KR20240042787A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20240042787A
KR20240042787A KR1020220121502A KR20220121502A KR20240042787A KR 20240042787 A KR20240042787 A KR 20240042787A KR 1020220121502 A KR1020220121502 A KR 1020220121502A KR 20220121502 A KR20220121502 A KR 20220121502A KR 20240042787 A KR20240042787 A KR 20240042787A
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hydrogen
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valve
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KR1020220121502A
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김학윤
반현석
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 공기가 공급되는 캐소드 및 수소가 공급되는 애노드를 포함하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에서 배출된 상기 공기를 대기로 배출하는 공기배출라인, 공기배출라인을 선택적으로 개폐 가능하게 공기배출라인에 마련되는 압력조절부, 일단은 연료전지 스택에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 상류(up-stream)에서 공기배출라인에 연결되는 제1수소배출라인, 일단은 제1수소배출라인에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 하류(down-stream)에서 공기배출라인에 연결되는 제2수소배출라인, 및 애노드의 압력에 기초하여 제1수소배출라인 및 상기 제2수소배출라인 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하는 수소배출 밸브부를 포함하는 것에 의하여, 연료전지 시스템의의 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 안정성 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.
기존에는 연료전지 스택의 퍼지 공정시, 연료전지 스택의 애노드(anode)에서 배출된 수소를 연료전지 스택의 캐소드(cathode)에서 배출된 공기와 함께 가습기를 거쳐 배기라인을 따라 외부로 배출하는 방안이 제시된 바 있다.
그러나, 기존에는 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소배출라인이 배기라인에 마련되는 압력조절부(캐소드 압력조절밸브)의 상류(up-stream)에서 배기라인에 연결(가습기에 연결)됨에 따라, 수소배출라인을 따라 가습기에 유입되는 수소의 배출 유량(수소 퍼지 유량)에 의해 캐소드의 압력 변동(pressure fluctuation)이 발생하는 문제점이 있고, 캐소드의 압력을 기초로 애노드의 압력을 제어하게 되므로 애노드의 압력 역시 불안정해지는 문제점이 있으며, 이로 인해 연료전지 스택의 출력이 불안정해지는 문제점이 있다.
더욱이, 기존에는 수소배출라인을 따라 가습기에 유입된 수소가 캐소드로 유입될 경우, 분리판의 부식이 촉진되고, 연료전지 스택의 내구성 및 반응성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 기존에는 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소배출라인을, 배기라인에 마련되는 압력조절부(캐소드 압력조절밸브)의 하류(down-stream)에서 배기라인에 연결(가습기를 거치지 않고 배기라인에 직접 연결)하는 방안이 제시된 바 있다.
그러나, 기존에는 대기압이 인가되는 배기라인의 출구(압력조절부의 하류)와 애노드 간의 매우 큰 압력 차이(예를 들어, 100KPa 이상)로 인해, 배기라인을 따라 배출되는 수소의 배출 유량(연료전지 스택의 정상 작동 중 수소 배출 유량)이 과도하게 증가하는 문제점이 있고, 수소의 과도한 배출 유량 증가로 인해 애노드의 압력 강하가 발생하면 연료전지 스택의 제어 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이, 수소배출라인을 따라 배출되는 수소의 배출 유량 정확도를 높이기 위해서는, 수소배출라인을 개폐하는 밸브의 오리피스 단면적(수소가 통과하는 오리피스 단면적)을 매우 작게 형성할 수 있어야 하는데, 밸브의 오리피스 단면적이 매우 좁아지면, 기온이 낮은 동절기에 밸브를 통과하는 응축수가 밸브의 오리피스에 정체(stuck)된 상태로 결빙되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택으로부터 수소의 원활한 배출을 보장하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택으로부터 수소의 원활한 배출을 보장하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 애노드의 압력에 기초하여 수소의 배출 경로를 선택적으로 전환(공기배출라인에 마련되는 압력조절부의 상류를 따라 정의하거나 압력조절부의 상류 및 하류를 따라 정의)할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 캐소드 및 애노드의 압력 변동을 최소화하고 연료전지 스택의 출력을 안정적으로 보장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 캐소드 및 애노드의 운전 압력을 보다 효율적으로 제어할 수 있으며, 캐소드 및 애노드의 운전 압력 자유도를 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 별도의 밸브 제어 로직을 마련하지 않고도 수소의 배출 유량을 조절할 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, 공기가 공급되는 캐소드 및 수소가 공급되는 애노드를 포함하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에서 배출된 상기 공기를 대기로 배출하는 공기배출라인, 공기배출라인을 선택적으로 개폐 가능하게 공기배출라인에 마련되는 압력조절부, 일단은 연료전지 스택에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 상류(up-stream)에서 공기배출라인에 연결되는 제1수소배출라인, 일단은 제1수소배출라인에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 하류(down-stream)에서 공기배출라인에 연결되는 제2수소배출라인, 및 애노드의 압력에 기초하여 제1수소배출라인 및 상기 제2수소배출라인 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하는 수소배출 밸브부를 포함한다.
