KR20230166705A - 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기, 연료전지 스택과 가습기를 연결하며, 연료전지 스택에서 배출된 공기를 상기 가습기로 안내하는 공기배출라인, 가습기에 연결되며 가습기를 경유한 공기를 외부로 배기하는 배기라인, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택에서 배출되는 수소를 안내하는 수소배출라인, 수소배출라인과 공기배출라인을 연결하며 수소를 상기 공기배출라인으로 안내하는 제1퍼지라인, 수소배출라인과 배기라인을 연결하며 수소를 배기라인으로 안내하는 제2퍼지라인, 및 수소배출라인을 통과한 수소의 경로를 선택적으로 제1퍼지라인 또는 제2퍼지라인으로 전환하는 전환밸브를 포함하는 것에 의하여, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 연료전지 스택에서 산소와 수소의 전기 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하고 모터를 구동시켜 주행하도록 구성된다.

연료전지 차량은 연료(수소)와 공기를 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이점으로 인해, 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.

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 반응공기(산소)를 공급하는 공기공급장치 등을 포함할 수 있다.

한편, 연료전지 스택 내부의 수소 농도가 일정 이상 낮아지면 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하될 수 있으므로, 연료전지 스택 내부의 수소 농도를 조절하기 위한 퍼지 공정(연료전지 스택 내부의 잔여 수소를 배출하는 공정)이 주기적으로 수행될 수 있어야 한다.

연료전지 스택의 퍼지 공정시, 연료전지 스택의 애노드(anode)에서 배출된 수소는 연료전지 스택의 캐소드(cathode)에서 배출된 공기와 함께 가습기를 거쳐 배기라인을 따라 외부로 배출될 수 있다.

그런데, 기존에는 연료전지 스택의 퍼지 공정시, 연료전지 스택의 다이내믹 운전으로 인해 애노드에서 배출되는 수소의 배출 압력보다 캐소드에서 배출되는 공기의 배출 압력이 순간적으로 증가할 경우, 가습기의 내부 압력이 증가함에 따라, 애노드에서 배출된 수소가 가습기를 거쳐 배출되지 못하고, 다시 애노드로 역류하는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 퍼지 공정시 수소의 원활한 배출을 보장하고, 수소의 역류를 억제하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 퍼지 공정시 수소의 원활한 배출을 보장하고, 수소의 역류를 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 압력차에 기초하여 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 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 스택, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기, 연료전지 스택과 가습기를 연결하며, 연료전지 스택에서 배출된 공기를 상기 가습기로 안내하는 공기배출라인, 가습기에 연결되며 가습기를 경유한 공기를 외부로 배기하는 배기라인, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택에서 배출되는 수소를 안내하는 수소배출라인, 수소배출라인과 공기배출라인을 연결하며 수소를 상기 공기배출라인으로 안내하는 제1퍼지라인, 수소배출라인과 배기라인을 연결하며 수소를 배기라인으로 안내하는 제2퍼지라인, 및 수소배출라인을 통과한 수소의 경로를 선택적으로 제1퍼지라인 또는 제2퍼지라인으로 전환하는 전환밸브를 포함한다.

이는, 연료전지 스택의 퍼지 공정시 수소의 원활한 배출을 보장하고, 수소의 역류를 억제하기 위함이다.

즉, 기존에는 연료전지 스택의 퍼지 공정시, 연료전지 스택의 다이내믹 운전으로 인해 애노드에서 배출되는 수소의 배출 압력보다 캐소드에서 배출되는 공기의 배출 압력이 순간적으로 증가할 경우, 가습기의 내부 압력이 증가함에 따라, 애노드에서 배출된 수소가 가습기를 거쳐 배출되지 못하고, 다시 애노드로 역류하는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택에서 배출된 수소를 가습기 또는 배기라인으로 안내할 수 있는 듀얼 퍼지라인(제1퍼지라인 및 제2퍼지라인)을 마련하고, 연료전지 스택에서 배출된 수소가 듀얼 퍼지라인 중 어느 하나를 통해 배출되도록 하는 것에 의하여, 공기의 배출 압력이 수소의 배출 압력보다 증가하더라도 수소의 원활한 배출을 보장(퍼지 효과 보장)하고, 수소의 역류를 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전환밸브는 수소배출라인을 통과한 수소의 경로를 제1퍼지라인 또는 제2퍼지라인으로 전환할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전환밸브는 연료전지 스택에서 배출되는 공기의 배출 압력 및 연료전지 스택에서 배출되는 수소의 배출 압력의 차이에 기초하여 수소배출라인을 통과한 수소의 경로를 제1퍼지라인 또는 상기 제2퍼지라인으로 전환할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 공기배출라인과 전환밸브를 연결하며 전환밸브에 공기를 공급하는 제1연결라인, 및 수소배출라인과 전환밸브를 연결하며 전환밸브에 수소를 공급하는 제2연결라인을 포함할 수 있고, 전환밸브는 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 압력차에 의해 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있다.

