WO2018124805A1 - 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a modular flow path structure and a fuel cell system including the same. More particularly, the flow path can be modularized to simplify and lighten the manufacturing process, as well as to change the structure by using a compatible adapter between modules.
  • the present invention relates to a modular flow path structure that enables easy productivity improvement and cost reduction, and a fuel cell system including the same.
  • Ducts or pipes are structures that form fluid flow paths, and are widely used in various pipes of various devices, exhaust ducts of gas turbine engines, and the like.
  • each flow path In forming the flow path, it is necessary to extend the length of the flow path or diverge the fluid in a plurality of directions according to the moving direction of the fluid, and thus, each flow path must be connected or a duct suitable for branching needs to be manufactured.
  • the fuel cell system since the fuel cell system is not subject to the thermodynamic limitations of the heat engine in principle, the fuel cell system has higher power generation efficiency, pollution-free, and noise-free environmental problems than the conventional power generator.
  • the fuel cell can be manufactured in various capacities and can be easily installed in the power demand site, thereby reducing the initial investment cost of the power transmission equipment.
  • a fuel cell system is a device for converting chemical energy of a fuel into electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel cell.
  • a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked, and hydrogen as a fuel in a fuel cell stack It may include a fuel supply system for supplying, etc., an air supply system for supplying oxygen which is an oxidant required for the electrochemical reaction, water and a thermal management system for controlling the temperature of the fuel cell stack.
  • the fuel supply system depressurizes the compressed hydrogen in the hydrogen tank and supplies it to the anode (anode) of the stack.
  • the air supply system operates the air supply to supply the sucked external air to the cathode (cathode) of the stack.
  • hydrogen ions are separated from the anode through a catalytic reaction.
  • the separated hydrogen ions are transferred to the anode, which is the air electrode, through the electrolyte membrane.
  • the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen separated from the fuel electrode undergo an electrochemical reaction, thereby obtaining electrical energy.
  • the electrochemical oxidation of hydrogen occurs at the anode
  • the electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode
  • electricity and heat are generated by the movement of electrons generated at this time
  • water vapor or water is formed by a chemical action of hydrogen and oxygen bonding. Is generated.
  • a discharge device for discharging hydrogen and oxygen that are not reacted with by-products such as water and heat generated during the electrical energy generation process of the fuel cell stack, and gases such as water vapor, hydrogen, and oxygen are supplied to the atmosphere through an exhaust passage. Discharged to the air.
  • cooling water is supplied to cool the fuel cell stack to circulate the inside of the fuel cell stack, and hot water recovered by the heat exchanger may be utilized as heating water.
  • the present invention is to solve the above problems, it is possible to simplify and lighten the manufacturing process by modularizing the flow path structure, as well as easy to change the structure by using a compatible adapter between the modules can be improved productivity and cost reduction It is an object to provide a modular flow path structure and a fuel cell system including the same.
  • the present invention for solving the above problems, a module block, at least one flow path formed inside the module block, a plurality of coupling ports formed on the outer peripheral surface of the module block to communicate with the flow path and the plurality of coupling And a plurality of adapters detachably coupled to the port, wherein the adapter is formed of any one of a straight branch pipe, a curved branch pipe, and a blocking plate, and the adapter has a modular flow path structure in which a pipe, a valve, or a sensor can be selectively coupled.
  • the coupling port may include a connection pipe communicating with the flow path and a first coupling plate formed surrounding the connection pipe.
  • the adapter includes a second coupling plate formed to correspond to the first coupling plate, and the second coupling plate is provided with a blocking plate blocking the connection pipe or a branch or pipe having a straight or bent shape in communication with the connection pipe. Can be.
  • the first coupling plate and the second coupling plate may be screwed through a plurality of screw holes formed at positions corresponding to each other.
  • module block protruding on one side of the module block to communicate with the flow path, it may further include an inlet and outflow pipe to allow the inflow or outflow of the fluid into the flow path.
  • the flow path may include a first flow path and a second flow path that do not communicate with each other, and the plurality of coupling ports may be selectively communicated with the first flow path or the second flow path, respectively.
  • Both ends of the first flow path and the second flow path may be in communication with at least one of the outlet pipe and the coupling port.
  • a fuel cell system having a fuel cell that is generated by an electrochemical reaction of fuel gas and oxidizing gas comprising: a module block, a first flow path formed inside the module block, to supply water, and A plurality of coupling ports and a plurality of coupling ports which are formed inside the module block and are formed on one surface of the module block to selectively communicate with a second flow path for supplying hydrogen, the first flow path or the second flow path; And a plurality of adapters detachably coupled to each other, wherein the first flow path has a straight line shape, and the second flow path has a modular flow path structure formed by bending vertically at a position where hydrogen is supplied into the flow path. It provides a fuel cell system having.
  • the adapter is made of any one of the straight branch pipe, bent branch pipe and the blocking plate, the adapter can be selectively coupled to the pipe or valve or sensor.
  • the apparatus may further include an inflow and outflow pipe communicating with one end of the first flow path and protruding to the side of the module block to allow inflow or outflow of water into the first flow path.
  • the second flow path is formed in an L-shape to include a horizontal flow path and a vertical flow path, and hydrogen supplied from the bent portion is supplied through the horizontal flow path during normal operation of the fuel cell system, and when the stop or abnormal operation is performed. Characterized in that the discharge through the vertical flow path.
  • the plurality of coupling ports may include two coupling ports communicating with both ends of the first flow path, two coupling ports communicating with both ends of the second flow path, and one coupling port communicating with the bent portion of the second flow path. It may be composed of a port and one coupling port communicating with the middle portion of the horizontal flow path of the second flow path.