이는, 연료전지 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소배출라인이 배기라인에 마련되는 압력조절부(캐소드 압력조절밸브)의 상류(up-stream)에서 배기라인에 연결(가습기에 연결)됨에 따라, 수소배출라인을 따라 가습기에 유입되는 수소의 배출 유량(수소 퍼지 유량)에 의해 캐소드의 압력 변동(pressure fluctuation)이 발생하는 문제점이 있고, 캐소드의 압력을 기초로 애노드의 압력을 제어하게 되므로 애노드의 압력 역시 불안정해지는 문제점이 있으며, 이로 인해 연료전지 스택의 출력이 불안정해지는 문제점이 있다. 더욱이, 기존에는 수소배출라인을 따라 가습기에 유입된 수소가 캐소드로 유입될 경우, 분리판의 부식이 촉진되고, 연료전지 스택의 내구성 및 반응성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 기존에는 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소배출라인을, 배기라인에 마련되는 압력조절부(캐소드 압력조절밸브)의 하류(down-stream)에서 배기라인에 연결(가습기를 거치지 않고 배기라인에 직접 연결)하는 방안이 제시된 바 있지만, 대기압이 인가되는 배기라인의 출구(압력조절부의 하류)와 애노드 간의 매우 큰 압력 차이(예를 들어, 100KPa 이상)로 인해, 배기라인을 따라 배출되는 수소의 배출 유량(연료전지 스택의 정상 작동 중 수소 배출 유량)이 과도하게 증가하는 문제점이 있고, 수소의 과도한 배출 유량 증가로 인해 애노드의 압력 강하가 발생하면 연료전지 스택의 제어 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 더욱이, 수소배출라인을 따라 배출되는 수소의 배출 유량 정확도를 높이기 위해서는, 수소배출라인을 개폐하는 밸브의 오리피스 단면적(수소가 통과하는 오리피스 단면적)을 매우 작게 형성할 수 있어야 하는데, 밸브의 오리피스 단면적이 매우 좁아지면, 기온이 낮은 동절기에 밸브를 통과하는 응축수가 밸브의 오리피스에 정체(stuck)된 상태로 결빙되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 애노드의 압력에 기초하여 제1수소배출라인 및 제2수소배출라인 중 적어도 어느 하나가 선택적으로 개폐되도록 하는 것에 의하여, 애노드의 압력(연료전지 스택의 운전 조건)에 따라 수소의 원활한 배출을 보장하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 애노드의 압력에 기초하여 수소가 배출되는 경로를 제1수소배출라인(압력조절부의 상류)을 따라 정의하거나, 제1수소배출라인(압력조절부의 상류) 및 제2수소배출라인(압력조절부의 하류)을 따라 정의할 수 있으므로, 연료전지 스택의 운전 조건(예를 들어, 정상 운전시 vs 퍼지 공정시)에 관계없이 캐소드 및 애노드의 압력 변동을 최소화하고, 연료전지 스택의 출력을 안정적으로 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 수소배출라인을 따라 가습기에 유입된 수소가 캐소드로 유입되는 것을 억제할 수 있고, 캐소드로의 수소 유입에 의한 분리판의 부식을 억제하고, 연료전지 스택의 내구성 및 반응성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
수소배출 밸브부는 제1수소배출라인 및 제2수소배출라인 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소배출 밸브부는, 제1수소배출라인에 마련되며 제1임계압력을 기준으로 제1수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제1밸브, 및 제2수소배출라인에 마련되며 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 제2수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제2밸브를 포함할 수 있다.
제1밸브로서는 제1수소배출라인을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브로서는 제1임계압력을 기준으로 작동(제1수소배출라인을 개폐)하는 체크밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제1밸브로서 제1임계압력을 기준으로 자동으로 개폐될 수 있는 체크밸브를 사용하는 것에 의하여, 제1수소배출라인을 개폐 시점을 제어하기 위한 별도의 로직 및 장비를 마련하지 않아도 되므로, 제1밸브의 구조 및 작동 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1밸브의 제1임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1임계압력은 애노드의 운전 압력과 캐소드의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의될 수 있다.
이와 같이, 제1임계압력을 애노드의 운전 압력과 캐소드의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 정상 운전 중, 제1밸브는 제1수소배출라인을 상시 개방한 상태를 유지할 수 있으며, 제1수소배출라인을 따라서는 주로 응축수가 배출될 수 있다.
제2밸브로서는 제2수소배출라인을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브로서는 제2임계압력을 기준으로 작동(제2수소배출라인을 개폐)하는 체크밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제2밸브로서 제2임계압력을 기준으로 자동으로 개폐될 수 있는 체크밸브를 사용하는 것에 의하여, 제2수소배출라인을 개폐 시점을 제어하기 위한 별도의 로직 및 장비를 마련하지 않아도 되므로, 제2밸브의 구조 및 작동 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2밸브의 제2임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2임계압력은 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
바람직하게, 제2임계압력은 애노드의 최대 운전압력보다 높게 정의될 수 있다. 이와 같이, 제2임계압력을 애노드의 최대 운전압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 정상 운전 조건에서는 제2밸브는 제2수소배출라인을 차단한 상태를 유지할 수 있고, 애노드의 운전 압력이 제2임계압력보다 높게 설정되는 퍼지 공정시에만 제2밸브가 제2수소배출라인을 일시적으로 개방할 수 있다.
제1밸브 및 제2밸브의 오리피스 단면적은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브는 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고, 제2밸브는 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2오리피스 단면적은 제1오리피스 단면적보다 크게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 제1수소배출라인 및 제2수소배출라인과 함께, 일단은 제1수소배출라인에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 하류(down-stream)에서 공기배출라인에 연결되는 제3수소배출라인을 포함할 수 있고, 수소배출 밸브부는, 제3수소배출라인에 마련되며 제1임계압력 및 제2임계압력과 다른 제3임계압력을 기준으로 제3수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제3밸브를 포함할 수 있다.
제3밸브의 제3임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2임계압력은 제1임계압력보다 높게 정의되고, 제3임계압력은 제2임계압력과 다르면서 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다. 일 예로, 제3임계압력은 제2임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
제3밸브의 오리피스 단면적(제3오리피스 단면적)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브는 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고, 제2밸브는 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있으며, 제3밸브는 제1오리피스 단면적 및 제2오리피스 단면적과 다른 제3오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있다.