전환밸브는 공기와 수소의 압력차에 의해 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전환밸브는, 밸브하우징, 밸브하우징에 마련되며 수소배출라인이 연결되는 입구포트, 밸브하우징에 마련되며 제1퍼지라인이 연결되는 제1출구포트, 밸브하우징에 마련되며 제2퍼지라인이 연결되는 제2출구포트, 밸브하우징에 마련되며 제1연결라인이 연결되는 제1연결포트, 밸브하우징에 마련되며 제2연결라인이 연결되는 제2연결포트, 및 제1출구포트를 개방하면서 제2출구포트를 차단하는 제1위치에서 제2출구포트를 개방하면서 제1출구포트를 차단하는 제2위치로 이동 가능하게 밸브하우징에 마련되는 밸브부재를 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 배출 압력차에 의해 밸브부재가 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환하도록 하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브부재는, 공기에 의한 제1압력이 인가되며, 제1출구포트를 개방하는 제1개방위치에서 제1출구포트를 차단하는 제1차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제1플런저부, 수소에 의한 제2압력이 인가되며 제2출구포트를 개방하는 제2개방위치에서 제2출구포트를 차단하는 제2차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제2플런저부, 제1플런저부와 제2플런저부를 상호 연동 가능하게 연결하는 연결부, 및 입구포트와 연통되게 제1플런저부와 제2플런저부의 사이에 마련되며 입구포트에 유입된 수소를 제1출구포트 또는 제2출구포트로 안내하는 안내유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1플런저는 제1단면적을 갖도록 정의될 수 있고, 제2플런저는 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의될 수 있으며, 제1압력과 제2압력이 서로 동일한 압력 범위에 해당하면, 밸브부재는 제2출구포트를 개방하면서 제1출구포트를 차단하는 제2위치로 이동할 수 있다.

이와 같이, 제2플런저가 제1플런저보다 작은 단면적을 갖도록 하는 것에 의하여, 수소의 배출 압력과 공기의 배출 압력이 서로 동일한 압력 범위에 해당하더라도, 밸브부재는 제2출구포트를 개방하면서 제1출구포트를 차단하는 제2위치로 이동할 수 있으므로, 수소배출라인을 따라 배출되는 수소는 제2퍼지라인을 따라 배출될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기에 의해 제1플런저에 작용하는 제1힘과 수소에 의해 제2플런저에 작용하는 제2힘이 서로 동일한 힘 범위에 해당하면, 밸브부재는 제1출구포트를 차단하면서 제2출구포트의 적어도 일부를 개방하는 위치로 이동할 수 있다.

