KR20240076501A - Water Trap of Fuel Cells System for Vihicle Using Floating Rod - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해상운송수단 등에 적용된 연료전지 시스템의 워터트랩 기능을 최적화하기 위해 운행중 출렁임에 따른 응축수의 수위변동에 유연하게 대응할 수 있도록 수위센싱 방식을 개선하여 워터트랩의 오작동을 줄일 수 있는 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩에 관한 것으로, 응축수실의 상부센서는 워터트랩 커버의 정중앙에 설치되는 센싱접점(108)과 부력봉(103)의 꼭대기에 설치된 센싱금속(109)의 접촉여부를 감지할 수 있도록 구성하되, 상기 부력봉(103)의 일단은 파이프형상의 부력봉 가이드(102)의 내부에서 직선운동이 가능한 구조이고 상기 부력봉(103)의 타단은 중공볼의 상부에 일체로 결합되는 구조이며, 중공볼(105)은 횡방향 중심축에 근접한 상반구 쪽에 링(Ring) 형상의 날개부(104)를 구비하여 응축수의 수위변동에 따라 승·하강이 가능하도록 구성되고, 하부센서는 응축수실의 저면에 매립되어 중공볼(105)의 하중을 감지할 수 있는 터치센서(106)로 이루어지며, 상기 상부센서와 하부센서의 감지신호에 따라 드레인벨브의 개폐동작을 컨트롤할 수 있는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. In order to optimize the water trap function of a fuel cell system applied to marine transportation, the present invention improves the water level sensing method to flexibly respond to fluctuations in the water level of condensate due to sloshing during operation, thereby reducing the malfunction of the water trap. Regarding the water trap of the fuel cell system, the upper sensor of the condensate chamber can detect whether the sensing contact point 108 installed at the exact center of the water trap cover and the sensing metal 109 installed at the top of the buoyancy rod 103 are in contact. However, one end of the buoyancy rod 103 has a structure capable of linear movement within the pipe-shaped buoyancy rod guide 102, and the other end of the buoyancy rod 103 is integrally coupled to the upper part of the hollow ball. The structure is such that the hollow ball 105 is equipped with a ring-shaped wing 104 on the upper hemisphere close to the lateral central axis so that it can rise and fall according to the fluctuation of the water level of the condensate, and the lower sensor is It consists of a touch sensor 106 embedded in the bottom of the condensate chamber and capable of detecting the load of the hollow ball 105, and a control unit that can control the opening and closing operation of the drain valve according to the detection signals from the upper and lower sensors. It is characterized by being composed including.
Description
본 발명은 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해상운송수단 등에 적용된 연료전지의 워터트랩 기능을 최적화하기 위해 운행중 출렁임에 따른 응축수의 수위변동에 유연하게 대응할 수 있도록 수위센싱 방식을 개선하여 워터트랩의 오작동을 줄일 수 있는 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩에 관한 것이다. The present invention relates to a water trap for a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod. More specifically, in order to optimize the water trap function of a fuel cell applied to marine transportation, etc., it flexibly responds to changes in the water level of condensate due to sloshing during operation. This is about a water trap in a fuel cell system for transportation that can reduce malfunction of the water trap by improving the water level sensing method to respond accordingly.
연료전지는 수소 등의 연료가스를 사용하여 전기를 생산하는 에너지 변환장치로서, 매연가스 배출이 없는 친환경 기술이라는 장점 때문에 최근 육상이나 해상 운송수단의 동력원으로 그 적용범위를 크게 넓혀가고 있다. Fuel cells are energy conversion devices that produce electricity using fuel gas such as hydrogen. Due to the advantage of being an eco-friendly technology that does not emit exhaust gases, their scope of application has recently been greatly expanded as a power source for land and sea transportation.
일반적으로 운송수단의 동력원으로 사용되는 연료전지 시스템은 크게 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소(연료)를 공급하는 수소공급수단, 연료전지 스택의 전기화학반응에 필요한 산소를 공급하는 공기공급수단, 연료전지 스택의 반응부산물인 물(H2O)과 열을 관리하는 수단을 포함하고 있다. 이때의 물(H2O) 관리수단으로는 연료가스의 재순환경로에 연결되는 워터트랩(Water Trap)을 이용하고 있는데, 워터트랩은 연료전지의 기체확산층(GDL)이나 분리판의 채널영역에 존재하는 반응부산물(H2O)을 배출하기 위한 수단으로, 연료전지의 성능악화를 초래하는 플러딩(flooding) 현상이나 연료가스의 낭비를 방지하기 위한 기술요소로서 그 중요성이 점차 부각되고 있다. 이 때문에 최근에는 워터트랩의 고유기능을 안정적으로 구현할 수 있는 기술이 다양한 형태로 개발되고 있다. The fuel cell system, which is generally used as a power source for transportation, consists of a fuel cell stack that generates electrical energy, a hydrogen supply means that supplies hydrogen (fuel) to the fuel cell stack, and a supply of oxygen necessary for the electrochemical reaction of the fuel cell stack. It includes means for supplying air, water (H 2 O), which is a reaction by-product of the fuel cell stack, and means for managing heat. At this time, a water trap connected to the fuel gas recirculation path is used as a means of managing water (H 2 O). The water trap is located in the gas diffusion layer (GDL) of the fuel cell or the channel area of the separator plate. As a means of discharging reaction by-products (H 2 O), its importance is gradually emerging as a technological element to prevent flooding phenomenon that causes performance deterioration of fuel cells or waste of fuel gas. For this reason, various forms of technology that can stably implement the unique functions of water traps have been developed recently.
대표적으로 특허 제10-897117호(선행특허 1)에는 연료전지 스택의 운전시에 애노드(Anode)에서 생성되는 물(H2O)을 효과적으로 배출하기 위하여 수소배관의 구조를 워터트랩 내에서 분리시켜 반응기체가 저수조를 통과하면서 응축수의 수면에 소용돌이(Swirl)를 일으켜 효과적으로 응축수를 배출할 수 있다는 기술사항과 비포장도로의 주행시 응축수가 튀는 것을 방지하기 위해 저수조 내부에 배플(Baffle)을 설치하는 기술사항이 개시되어 있고, 공개특허 제10-2011-23224호(선행특허 2)에는 워터트랩 내부에 구비된 플로트(Float)가 응축수의 수위변화에 따라 움직이는 승·하강 동작이 드레인밸브의 온/오프 동작과 연계되도록 구성한 기계식 워터트랩 장치가 예시되어 있으며, 등록특허 제10-1417120호(선행특허 3)에는 물(H2O) 이동관과 가스이동관으로 연결된 복수개의 워터트랩을 구비하고, 각 워터트랩은 각자의 수위센서를 구비하되, 연료전지 차량의 주행시나 급제동시에 발생하는 응축수의 수위변화에 대응하여 적절한 워터트랩 내 수위센서의 선택을 통해 배출밸브의 개폐동작을 제어한다는 기술이 나타나 있다. Representatively, in Patent No. 10-897117 (Prior Patent 1), the structure of the hydrogen pipe is separated within the water trap to effectively discharge water (H 2 O) generated at the anode during operation of the fuel cell stack. A technology that effectively discharges condensate by creating a swirl on the surface of the condensate as the reaction gas passes through the reservoir, and a technology that installs a baffle inside the reservoir to prevent condensate from splashing when driving on unpaved roads. This is disclosed, and in Publication Patent No. 10-2011-23224 (Prior Patent 2), the float provided inside the water trap moves up and down according to the change in the water level of the condensate, and the on/off operation of the drain valve. There is an example of a mechanical water trap device configured to be connected to, and Patent No. 10-1417120 (Prior Patent 3) includes a plurality of water traps connected to a water (H 2 O) moving pipe and a gas moving pipe, and each water trap is Each technology is equipped with its own water level sensor, but controls the opening and closing operation of the discharge valve by selecting the water level sensor in the appropriate water trap in response to changes in the water level of condensate that occur during driving or sudden braking of a fuel cell vehicle.
