KR20220096307A - 공냉식 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20220096307A
KR20220096307A KR1020200188619A KR20200188619A KR20220096307A KR 20220096307 A KR20220096307 A KR 20220096307A KR 1020200188619 A KR1020200188619 A KR 1020200188619A KR 20200188619 A KR20200188619 A KR 20200188619A KR 20220096307 A KR20220096307 A KR 20220096307A
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김종성
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 공냉식 연료전지 시스템에 관한 것으로, 효율적인 공냉 방식으로 연료전지 스택을 냉각함으로써 연료전지 시스템에서 사용가능한 출력 영역을 증대시키도록 한 공냉식 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

Description

공냉식 연료전지 시스템 {Air-cooled fuel cell system}
본 발명은 공냉식 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 스택을 효율적으로 냉각하기 위한 공냉식 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기(산소)공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS), 및 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
연료전지 중 높은 전력밀도를 갖는 것으로 이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)가 있다.
이온교환막 연료전지에서 연료전지 스택은 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 사용하며, 이러한 연료전지 스택에서 수소가 애노드(anode, '연료극'이라고도 함)로 공급되고 산소(공기)가 캐소드(cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)로 공급될 때 전기화학반응에 의해 전기를 생성한다.
한편, 연료전지 스택 내에 사용되는 막(Membrane)은 스택 운전 중에 전극 반응열로 인해 온도가 상승하게 되며, 이러한 온도 상승은 막 손상 및 내구 열화를 유발하므로 막 온도가 일정 온도 이상으로 상승하는 것을 억제하는 냉각 장치가 필요하다.
첨부한 도 7은 수냉식 연료전지 시스템을 도시한 것이고, 도 8은 공냉식 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
수냉식 연료전지 시스템의 경우 냉각수를 이용하여 연료전지 스택(10)을 냉각함에 따라 도 7에 보듯이 냉각수 리저버(20)와 펌프(30) 및 라디에이터(40) 등의 부품들을 추가로 필요로 하게 되며, 공냉식 연료전지 시스템의 경우 외부공기를 이용하여 연료전지 스택(10)을 냉각함에 따라 추가적인 부품이 필요치 않으며 도 8에 보듯이 시스템 구성이 간단하다.
공기는 물에 비해 비열이 작기 때문에 공냉 방식의 경우 수냉 방식에 비해 냉각량이 작을 수 밖에 없으며, 이에 공냉 방식은 주로 패키지 공간에 여유가 없는 드론이나 이륜차와 같이 고출력을 요구하지 않는 소형 운송 장치 등에 적용되는 연료전지 시스템에 사용된다.
연료전지는 원활한 성능 발현을 위한 막의 한계 온도가 100℃ 수준으로 낮아 많은 방열을 필요로 하기 때문에 공냉 방식을 적용하는 경우 고출력 조건에서 활용이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 효율적인 공냉 방식으로 연료전지 스택을 냉각함으로써 연료전지 시스템에서 사용가능한 출력 영역을 증대시키도록 한, 공냉식 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 연료전지 스택에 공급되는 수소와 공기를 반응시켜 전기를 생성할 때 반응부산물로 응축수가 발생하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 내부를 관통하여 배치되며 상기 연료전지 스택의 외부로 돌출된 입구부를 가지는 냉각배관; 상기 냉각배관의 입구부에 상대적으로 작은 내경을 가지도록 형성된 벤츄리부; 상기 연료전지 스택에서 배출된 응축수를 저장하는 응축수 리저버; 일단이 상기 벤츄리부에 연결되고 타단이 상기 응축수 리저버에 연결되는 응축수 공급배관; 및 상기 응축수 리저버와 응축수 공급배관 사이에 배치되며, 상기 응축수 리저버와 벤츄리부 간에 압력차에 의해 상기 응축수 리버저에서 응축수 공급배관으로 이동하는 응축수의 유동을 단속하는 드레인 밸브;를 포함하는 공냉식 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 공냉식 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택에서 드레인 가스와 함께 배출된 응축수를 수집하는 워터트랩이 포함되며, 상기 응축수 리저버는 상기 드레인 밸브를 통해 상기 워터트랩에 연결되어 상기 워터트랩에서 배출되는 응축수를 저장하게 