KR20230022641A - 연료전지 시스템 및 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스를 안내하는 배출라인, 배출라인에 연결되며 배기가스를 외부로 배출하는 배출 어댑터, 및 일단은 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 배출 어댑터에 연결되며 공기공급라인에서 배출 어댑터로 공기를 선택적으로 바이패스시키는 바이패스라인을 포함하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 효과적으로 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 배기가스 처리장치{FUEL CELL SYSTEM AND TREATMENT DEVICE FOR EXHAUST GAS OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템 및 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 낮출 수 있는 연료전지 시스템 및 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
연료전지 차량(예를 들어, 수소연료전지 자동차)는 연료(수소)와 공기(산소)의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다.
일반적으로, 연료전지 차량은, 수소와 산소의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack), 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택 및 차량의 전장부품에서 발생된 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택 및 전장부품의 온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System) 등을 포함할 수 있다.
아울러, 연료전지 스택의 운전중 발생된 배출수(응축수) 및 배출가스(예를 들어, 미반응 수소)는 배기관을 통해 외부로 배기될 수 있다.
최근에는 승용차(또는 상용차) 뿐만 아니라 건설기계(예를 들어, 굴삭기)에도 연료전지 시스템을 적용하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스(예를 들어, 연료전지 스택 내부의 수소 농도를 조절하기 위한 퍼지 공정시 배기되는 배기가스)에는 수소가 포함될 수 있는데, 배기가스의 수소 농도가 일정 증가하면 폭발 위험성이 높아지므로, 배기가스의 수소 농도는 일정 이하가 되도록 법규로 규정되어 있다.
승용차의 경우에는 주행을 주목적으로 하고, 주행중 차량에 유입되는 외기(차량의 주행에 따른 주행풍)를 이용하여 배기가스를 희석(배기가스의 수소 농도 낮춤)시키는 것이 가능하다.
반면, 공장 또는 창고 내부와 같은 실내 작업 현장에서 정차 상태로 사용되는 건설기계의 경우, 주행풍을 활용하기 어려워 배기가스를 충분하게 희석시키기 어렵고, 배기가스가 특정 위치(예를 들어, 파워팩 내부)에 정체됨에 따라 사고 발생 위험성(폭발 위험성)이 높아지는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스의 수소 농도를 효과적으로 낮추기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 저감시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 배기가스 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 주행풍을 사용할 수 없는 조건에서도 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 저감시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 제작 공정을 간소화하고 원가를 절감할 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 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스를 안내하는 배출라인, 배출라인에 연결되며 배기가스를 외부로 배출하는 배출 어댑터, 및 일단은 공기공급라인에 연결되고 다른 일단은 배출 어댑터에 연결되며 공기공급라인에서 배출 어댑터로 공기를 선택적으로 바이패스시키는 바이패스라인을 포함한다.
이는, 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 낮추기 위함이다.
즉, 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스(예를 들어, 연료전지 스택 내부의 수소 농도를 조절하기 위한 퍼지 공정시 배기되는 배기가스)에는 수소가 포함될 수 있는데, 배기가스의 수소 농도가 일정 증가하면 폭발 위험성이 높아지므로, 연료전지 배기가스의 수소 농도는 일정 이하로 유지될 수 있어야 한다.
승용차의 경우에는 주행을 주목적으로 하고, 주행중 차량에 유입되는 외기(차량의 주행에 따른 주행풍)를 이용하여 배기가스를 희석시키는 것이 가능하지만, 공장 또는 창고 내부와 같은 실내 작업 현장에서 정차 상태로 사용되는 건설기계의 경우, 주행풍을 활용하기 어려워 배기가스를 충분하게 희석시키기 어렵고, 배기가스가 특정 위치에 정체됨에 따라 사고 발생 위험성(폭발 위험성)이 높아지는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 공기공급라인을 따라 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중 일부가 배기가스를 배출하는 배출 어댑터에 공급되도록 하는 것에 의하여, 배출 어댑터는 배기가스와 공기를 함께 배출할 수 있으므로, 주행풍을 사용할 수 없는 조건에서도 배출라인의 출구로 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도 본 발명의 실시예는 배출 어댑터를 매개로 배기가스(수소)와 공기가 혼합되도록 하는 것에 의하여, 배기가스의 수소 농도를 낮추고, 폭발 위험성을 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 배기가스의 수소 농도를 낮추기 위한 공기를 강제적으로 공급하기 위해 별도의 팬(공기 공급용 팬)을 추가적으로 마련하지 않아도 되므로, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 공기공급라인에 연결되며 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기를 포함할 수 있다.
배출 어댑터는 공기와 배기가스를 함께 배출할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배출 어댑터는, 배출라인과 연통되는 배출유로가 마련된 어댑터 본체, 어댑터 본체에 마련되며 바이패스라인이 연결되는 공기유입포트, 및 어댑터 본체에 마련되며 배출유로와 구획되며 공기유입포트와 연통되는 공기분사유로를 정의하는 어댑터 가이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 배출라인을 선택적으로 개폐하도록 배출라인에 연결되는 밸브유닛을 포함할 수 있고, 배출 어댑터는 밸브유닛에 연결될 수 있다.
