KR20220143451A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20220143451A
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임승택
임혜수
김성진
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 공기공급라인에 마련되는 공기압축기, 및 일단은 공기압축기의 상류(up-stream)에서 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 배터리에 연결되는 분기라인을 포함하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 구조를 간소화할 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 스택, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.
한편, 배터리의 작동중에는 열이 발생하게 되는데, 배터리의 온도가 일정 이상 상승하면, 배터리의 성능 및 수명이 저하될 수 있으므로, 배터리의 온도가 적정 온도 조건으로 유지될 수 있어야 한다.
그런데, 기존에는 구동모터에 의해 작동하는 냉각팬을 배터리에 장착하고, 냉각팬에 의한 공기의 강제 유동에 의해 배터리를 냉각시켜야 함에 따라, 구조 및 제작 공정이 복잡하고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
특히, 기존에는 냉각팬 및 구동모터를 장착하기 위한 별도의 공간이 마련되어야 함에 따라, 공강활용성 및 설계자유도가 저하되는 문제점이 있으며, 구동모터의 작동에 의한 전력소모가 발생하는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 배터리의 냉각 성능을 보장하면서 구조 및 제작 공정을 간소화하고 원가를 절감하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 배터리의 냉각을 위한 별도의 냉각팬을 마련하지 않고 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 이용하여 배터리를 냉각할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 배터리의 냉각 효율을 향상시키고, 배터리의 수명 및 내구성을 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 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 공기공급라인에 마련되는 공기압축기, 및 일단은 공기압축기의 상류(up-stream)에서 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 배터리에 연결되는 분기라인을 포함한다.
이는, 구조를 간소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 배터리의 온도가 일정 이상 상승하면, 배터리의 성능 및 수명이 저하될 수 있으므로, 배터리의 온도가 적정 온도 조건으로 유지될 수 있어야 하지만, 기존에는 구동모터에 의해 작동하는 냉각팬을 배터리에 장착하고, 냉각팬에 의한 공기의 강제 유동에 의해 배터리를 냉각시켜야 함에 따라, 구조 및 제작 공정이 복잡하고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다. 특히, 기존에는 냉각팬 및 구동모터를 장착하기 위한 별도의 공간이 마련되어야 함에 따라, 공강활용성 및 설계자유도가 저하되는 문제점이 있으며, 구동모터의 작동에 의한 전력소모가 발생하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 공기압축기에 의해 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중 일부가 분기라인을 따라 배터리에 공급되도록 하는 것에 의하여, 배터리를 효과적으로 냉각할 수 있으며, 배터리의 과열 현상에 따른 성능 및 수명 저하를 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 배터리의 냉각을 위한 별도의 냉각팬(블로워)을 마련하지 않고도 배터리를 냉각할 수 있으므로, 구조를 간소화하고 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있으며, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 분기라인을 선택적으로 개폐하는 밸브를 포함할 수 있다.
밸브의 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 밸브는, 공기공급라인에 마련되는 밸브하우징, 밸브하우징에 형성되며 공기를 공기압축기로 안내하는 제1유로, 제1유로와 연통되게 밸브하우징에 형성되며 공기를 분기라인으로 안내하는 제2유로, 및 제2유로를 차단하는 제1위치에서 제2유로를 개방하는 제2위치로 이동 가능하게 마련되는 개폐부재를 포함할 수 있다.
일 예로, 밸브하우징의 내부에는 개폐부재가 수용되는 수용부가 마련되고, 개폐부재는 제1위치에서 제2위치로 회전 이동할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 개폐부재가 제1위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함할 수 있다.
이와 같이, 탄성부재를 매개로 밸브하우징에 대한 개폐부재의 이동(회전 이동)이 탄성적으로 지지되도록 하는 것에 의하여, 개폐부재가 제2유로를 차단하는 상태를 탄성적으로 지지할 수 있으므로, 개폐부재에 의한 차단 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 개폐부재와 제2유로의 사이 간극을 실링하는 실링부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 개폐부재와 제2유로의 사이 간극이 실링부에 의해 밀봉되도록 하는 것에 의하여, 개폐부재와 제2유로의 사이 간극을 통해 공기가 제2유로로 누설되는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 배터리의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하고, 밸브는 온도센서에서 측정된 배터리의 온도에 기초하여 분기라인을 개폐할 수 있다.
