KR20220104374A - 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치 - Google Patents

발전형 연료전지 시스템의 배기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 연료전지 통합모듈에 형성되어 물, 수소 및 공기 등을 배출시키는 배출파이프를 하나의 통합배출관에 연결하고, 연료전지 통합모듈의 냉각을 위한 라디에이터로부터 불어오는 고온 외기풍을 통합배출관으로 유도하여, 동절기시 물이 얼지 않고 용이하게 배출될 수 있고, 외기풍에 따른 공기가 수소와 혼합되어 수소 농도를 저감시킬 수 있도록 한 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

발전형 연료전지 시스템의 배기 장치{EXHAUST DEVICE FOR POWER GENERATION TYPE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 연료전지 통합모듈에서 퍼지되는 물 및 수소 등을 원활하게 배출시킬 수 있도록 한 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 수소공급계와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급계와, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 스택은 수소(H2)와 산소(O2)를 반응시켜 전기에너지를 생성하기 위한 다수의 단위 셀(Unit Cell)들이 적층 조립된 것으로서, 각 단위 셀에는 전해질막(Electrolyte Membrane)과, 전해질막의 일측에 위치되어 수소(H2)가 공급되는 애노드(anode) 전극과, 전해질막의 타측에 위치되어 공기가 공급되는 캐소드(cathode) 전극 등으로 구성된 막-전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)와; 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 외측에 적층되는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 포함되어 있다.
이에, 상기 연료전지 스택의 전기 생성을 위한 반응이 상기 막-전극 접합체에서 발생하는데, 산화극인 애노드 전극에 공급된 수소가 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)로 분리된 후, 수소 이온은 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 전극 쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드 전극으로 이동하게 되어, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물(H2O)을 생성하게 된다.
위와 같이 전기를 생성하는 연료전지 스택을 비롯하여, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 수소공급계와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급계와, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하는 연료전지 시스템은 하나의 통합 모듈 구조로 제조되고 있으며, 이를 연료전지 통합모듈이라 칭한다.
상기 연료전지 통합 모듈은 연료전지 차량에 주로 탑재되고 있으나, 연료전지 시스템의 판매사업 다양성을 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 케이싱(20) 내에 복수개의 연료전지 통합모듈(10)이 소정의 배열로 패키징된 발전형 연료전지 시스템이 제작되고 있다.
상기 발전형 연료전지 시스템의 경우, 연료전지 차량에 주행을 목적으로 탑재되는 연료전지 시스템과 달리, 복수개의 연료전지 통합모듈이 발전을 위하여 사용되므로 새로운 패키징 방안이 요구되고 있다.
예를 들어, 발전형 연료전지 시스템에 포함된 복수개의 연료전지 통합모듈에서 전기 생성을 위한 반응시 동시에 물을 배출시키게 되므로, 많은 양의 물이 동절기시 얼지 않고 원활하게 배출될 수 있는 방안이 필요하다.
또한, 복수개의 연료전지 통합모듈로부터 미반응 잔존수소가 동시에 퍼지되거나 초기 시동으로 인해 한꺼번에 배출되므로, 배기 수소농도가 안전을 위한 적정 수준 미만으로 관리되어야 하는 방안이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 복수개의 연료전지 통합모듈에 형성되어 물, 수소 및 공기 등을 배출시키는 배출파이프를 하나의 통합배출관에 연결하고, 연료전지 통합모듈의 냉각을 위한 라디에이터로부터 불어오는 고온 외기풍을 통합배출관으로 유도하여, 동절기시 물이 얼지 않고 용이하게 배출될 수 있고, 외기풍에 따른 공기가 수소와 혼합되어 수소 농도를 저감시킬 수 있도록 한 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 복수개의 연료전지 통합모듈과, 각 연료전지 통합모듈을 냉각시키기 위한 라디에이터를 포함하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치에 있어서, 상기 복수개의 연료전지 통합모듈에 연통 가능하게 연결되는 통합배출관; 및 상기 통합배출관에 형성되는 