KR20240072416A - 수소 연료전지 차량용 리셉터클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것으로, 필터 언더부재의 양면에 제1 바디와 제2 바디에 밀착되도록 메탈 실링 구조의 실링부가 형성됨으로써, 기밀성을 향상시킬 수 있으며, 차압 및 압력 균형을 고려한 유로구조를 구비함으로써, 본 발명의 리셉터클의 경우는 출구측의 차압(pressure drop)이 약 1.7% 감소하여 필터의 수명감소 및 균일한 압력에 따른 연료 주입을 가능하게 한다.

Description

수소 연료전지 차량용 리셉터클{RECEPTACLE FOR FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필터 언더부재의 양면에 제1 바디와 제2 바디에 밀착되도록 메탈 실링 구조의 실링부가 형성됨으로써, 기밀성을 향상시킬 수 있는 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것이다.

최근 환경 문제에 대응하기 위한 저공해 차량으로, 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG), 수소 가스(Hydrogen gas) 등의 가스 연료를 이용한 천연가스 자동차, 연료 전지 자동차, 수소 자동차 등의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

이와 같이 가스 연료를 이용하여 주행하는 차량의 보급을 촉진하기 위해서는 차량에 탑재되어 있는 연료 탱크에 안정적이고 효율적으로 가스 연료를 충전하기 위한 장치가 필수적이다.

예를 들어, 연료 전지 자동차(Fuel cell electric vehicle, FCEV)는 수소와 산소의 화학 반응을 이용하는 수소 연료전지로 전기를 발생시켜 모터를 구동시키는 방식의 자동차로서, 수소가스 충전노즐로부터 고압 압축된 수소를 충전 받아 내부의 수소 탱크에 저장하고, 이를 연료 전지 스택에 공급하여 산소와의 화학 반응을 일으키는 구조를 가지고 있다.

수소 연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있으므로, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이상적인 기술로 현재 많은 개발 시도가 진행되고 있다.

수소 연료전지 차량은 수소 탱크에서 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터를 경유해서 연료 전지 스택으로 수소연료를 공급한다.

수소 연료전지 차량의 연료 공급 계통은 일반 가솔린 및 디젤 차량의 엔진에 해당하는 것으로, 수소 연료전지 차량은 약 350 내지 700 bar의 고압 수소를 취급함에 따라 고압의 수소가스 압력을 견디는 수소탱크를 하나 이상 장착하고 있다.

그리고 수소 탱크에 대한 수소가스 충전 시스템은 수소가스 충전소의 버퍼 탱크 및 수소 연료전지 차량의 수소 탱크에 각각 포함된 압력센서를 통해 압력을 측정하고, 그 측정 압력이 목표압력에 도달하면 충전을 마치는 방식을 이용한다.

여기서, 수소가스 충전 시, 버퍼 탱크와 수소 연료전지 차량의 수소 탱크를 서로 연결하는 일종의 커넥터 역할을 하는 수소 충전용 리셉터클(Receptacle)이 사용된다.

도 1은 일반적인 수소가스 충전 시스템의 구성도이고, 도 2는 수소가스 충전 시스템의 사시도이다.

도 1 및 도 2에는 수소 연료전지 차량에 적용되는 수소가스 충전 시스템 구성이 도시되어 있다. 수소 연료전지 차량에는 많은 양의 수소가스를 한 번에 충전할 수 있도록 복수의 수소탱크(5)가 마련된다.

종래 수소가스 충전 시스템은 충전 디스펜서(1)의 충전노즐(2)과 결합하는 리셉터클(3); 및 상기 리셉터클(3)을 통해 공급되는 수소가스를 복수의 충전 포트로 분기해서 복수의 수소탱크(5)에 공급하여 충전하는 매니폴드(4); 를 구비한다.

수소 연료전지 차량 주행시, 복수의 수소 탱크(5)에 충전된 수소가스는 다시 매니폴드(4)로 공급되고, 매니폴드(4)의 일측에 연결된 레귤레이터(6)를 통해 감압된 후, 연료전지 스택으로 공급된다.