된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 드레인 밸브는: 상기 응축수 공급배관과 응축수 리저버를 연통하기 위한 공급배관 연통홀과, 상기 워터트랩과 응축수 리저버를 연통하기 위한 워터트랩 연통홀이 하기 밸브 스템의 이동방향으로 배열되어 형성된 밸브 케이스; 및 상기 밸브 케이스 내에 선형 이동가능하게 조립되고, 상기 공급배관 연통홀을 개방하기 위한 공급배관용 스템홀과 상기 워터트랩 연통홀을 개방하기 위한 워터트랩용 개방단이 형성된 밸브 스템;을 포함하여 구성되고, 상기 공급배관용 스템홀과 상기 워터트랩용 개방단은 상기 밸브 스템의 이동방향을 기준으로 정해진 간격을 두고 배치되며, 상기 밸브 스템은 그 이동방향에 따라 상기 공급배관 연통홀과 워터트랩 연통홀 중 하나를 선택적으로 개방하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 밸브 케이스는 상기 워터트랩 연통홀과 공급배관 연통홀 사이에 배치되어 드레인가스 배기관과 응축수 리저버를 연통하기 위한 배기관 연통홀이 구비되고, 상기 밸브 스템은 상기 워터트랩용 개방단과 공급배관용 스템홀 사이에 배치되어 상기 배기관 연통홀을 개방하기 위한 배기관용 스템홀이 구비되며, 상기 배기관용 스템홀은 상기 워터트랩용 개방단이 워터트랩 연통홀을 개방할 때 상기 배기관 연통홀을 개방하게 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 밸브 케이스는 상기 워터트랩 연통홀과 배기관 연통홀 사이에 배치되어 상기 냉각배관 입구부의 상류측과 응축수 리저버를 연통하기 위한 입구부 연통홀이 구비되며, 상기 입구부 연통홀은 상기 공급배관용 스템홀이 공급배관 연통홀을 개방할 때 상기 배기관용 스템홀에 의해 개방되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벤츄리부와 연결된 응축수 공급배관의 일단에는 상기 응축수 공급배관을 통해 응축수 리저버에서 벤츄리부로 이동하는 응축수의 비말화를 위한 망사부재가 더 구비될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 냉각배관의 입구부에는 연료전지 스택의 공기공급라인에서 분기된 분기라인 더 연결될 수 있고, 상기 공기공급라인에는 상기 분기라인을 통해 상기 입구부로 이동하는 공기의 유동을 단속하기 위한 분기밸브가 더 설치될 수 있다.
또한 상기 응축수 리저버에는 외부에서 액상 물을 보충가능한 리필 리저버가 더 연결되어 설치될 수 있다.
상기와 같은 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 시스템은 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 수냉 장치 대비 구성이 간단한 공냉 장치를 채택하되 기존 대비 냉각 성능을 향상시킨 공냉 장치를 채택함으로써 연료전지 시스템에서 사용가능한 출력 영역을 증대시킬 수 있다.
둘째, 연료전지 스택의 출력이 증가함에 따라 스택에서 반응에 의해 배출되는 응축수량도 증가하게 되므로, 결과적으로 스택의 출력 증가에 따른 시스템 냉각 요구에 대해 효율적인 대응이 가능하다.
셋째, 외부로 버려지는 연료전지 스택의 액상 응축수를 기화시켜 배출함으로써 종래 외부로 배출되는 응축수에 의한 물 튀김 현상을 개선하여 상품성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 시스템의 상세 구성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 시스템의 구성 중 응축수 리저버에 응축수를 저장할 때 드레인 밸브의 작동상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 시스템의 구성 중 응축수 리저버의 응축수를 연료전지 스택의 냉각배관에 공급할 때 드레인 밸브의 작동상태를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공냉식 연료전지 시스템을 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 사용 가능한 출력 성능을 비교하여 나타낸 도면
도 7은 종래의 수냉식 연료전지 시스템을 도시한 도면
도 8은 종래의 공냉식 연료전지 시스템을 도시한 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
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.
도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(100)은, 이젝터(7)를 통해 수소탱크(1)와 연결된 수소공급라인(2)을 통해 연료인 수소를 공급받는 동시에 공기공급라인(5)을 통해 공기를 공급받게 되며, 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하고 반응부산물로 열과 물(응축수)을 발생하게 된다.
이러한 연료전지 스택(100)에서 수소는 애노드에 공급되고 공기는 캐소드에 공급된다. 상기 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 수소이온과 전자가 공기 중 산소와 만나서 전기에너지를 생성하는 동시에 응축수를 생성하는 반응이 일어난다. 이러한 반응 후 연료전지 스택(100) 내에 남은 수소는 수소배출라인(3)으로 배출되고 공기는 공기배출라인(6)으로 배출된다.