기체유입홀에 개폐 가능하게 장착되어, 상기 라디에이터로부터 불어오는 외기풍에 의하여 열림 작동되는 역류방지 댐퍼; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 역류방지 댐퍼는 외기풍의 압력 미작용시 닫힘 유지되고, 외기풍의 압력 작용시 열림 작동되도록 상기 역류방지 댐퍼의 회전축이 공기유입홀의 양측부에 리턴스프링에 의하여 힌지 체결되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 역류방지 댐퍼의 선단 끝부에는 통합배출관의 공기유입홀 내측면과 부착되는 자석이 더 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 역류방지 댐퍼의 선단부는 코안더 효과를 위한 곡선형 단면 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 라디에이터와 마주보는 연료전지 통합모듈의 전면부에는 라디에이터로부터 불어오는 외기풍을 역류방지 댐퍼쪽으로 안내하는 격벽이 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 라디에이터는 상기 기체유입홀로 공기를 불어주기 위한 기울기를 가지면서 통합배출관 상에 배열되는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 연료전지 통합모듈의 배출파이프로부터 물, 수소 및 공기가 통합배출관으로 배출될 때, 상기 라디에이터로부터 불어오는 외기풍의 압력에 의하여 역류방지 댐퍼가 열림 작동되어, 통합배출관 내에서 외기풍이 물, 수소 및 공기와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 연료전지 통합모듈의 하부에는 상기 통합배출관과 연통 가능하게 연결되는 배출파이프가 일체로 형성되거나 별도로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 복수개의 연료전지 통합모듈로부터 배출되는 물, 수소 및 공기 등을 하나의 통합배출관으로 배출시키는 동시에 라디에이터로부터 불어오는 고온의 외기풍을 통합배출관으로 유도함으로써, 동절기시 고온 외기풍(온풍)에 의한 물의 빙결을 방지할 수 있고, 그에 따라 물의 외부 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.
둘째, 통합배출관으로 유입된 외기풍에 따른 공기가 수소와 혼합되어 수소 농도를 저감시킬 수 있고, 그에 따라 배기 수소농도를 안전을 위한 적정 수준 미만으로 관리할 수 있다.
도 1은 발전형 연료전지 시스템의 일례로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 도시한 개략적 사시도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 도시한 개략적 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치에 격벽이 더 설치된 실시예를 도시한 개략적 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치 구성 중 역류방지 댐퍼가 곡선형 구조로 구비된 실시예를 도시한 개략적 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 도시한 개략적 사시도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치를 도시한 개략적 단면도이다.
도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 발전형 연료전지 시스템은 복수개의 연료전지 통합모듈(10)을 포함하고, 각 연료전지 통합모듈(10)의 전방측에는 연료전지 통합모듈의 냉각을 위한 라디에이터(30)가 냉각수 순환 가능하게 배치되어 있다.
상기 라디에이터(30)는 발전형 연료전지 시스템을 구성하는 냉각계 부품으로서, 연료전지 통합모듈(10)로부터 배출되는 고온 냉각수를 저온의 외기와 열교환을 통해 냉각시키는 역할을 하는 바, 이때 라디에이터(30)의 뒤쪽으로 팬 구동에 의하여 열교환을 마친 고온 외기풍(예, 온풍)이 불어지게 된다.
이러한 발전형 연료전지 시스템에 있어서, 복수개의 연료전지 통합모듈에서 전기 생성을 위한 반응시 동시에 물을 배출시키게 되므로, 많은 양의 물이 동절기시 얼지 않고 원활하게 배출될 수 있는 방안이 요구되고, 또한 복수개의 연료전지 통합모듈로부터 미반응 잔존수소가 동시에 퍼지되거나 초기 시동으로 인해 한꺼번에 배출되므로, 배기 수소농도가 안전을 위한 적정 수준 미만으로 관리되어야 하는 방안이 요구된다.
이를 위해, 본 발명은 상기 복수개의 연료전지 통합모듈(10)에 연통 가능하게 연결되는 통합배출관(100)과, 상기 라디에이터(30)로부터 불어오는 고온 외기풍(예, 온풍)을 통합배출관(100)의 내부로 유도하기 위한 역류방지 댐퍼(110)를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 연료전지 통합모듈(10)과 통합배출관(100) 간의 이격 거리를 감안하여, 상기 연료전지 통합모듈(10)의 하부에 상기 통합배출관(100)과 연통 가능하게 연결되는 배출파이프(12)를 일체로 형성하거나 별도로 연결하여, 연료전지 통합모듈(10)로부터 배출되는 물을 비롯한 미반응 잔존 수소 등이 배출파이프(12)를 통하여 통합배출관(100) 내로 배출될 수 있도록 한다.