밸브유닛은 배출라인을 선택적으로 개폐할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 밸브유닛은, 배출라인과 연통되는 밸브유로가 형성된 밸브하우징, 및 밸브유로를 선택적으로 개폐하는 밸브부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 어댑터 가이드는 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태로 형성될 수 있고, 공기분사유로는 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태를 이루도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 배출유로의 출구와 공기분사유로의 출구는 서로 동일한 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기유입포트의 입구는 제1단면적을 갖도록 정의되고, 공기분사유로의 출구는 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 공기분사유로의 출구의 단면적을 공기유입포트의 입구의 단면적보다 작게 하는 것에 의하여, 공기유입포트에 유입되는 공기의 유입 속도보다 공기분사유로를 통해 배출되는 공기의 배출 속도를 증가시킬 수 있으므로, 공기분사유로의 출구 영역의 압력은, 밸브유로의 내부 압력보다 낮게 형성될 수 있다.
결과적으로, 외부 압력(공기분사유로의 출구 영역의 압력)과 내부 압력(밸브유로의 내부 압력)의 압력차에 따라, 공기분사유로의 출구 주변에 인접한 공기가 상대적으로 압력이 낮은 공기분사유로의 출구 영역으로 유입(이동)될 수 있다. 따라서, 배출유로를 따라 배출되는 배기가스에는, 공기분사유로를 따라 분사된 공기, 및 공기분사유로의 출구 주변에 인접한 공기가 함께 혼합될 수 있으므로, 배기가스에서 수소 농도를 보다 효과적으로 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 공기분사유로는 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 공기분사유로가 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 하는 것에 의하여, 공기분사유로를 통과하는 공기의 속도(유속)를 보다 높일 수 있으므로, 공기분사유로를 통해 배출되는 공기의 배출 속도를 보다 증가시킬 수 있다.
더욱 바람직하게, 공기분사유로는 유선형 단면 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 공기분사유로가, 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖는 유선형 단면 형태를 가지도록 하는 것에 의하여, 공기분사유로를 통과하는 공기의 속도를 점진적으로 증가시켜, 공기분사유로의 출구 영역의 압력을 보다 효과적으로 낮출 수 있으므로, 공기분사유로의 출구 주변에서 배기가스로 유입되는 공기의 유입량을 극대화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 배출유로와 연통되게 어댑터 본체에 형성되며, 어댑터 본체의 외부 공기가 유입되는 유입홀을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 어댑터 본체에 유입홀을 마련하고, 어댑터 본체의 외부 공기가 유입홀을 통해 어댑터 본체의 내부(배출유로)에 유입되도록 하는 것에 의하여, 배출유로를 따라 배출되는 배기가스에서 수소의 농도를 보다 효과적으로 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 유입홀은 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 이격되게 복수개가 마련될 수 있다. 이와 같이, 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 이격되게 복수개의 유입홀을 형성하는 것에 의하여, 어댑터 본체의 내부에는 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 균일하게 공기가 유입될 수 있으며, 배기가스와 공기의 혼합 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 밸브하우징과 배출 어댑터의 사이에 개재되는 실링부재를 포함할 수 있다.
이와 같이, 밸브하우징과 배출 어댑터의 사이에 실링부재를 마련하는 것에 의하여, 밸브하우징과 배출 어댑터의 사이 간극을 통한 배기가스의 누설을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 배출 어댑터의 단부에 연장되며 밸브하우징의 출구포트의 외주면을 감싸도록 배치되는 체결 플랩, 및 출구포트에 대해 체결 플랩을 구속하는 클램프부재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 체결 플랩에 형성되는 절개슬릿을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예는 체결 플랩에 절개슬릿을 형성하는 것에 의하여, 절개슬릿은 배출 어댑터에 대한 체결 플랩의 동적 특성(배출 어댑터에 연결되는 체결 플랩의 일단을 기준으로 배출 어댑터의 반경 방향을 따라 배출 어댑터에 대해 체결 플립이 이동할 수 있는 특성)을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 출구포트의 외주면에 돌출되게 마련되는 걸림돌기, 체결 플랩의 내주면에 마련되며 걸림돌기가 수용되는 걸림홈을 포함할 수 있다.
이와 같이, 체결 플랩이 밸브하우징의 출구포트의 외주면을 감싸도록 배치될 시, 출구포트의 외주면에 형성된 걸림돌기가 체결 플랩의 내주면에 형성된 걸림홈에 수용되도록 하는 것에 의하여, 체결 플랩의 조립 상태를 안정적으로 유지하고, 밸브하우징에 대한 배출 어댑터의 이탈을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 배기가스 처리장치는, 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스를 배출하는 배출라인에 마련되며 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브유닛, 및 밸브유닛에 연결되며 연료전지 스택으로 공급되는 공기와 배기가스를 외부로 함께 배출하는 배출 어댑터를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 밸브유닛은, 배출라인과 연통되는 밸브유로가 형성된 밸브하우징, 및 밸브유로를 선택적으로 개폐하는 밸브부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 배출 어댑터는, 밸브유로와 연통되는 배출유로가 마련된 어댑터 본체, 어댑터 본체에 마련되며 공기가 유입되는 공기유입포트, 및 어댑터 본체에 마련되며 배출유로와 구획되며 공기유입포트와 연통되는 공기분사유로를 정의하는 어댑터 가이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 배기가스 처리장치는, 배출유로와 연통되게 어댑터 본체에 형성되며 어댑터 본체의 외부 공기가 유입되는 유입홀을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 주행풍을 사용할 수 없는 조건에서도 연료전지 스택으로부터 배기되는 배기가스에서 수소의 농도를 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제작 공정을 간소화하고 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 바이패스라인을 따른 공기의 유동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 공급 어댑터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 배기가스 처리장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 배출 어댑터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다.