리셉터클(3)은 충전 시에만 단발적으로 사용되나, 충전시 기밀유지 및 소음부분은 매우 중요한 품질사항으로 분류되는데, 기밀유지 부문은 충전노즐(2)에서 분사되는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위해서 원통형 오링씰 구조가 적용되며, 오링 재질 및 치수 등 리셉터클 하우징은 SAE J2600 규격에 기초해서 제조된다.

종래 수소가스 충전 시스템은 하나의 충전노즐(2)을 통해 복수의 수소 탱크(5)게 수소가스를 충전한다. 즉, 매니폴드(4)는 리셉터클(3)과 연결된 하나의 유로를 통해 공급되는 가스 연료를 분기하고 압력을 형성해서 복수의 수소 탱크(5)로 공급하는 기능을 한다.

도 3은 종래 수소 연료전지 차량용 리셉터클(등록번호 제10-1987459호)을 도시한 종단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래 수소 연료전지 차량용 리셉터클(10)은 연료를 공급하는 충전노즐(2)(도 1 참조)과 결합하는 제1 바디(20); 상기 제1 바디(20)와 결합하는 제2 바디(30); 상기 제1 바디(20)의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터(40); 상기 제2 바디(30) 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 체크밸브(50); 및 제1 바디(20)의 입구 측에 결합하는 연료캡(60); 을 구비한다.

종래 수소 연료전지 차량용 리셉터클(10)에서, 제1 바디(20)는 상면과 하면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 제1 바디(20)의 내부에는 충전되는 연료가 이동하는 이동유로(21)가 형성된다. 제1 바디(20)의 개구 부분에는 충전 노즐이 결합되어 연료가 유입되는 유입구(201)가 형성되고, 제1 바디(20)의 상단부 외주면에는 연료캡(60)이 결합할 수 있다.

연료캡(60)은 연료가 유입되는 제1 바디(20)의 상단부를 보호하고, 수분, 유분, 먼지 등의 이물질이 제1 바디(20) 내부로 유입되는 것을 방지하는 기능을 한다.

연료캡(20)은 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 충전시 분실을 방지하기 위해 차체부(도면 미도시)와 테더(61)를 이용해서 연결될 수 있다. 제1 바디(20)의 유입구(201)의 내주면에는 충전 노즐 결합시, 연료 누설을 방지하는 제1 링(22) 및 제2 링(23)이 일정 간격만큼 이격 설치될 수 있다.

또한, 제2 바디(30)는 상면과 하면이 개구된 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 제2 바디(30)의 상단부는 제1 바디(20)의 하단부 직경에 비해 작은 직경으로 형성되어 제1 바디(20)의 하단부 내부로 삽입되어 결합된다.

제2 바디(30)의 내부에는 체크밸브(50)가 설치되는 설치공간(31)이 형성되고, 제2 바디(30)의 하단부에는 체크밸브(50)의 개방 동작에 의해 공급되는 연료를 연료 탱크로 공급하는 공급유로(32)가 형성된다. 제2 바디(30)의 하단에는 연료 탱크와 결합하는 부분을 밀봉하도록 오링이 설치될 수 있다.

또한, 필터(40)는 서로 다른 공경(홀직경)을 갖는 복수의 철망 메시를 겹쳐서 원통 형상으로 제조되고 충전되는 연료를 여과하는 소결필터(41); 소결필터(41)의 내부에 설치되는 프로텍터(42); 및 소결필터(41)와 프로텍터(42)의 상단에 결합하는 캡(43); 을 포함할 수 있다.