  • Valves may be coupled to adapters coupled to two coupling ports communicating with both ends of the second flow path.
  • An adapter coupled to the coupling port communicating with one end of the first flow path may be coupled to a temperature sensor for measuring the temperature of the water inside the first flow path.
  • An adapter coupled to a coupling port communicating with an intermediate portion of the horizontal flow path of the second flow path may be coupled with a pressure sensor for measuring the pressure of hydrogen inside the second flow path.
  • the coupling port may include a connection tube selectively communicating with the first flow passage or the second flow passage, and a first coupling plate formed to surround the connection tube.
  • the adapter includes a second coupling plate formed to correspond to the first coupling plate, and the second coupling plate is provided with a blocking plate blocking the connection pipe or a branch or pipe having a straight or bent shape in communication with the connection pipe. Can be.
  • the first coupling plate and the second coupling plate may be screwed through a plurality of screw holes formed at positions corresponding to each other.
  • the pipe or valve or sensor can be coupled to the adapter via an O-ring and a clamp.
  • the adapter By using the connection of the flow path, the branch or the combination of the structure can be made and the manufacturing process can be simplified.
  • the adapter is molded in a variety of diameters and shapes and can be easily coupled or separated through the coupling port of the module block, it is easy to connect the structure such as pipes, sensors, valves, etc. The ability to remove or reduce parts can improve system performance over the long term.
  • FIG. 1 is a view showing a modular flow path structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 to 4 are views illustrating the module block of FIG. 1 separately.
  • FIG. 10 is a view illustrating a state in which only an adapter is coupled to a module block in FIG. 1.
  • FIG. 11 is a view illustrating a state in which the modular flow path structure of FIG. 1 is applied to a fuel cell system.
  • FIGS. 1 to 11 a preferred embodiment of the modular flow path structure of the present invention and a fuel cell system including the same will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. 1 is a view showing a modular flow path structure according to an embodiment of the present invention
  • Figures 2 to 4 are shown to separate the module block of Figure 1
  • Figures 5 to 9 are shown to separate the adapter of Figure 1
  • FIG. 10 is a view illustrating a state in which only an adapter is coupled to a module block in FIG. 1
  • FIG. 11 is a view illustrating a state in which the modular flow path structure of FIG. 1 is applied to a fuel cell system.
  • the modular flow path structure of the present invention can be applied to various devices and systems in which a flow path is formed.
  • a fuel cell stack in a fuel cell system having a fuel cell generated by an electrochemical reaction of fuel gas and oxidizing gas is provided. The description is based on what is applied to the inlet of the stack.
  • a flow path for supplying hydrogen and air (oxygen) for the electrochemical reaction of the fuel cell and a flow path for supplying cooling water for controlling the temperature of the fuel cell stack may be formed.
  • the modular flow path structure according to an embodiment of the present invention is largely a module block 100 and a plurality of adapters 200 coupled thereto It can be made, including).
  • One or more flow paths are formed in the module block 100, and a plurality of coupling ports 160 communicating with the flow path are formed on an outer circumferential surface of the module block 100.
  • the module block 100 may be formed in a variety of shapes, such as a cube, a cylinder, in the present embodiment is formed in the shape of a rectangular parallelepiped.
  • the flow path formed inside the module block 100 includes a first flow path 120 and a second flow path 140 which do not communicate with each other, and each of the plurality of coupling ports 160 has the first flow path 120. ) May be selectively communicated with the second flow path 140.
  • the first flow path 120 may be formed to supply water (cooling water) to the fuel cell stack, and the second flow path 140 may be formed to supply hydrogen to the fuel cell stack.
  • the first flow path 120 is formed in a straight line shape, but the second flow path 140 is bent vertically at a position where hydrogen is supplied into the second flow path 140. Can be formed.
  • the fuel cell stack In the normal operation state of the fuel cell stack, it supplies hydrogen supplied from a hydrogen storage tank (not shown) to the fuel cell fuel electrode, discharges unreacted hydrogen containing water, or causes problems in the fuel cell stack. This is to prevent excess hydrogen from being supplied to the stack by releasing hydrogen when the pressure is excessively introduced.
  • the second flow path 140 may be formed in the shape of the letter L to include a horizontal flow path 142 and the vertical flow path 144, the hydrogen supplied from the hydrogen storage tank of the second flow path 140 Is introduced into the second flow path 140 through the bent portion, specifically, the coupling port formed in the bent portion is supplied through the horizontal flow path 142 during the normal operation of the fuel cell stack, and during the stop or abnormal operation It is discharged through the vertical flow path 144.
  • the plurality of coupling ports 160 are formed on the outer circumferential surface of the module block 100 so as to communicate with the flow path, where the plurality of adapters 200 are coupled.
  • the coupling port 160 may include a connection pipe 162 and a first coupling plate 164 formed to surround the connection pipe 162, respectively.
  • the connection pipe 162 is formed of a tube extending from the inside of the flow path to the outer peripheral surface of the module block 100 to communicate with the flow path, the first coupling plate 164 is the adapter 200 is coupled Form the base for.
  • the plurality of coupling ports 160 are formed on one surface of the module block 100 having a rectangular parallelepiped shape, but are not limited thereto and may be formed on opposite sides or formed on the side surfaces thereof.
  • the plurality of coupling ports 160 may be formed in total as shown in FIG. 3, each of the two coupling ports communicating with both ends of the first flow path 120, and the second flow path ( Two coupling ports communicating with both ends of the 140, one coupling port for communicating with the bent portion of the second flow path 140 for supplying hydrogen and one communicating with an intermediate portion of the horizontal flow passage 142 It consists of a coupling port.