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 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치(200)는, 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스(EG)를 배출하는 배출라인(120)에 마련되며 배출라인(120)을 선택적으로 개폐하는 밸브유닛(210), 및 밸브유닛(210)에 연결되며 연료전지 스택으로 공급되는 공기(AG1)와 배기가스(EG)를 외부로 함께 배출하는 배출 어댑터(220)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치(200)는, 차량, 선박, 항공 등과 같은 모빌리티(mobility)에 적용되는 연료전지 시스템(10)에서 배기되는 배기가스(EG)를 처리하기 위해 적용될 수 있으며, 배기가스 처리장치(200)가 적용되는 피대상체(모빌리티)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치(200)가 건설기계(예를 들어, 굴삭기)에 마련되는 연료전지 시스템(10)에 적용된 예를 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인(110), 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스(EG)를 안내하는 배출라인(120), 배출라인(120)에 연결되며 배기가스(EG)를 외부로 배출하는 배출 어댑터(220), 및 일단은 공기공급라인(110)에 연결되고 다른 일단은 배출 어댑터(220)에 연결되며 공기공급라인(110)에서 배출 어댑터(220)로 공기(AG1)를 선택적으로 바이패스시키는 바이패스라인(130)을 포함한다.
공기공급라인(110)은 연료전지 스택(50)으로 공기를 공급하도록 연료전지 스택(50)에 연결된다.
공기공급라인(110)은 연료전지 스택(50)으로 공기를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공기공급라인(110)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기공급라인(110)에 연결되며 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(20)를 포함할 수 있다.
공기압축기(20)는 공기공급라인(110)을 따라 공급되는 공기를 압축시킨 상태로 연료전지 스택(50)에 공급하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 공기압축기(20)는 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기가 연료전지 스택(50)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기를 압축할 수 있다.
공기압축기(20)로서는 공기를 압축할 수 있는 다양한 공기압축기(20)가 사용될 수 있으며, 공기압축기(20)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 공기압축기(20)는 로터(미도시)의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축시켜 공급하도록 구성될 수 있다.
참고로, 연료전지 스택(50)은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
연료전지 셀은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 셀은, 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 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 연료전지 셀에서 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.
한편, 연료전지 스택(50)이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다.
이를 위해, 공기공급라인(110)을 따라 공급되는 공기는 가습기(30)를 경유하도록 제공될 수 있고, 공기공급라인(110)을 따라 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기는 가습기(30)를 통과하는 중에 가습될 수 있다. 여기서, 공기를 가습한다 함은 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의된다.
일 예로, 가습기(30)는 연료전지 스택(50)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기(건조공기)를 가습하도록 구성될 수 있다.
가습기(30)는 연료전지 스택(50)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 건조공기를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(30)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가습기(30)는 공기압축기(20)와 연료전지 스택(50)의 사이에 마련되되, 가습기(30)에는 유입가스(건조 공기)가 유입(공급)되는 유입가스 공급포트(미도시), 가습기(30)의 내부를 통과한(가습 처리된) 유입가스가 배출되는 유입가스 배출포트(미도시), 연료전지 스택(50)으로부터 배출된 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급포트(미도시), 유입가스를 가습시킨 습윤공기를 외부로 배출하는 습윤공기 배출포트(미도시)가 마련될 수 있다.
유입가스 공급포트를 통해 공급된 유입가스는, 가습기(30)의 내부에 마련된 가습막(예를 들어, 중공 사막)(미도시)을 통과하는 중에 습윤공기에 의해 가습 처리된 후, 유입가스 배출포트를 통해 연료전지 스택(50)으로 공급될 수 있다.
아울러, 연료전지 스택(50)에서 배출되는 습윤공기(또는 응축수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(30)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(50)을 출입하는 공기(연료전지 스택으로 유입되는 공기와 연료전지 스택에서 배출되는 공기)를 제어하는 에어 컨트롤 밸브(air control valve)(40)를 포함할 수 있다.
에어 컨트롤 밸브(40)로서는 연료전지 스택(50)을 출입하는 공기를 선택적으로 차단할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 에어 컨트롤 밸브(40)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 에어 컨트롤 밸브(40)는 연료전지 스택(50)으로 공기를 공급하는 제1포트(미도시), 연료전지 스택(50)으로부터 공기가 배출되는 제2포트(미도시)를 개폐하기 위한 제1밸브부재(미도시)와 제2밸브부재(미도시)를 포함할 수 있다.
배출라인(120)은 연료전지 스택(50)에서 배기되는 배기가스(EG)(예를 들어, 공기 및 수소)를 외부로 배출하도록 연료전지 스택(50)에 연결된다.
배출라인(120)은 연료전지 스택(50)에서 배기된 배기가스(EG)를 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 배출라인(120)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 배출라인(120)을 따라 배출되는 배기가스(EG)는 가습기(30)를 경유하도록 제공될 수 있고, 가습기(30)를 통과하는 배기가스(EG)(배기가스에 포함된 습윤 공기)에 의해 가습기(30)로 유입되는 공기(건조 공기)가 가습될 수 있다.