그러나 위 종래기술들은 모두 육상운송차량의 도로주행시 워터트랩 내 응축수의 수위변동에 의한 배출밸브의 오작동을 방지하려는 것으로, 선행특허 1은 비포장도로 주행중에 배플(Baffle)을 통해 응축수가 튀어 오르는 것을 방지할 수는 있으나, 오르막 및 내리막길 주행시의 수위변동에 적절하게 대응하지 못한다는 한계가 있고, 선행특허 2는 워터트랩의 기계적 내구성을 기대할 수 있으나, 주행환경에 따른 응축수의 요동에는 취약한 구조이기 때문에 드레인밸브의 안정적 동작을 보장하기 어려우며, 선행특허 3도 경사도로 주행시나 급제동시의 수위변동에 어느 정도는 대응할 수 있으나, 복수의 워터트랩을 구비하고 각 워터트랩 내에 각자의 수위센서를 별도로 설치해야 하기 때문에 구조적인 복잡성을 피하기 어려웠다. However, all of the above prior technologies are intended to prevent malfunction of the discharge valve due to fluctuations in the level of condensate in the water trap when driving on the road of a land transport vehicle, and prior patent 1 prevents condensate from bouncing through a baffle while driving on an unpaved road. Although it can be done, there is a limitation in that it cannot respond appropriately to water level fluctuations when driving uphill and downhill, and although Prior Patent 2 can be expected to have mechanical durability of the water trap, it is a structure that is vulnerable to fluctuations in condensate depending on the driving environment. It is difficult to ensure stable operation of the drain valve, and although it can respond to some extent to water level fluctuations when driving on a 3-degree incline or during sudden braking, it must be equipped with multiple water traps and install its own water level sensor separately in each water trap. Therefore, it was difficult to avoid structural complexity.
특히 위 종래기술들의 경우, 육상의 도로환경과 달리 크고 작은 파도에 지속적으로 노출될 수밖에 없는 해상환경에서는 끊임없이 발생하는 응축수의 요동에 대응하여 워터트랩의 오작동 가능성을 크게 줄이기 어렵다는 현실적인 문제도 안고 있었다. In particular, in the case of the above conventional technologies, unlike the road environment on land, there was a realistic problem that it was difficult to significantly reduce the possibility of malfunction of the water trap in response to the constant fluctuation of condensate in the marine environment, which is inevitably exposed to large and small waves.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 운송수단에 적용된 연료전지 시스템의 워터트랩 기능을 최적화하기 위해 해상환경에 특화시켜 응축수의 수위변동에 유연하게 대응할 수 있도록 수위센싱 방식을 개선함으로써, 구조적으로 단순하면서도 드레인밸브의 오작동 가능성을 줄일 수 있는 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩을 제공하는데 있다. The present invention was proposed to overcome the problems of the prior art, and the purpose of the present invention is to optimize the water trap function of the fuel cell system applied to transportation by specializing in the marine environment to flexibly respond to changes in the water level of condensate. By improving the water level sensing method, we provide a water trap for a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod that is structurally simple and reduces the possibility of drain valve malfunction.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 워터트랩은 응축수 입·출구, 응축수실, 응축수의 수위감지용 상부센서와 하부센서, 제어부, 솔레노이드 전자석 및 드레인밸브를 포함하고, 상기 상부센서는 워터트랩 커버의 정중앙에 설치되는 센싱접점과 부력봉의 꼭대기에 설치된 센싱금속의 접촉여부를 감지할 수 있도록 구성하되, 상기 부력봉의 일단은 파이프형상의 부력봉 가이드의 내부에서 직선운동이 가능한 구조이고 상기 부력봉의 타단은 중공볼의 상부에 일체로 결합되는 구조이며, 상기 중공볼은 횡방향 중심축에 근접한 상반구 쪽에 링(Ring) 형상의 날개부를 구비하여 응축수의 수위변동에 따라 승·하강이 가능하도록 구성되고, 상기 하부센서는 응축수실의 저면에 매립되어 상기 중공볼의 하중을 감지할 수 있는 터치센서로 이루어지며, 상기 상부센서와 하부센서의 감지신호에 따라 드레인벨브의 개폐동작을 컨트롤할 수 있는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. The water trap of the fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention includes a condensate inlet and outlet, a condensate chamber, an upper sensor and a lower sensor for detecting the level of condensate, a control unit, a solenoid electromagnet, and a drain valve. It is configured to detect whether or not there is contact between the sensing contact point installed at the exact center of the trap cover and the sensing metal installed at the top of the buoyancy rod, and one end of the buoyancy rod has a structure capable of linear movement within the pipe-shaped buoyancy rod guide, and the buoyancy rod The other end of the rod is integrally coupled to the upper part of the hollow ball, and the hollow ball is provided with a ring-shaped wing on the upper half of the ball close to the lateral central axis to enable it to rise and fall according to the fluctuation of the water level of the condensate. The lower sensor is embedded in the bottom of the condensate chamber and consists of a touch sensor capable of detecting the load of the hollow ball, and can control the opening and closing operation of the drain valve according to the detection signals of the upper and lower sensors. It is characterized in that it includes a control unit.
또한, 본 발명의 워터트랩에 구비된 제어부는 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간이 미리 설정한 기준시간을 초과하는지 판단할 수 있는 기능이 부여되고, 그 접촉시간이 기준시간을 초과할 때 드레인밸브가 개방되도록 제어하고, 그 접촉시간이 기준시간에 미달할 때는 상기 드레인밸브(107)가 개방되지 않도록 제어하는 기능이 부여된 것을 특징으로 한다. In addition, the control unit provided in the water trap of the present invention is provided with a function to determine whether the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 exceeds a preset standard time, and the contact time is the standard time. It is characterized by a function of controlling the drain valve to be opened when exceeding the contact time, and controlling the drain valve 107 not to be opened when the contact time is less than the standard time.
또한. 본 발명의 하부센서는 부력봉 가이드의 아래쪽 측면에 매립설치된 하부센싱전극(111)과 상기 부력봉(103)의 상부에 결합된 상기 센싱금속(109)의 접촉을 감지하고, 그 감지신호를 이용하여 상기 터치센서(106)의 기능을 대신할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다. also. The lower sensor of the present invention detects contact between the lower sensing electrode 111 embedded in the lower side of the buoyancy rod guide and the sensing metal 109 coupled to the upper part of the buoyancy rod 103, and uses the detection signal. It is characterized by being configured to replace the function of the touch sensor 106.
또한, 본 발명의 워터트랩에 구비된 중공볼(105)은 그 무게중심이 날개부(104)와 상기 부력봉(103) 및 상기 부력봉 가이드(102)의 상호작용에 의해 응축수 수면의 정중앙에 위치하도록 설계된 것을 특징으로 한다. In addition, the hollow ball 105 provided in the water trap of the present invention has its center of gravity at the exact center of the condensate water surface due to the interaction of the wing portion 104, the buoyancy rod 103, and the buoyancy rod guide 102. It is characterized by being designed to be located.