  • Each of the coupling ports 160 may be coupled to a plurality of different adapters having various diameters and shapes depending on the branching direction of the flow path and whether the structures are coupled, which will be described in detail below.
  • the module block formed with one or more flow paths and a plurality of coupling ports as described above may be formed integrally, as shown in Figure 4 may be formed by assembling a plurality of parts through thermal fusion.
  • a part in which the lower half of the first flow path 120 and the second flow path 140 is formed, a part in which an upper half of the first flow path 120 is formed, and an upper half of the second flow path 140 are formed. Divided into parts, three parts are assembled to form one module block 100 through thermal fusion.
  • the plurality of adapters 200 are detachably coupled to the plurality of coupling ports 160, and the adapter 200 may be formed of any one of a straight branch pipe, a curved branch pipe, and a blocking plate.
  • the adapter 200 is pre-molded to have a variety of diameters and shapes, the adapter 200 serves as a connector for coupling the structures for the direction of the flow of the fluid in the flow path, flow control, measuring the properties of the fluid, etc. Will be
  • the adapter 200 may be coupled to a pipe, a valve structure, or the like to form a different flow path according to the direction in which the fluid in the flow path branches, or a pipe connected to a coolant tank for supplying cooling water, or the like.
  • Sensor structures may be selectively coupled to measure the pressure, temperature, etc. of the fluid in the flow path.
  • the adapter 200 includes a second coupling plate 220 formed to correspond to the first coupling plate 164, respectively, and the second coupling plate 220 blocks the connection pipe 162.
  • a date or bent branch pipe communicating with the connection pipe 162 may be installed.
  • the first coupling plate 164 and the second coupling plate 220 may be formed of a square plate of the same size so as to face each other and correspond, the first coupling plate 164
  • the connecting pipe 162 is formed in the center of the).
  • the first coupling plate 164 and the second coupling plate 220 are formed with a plurality of screw holes in positions facing each other, the adapter by screwing through the screw holes in the state in which the plates face each other in contact with each other 200 may be coupled to the coupling port 160.
  • the shape of the plate is not limited to a quadrangular shape and may be any shape such as a circle, and if the adapter is a structure that can be detachably coupled to the coupling port, the screw coupling is not required. Accordingly, the adapter 200 is easy to assemble and detach the coupling port 160 has the advantage that the structure can be easily changed to match the flow path structure.
  • the plurality of adapters 200 may be classified into five types and classified according to the shape of the structure installed in the second coupling plate 220. .
  • the adapter shown in FIGS. 5 and 6 is provided with a pipe formed on the second coupling plate 220 so as to communicate with the connecting pipe 162, the diameters are formed different from each other,
  • the small diameter 1st pipe 1240 is provided and
  • FIG. 6 is equipped with the 2nd large diameter pipe 2240. As shown in FIG. Accordingly, it can be easily combined with other flow path pipes or structures.
  • a pipe is formed on the second coupling plate 220 so as to communicate with the connection pipe 162 in the same manner as the adapter shown in FIGS. 5 and 6, but the first pipe ( 1240 or the second pipe 2240 is not a smooth pipe, but a pipe shape in which the coupling part 3240 is formed so that structures such as valves are easily coupled.
  • the adapter shown in Figure 8 is formed on the second coupling plate 220 to be able to communicate with the connecting pipe 162 to send the fluid in the direction of the branch of the flow path branch 4240 having a bent shape It is installed and can act as a manifold.
  • a blocking plate 5240 may be formed on the second coupling plate 220 to block the connection pipe 162, thereby preventing the fluid in the flow path from communicating with the outside.
  • the module block 100 protruding on one side of the module block 100 so as to communicate with the flow path, it may further comprise an outlet inlet pipe 180 to enable the inflow or outflow of the fluid into the flow path. Accordingly, in addition to the plurality of coupling ports 160, the fluid may flow into or out of the flow path through the outflow pipe 180.
  • the inflow and outflow pipe 180 is formed to protrude toward the side of the module block 100 while communicating with one end of the first flow path 120, inflow or outflow of water into the first flow path 120. Make this possible.
  • one outflow pipe 180 is separately formed so that only one coupling port of the two coupling ports is used for inflow or outflow of water, and the other One coupling port allows a temperature sensor for measuring the temperature of water in the first flow path 120 to be coupled.
  • both ends of the first flow path 120 and the second flow path 140 are configured to be in communication with at least one of the outflow pipe 180 and the coupling port 160, the fluid through both ends of each flow path Allow inflow or outflow.
  • adapters provided with a first pipe 1240 and a second pipe 2240 are coupled to two coupling ports communicating with both ends of the first flow path 120. This allows the coolant (water) to flow into or out of the first flow path 120 through an adapter provided with a second pipe 2240 coupled to the outflow pipe 180 and a coupling port separated from the outflow pipe 180. This can be determined according to the position of the tank storing the cooling water.
  • a coolant storage tank (not shown) is located on the left side of the module block 100 with reference to FIG. 10, the coolant is connected to the coolant storage tank through the inlet and outlet pipe 180, and thus, the coolant through the inlet and outlet pipe 180. Is introduced into the first flow path 120 and is connected to another flow path of a fuel cell stack for supplying cooling water through an adapter in which the second pipe 2240 is installed, and through the second pipe 2240. Cooling water may flow out of the flow path 120.
  • the temperature sensor TS may be coupled, and the first pipe 1240 having a small diameter is selected and coupled to the temperature sensor TS.