연료전지 스택(100)은, 상기와 같은 연료전지 반응으로 인한 스택 온도 상승을 억제하기 위하여 스택 냉각을 위한 냉각배관(110)이 구비된다.
상기 냉각배관(110)은, 연료전지 스택(100)의 내부를 관통하여 배치되며, 스택(100)의 외부로 돌출된 입구부(111)와 출구부(112)를 구비한다.
상기 입구부(111)를 통해 냉각배관(110)에 공급된 스택 냉각용 공기(즉, 냉각공기)는, 스택(100) 내부를 통과하면서 스택(100)을 냉각하고 이후 상기 출구부(112)를 통해 스택(100) 외부로 배출된다.
상기 냉각공기는 연료전지 스택(100)을 탑재한 장치의 이동에 따른 자연 흡기 방식으로 상기 입구부(111)에 유입된다. 예를 들어, 상기 냉각공기는 차량 주행에 따른 자연 흡기 방식으로 상기 입구부(111)에 유입될 수 있다.
상기 냉각공기를 이용한 스택 냉각 성능을 증대시키기 위하여, 상기 냉각배관(110)의 입구부(111)에는 액상 물이 공급된다. 상기 액상 물은 냉각배관(110) 내에서 스택(100) 열에 의해 기화됨으로써 스택 냉각 성능을 증대시킨다.
이때 상기 액상 물은 연료전지 반응 후 스택(100)의 애노드에서 수소와 함께 배출되는 응축수를 사용한다.
스택(100)의 수소배출라인(3)에는 스택(100)에서 드레인 가스(수소)와 함께 배출되는 응축수를 수집하기 위한 워터트랩(120)이 설치되어 배치된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 워터트랩(120)에 수집된 응축수는 워터트랩 연결라인(121)을 통해 응축수 리저버(140)로 선택적으로 이송되며, 이때 상기 응축수는 자유낙하에 의해 응축수 리저버(140)로 이동하게 된다. 즉, 상기 워터트랩 연결라인(121)은 워터트랩(120)에 수집된 응축수를 자유낙하에 의해 응축수 리저버(140)로 이동시킬 수 있도록 구성된다.
상기 응축수 리저버(140)는 워터트랩(120)으로부터 이송 유입된 응축수를 저장하는 것으로 상기 워터트랩 연결라인(121)을 통해 워터트랩(120)에 연결되며, 상기 응축수 리저버(140) 내로 이동된 응축수는 응축수 공급배관(141)을 통해 냉각배관(110)에 선택적으로 공급된다.
상기 응축수 공급배관(141)은 길이방향의 일단이 냉각배관(110)의 입구부(111)에 연결되고 길이방향의 타단이 응축수 리저버(140)에 연결된다. 구체적으로 상기 응축수 공급배관(141)의 일단은 냉각배관(110)의 입구부(111) 중 벤츄리부(113)에 응축수 유동가능하게 연결되고, 응축수 공급배관(141)의 타단은 응축수 리저버(140)에 응축수 유동가능하게 연결된다.
상기 벤츄리부(113)는 냉각배관(110)의 직선형 입구부(111)에 상대적으로 작은 내경을 가지도록 잘록하게 형성된 부분이다. 좀더 말하면, 상기 벤츄리부(113)는 상기 입구부(111)의 길이방향의 중앙부가 오목하게 좁아진 부분이다.
상기 입구부(111)에서 벤츄리부(113)는 상류측 및 하류측 대비 작은 내경을 가짐으로써 냉각공기의 유동시 상대적으로 저압(부압)이 형성되며, 그에 따라 발생하는 압력차에 의해 상기 응축수 공급배관(141)에 벤츄리부(113)의 흡입력이 작용하게 된다.
한편, 상기 응축수 리저버(140)와 워터트랩(120) 간에 응축수 이동 및 상기 응축수 리저버(140)와 응축수 공급배관(141) 간에 응축수 이동을 제어하기 위하여, 드레인 밸브(200)가 사용된다.
상기 드레인 밸브(200)는, 응축수 리저버(140)와 응축수 공급배관(141) 사이에 배치되면서 상기 응축수 리저버(140)와 워터트랩 연결라인(121) 사이에 배치되며, 상기 응축수 리저버(140)에서 응축수 공급배관(141)으로 이동하는 응축수의 유동 및 워터트랩(120)에서 응축수 리저버(140)로 이동하는 응축수의 유동을 단속하도록 구성된다.
