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 제1냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 제1냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(40)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)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.
인클로저(50)는 연료전지 스택(40)을 보호할 수 있도록 연료전지 스택(40)의 둘레 전체를 감싸도록 마련된다.
보다 구체적으로, 인클로저(50)는 연료전지 스택(40)을 내부에 수용할 수 있는 소정 체적을 갖도록 마련되며, 연료전지 스택(40)의 둘레(인클로저(50)와 연료전지 스택(40)의 사이 공간)에는 밀봉된 챔버(51)가 형성될 수 있다.
인클로저(50)는 연료전지 스택(40)의 둘레에 챔버(51)를 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 인클로저(50)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 인클로저(50)는, 제1하우징(미도시)(예를 들어, 금속 재질의 상부 하우징) 및 제1하우징과 상호 협조적으로 밀폐된 챔버(51)를 형성하는 제2하우징(미도시)(예를 들어, 금속 재질의 하부 하우징)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 3개 이상의 하우징을 이용하여 인클로저를 구성하는 것도 가능하고, 하우징의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 인클로저(50)의 내부에는 냉각수 등을 통과시키기 위한 배관(미도시)이 마련될 수 있으며, 인클로저(50)에 연결되는 배관 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
공기공급라인(110)은 연료전지 스택(40)에 연결되며, 연료전지 스택(40)으로 공기를 공급하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 공기공급라인(110)의 일단은 공기공급부(20)에 연결되고, 공기공급부(20)의 다른 일단은 인클로저(50)를 통과하여 연료전지 스택(40)에 연결될 수 있다.
공기공급부(20)로서는 연료전지 스택(40)으로 공급되는 공기를 압축하여 공급할 수 있는 통상의 압축기가 사용될 수 있으며, 공기공급부(20)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
압축기는 공기가 연료전지 스택(40)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 갖도록 공기를 압축할 수 있으며, 공기의 압축 정도는 연료전지 스택(40)의 운전 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 공기공급라인(110) 상에는, 연료전지 스택(40)으로 유입되는 공기에 포함된 먼지와 같은 이물질을 필터링하기 위한 필터와 같은 각종 부가장치(미도시)가 마련될 수 있으며, 공기공급라인(110)에 마련되는 부가장치의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기공급라인(110)에 마련되며, 연료전지 스택(40)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기(30)를 포함할 수 있다.
가습기(30)는 연료전지 스택(40)으로 유입되기 전에 공기를 가습하도록 마련된다. 여기서, 공기를 가습한다 함은, 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의될 수 있다.
가습기(30)는 공기를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(30)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 가습기(30)는, 연료전지 스택(40)으로부터 배출된 습윤 공기가 유입되는 하우징(미도시), 및 하우징의 내부에 마련되는 가습막(미도시)을 포함할 수 있고, 공기는 가습막의 내부를 따라 유동하는 중에 가습될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(40)으로부터 배출된 공기는 순환라인(120)을 따라 가습기(30)의 하우징 내부(가습막의 주변)로 공급될 수 있다.
가습막은 내부를 따라 공기가 유동 가능한 튜브 형태의 중공사막(Hollow fiber membrane)으로 형성될 수 있고, 하우징의 내부에서 가습막의 일단(입구단) 및 타단(출구단)은 포팅재(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
참고로, 가습막은 중곡사막으로 형성되므로, 하우징의 내부에 공급된 수분(예를 들어, 습윤 공기의 수분)은 가습막의 외부에서 내부로 투과하여 공기에 전달될 수 있으나, 공기는 가습막의 내부에서 가습막의 외부로 투과될 수 없다.
분기라인(210)은 공기공급라인(110)을 따라 공급되는 공기 중 일부를 인클로저(50)의 챔버(51)로 공급하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 분기라인(210)의 일단(입구단)은 공기공급라인(110)에 연결되고, 분기라인(210)의 다른 일단(출구단)은 인클로저(50)에 연결된다.