일 예로, 배터리의 온도가 기설정된 기준 온도보다 높으면, 밸브는 분기라인을 개방하고, 배터리의 온도가 기준 온도보다 낮으면, 밸브는 분기라인을 차단할 수 있다.
바람직하게, 배터리의 기준 온도는 40℃로 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브는 배터리의 온도가 기설정된 기준 온도보다 낮은 상태로 기설정된 기준 시간 동안 유지되는 경우, 분기라인을 차단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 배터리의 온도가 낮아진 상태(기준 온도보다 낮은 상태)가 기설정된 기준 시간을 유지하는 경우에만, 밸브가 작동하며 분기라인이 차단되도록 하는 것에 의하여, 밸브의 오작동을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브가 분기라인을 차단하면, 공기압축기는 제1유량으로 공기를 흡입하고, 밸브가 분기라인을 개방하면, 공기압축기는 제1유량보다 높은 제2유량으로 공기를 흡입할 수 있다.
이와 같이, 밸브가 분기라인을 개방한 상태에서는, 밸브가 분기라인을 차단한 상태보다 높은 유량의 공기가 공기공급라인에 흡입되도록 하는 것에 의하여, 공기공급라인에 유입된 공기 중 일부가 분기라인으로 분기되더라도, 연료전지 스택에는 발전에 필요한 공기가 충분하게 공급될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조를 간소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 배터리의 냉각을 위한 별도의 냉각팬을 마련하지 않고 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 이용하여 배터리를 효과적으로 냉각하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조를 간소화하고 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있으며, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 배터리의 냉각 효율을 향상시키고, 배터리의 수명 및 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 분기라인의 닫힘 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 분기라인의 개방 상태를 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 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(140), 연료전지 스택(140)에서 생산된 전기를 저장하는 배터리(210), 연료전지 스택(140)에 연결되며 연료전지 스택(140)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(100), 공기공급라인(100)에 마련되는 공기압축기(110), 및 일단은 공기압축기(110)의 상류(up-stream)에서 공기공급라인(100)에 연결되고 다른 일단은 배터리(210)에 연결되는 분기라인(200)을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(140)을 적용 가능한 다양한 연료전지 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차) 또는 선박, 항공 등의 모빌리티에 적용될 수 있으며, 연료전지 시스템(10)이 적용되는 피대상체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(140)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(140)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(140)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(140)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.
배터리(210)는 연료전지 스택(140)에서 생산된 전기를 저장하거나 연료전지 스택(140) 및 각종 전장부품(power electronic parts)에 전기를 공급하도록 마련된다.
일 예로, 배터리(210)는 연료전지 스택(140)에서 생산된 전기 및 회생 제동시 생산된 전기를 저장할 수 있다.
배터리(210)로서는 전기를 저장할 수 있는 다양한 배터리(210)가 사용될 수 있으며, 배터리(210)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
공기공급라인(100)은 연료전지 스택(140)에 연결되며, 연료전지 스택(140)으로 공기를 공급하도록 마련된다.
공기공급라인(100)의 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 공기공급라인(100)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 공기공급라인(100)은 직선 라인 또는 곡선 라인 중 적어도 포함하여 구성될 수 있다.
공기압축기(110)는 공기공급라인(100)을 따라 연료전지 스택(140)으로 공급되는 공기를 압축하도록 마련된다.
참고로, 공기공급라인(100)으로의 공기 유입은 공기압축기(110)의 흡입력에 의해 구현될 수 있으며, 공기압축기(110)의 흡입력에 대응하여 공기공급라인(100)에 유입되는 공기의 공급유량이 결정될 수 있다.
공기압축기(110)로서는 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기를 압축할 수 있는 통상의 압축기가 사용될 수 있으며, 공기압축기(110)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 공기압축기(110)는 로터의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축할 수 있다.