또한, 본 발명의 워터트랩에 구비된 부력봉(103)은 플라스틱 재질이고, 날개부(104)는 응축수실의 내경보다 작은 박막(얇은 막)으로 형성되며, 센싱접점(108)과 센싱금속(109)은 내구성과 전기전도도가 우수한 금속재질의 도전체로 이루어진 것을 특징으로 한다. In addition, the buoyancy rod 103 provided in the water trap of the present invention is made of plastic, the wings 104 are formed of a thin film smaller than the inner diameter of the condensate chamber, and the sensing contact point 108 and the sensing metal ( 109) is characterized by being made of a metal conductor with excellent durability and electrical conductivity.
또한, 본 발명의 워터트랩 내 상부센서는 응축수의 요동이 심한 해상환경에서도 드레인밸브(107)의 안정적 개폐동작을 보장할 수 있도록 해상운송수단에 맞춤형으로 제작되는 것을 특징으로 한다. In addition, the upper sensor in the water trap of the present invention is characterized by being custom-made for marine transportation means to ensure stable opening and closing operation of the drain valve 107 even in a marine environment where condensate fluctuations are severe.
본 발명에 의하면, 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간을 분석하여 응축수가 만수위에 도달했는지 여부를 판단할 수 있기 때문에 돌발적 수위변동에 따른 드레인밸브(107)의 빈번한 작동이 방지되어 워터트랩의 내구성을 증진시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to determine whether the condensate has reached the full water level by analyzing the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109, thereby preventing frequent operation of the drain valve 107 due to sudden water level changes. This has the effect of improving the durability of the water trap.
또한, 중공볼(105)과 터치센서(106)에 의해 드레인벨브(107)의 폐쇄구동을 제어할 수 있기 때문에 최적의 시점에서 응축수의 배출차단이 가능하여 워터트랩의 오동작을 줄일 수 있고, 응축수의 돌발적 수위변동에 의한 워터트랩의 불안정한 동작을 줄일 수 있으며, 운행중 응축수의 수위변동을 날개부(104)와 부력봉 가이드(102)의 직선운동으로 흡수하여 드레인밸브 개폐동작의 안정성이 제고되는 효과를 기대할 수 있다. In addition, since the closing operation of the drain valve 107 can be controlled by the hollow ball 105 and the touch sensor 106, it is possible to block the discharge of condensate at the optimal time, thereby reducing malfunction of the water trap and condensate water. The unstable operation of the water trap due to sudden water level fluctuations can be reduced, and the stability of the drain valve opening and closing operation is improved by absorbing the water level fluctuations of condensate during operation through the linear movement of the wings (104) and the buoyancy rod guide (102). can be expected.
또한, 육상의 도로환경과 달리 크고 작은 파도에 지속적으로 노출될 수밖에 없는 해상환경에서도 끊임없이 발생하는 응축수의 요동으로 인한 워터트랩의 오작동 가능성을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다. In addition, unlike the road environment on land, there is an effect of greatly reducing the possibility of malfunction of the water trap due to the constant fluctuation of condensate in the marine environment, which is inevitably exposed to large and small waves.
도 1은 일반적인 운송수단용 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 워터트랩을 보여주는 구성도로서, (a)는 기능적으로 설명하기 위한 예시도이고, (b)는 구조적으로 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 종래 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩에서 응축수의 유동형태를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 오르막길의 응축수 유동을 보여주는 절개도이고, (b)는 내리막길의 응축수 유동을 보여주는 절개도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 운송수단용 연료전지 시스템의 구성도로서, (a)는 부분 절개도이고, (b)는 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 워터트랩에서 채택한 상부센서의 구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 부력봉, (b)는 센싱접점, (c)센싱금속의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 워터트랩에서 채택한 하부센서의 구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 응축수실의 저면에 매립된 터치센서, (b)는 부력봉 가이드의 하부에 매립된 센싱접점의 확대도이다.
도 7은 본 발명에서 채택한 워터트랩의 동작과정을 시각적으로 설명하기 위한 예시도이다.
1 is a configuration diagram of a fuel cell system for general transportation.
Figure 2 is a configuration diagram showing a conventional water trap, where (a) is an exemplary diagram for functional explanation, and (b) is an exemplary diagram for structural explanation.
Figure 3 is an example diagram for explaining the flow form of condensate in a water trap of a conventional fuel cell system for transportation. (a) is a cutaway view showing the flow of condensate on an uphill road, and (b) is a cutaway view showing the flow of condensate on a downhill road. This is an incision diagram showing.
Figure 4 is a configuration diagram of a fuel cell system for transportation according to a preferred embodiment of the present invention, where (a) is a partial cutaway view and (b) is a cross-sectional perspective view.
Figure 5 is an exemplary diagram for explaining the structure of the upper sensor adopted in the water trap of the present invention, where (a) is an enlarged view of the buoyancy rod, (b) the sensing contact point, and (c) the sensing metal.
Figure 6 is an exemplary diagram for explaining the structure of the lower sensor adopted in the water trap of the present invention, where (a) is a touch sensor embedded in the bottom of the condensate chamber, and (b) is a sensing contact embedded in the lower part of the buoyancy rod guide. This is an enlarged view of .
Figure 7 is an example diagram to visually explain the operation process of the water trap adopted in the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a water trap of a fuel cell system for transportation according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
참고로, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성이나 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그에 대한 상세한 설명이 생략되어 있다는 점을 밝혀둔다. 그리고 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것일 뿐, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니며, 도면 또한 본 발명의 설명내용을 뒷받침하기 위한 것일 뿐, 실제적인 크기는 도면상에 표현되어 있는 크기와 다를 수 있다는 점도 밝혀둔다. For reference, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known configuration or function may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the technical terms used in the present invention are only used to describe preferred embodiments and are not used with the intention of limiting the present invention, and the drawings are also only used to support the description of the present invention, and are not intended to limit the present invention. Please also note that the size may be different from the size shown on the drawing.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 보여주고 있다. 통상적으로 연료전지 시스템은 전·후면 엔드플레이트 사이에 다수의 단위 셀이 적층되는 구조의 연료전지 스택과 그 스택의 전·후면 엔드플레이트에 수소와 산소 등의 반응가스를 공급하는 수단 및 화학반응에 의해 생성되는 열과 반응부산물(H2O)을 관리하기 위한 수단을 결합하여 완성되는 구조이다. Figure 1 shows the configuration of a general fuel cell system. Typically, a fuel cell system includes a fuel cell stack with a structure in which multiple unit cells are stacked between front and rear end plates, a means for supplying reaction gases such as hydrogen and oxygen to the front and rear end plates of the stack, and a device for chemical reaction. It is a structure completed by combining means to manage the heat generated by the reaction and the reaction by-product (H 2 O).