바람직하게, 제2오리피스 단면적은 제1오리피스 단면적보다 크게 정의되고, 제3오리피스 단면적은 제2오리피스 단면적과 다르면서 제1오리피스 단면적보다 크게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소배출 밸브부는, 제1수소배출라인에 마련되며 제2수소배출라인이 연결되는 삼방 밸브(three way valve)를 포함하되, 삼방 밸브는, 연료전지 스택에서 배출된 수소가 유입되도록 제1수소배출라인과 연결되는 제1포트, 제1포트를 통과한 수소를 압력조절부의 상류에서 제1수소배출라인으로 안내하며 제1임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제2포트, 및 제2수소배출라인이 연결되며 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제3포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3포트의 제2임계압력은 제2포트의 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2포트의 제1임계압력은 애노드의 운전 압력과 캐소드의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의(애노드의 운전 압력-캐소드의 운전 압력=제1임계압력)될 수 있다.
바람직하게, 제3포트의 제2임계압력은 애노드의 최대 운전압력보다 높게 정의될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택으로부터 수소의 원활한 배출을 보장하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 애노드의 압력에 기초하여 수소의 배출 경로를 선택적으로 전환(공기배출라인에 마련되는 압력조절부의 상류를 따라 정의하거나 압력조절부의 상류 및 하류를 따라 정의)할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 캐소드 및 애노드의 압력 변동을 최소화하고 연료전지 스택의 출력을 안정적으로 보장할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 캐소드 및 애노드의 운전 압력을 보다 효율적으로 제어할 수 있으며, 캐소드 및 애노드의 운전 압력 자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 별도의 밸브 제어 로직을 마련하지 않고도 수소의 배출 유량을 조절할 수 있으며, 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 수소배출 밸브부에 의한 수소의 배출 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 제1임계압력 및 제2임계압력을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 제3수소배출라인 및 제3밸브를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 수소배출 밸브부의 다른 실시예를 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 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 공기가 공급되는 캐소드(104) 및 수소가 공급되는 애노드(102)를 포함하는 연료전지 스택(100), 연료전지 스택(100)에서 배출된 상기 공기를 대기로 배출하는 공기배출라인(110), 공기배출라인(110)을 선택적으로 개폐 가능하게 공기배출라인(110)에 마련되는 압력조절부(112), 일단은 연료전지 스택(100)에 연결되고 다른 일단은 압력조절부(112)의 상류(up-stream)에서 공기배출라인(110)에 연결되는 제1수소배출라인(120), 일단은 제1수소배출라인(120)에 연결되고 다른 일단은 압력조절부(112)의 하류(down-stream)에서 공기배출라인(110)에 연결되는 제2수소배출라인(130), 및 애노드(102)의 압력에 기초하여 제1수소배출라인(120) 및 상기 제2수소배출라인(130) 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하는 수소배출 밸브부(200)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(100)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(100)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)(102)와 캐소드(cathode)(104)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드(102)로 공급되고, 공기는 캐소드(104)로 공급된다.
애노드(102)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(104)로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드(104)로 전달된다.
캐소드(104)에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드(104)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.
연료전지 스택(100)에는 공기공급라인(미도시)이 연결될 수 있고, 공기압축기(미도시)를 통해 압축된 공기는 공기공급라인을 따라 연료전지 스택(100)의 캐소드(104)에 공급될 수 있다.
공기공급라인은 공기압축기와 연료전지 스택(100)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공기공급라인의 구조에 의해 본 발명에 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 연료전지 스택(100)에는 수소공급라인(20)이 연결될 수 있고, 수소저장부(미도시)로부터 공급된 수소는 수소공급라인(20)에 마련된 이젝터(30)를 통해 연료전지 스택(100)의 애노드(102)로 공급될 수 있다.
수소공급라인(20)은 수소저장부와 연료전지 스택(100)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 수소공급라인(20)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
공기배출라인(110)은 연료전지 스택(100)(캐소드)에서 배출된 공기(공기 및 응축수) 및 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(수소 및 응축수)를 대기(외부)로 배출하도록 마련된다.
일 예로, 공기배출라인(110)은 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기를 가습(공기의 습도를 높이는 공정)하는 가습기(미도시)를 경유하도록 제공될 수 있으며, 공기배출라인(110)의 출구단은 대기에 노출될 수 있다.
참고로, 가습기는 연료전지 스택(100)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기(건조공기)를 가습하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공기배출라인이 가습기를 거치지 않고 연료전지 스택에서 배출된 공기를 대기로 직접 배출하도록 구성하는 것도 가능하다.
공기배출라인(110)은 공기 및 수소를 외부로 배기 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공기배출라인(110)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
압력조절부(air pressure control valve)(112)는 연료전지 스택(100)의 내부에 배압을 형성하기 위해 공기배출라인(110)에 마련된다.
압력조절부(112)로서는 공기배출라인(110)을 선택적으로 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 압력조절부(112)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제1수소배출라인(120)은 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소를 압력조절부(112)의 상류에서 공기배출라인(110)으로 안내하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 제1수소배출라인(120)의 일단은 연료전지 스택(100)(예를 들어, 애노드의 출구)에 연결될 수 있고, 제1수소배출라인(120)의 다른 일단은 압력조절부(112)의 상류(up-stream)(예를 들어, 애노드의 출구와 압력조절부의 사이)에서 공기배출라인(110)에 연결될 수 있으며, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소는 제1수소배출라인(120)을 따라 압력조절부(112)의 상류에서 공기배출라인(110)으로 공급된 후 외부(대기)로 배출될 수 있다.