즉, 상기 드레인 밸브(200)는 상기 응축수 리저버(140)와 벤츄리부(113) 간에 압력차에 의해 상기 응축수 리저버(140)에서 벤츄리부(113)로 흡입되는 응축수의 유동을 단속하는 동시에, 워터트랩(120)에서 워터트랩 연결라인(121)으로 배출되어 응축수 리저버(140)로 이동하는 응축수의 유동을 단속한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 드레인 밸브(200)는, 응축수 리저버(140)의 상단에 장착되는 밸브 케이스(210)와, 상기 밸브 케이스(210) 내에 선형 이동가능하게 조립되는 밸브 스템(220)을 포함하여 구성된다.
상기 밸브 케이스(210)는, 공급배관 연통홀(211)과 입구부 연통홀(212) 및 워터트랩 연통홀(213)과 배기관 연통홀(214)을 구비한 밀폐형 케이스이며, 그 내부에서 밸브 스템(220)이 기밀한 상태로 이동 가능하도록 형성된다. 밸브 케이스(210)는 밸브 스템(220)의 너비보다 큰 너비를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 밸브 스템(220)은 밸브 케이스(210)의 내벽면에 밀착한 상태로 선형 이동할 수 있다. 예를 들어, 밸브 케이스(210)와 밸브 스템(220) 사이에는 밸브 스템(220)의 선형 이동을 위한 소정의 갭이 존재할 수 있으며, 밸브 케이스(210)의 너비는 밸브 스템(220)의 너비보다 상기 갭만큼 더 큰 값으로 정해질 수 있다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 케이스(210)의 내주면에는 실링을 위한 오링(230)이 장착될 수도 있다. 이때 오링(230)은 응축수 및 드레인 가스의 유동 경로 간 기밀을 위한 위치마다 배치될 수 있다. 또한 오링(230)은 밸브 케이스(210)의 내주면 대신 밸브 스템(220)의 외주면에 조립되는 것도 가능하다.
상기 연통홀(211,212,213,214)들은 각각 밸브 케이스(210)의 상측면부와 하측면부를 관통하도록 형성되며, 이때 응축수 리저버(140)는 밸브 케이스(210)의 하측면부에 밀착 배치되어 상기 연통홀(211,212,213,214)들을 통해 밸브 케이스(210)와 연통가능하게 된다.
상기 공급배관 연통홀(211)은 응축수 공급배관(141)과 응축수 리저버(140)를 연통시키기 위한 것으로, 상기 응축수 공급배관(141)은 공급배관 연통홀(211)을 통해 응축수 리저버(140)에 응축수 유동가능하게 연결된다. 상기 응축수 공급배관(141)은, 원활한 응축수 흡입을 위하여, 공급배관 연통홀(211)을 관통하여 응축수 리저버(140)의 내부까지 연장 형성될 수 있으며, 구체적으로 공급배관 연통홀(211)을 관통하여 응축수 리저버(140)의 저면부에 근접한 일정 높이까지 배치되도록 연장 형성될 수 있다.
좀더 말하면, 앞서 설명한 바와 같이, 응축수 공급배관(141)은 일단이 냉각배관(110)의 입구부(111)에 연결되고 타단이 응축수 리저버(140)에 연결되며, 이러한 응축수 공급배관(141)의 타단은 밸브 케이스(210)의 공급배관 연통홀(211)을 통해 응축수 리저버(140)에 연결된다.
상기 입구부 연통홀(212)은 냉각배관(110)의 입구부(111) 상류측(즉, 벤츄리부(113)의 상류측)과 응축수 리저버(140)를 연통하기 위한 것으로, 상기 냉각배관(110)의 입구부(111)는 입구부 연통홀(212)을 통해 응축수 리저버(140)에 연결된다. 상기 입구부 연통홀(212)은 벤츄리부 가압배관(114)을 통해 상기 벤츄리부(113)의 상류측에 직접 연통될 수 있다.
상기 워터트랩 연통홀(213)은 워터트랩(120)의 출구측에 연결된 워터트랩 연결라인(121)과 응축수 리저버(140)를 연통하기 위한 것으로, 상기 워터트랩 연결라인(121)은 워터트랩 연통홀(213)을 통해 응축수 리저버(140)에 연결된다. 워터트랩 연결라인(121)을 통해 응축수 리저버(140)로 유입되는 응축수는 밸브 케이스(210)의 워터트랩 연통홀(213)을 통과하여 응축수 리저버(140) 내로 유입된다.