캡(43)은 제1 바디(20)의 이동유로(21)를 통해 공급되는 연료가 소결필터(41)의 외부에서 내부로 여과되면서 이동하도록 마개 기능을 한다. 이를 위해, 캡(43)은 연료의 이동시 유체 저항을 최소화하기 위해 중앙부가 상방을 향해 볼록하고 외측으로 갈수록 하방을 향해 경사진 고깔 형상으로 형성되고, 캡(43)의 하면에는 프로텍터(42)의 내부로 삽입되는 삽입부가 돌출 형성될 수 있다. 물론, 캡(43)의 형상은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상방을 향해 볼록한 반구 형상이나, 단면이 반타원 형상 등 다양한 형상으로 변경될 수 있다.

그러나 종래 수소 연료전지 차량용 리셉터클은

문제가 있다.

대한민국 특허 등록 제10-1987459호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 필터 언더부재의 양면에 제1 바디와 제2 바디에 밀착되도록 메탈 실링 구조의 실링부가 형성됨으로써, 기밀성을 향상시킬 수 있는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 제공함에 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 차압 및 압력 균형을 고려한 유로구조를 구비함으로써, 본 발명의 리셉터클의 경우는 출구측의 차압(pressure drop)이 약 1.7% 감소하여 필터의 수명감소 및 균일한 압력에 따른 연료 주입을 가능하게 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 연료전지 차량용 리셉터클은 충전 디스펜서의 충전 노즐과 결합하는 제1 바디(first body); 상기 제1 바디와 결합하는 제2 바디(secondary body); 상기 제1 바디의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터(filter); 상기 제2 바디 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 체크밸브(check valve); 연료 누출을 방지하고 상기 필터를 안착하기 위하여 상기 제1 바디와 상기 제2 바디 사이에 설치되는 필터 언더부재(under body for filter); 및 실링(sealing)을 위해서 상기 체크밸브와 상기 필터 언더부재 사이에 설치되는 시트 부재(seat member); 를 구비하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클로서, 상기 필터 언더부재는 몸체(body)와, 상기 몸체의 외주에 형성되는 플랜지(flange)로 구성되며, 상기 몸체의 중간에는 상기 필터의 일부가 체결되고 안착하기 위한 필터 체결홈이 형성되고, 상기 플랜지의 양면에는 상기 제1 바디와 상기 제2 바디에 밀착되어 연료 누출을 방지하기 위한 실링부(sealing portion)가 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 상기 필터 언더부재는 탄성 재질로 구성되어 상기 필터를 안착하기 위하여 상기 제1 바디와 상기 제2 바디 사이에서 연료 누출을 방지할 수 있다.

또한, 상기 실링부는 상기 플랜지의 양면에 돌출 형성되며, 상기 제1 바디와 상기 제2 바디에 가압되어 압착 변형되는 구조이다.

또한, 상기 실링부는 다중구조로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 체크밸브는, 내부에 공간부(space)가 형성되고 양쪽에 유로(연료 이동 통로)가 형성되며, 외주에 리브(rib)와 리브 홈이 교호적으로 형성되는 하우징; 상기 하우징의 공간부 안에 설치되어 유로를 선택적으로 개폐하여 연료의 역류를 방지하는 밸브체; 및 상기 밸브체를 탄력적으로 지지하기 위하여 상기 밸브체의 외주에 설치되는 스프링; 을 포함하여 구성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 필터 언더부재의 양면에 제1 바디와 제2 바디에 밀착되도록 메탈 실링 구조의 실링부가 형성됨으로써, 기밀성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 입구측과 출구측의 차압이 크면, 필터의 수명감소 및 균일한 연료 주입이 되지 않는 문제가 발생하는 바, 본 발명의 리셉터클에서는 차압 및 압력 균형을 고려한 유로구조를 구비함으로써, 수소연료 흐름에 따른 리셉터클 내측의 압력이 균일하게 분포되고, 수소연료 흐름에 따른 리셉터클 내측 유로 상의 유속이 원활하게 형성되어 필터의 수명감소 및 균일한 압력에 따른 연료 주입을 가능하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 수소가스 충전 시스템의 구성도
도 2는 수소가스 충전 시스템의 사시도
도 3은 종래 수소 연료전지 차량용 리셉터클(등록번호 제10-1987459호)을 도시한 종단면도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 도시한 결합 사시도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 도시한 분리 사시도
도 6은 도 4의 정면도
도 7은 도 5의 정면도
도 8은 도 1의 A-A선 단면도로서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 내부를 보인 절개 결합 사시도
도 9는 도 8의 정면도로서, 밸브체가 유로를 차단한 상태를 보인 도면
도 10은 도 8의 정면도로서, 밸브체가 유로를 개방한 상태를 보인 도면
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 내부를 보인 절개 분리 사시도
도 12는 도 11의 정면도
도 13은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에서, 필터 언더부재를 도시한 사시도
도 14는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에서, 체크밸브를 도시한 사시도
도 15 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 있어서, 입구측과 출구측 간의 차압 및 압력 균형을 고려한 유로구조의 반영에 대하여 실험을 통하여 종래 리셉터클과의 비교를 해석한 결과를 도시한 도면