일 예로, 제1수소배출라인(120)의 다른 일단은 가습기에 연결될 수 있고, 제1수소배출라인(120)을 따라 배출되는 수소는 가습기를 거쳐 공기배출라인(110)으로 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1수소배출라인을 따라 배출되는 수소가 가습기를 거치지 않고 공기배출라인에 공급되도록 구성하는 것도 가능하다.
제1수소배출라인(120)은 연료전지 스택(100)(예를 들어, 애노드의 출구)과 공기배출라인(110)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1수소배출라인(120)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1수소배출라인(120)에는 연료전지 스택(100)에서 배출된 미반응 수소내에 함유된 응축수를 포집하는 워터트랩(water trap)(40)이 마련될 수 있고, 워터트랩(40)을 경유한 수소는 워터트랩(40)에 연결되는 재순환라인(50)을 따라 연료전지 스택(100)으로 재공급될 수 있다.
제2수소배출라인(130)은 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소를 압력조절부(112)의 하류에서 공기배출라인(110)으로 안내하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 제2수소배출라인(130)의 일단은 제1수소배출라인(120)에 연결될 수 있고, 제2수소배출라인(130)의 다른 일단은 압력조절부(112)의 하류(down-stream)에서 공기배출라인(110)에 연결될 수 있으며, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(제1수소배출라인을 따라 배출되는 수소)는 제2수소배출라인(130)을 따라 압력조절부(112)의 하류에서 공기배출라인(110)으로 공급된 후 외부(대기)로 배출될 수 있다.
제1수소배출라인(120)에 대한 제2수소배출라인(130)의 연결 지점은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 제2수소배출라인(130)의 일단은 워터트랩(40)과 제1수소배출라인(120)의 출구단의 사이에서 제1수소배출라인(120)에 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2수소배출라인의 일단이 애노드의 출구와 워터트랩의 사이에서 제1수소배출라인에 연결되도록 구성하는 것도 가능하다.
제2수소배출라인(130)은 제1수소배출라인(120)과 공기배출라인(110)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2수소배출라인(130)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
수소배출 밸브부(200)는 애노드(102)의 압력에 기초하여 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130) 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 개폐한다 함은, 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 따라 배출되는 수소를 단속(ON/OFF)하거나, 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 따라 배출되는 수소의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
이는, 애노드(102)의 압력(수소의 배출 압력 또는 유량)에 따라 수소가 제1수소배출라인(120)을 따라서만 배출되거나, 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 따라 배출되도록 하기 위함이다.
즉, 연료전지 스택(100)에서 배출되는 수소가 제1수소배출라인(120)으로만 배출되는 경우에는, 수소배출라인을 따라 가습기에 유입되는 수소의 배출 유량(예를 들어, 수소 퍼지 유량)에 의해 캐소드(104)의 압력 변동(pressure fluctuation)이 발생하는 문제점이 있고, 캐소드(104)의 압력을 기초로 애노드(102)의 압력을 제어하게 되므로 애노드(102)의 압력 역시 불안정해지는 문제점이 있으며, 이로 인해 연료전지 스택(100)의 출력이 불안정해지는 문제점이 있다. 더욱이, 제1수소배출라인(120)을 따라 가습기에 유입된 수소가 캐소드(104)로 유입될 경우, 분리판의 부식이 촉진되고, 연료전지 스택(100)의 내구성 및 반응성이 저하되는 문제점이 있다.
이와 반대로, 연료전지 스택(100)에서 배출되는 수소가 제2수소배출라인(130)으로만 배출되는 경우에는, 대기압이 인가되는 공기배출라인(110)의 출구(압력조절부의 하류)와 애노드(102) 간의 매우 큰 압력 차이로 인해, 배기라인(공기배출라인(110))을 따라 배출되는 수소의 배출 유량(연료전지 스택(100)의 정상 작동 중 수소 배출 유량)이 과도하게 증가하는 문제점이 있고, 수소의 과도한 배출 유량 증가로 인해 애노드(102)의 압력 강하가 발생하면 연료전지 스택(100)의 제어 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 더욱이, 수소배출라인을 따라 배출되는 수소의 배출 유량 정확도를 높이기 위해서는, 수소배출라인을 개폐하는 밸브의 오리피스 단면적(수소가 통과하는 오리피스 단면적)을 매우 작게 형성할 수 있어야 하는데, 밸브의 오리피스 단면적이 매우 좁아지면, 기온이 낮은 동절기에 밸브를 통과하는 응축수가 밸브의 오리피스에 정체(stuck)된 상태로 결빙되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 수소배출 밸브부(200)를 매개로 애노드(102)의 압력에 기초하여 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130) 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하는 것에 의하여, 애노드(102)의 압력(수소의 배출 압력 또는 유량)에 따라 수소가 배출되는 경로를 제1수소배출라인(120)(압력조절부의 상류)을 따라 정의하거나, 제1수소배출라인(120)(압력조절부의 상류) 및 제2수소배출라인(130)(압력조절부의 하류)을 따라 정의할 수 있으므로, 연료전지 스택(100)의 운전 조건(예를 들어, 정상 운전시 vs 퍼지 공정시)에 관계없이 캐소드(104) 및 애노드(102)의 압력 변동을 최소화할 수 있는 상태에서 수소를 적합한 유량으로 원활하게 배출할 수 있다.
수소배출 밸브부(200)는 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130) 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 수소배출 밸브부(200)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소배출 밸브부(200)는, 제1수소배출라인(120)에 마련되며 제1임계압력을 기준으로 제1수소배출라인(120)을 선택적으로 개폐하는 제1밸브(210), 및 제2수소배출라인(130)에 마련되며 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 제2수소배출라인(130)을 선택적으로 개폐하는 제2밸브(220)를 포함할 수 있다.
제1밸브(210)는 제1임계압력을 기준으로 제1수소배출라인(120)을 선택적으로 개폐하도록 제1수소배출라인(120)에 마련된다.