상기 배기관 연통홀(214)은 드레인가스의 배출을 위한 드레인가스 배기관(130)과 응축수 리저버(140)를 연통하기 위한 것으로, 상기 드레인가스 배기관(130)은 배기관 연통홀(214)을 통해 응축수 리저버(140)에 연결된다.
밸브 스템(220)의 선형 이동 시 상기 연통홀(211,212,213,214)들이 정해진 조건에 따라 개폐되도록 하기 위하여, 상기 배기관 연통홀(214)은 워터트랩 연통홀(213)과 공급배관 연통홀(211) 사이에 정해진 거리를 두고 배치되며, 상기 입구부 연통홀(212)은 워터트랩 연통홀(213)과 배기관 연통홀(214) 사이에 정해진 거리를 두고 배치된다.
이때, 상기 워터트랩 연통홀(213)과 입구부 연통홀(212)과 배기관 연통홀(214) 및 공급배관 연통홀(211)은 밸브 스템(220)의 선형 이동방향으로 순차적으로 배열된다.
상기 밸브 스템(220)은, 밸브 케이스(210) 내에서 선형 이동하면서 상기 연통홀(211,212,213,214)들을 개폐하기 위하여, 워터트랩용 개방단(221)과 공급배관용 스템홀(222) 및 배기관용 스템홀(223)을 구비한다.
상기 워터트랩용 개방단(221)은, 밸브 스템(220)의 가장자리부 중 밸브 스템(220)의 선형 이동방향의 한쪽 끝단부이며, 도 3에 보듯이 밸브 스템(220)이 정해진 방향(즉, 제1방향)으로 소정 거리를 선형 이동할 때 워터트랩 연통홀(213)을 개방하게 된다.
아울러 도 2 내지 도 4에 도시된 실시예의 경우 상기 워터트랩용 개방단(221)을 밸브 스템(220)의 한쪽 끝단부로서 적용하였으나, 다른 실시예로 워터트랩용 개방단(221)을 홀 형태로 변경하여 적용하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 워터트랩 연통홀(213)을 개방하기 위하여, 밸브 스템(220)은 워터트랩용 개방단(221) 대신 워터트랩용 개방홀(미도시)을 구비할 수도 있다.
상기 배기관용 스템홀(223)은, 밸브 스템(220)의 선형 이동위치에 따라 배기관 연통홀(214)을 개방하는 것으로, 상기 워터트랩용 개방단(221)으로부터 정해진 간격을 두고 배치되며, 도 3에 보듯이 밸브 스템(220)이 상기 제1방향으로 소정 거리를 선형 이동할 때 배기관 연통홀(214)과 매칭되면서 상기 배기관 연통홀(214)을 개방하게 된다.
구체적으로 상기 배기관용 스템홀(223)은, 워터트랩용 개방단(221)이 상기 워터트랩 연통홀(213)을 개방할 때 배기관 연통홀(214)을 개방하게 된다. 또한 상기 워터트랩용 개방단(221)은 밸브 스템(220)의 한쪽 측벽면(즉, 제1측벽면)이 밸브 케이스(210)의 내측벽면에 밀착될 때 상기 워터트랩 연통홀(213)을 개방하게 된다.
상기 워터트랩 연통홀(213)이 개방될 때, 응축수 리저버(140)에는 응축수뿐만 아니라 연료전지 스택(100)에서 배출된 드레인 가스도 함께 유입될 수 있으므로, 상기 워터트랩 연통홀(213)과 함께 배기관 연통홀(214)을 개방함으로써 드레인가스 배기관(130)으로 드레인 가스를 배출하도록 하는 것이 바람직하다. 이때 드레인 가스는 응축수 리저버(140)의 내부압력에 의해 자연 배출될 수 있다.
상기 공급배관용 스템홀(222)은, 밸브 스템(220)의 선형 이동위치에 따라 공급배관 연통홀(211)을 개방하는 것으로, 워터트랩용 개방단(221)으로부터 밸브 스템(220)의 이동방향을 기준으로 정해진 간격을 두고 배치되며, 도 4에 보듯이 밸브 스템(220)이 소정 거리를 제2방향으로 선형 이동할 때 공급배관 연통홀(211)과 매칭되면서 상기 공급배관 연통홀(211)을 개방하게 된다. 상기 제2방향은 상기 제1방향의 반대 방향이다.