배출 어댑터(220)는 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기(AG1)와 배기가스(EG)를 외부로 함께 배출하도록 마련되고, 바이패스라인(130)은 공기공급라인(110)과 배출 어댑터(220)(배출라인)를 연결하며, 공기공급라인(110)에서 배출 어댑터(220)로 공기(AG1)를 선택적으로 바이패스시키기 위해 마련된다.
이는, 배출라인(120)을 통해 배출되는 배기가스(EG)에서 수소의 농도를 낮추기 위함이다.
즉, 연료전지 스택(50)에서 배기되는 배기가스(EG)(예를 들어, 연료전지 스택 내부의 수소 농도를 조절하기 위한 퍼지 공정시 배기되는 배기가스)에는 수소가 포함될 수 있는데, 배기가스(EG)의 수소 농도가 일정 증가하면 폭발 위험성이 높아지므로, 연료전지 배기가스(EG)의 수소 농도는 일정 이하로 유지될 수 있어야 한다.
본 발명의 실시예는, 공기공급라인(110)을 따라 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기(AG1) 중 일부가 바이패스라인(130)을 따라 배출 어댑터(220)로 공급되도록 하는 것에 의하여, 배출라인(120)을 따라 배기되는 배기가스(EG)에서 수소의 농도를 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도 본 발명의 실시예는, 배출라인(120)을 따라 배출되는 배기가스(EG)(예를 들어, 수소)와 바이패스라인(130)을 매개로 공급되는 공기(AG1)가 배출 어댑터(220)를 매개로 혼합되도록 하는 것에 의하여, 주행풍을 사용할 수 없는 조건(예를 들어, 건설기계의 정차 상태)에서도 배기가스(EG)의 수소 농도를 낮추고, 폭발 위험성을 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바이패스라인(130)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 연결될 수 있으며, 바이패스라인(130)의 연결 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기압축기(20)에 마련되는 공급 어댑터(140)를 포함할 수 있고, 바이패스라인(130)은 공급 어댑터(140)를 매개로 공기공급라인(110)에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공급 어댑터를 별도로 마련하지 않고, 바이패스 라인을 공기공급라인에 직접 연결하는 것도 가능하다.
공급 어댑터(140)는 공기압축기(20)에 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공급 어댑터(140)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 3을 참조하면, 공급 어댑터(140)는, 공기공급라인(110)과 연통되는 제1공급포트(142), 및 바이패스라인(130)과 연통되는 제2공급포트(144)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1공급포트(142) 및 제2공급포트(144)는 직선 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1공급포트 및 제2공급포트를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
이하에서는, 제1공급포트(142)와 연통되는 3개의 제2공급포트(144)가 대략 'T'자 형태를 이루도록 공급 어댑터(140)에 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.
참고로, 도 3에는 3개의 제2공급포트(144) 중 2개에만 바이패스라인(130)이 연결된 예를 들어 설명하고 있지만, 실질적으로 각 제2공급포트에는 각각 개별적으로 바이패스라인(130)이 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공급 어댑터에 2개 이하의 제2공급포트를 형성하거나 4개 이상의 제2공급포트를 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 공급 어댑터(140)의 측부에는 제2공급포트(144)를 선택적으로 개폐하는 개폐밸브(146)가 일체로 마련될 수 있다.
개폐밸브(146)로서는 제2공급포트(144)를 선택적으로 개폐할 수 있는 다양한 밸브수단이 사용될 수 있으며, 개폐밸브(146)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 개폐밸브(146)로서는 통상의 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 개폐밸브(146)가 제2공급포트(144)를 차단한 상태에서는, 공기압축기(20)를 통해 압축된 공기는 제1공급포트(142)를 거쳐 연료전지 스택(50)으로 공급될 수 있다. 반면, 개폐밸브(146)가 제2공급포트(144)를 개방한 상태에서는, 공기압축기(20)를 통해 압축된 공기 중 일부가 제1공급포트(142)를 거쳐 연료전지 스택(50)으로 공급됨과 동시에, 공기압축기(20)를 통해 압축된 공기 중 다른 일부(AG1)가 제2공급포트(144)를 거쳐 바이패스라인(130)으로 공급될 수 있다.(도 2 참조)
배출 어댑터(220)는 공기(AG1)와 배기가스(EG)를 함께 배출할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 배출 어댑터(220)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 배출 어댑터(220)는, 배출라인(120)과 연통되는 배출유로(222a)가 마련된 어댑터 본체(222), 어댑터 본체(222)에 마련되며 바이패스라인(130)이 연결되는 공기유입포트(224), 및 어댑터 본체(222)에 마련되며 배출유로(222a)와 구획되며 공기유입포트(224)와 연통되는 공기분사유로(226a)를 정의하는 어댑터 가이드(226)를 포함할 수 있다.
이하에서는 연료전지 시스템(10)이 배출라인(120)을 선택적으로 개폐하도록 배출라인(120)에 연결되는 밸브유닛(210)을 포함하고, 배출 어댑터(220)가 밸브유닛(210)에 연결되는 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밸브유닛을 배제하고, 배출 어댑터를 배출라인에 직접 연결하는 것도 가능하다.