여기서, 제1밸브(210)가 제1임계압력을 기준으로 제1수소배출라인(120)을 선택적으로 개폐한다 함은, 제1수소배출라인(120)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제1임계압력 이상이면 제1밸브(210)가 제1수소배출라인(120)을 개방하고, 제1수소배출라인(120)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제1임계압력보다 낮으면 제1밸브(210)가 제1수소배출라인(120)을 차단하는 것으로 정의된다.
제1밸브(210)로서는 제1수소배출라인(120)을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 제1밸브(210)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브(210)로서는 제1임계압력을 기준으로 작동(제1수소배출라인을 개폐)하는 체크밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제1밸브(210)로서 제1임계압력을 기준으로 자동으로 개폐될 수 있는 체크밸브를 사용하는 것에 의하여, 제1수소배출라인(120)을 개폐 시점을 제어하기 위한 별도의 로직 및 장비를 마련하지 않아도 되므로, 제1밸브(210)의 구조 및 작동 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1밸브로서 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브 등과 같은 여타 다른 밸브를 사용하는 것도 가능하다.
제1밸브(210)의 제1임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1밸브(210)의 제1임계압력에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1임계압력은 애노드(102)의 운전 압력과 캐소드(104)의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의(애노드의 운전 압력-캐소드의 운전 압력=제1임계압력)될 수 있다.
참고로, 애노드(102)와 캐소드(104)의 차압은 연료전지 스택의 운전 중 항상 일정하게 유지되어야 하므로, 제1임계압력은 특정값으로 정해질 수 있다. 여기서, 애노드(102)와 캐소드(104)의 차압이 연료전지 스택의 운전 중 항상 일정하게 유지되어야 하는 이유는 연료전지 셀을 최적 조건에서 운전하기 위함이며, 애노드와 캐소드의 차압의 차이가 발생할 경우에는 크로스 오버(cross over) 현상이 발생하여 연료전지 셀의 내구성이 저하될 수 있다.
이와 같이, 제1임계압력을 애노드(102)의 운전 압력과 캐소드(104)의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택(100)의 정상 운전 중, 제1밸브(210)는 제1수소배출라인(120)을 상시 개방한 상태를 유지할 수 있으며, 제1수소배출라인(120)을 따라서는 주로 응축수가 배출될 수 있다.
제2밸브(220)는 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 제2수소배출라인(130)을 선택적으로 개폐하도록 제2수소배출라인(130)에 마련된다.
여기서, 제2밸브(220)가 제2임계압력을 기준으로 제2수소배출라인(130)을 선택적으로 개폐한다 함은, 제2수소배출라인(130)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제2임계압력 이상이면 제1밸브(210)가 제2수소배출라인(130)을 개방하고, 제2수소배출라인(130)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 낮으면 제2밸브(220)가 제2수소배출라인(130)을 차단하는 것으로 정의된다.
제2밸브(220)로서는 제2수소배출라인(130)을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 제2밸브(220)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브(220)로서는 제2임계압력을 기준으로 작동(제2수소배출라인을 개폐)하는 체크밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제2밸브(220)로서 제2임계압력을 기준으로 자동으로 개폐될 수 있는 체크밸브를 사용하는 것에 의하여, 제2수소배출라인(130)을 개폐 시점을 제어하기 위한 별도의 로직 및 장비를 마련하지 않아도 되므로, 제2밸브(220)의 구조 및 작동 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2밸브로서 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브 등과 같은 여타 다른 밸브를 사용하는 것도 가능하다.
제2밸브(220)의 제2임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2밸브(220)의 제2임계압력에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2임계압력은 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
이와 같이, 제2밸브(220)의 제2임계압력을 제1임계압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 작은 경우에는, 제2밸브(220)가 제2수소배출라인(130)을 차단한 상태에서, 제1밸브(210)만이 단독적으로 제1수소배출라인(120)을 개방할 수 있다.
반면, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 높은 경우에는, 제1밸브(210)가 제1수소배출라인(120)을 개방한 상태에서 제2밸브(220)가 제2수소배출라인(130)을 추가적으로 개방할 수 있다. 한편, 제2밸브(220)가 개방된 상태에서, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 낮아지면, 제2밸브(220)는 다시 제2수소배출라인(130)을 차단하게 된다.
바람직하게, 제2임계압력은 애노드(102)의 최대 운전압력보다 높게 정의될 수 있다.
여기서, 애노드(102)의 최대 운전압력이라 함은, 연료전지 스택(100)의 정상 운전시, 애노드(102)에 최대로 인가될 수 있는 압력으로 이해될 수 있다.
바람직하게, 제2임계압력은 퍼지 공정시 애노드(102)의 압력으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 제2임계압력을 애노드(102)의 최대 운전압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택(100)의 정상 운전 조건(일반적인 운전 조건)에서는 제2밸브(220)는 제2수소배출라인(130)을 차단한 상태를 유지할 수 있고, 애노드(102)의 운전 압력이 제2임계압력보다 높게 설정되는 퍼지 공정시에만 제2밸브(220)가 제2수소배출라인(130)을 일시적으로 개방할 수 있다.
한편, 제1밸브(210) 및 제2밸브(220)의 오리피스 단면적은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1밸브(210) 및 제2밸브(220)의 오리피스 단면적에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제1밸브(210) 및 제2밸브(220)의 오리피스 단면적이라 함은, 제1밸브(210) 및 제2밸브(220)의 개방시 수소가 통과하는 유로(통로)의 단면적으로 이해될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브(210)는 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고, 제2밸브(220)는 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1밸브의 제1오리피스 단면적과 제2밸브의 제2오리피스 단면적을 모두 동일하게 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 제2오리피스 단면적은 제1오리피스 단면적보다 크게(제1오리피스 단면적은 제2오리피스 단면적보다 작게) 정의될 수 있다.