이러한 연료전지 시스템을 가동하면, 캐소드측에 많은 물(H2O)이 생성되는데 그 대부분의 물은 공기블로워의 영향으로 캐소드측 출구로 배출되지만 일부가 애노드 쪽으로 넘어오게 된다. 이처럼 캐소드에서 넘어온 물은 제거되지 않고 애노드 쪽에 누적되기 때문에 연료전지 시스템의 안전운전을 위해서는 그 물(H2O)의 제거가 필요하다. 그리고 애노드 쪽에서는 화학반응에 기여하지 못한 수소가 배출될 수 있기 때문에 고가의 미반응 수소를 회수하여 재활용할 수 있도록 수소(연료)의 재순환경로를 마련하고 있다. When this fuel cell system is operated, a lot of water (H 2 O) is generated on the cathode side. Most of the water is discharged through the cathode side outlet due to the influence of the air blower, but some of it flows over to the anode side. Since the water that comes from the cathode is not removed and accumulates at the anode, removal of the water (H 2 O) is necessary for safe operation of the fuel cell system. And since hydrogen that has not contributed to the chemical reaction may be discharged from the anode side, a hydrogen (fuel) recirculation path is being prepared so that expensive unreacted hydrogen can be recovered and recycled.
이에 따라 운반수단용 연료전지 시스템에서는 위와 같은 2가지의 필요조건을 충족시키기 위한 수단으로 워터트랩(Water Trap)을 채택하여 이용하고 있는데, 이때의 워터트랩은 연료전지 스택의 애노드에 축적된 응축수(H2O)를 주기적으로 배출할 수 있도록 지원하면서도 미반응 수소의 배출은 차단하여 그 미반응 수소가 연료전지 스택으로 재투입되도록 지원한다. 여기에서 미반응 수소의 배출을 차단하는 이유는 미반응 수소를 재활용하면 운행거리 또는 연비를 향상시킬 수 있고, 의도하지 않은 수소배출이 이루어질 경우 수소센서의 작동으로 연료전지 시스템이 강제로 셧다운될 수 있기 때문이다. Accordingly, the fuel cell system for transportation uses a water trap as a means to satisfy the above two requirements. In this case, the water trap collects condensate (condensate) accumulated on the anode of the fuel cell stack. While supporting the periodic discharge of H 2 O), the discharge of unreacted hydrogen is blocked and the unreacted hydrogen is reintroduced into the fuel cell stack. The reason for blocking the emission of unreacted hydrogen here is that recycling of unreacted hydrogen can improve driving distance or fuel efficiency, and if unintentional hydrogen emission occurs, the fuel cell system can be forcibly shut down by the operation of the hydrogen sensor. Because there is.
따라서 응축수가 만수위를 초과하여 미반응 수소의 재순환 경로를 막게 되거나 응축수의 과도한 배출로 미반응가스의 외부누출을 차단하지 못하게 되면, 워터트랩의 고유기능을 발휘하지 못하는 작동오류가 발생할 수 있다. Therefore, if the condensate exceeds the full water level and blocks the recirculation path of unreacted hydrogen, or if external leakage of unreacted gas cannot be blocked due to excessive discharge of condensate, an operating error may occur that prevents the water trap from performing its original function.
도 2(a)는 종래기술의 워터트랩을 기능적으로 설명하기 위한 예시도이고, 도 2(b)는 종래기술의 워터트랩을 구조적으로 설명하기 위한 예시도이다. FIG. 2(a) is an exemplary diagram for functionally explaining a water trap of the prior art, and FIG. 2(b) is an exemplary diagram for structurally explaining a water trap of the prior art.
우선, 도 2(a)의 워터트랩을 기능적으로 살펴보면, 연료전지 스택(100)의 애노드쪽으로 연료가스가 공급되고, 반응에 참여하지 못한 미반응 연료가스는 애노드의 출구단쪽으로 배출되며, 미반응 연료가스 내에 함유된 액적(물방울)은 중력에 의해 낙하되어 워터트랩(10)에 모이게 되고, 액적이 제거된 연료가스는 애노드로의 재순환을 지원하도록 그 기능이 설계되어 있다. 이때 워터트랩(10) 내의 응축수 수위가 상부센서(12)에서 감지되면 드레인밸브(16)를 개방하여 건조공기용 가습기(20)로 배출하고, 응축수 수위가 하부센서(14)에서 감지되면 드레인밸브(16)를 폐쇄하여 응축수실의 하부에 응축수의 일부가 잔류되도록 한다. 여기에서 워터트랩(10) 내에 잔류된 응축수는 연료가스가 외부로 방출되는 것을 차단하는 역할을 담당하게 된다. 이와 같이, 연료전지 스택(100)의 애노드에서 발생하는 응축수는 워터트랩에 포집된 후, 주기적으로 개폐되는 드레인밸브(16)를 통하여 가습기로 배출되는데, 이때 가습기는 스택에 공급되는 공기(산소)를 가습하거나 필요이상의 응축수는 외부로 배출할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고 도 2(b)의 워터트랩을 구조적으로 살펴보면, 응축수실의 일측면에 수위센서가 설치되고, 응축수 유동의 악영향을 줄이기 위해 응축수실 내부에 가림판이 2중으로 설치된 구조를 보여주고 있다. First, looking at the water trap in Figure 2(a) functionally, fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell stack 100, unreacted fuel gas that did not participate in the reaction is discharged toward the outlet end of the anode, and unreacted Liquid droplets (water droplets) contained in the fuel gas fall by gravity and collect in the water trap 10, and the fuel gas from which the liquid droplets are removed is designed to support recirculation to the anode. At this time, when the level of condensate in the water trap (10) is detected by the upper sensor (12), the drain valve (16) is opened to discharge it to the dry air humidifier (20), and when the condensate level is detected by the lower sensor (14), the drain valve (16) is opened. Close (16) so that some of the condensate remains in the lower part of the condensate chamber. Here, the condensate remaining in the water trap 10 plays a role in blocking fuel gas from being released to the outside. In this way, the condensed water generated at the anode of the fuel cell stack 100 is collected in the water trap and then discharged to the humidifier through the drain valve 16 that is opened and closed periodically. At this time, the humidifier removes the air (oxygen) supplied to the stack. It is designed to humidify or discharge excess condensate to the outside. Looking at the water trap in Figure 2(b) structurally, it shows a structure in which a water level sensor is installed on one side of the condensate chamber, and a double screen is installed inside the condensate chamber to reduce the negative effects of the condensate flow.
그런데, 위와 같은 종래기술의 워터트랩은 수위센서가 워터트랩의 일면에 설치되기 때문에, 도 3(a)처럼 오르막길에서는 응축수가 만수위에 도달하는 경우에도 상부센서가 그 수위를 감지하지 못해 배출밸브를 개방하지 못하고, 도 3(b)처럼 내리막길에서는 응축수가 만수위에 미달함에도 상부센서가 만수위로 감지하여 배출밸브가 개방됨으로써, 경사도로 주행시에는 워터트랩이 안정적으로 작동하기 어려웠고, 특히 육상환경에 비해 크고 작은 파도에 지속적으로 노출될 수밖에 없는 해상환경에서는 끊임없이 발생하는 응축수의 불규칙한 요동과 수위변동에 대응하여 워터트랩의 안정적인 동작을 기대하기 어렵다는 현실적인 문제를 안고 있었다. However, in the water trap of the prior art as described above, the water level sensor is installed on one side of the water trap, so even when the condensate reaches the full water level on an uphill road as shown in Figure 3(a), the upper sensor cannot detect the water level and opens the discharge valve. It could not be opened, and on a downhill road as shown in Figure 3(b), the upper sensor sensed that the water level was full and the discharge valve was opened even though the condensate water was below the full water level. Therefore, it was difficult for the water trap to operate stably when driving on a slope, especially compared to the land environment. In the marine environment, where there is no choice but to be continuously exposed to large and small waves, there was a realistic problem that it was difficult to expect stable operation of the water trap in response to the irregular fluctuations of condensate and water level fluctuations that constantly occur.