참고로, 공기압축기(110)는 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기가 연료전지 스택(140)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 갖도록 공기를 압축할 수 있으며, 공기의 압축 정도는 연료전지 스택(140)의 운전 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기공급라인(100)에 마련(예를 들어, 공기압축기의 상류 지점에 마련)되며, 연료전지 스택(140)으로 유입되는 공기에 포함된 먼지와 같은 이물질을 필터링하기 위한 필터와 같은 각종 부가장치(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템(10)은, 공기압축기(110)와 연료전지 스택(140)의 사이에서 공기공급라인(100)에 마련되며 공기압축기(110)를 통과한 공기를 냉각하는 쿨러(120), 및 쿨러(120)와 연료전지 스택(140)의 사이에서 공기공급라인(100)에 마련되며 연료전지 스택(140)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 유입가스(건조공기)를 가습하는 가습기(130)를 포함할 수 있다.
쿨러(120)로서는 통상의 공냉식 또는 수냉식 쿨러가 사용될 수 있으며, 쿨러(120)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
가습기(130)는 연료전지 스택(140)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 유입가스를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(130)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 가습기(130)에는 유입가스가 유입(공급)되는 유입가스 공급포트(미도시), 가습기(130)의 내부를 통과한(가습 처리된) 유입가스가 배출되는 유입가스 배출포트(미도시), 연료전지 스택(140)으로부터 배출된 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급포트(미도시), 유입가스를 가습시킨 습윤공기를 외부로 배출하는 습윤공기 배출포트(미도시)를 포함할 수 있다.
유입가스 공급포트를 통해 공급된 유입가스는, 가습기(130)의 내부에 마련된 가습막(예를 들어, 중공 사막)(미도시)을 통과하는 중에 습윤공기에 의해 가습 처리된 후, 유입가스 배출포트를 통해 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있다.
아울러, 연료전지 스택(140)에서 배출되는 습윤공기(또는 생성수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(130)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 가습기(130)의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은 가습기(130)에 연결되는 압력조절밸브(132)(예를 들어, 감압밸브)를 포함할 수 있으며, 압력조절밸브(132)를 이용하여 연료전지 스택(140) 및 가습기(130)의 내부 압력을 일정 기준 이하로 관리할 수 있다.
분기라인(200)은 공기공급라인(100)을 따라 연료전지 스택(140)으로 공급되는 공기 중 일부를 배터리(210)로 공급하기 위해 마련된다.
바람직하게, 분기라인(200)의 일단(입구단)은 공기압축기(110)의 상류(up-stream)에서 공기공급라인(100)에 연결되고, 분기라인(200)의 다른 일단(출구단)은 배터리(210)에 연결된다.
이는, 공기압축기(110)의 상류에서의 공기 온도가 공기압축기(110)의 하류에서의 공기 온도보다 낮다는 것에 기인한 것으로, 분기라인(200)(분기라인의 일단)을 공기압축기(110)의 하류(down-stream)가 아닌 상류에서 공기공급라인(100)에 연결하는 것에 의하여, 공기에 의한 배터리(210)의 냉각 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 분기라인(200)을 공기압축기(110)의 하류에서 공기공급라인(100)에 연결하는 것도 가능하지만, 공기공급라인(100)에 공급된 공기는 공기압축기(110)를 통과하면서 압축됨에 따라 온도가 상승하게 되므로, 공기압축기(110)를 통과하기 전의 공기(압축되지 않은 공기)를 이용하여 배터리(210)를 냉각시키는 것이 보다 바람직하다.
분기라인(200)은 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기 중 일부를 배터리(210)로 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 분기라인(200)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 분기라인(200)은 직선 라인 또는 곡선 라인 중 적어도 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 공기공급라인(100)을 따라 연료전지 스택(140)으로 공급되는 공기 중 일부가 분기라인(200)을 따라 배터리(210)에 공급되도록 하는 것에 의하여, 배터리(210)의 과열 현상을 억제하고, 그에 따른 성능 및 수명 저하를 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 배터리(210)의 냉각을 위한 별도의 냉각팬(블로워)을 마련하지 않고도 배터리(210)를 냉각할 수 있으므로, 구조를 간소화하고 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있으며, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 분기라인(200)을 선택적으로 개폐하는 밸브(300)를 포함할 수 있다.
일 예로, 밸브(300)는 공기공급라인(100)과 분기라인(200)의 연결 부위에 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공기공급라인과 이격되게 분기라인 상에 밸브를 마련하는 것도 가능하다.