이는, 연료전지 스택(100)의 운전중에 제1밸브(210)가 상시 개방 상태(제1수소배출라인이 개방된 상태)를 유지한다는 것에 기인한 것으로, 제2오리피스 단면적을 제1오리피스 단면적보다 크게(제1오리피스 단면적을 제2오리피스 단면적보다 작게)하는 것에 의하여, 제1수소배출라인(120)을 통해 배출(가습기에 유입)되는 수소(수소 및 응축수)의 배출 안정성을 확보하면서, 제2밸브(220)의 빠른 반응성(신속한 퍼지 효과)을 확보할 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 수소배출 밸브부가 2개의 밸브(제1밸브 및 제2밸브)를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수소배출 밸브부가 3개 이상의 밸브를 포함하도록 구성하는 것도 가능하다.
일 예로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)과 함께, 일단은 제1수소배출라인(120)에 연결되고 다른 일단은 압력조절부(112)의 하류(down-stream)에서 공기배출라인(110)에 연결되는 제3수소배출라인(140)을 포함할 수 있고, 수소배출 밸브부(200)는, 제3수소배출라인(140)에 마련되며 제1임계압력 및 제2임계압력과 다른 제3임계압력을 기준으로 제3수소배출라인(140)을 선택적으로 개폐하는 제3밸브(230)를 포함할 수 있다.
제3수소배출라인(140)은 제2수소배출라인(130)과 개별적으로 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소를 압력조절부(112)의 하류에서 공기배출라인(110)으로 안내하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 제3수소배출라인(140)의 일단은 제1수소배출라인(120)에 연결될 수 있고, 제3수소배출라인(140)의 다른 일단은 압력조절부(112)의 하류(down-stream)에서 공기배출라인(110)에 연결될 수 있으며, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(제1수소배출라인을 따라 배출되는 수소)는 제3수소배출라인(140)을 따라 압력조절부(112)의 하류에서 공기배출라인(110)으로 공급된 후 외부(대기)로 배출될 수 있다.
제1수소배출라인(120)에 대한 제3수소배출라인(140)의 연결 지점은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 제2수소배출라인(130)의 일단은 워터트랩(40)과 제1밸브(210)의 사이에서 제1수소배출라인(120)에 연결될 수 있다.
제3수소배출라인(140)은 제1수소배출라인(120)과 공기배출라인(110)을 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제3수소배출라인(140)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제3밸브(230)는 제1임계압력 및 제2임계압력과 다른 제3임계압력을 기준으로 제3수소배출라인(140)을 선택적으로 개폐하도록 제3수소배출라인(140)에 마련된다.
여기서, 제3밸브(230)가 제3임계압력을 기준으로 제3수소배출라인(140)을 선택적으로 개폐한다 함은, 제3수소배출라인(140)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제3임계압력 이상이면 제3밸브(230)가 제3수소배출라인(140)을 개방하고, 제3수소배출라인(140)을 통과하는 수소의 압력(애노드 압력)이 제3임계압력보다 낮으면 제3밸브(230)가 제3수소배출라인(140)을 차단하는 것으로 정의된다.
제3밸브(230)로서는 제3수소배출라인(140)을 개폐할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 제3밸브(230)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3밸브(230)로서는 제3임계압력을 기준으로 작동(제3수소배출라인을 개폐)하는 체크밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제3밸브(230)로서 제3임계압력을 기준으로 자동으로 개폐될 수 있는 체크밸브를 사용하는 것에 의하여, 제3수소배출라인(140)을 개폐 시점을 제어하기 위한 별도의 로직 및 장비를 마련하지 않아도 되므로, 제3밸브(230)의 구조 및 작동 구조를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제3밸브로서 솔레노이드 밸브 또는 버터플라이 밸브 등과 같은 여타 다른 밸브를 사용하는 것도 가능하다.
제3밸브(230)의 제3임계압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제3밸브(230)의 제3임계압력에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2임계압력은 제1임계압력보다 높게 정의되고, 제3임계압력은 제2임계압력과 다르면서 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다. 일 예로, 제3임계압력은 제2임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
제3밸브(230)의 제3임계압력을 제2임계압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제3임계압력보다 작은 경우에는, 제3밸브(230)가 제3수소배출라인(140)을 차단한 상태에서, 제1밸브(210)와 제2밸브(220)가 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 각각 개방할 수 있다.
반면, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제3임계압력보다 높은 경우에는, 제1밸브(210) 및 제2밸브(220)가 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 개방한 상태에서 제3밸브(230)가 제3수소배출라인(140)을 추가적으로 개방할 수 있다. 한편, 제3밸브(230)가 개방된 상태에서, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제3임계압력보다 낮아지면, 제3밸브(230)는 다시 제3수소배출라인(140)을 차단하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제2밸브(220) 및 제3밸브(230)가 서로 다른 임계압력에서 작동하도록 하는 것에 의하여, 애노드(102)에서의 필요 수소 농도 조건(수소 농도 확보 상황)에 따라 신속하고 정확하게 수소 농도를 확보하는 것이 가능하다. 가령, 애노드(102)에서 급격한 수소 퍼지가 요구되는 상황(예를 들어, 연료전지 스택의 초기 시동시, 애노드에서의 급격한 수도 농도 저하, 캐소드에 공기가 과급되는 상황)에서는 제2밸브(220) 및 제3밸브(230)가 동시에 개발될 수 있고, 일반적인 퍼지 공정시에는 제3밸브(230)는 차단되고 제2밸브(220)만이 개방될 수 있다.