밸브유닛(210)은 배출라인(120)을 선택적으로 개폐할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 밸브유닛(210)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 밸브유닛(210)은, 배출라인(120)과 연통되는 밸브유로(212a)가 형성된 밸브하우징(212), 및 밸브유로(212a)를 선택적으로 개폐하는 밸브부재(214)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 밸브하우징(212)은 대략 직선 형태의 밸브유로(212a)를 갖는 중공의 원통 형상으로 형성될 수 있다.
밸브부재(214)로서는 밸브유로(212a)를 개폐 가능한 통상의 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브 등이 사용될 수 있으며, 밸브부재(214)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 구성에 의해, 밸브부재(214)가 밸브유로(212a)를 개방한 상태에서는 연료전지 스택(50)으로부터 배기된 배기가스(EG)는 밸브유로(212a)를 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 반면, 밸브부재(214)가 밸브유로(212a)를 차단한 상태에서는 밸브유로(212a)를 통한 배기가스(EG)의 배출이 차단될 수 있다.
어댑터 본체(222)는 배출라인(120)과 연통되는 배출유로(222a)를 갖는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 어댑터 본체(222)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 어댑터 본체(222)는 원형 단면을 대략 중공의 원통 형태로 형성될 수 있고, 어댑터 본체(222)의 내부를 따라서는 대략 직선 형태의 배출유로(222a)가 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 어댑터 본체가 사각형 단면 또는 여타 다른 단면 형태를 갖도록 형성하는 것도 가능하다. 다르게는, 배출유로를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
공기유입포트(224)는 바이패스라인(130)과 연결(연통) 가능하게 어댑터 본체(222)에 마련된다.
일 예로, 어댑터 본체(222)에는 2개의 공기유입포트(224)가 마련될 수 있고, 각 공기유입포트(224)에는 바이패스라인(130)이 각각 개별적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 어댑터 본체에 단 하나의 공기유입포트를 마련하거나, 3개 이상의 공기유입포트를 마련하는 것도 가능하다.
예를 들어, 공기유입포트(224)는 어댑터 본체(222)에 수직하게 연결될 수 있고, 바이패스라인(130)을 거쳐 공기유입포트(224)에 유입된 공기(AG1)는, 공기분사유로(226a)를 따라 어댑터 본체(222)의 외부로 배출 될 수 있다.
어댑터 가이드(226)는 배출유로(222a)와 구획되며 공기유입포트(224)와 연통되는 공기분사유로(226a)를 정의하도록 어댑터 본체(222)의 외부에 마련된다.
어댑터 가이드(226)는 공기분사유로(226a)를 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 어댑터 가이드(226)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 어댑터 가이드(226)는 어댑터 본체(222)의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태를 갖도록 어댑터 본체(222)의 내주면에 제공될 수 있고, 공기분사유로(226a)는 어댑터 본체(222)의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태를 이루며 배출유로(222a)의 둘레를 전체적으로 감싸도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 배출유로(222a)의 출구와 공기분사유로(226a)의 출구는 서로 동일한 방향을 향하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 배출유로(222a)의 출구는 어댑터 본체(222)의 말단(distal end)(도 6을 기준으로 좌측단)에 형성될 수 있고, 공기분사유로(226a)의 출구는 배출유로(222a)의 출구와 동일한 방향을 향하도록 어댑터 가이드(226)의 말단(도 6을 기준으로 좌측단)에 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 어댑터 가이드(226)에 배출유로(222a) 및 공기분사유로(226a)를 형성하고, 어댑터 가이드(226)를 매개로 공기(바이패스라인을 따라 공급된 공기)(AG1) 및 배기가스(EG)가 함께 배출되도록 하는 것에 의하여, 배출유로(222a)를 통해 배출된 배기가스(EG)는 바이패스라인(130)을 따라 공급된 공기(AG1)와 혼합될 수 있으므로, 배기가스(EG)에서 수소 농도를 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 배출유로(222a)의 출구단은 어댑터 본체(222)의 말단(distal end)에 형성되고, 공기분사유로(226a)의 출구단은 배출유로(222a)의 출구단과 동일 선상을 이루도록 어댑터 가이드(226)의 말단에 형성될 수 있다.
여기서, 배출유로(222a)의 출구단(도 6을 기준으로 배출유로의 좌측단)과 공기분사유로(226a)의 출구단(도 6을 기준으로 공기분사유로의 좌측단)이 동일 선상을 이룬다 함은, 배출유로(222a)를 통해 배기가스(EG)가 배출되는 시작점과 공기분사유로(226a)를 통해 공기(AG1)가 배출되는 시작점이 서로 동일한 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 배출유로(222a)의 출구단과 배출유로(222a)의 출구단을 동일 선상에 형성하는 것에 의하여, 배기가스(EG)는 배출유로(222a)를 통해 배출된 후 곧바로 공기분사유로(226a)를 통해 배출된 공기(AG1)와 혼합될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 어댑터 가이드(226)가 어댑터 본체(222)의 내주면을 전체적으로 감싸도록 연속적인 링 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 어댑터 가이드가 어댑터 본체의 내주면 일부를 부분적으로 감싸도록 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기유입포트(224)의 입구는 제1단면적을 갖도록 정의되고, 공기분사유로(226a)의 출구는 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의될 수 있다.