밸브(300)로서는 분기라인(200)을 선택적으로 개폐 가능한 다양한 밸브(300)수단이 사용될 수 있으며, 밸브(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 밸브(300)는, 공기공급라인(100)에 마련되는 밸브하우징(310), 밸브하우징(310)에 형성되며 공기를 공기압축기(110)로 안내하는 제1유로(312), 제1유로(312)와 연통되게 밸브하우징(310)에 형성되며 공기를 분기라인(200)으로 안내하는 제2유로(314), 및 제2유로(314)를 차단하는 제1위치에서 제2유로(314)를 개방하는 제2위치로 이동 가능하게 마련되는 개폐부재(320)를 포함할 수 있다.
밸브하우징(310)은 내부에 제1유로(312) 및 제2유로(314)를 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1유로(312) 및 제2유로(314)는 상호 협조적으로 대략 'T'자 형상을 이루도록 마련될 수 있다.
제1유로(312)로 안내된 공기는 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있고, 제2유로(314)로 안내된 공기는 배터리(210)로 공급될 수 있으며, 개폐부재(320)는 제2유로(314)를 차단하는 제1위치에서 제2유로(314)를 개방하는 제2위치로 이동 가능하게 마련된다.
이하에서는, 밸브하우징(310)의 내부에 수용부(316)가 마련되고, 개폐부재(320)가 수용부(316)의 내부에 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밸브하우징의 외부에 개폐부재를 마련하는 것도 가능하다.
여기서, 개폐부재(320)가 제1위치에 위치한다 함은, 개폐부재(320)가 분기라인(200)을 차단하도록 위치하는 것으로 정의되고, 개폐부재(320)가 제2위치에 위치한다 함은, 개폐부재(320)가 분기라인(200)을 개방시키도록 위치하는 것으로 정의된다.
개폐부재(320)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제1위치에서 제2위치로 이동하도록 구성될 수 있다.
일 예로, 개폐부재(320)는 원형 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 회전샤프트(미도시)를 중심으로 제1위치에서 제2위치(또는 제2위치에서 제1위치)로 회전 이동하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 개폐부재(320)는 제1위치에서 제2유로(314)에 수직하게 배치됨으로써, 제2유로(314)를 차단할 수 있다. 반면, 개폐부재(320)는 제2위치에서 제2유로(314)에 경사지게(도 5를 기준으로, 수직선에 대해 경사지게) 배치됨으로써, 제2유로(314)를 개방할 수 있다.
밸브하우징(310)에 대한 개폐부재(320)의 회전 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 개폐부재(320)의 회전 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 개폐부재(320)가 제1위치에서 제2위치로 회전 이동하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 개폐부재가 제1위치에서 제2위치로 직선 이동하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 개폐부재(320)가 제1위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재(324)를 포함할 수 있다.
탄성부재(324)는 밸브하우징(310)에 대한 개폐부재(320)의 이동(회전 이동)을 탄성적으로 지지하기 위해 마련된다. 보다 구체적으로, 탄성부재(324)는 개폐부재(320)가 제1위치로 이동하기 위한 탄성력을 제공하도록 마련된다.
탄성부재(324)로서는 밸브하우징(310)에 대한 개폐부재(320)의 이동을 탄성적으로 지지 가능한 통상의 탄성수단이 사용될 수 있으며, 탄성부재(324)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 탄성부재(324)로서는 스프링이 사용될 수 있다. 탄성부재(324)의 일단은 개폐부재(320)의 외면에 연결될 수 있고, 탄성부재(324)의 다른 일단은 밸브하우징(310)에 연결될 수 있다.
이와 같이, 탄성부재(324)를 매개로 밸브하우징(310)에 대한 개폐부재(320)의 이동(회전 이동)이 탄성적으로 지지되도록 하는 것에 의하여, 개폐부재(320)가 제2유로(314)를 차단하는 상태를 탄성적으로 지지할 수 있으므로, 개폐부재(320)에 의한 차단 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 개폐부재(320)와 제2유로(314)의 사이 간극을 실링하는 실링부(322)를 포함할 수 있다.