  • two coupling ports communicating with both ends of the second flow passage 140 are selectively coupled with adapters having a branch pipe 4240 and adapters having a coupling portion 3240 formed therein according to the direction in which the flow passages branch.
  • a coupling part for coupling the valve may be similarly formed at the end of the branch pipe 4240.
  • the adapter is installed in the branch port 4240 is coupled to the coupling port communicated with the end of the horizontal flow path 142, the coupling port is connected to the coupling port communicated with the end of the vertical flow path (144)
  • Adapters in which pipes having a portion 3240 are formed are coupled, and valves V1 and V2 are installed as shown in FIG. 1.
  • the valve V1 coupled to the end of the horizontal passage 142 is opened and the valve V2 coupled to the end of the vertical passage 144 is closed to close the hydrogen storage tank.
  • Hydrogen may be supplied to the anode of the fuel cell, and when the unreacted hydrogen containing moisture is discharged or a problem occurs in the fuel cell stack, the hydrogen pressure is excessively introduced. Hydrogen may be discharged by opening the valve V2 coupled to the end of 144 and closing the valve V1 coupled to the end of the horizontal passage 142.
  • a second pipe 2240 for connecting hydrogen fuel storage tank (not shown) to one hydrogen coupling port communicating with the bent portion of the second flow passage 140 to be supplied into the second flow passage 140 Is coupled to the adapter, and a coupling port communicating with the horizontal passage 142 of the second passage is similarly coupled to a pressure sensor PS for measuring the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack.
  • the adapter with 2 pipes 2240 is fitted.
  • the structure as described above is only one embodiment and is not limited thereto, and the structure of the plurality of coupling ports and the adapter coupled thereto may be formed differently according to the position of the flow path, the branching direction, whether or not the structure is installed.
  • valves V1 and V2 may be installed in the adapters coupled to the two coupling ports communicating with both ends of the second flow passage 140, respectively.
  • the adapter coupled to the coupling port communicating with one end of the 120 may be coupled to a temperature sensor TS for measuring the temperature of the water in the first flow path 120.
  • a pressure sensor PS for measuring a pressure of hydrogen in the second flow passage 140 may be coupled to an adapter coupled to a coupling port communicating with an intermediate portion of the horizontal flow passage 142 of the second flow passage.
  • hydrogen is supplied to the fuel cell stack or discharged to the fuel cell stack through the horizontal passage 142 or the vertical passage 144 according to the result of comparing the pressure of hydrogen measured by the pressure sensor PS with a reference measurement. Do it.
  • a pipe or a valve or a sensor that forms another flow path in the fuel cell stack or is connected to the cooling water and the hydrogen storage tank may be coupled to the adapter 200 through an O-ring and a clamp, and the O-ring And the clamp serves as a sealing (sealing) so that the fluid in the flow path does not leak to the outside to enable a secure coupling.
  • FIG. 11 illustrates a state in which a modular flow path structure according to an embodiment of the present invention is applied to a fuel cell system, and not only the flow path structure in the system is simplified but also the flow path structure is modularized to simplify the manufacturing process. And it is possible to reduce the weight, as well as easy to change the structure by using a compatible adapter between modules, it is possible to improve productivity and reduce costs.
  • the adapter By using the connection of the flow path, the branch or the combination of the structure can be made and the manufacturing process can be simplified.
  • the adapter is molded in a variety of diameters and shapes and can be easily coupled or separated through the coupling port of the module block, it is easy to connect the structure such as pipes, sensors, valves, etc. The ability to remove or reduce parts can improve system performance over the long term.
  • the present invention relates to a modular flow path structure and a fuel cell system including the same. More particularly, the flow path can be modularized to simplify and lighten the manufacturing process, as well as to change the structure by using a compatible adapter between modules.
  • the present invention relates to a modular flow path structure that enables easy productivity improvement and cost reduction, and a fuel cell system including the same.

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Abstract

본 발명은 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능한 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

Description

모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
본 발명은 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능한 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
덕트 또는 파이프는 유체가 흐르는 유로를 형성하는 구조물로서, 다양한 장치의 각종 배관, 가스터빈 엔진의 배기 덕트 등에 널리 사용되고 있다.
유로를 형성함에 있어, 유체의 이동방향에 따라 유로의 길이를 연장하거나 유체를 다수의 방향으로 분기시킬 필요가 발생하며, 이에 따라 각 유로를 연결하거나 분기형상에 맞는 덕트를 제작해야 한다.
이에 따라, 생산비용과 시간이 소요되어 생산성이 저하되며, 각 유로를 연결하거나 유로 내 유체의 유량 제어 및 성질 측정 등을 위해 유로에 밸브나 센서를 결합하기 위해서는 보통 용접을 통해 이루어지기 때문에 용접 부속이 많아져 구조가 복잡해지고 장기적으로 시스템의 성능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
일례로, 연료 전지 시스템은 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
연료 전지 시스템은 연료 전지(fuel cell)의 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함할 수 있다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기공급기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
이에 따라 스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
또한, 연료전지 스택의 냉각을 위해 냉각수를 공급하여 연료전지 스택의 내부로 순환시키며, 열 교환기에 의해 회수된 온수는 난방수로 활용되기도 한다.
이때, 상기와 같이 연료 전지 스택으로 수소, 산소 등의 연료와 냉각수를 공급하기 위해서는 종래와 같이 다수의 유로가 복잡하게 배치되며, 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 압력, 냉각수의 온도 등을 측정하기 위해 유로에 다수의 센서들이 결합하게 되면서 더욱 복잡한 구조를 형성하여 구조 변경이 쉽지 않고 용접 부속이 증가되어 생산성이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능한 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 모듈 블록과, 상기 모듈 블록의 내부에 형성되는 하나 이상의 유로와, 상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록의 외주면에 형성되는 복수의 결합 포트 및 상기 복수의 결합 포트에 탈착 가능하게 결합되는 복수의 어댑터를 포함하며, 상기 어댑터는 일자 분기관, 구부러진 분기관 및 막음판 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 어댑터에는 파이프 또는 밸브 또는 센서가 선택적으로 결합 가능한 모듈화된 유로 구조를 제공한다.