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부" 등의 용어는 본 발명의 기술을 용이하게 설명하기 위해 임으로 설정한 것에 불과하고, 반드시 국한되는 것은 아니다.

수소 연료전지 차량은 약 350 내지 700 bar의 고압 수소를 취급함에 따라 고압의 수소가스 압력을 견디는 수소 탱크를 하나 이상 장착하고, 수소 탱크에 대한 수소가스 충전 시스템은 수소가스 충전소의 버퍼탱크 및 수소 연료전지 차량의 수소 탱크에 각각 포함된 압력센서를 통해 압력을 측정하여, 그 측정압력이 목표압력에 도달하면 충전을 마치는 방식으로 수소가스 충전 시 버퍼탱크와 수소 탱크를 서로 연결하는 일종의 커넥터로서 수소 충전용 리셉터클(Receptacle)이 사용되는 것은 전술한 바와 같다. 이러한 기능 때문에 수소 충전용 리셉터클은 수소 충전 시에만 사용이 이루어지나 충전시 기밀유지와 소음 부분에서 중요 사항이 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 도시한 결합 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 도시한 분리 사시도이며, 도 6은 도 4의 정면도이고, 도 7은 도 5의 정면도이다.

도 8은 도 1의 A-A선 단면도로서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 내부를 보인 절개 결합 사시도이고, 도 9는 도 8의 정면도로서, 밸브체가 유로를 차단한 상태를 보인 도면이며, 도 10은 도 8의 정면도로서, 밸브체가 유로를 개방한 상태를 보인 도면이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 내부를 보인 절개 분리 사시도이며, 도 12는 도 11의 정면도이고, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에서, 필터 언더부재를 도시한 사시도이다.

그리고 도 14는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에서, 체크밸브를 도시한 사시도이다.

위 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 연료전지 차량용 리셉터클(100)은 수소 충전시스템의 충전 노즐(2)(도 1 참조)과 연결되어 수소 연료전지 차량의 수소 탱크 안으로 수소연료를 공급하기 위한 장치로서, 수소 연료전기 차량의 연료 주입구에 해당하며, 기체 수소 충전의 특성상 700 bar 이상의 고압과 -40℃의 저온에서 안정적으로 수소를 공급하도록 구성된다.

본 발명의 수소 연료전지 차량용 리셉터클(100)은 충전 노즐(2)과 결합하는 제1 바디(110); 제1 바디(110)와 결합하는 제2 바디(120); 수소연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터(130); 수소연료의 역류를 방지하는 체크밸브(140); 수소연료 누출을 방지하고 필터(130)를 안착하기 위하여 제1 바디(110)와 제2 바디(120) 사이에 설치되는 필터 언더부재(160); 및 실링(sealing)을 위해서 체크밸브(140)와 필터 언더부재(160) 사이에 설치되는 시트 부재(170); 를 구비한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클(100)은 제1 바디(110)의 입구 측에 결합하는 연료캡(60)(도 3에 도시)을 더 포함할 수 있다.