이는, 공기분사유로(226a)를 통해 배출되는 공기(AG1)의 배출 속도를 높이고, 공기분사유로(226a)의 출구 영역의 압력을 낮추기 위함이다. 여기서, 공기분사유로(226a)의 출구 영역이라 함은, 공기분사유로(226a)의 출구를 통해 공기(AG1)가 분사되는 영역(공기분사유로의 출구에 인접한 외부 영역)으로 이해될 수 있다.
즉, 베르누이 원리에 따르면, 유로(공기분사유로)에 공급되는 유체(공기)의 유량(Q)이 일정할 때, 유로(공기분사유로)의 단면적과 유로(공기분사유로)를 따라 이동하는 유체(공기)의 속도(유속)는 서로 반비례 함을 알 수 있다. 또한, 베르누이 원리에 따르면, 유로(공기분사유로)를 따라 이동하는 유체(공기)의 속도(유속)가 증가함에 따라 유체(공기)의 압력은 감소함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 공기분사유로(226a)의 출구의 단면적(예를 들어, A2)을 공기유입포트(224)의 입구의 단면적(예를 들어, A1)보다 작게(A2〈 A1) 하는 것에 의하여, 공기유입포트(224)에 유입되는 공기의 유입 속도(예를 들어, V1)보다 공기분사유로(226a)를 통해 배출되는 공기(AG1)의 배출 속도(예를 들어, V2)를 증가(V2 〉V1)시킬 수 있으므로, 공기분사유로(226a)의 출구 영역의 압력(이하, 외부 압력이라 지칭함)(예를 들어, P2)은, 밸브유로(212a)의 내부 압력(이하, 내부 압력이라 지칭함)(예를 들어, P1)보다 낮게(P2〈 P1) 형성될 수 있다. 가령, 밸브유로(212a)의 내부 압력(배기가스의 배출 압력)이 제1압력(P1)인 경우, 공기분사유로(226a)의 출구 영역의 압력은 제1압력보다 낮은 제2압력(P2)이 될 수 있다.
결과적으로, 외부 압력(공기분사유로의 출구 영역의 압력)과 내부 압력(밸브유로의 내부 압력)의 압력차에 따라(공기분사유로의 외부 압력이 밸브유로의 내부 압력보다 낮아짐에 따라), 공기분사유로(226a)의 출구 주변에 인접한 공기(AG2')가 상대적으로 압력이 낮은 공기분사유로(226a)의 출구 영역으로 유입(이동)될 수 있다.
따라서, 배출유로(222a)를 따라 배출되는 배기가스(EG)에는, 공기분사유로(226a)를 따라 분사된 공기(AG1), 및 공기분사유로(226a)의 출구 주변에 인접한 공기(AG2')가 함께 혼합될 수 있으므로, 배기가스(EG)에서 수소 농도를 보다 효과적으로 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 공기분사유로(226a)는 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
일 예로, 도 6을 기준으로, 공기분사유로(226a)는 우측단에서 좌측단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 공기분사유로(226a)가 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 하는 것에 의하여, 공기분사유로(226a)를 통과하는 공기(AG1)의 속도(유속)를 보다 높일 수 있으므로, 공기분사유로(226a)를 통해 배출되는 공기(AG1)의 배출 속도(예를 들어, V2)를 보다 증가(공기분사유로의 출구 영역의 압력을 강하)시킬 수 있다.
더욱 바람직하게, 공기분사유로(226a)는 유선형 단면 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 공기분사유로(226a)가, 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖는 유선형 단면 형태를 가지도록 하는 것에 의하여, 공기분사유로(226a)를 통과하는 공기(AG1)의 속도를 점진적으로 증가시켜, 공기분사유로(226a)의 출구 영역의 압력을 보다 효과적으로 낮출 수 있으므로, 공기분사유로(226a)의 출구 주변에서 배기가스(EG)(배출유로를 따라 배출되는 배기가스)로 유입되는 공기(AG2')의 유입량을 극대화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 배출유로(222a)와 연통되게 어댑터 본체(222)에 형성되며, 어댑터 본체(222)의 외부 공기(AG2)가 유입되는 유입홀(228)을 포함할 수 있다.
일 예로, 유입홀(228)은 배출유로(222a)의 입구단(도 6을 기준으로 우측단)과 공기유입포트(224)의 사이에 배치되도록 어댑터 본체(222)에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 배출유로의 출구단과 공기유입포트의 사이 또는 여타 다른 위치에 유입홀을 형성하는 것도 가능하다.
유입홀(228)은, 어댑터 본체(222)의 외부 공기(어댑터 본체의 외주면 외측의 공기)(AG2)가 유입될 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 유입홀(228)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 유입홀(228)은 폭보다 긴 길이를 갖는 장공 형태로 형성될 수 있다. 다르게는 유입홀(228)을 원형홀 형태 또는 사각홀 형태 등으로 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 어댑터 본체(222)에 유입홀(228)을 마련하고, 배기가스(EG)가 어댑터 본체(222)의 외부로 배출되기 전에, 어댑터 본체(222)의 외부 공기(AG2)가 유입홀(228)을 통해 어댑터 본체(222)의 내부(배출유로)에 유입(흡입)되도록 하는 것에 의하여, 배출유로(222a)를 따라 최종적으로 배출되는 배기가스(EG)에서 수소의 농도를 보다 효과적으로 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 유입홀(228)은 어댑터 본체(222)의 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 이격되게 복수개가 마련될 수 있다. 이와 같이, 어댑터 본체(222)의 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 이격되게 복수개의 유입홀(228)을 형성하는 것에 의하여, 어댑터 본체(222)의 내부에는 어댑터 본체(222)의 원주 방향을 따라 균일하게 공기(AG2)가 유입될 수 있으며, 배기가스(EG)와 공기(AG2)의 혼합 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 밸브하우징(212)과 배출 어댑터(220)의 사이에 개재되는 실링부재(230)를 포함할 수 있다.