바람직하게, 분기라인(210)의 일단은 공기공급부(20)와 가습기(30)의 사이에서 공기공급라인(110)에 연결될 수 있다.
인클로저(50)에서 분기라인(210)의 다른 일단이 연결되는 위치는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 분기라인(210)의 다른 일단은 인클로저(50)의 좌단부(도 1 기준)에 연결될 수 있다.
공기배출라인(220)은 인클로저(50)의 챔버(51)에 공급된 공기를 선택적으로 인클로저(50)의 외부로 배출하기 위해 마련된다.
일 예로, 공기배출라인(220)은 인클로저(50)의 우단부(도 1 기준)에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 인클로저의 상부, 하부 또는 여타 다른 위치에 공기배출라인을 연결할 수 있으며, 공기배출라인의 연결 위치에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 인클로저(50)에 분기라인(210) 및 공기배출라인(220)을 연결하는 것에 의하여, 인클로저(50)의 챔버(51)의 압력을 선택적으로 조절(압력 증가 또는 압력 감소)하는 것이 가능하다.
이는, 연료전지 스택(40)의 둘레를 감싸도록 제공되는 챔버(51)의 내부 압력을 선택적으로 조절하여, 연료전지 스택(40)의 내압 성능을 확보하고, 연료전지 스택(40)의 출력을 향상시키기 위함이다.
즉, 연료전지 스택의 출력을 향상시키기 위해서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소 및 공기의 공급 압력이 충분하게 보장(연료전지 스택의 내압 성능이 확보)될 수 있어야 하지만, 기존에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력이 일정 이상 증가하면, 연료전지 스택의 기밀을 위해 마련된 가스켓에 의한 기밀 성능을 보장하기 어렵고, 연료전지 스택에 공급된 공기가 외부(연료전지 스택의 외부)로 누설되는 문제점이 있으므로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력을 일정 이상 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 인클로저(50)의 챔버(51)의 압력을 선택적으로 조절하는 것에 의하여, 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 내부 압력의 평형(압력 평형) 상태를 구현할 수 있으므로, 연료전지 스택(40)으로 공급되는 공기의 공급 압력을 증가시키더라도 연료전지 스택(40)에 공급된 공기가 연료전지 스택(40)의 외부(챔버)로 누설되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(40)의 내압 성능을 보장하고, 연료전지 스택(40)의 성능 및 출력을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기배출라인(220)에 마련되며, 공기배출라인(220)으로 배출되는 공기의 배출량을 선택적으로 조절하는 제1밸브(222)를 포함할 수 있다.
제1밸브(222)로서는 공기배출라인(220)으로 배출되는 공기의 배출량을 조절 가능한 다양한 밸브수단이 사용될 수 있으며, 제1밸브(222)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1밸브(222)로서는 통상의 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 공기배출라인(220)으로 배출되는 공기의 배출량을 조절한다 함은, 공기배출라인(220)으로 배출되는 공기를 단속(ON/OFF)하거나, 공기배출라인(220)으로 배출되는 공기의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 분기라인(210)에 마련되며, 분기라인(210)을 따라 챔버(51)로 공급되는 공기의 공급량을 선택적으로 조절하는 제2밸브(212)를 포함할 수 있다.
제2밸브(212)로서는 분기라인(210)을 따라 챔버(51)로 공급되는 공기의 공급량을 조절 가능한 다양한 밸브수단이 사용될 수 있으며, 제2밸브(212)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2밸브(212)로서는 통상의 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 챔버(51)로 공급되는 공기의 공급량을 조절한다 함은, 챔버(51)로 공급되는 공기를 단속(ON/OFF)하거나, 챔버(51)로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 챔버(51)의 내부 압력을 측정하는 압력센서(52)를 포함하되, 제1밸브(222)는 연료전지 스택(40)의 내부 압력과 챔버(51)의 내부 압력의 차이에 기초하여 공기의 배출량을 조절하고, 제2밸브(212)는 연료전지 스택(40)의 내부 압력과 챔버(51)의 내부 압력의 차이에 기초하여 공기의 공급량을 조절하도록 구성된다.