이와 같이, 공기에 의해 제1플런저에 작용하는 제1힘과 수소에 의해 제2플런저에 작용하는 제2힘이 서로 동일한 힘 범위에 해당하여, 밸브부재가 밸브하우징의 대략 중간부에 위치하더라도, 제2출구포트는 개방된 상태를 유지(수소 배출 유로를 확보)할 수 있으므로, 수소배출라인을 따라 배출되는 수소는 제2퍼지라인을 따라 배출될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 퍼지 공정시 수소의 원활한 배출을 보장하고, 수소의 역류를 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 압력차에 기초하여 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 원가를 절감하는 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, 제1퍼지라인에 의한 수소 퍼지 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 제2퍼지라인에 의한 수소 퍼지 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 전환밸브를 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 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(200), 연료전지 스택(200)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기(100), 연료전지 스택(200)과 가습기(100)를 연결하며, 연료전지 스택(200)에서 배출된 공기를 상기 가습기(100)로 안내하는 공기배출라인(300), 가습기(100)에 연결되며 가습기(100)를 경유한 공기를 외부로 배기하는 배기라인(400), 연료전지 스택(200)에 연결되며 연료전지 스택(200)에서 배출되는 수소를 안내하는 수소배출라인(500), 수소배출라인(500)과 공기배출라인(300)을 연결하며 수소를 상기 공기배출라인(300)으로 안내하는 제1퍼지라인(600), 수소배출라인(500)과 배기라인(400)을 연결하며 수소를 배기라인(400)으로 안내하는 제2퍼지라인(700), 및 수소배출라인(500)을 통과한 수소의 경로를 선택적으로 제1퍼지라인(600) 또는 제2퍼지라인(700)으로 전환하는 전환밸브(800)를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(200)을 적용 가능한 다양한 차량(예를 들어, 건설기계 또는 승용차) 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(200)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 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)(220)와 캐소드(cathode)(210)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드(220)로 공급되고, 공기는 캐소드(210)로 공급된다.

애노드(220)로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드(210)로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드(210)로 전달된다.

캐소드(210)에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드(210)로 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.

가습기(100)는 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 연료전지 스택(200)으로 공급되는 공기(건조공기)를 가습하도록 마련된다.

여기서, 공기를 가습한다 함은 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의된다.

가습기(100)는 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 유입가스를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(100)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 가습기(100)에는 유입가스(공기)가 유입(공급)되는 유입가스 공급포트(미도시), 가습기(100)의 내부를 통과한(가습 처리된) 유입가스가 배출되는 유입가스 배출포트(미도시), 연료전지 스택(200)으로부터 배출된 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급포트(미도시), 유입가스를 가습시킨 습윤공기를 외부로 배출하는 습윤공기 배출포트(미도시)를 포함할 수 있다.

공기압축기(20) 및 에어 쿨러(30)를 거쳐 가습기(100)의 유입가스 공급포트에 공급된 유입가스(공기)는, 가습기(100)의 내부에 마련된 튜브 형태의 가습막(예를 들어, 중공 사막)(미도시)을 통과하는 중에 습윤공기에 의해 가습 처리된 후, 유입가스 배출포트를 거쳐 공기공급라인(미도시)을 따라 연료전지 스택(200)으로 공급될 수 있다.

아울러, 연료전지 스택(200)에서 배출되는 습윤공기(또는 생성수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(100)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 가습기(100)의 외부로 배출될 수 있다.

공기배출라인(300)은 연료전지 스택(200)에서 배출된 공기(습윤공기)를 가습기(100)로 안내하도록 연료전지 스택(200)과 가습기(100)를 연결한다.

보다 구체적으로, 공기배출라인(300)의 일단은 캐소드(210)의 출구에 연결될 수 있고, 공기배출라인(300)의 다른 일단은 가습기(100)의 습윤공기 공급포트에 연결될 수 있다.

공기배출라인(300)은 연료전지 스택(200)과 가습기(100)를 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공기배출라인(300)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

또한, 공기배출라인(300) 및 공기공급라인에는 연료전지 스택(200)으로 유입되는 공기와 연료전지 스택(200)에서 배출되는 공기를 제어(예를 들어, 공기의 흐름을 단속)하는 에어 컨트롤 밸브(air control valve)(40)가 마련될 수 있다.

배기라인(400)은 가습기(100)를 경유한 공기(공기 및 응축수) 및 수소(수소 및 응축수)를 외부로 배기하도록 가습기(100)에 연결된다.

배기라인(400)은 공기 및 수소를 외부로 배기 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 배기라인(400)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 배기라인(400)에는 연료전지 스택(200)의 내부에 배압을 형성하기 위한 APC(air pressure control)(미도시) 및 배기가스(공기 및 수소)의 배기 소음을 저감시키기 위한 소음기(미도시)가 마련될 수 있다.

수소배출라인(500)은 연료전지 스택(200)에서 배출되는 수소를 안내하도록 연료전지 스택(200)에 연결된다.