실링부재(230)는 밸브하우징(212)과 배출 어댑터(220)의 사이 간극을 실링할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 실링부재(230)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 실링부재(230)는 대략 링 형태를 갖도록 형성되어 밸브하우징(212)과 배출 어댑터(220)의 사이에 개재될 수 있다.
실링부재(230)는 실리콘, 우레탄과 같은 탄성소재로 형성될 수 있으며, 실링부재(230)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 밸브하우징(212)과 배출 어댑터(220)의 사이에 실링부재(230)를 마련하는 것에 의하여, 밸브하우징(212)과 배출 어댑터(220)의 사이 간극을 통한 배기가스(EG)의 누설을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 밸브유닛(210)과 배출 어댑터(220) 간의 결합 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 밸브유닛(210)과 배출 어댑터(220) 간의 결합 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 배출 어댑터(220)의 단부에 연장되며 밸브하우징(212)의 출구포트(212b)의 외주면을 감싸도록 배치되는 체결 플랩(222b), 및 출구포트(212b)에 대해 체결 플랩(222b)을 구속하는 클램프부재(240)를 포함할 수 있다.
체결 플랩(222b)은 밸브하우징(212)의 출구포트(212b)의 외주면을 감쌀 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 체결 플랩(222b)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 체결 플랩(222b)은 밸브하우징(212)의 외주면에 밀착 가능한 내주면을 갖도록 배출 어댑터(220)의 단부에 연장될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 체결 플랩(222b)에 형성되는 절개슬릿(222c)을 포함할 수 있다.
절개슬릿(222c)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 절개슬릿(222c)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 절개슬릿(222c)은 배출 어댑터(220)의 길이 방향을 따라 체결 플랩(222b)의 일부를 제거(절개)하여 형성될 수 있으며, 배출 어댑터(220)의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 체결 플랩의 여타 다른 방향을 따라 절개슬릿을 형성하는 것이 가능하다. 다르게는, 절개슬릿을 'S'자 형태 또는 'C'자 형태와 같은 곡선 형태로 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 체결 플랩(222b)에 절개슬릿(222c)을 형성하는 것에 의하여, 절개슬릿(222c)은 배출 어댑터(220)에 대한 체결 플랩(222b)의 동적 특성(배출 어댑터에 연결되는 체결 플랩의 일단을 기준으로 배출 어댑터의 반경 방향을 따라 배출 어댑터에 대해 체결 플립이 이동할 수 있는 특성)을 향상시킬 수 있다.
클램프부재(240)는 체결 플랩(222b)을 밸브하우징(212)의 출구포트(212b)에 구속할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 클램프부재(240)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 클램프부재(240)는 금속 와이어를 코일 형태(예를 들어, 코일스프링 형태)로 귄취하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 원호 형태를 갖는 복수개의 클램프띠를 상호 조립하여 클램프부재를 구성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 연료전지 시스템(10)은, 출구포트(212b)의 외주면에 돌출되게 마련되는 걸림돌기(212c), 체결 플랩(222b)의 내주면에 마련되며 걸림돌기(212c)가 수용되는 걸림홈(222d)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 체결 플랩(222b)이 밸브하우징(212)의 출구포트(212b)의 외주면을 감싸도록 배치될 시, 출구포트(212b)의 외주면에 형성된 걸림돌기(212c)가 체결 플랩(222b)의 내주면에 형성된 걸림홈(222d)에 수용되도록 하는 것에 의하여, 체결 플랩(222b)의 조립 상태(체결 플랩이 밸브하우징의 출구포트의 외주면을 감싸도록 배치된 상태)를 안정적으로 유지하고, 밸브하우징(212)에 대한 배출 어댑터(220)의 이탈을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)의 제어방법은, 밸브유닛(210)을 개방하는 단계(S10), 개폐밸브(146)를 개방하는 단계(S20), 공기압축기(20)의 RPM을 증대시키는 단계(S30), 밸브유닛(210)을 차단하는 단계(S40), 개폐밸브(146)를 차단하는 단계(S50), 및 공기압축기(20)를 정상 운전 모드로 복귀하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
먼저, 외부로 배출된 배기가스(EG)의 수소 농도가 기설정된 기준 농도보다 높은 것 판별되면, 밸브유닛(210)을 개방(밸브유로 개방)함과 아울러 개폐밸브(146)를 개방함으로써, 공기압축기(20)를 통해 압축된 공기 중 일부가 연료전지 스택(50)으로 공급됨과 동시에, 공기압축기(20)를 통해 압축된 공기 중 다른 일부가 바이패스라인(130)으로 공급될 수 있다.