상기 결합 포트는, 상기 유로와 연통되는 연결관 및 상기 연결관을 둘러싸며 형성되는 제1 결합 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 어댑터는 상기 제1 결합 플레이트와 대응되도록 형성되는 제2 결합 플레이트를 포함하며, 상기 제2 결합 플레이트에는 상기 연결관을 막는 막음판 또는 상기 연결관과 연통되는 일자 또는 구부러진 형상의 분기관이 설치될 수 있다.
상기 제1 결합 플레이트와 제2 결합 플레이트는 서로 대응하는 위치에 형성된 복수의 나사홀을 통해 나사결합될 수 있다.
또한, 상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록의 일측에 돌출 형성되어, 상기 유로로 유체의 유입 또는 유출이 가능하도록 하는 유출입배관을 더 포함할 수 있다.
상기 유로는 서로 연통하지 않는 제1 유로 및 제2 유로를 포함하며, 상기 복수의 결합 포트는 각각 상기 제1 유로 또는 제2 유로에 선택적으로 연통될 수 있다.
상기 제1 유로와 제2 유로의 각 양단은 상기 유출입배관과 상기 결합 포트 중 적어도 하나와 연통될 수 있다.
또한, 연료 가스 및 산화 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서, 모듈 블록과, 상기 모듈 블록의 내부에 형성되며, 물이 공급되기 위한 제1 유로와, 상기 모듈 블록의 내부에 형성되며, 수소가 공급되기 위한 제2 유로와, 상기 제1 유로 또는 제2 유로와 선택적으로 연통되도록 상기 모듈 블록의 일면에 형성되는 복수의 결합 포트 및 상기 복수의 결합 포트에 탈착 가능하게 결합되는 복수의 어댑터를 포함하며, 상기 제1 유로는 직선의 형상으로 형성되며, 상기 제2 유로는 수소가 유로의 내부로 공급되는 위치에서 수직으로 절곡되어 형성되는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 어댑터는 일자 분기관, 구부러진 분기관 및 막음판 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 어댑터에는 파이프 또는 밸브 또는 센서가 선택적으로 결합 가능하다.
또한, 상기 제1 유로의 일단부와 연통되며 상기 모듈 블록의 측면으로 돌출 형성되어, 상기 제1 유로로 물의 유입 또는 유출이 가능하도록 하는 유출입배관을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 유로는 수평 유로와 수직 유로를 포함하도록 ㄱ자의 형상으로 형성되며, 절곡부에서 공급되는 수소는 연료 전지 시스템의 정상 작동 시에는 상기 수평 유로를 통해 공급되고, 정지 또는 비정상 작동 시에는 상기 수직 유로를 통해 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 결합 포트는, 상기 제1 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트와, 상기 제2 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트와, 상기 제2 유로의 절곡부와 연통되는 1개의 결합 포트 및 상기 제2 유로의 수평 유로의 중간부와 연통되는 1개의 결합 포트로 이루어질 수 있다.
상기 제2 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 각각 밸브가 결합될 수 있다.
상기 제1 유로의 일단부에 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제1 유로 내부의 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 결합될 수 있다.
상기 제2 유로의 수평 유로의 중간부와 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제2 유로 내부의 수소의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 결합될 수 있다.
상기 결합 포트는, 상기 제1 유로 또는 제2 유로와 선택적으로 연통되는 연결관 및 상기 연결관을 둘러싸며 형성되는 제1 결합 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 어댑터는 상기 제1 결합 플레이트와 대응되도록 형성되는 제2 결합 플레이트를 포함하며, 상기 제2 결합 플레이트에는 상기 연결관을 막는 막음판 또는 상기 연결관과 연통되는 일자 또는 구부러진 형상의 분기관이 설치될 수 있다.
상기 제1 결합 플레이트와 제2 결합 플레이트는 서로 대응하는 위치에 형성된 복수의 나사홀을 통해 나사결합될 수 있다.
상기 파이프 또는 밸브 또는 센서는 O-ring과 클램프를 통해 상기 어댑터에 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능하다.
구체적으로, 유로를 갖는 모듈 블록과 이에 탈착 가능하게 결합할 수 있는 다수의 어댑터를 포함함으로써, 분기형상에 맞는 유로 파이프 또는 덕트를 각각 제작하거나 용접을 통해 각 유로에 구조물을 결합할 필요없이, 어댑터를 이용하여 유로의 연결, 분기 또는 구조물의 결합 등이 이루어질 수 있어 제조 공정이 간략화될 수 있다.
또한, 어댑터는 직경 및 형상이 다양하게 금형화되며 모듈 블록의 결합 포트를 통해 쉽게 결합 또는 분리될 수 있음으로써, 파이프 또는 센서, 밸브 등의 구조물 연결이 용이하게 이루어질 수 있어 구조변경이 쉽고, 용접 부속을 제거 또는 감소시킬 수 있으므로 장기적으로 시스템의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈화된 유로 구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 4는 도 1의 모듈 블록을 분리하여 도시한 도면이다.
도 5 내지 9는 도 1의 어댑터를 분리하여 도시한 도면이다.