도 4 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 수소 연료전지 차량용 리셉터클(100)의 구성을 살펴보면, 우선 제1 바디(110)는 충전 노즐(2)(도 1 참조)과 결합하는 것으로, 양단부가 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 내부에는 충전되는 수소연료가 이동하는 유로(연료 이동통로)(P)가 형성된다. 제1 바디(110)의 형상은 J2600 표준에 따라 규정되어 있으며 충전 노즐이 삽입되는 부품이다.

제1 바디(110)의 개구 부분에는 충전 노즐(2)이 결합되어 수소연료가 유입되는 유입구(112)가 형성되고, 제1 바디(110)의 외주면에는 연료캡(60)(도 3 참조)이 결합될 수 있다.

연료캡(60)은 수소연료가 유입되는 제1 바디(110)의 단부를 보호하고, 수분, 유분, 먼지 등의 이물질이 제1 바디(110) 내부로 유입되는 것을 방지하는 기능을 한다.

도 8 내지 도 10 그리고 도 11 및 도 12를 참조하면, 제1 바디(110)의 상단부에 형성된 유입구(112)의 내주면에는 충전 노즐(2)과의 결합시, 연료 누설을 방지하는 제1 링(22) 및 제2 링(23)이 일정 간격만큼 이격 설치될 수 있다.

여기서, 제1 링(22)은 약 5 bar 내지 100 bar의 압력, 즉 저압으로 연료를 충전하는 제1 충전 노즐을 씰링하는 기능을 하고, 제2 링(23)은 약 100 bar 내지 700 bar의 압력, 즉 고압으로 수소연료를 충전하는 제2 충전 노즐을 씰링하는 기능을 한다.

이를 위해, 제1 바디(110)의 상단부 내주면에는 제1 충전 노즐(미도시)의 직경에 비해 작은 직경으로 형성되는 제2 충전 노즐(미도시)의 직경에 대응되도록 단차부(24)가 형성될 수 있다.

그리고 단차부(24)의 상부에는 제1 링(22)이 설치되는 제1 설치홈(221)이 형성되고, 단차부(24)의 하부에는 제2 링(23)이 설치되는 제2 설치홈(231)이 형성될 수 있다.

제2 설치홈(231)에는 제2 링(23)의 상부 및 하부에 각각 제1 및 제2 백업링(25,26)이 설치될 수 있다.

제1 및 제2 백업링(25,26)은 각각 약 100 bar 내지 700 bar의 고압 연료 충전시, 연료의 충전압력에 의해 제2 링(23)이 상방 또는 하방으로 밀리는 이동과 변형을 최소화하는 기능을 한다.

이러한 제1 및 제2 백업링(25,26)은 각각 단면이 사각 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 제1 및 제2 백업링(25,26)에서 각각 제2 링(23)과 접촉하는 면, 즉 제1 백업링(25)의 하면과 제2 백업링(26)의 상면은 각각 제2 링(23)과 밀착되도록 상방 또는 하방으로 오목한 곡면으로 형성될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 백업링(25,26)은 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Poly Urethane, TPU)과 같이 저온 기밀성, 인장강도 및 연신율(elongation)이 우수한 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 상대적으로 고압의 수소연료를 충전시 충전 노즐을 밀봉(sealing)하는 제2 링의 상하부에 각각 백업링을 설치해서 충전 압력으로 인한 제2 링의 상하 방향 이동 및 변형을 최소화할 수 있다.

그리고 본 발명은 제2 링과 접촉하는 각 백업링의 접촉면을 오목한 곡면으로 형성함으로써, 제2 링과 백업링을 밀착시켜 완벽하게 밀봉할 수 있다.

본 발명은 수소연료 충전시 연료 누설을 완벽하게 차단하고, 기밀 성능을 향상시킬 수 있으며, 수소연료 누설로 인한 안전사고를 미연에 예방할 수 있다.

또한, 상기 제2 바디(120)는 제1 바디(110)와 결합하여 필터 언더부재(160)에 접하게 되어 연료 누출을 방지하고, 후단부가 페이스 시일(face seal) 형태로 형성된다.