상기 역류방지 댐퍼(110)는 통합배출관(100)에 형성되는 기체유입홀(102)에 개폐 가능하게 장착되어, 상기 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍 즉, 온풍에 의하여 열림 작동되는 구조로 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 역류방지 댐퍼(110)의 회전축(112)이 기체유입홀(102)의 폭방향 양측부에 리턴스프링(114)에 의하여 힌지 체결됨으로써, 역류방지 댐퍼(110)가 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍의 압력 미작용시 도 3에서 보듯이 리턴스프링(114)의 탄성복원력에 의하여 닫힘 상태로 유지되고, 반면 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍의 압력 작용시 도 4에서 보듯이 열림 작동될 수 있다.
이때, 상기 역류방지 댐퍼(110)의 선단 끝부에는 통합배출관(100)의 기체유입홀(102) 내측면과 부착되는 자석(116)이 더 부착됨으로써, 역류방지 댐퍼(110)가 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍의 압력 미작용시 흔들리지 않은 채 닫힘 상태가 유지될 수 있고, 그에 따라 통합배출관(100)으로 외부 기체 및 이물질 등이 들어가는 것을 차단하는 동시에 통합배출관(100) 내에 잔존하는 수소 등이 역류하여 새어나가는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 발전형 연료전지 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보기로 한다.
먼저, 상기 발전형 연료전지 시스템을 구성하는 복수개의 연료전지 통합모듈(10)들이 운전되면, 각 연료전지 통합모듈(10)이 전기 생성을 위한 반응을 하는 동시에 전기 생성을 위한 반응시 물을 배출시키게 되고, 또한 복수개의 연료전지 통합모듈(10)로부터 미반응 잔존수소가 동시에 퍼지되거나 초기 시동으로 인해 한꺼번에 배출될 수 있다.
이때, 상기 연료전지 통합모듈(10)들로부터 배출되는 물을 비롯하여 수소 및 공기 등이 연료전지 통합모듈(10)의 하부에 형성된 배출파이프(12)를 통하여 통합배출관(100) 내로 배출된다.
이와 동시에, 상기 라디에이터(30)가 연료전지 통합모듈(10)로부터 배출되는 고온 냉각수를 저온의 외기와 열교환을 통해 냉각시키는 구동을 하게 되는 바, 이때 라디에이터(30)의 뒤쪽으로 팬 구동에 의하여 열교환을 마친 외기풍 즉, 온풍이 불어지게 된다.
연이어, 상기 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍의 압력이 상기 리턴스프링(114)의 탄성복원력 및 자석(116)의 자력을 이기면서 역류방지 댐퍼(110)에 작용함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 역류방지 댐퍼(110)가 열림 상태가 된다.
이에, 상기 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍이 통합배출관(100)의 내부로 유입되어 흐르면서 연료전지 통합모듈(10)들로부터 통합배출관(100) 내로 배출된 물, 수소 및 공기 등과 혼합된다.
따라서, 동절기시 통합배출관(100) 내로 유입시킨 외기풍 즉, 온풍에 의하여 연료전지 통합모듈(10)들로부터 배출되는 물의 빙결을 방지할 수 있고, 그에 따라 물이 통합배출관(100)의 끝단부에 형성되는 배기구를 통하여 용이하게 외부로 배출될 수 있다.
아울러, 상기 통합배출관(100) 내로 유입된 외기풍에 따른 공기가 수소와 혼합됨에 따라 수소 농도를 저감시킬 수 있고, 그에 따라 배기 수소농도를 안전을 위한 적정 수준 미만으로 용이하게 관리할 수 있다.
한편, 상기 라디에이터(30)를 상기 역류방지 댐퍼(110)가 장착된 통합배출관(100)의 기체유입홀(102) 쪽을 향하여 소정의 각도로 경사지게 기울기를 부여하여 배치시킴으로써, 라디에이터(30)로부터 불어지는 외기풍이 역류방지 댐퍼(110)에 보다 용이하게 작용될 수 있고, 그에따라 역류방지 댐퍼(100)의 열림 동작이 외기풍 압력에 의하여 원활하게 이루어짐과 함께 외기풍을 통합배출관(100) 내로 보다 용이하게 유입시킬 수 있다.