도 10은 도 1에서 모듈 블록에 어댑터만 결합된 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 도 1의 모듈화된 유로 구조가 연료 전지 시스템에 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 11을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈화된 유로 구조를 도시한 도면, 도 2 내지 4는 도 1의 모듈 블록을 분리하여 도시한 도면, 도 5 내지 9는 도 1의 어댑터를 분리하여 도시한 도면, 도 10은 도 1에서 모듈 블록에 어댑터만 결합된 상태를 도시한 도면이며, 도 11은 도 1의 모듈화된 유로 구조가 연료 전지 시스템에 적용된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 모듈화된 유로 구조는 유로가 형성되는 다양한 장치 및 시스템에 적용될 수 있는 것으로, 아래에서는 연료 가스 및 산화 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서 연료전지 스택(stack)의 유입단에 적용되는 것을 기준으로 설명하도록 한다.
연료전지 스택의 유입단에는 연료전지(fuel cell)의 전기화학 반응을 위해 수소, 공기(산소)를 공급하는 유로와, 연료전지 스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수를 공급하는 유로 등이 형성될 수 있다.
도 1 내지 10을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈화된 유로 구조를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈화된 유로 구조는 크게 모듈블록(100)과 이에 결합되는 복수의 어댑터(200)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 모듈 블록(100)의 내부에는 하나 이상의 유로가 형성되며, 상기 모듈 블록(100)의 외주면에는 상기 유로와 연통되는 복수의 결합 포트(160)가 형성된다.
도 2 내지 4를 참고하여 상기 모듈 블록(100)을 상세하게 살펴보면, 상기 모듈 블록(100)은 육면체, 원기둥 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 본 일 실시예에서는 직육면체의 형상으로 형성되고 있다.
상기 모듈 블록(100)의 내부에 형성되는 유로는 서로 연통하지 않는 제1 유로(120) 및 제2 유로(140)를 포함하며, 상기 복수의 결합 포트(160)는 각각 상기 제1 유로(120) 또는 제2 유로(140)에 선택적으로 연통될 수 있다.
본 일 실시예에서는, 상기 제1 유로(120)가 연료전지 스택으로 물(냉각수)을 공급하기 위해 형성되고, 제2 유로(140)가 연료전지 스택으로 수소를 공급하기 위해 형성될 수 있으며, 특히 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 유로(120)는 직선의 형상으로 형성되나, 상기 제2 유로(140)는 수소가 상기 제2 유로(140)의 내부로 공급되는 위치에서 수직으로 절곡되어 형성될 수 있다.
이는 연료전지 스택의 정상 작동 상태에서는 수소 저장탱크(미도시)로부터 공급되는 수소를 연료 전지의 연료극으로 공급하고, 수분을 포함하고 있는 미반응 수소를 배출하거나 연료전지 스택에 문제가 발생하여 수소의 압력이 과도하게 유입될 경우 수소를 배출하여 과압의 수소가 스택으로 공급되는 것을 방지하기 위함이다.
이에 따라, 상기 제2 유로(140)는 수평 유로(142)와 수직 유로(144)를 포함하도록 ㄱ자의 형상으로 형성될 수 있으며, 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소는 상기 제2 유로(140)의 절곡부, 구체적으로 절곡부에 형성된 결합포트를 통해 상기 제2 유로(140)의 내부로 유입되어 연료전지 스택의 정상 작동 시에는 상기 수평 유로(142)를 통해 공급되고, 정지 또는 비정상 작동 시에는 상기 수직 유로(144)를 통해 배출된다.
상기 복수의 결합포트(160)는 상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록(100)의 외주면에 형성되는 것으로, 복수의 어댑터(200)가 결합되기 위한 곳이다.
상기 결합포트(160)는 각각 상기 유로와 연통되는 연결관(162) 및 상기 연결관(162)을 둘러싸며 형성되는 제1 결합 플레이트(164)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 연결관(162)은 상기 유로와 연통되기 위해 상기 유로의 내부로부터 상기 모듈 블록(100)의 외주면으로 뻗어나오는 관으로 형성되며, 상기 제1 결합 플레이트(164)는 어댑터(200)가 결합되기 위한 베이스를 형성한다.
본 일 실시예에서 상기 복수의 결합포트(160)는 직육면체의 형상으로 이루어지는 상기 모듈 블록(100)의 일면에 형성되되, 이제 한정되는 것은 아니며 마주보는 양면에 형성되거나 측면에 형성되어도 무관하다.
구체적으로, 상기 복수의 결합포트(160)는 도 3에 도시된 바와 같이 총 6개로 이루어질 수 있으며, 각각 상기 제1 유로(120)의 양단과 연통되는 2개의 결합포트와, 상기 제2 유로(140)의 양단과 연통되는 2개의 결합포트와, 상기 제2 유로(140)의 절곡부와 연통되어 수소가 공급되기 위한 1개의 결합포트 및 상기 수평유로(142)의 중간부분과 연통되는 1개의 결합포트로 이루어진다.
상기 각 결합 포트(160)에는 유로의 분기방향, 구조물의 결합 여부 등에 따라 직경과 형상이 다양하게 형성된 서로 다른 복수의 어댑터들이 결합될 수 있으며, 이는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.
이때, 상기와 같이 하나 이상의 유로 및 복수의 결합 포트가 형성된 모듈 블록은 일체로 형성될 수도 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 부품들이 열 융착을 통해 조립됨으로써 형성될 수도 있다.
본 실시예에서는, 상기 제1 유로(120)와 제2 유로(140)의 하부 반쪽이 형성된 부품과, 상기 제1 유로(120)의 상부 반쪽이 형성된 부품 및 상기 제2 유로(140)의 상부 반쪽이 형성된 부품으로 나뉘어, 3개의 부품이 열 융착을 통해 하나의 모듈 블록(100)을 형성하도록 조립되고 있다.