구체적으로 상기 공급배관용 스템홀(222)은 밸브 스템(220)의 다른 한쪽 측벽면(즉, 제2측벽면)이 밸브 케이스(210)의 내측벽면에 밀착될 때 공급배관 연통홀(211)을 개방하게 되며, 이때 밸브 케이스(210)의 입구부 연통홀(212)이 상기 배기관용 스템홀(223)과 매칭되면서 개방된다.
밸브 스템(220)이 상기 공급배관 연통홀(211)을 개방할 때, 응축수 배출을 위한 공급배관 연통홀(211)을 제외하고 응축수 리저버(140)는 드레인 밸브(200)에 의해 밀폐된 상태이므로, 상기 입구부 연통홀(212)을 개방함으로써 응축수 리저버(140)에 저장된 응축수가 냉각배관(110)의 벤츄리부(113)로 원활하게 흡입되어 이동할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 밸브 스템(220)의 제1측벽면은 밸브 스템(220)의 선형 이동방향으로 워터트랩용 개방단(221)의 맞은편에 배치된 측벽면이고, 상기 밸브 스템(220)의 제2측벽면은 밸브 스템(220)의 선형 이동방향으로 상기 제1측벽면의 맞은편에 배치된 측벽면이다.
아울러, 상기 밸브 스템(220)은 선형 이동력을 공급하는 액추에이터(미도시)에 의해 밸브 케이스(210) 내에서 선형 이동할 수 있으며, 상기 액추에이터는 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기에 의해 작동 제어될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 드레인 밸브(200)는, 응축수 리저버(140)가 워터트랩 연결라인(121)을 통해 워터트랩(120) 내에 응축수를 이송받을 때의 응축수 유동경로와, 상기 응축수 리저버(140) 내에 응축수를 응축수 공급배관(141)을 통해 냉각배관(110)으로 공급할 때의 응축수 유동경로를 개별적으로 구축함으로써, 밸브 스템(220)의 이동방향 및 이동거리를 제어하여 밸브 케이스(210)의 공급배관 연통홀(211)과 워터트랩 연통홀(213) 중 하나를 선택적으로 개방하게 된다.
즉, 드레인 밸브(200)는 밸브 스템(220)이 상기 제1방향으로 이동할 때 워터트랩 연통홀(213)을 개방하면서 공급배관 연통홀(211)을 닫게 되고(도 3 참조), 밸브 스템(220)이 상기 제2방향으로 이동할 때 워터트랩 연통홀(213)을 닫으면서 공급배관 연통홀(211)을 열게 된다(도 4 참조).
상기 드레인 밸브(200)를 통과하여 냉각배관(110)에 공급된 응축수는 냉각배관(110)의 입구부(111)를 통해 유입된 냉각공기와 함께 냉각배관(110)을 통과하면서 스택(100)의 열을 흡수하며, 스택(100)의 열을 흡수한 공기는 스택 열에 의해 기화된 응축수와 함께 냉각배관(110)의 출구부(112)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각배관(110)의 벤츄리부(113)와 연결되는 응축수 공급배관(141)의 일단에는 응축수를 비말화하기 위한 망사부재(142)가 더 구비될 수 있다.
상기 응축수 공급배관(141)과 벤츄리부(113) 간에 차압에 의해 상기 벤츄리부(113)로 배출되는 응축수는, 벤츄리부(113)로 빠르게 배출되면서 상기 망사부재(142)에 부딪히게 되며 그에 따라 응축수의 비말화가 이루어지게 된다.
좀더 말하면, 상기 망사부재(142)는 응축수 공급배관(141)의 일단에 배치됨으로써 응축수 공급배관(141)을 통해 응축수 리저버(140)에서 벤츄리부(113)로 배출되는 응축수의 비말화를 유도하게 되며, 그에 따라 냉각배관(110)을 통해 연료전지 스택(100)의 내부를 통과하는 응축수의 기화율을 증대시킬 수 있으며, 결과적으로 스택 냉각 성능을 증대를 도모할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 공냉식 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(100)의 출력 증가에 따른 스택(100)의 냉각 필요량 증대에 효율적인 대응이 가능하다. 좀더 말하면, 연료전지 스택(100)의 출력이 증가함에 따라 스택(100)의 발열량이 증가하면서 스택(100)의 냉각 필요량도 증가하게 되는 동시에, 스택(100)의 출력이 증가됨에 따라 스택(100)의 반응량이 증가하면서 스택(100)에서 반응에 의해 생성되는 응축수량도 증가하게 된다. 따라서 스택(100)의 냉각배관(110)에 공급되는 응축수량 또한 증가하게 되고, 결과적으로 스택(100)의 출력 증가에 따른 시스템 냉각 요구에 대해 효율적인 대응이 가능하게 된다.