바람직하게, 제1밸브(222)는 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있도록 공기의 배출량을 조절하고, 제2밸브(212)는 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 기준 압력 범위에 있도록 공기의 공급량을 조절하도록 구성된다.
여기서, 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있다 함은, 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 압력 평형 상태(예를 들어, 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택의 압력이 동일한 상태)를 이루는 것으로 이해될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 챔버(51)의 내부 압력보다 높으면, 제1밸브(222)는 공기의 배출량을 기설정된 기준 배출량보다 낮게 조절하고, 제2밸브(212)는 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 높게 조절할 수 있다.
이와 반대로, 연료전지 스택(40)의 내부 압력이 챔버(51)의 내부 압력보다 낮으면, 제1밸브(222)는 공기의 배출량을 기준 배출량보다 높게 조절하고, 제2밸브(212)는 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 낮게 조절할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)의 작동 구조를 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 예를 들어, 챔버(51)의 내부 압력과 연료전지 스택(40)의 압력이 서로 동일한 기준 압력 범위에 해당하는 경우에는, 공기공급부(20)로부터 공급되는 공기는 가습기(30)를 통과한 후 공기공급라인(110)을 따라 연료전지 스택(40)으로 공급될 수 있다. 연료전지 스택(40)으로부터 배출되는 공기는 순환라인(120)을 따라 다시 가습기(30)를 통과한 후 배기라인(미도시)을 통해 외부로 배기될 수 있다.
이때, 공기공급라인(110)을 따라 공급되는 공기 중 일부는 분기라인(210)을 통해 인클로저(50)로 공급된 후, 공기배출라인(220)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 3을 참조하면, 예를 들어, 연료전지 스택(40)의 고출력이 요구되는 경우에는, 제1밸브(222)는 공기배출라인(220)을 차단(OFF)할 수 있고, 제2밸브(212)는 분기라인(210)을 개방(ON)할 수 있다.
이와 같이, 공기배출라인(220)을 차단한 상태에서, 인클로저(50)(챔버)에 공기를 공급하는 것에 의하여, 챔버(51)의 내부 압력을 급격히 높일 수 있으므로(예를 들어, 연료전지 스택의 내부 압력에 대응하는 압력으로 챔버(51)의 내부 압력을 높일 수 있으므로), 연료전지 스택(40)으로 공급되는 공기의 공급 압력을 증가시키는 것이 가능하며, 공기의 누설(연료전지 스택에서 챔버(51)로 누설)없이 연료전지 스택(40)의 출력을 향상시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 예를 들어, 연료전지 스택(40)의 순간적인 고출력 작동에 의해 연료전지 스택(40) 내의 공기량이 급격하게 감소하는 경우에는, 제1밸브(222)는 공기배출라인(220)을 개방(ON)할 수 있고, 제2밸브(212)는 분기라인(210)을 차단(OFF)할 수 있다.
이와 같이, 분기라인(210)을 차단한 상태에서, 챔버(51)의 공기가 공기배출라인(220)을 따라 배출되도록 하는 것에 의하여, 챔버(51)의 내부 압력을 급격히 낮출 수 있으므로(예를 들어, 연료전지 스택의 내부 압력에 대응하는 압력으로 챔버(51)의 내부 압력을 낮출 수 있으므로), 챔버(51) 내부의 공기가 연료전지 스택(40) 내부로 유입되는 것을 억제할 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제1밸브(222)에 의한 공기의 배출량 및 제2밸브(212)에 의한 공기의 공급량을 함께 조절하여 챔버(51)의 내부 압력을 조절하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1밸브에 의한 공기의 배출량 및 제2밸브에 의한 공기의 공급량 중 어느 하나만을 조절하여 챔버(51)의 내부 압력을 조절하는 것도 가능하다.