반면, 상기 라디에이터(30)에 기울기를 부여하지 않고 수직 상태로 배열시키는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 라디에이터(30)와 마주보는 연료전지 통합모듈(10)의 전면부에 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍을 역류방지 댐퍼(110)쪽으로 안내하는 격벽(120)을 부착함으로써, 외기풍이 분산되지 않고 격벽(120)을 타고 역류방지 댐퍼(100)쪽으로 용이하게 집중될 수 있으며, 그에 따라 역류방지 댐퍼(100)의 열림 동작이 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 역류방지 댐퍼(110)의 선단부를 도 6에 도시된 바와 같이 코안더 효과(Coander Effect)를 위한 곡선형 단면 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
참고로, 상기 코안더 효과는 유체가 특정 기구의 곡선면에 접촉되면 기구의 곡선면을 따라 유체의 흐름방향이 변경되는 현상을 말한다.
이에, 상기 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍의 압력에 의하여 역류방지 댐퍼(110)가 열리는 동시에 외기풍이 역류방지 댐퍼(110)의 선단부에 형성된 곡선면에 닿는 순간, 외기풍이 분산되지 않고 통합배출관(100)의 길이방향을 향하여 방향 전환되면서 용이하게 흐를 수 있고, 그에 따라 통합배출관(100) 내로 배출된 물, 수소 및 공기 등과의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 복수개의 연료전지 통합모듈(10)로부터 배출되는 물, 수소 및 공기 등을 하나의 통합배출관(100)으로 배출시키는 동시에 라디에이터(30)로부터 불어오는 외기풍을 통합배출관(100)내로 유도함으로써, 동절기시 고온 외기풍(예, 온풍)에 의한 물의 빙결을 방지하는 동시에 물의 외부 배출이 원활하게 이루어질 수 있고, 또한 통합배출관으로 유입된 외기풍에 따른 공기가 수소와 혼합되어 수소 농도를 저감시킴에 따라 배기 수소농도를 안전을 위한 적정 수준 미만으로 관리할 수 있다.
10 : 연료전지 통합모듈
12 : 배출파이프
20 : 케이싱
30 : 라디에이터
100 : 통합배출관
102 : 기체유입홀
110 : 역류방지 댐퍼
112 : 회전축
114 : 리턴스프링
116 : 자석
120 : 격벽

Claims (10)

  1. 복수개의 연료전지 통합모듈과, 각 연료전지 통합모듈을 냉각시키기 위한 라디에이터를 포함하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치에 있어서,
    상기 복수개의 연료전지 통합모듈에 연통 가능하게 연결되는 통합배출관; 및
    상기 통합배출관에 형성되는 기체유입홀에 개폐 가능하게 장착되어, 상기 라디에이터로부터 불어오는 외기풍에 의하여 열림 작동되는 역류방지 댐퍼;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 역류방지 댐퍼는 외기풍의 압력 미작용시 닫힘 유지되고, 외기풍의 압력 작용시 열림 작동되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 역류방지 댐퍼의 회전축이 기체유입홀의 양측부에 리턴스프링에 의하여 힌지 체결되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 역류방지 댐퍼의 선단 끝부에는 통합배출관의 기체유입홀 내측면과 부착되는 자석이 더 부착되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 역류방지 댐퍼의 선단부는 코안더 효과를 위한 곡선형 단면 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 라디에이터와 마주보는 연료전지 통합모듈의 전면부에는 라디에이터로부터 불어오는 외기풍을 역류방지 댐퍼쪽으로 안내하는 격벽이 부착되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 라디에이터는 상기 기체유입홀로 외기풍을 불어주기 위한 기울기를 가지면서 배열되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 통합모듈로부터 물, 수소 및 공기가 통합배출관으로 배출될 때, 상기 라디에이터로부터 불어오는 외기풍의 압력에 의하여 역류방지 댐퍼가 열림 작동되어, 통합배출관 내에서 외기풍이 물, 수소 및 공기와 혼합되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 라디에이터로부터 불어오는 외기풍은 온풍 상태이며, 온풍 상태의 외기풍이 통합배출관 내에서 물, 수소 및 공기와 혼합되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 통합모듈의 하부에는 상기 통합배출관과 연통 가능하게 연결되는 배출파이프가 일체로 형성되거나 별도로 연결되는 것을 특징으로 하는 발전형 연료전지 시스템의 배기 장치.
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