보다 구체적으로, 수소배출라인(500)은 애노드(220)의 출구단에 연결될 수 있으며, 애노드(220)를 통해 배출된 수소는 수소배출라인(500)을 따라 배출될 수 있다.

수소배출라인(500)은 수소를 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 수소배출라인(500)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

수소배출라인(500)에는 재순환라인(미도시)이 연결될 수 있고, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소 중 일부는 재순환라인을 따라 연료전지 스택(200)으로 재공급될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 수소배출라인(500)을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브를 포함할 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서, 수소배출라인(500)을 개폐한다 함은, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소를 단속(ON/OFF)하거나, 수소배출라인(500)으로 배출되는 수소의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.

개폐밸브로서는 수소배출라인(500)을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 개폐밸브의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 개폐밸브로서는 통상의 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다.

이와 같이, 수소배출라인(500)에 개폐밸브를 마련하는 것에 의하여, 연료전지 스택(200)의 비퍼지 공정중에는 수소배출라인(500)을 따라 수소가 외부로 배출되는 것을 차단할 수 있다.

제1퍼지라인(600)은 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소를 선택적으로 공기배출라인(300)으로 안내하도록 수소배출라인(500)과 공기배출라인(300)을 연결한다.

보다 구체적으로, 제1퍼지라인(600)의 일단은 전환밸브(800)를 매개로 수소배출라인(500)에 연결될 수 있고, 제1퍼지라인(600)의 다른 일단은 공기배출라인(300)에 연결될 수 있다.

제1퍼지라인(600)은 수소를 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1퍼지라인(600)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

제2퍼지라인(700)은 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소를 선택적으로 배기라인(400)으로 안내하도록 수소배출라인(500)과 배기라인(400)을 연결한다.

보다 구체적으로, 제2퍼지라인(700)의 일단은 전환밸브(800)를 매개로 수소배출라인(500)에 연결될 수 있고, 제2퍼지라인(700)의 다른 일단은 배기라인(400)에 연결될 수 있다.

제2퍼지라인(700)은 수소를 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2퍼지라인(700)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

전환밸브(800)는 수소배출라인(500)을 통과한 수소의 경로를 선택적으로 제1퍼지라인(600) 또는 제2퍼지라인(700)으로 전환하도록 마련된다.

도 2를 참조하면, 연료전지 스택(200)의 퍼지 공정(연료전지 스택 내부의 잔여 수소를 외부로 배출하는 공정)시, 연료전지 스택(200)의 정상 운전 조건에서는, 애노드(220)에서 배출되는 수소의 배출 압력이 캐소드(210)에서 배출되는 공기의 배출 압력(공기배출라인의 압력)보다 높게 형성되므로, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는, 제1퍼지라인(600) 및 공기배출라인(300)을 거쳐 가습기(100)로 공급된 후, 공기(연료전지 스택에서 배출된 공기)와 함께 배기라인(400)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

반면, 연료전지 스택(200)의 퍼지 공정시, 연료전지 스택(200)의 다이내믹 운전으로 인해 애노드(220)에서 배출되는 수소의 배출 압력보다 캐소드(210)에서 배출되는 공기의 배출 압력이 순간적으로 높아지면, 가습기(100)의 내부 압력이 증가함에 따라, 애노드(220)에서 배출된 수소가 가습기(100)를 거쳐 배출되지 못하고, 다시 애노드(220)로 역류하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는, 수소배출라인(500)에 제1퍼지라인(600) 및 제2퍼지라인(700)을 병렬로 연결하고, 전환밸브(800)에 의해 수소배출라인(500)을 통과한 수소의 경로가 제1퍼지라인(600) 또는 제2퍼지라인(700)으로 선택적으로 전환되도록 하는 것에 의하여, 공기의 배출 압력이 수소의 배출 압력보다 높아지더라도, 도 4와 같이, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는 가습기(100)를 거치지 않고 제2퍼지라인(700)을 따라 곧바로 배기라인(400)을 통해 배출될 수 있으므로, 퍼지 공정시 수소의 원활한 배출을 보장(퍼지 효과 보장)하고, 수소의 역류를 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전환밸브(800)는 수소배출라인(500)을 통과한 수소의 경로를 제1퍼지라인(600) 또는 제2퍼지라인(700)으로 전환할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 전환밸브(800)의 구조 및 작동 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전환밸브(800)는 연료전지 스택(200)에서 배출되는 공기의 배출 압력(공기배출라인의 압력) 및 연료전지 스택(200)에서 배출되는 수소의 배출 압력(수소배출라인의 압력)의 차이에 기초하여 수소배출라인(500)을 통과한 수소의 경로를 제1퍼지라인(600) 또는 상기 제2퍼지라인(700)으로 전환할 수 있다.