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 : 연료전지 시스템
20 : 공기공급부
30 : 가습기
40 : 연료전지 스택
50 : 인클로저
51 : 챔버
52 : 압력센서
110 : 공기공급라인
120 : 순환라인
210 : 분기라인
212 : 제2밸브
220 : 공기배출라인
222 : 제1밸브

Claims (14)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며, 상기 연료전지 스택의 둘레에 밀폐된 챔버를 형성하는 인클로저;
    상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인;
    일단은 상기 공기공급라인에 연결되고, 다른 일단은 상기 인클로저에 연결되며, 상기 챔버에 상기 공기를 공급하는 분기라인; 및
    상기 인클로저에 연결되며, 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인;
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기배출라인에 마련되며, 상기 공기배출라인으로 배출되는 상기 공기의 배출량을 선택적으로 조절하는 제1밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 압력을 측정하는 압력센서를 포함하고,
    상기 제1밸브는, 상기 연료전지 스택의 내부 압력과 상기 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 상기 공기의 배출량을 조절하는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1밸브는, 상기 챔버의 내부 압력과 상기 연료전지 스택의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있도록 상기 공기의 배출량을 조절하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1밸브는,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 높으면, 상기 공기의 배출량을 기설정된 기준 배출량보다 낮게 조절하고,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 낮으면, 상기 공기의 배출량을 상기 기준 배출량보다 높게 조절하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분기라인에 마련되며, 상기 분기라인을 따라 상기 챔버로 공급되는 상기 공기의 공급량을 선택적으로 조절하는 제2밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 압력을 측정하는 압력센서를 포함하고,
    상기 제2밸브는, 상기 연료전지 스택의 내부 압력과 상기 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 상기 공기의 공급량을 조절하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2밸브는, 상기 챔버의 내부 압력과 상기 연료전지 스택의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있도록 상기 공기의 공급량을 조절하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2밸브는,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 낮으면, 상기 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 낮게 조절하고,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 높으면, 상기 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 높게 조절하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급라인에 마련되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 공기를 가습하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 마련되며, 상기 연료전지 스택의 둘레에 밀폐된 챔버를 형성하는 인클로저;
    상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인;
    일단은 상기 공기공급라인에 연결되고, 다른 일단은 상기 인클로저에 연결되며, 상기 챔버에 상기 공기를 공급하는 분기라인;
    상기 인클로저에 연결되며, 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인;
    상기 공기배출라인에 마련되며, 상기 공기배출라인으로 배출되는 상기 공기의 배출량을 선택적으로 조절하는 제1밸브; 및
    상기 분기라인에 마련되며, 상기 분기라인을 따라 상기 챔버로 공급되는 상기 공기의 공급량을 선택적으로 조절하는 제2밸브;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 압력을 측정하는 압력센서를 포함하되,
    상기 제1밸브는, 상기 연료전지 스택의 내부 압력과 상기 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 상기 공기의 배출량을 조절하고,
    상기 제2밸브는, 상기 연료전지 스택의 내부 압력과 상기 챔버의 내부 압력의 차이에 기초하여 상기 공기의 공급량을 조절하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1밸브는, 상기 챔버의 내부 압력과 상기 연료전지 스택의 내부 압력이 기설정된 기준 압력 범위에 있도록 상기 공기의 배출량을 조절하고,
    상기 제2밸브는, 상기 챔버의 내부 압력과 상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 기준 압력 범위에 있도록 상기 공기의 공급량을 조절하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 높으면, 상기 제1밸브는 상기 공기의 배출량을 기설정된 기준 배출량보다 낮게 조절하고, 상기 제2밸브는 상기 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 높게 조절하며,
    상기 연료전지 스택의 내부 압력이 상기 챔버의 내부 압력보다 낮으면, 상기 제1밸브는 상기 공기의 배출량을 상기 기준 배출량보다 높게 조절하고, 상기 제2밸브는 상기 공기의 공급량을 기설정된 기준 공급량보다 낮게 조절하는 연료전지 시스템.
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