한편, 첨부한 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공냉식 연료전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉각배관(110)의 입구부(111)에는 연료전지 스택(100)의 공기공급라인(5)에서 분기된 분기라인(150)이 더 연결될 수 있고, 상기 공기공급라인(5)에는 분기라인(150)과의 연결 지점에 공기공급라인(5)에서 분기라인(150)으로 이동되는 공기의 유동을 단속하기 위한 분기밸브(151)가 더 설치될 수 있다.
냉각배관(110)의 입구부(111)에 상기 분기라인(150)이 연결 구비됨으로써 상기 냉각배관(110)은 공기공급라인(5)에 구비된 공기압축기(4)에 의해 압축된 공기를 공급받을 수 있다.
분기라인(150)을 통해 상기 입구부(111)에 공급되는 압축 공기의 유량을 제어하기 위해 상기 분기밸브(151)의 개폐 작동을 제어할 수 있으며, 상기 분기밸브(151)는 연료전지 시스템 제어기에 의해 작동 제어될 수 있다.
구체적으로 상기 분기밸브(151)는 스택 냉각 성능 증대를 위하여 추가적인 냉각공기가 필요한 경우 개방 작동될 수 있다.
또한 응축수 외에 추가적인 액상 물 공급이 필요한 경우를 위하여, 응축수 리저버(140)에는 외부로부터 액상 물을 리필 및 보충 가능한 리필 리저버(160)가 연결 설치될 수 있다.
상기 리필 리저버(160)는 유동제어밸브(161)를 통해 응축수 리저버(140)에 연결될 수 있으며, 상기 유동제어밸브(161)의 개폐 제어를 통해 리필 리저버(160)내에 액상 물을 응축수 리저버(140)에 선택적으로 공급할 수 있다.
예를 들어, 응축수 리저버(140) 내에 저장된 응축수량이 부족한 경우 유동제어밸브(161)를 개방하여 리필 리저버(160) 내에 액상 물을 응축수 리저버(140)로 공급할 수 있으며, 이때 상기 리필 리저버(160)에서 응축수 리저버(140)로 이동된 액상 물이 응축수 공급배관(141)을 통해 벤츄리부(113)로 흡입됨으로써 스택 냉각 성능 증대를 도모할 수 있다.
상기 리필 리저버(160)는 그 내부에 저장된 액상 물이 자유 낙하에 의해 응축수 리저버(140)로 이동되도록 응축수 리저버(140)에 연결될 수 있다. 이러한 리필 리저버(160)는 일정 용량의 액상 물을 저장 가능한 리저버일 수 있다.
첨부한 도 6은 연료전지 시스템에서 사용 가능한 출력 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
기존의 공냉식 연료전지 시스템을 활용하는 소형 운송 장치의 경우 냉각 성능 부족으로 인해 사용 가능한 출력이 크게 제한되는 문제점이 있었으나, 본 발명의 공냉식 연료전지 시스템의 경우 스택에서 외부로 버려지는 응축수를 냉각공기와 함께 스택 내부로 공급함으로써 상기 응축수가 기화되면서 스택 열을 흡수함으로 인해 공냉 성능이 증대되고 결과적으로 도 6에 도시된 바와 같이 연료전지 시스템에서 사용 가능한 출력 영역을 증대시킬 수 있게 된다.