상기 복수의 어댑터(200)는 상기 복수의 결합 포트(160)에 탈착 가능하게 결합되는 것으로, 상기 어댑터(200)는 일자 분기관, 구부러진 분기관 및 막음판 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 어댑터(200)는 다양한 직경 및 형상을 갖도록 미리 금형화되며, 상기 어댑터(200)는 유로 내의 유체가 분기되는 방향, 유량 조절, 유체의 성질 측정 등을 위해 구조물들이 결합되기 위한 연결체의 역할을 하게 된다.
이에 따라, 상기 어댑터(200)에는 유로 내의 유체가 분기되는 방향에 따라 다른 유로를 형성하는 파이프, 밸브 구조물 등이 결합하거나, 냉각수 공급을 위해 냉각수 탱크와 연결되는 파이프 등이 결합할 수 있고, 또는 유로 내 유체의 압력, 온도 등을 측정하기 위해 센서 구조물이 선택적으로 결합할 수 있다.
상기 어댑터(200)는 각각 상기 제1 결합 플레이트(164)와 대응되도록 형성되는 제2 결합 플레이트(220)를 포함하며, 상기 제2 결합 플레이트(220)에는 상기 연결관(162)을 막는 막음판 또는 상기 연결관(162)과 연통되는 일자 또는 구부러진 형상의 분기관이 설치될 수 있다.
구체적으로, 본 일 실시예에서 상기 제1 결합 플레이트(164) 및 제2 결합 플레이트(220)는 서로 마주보며 대응될 수 있도록 동일한 크기의 사각형상의 플레이트로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 결합 플레이트(164)의 중앙에 연결관(162)이 형성되고 있다.
상기 제1 결합 플레이트(164) 및 제2 결합 플레이트(220)에는 서로 대향하는 위치에 나사홀이 여러개 형성되어 있으며, 상기 플레이트들을 서로 마주보며 접촉시킨 상태에서 상기 나사홀을 통해 나사결합 함으로써 상기 어댑터(200)가 결합 포트(160)에 결합될 수 있다.
하지만, 상기 플레이트의 형상은 사각형상에 한정되는 것은 아니며 원형 등 어느 것이라도 무관하고, 어댑터가 결합 포트에 탈착 가능하게 결합 가능한 구조라면 나사 결합이 아니어도 무관하다. 이에 따라, 상기 어댑터(200)는 상기 결합 포트(160)에 조립 및 분리가 용이하여 유로 구조에 맞게 구조 변경이 용이하다는 장점이 있다.
도 5 내지 9에 도시된 바와 같이 본 일 실시예에서 상기 복수의 어댑터(200)는 5개의 종류로 분류될 수 있으며, 상기 제2 결합 플레이트(220)에 설치되는 구조의 형상에 따라 분류되고 있다.
구체적으로, 도 5 및 6에 도시된 어댑터는 상기 제2 결합 플레이트(220) 상에 상기 연결관(162)과 연통 가능하도록 형성된 파이프가 설치되고 있으며, 직경이 서로 상이하게 형성되어, 도 5에는 직경이 작은 제1 파이프(1240)가 설치되고 있고, 도 6에는 직경이 큰 제2 파이프(2240)가 설치되고 있다. 이에 따라, 직경이 다른 유로 파이프 또는 구조물과 용이하게 결합될 수 있다.
도 7에 도시된 어댑터는 도 5 및 6에 도시된 어댑터와 동일하게 상기 제2 결합 플레이트(220) 상에 상기 연결관(162)과 연통 가능하도록 형성된 파이프가 설치되고 있으나, 상기 제1 파이프(1240) 또는 제2 파이프(2240)와 같이 매끈한 형상의 파이프가 아니라 밸브 등의 구조물이 결합하기 쉽도록 결합부(3240)가 형성된 파이프 형상이 설치되고 있다.
도 8에 도시된 어댑터는 유로의 분기 방향에 따라 유체를 보낼 수 있도록 상기 제2 결합 플레이트(220) 상에 상기 연결관(162)과 연통 가능하도록 형성되되 구부러진 형상을 갖는 분기관(4240)이 설치되어 있으며, 매니폴드(manifold)의 역할을 할 수 있다.
도 9에 도시된 어댑터는 상기 제2 결합 플레이트(220) 상에 상기 연결관(162)을 막을 수 있는 막음판(5240)이 형성되어 있어, 유로 내의 유체가 외부로 연통되지 않도록 할 수 있다.
또한, 상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록(100)의 일측에 돌출 형성되어, 상기 유로로 유체의 유입 또는 유출이 가능하도록 하는 유출입배관(180)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 결합 포트(160) 이외에 상기 유출입배관(180)을 통해 유로 내로 유체가 유입 또는 유출될 수 있다.
본 일 실시예에서 상기 유출입배관(180)은 상기 제1 유로(120)의 일단부와 연통되면서 상기 모듈 블록(100)의 측면으로 돌출 형성되어, 상기 제1 유로(120)로 물의 유입 또는 유출이 가능하도록 한다.
이에 따라, 상기 제1 유로(120)의 양단에 2개의 결합 포트만 형성되더라도 1개의 유출입배관(180)이 별도로 형성되어, 2개의 결합 포트 중 하나의 결합 포트만 물의 유입 또는 유출을 위해 사용하고, 나머지 1개의 결합 포트는 상기 제1 유로(120) 내의 물의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 결합될 수 있도록 한다.