본 발명은 그러한 문제인식에 기반하여 이루어진 것으로, 본 발명은 연료전지 시스템을 적용한 운송수단이 주행환경에 따라 예상되는 워터트랩 내 배출밸브(드레인밸브)의 오작동 가능성을 최대한 줄일 수 있고, 특히 응축수의 요동이 심할 수밖에 없는 해상환경에서도 드레인밸브의 안정적 개폐동작을 보장하여 해상운송수단에 맞춤형으로 적용할 수 있도록 개선된 워터트랩의 구조를 제안하는 것이 그 특징이라 할 수 있다. The present invention was made based on the recognition of such problems, and the present invention can reduce as much as possible the possibility of malfunction of the discharge valve (drain valve) in the water trap, which is expected depending on the driving environment of transportation vehicles applying a fuel cell system, and in particular, the possibility of malfunction of the discharge valve (drain valve) in the water trap. Its characteristic feature is that it proposes an improved structure of a water trap so that it can be customized for maritime transportation by ensuring stable opening and closing operations of the drain valve even in a marine environment that is inevitably subject to severe fluctuations.
도 4의 (a), (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터트랩의 구조를 보여주고 있다. 본 발명의 워터트랩은 종래의 응축수 입·출구, 응축수실, 솔레노이드 전자석, 드레인밸브 등의 주요구성을 그대로 포함하고 있지만, 응축수실의 일측면에 매립된 종래구조의 수위센서와는 전혀 다른 새로운 구조의 수위센서를 채택하고 있다. 본 발명의 수위센서는, 도 4(a), (b)에 나타낸 것처럼, 상부센서와 하부센서를 포함하도록 구성하는데, 상부센서는 워터트랩 커버(101)의 정중앙에 설치된 센싱접점(108)과 부력봉(103)의 꼭대기에 설치된 센싱금속(109)의 접촉에 의해 작동되는 구조이고, 하부센서는 응축수실의 저면에 설치된 터치센서(106)가 중공볼(105)의 하중을 감지하여 작동되는 구조로 되어 있다. 이때 상부센서는 워터트랩 커버(101)의 정중앙에 설치된 센싱접점(108)과 그 센싱접점(108)을 감싸면서 하방으로 연장되는 파이프형상의 부력봉 가이드(102), 그리고 중공볼(105)의 상부에 접합된 부력봉(103)과 그 부력봉(103)의 꼭대기에 결합된 센싱금속(109)으로 이루어지고, 응축수의 수위변동에 의해 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉으로 발생하는 감지신호를 제어부로 전달하는 기능을 담당하고, 하부센서는 응축수실의 저면에 설치되어 중공볼(105)의 하중에 감응하는 터치센서(106)의 신호를 제어부로 전달하는 기능을 담당하도록 설계된다. 여기에서 도 4(a), (b)에는 구체적인 연결관계가 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 워터트랩에는 상·하부센서의 감지신호에 따라 솔레노이드 전자석(110)의 구동을 컨트롤하는 제어부와 그 제어부로 감지신호를 전송하기 위한 배선은 당연히 내재되어 있는 구성으로 보아야 할 것이다. Figures 4 (a) and (b) show the structure of a water trap according to a preferred embodiment of the present invention. The water trap of the present invention includes the main components of the conventional condensate inlet and outlet, condensate chamber, solenoid electromagnet, and drain valve, but has a new structure that is completely different from the conventional water level sensor embedded in one side of the condensate chamber. A water level sensor is adopted. The water level sensor of the present invention is configured to include an upper sensor and a lower sensor, as shown in Figures 4 (a) and (b), where the upper sensor includes a sensing contact point 108 installed at the exact center of the water trap cover 101 and The structure is operated by contact with the sensing metal 109 installed at the top of the buoyancy rod 103, and the lower sensor is operated by the touch sensor 106 installed on the bottom of the condensate chamber detecting the load of the hollow ball 105. It is structured. At this time, the upper sensor includes a sensing contact point 108 installed at the exact center of the water trap cover 101, a pipe-shaped buoyancy rod guide 102 extending downward while surrounding the sensing contact point 108, and a hollow ball 105. It consists of a buoyancy rod (103) connected to the top and a sensing metal (109) connected to the top of the buoyancy rod (103), and the contact between the sensing contact point (108) and the sensing metal (109) occurs due to changes in the water level of the condensate. It is responsible for transmitting the generated detection signal to the control unit, and the lower sensor is installed on the bottom of the condensate chamber to transmit the signal from the touch sensor 106, which responds to the load of the hollow ball 105, to the control unit. It is designed. Although the specific connection relationship is not shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the water trap of the present invention includes a control unit that controls the operation of the solenoid electromagnet 110 according to detection signals from the upper and lower sensors, and the control unit. The wiring for transmitting the detection signal should naturally be viewed as an inherent configuration.
도 4(a), (b)를 참조하여 본 발명의 워터트랩 내 상부센서의 작동관계를 살펴보면, 응축수의 요동에 따라 유도되는 부력봉(103)의 직선운동을 부력봉 가이드(102)로 안내하여 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉여부를 감지할 수 있도록 구성되어 있다. 이때 부력봉(103)은 가이드(102)에 구비된 안내홀보다 작은 직경으로 제작하여 그 안내홀 내에서 자유로운 직선운동이 가능하도록 설계하고, 부력봉(103)의 단부(꼭대기)에는 내구성과 전기전도도가 우수한 재질의 센싱금속(109)을 결합하여 구성한다. 여기에서 부력봉 가이드(102)의 길이는 중공볼(105)이 응축수실의 저면에 닿는 지점에서 부력봉(103)의 센싱금속(109)과 워터트랩 커버(101)의 센싱접점(108)이 접촉되는 지점까지의 이동거리를 고려하여 그 길이를 설정하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 중공볼(105)에는 횡방향 중심축에 근접한 상반구 쪽에 링(Ring) 형상의 날개부(104)가 결합되어 있는데, 상기 링(Ring) 형상의 날개부(104)는 얇은 막으로 형성되고 그 외부직경이 응축수실의 내경보다 작게 설계되어 응축수가 벽면을 통해 흘러내리는 것을 허용하면서도 응축수의 수위변동에 따라 상·하 유동이 가능하도록 구성할 필요가 있을 것이다. 이때의 날개부(104)는 중공볼(105)의 자세를 안정되게 유지시키고, 주행환경에 따라 발생할 수 있는 응축수의 돌발적 출렁임이나 튀는 현상을 방지하여 워터트랩의 안정적인 작동에 기여하는 수단으로 기능하게 될 것이다. Looking at the operational relationship of the upper sensor in the water trap of the present invention with reference to Figures 4 (a) and (b), the linear movement of the buoyancy rod (103) induced by the fluctuation of condensate is guided by the buoyancy rod guide (102). It is configured to detect whether the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 are in contact. At this time, the buoyancy rod 103 is designed to have a smaller diameter than the guide hole provided in the guide 102 to enable free linear movement within the guide hole, and the end (top) of the buoyancy rod 103 has durability and electricity. It is constructed by combining sensing metal (109) made of a material with excellent conductivity. Here, the length of the buoyancy rod guide 102 is such that the sensing metal 109 of the buoyancy rod 103 and the sensing contact point 108 of the water trap cover 101 are at the point where the hollow ball 105 touches the bottom of the condensate chamber. It would be desirable to set the length considering the moving distance to the point of contact. And the hollow ball 105 is coupled with a ring-shaped wing 104 on the upper hemisphere side close to the lateral central axis. The ring-shaped wing 104 is formed of a thin film. It will be necessary to design the outer diameter to be smaller than the inner diameter of the condensate chamber to allow condensate to flow down through the wall while also allowing for up and down flow according to changes in the water level of the condensate. At this time, the wings 104 function as a means to maintain the stable posture of the hollow ball 105 and contribute to the stable operation of the water trap by preventing sudden sloshing or splashing of condensate that may occur depending on the driving environment. It will be.