상기 제2 바디(120)는 양단부가 개구된 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 제2 바디(120)의 상단부는 제1 바디(110)의 하단부 직경에 비해 작은 직경으로 형성되어 제1 바디(110)의 하단부 내부로 삽입되어 결합한다.

상기 제2 바디(120)의 내부에는 체크밸브(140)가 설치되는 설치공간(S)이 형성되고, 제2 바디(120)의 하단부에는 체크밸브(140)의 개방 동작에 의해 공급되는 수소연료를 연료 탱크로 공급하는 유로(P)가 형성될 수 있다. 제1 바디(110)와 제2 바디(120) 사이에 틈새를 밀봉하도록 오링(O)이 설치될 수 있고, 제2 바디(120)의 하단에도 수소탱크와 결합되는 부분을 밀봉하도록 오링(미도시)이 설치될 수 있다.

또한, 상기 필터(130)는 제1 바디(110)의 내부에 설치되고 충전되는 수소연료를 여과해서 이물질을 제거하는 것으로, 국제규격에 따라 수로연료 충전시 불순물을 여과(제거)하기 위하여 반드시 구성된다.

상기 필터(130)는 외벽에 복수의 여과슬롯(131)이 형성되며, 그 여과슬롯(131)을 거치면서 수소연료에서 이물질을 제거하도록 한다.

상기 필터(130)는 와이어를 직조한 와이어 메쉬들이 동심구조로 적층시킨 구조로 구성될 경우, 고압의 수소연료 여과에 따른 충분한 여과 성능과 내구성을 발휘하면서 제작에 따른 비용이 대폭 절감되도록 할 수 있다.

상기 필터(130)는 재질을 프레싱하여 제작할 수 있으며, 용접 공정이 불필요하여 필터의 단순화와 제조 공정 감소를 가져올 수 있다.

또한, 도 14를 참조하면, 상기 체크밸브(140)는 제2 바디(120) 내부에 설치되고 충전되는 수소연료의 역류를 방지하는 역할을 한다.

상기 체크밸브(140)는 내부에 공간부(140a)가 형성되고 양쪽에 유로(P)가 형성되며, 외주에 리브(141a)와 리브 홈(141b)이 교호적(交互的)으로 형성되는 하우징(141); 하우징(141)의 공간부(140a) 안에 설치되어 유로(P)를 선택적으로 개폐하여 연료의 역류를 방지하는 밸브체(142); 및 밸브체(142)를 탄력적으로 지지하기 위하여 밸브체(142)의 외주에 설치되는 스프링(143); 을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 하우징(141)은 밸브체(142)의 가이드 역할을 하며, 실제 흘러가는 수소연료의 유량값을 조절하는 역할을 한다.

밸브체(142)는 미리 설정된 강도 이상이 강성을 갖도록 경질 플라스틱과 같은 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

상기 밸브체(142)는 도 9에 도시된 바와 같이, 스프링(143)에 의해서 수소연료 충전하기 이전에 시트 부재(170)에 탄력적으로 접촉하여 유로(P)를 차단하여 연료의 역류를 방지하며, 수소연료 충전시 도 10에 도시된 바와 같이, 수소연료 충전 압력에 의해서 개방압력에 이르면 후방으로 밀리면서 개방됨으로써 수소 연료가 흐르게 된다. 이와 같이 체크밸브(140)는 수소연료 충전시 개방압력에 이르는 경우에만 개방되어 수소연료의 역류를 방지한다.

또한, 도 13을 참조하면, 상기 필터 언더부재(160)는 본 발명의 기술적 특징을 갖는 구성요소로서, 수소연료 누출을 방지하고, 필터(130)를 안착하기 위하여 제1 바디(110)와 제2 바디(120) 사이에 설치된다.

상기 필터 언더부재(160)는 몸체(160A)와, 상기 몸체(160A)의 외주에 형성되는 플랜지(160B)로 구성된다.