실링부(322)는 개폐부재(320)와 제2유로(314)의 사이 간극을 실링할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 실링부(322)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 실링부(322)는 고무, 실리콘, 우레탄과 같은 탄성소재로 형성될 수 있으며, 개폐부재(320)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2유로의 내벽면 또는 개폐부재의 외면에 실링부를 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 개폐부재(320)가 제2유로(314)를 차단한 상태(제1위치에 배치된 상태)에서, 개폐부재(320)와 제2유로(314)의 사이 간극이 실링부(322)에 의해 밀봉되도록 하는 것에 의하여, 개폐부재(320)와 제2유로(314)의 사이 간극을 통해 공기가 제2유로(314)로 누설되는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
분기라인(200)의 개폐 시점(밸브(300)의 작동 시점)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 바람직하게, 분기라인(200)의 개폐 시점은 배터리(210)의 온도에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 배터리(210)의 온도(예를 들어, 배터리의 내부 온도)를 측정하는 온도센서(220)를 포함하고, 밸브(300)는 온도센서(220)에서 측정된 배터리(210)의 온도에 기초하여 분기라인(200)을 개폐할 수 있다.
온도센서(220)로서는 배터리(210)의 온도를 측정 가능한 통상의 센서(예를 들어, 써모커플, 써미스터)가 사용될 수 있으며, 온도센서(220)의 종류 및 센싱 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 배터리(210)의 온도가 기설정된 기준 온도보다 높으면, 밸브(300)는 분기라인(200)을 개방할 수 있다. 분기라인(200)이 개방되면, 공기공급라인(100)으로 공급된 공기 중 일부는 공기압축기(110)를 거쳐 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있고, 공기공급라인(100)으로 공급된 공기 중 나머지 일부는 분기라인(200)을 따라 배터리(210)로 공급될 수 있다.
이와 반대로, 배터리(210)의 온도가 기준 온도보다 낮으면(예를 들어, 상온 이하이면), 밸브(300)는 분기라인(200)을 차단할 수 있다. 분기라인(200)이 차단되면, 공기공급라인(100)으로 공급된 공기는 모두 공기압축기(110)를 거쳐 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있고, 배터리(210)로의 공기 공급(분기라인으로의 공기 공급)은 차단될 수 있다.
여기서, 배터리(210)의 기준 온도라 함은, 배터리(210)가 정상적으로 작동할 수 있는 온도 조건으로 이해될 수 있으며, 배터리(210)의 기준 온도는 배터리(210)의 종류 및 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 배터리(210)의 기준 온도는 40℃로 정의될 수 있다.
바람직하게, 밸브(300)는 배터리(210)의 온도가 기설정된 기준 온도보다 낮은 상태로 기설정된 기준 시간 동안 유지되는 경우, 분기라인(200)을 차단할 수 있다.
이는, 배터리(210)의 온도 센서의 오작동 등으로 인한 분기라인(200)의 차단을 억제하고 배터리(210)의 냉각 성능을 보장하기 위함이다.
즉, 배터리(210)의 냉각이 요구되는 상태인데도 불구하고, 온도 센서의 오작동 등으로 인해 분기라인(200)의 차단되면, 배터리(210)의 냉각이 적시에 이루어지기 어려워 배터리(210)가 과열되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는, 배터리(210)의 온도가 낮아진 상태(기준 온도보다 낮은 상태)가 기설정된 기준 시간을 유지하는 경우에만, 밸브(300)가 작동하며 분기라인(200)이 차단되도록 하는 것에 의하여, 밸브(300)의 오작동을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브(300)가 분기라인(200)을 차단하면, 공기압축기(110)는 제1유량으로 공기를 흡입하고, 밸브(300)가 분기라인(200)을 개방하면, 공기압축기(110)는 제1유량보다 높은 제2유량으로 공기를 흡입할 수 있다.
여기서, 공기압축기(110)에 흡입되는 공기의 유량이라 함은, 공기압축기(110)의 흡입력에 의해 공기공급라인(100)의 입구로 흡입되는 공기의 유량으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 밸브(300)가 분기라인(200)을 개방한 상태에서는, 밸브(300)가 분기라인(200)을 차단한 상태보다 높은 유량(제2유량 〉제1유량)의 공기가 공기공급라인(100)에 흡입되도록 하는 것에 의하여, 공기공급라인(100)에 유입된 공기 중 일부가 분기라인(200)으로 분기되더라도, 연료전지 스택(140)에는 발전에 필요한 공기가 충분하게 공급될 수 있다.