도 5는 본 발명에서 채택한 워터트랩 내 상부센서의 구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 부력봉, (b)는 센싱접점, (c)센싱금속의 구조를 보여주고 있다. 도 5(a)의 부력봉(103)은 플라스틱 재질로 이루어지고, 부력봉의 꼭대기에는 도 5(c)와 같은 센싱금속(109)이 결합되어 있으며, 워터트랩 커버(101)의 정중앙에는 도 5(b)와 같은 센싱접점(108)이 형성되어 있다. Figure 5 is an exemplary diagram to explain the structure of the upper sensor in the water trap adopted in the present invention, showing (a) the structure of the buoyancy rod, (b) the sensing contact point, and (c) the sensing metal. The buoyancy rod 103 in FIG. 5(a) is made of plastic material, and the top of the buoyancy rod is coupled with a sensing metal 109 as shown in FIG. 5(c), and at the exact center of the water trap cover 101 in FIG. 5. A sensing contact 108 as shown in (b) is formed.
본 발명에서 특히 주목하는 부분은 주행환경에 따른 응축수의 돌발적 수위변동에 효과적으로 대응하기 위하여 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간을 모니터링해야 한다는 점이다. 그 이유는 운행환경에 따라 발생하는 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 모든 접촉때마다 드레인밸브의 개폐동작이 이루어지면 불필요한 전력낭비와 드레인밸브의 수명단축을 초래할 수 있다는 우려 때문이다. 예컨대, 비포장도로를 운행하거나 파도가 거친 바다를 운행하면서 돌발적 수위변동으로 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉이 감지될 때마다 드레인밸브의 개폐동작이 빈번하게 이루어진다면, 그만큼 솔레노이드 구동전원이 소모될 수밖에 없고 드레인밸브 자체의 기계적 내구성에 미치는 악영향을 피하기 어려울 것이다. 이에 따라 응축수의 만수위와 최저수위를 정확히 감지하여 최적의 주기로 드레인밸브의 개폐동작을 제어하는 것은 매우 중요한 기술적 의미를 갖는다 할 것이다. What is particularly noteworthy in the present invention is that the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 must be monitored in order to effectively respond to sudden changes in the level of condensate depending on the driving environment. The reason is that if the drain valve is opened and closed at every contact between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 that occurs depending on the driving environment, there is a concern that unnecessary power waste and lifespan of the drain valve may be shortened. For example, if the drain valve is frequently opened and closed whenever contact between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 is detected due to an unexpected change in water level while driving on an unpaved road or in a sea with rough waves, the solenoid is driven accordingly. Power will inevitably be consumed, and it will be difficult to avoid adverse effects on the mechanical durability of the drain valve itself. Accordingly, it is of very important technical significance to accurately detect the full and lowest water levels of condensate and control the opening and closing operation of the drain valve at an optimal cycle.
본 발명에서 제안하고 있는 워터트랩 내 상부센서의 구성에 의하면, 센싱접점(108)과 센싱금속(109)은 응축수의 수위변동에 따른 부력봉(103)의 직선운동에 의해 접촉과 분리가 반복되는데, 이에 대처하기 위하여 본 발명의 제어부에는 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간을 분석하여 그 접촉시간이 사전에 설정된 기준시간 보다 짧을 경우에는 솔레노이드 전자석을 구동시키지 않고, 기준시간을 초과할 경우에만 솔레노이드 전자석(110)의 구동을 통해 드레인밸브(107)가 개방될 수 있도록 그 제어기능이 설계되어 있다. According to the configuration of the upper sensor in the water trap proposed in the present invention, the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 are repeatedly contacted and separated by the linear movement of the buoyancy rod 103 according to the change in the water level of the condensate. In order to deal with this, the control unit of the present invention analyzes the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109, and if the contact time is shorter than the preset standard time, it does not drive the solenoid electromagnet and sets the standard time. The control function is designed so that the drain valve 107 is opened by driving the solenoid electromagnet 110 only when it exceeds the limit.
이에 따라 본 발명의 워터트랩은 응축수의 수위변동이 끊임없이 발생하는 해상환경에서 최적의 상태로 작동할 수 있게 될 것이다. 본 발명에서의 기준시간은 연료전지 운송수단의 운행환경을 고려하여 임의로 조정할 수 있도록 설계하는 것이 바람직할 것이다. 예컨대, 응축수의 수위변동이 거의 없는 잔잔한 파도일 때는 기준시간을 길게 설정할 수 있고, 빈번한 수위변동이 예상되는 심한 파도일 때는 기준시간을 짧게 설정할 수 있도록 설계하면, 연료전지 운반수단의 주행환경에 맞춰 최적의 기준시간을 선택할 수 있을 것이고, 그에 따라 워터트랩을 더욱 안정적으로 가동시킬 수 있을 것이다. Accordingly, the water trap of the present invention will be able to operate optimally in a marine environment where condensate water level fluctuations constantly occur. It would be desirable to design the standard time in the present invention so that it can be arbitrarily adjusted in consideration of the operating environment of the fuel cell vehicle. For example, in the case of calm waves with little condensate water level fluctuation, the standard time can be set long, and in severe waves with frequent water level fluctuations, the standard time can be designed to be set short, in accordance with the driving environment of the fuel cell vehicle. You will be able to select the optimal standard time, and accordingly, the water trap will be able to operate more stably.
한편, 도 6은 본 발명의 워터트랩에서 채택한 하부센서의 구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 응축수실의 저면에 매립된 터치센서, (b)는 부력봉 가이드의 하부에 매립된 센싱접점의 구조를 보여주고 있다. 도 6(a)에 나타낸 하부센서의 경우에는 드레인밸브(107)의 개방으로 응축수의 수위가 하강하면, 중공볼(105)도 함께 하강하여 응축수실의 저면에 매립된 터치센서(106)와 접촉하게 되는데, 이때 터치센서(106)의 상면은 응축수의 영향을 배제시키기 위해 방수처리와 함께 중공볼(105)의 하중감지가 용이하도록 탄력성을 갖는 구조로 설계하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 구조의 하부센서는 응축수의 배출에 따른 수위하강으로 중공볼(105)이 하강할 때, 그 중공볼(105)의 하중에 감응하여 감지신호를 발생시키고, 그 감지신호를 제어부로 전송하는 기능을 담당하게 된다. 여기에서 제어부는 터치센서(106)의 감지신호를 전송받으면 곧바로 드레인밸브(107)가 닫히도록 제어하여 더 이상의 응축수 배출을 차단하게 되며, 그 차단시점에서 워터트랩에는 최저수위의 응축수가 잔류하게 되고, 그 잔류된 응축수로 인해 재순환되어야 할 연료가스(수소가스)의 배출차단이 이루어지게 된다. Meanwhile, Figure 6 is an exemplary diagram for explaining the structure of the lower sensor adopted in the water trap of the present invention, (a) is a touch sensor embedded in the bottom of the condensate chamber, and (b) is a touch sensor embedded in the lower part of the buoyancy rod guide. It shows the structure of the sensing contact point. In the case of the lower sensor shown in FIG. 6(a), when the level of condensate falls due to the opening of the drain valve 107, the hollow ball 105 also falls and comes into contact with the touch sensor 106 embedded in the bottom of the condensate chamber. In this case, it would be desirable to design the upper surface of the touch sensor 106 to be waterproof to exclude the influence of condensate and to have elasticity to easily sense the load of the hollow ball 105. The lower sensor of this structure generates a detection signal in response to the load of the hollow ball 105 when the hollow ball 105 descends due to a drop in water level due to the discharge of condensate, and transmits the detection signal to the control unit. will be in charge of. Here, when the control unit receives the detection signal from the touch sensor 106, it immediately controls the drain valve 107 to close to block further discharge of condensate. At the point of blocking, condensate at the lowest level remains in the water trap. , the remaining condensate blocks the emission of fuel gas (hydrogen gas) that needs to be recirculated.