참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 수소 및 공기의 배출 차압에 기초하여 전환밸브(800)가 수소의 경로를 전환하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전환밸브가 수소 및 공기의 배출 차압(압력 차이)이 아닌 여타 다른 조건(예를 들어, 연료전지 스택의 운전 모드)에 기초하여 수소의 경로를 전환하도록 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 공기배출라인(300)과 전환밸브(800)를 연결하며 전환밸브(800)에 공기를 공급하는 제1연결라인(310), 및 수소배출라인(500)과 전환밸브(800)를 연결하며 전환밸브(800)에 수소를 공급하는 제2연결라인(510)을 포함할 수 있고, 전환밸브(800)는 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 압력차에 의해 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1연결라인(310)의 일단은 전환밸브(800)(예를 들어, 제1연결포트)에 연결될 수 있고, 제1연결라인(310)의 다른 일단은 공기배출라인(300)에 연결될 수 있으며, 공기배출라인(300)을 따라 배출되는 공기의 압력은 제1연결라인(310)을 따라 전환밸브(800)에 인가될 수 있다.

제1연결라인(310)은 전환밸브(800)와 공기배출라인(300)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1연결라인(310)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

같은 방식으로, 제2연결라인(510)의 일단은 전환밸브(800)(예를 들어, 제2연결포트)에 연결될 수 있고, 제2연결라인(510)의 다른 일단은 수소배출라인(500)에 연결될 수 있으며, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소의 압력은 제2연결라인(510)을 따라 전환밸브(800)에 인가될 수 있다.

제2연결라인(510)은 전환밸브(800)와 수소배출라인(500)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2연결라인(510)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

전환밸브(800)는 공기와 수소의 압력차에 의해 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전환밸브(800)는, 밸브하우징(810), 밸브하우징(810)에 마련되며 수소배출라인(500)이 연결되는 입구포트(812), 밸브하우징(810)에 마련되며 제1퍼지라인(600)이 연결되는 제1출구포트(820), 밸브하우징(810)에 마련되며 제2퍼지라인(700)이 연결되는 제2출구포트(830), 밸브하우징(810)에 마련되며 제1연결라인(310)이 연결되는 제1연결포트(840), 밸브하우징(810)에 마련되며 제2연결라인(510)이 연결되는 제2연결포트(850), 및 제1출구포트(820)를 개방하면서 제2출구포트(830)를 차단하는 제1위치에서 제2출구포트(830)를 개방하면서 제1출구포트(820)를 차단하는 제2위치로 이동 가능하게 밸브하우징(810)에 마련되는 밸브부재(860)를 포함할 수 있다.

일 예로, 밸브하우징(810)은 대략원통 형상으로 형성될 수 있고, 입구포트(812)는 밸브하우징(810)의 상단(도 3 기준)에 마련될 수 있고, 제1출구포트(820) 및 제2출구포트(830)는 밸브하우징(810)의 하단(도 3 기준)에 소정 간격을 두고 이격되게 마련될 수 있으며, 밸브하우징(810)의 일측단(도 3 기준 우측단)에는 제1연결포트(840)가 마련될 수 있고, 밸브하우징(810)의 다른 일측단(도 3 기준 좌측단)에는 제1연결포트(840)와 동축적으로 배치되게 제2연결포트(850)가 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입구포트를 밸브하우징의 하단 또는 여타 다른 부위에 형성하고, 제1출구포트 및 제2출구포트를 밸브하우징의 상단 또는 여타 다른 부위에 형성하는 것이 가능하다. 또한, 제1연결포트 및 제2연결포트를 밸브하우징의 상단 또는 여타 다른 부위에 형성하는 것이 가능하며, 각 포트(입구포트, 출구포트, 연결포트)의 위치 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 별도의 구동원을 사용하지 않고, 공기와 수소의 배출 압력차에 의해 밸브부재(860)가 작동하며 수소의 경로를 선택적으로 전환하도록 하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