일 예로, 밸브(300)가 분기라인(200)을 개방한 상태에서의 제2유량은, 밸브(300)가 분기라인(200)을 차단한 상태에서의 제1유량보다 대략 1.5~2배 크게 정의(예를 들어, 제2유량=제1유량×1.5)될 수 있다.
바람직하게, 제1유량 및 제2유량은 공기압축기(110)의 정격 용량(최대 흡입량) 이내에서 정의될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)의 작동 구조를 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리(210)의 온도가 정상 온도 상태(기준 온도보다 낮은 상태)에 해당하는 경우에는, 밸브(300)에 의해 분기라인(200)이 차단된다. 분기라인(200)이 차단되면, 공기공급라인(100)에 흡입된 공기(AF1)는 모두 공기압축기(110)를 거쳐 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있고, 배터리(210)로의 공기 공급(분기라인으로의 공기 공급)은 차단될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 배터리(210)의 온도가 비정상 온도 상태(기준 온도보다 높은 상태)에 해당하는 경우에는, 밸브(300)에 의해 분기라인(200)이 개방된다. 분기라인(200)이 개방되면, 공기공급라인(100)으로 공급된 공기 중 일부(AF1)는 공기압축기(110)를 거쳐 연료전지 스택(140)으로 공급될 수 있고, 공기공급라인(100)으로 공급된 공기 중 나머지 일부(AF2)는 분기라인(200)을 따라 배터리(210)로 공급됨으로써, 배터리(210)를 냉각할 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 : 연료전지 시스템
100 : 공기공급라인
110 : 공기압축기
120 : 쿨러
130 : 가습기
132 : 압력조절밸브
140 : 연료전지 스택
200 : 분기라인
210 : 배터리
220 : 온도센서
300 : 밸브
310 : 밸브하우징
312 : 제1유로
314 : 제2유로
316 : 수용부
320 : 개폐부재
322 : 실링부
324 : 탄성부재

Claims (11)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리;
    상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인;
    상기 공기공급라인에 마련되는 공기압축기; 및
    일단은 상기 공기압축기의 상류(up-stream)에서 상기 공기공급라인에 연결되고, 다른 일단은 상기 배터리에 연결되는 분기라인;
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분기라인을 선택적으로 개폐하는 밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하고,
    상기 밸브는 상기 배터리의 온도에 기초하여 상기 분기라인을 선택적으로 개폐하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 기설정된 기준 온도보다 높으면, 상기 밸브는 상기 분기라인을 개방하고,
    상기 배터리의 온도가 상기 기준 온도보다 낮으면, 상기 밸브는 상기 분기라인을 차단하는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 기설정된 기준 온도보다 낮은 상태로 기설정된 기준 시간 동안 유지되면, 상기 밸브는 상기 분기라인을 차단하는 연료전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기준 온도는 40℃로 정의되는 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 밸브가 상기 분기라인을 차단하면, 상기 공기압축기는 제1유량으로 상기 공기를 흡입하고,
    상기 밸브가 상기 분기라인을 개방하면, 상기 공기압축기는 상기 제1유량보다 높은 제2유량으로 상기 공기를 흡입하는 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 공기공급라인에 마련되는 밸브하우징;
    상기 밸브하우징에 형성되며 상기 공기를 상기 공기압축기로 안내하는 제1유로;
    상기 제1유로와 연통되게 상기 밸브하우징에 형성되며, 상기 공기를 상기 분기라인으로 안내하는 제2유로; 및
    상기 제2유로를 차단하는 제1위치에서 상기 제2유로를 개방하는 제2위치로 이동 가능하게 마련되는 개폐부재;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개폐부재와 상기 제2유로의 사이 간극을 실링하는 실링부를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 개폐부재가 상기 제1위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 밸브하우징의 내부에는 상기 개폐부재가 수용되는 수용부가 마련되고,
    상기 개폐부재는 상기 제1위치에서 상기 제2위치로 회전 이동하는 연료전지 시스템.
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