상기 몸체(160A)의 중간에는 필터(130)의 일부가 체결되고 안착하기 위한 필터 체결홈(161)이 형성되고, 플랜지(160B)의 양면에는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)에 밀착되어 수소연료 누출을 방지하기 위한 실링부(162)가 형성된다.

필터 체결홈(161) 안에는 필터(130)의 후단부가 나사 체결방식으로 결합함으로써, 필터(130)가 안정적으로 설치될 수 있다.

상기 필터 언더부재(160)는 제1 바디(110)와 제2 바디(120) 사이에서 연료 누출을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 실링부(162)는 플랜지(160B)의 양면에 돌출 형성되며, 제1 바디(110)와 제2 바디(120)에 가압되어 압착 변형되는 구조이다.

상기 실링부(162)는 삼각형의 돌기 형상으로 형성될 수 있으며, 메탈 실링 구조로 형성되어 기밀성을 유지하는 역할을 한다.

메탈 실링(Metal Seal)이란 고무재질로는 실링이 불가능한 초저온, 고온, 초내화학성이 요구되는 극한의 환경에서 많이 사용된다.

상기 실링부(162)는 도 13에 도시된 싱글구조뿐만 아니라, 다중구조(미도시)로도 형성될 수 있으며, 엠보싱 구조(미도시)로도 형성이 가능하다.

이와 같이 다중구조의 실링부(162)는 다중구조로 형성되는 경우, 제1 바디(110)와 제2 바디(120)에 더욱 밀착되어 수소연료 누출을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 상기 시트 부재(170)는 실링(sealing)을 위해서 체크밸브(140)와 필터 언더부재(160) 사이에 설치된다. 시트 부재(170)의 센터에는 유로(P)가 형성된다.

도면에 도시하지는 않았으나, 상기 시트부재(170)는 제1 시트와 제2 시트로 구성될 수 있는 데, 제 1시트와 제2 시트는 각각 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 제조될 수 있다.

예를 들어, 제1 시트는 수소 취성에 대응하기 위해, SUS316L와 같은 스테인리스 재질의 재료로 제조되고, 용도에 따라 니켈(Ni) 함량을 약 7 내지 15%로 조절해서 제조될 수 있다.

제2시트는 유연성을 가지도록 연질 플라스틱과 같은 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다. 즉, 제2 시트는 밸브체(142) 및 제1 시트에 비해 강도가 낮아 저압 연료 충전시 실링하는 기능을 하고, 제1 시트는 제2 시트에 비해 강도가 높아 고압 연료충전시 실링하는 기능을 할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 체크밸브(140)에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

즉, 본 발명은 강도가 낮은 시트에서 연료의 누설이 발생하더라도, 강도가 높은 시트에서 연료의 누설을 차단함에 따라, 종래에 1개의 시트를 적용하는 경우에 비해 기밀 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 그리고 본 발명은 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용함에 따라, 연료 충전 압력의 저압부터 고압 구간에서 실링 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 15 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 있어서, 입구측과 출구측 간의 차압 및 압력 균형을 고려한 유로구조의 반영에 대하여 실험을 통하여 종래 리셉터클과의 비교를 해석한 결과를 도시한 도면이다.

해석조건은 입구측(inlet)에서 수소연료 압력은 700 bar, 체크밸브는 전부 열려있는 상태이다.

도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 입구측(inlet)에서 수소연료가 압력 700 bar으로 주입될 때에, 본 발명의 리셉터클의 경우는 출구측(outlet)에서 약 687.8 bar로 확인되었고, 종래의 리셉터클의 경우는 약 680 bar로 확인되었다.

본 발명의 리셉터클의 경우는 입구측과 출구측의 차압이 약 12.2 bar이고, 종래의 리셉터클의 경우는 입구측과 출구측의 차압이 약 20 bar로 확인되었다.