밸브부재(860)는 제1출구포트(820)와 제2출구포트(830) 중 어느 하나를 차단한 상태에서는 제1출구포트(820)와 제2출구포트(830) 중 다른 하나를 개방하도록 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브부재(860)는, 공기에 의한 제1압력이 인가되며, 제1출구포트(820)를 개방하는 제1개방위치에서 제1출구포트(820)를 차단하는 제1차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제1플런저부(862), 수소에 의한 제2압력이 인가되며 제2출구포트(830)를 개방하는 제2개방위치에서 제2출구포트(830)를 차단하는 제2차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제2플런저부(864), 제1플런저부(862)와 제2플런저부(864)를 상호 연동 가능하게 연결하는 연결부(866), 및 입구포트(812)와 연통되게 제1플런저부(862)와 제2플런저부(864)의 사이에 마련되며 입구포트(812)에 유입된 수소를 제1출구포트(820) 또는 제2출구포트(830)로 안내하는 안내유로(868)를 포함할 수 있다.

일 예로, 제1플런저부(862)는 대략 원형 실린더 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1플런저부(862)의 일면(도 3을 기준으로 우측면)에는 제1연결포트(840)를 통해 공급되는 공기에 의한 제1압력(P1)이 인가될 수 있다.

제2플런저부(864)는 대략 원형 실린더 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 제2플런저부(864)의 일면(도 3을 기준으로 좌측면)에는 제2연결포트(850)를 통해 공급되는 수소에 의한 제2압력(P2)이 인가될 수 있다.

연결부(866)는 제1플런저부(862)와 제2플런저부(864)를 일체로 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 연결부(866)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 연결부(866)는 제1플런저부(862) 및 제2플런저부(864)와 함께 대략 "H"자 형태를 이루도록 제공될 수 있다. 제1플런저부(862)와 제2플런저부(864)는 연결부(866)를 매개로 일체로 연결되므로 제1플런저부(862)와 제2플런저부(864) 중 어느 하나가 이동함에 따라 나머지 다른 하나도 함께 이동할 수 있다.

안내유로(868)는 입구포트(812)에 유입된 수소를 제1출구포트(820) 또는 제2출구포트(830)로 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 안내유로(868)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 연결부(866)는 제1플런저부(862) 및 제2플런저부(864)보다 상대적으로 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 안내유로(868)는 연결부(866)의 주변 공간을 따라 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연결부를 관통하는 홀 형태로 안내유로를 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 구조에 의해 공기에 의한 제1압력(P1)과 수소에 의한 제2압력(P2)의 차이에 기초하여 밸브부재(860)는 좌우 방향(도 3 기준)으로 직선 이동할 수 있으며, 밸브부재(860)의 좌우 이동에 따라 밸브부재(860)는 제1출구포트(820) 및 제2출구포트(830)를 개방 또는 차단할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 연료전지 스택(200)의 퍼지 공정(연료전지 스택 내부의 잔여 수소를 외부로 배출하는 공정)시, 연료전지 스택(200)의 정상 운전 조건에서는, 애노드(220)에서 배출되는 수소의 배출 압력(제2압력)(P2)이 캐소드(210)에서 배출되는 공기의 배출 압력(제1압력)(P1)보다 높게 형성되므로, 밸브부재(860)는 제1출구포트(820)를 개방하면서 제2출구포트(830)를 차단하는 제1위치로 이동(도 3을 기준으로 우측으로 이동)할 수 있다. 따라서, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는, 제1출구포트(820)를 통해 제1퍼지라인(600) 및 공기배출라인(300)을 거쳐 가습기(100)로 공급된 후, 공기(연료전지 스택에서 배출된 공기)와 함께 배기라인(400)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