밸브유닛(210) 및 개폐밸브(146)가 개방된 후에는, 바이패스라인(130)을 통해 바이패스되는 공기의 유량에 대응하여 공기압축기(20)의 RPM(예를 들어, 로터의 분당회전수)을 증대(증가)시켜 공기압축기(20)를 과급 운전한다. 이와 같이, 밸브유닛(210) 및 개폐밸브(146)가 개방된 상태에서는 공기압축기(20)의 RPM을 높임으로써, 바이패스라인(130)을 따라 공기(AG1)를 공급하는 조건에서도, 연료전지 스택(50)으로 충분한 공기를 공급(연료전지 스택의 정상 운전에 필요한 공기공급량으로 공기를 공급)할 수 있다.
그 후, 배기가스(EG)의 수소 농도가 기설정된 기준 농도보다 낮은 것으로 판별되면, 밸브유닛(210) 및 개폐밸브(146)를 차단할 수 있고, 공기압축기(20)는 다시 정상 운전 모드로 복귀(공기압축기의 RPM 하강)할 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
20 : 공기압축기
30 : 가습기
40 : 에어 컨트롤 밸브
50 : 연료전지 스택
110 : 공기공급라인
120 : 배출라인
130 : 바이패스라인
140 : 공급 어댑터
142 : 제1공급포트
144 : 제2공급포트
146 : 개폐밸브
200 : 배기가스 처리장치
210 : 밸브유닛
212 : 밸브하우징
212a : 밸브유로
212b : 출구포트
212c : 걸림돌기
214 : 밸브부재
220 : 배출 어댑터
222 : 어댑터 본체
222a : 배출유로
222b : 체결 플랩
222c : 절개슬릿
222d : 걸림홈
224 : 공기유입포트
226 : 어댑터 가이드
226a : 공기분사유로
228 : 유입홀
230 : 실링부재
240 : 클램프부재

Claims (20)

  1. 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인;
    상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스를 안내하는 배출라인;
    상기 배출라인에 연결되며, 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배출 어댑터; 및
    일단은 상기 공기공급라인에 연결되고, 다른 일단은 상기 배출 어댑터에 연결되며, 상기 공기공급라인에서 상기 배출 어댑터로 상기 공기를 선택적으로 바이패스시키는 바이패스라인;
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출 어댑터는,
    상기 배출라인과 연통되는 배출유로가 마련된 어댑터 본체;
    상기 어댑터 본체에 마련되며, 상기 바이패스라인이 연결되는 공기유입포트; 및
    상기 어댑터 본체에 마련되며, 상기 배출유로와 구획되며 상기 공기유입포트와 연통되는 공기분사유로를 정의하는 어댑터 가이드;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배출유로의 출구와 상기 공기분사유로의 출구는 서로 동일한 방향을 향하도록 형성되는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기유입포트의 입구는 제1단면적을 갖도록 정의되고, 상기 공기분사유로의 출구는 상기 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의되는 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공기분사유로는 입구단에서 출구단으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖도록 형성되는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공기분사유로는 유선형 단면 형태를 갖도록 형성되는 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 어댑터 가이드는 상기 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태를 갖도록 제공되고,
    상기 공기분사유로는 상기 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태를 이루도록 형성되는 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 배출유로와 연통되게 상기 어댑터 본체에 형성되며, 상기 어댑터 본체의 외부 공기가 유입되는 유입홀을 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유입홀은 상기 어댑터 본체의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 마련되는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배출라인에 연결되며, 상기 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브유닛을 포함하고,
    상기 배출 어댑터는 상기 밸브유닛에 연결되는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 밸브유닛은,
    상기 배출라인과 연통되는 밸브유로가 형성된 밸브하우징; 및
    상기 밸브유로를 선택적으로 개폐하는 밸브부재;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밸브하우징과 상기 배출 어댑터의 사이에 개재되는 실링부재를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배출 어댑터의 단부에 연장되며, 상기 밸브하우징의 출구포트의 외주면을 감싸도록 배치되는 체결 플랩; 및
    상기 출구포트에 대해 상기 체결 플랩을 구속하는 클램프부재;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 체결 플랩에 형성되는 절개슬릿을 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 출구포트의 외주면에 마련되는 걸림돌기;
    상기 체결 플랩의 내주면에 마련되며, 상기 걸림돌기가 수용되는 걸림홈;
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급라인에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 공기를 압축하는 공기압축기를 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 연료전지 스택에서 배기되는 배기가스를 배출하는 배출라인에 마련되며, 상기 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브유닛; 및
    상기 밸브유닛에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기와 상기 배기가스를 외부로 함께 배출하는 배출 어댑터;
    를 포함하는 배기가스 처리장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 밸브유닛은,
    상기 배출라인과 연통되는 밸브유로가 형성된 밸브하우징; 및
    상기 밸브유로를 선택적으로 개폐하는 밸브부재;
    를 포함하는 배기가스 처리장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 배출 어댑터는,
    상기 밸브유로와 연통되는 배출유로가 마련된 어댑터 본체;
    상기 어댑터 본체에 마련되며, 상기 공기가 유입되는 공기유입포트; 및
    상기 어댑터 본체에 마련되며, 상기 배출유로와 구획되며 상기 공기유입포트와 연통되는 공기분사유로를 정의하는 어댑터 가이드;
    를 포함하는 배기가스 처리장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배출유로와 연통되게 상기 어댑터 본체에 형성되며, 상기 어댑터 본체의 외부 공기가 유입되는 유입홀을 포함하는 배기가스 처리장치.
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