그리고 도 17에 도시된 바와 같이, 입구측(inlet)에서 수소연료가 압력 700 bar으로 주입될 때에, 본 발명의 리셉터클의 경우는 출구측의 차압(pressure drop)이 약 1.7% 감소하고, 종래의 리셉터클의 경우는 출구측의 차압(pressure drop)이 약 2.9%로 감소함을 확인하였는바, 차압이란 입구측과 출구측 간의 압력강하를 의미하므로 본 발명의 리셉터클의 차압이 상대적으로 종래의 리셉터클의 차압보다 작다.

입구측과 출구측의 차압이 크면, 필터의 수명감소 및 균일한 연료 주입이 되지 않는 문제가 발생하는 바, 유동해석 결과, 본 발명의 리셉터클에서는 수소연료 흐름에 따른 리셉터클 내측의 압력이 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 이로 인해 내측 부품들로 인한 압력 손실은 없는 것으로 판단할 수 있었다. 수소연료 흐름에 따른 리셉터클 내측 유로 상의 유속이 원활하게 형성되어 내부 구조에 의한 속도 변화가 미미한 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 리셉터클에서는 수소연료가 흐르는 유로구조를 개선하여 필터의 수명감소 및 균일한 압력에 따른 연료 주입을 가능하게 하는 효과가 있다.

100: 수소 연료전지 차량용 리셉터클
110: 제1 바디
120: 제2 바디
130: 필터
140: 체크밸브
140a: 공간부
141: 하우징
141a: 리브
141b: 리브 홈
142: 밸브체
143: 스프링
160: 필터 언더부재
160A: 필터 언더부재의 몸체
160B: 필터 언더부재의 플랜지
161: 필터 체결홈
162: 실링부
170: 시트 부재
P: 유로(수소연료 이동통로)

Claims (5)

1. 충전 노즐(2)과 결합하는 제1 바디(110); 상기 제1 바디(110)와 결합하는 제2 바디(120); 상기 제1 바디(110)의 내부에 설치되고 충전되는 수소연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터(130); 상기 제2 바디(120) 내부에 설치되고 충전되는 수소연료의 역류를 방지하는 체크밸브(140); 수소연료 누출을 방지하고 상기 필터(130)를 안착하기 위하여 상기 제1 바디(110)와 상기 제2 바디(120) 사이에 설치되는 필터 언더부재(160); 및 실링(sealing)을 위해서 상기 체크밸브(140)와 상기 필터 언더부재(160) 사이에 설치되는 시트 부재(170); 를 구비하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 있어서,
   상기 필터 언더부재(160)는 몸체(160A)와, 상기 몸체(160A)의 외주에 형성되는 플랜지(160B)로 구성되며,
   상기 몸체(160A)의 중간에는 상기 필터(130)의 일부가 체결되고 안착하기 위한 필터 체결홈(161)이 형성되고,
   상기 플랜지(160B)의 양면에는 상기 제1 바디(110)와 상기 제2 바디(120)에 밀착되어 수소연료 누출을 방지하기 위한 실링부(162)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필터 언더부재(160)는 탄성 재질로 구성되어 상기 필터(130)를 안착하기 위하여 상기 제1 바디(110)와 상기 제2 바디(120) 사이에서 수소연료 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
3. 제1항에 있어서,
   상기 실링부(162)는 상기 플랜지(160B)의 양면에 돌출 형성되며, 상기 제1 바디(110)와 상기 제2 바디(120)에 가압되어 압착 변형되는 구조인 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
4. 제1항에 있어서,
   상기 실링부(162)는 다중구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
5. 제1항에 있어서,
   상기 체크밸브(140)는
   내부에 공간부(140a)가 형성되고 양쪽에 유로(P)가 형성되며, 외주에 리브(141a)와 리브 홈(141b)이 교호적으로 형성되는 하우징(141);
   상기 하우징(141)의 공간부(140a) 안에 설치되어 유로(P)를 선택적으로 개폐하여 수소연료의 역류를 방지하는 밸브체(142); 및
   상기 밸브체(142)를 탄력적으로 지지하기 위하여 상기 밸브체(142)의 외주에 설치되는 스프링(143); 을 포함하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.