그리고 도 6(b)는 변형된 하부센서의 구조를 보여주고 있는데, 도 6(b)의 하부센서(106)는 부력봉 가이드(102)의 하부 측면에 센싱전극(111)을 매립하여 부력봉(103)이 하강할 때, 상기 센싱전극(111)과 부력봉(103)의 센싱금속(109)이 접촉하게 되면, 그 접촉에 대한 감지신호를 제어부로 전송하여 응축수의 배출차단이 이루어지도록 구성되어 있다. 이처럼 도 6(b)와 같은 구조의 하부 센싱전극(111)를 채택하면, 이상기능의 워터트랩을 수리할 때 부력봉 가이드(102)와 일체로 구성된 워터트랩 커버(101)의 교체만으로 수리작업을 마무리할 수 있는 장점을 기대할 수 있을 것이다. And FIG. 6(b) shows the structure of the modified lower sensor. The lower sensor 106 in FIG. 6(b) has a sensing electrode 111 embedded in the lower side of the buoyancy rod guide 102 to form a buoyancy rod. When (103) descends, when the sensing electrode 111 and the sensing metal 109 of the buoyancy rod 103 come into contact, a detection signal for the contact is transmitted to the control unit to block the discharge of condensate. It is done. In this way, if the lower sensing electrode 111 of the structure shown in Figure 6(b) is adopted, when repairing a malfunctioning water trap, the repair work can be done simply by replacing the water trap cover 101, which is integrated with the buoyancy rod guide 102. You can expect the advantage of finishing.
도 7은 본 발명에서 채택한 워터트랩의 동작과정을 설명하기 위한 예시도로, (a)는 평탄환경, (b)는 오르막 환경, (c)는 내리막 환경에서의 동작과정을 보여주고 있다. 우선 도 7(a)의 평탄환경에서는 중공볼(105)이 응축수실의 저면에 위치하여 터치센서(106)의 작동으로 드레인밸브(107)가 닫혀있는 상태이다. 이 상태에서 연료전지 시스템의 가동을 시작하면, 연료가스에 포함된 액적(물발울)이 낙하하여 응축수로 고이게 되고, 그 응축수의 수위상승에 따라 중공볼(105)과 부력봉(103)이 함께 부상하여 센싱접점(108)과 센싱금속(109)이 접촉되는 지점까지 상승하게 된다. 이때 제어부에서는 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간을 분석하여 그 접촉시간이 사전에 설정한 기준시간 이상이면 만수위로 판단하여 드레인밸브(107)를 개방하고, 그 접촉시간이 기준시간에 미달하면 드레인밸브(107)가 개방되지 않도록 제어하게 된다. 이 때문에 주행 중에 돌발적으로 발생하는 응축수의 요동으로 드레인밸브(107)의 개폐동작이 빈번하게 반복되는 것을 방지할 수 있을 것이다. Figure 7 is an example diagram for explaining the operation process of the water trap adopted in the present invention, (a) showing the operation process in a flat environment, (b) an uphill environment, and (c) a downhill environment. First, in the flat environment of FIG. 7(a), the hollow ball 105 is located on the bottom of the condensate chamber and the drain valve 107 is closed by the operation of the touch sensor 106. When the fuel cell system starts operating in this state, liquid droplets (water droplets) contained in the fuel gas fall and become condensate, and as the level of the condensate rises, the hollow ball 105 and the buoyancy rod 103 move together. It rises and rises to the point where the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 come into contact. At this time, the control unit analyzes the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109, and if the contact time is more than a preset standard time, it judges the water level to be full and opens the drain valve 107, and the contact time is the standard. If the time is not reached, the drain valve 107 is controlled not to be opened. For this reason, it will be possible to prevent frequent repetition of the opening and closing operation of the drain valve 107 due to sudden fluctuations in condensate during driving.
그러한 도 7(a)와 같은 워터트랩의 작동과정은 도 7(b)의 오르막 상태의 주행이나 도 7(c)와 같은 내리막 상태의 주행중에도 특별한 차이없이 적용될 수 있는데, 이는 링(Ring) 형상의 날개부(104)가 중공볼(105)의 자세를 안정되게 유지시키고, 부력봉 가이드(102)가 부력봉(103)의 직선운동을 안내하기 때문에 가능한 것이다. 특히, 본 발명의 워터트랩은 중공볼(105)의 무게중심이 응축수 수면의 정중앙에 위치하여 날개부(104)와 부력봉(103) 및 부력봉 가이드(102)의 상호작용에 의해 안정된 자세를 유지할 수 있는 구조이기 때문에, 주행환경에 따라 발생할 수 있는 응축수의 요동을 대부분 흡수할 수 있고, 더 나아가 응축수의 요동에 의한 워터밸브의 오동작 가능성을 줄일 수 있게 될 것이다. The operation process of the water trap as shown in FIG. 7(a) can be applied without any particular difference during uphill driving as in FIG. 7(b) or downhill driving as in FIG. 7(c), which has a ring shape. This is possible because the wing portion 104 maintains the posture of the hollow ball 105 stably, and the buoyancy rod guide 102 guides the linear movement of the buoyancy rod 103. In particular, in the water trap of the present invention, the center of gravity of the hollow ball 105 is located at the exact center of the condensate water surface, thereby maintaining a stable posture through the interaction of the wings 104, the buoyancy rod 103, and the buoyancy rod guide 102. Because it has a maintainable structure, it can absorb most of the fluctuations in condensate that may occur depending on the driving environment, and further reduce the possibility of malfunction of the water valve due to fluctuations in condensate.
이러한 본 발명의 워터트랩에 의하면, 센싱접점(108)과 센싱금속(109)의 접촉시간을 분석하여 응축수가 만수위에 도달했는지 여부를 판단할 수 있기 때문에 돌발적 수위변동에 따른 드레인밸브(107)의 빈번한 작동이 방지되어 워터트랩의 내구성을 증진시킬 수 있는 효과가 있다. According to the water trap of the present invention, it is possible to determine whether the condensate has reached the full water level by analyzing the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109, so that the drain valve 107 can be used due to sudden water level fluctuations. This has the effect of improving the durability of the water trap by preventing frequent operation.