제3밸브(230)의 오리피스 단면적(제3오리피스 단면적)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제3밸브(230)의 오리피스 단면적에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제3밸브(230)의 오리피스 단면적이라 함은, 제3밸브(230)의 개방시 수소가 통과하는 유로(통로)의 단면적으로 이해될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브(210)는 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고, 제2밸브(220)는 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있으며, 제3밸브(230)는 제1오리피스 단면적 및 제2오리피스 단면적과 다른 제3오리피스 단면적을 갖도록 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1밸브의 제1오리피스 단면적, 제2밸브의 제2오리피스 단면적, 제3밸브의 제3오리피스 단면적을 모두 동일하게 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 제2오리피스 단면적은 제1오리피스 단면적보다 크게(제1오리피스 단면적은 제2오리피스 단면적보다 작게) 정의되고, 제3오리피스 단면적은 제2오리피스 단면적과 다르면서 제1오리피스 단면적보다 크게 정의될 수 있다. 일 예로, 제3오리피스 단면적은 제2오리피스 단면적보다 크게 정의될 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 수소배출 밸브부(200)가 복수개의 수소배출라인(예를 들어, 제1수소배출라인(120), 제2수소배출라인(130), 제3수소배출라인(140))에 각각 개별적으로 마련되는 복수개의 밸브(예를 들어, 제1밸브(210), 제2밸브(220), 제3밸브(230))를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 단 하나의 삼방 밸브(240')를 이용하여 수소배출 밸브부(200')를 구성하는 것도 가능하다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 수소배출 밸브부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소배출 밸브부(200')는, 제1수소배출라인(120)에 마련되며 제2수소배출라인(130)이 연결되는 삼방 밸브(three way valve)(240')를 포함하되, 삼방 밸브(240')는, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소가 유입되도록 제1수소배출라인(120)과 연결되는 제1포트(242'), 제1포트(242')를 통과한 수소가 압력조절부(112)의 상류에서 제1수소배출라인(120)에 유입되도록 제1수소배출라인(120)과 연결되며 제1임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제2포트(246'), 및 제2수소배출라인(130)이 연결되며 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제3포트(244')를 포함할 수 있다.
일 예로, 제2포트(246') 및 제3포트(244')는 기설정된 임계압력에 따른 개도율(opening ratio)에 따라 선택적으로 개방되도록 구성될 수 있으며, 제2포트(246') 및 제3포트(244')의 개폐 구조 및 개폐 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3포트(244')의 제2임계압력은 제2포트(246')의 제1임계압력보다 높게 정의될 수 있다.
이와 같이, 제3포트(244')의 제2임계압력을 제2포트(246')의 제1임계압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 작은 경우에는, 제3포트(244')가 차단된 상태에서, 제2포트(246')만이 개방될 수 있고, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(수소 및 응축수)는 압력조절부(112)의 상류에서 공기배출라인(110)에 합류될 수 있다.
반면, 수소의 배출 압력(애노드 압력)이 제2임계압력보다 높은 경우에는, 제2포트(246')가 개방된 상태에서, 제3포트(244')가 추가적으로 개방될 수 있으며, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(수소 및 응축수)는 압력조절부(112)의 상류 및 하류에서 각각 공기배출라인(110)에 합류될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2포트(246')의 제1임계압력은 애노드(102)의 운전 압력과 캐소드(104)의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의(애노드의 운전 압력-캐소드의 운전 압력=제1임계압력)될 수 있다.
참고로, 애노드(102)와 캐소드(104)의 차압은 연료전지 스택의 운전 중 항상 일정하게 유지되어야 하므로, 제1임계압력은 특정값으로 정해질 수 있다. 여기서, 애노드(102)와 캐소드(104)의 차압이 연료전지 스택의 운전 중 항상 일정하게 유지되어야 하는 이유는 연료전지 셀을 최적 조건에서 운전하기 위함이며, 애노드와 캐소드의 차압의 차이가 발생할 경우에는 크로스 오버(cross over) 현상이 발생하여 연료전지 셀의 내구성이 저하될 수 있다.
이와 같이, 제2포트(246')의 제1임계압력을 애노드(102)의 운전 압력과 캐소드(104)의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택(100)의 정상 운전 중, 제2포트(246')는 제1수소배출라인(120)을 상시 개방한 상태를 유지할 수 있으며, 제1수소배출라인(120)을 따라서는 주로 응축수가 배출될 수 있다.
바람직하게, 제3포트(244')의 제2임계압력은 애노드(102)의 최대 운전압력보다 높게 정의될 수 있다.
바람직하게, 제2임계압력은 퍼지 공정시 애노드(102)의 압력으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 제3포트(244')의 제2임계압력을 애노드(102)의 최대 운전압력보다 높게 정의하는 것에 의하여, 연료전지 스택(100)의 정상 운전 조건(일반적인 운전 조건)에서는 제3포트(244')는 제2수소배출라인(130)을 차단한 상태를 유지할 수 있고, 애노드(102)의 운전 압력이 제2임계압력보다 높게 설정되는 퍼지 공정시에만 제3포트(244')가 제2수소배출라인(130)을 일시적으로 개방할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 삼방 밸브(240')의 제1포트(242'), 제2포트(246'), 제3포트(244')를 선택적으로 개폐하는 것에 의하여, 애노드(102)의 압력(수소의 배출 압력 또는 유량)에 따라 수소가 배출되는 경로를 제1수소배출라인(120)(압력조절부의 상류)을 따라 정의하거나, 제1수소배출라인(120)(압력조절부의 상류) 및 제2수소배출라인(130)(압력조절부의 하류)을 따라 정의할 수 있으므로, 연료전지 스택(100)의 운전 조건(예를 들어, 정상 운전시 vs 퍼지 공정시)에 관계없이 캐소드(104) 및 애노드(102)의 압력 변동을 최소화할 수 있는 상태에서 수소를 적합한 유량으로 원활하게 배출할 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 연료전지 스택(100)의 정상 운전시, 제1포트(242') 및 제2포트(246')가 개방되고 제3포트(244')가 차단되면, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소(수소 및 응축수)는 제1수소배출라인(120)을 따라 압력조절부(112)의 상류에서 공기배출라인(110)에 합류되어 공기배출라인(110)을 따라 외부로 배출될 수 있다.