반면, 도 4 및 도 5를 참조하면, 연료전지 스택(200)의 퍼지 공정시, 연료전지 스택(200)의 다이내믹 운전으로 인해 애노드(220)에서 배출되는 수소의 배출 압력(제2압력)(P2)보다 캐소드(210)에서 배출되는 공기의 배출 압력(제1압력)(P1)이 순간적으로 높아지면, 밸브부재(860)는 제2출구포트(830)를 개방하면서 제1출구포트(820)를 차단하는 제2위치로 이동(도 3을 기준으로 좌측으로 이동)할 수 있다. 따라서, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는, 가습기(100)를 거치지 않고 제2퍼지라인(700)을 따라 곧바로 배기라인(400)을 통해 배출될 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1플런저는 제1단면적을 갖도록 정의될 수 있고, 제2플런저는 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의될 수 있으며, 제1압력과 제2압력이 서로 동일한 압력 범위에 해당하면, 밸브부재(860)는 제2출구포트(830)를 개방하면서 제1출구포트(820)를 차단하는 제2위치로 이동할 수 있다.

이와 같이, 제2플런저가 제1플런저보다 작은 단면적(예를 들어, 작은 직경)을 갖도록 하는 것에 의하여, 수소의 배출 압력(제2압력)(P2)과 공기의 배출 압력(제1압력)(P1)이 서로 동일한 조건(동일 압력 범위)에서는, 상대적으로 단면적이 큰 제1플런저에 제2플런저에 작용하는 제2힘(F2)보다 큰 제1힘(F1)이 작용할 수 있으므로, 제1압력과 제2압력이 서로 동일한 압력 범위에 해당하더라도, 밸브부재(860)는 제2출구포트(830)를 개방하면서 제1출구포트(820)를 차단하는 제2위치로 이동(도 3을 기준으로 좌측으로 이동)할 수 있다. 따라서, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는, 가습기(100)를 거치지 않고 제2퍼지라인(700)을 따라 곧바로 배기라인(400)을 통해 배출될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기에 의해 제1플런저에 작용하는 제1힘(F1)과 수소에 의해 제2플런저에 작용하는 제2힘(F2)이 서로 동일한 힘 범위(예를 들어, F1=F2)에 해당하면, 밸브부재(860)는 제1출구포트(820)를 차단하면서 제2출구포트(830)의 적어도 일부를 개방하는 위치로 이동할 수 있다.

여기서, 밸브부재(860)가 제1출구포트(820)를 차단하면서 제2출구포트(830)의 적어도 일부를 개방하는 위치로 이동한다 함은, 제1플런저부(862)는 제1출구포트(820)를 완전히 차단하고, 제2플런저부(864)가 제2출구포트(830)의 적어도 일부를 개방하는 위치에 배치되는 것으로 정의된다.

참고로, 제1플런저부(862)가 제1출구포트(820)를 차단하고, 제2플런저부(864)는 제2출구포트(830)의 적어도 일부를 개방하는 위치는, 연결부(866)의 길이(제1플런저부와 제2플런저부의 사이 길이) 및 제2출구포트(830)의 위치를 적절히 변경함으로써 정의될 수 있다.

이와 같이, 공기에 의해 제1플런저에 작용하는 제1힘(F1)과 수소에 의해 제2플런저에 작용하는 제2힘(F2)이 서로 동일한 힘 범위에 해당하여, 밸브부재(860)가 밸브하우징(810)의 대략 중간부에 위치하더라도, 제2출구포트(830)는 개방된 상태를 유지(수소 배출 유로를 확보)할 수 있으므로, 수소배출라인(500)을 따라 배출되는 수소는, 가습기(100)를 거치지 않고 제2퍼지라인(700)을 따라 곧바로 배기라인(400)을 통해 배출될 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 : 에어쿨러
40 : 에어 컨트롤 밸브
100 : 가습기
200 : 연료전지 스택
210 : 캐소드
220 : 애노드
300 : 공기배출라인
310 : 제1연결라인
400 : 배기라인
500 : 수소배출라인
510 : 제2연결라인
600 : 제1퍼지라인
700 : 제2퍼지라인
800 : 전환밸브
810 : 밸브하우징
812 : 입구포트
820 : 제1출구포트
830 : 제2출구포트
840 : 제1연결포트
850 : 제2연결포트
860 : 밸브부재
862 : 제1플런저부
864 : 제2플런저부
866 : 연결부
868 : 안내유로

Claims (8)