아울러, 연료전지 스택에서 배출되어 외부로 버려지는 액상 응축수를 스택 열에 의해 기화시켜 배출하게 됨으로 인해 액상 응축수 배출에 따른 물 튀김 현상을 방지할 수 있으며, 그에 따른 상품성 개선을 기대할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 수소탱크 2 : 수소공급라인
3 : 수소배출라인 4 : 공기압축기
5 : 공기공급라인 6 : 공기배출라인
7 : 이젝터
100 : 연료전지 스택 110 : 냉각배관
111 : 입구부 112 : 출구부
113 : 벤츄리부 114 : 벤츄리부 가압배관
120 : 워터트랩 121 : 워터트랩 연결라인
130 : 드레인가스 배기관 140 : 응축수 리저버
141 : 응축수 공급배관 142 : 망사부재
150 : 분기라인 151 : 분기밸브
160 : 리필 리저버 161 : 유동제어밸브
200 : 드레인 밸브
210 : 밸브 케이스 211 : 공급배관 연통홀
212 : 입구부 연통홀 213 : 워터트랩 연통홀
214 : 배기관 연통홀 220 : 밸브 스템
221 : 워터트랩용 개방단 222 : 공급배관용 스템홀
223 : 배기관용 스템홀 230 : 오링

Claims (9)

  1. 연료전지 스택에 공급되는 수소와 공기를 반응시켜 전기를 생성할 때 반응부산물로 응축수가 발생하는 연료전지 시스템에 있어서,
    연료전지 스택의 내부를 관통하여 배치되며, 상기 연료전지 스택의 외부로 돌출된 입구부를 가지는 냉각배관;
    상기 냉각배관의 입구부에 상대적으로 작은 내경을 가지도록 형성된 벤츄리부;
    상기 연료전지 스택에서 배출된 응축수를 저장하는 응축수 리저버;
    일단이 상기 벤츄리부에 연결되고 타단이 상기 응축수 리저버에 연결되는 응축수 공급배관; 및
    상기 응축수 리저버와 응축수 공급배관 사이에 배치되며, 상기 응축수 리저버와 벤츄리부 간에 압력차에 의해 상기 응축수 리버저에서 응축수 공급배관으로 이동하는 응축수의 유동을 단속하는 드레인 밸브;
    를 포함하는 공냉식 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 드레인 가스와 함께 배출된 응축수를 수집하는 워터트랩이 포함되며, 상기 응축수 리저버는 상기 드레인 밸브를 통해 상기 워터트랩에 연결되어 상기 워터트랩에서 배출되는 응축수를 저장하게 된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 드레인 밸브는:
    상기 응축수 공급배관과 응축수 리저버를 연통하기 위한 공급배관 연통홀과, 상기 워터트랩과 응축수 리저버를 연통하기 위한 워터트랩 연통홀이 하기 밸브 스템의 이동방향으로 배열되어 형성된 밸브 케이스; 및
    상기 밸브 케이스 내에 선형 이동가능하게 조립되고, 상기 공급배관 연통홀을 개방하기 위한 공급배관용 스템홀과 상기 워터트랩 연통홀을 개방하기 위한 워터트랩용 개방단이 형성된 밸브 스템;을 포함하여 구성되고,
    상기 공급배관용 스템홀과 상기 워터트랩용 개방단은 상기 밸브 스템의 이동방향을 기준으로 정해진 간격을 두고 배치되며, 상기 밸브 스템은 그 이동방향에 따라 상기 공급배관 연통홀과 워터트랩 연통홀 중 하나를 선택적으로 개방하도록 된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 밸브 케이스는 상기 워터트랩 연통홀과 공급배관 연통홀 사이에 배치되어 드레인가스 배기관과 응축수 리저버를 연통하기 위한 배기관 연통홀이 구비되고,
    상기 밸브 스템은 상기 워터트랩용 개방단과 공급배관용 스템홀 사이에 배치되어 상기 배기관 연통홀을 개방하기 위한 배기관용 스템홀이 구비되며,
    상기 배기관용 스템홀은 상기 워터트랩용 개방단이 워터트랩 연통홀을 개방할 때 상기 배기관 연통홀을 개방하게 되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 밸브 케이스는 상기 워터트랩 연통홀과 배기관 연통홀 사이에 배치되어 상기 냉각배관 입구부의 상류측과 응축수 리저버를 연통하기 위한 입구부 연통홀이 구비되며,
    상기 입구부 연통홀은 상기 공급배관용 스템홀이 공급배관 연통홀을 개방할 때 상기 배기관용 스템홀에 의해 개방되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 응축수 공급배관은 밸브 케이스의 공급배관 연통홀을 관통하여 상기 응축수 리저버의 내부까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤츄리부와 연결된 응축수 공급배관의 일단에는 상기 응축수 공급배관을 통해 응축수 리저버에서 벤츄리부로 이동하는 응축수의 비말화를 위한 망사부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각배관의 입구부에는 연료전지 스택의 공기공급라인에서 분기된 분기라인이 더 연결되고, 상기 공기공급라인에는 상기 분기라인을 통해 상기 입구부로 이동하는 공기의 유동을 단속하기 위한 분기밸브가 더 설치된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 리저버에는 외부로부터 액상 물을 보충가능한 리필 리저버가 더 연결되어 설치된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 시스템.
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