반면, 도 8과 같이, 퍼지 공정시, 제1포트(242'), 제2포트(246') 및 제3포트(244')가 모두 개방되면, 연료전지 스택(100)에서 배출된 수소는 제1수소배출라인(120) 및 제2수소배출라인(130)을 따라 압력조절부(112)의 상류 및 하류에서 각각 공기배출라인(110)에 합류되어 공기배출라인(110)을 따라 외부로 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 : 수소공급라인
30 : 이젝터
40 : 워터트랩
50 : 재순환라인
100 : 연료전지 스택
102 : 애노드
104 : 캐소드
110 : 공기배출라인
112 : 압력조절부
120 : 제1수소배출라인
130 : 제2수소배출라인
140 : 제3수소배출라인
200,200' : 수소배출 밸브부
210 : 제1밸브
220 : 제2밸브
230 : 제3밸브
240' : 삼방 밸브
242' : 제1포트
244' : 제3포트
246' : 제2포트

Claims (18)

  1. 수소가 공급되는 애노드 및 공기가 공급되는 캐소드를 포함하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 배출된 상기 공기를 대기로 배출하는 공기배출라인;
    상기 공기배출라인을 선택적으로 개폐 가능하게 상기 공기배출라인에 마련되는 압력조절부;
    일단은 상기 연료전지 스택에 연결되고 다른 일단은 압력조절부의 상류(up-stream)에서 상기 공기배출라인에 연결되는 제1수소배출라인;
    일단은 상기 제1수소배출라인에 연결되고 다른 일단은 상기 압력조절부의 하류(down-stream)에서 상기 공기배출라인에 연결되는 제2수소배출라인; 및
    상기 애노드의 압력에 기초하여 상기 제1수소배출라인 및 상기 제2수소배출라인 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 개폐하는 수소배출 밸브부;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소배출 밸브부는,
    상기 제1수소배출라인에 마련되며, 제1임계압력을 기준으로 상기 제1수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제1밸브; 및
    상기 제2수소배출라인에 마련되며, 상기 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 상기 제2수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제2밸브;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 제1임계압력보다 높게 정의되는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1임계압력은 상기 애노드의 운전 압력과 상기 캐소드의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의되는 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 애노드의 최대 운전압력보다 높게 정의되는 연료전지 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 연료전지 스택의 퍼지 공정시 상기 애노드의 압력으로 정의되는 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1밸브는 상기 제1임계압력을 기준으로 작동하는 체크밸브이고,
    상기 제2밸브는 상기 제2임계압력을 기준으로 작동하는 체크밸브인 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1밸브는 상기 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고,
    상기 제2밸브는 상기 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련되는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2오리피스 단면적은 상기 제1오리피스 단면적보다 크게 정의되는 연료전지 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    일단은 상기 제1수소배출라인에 연결되고 다른 일단은 상기 압력조절부의 하류(down-stream)에서 상기 공기배출라인에 연결되는 제3수소배출라인을 포함하고,
    상기 수소배출 밸브부는, 상기 제3수소배출라인에 마련되며 상기 제1임계압력 및 상기 제2임계압력과 다른 제3임계압력을 기준으로 상기 제3수소배출라인을 선택적으로 개폐하는 제3밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 제1임계압력보다 높게 정의되고,
    상기 제3임계압력은 상기 제2임계압력과 다르면서 상기 제1임계압력보다 높게 정의되는 연료전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1밸브는 상기 수소가 통과하는 제1오리피스 단면적을 갖도록 마련되고,
    상기 제2밸브는 상기 제1오리피스 단면적과 다른 제2오리피스 단면적을 갖도록 마련되며,
    상기 제3밸브는 제1오리피스 단면적 및 상기 제2오리피스 단면적과 다른 제3오리피스 단면적을 갖도록 마련되는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2오리피스 단면적은 상기 제1오리피스 단면적보다 크게 정의되고,
    상기 제3오리피스 단면적은 상기 제2오리피스 단면적과 다르면서 상기 제1오리피스 단면적보다 크게 정의되는 연료전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 수소배출 밸브부는,
    상기 제1수소배출라인에 마련되며 상기 제2수소배출라인이 연결되는 삼방 밸브(three way valve)를 포함하되,
    상기 삼방 밸브는,
    상기 연료전지 스택에서 배출된 상기 수소가 유입되도록 상기 제1수소배출라인과 연결되는 제1포트;
    상기 제1포트를 통과한 상기 수소를 상기 압력조절부의 상류에서 상기 제1수소배출라인으로 안내하며, 제1임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제2포트; 및
    상기 제2수소배출라인이 연결되며, 상기 제1임계압력과 다른 제2임계압력을 기준으로 선택적으로 개폐되는 제3포트;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 제1임계압력보다 높게 정의되는 연료전지 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1임계압력은 상기 애노드의 운전 압력과 상기 캐소드의 운전 압력 간의 차압에 대응되게 정의되는 연료전지 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 애노드의 최대 운전압력보다 높게 정의되는 연료전지 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제2임계압력은 상기 연료전지 스택의 퍼지 공정시 상기 애노드의 압력으로 정의되는 연료전지 시스템.
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