또한, 중공볼(105)과 터치센서(106)에 의해 드레인벨브(107)의 폐쇄구동을 제어할 수 있기 때문에 최적의 시점에서 응축수의 배출차단이 이루어지도록 제어가 가능하여 워터트랩의 오동작을 줄일 수 있는 장점이 있다. In addition, since the closing operation of the drain valve 107 can be controlled by the hollow ball 105 and the touch sensor 106, it is possible to control the discharge of condensate to be blocked at the optimal time, thereby reducing malfunction of the water trap. There are advantages to this.
또한, 본 발명의 워터트랩에 의하면, 응축수의 돌발적 수위변동에 의한 워터트랩의 오작동 가능성을 줄일 수 있고, 운행중 응축수의 수위변동을 날개부(104)와 부력봉 가이드(102)의 직선운동으로 흡수하여 드레인밸브의 개폐동작이 안정화되는 효과를 기대할 수 있을 것이다. In addition, according to the water trap of the present invention, the possibility of malfunction of the water trap due to sudden fluctuations in the water level of condensate can be reduced, and the fluctuations in the water level of condensate during operation are absorbed through the linear movement of the wings 104 and the buoyancy rod guide 102. As a result, the effect of stabilizing the opening and closing operation of the drain valve can be expected.
또한, 육상의 도로환경과 달리 크고 작은 파도에 지속적으로 노출될 수밖에 없는 해상환경에서도 끊임없이 발생하는 응축수의 요동에 따른 워터트랩의 오작동 가능성을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다. In addition, unlike the road environment on land, there is an effect of greatly reducing the possibility of malfunction of the water trap due to the constant fluctuation of condensate in the marine environment, which is inevitably exposed to large and small waves.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 그 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형실시가 가능할 것이다. Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments, and anyone skilled in the art can make various modifications without departing from the gist of the present invention. will be.
101: 워터트랩 커버 102: 부력봉 가이드
103 : 부력봉 104 : 날개부
105 : 중공볼 106 : 터치센서
107 : 드레인 밸브 108 : 센싱접점
109 : 센싱금속 110 : 솔레노이드 전자석
111 : 하부센싱전극
101: Water trap cover 102: Buoyancy rod guide
103: Buoyancy rod 104: Wing part
105: hollow ball 106: touch sensor
107: drain valve 108: sensing contact
109: Sensing metal 110: Solenoid electromagnet
111: Lower sensing electrode
Claims (7)
상기 상부센서는 상기 워터트랩 커버(101)의 정중앙에 설치되는 센싱접점(108)과 부력봉(103)의 꼭대기에 설치된 센싱금속(109)의 접촉여부를 감지할 수 있도록 구성하되,
상기 부력봉(103)의 일단은 파이프형상의 부력봉 가이드(102)의 내부에서 직선운동이 가능한 구조이고, 상기 부력봉(103)의 타단은 중공볼(105)의 상부에 일체로 결합되는 구조이며,
상기 중공볼(105)은 횡방향 중심축에 근접한 상반구 쪽에 링(Ring) 형상의 날개부(104)를 구비하여 응축수의 수위변동에 따라 승·하강이 가능하도록 구성되고,
상기 하부센서는 응축수실의 저면에 매립되어 상기 중공볼(105)의 하중을 감지할 수 있는 터치센서(106)로 이루어지며,
상기 상부센서와 상기 하부센서의 감지신호에 따라 상기 드레인벨브(107)의 개폐동작을 컨트롤할 수 있는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
In the water trap of the fuel cell system, which includes a condensate inlet and outlet, a condensate chamber, an upper and lower sensor for detecting the level of condensate, a control unit, a solenoid electromagnet, and a drain valve,
The upper sensor is configured to detect whether the sensing contact point 108 installed at the exact center of the water trap cover 101 and the sensing metal 109 installed at the top of the buoyancy rod 103 are in contact,
One end of the buoyancy rod 103 has a structure capable of linear movement within the pipe-shaped buoyancy rod guide 102, and the other end of the buoyancy rod 103 is integrally coupled to the upper part of the hollow ball 105. and
The hollow ball 105 is provided with a ring-shaped wing portion 104 on the upper hemisphere side close to the lateral central axis, so that it can be raised and lowered according to the fluctuation of the water level of the condensate,
The lower sensor consists of a touch sensor 106 embedded in the bottom of the condensate chamber and capable of detecting the load of the hollow ball 105,
A water trap for a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod, comprising a control unit capable of controlling the opening and closing operation of the drain valve 107 according to detection signals from the upper sensor and the lower sensor.
상기 제어부에는 상기 센싱접점(108)과 상기 센싱금속(109)의 접촉시간이 미리 설정한 기준시간을 초과하는지 여부를 판단할 수 있는 기능이 부여되고, 상기 접촉시간이 기준시간을 초과하는 시점에서 상기 드레인밸브(107)가 개방되도록 제어하고, 상기 접촉시간이 기준시간에 미달할 때는 상기 드레인밸브(107)가 개방되지 않도록 제어하는 기능이 부여된 것을 특징으로 하는 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
The control unit is provided with a function to determine whether the contact time between the sensing contact point 108 and the sensing metal 109 exceeds a preset standard time, and at the point when the contact time exceeds the standard time, Fuel for transportation using a buoyancy rod, characterized in that a function is provided to control the drain valve 107 to be opened and to prevent the drain valve 107 from opening when the contact time is less than the standard time. Water trap in battery system
상기 하부센서는 상기 부력봉 가이드(102)의 아래쪽 측면에 매립설치된 하부센싱전극(111)과 상기 부력봉(103)의 상부에 결합된 상기 센싱금속(109)의 접촉감지를 통해 상기 터치센서(106)의 기능을 대신할 수 있도록 구성한 것이 특징인 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
The lower sensor senses the touch sensor ( A water trap for a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod, which is characterized by being configured to replace the function of 106).
상기 중공볼(105)의 무게중심은 상기 날개부(104)와 상기 부력봉(103) 및 상기 부력봉 가이드(102)의 상호작용에 의해 응축수 수면의 정중앙에 위치하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
The center of gravity of the hollow ball 105 is designed to be located at the exact center of the condensate water surface by the interaction of the wing portion 104, the buoyancy rod 103, and the buoyancy rod guide 102. Water trap of fuel cell system for transportation using buoyancy rod
상기 부력봉(103)은 플라스틱 재질이고, 상기 날개부(104)는 응축수실의 내경보다 작은 얇은 막으로 형성된 것이 특징인 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
The buoyancy rod 103 is made of plastic, and the wing portion 104 is a water trap of a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod, wherein the wing portion 104 is formed of a thin film smaller than the inner diameter of the condensate chamber.
상기 워터트랩 내 상부센서는 응축수의 요동이 심한 해상환경에서도 드레인밸브(107)의 안정적 개폐동작을 보장할 수 있도록 해상운송수단에 맞춤형으로 제작된 것을 특징으로 하는 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
A fuel cell for transportation using a buoyancy rod, characterized in that the upper sensor in the water trap is custom-made for marine transportation to ensure stable opening and closing operation of the drain valve 107 even in a marine environment with severe fluctuation of condensate. System water trap
상기 센싱접점(108) 및 센싱금속(109)은 내구성과 전기전도도가 우수한 금속재질의 도전체를 이용하고 있는 것이 특징인 부력봉을 이용한 운송수단용 연료전지 시스템의 워터트랩
According to paragraph 1,
The sensing contact point 108 and the sensing metal 109 are water traps for a fuel cell system for transportation using a buoyancy rod, which is characterized by using a metal conductor with excellent durability and electrical conductivity.
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