1. 연료전지 스택;
   상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기;
   상기 연료전지 스택과 상기 가습기를 연결하며, 상기 연료전지 스택에서 배출된 상기 공기를 상기 가습기로 안내하는 공기배출라인;
   상기 가습기에 연결되며, 상기 가습기를 경유한 상기 공기를 외부로 배기하는 배기라인;
   상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 수소를 안내하는 수소배출라인;
   상기 수소배출라인과 상기 공기배출라인을 연결하며, 상기 수소를 상기 공기배출라인으로 안내하는 제1퍼지라인;
   상기 수소배출라인과 상기 배기라인을 연결하며, 상기 수소를 상기 배기라인으로 안내하는 제2퍼지라인; 및
   상기 수소배출라인을 통과한 상기 수소의 경로를 선택적으로 상기 제1퍼지라인 또는 상기 제2퍼지라인으로 전환하는 전환밸브;
   를 포함하는 연료전지 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전환밸브는, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 상기 공기의 압력 및 상기 연료전지 스택에서 배출되는 상기 수소의 압력의 차이에 기초하여 상기 수소배출라인을 통과한 상기 수소의 경로를 상기 제1퍼지라인 또는 상기 제2퍼지라인으로 전환하는 연료전지 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 공기배출라인과 상기 전환밸브를 연결하며, 상기 전환밸브에 상기 공기를 공급하는 제1연결라인; 및
   상기 수소배출라인과 상기 전환밸브를 연결하며, 상기 전환밸브에 상기 수소를 공급하는 제2연결라인;을 포함하고,
   상기 전환밸브는 상기 공기와 상기 수소의 압력차의 의해 작동하며 상기 수소의 경로를 선택적으로 전환하는 연료전지 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 전환밸브는,
   밸브하우징;
   상기 밸브하우징에 마련되며, 상기 수소배출라인이 연결되는 입구포트;
   상기 밸브하우징에 마련되며, 상기 제1퍼지라인이 연결되는 제1출구포트;
   상기 밸브하우징에 마련되며, 상기 제2퍼지라인이 연결되는 제2출구포트;
   상기 밸브하우징에 마련되며, 상기 제1연결라인이 연결되는 제1연결포트;
   상기 밸브하우징에 마련되며, 상기 제2연결라인이 연결되는 제2연결포트; 및
   상기 제1출구포트를 개방하면서 상기 제2출구포트를 차단하는 제1위치에서, 상기 제2출구포트를 개방하면서 상기 제1출구포트를 차단하는 제2위치로 이동 가능하게 상기 밸브하우징에 마련되는 밸브부재;
   를 포함하는 연료전지 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 밸브부재는,
   상기 공기에 의한 제1압력이 인가되며, 상기 제1출구포트를 개방하는 제1개방위치에서 상기 제1출구포트를 차단하는 제1차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제1플런저부;
   상기 수소에 의한 제2압력이 인가되며, 상기 제2출구포트를 개방하는 제2개방위치에서 상기 제2출구포트를 차단하는 제2차단위치로 이동 가능하게 마련되는 제2플런저부;
   상기 제1플런저부와 상기 제2플런저부를 상호 연동 가능하게 연결하는 연결부; 및
   상기 입구포트와 연통되게 상기 제1플런저부와 상기 제2플런저부의 사이에 마련되며, 상기 입구포트에 유입된 수소를 상기 제1출구포트 또는 상기 제2출구포트로 안내하는 안내유로;
   를 포함하는 연료전지 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1플런저는 제1단면적을 갖도록 정의되고, 상기 제2플런저는 상기 제1단면적보다 작은 제2단면적을 갖도록 정의되되,
   상기 제1압력과 상기 제2압력이 서로 동일한 압력 범위에 해당하면, 상기 밸브부재는 상기 제2출구포트를 개방하면서 상기 제1출구포트를 차단하는 상기 제2위치로 이동하는 연료전지 시스템.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 공기에 의해 상기 제1플런저에 작용하는 제1힘과 상기 수소에 의해 상기 제2플런저에 작용하는 제2힘이 서로 동일한 힘 범위에 해당하면,
   상기 밸브부재는 상기 제1출구포트를 차단하면서 상기 제2출구포트의 적어도 일부를 개방하는 위치로 이동하는 연료전지 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
   

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