이때, 상기 제1 유로(120)와 제2 유로(140)의 각 양단은 상기 유출입배관(180)과 상기 결합 포트(160) 중 적어도 하나와 연통되어 있도록 구성함으로써, 각 유로의 양단을 통해 유체가 유입 또는 배출될 수 있도록 한다.
다음으로는, 도 10을 참고하여 본 일 실시예에서 상기 모듈 블록(100)에 복수의 어댑터(200)가 결합된 상태를 살펴보도록 한다. 총 6개의 결합 포트(160)에는 각 목적에 맞게 서로 다른 어댑터(200)들이 결합되어 있다.
우선, 상기 제1 유로(120)의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트에는 각각 제1 파이프(1240)와 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터가 결합되고 있다. 이는 상기 유출입배관(180) 및 상기 유출입배관(180)과 떨어진 결합 포트 상에 결합된 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터를 통해 상기 제1 유로(120)로 냉각수(물)를 유입 또는 유출시키기 위함이며, 이는 냉각수를 저장하고 있는 탱크의 위치 등에 따라 결정될 수 있다.
만약 냉각수 저장탱크(미도시)가 도 10을 기준으로 상기 모듈 블록(100)의 좌측에 위치하고 있다면, 상기 유출입배관(180)을 통해 상기 냉각수 저장탱크와 연결됨으로써 상기 유출입배관(180)을 통해 냉각수가 상기 제1 유로(120) 내로 유입되며, 상기 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터를 통해 냉각수가 공급되기 위한 연료전지 스택의 다른 유로와 연결되어 상기 제2 파이프(2240)를 통해 상기 제1 유로(120)로부터 냉각수가 유출될 수 있다.
또한, 상기 유출입배관(180)으로 냉각수가 유입되어 상기 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터를 통해 배출되는 유로 상에 설치된 상기 제1 파이프(1240)가 설치된 어댑터에는 냉각수의 공급 전 온도를 측정하기 위한 온도센서(TS)가 결합될 수 있으며, 온도센서가 결합되기 위해 직경이 작은 제1 파이프(1240)가 선택되어 결합되었다.
다음으로, 상기 제2 유로(140)의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트에는 각각 유로가 분기되는 방향에 따라 분기관(4240)이 설치된 어댑터와 결합부(3240)가 형성된 어댑터가 선택적으로 결합되고 있으며, 상기 분기관(4240)의 끝단에도 밸브가 결합되기 위한 결합부가 마찬가지로 형성될 수 있다.
본 일 실시예에서는, 상기 수평유로(142)의 단부와 연통되는 결합 포트에는 상기 분기관(4240)이 설치된 어댑터가 결합되어 있으며, 상기 수직유로(144)의 단부와 연통되는 결합 포트에는 상기 결합부(3240)가 형성된 파이프가 설치된 어댑터가 결합되어 있고, 각각에는 도 1에 도시된 바와 같이 밸브(V1, V2)가 설치된다.
이에 따라, 연료전지 스택의 정상 작동 상태에서는 상기 수평유로(142)의 단부에 결합된 밸브(V1)를 열고 상기 수직유로(144)의 단부에 결합된 밸브(V2)를 닫아 수소 저장탱크(미도시)로부터 공급되는 수소를 연료 전지의 연료극으로 공급할 수 있고, 수분을 포함하고 있는 미반응 수소를 배출하거나 연료전지 스택에 문제가 발생하여 수소의 압력이 과도하게 유입될 경우에는 반대로 상기 수직유로(144)의 단부에 결합된 밸브(V2)를 열고 상기 수평유로(142)의 단부에 결합된 밸브(V1)를 닫아 수소를 배출할 수 있다.
또한, 상기 제2 유로(140)의 절곡부와 연통되는 1개의 결합 포트에는 수소가 제2 유로(140) 내로 공급되기 위해 수소연료 저장탱크(미도시)와 연결되도록 하는 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터가 결합되어 있으며, 상기 제2 유로의 수평유로(142)와 연통되는 1개의 결합 포트에는 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력을 측정하기 위한 압력센서(PS)가 결합되기 위해 마찬가지로 제2 파이프(2240)가 설치된 어댑터가 결합되어 있다.
하지만, 상기와 같은 구조는 일 실시예에 불과하며 이에 한정되는 것은 아니고, 유로의 위치, 분기방향, 구조물의 설치 여부 등에 따라 복수의 결합 포트 및 이에 결합되는 어댑터의 구조가 다르게 형성될 수도 있다.
따라서, 최종적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제2 유로(140)의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 각각 밸브(V1, V2)가 설치될 수 있으며, 상기 제1 유로(120)의 일단부에 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제1 유로(120) 내부의 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(TS)가 결합될 수 있다.
또한, 상기 제2 유로의 수평 유로(142)의 중간부와 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제2 유로(140) 내부의 수소의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(PS)가 결합될 수 있다.
이에 따라, 상기 압력센서(PS)에서 측정된 수소의 압력을 기준 측정치와 비교하여 결과에 따라, 상기 수평유로(142) 또는 수직유로(144)를 통해 수소를 연료전지 스택으로 공급 또는 외부로 배출할 수 있도록 한다.
이때, 상기와 같이 연료전지 스택 내 다른 유로를 형성하거나 냉각수, 수소저장 탱크와 연결되는 파이프 또는 밸브 또는 센서는 O-ring과 클램프를 통해 상기 어댑터(200)에 결합될 수 있으며, 상기 O-ring 및 클램프는 유로 내의 유체가 외부로 누출되지 않도록 씰링(sealing)의 역할을 하여 견고한 결합이 가능하도록 한다.
결과적으로, 도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈화된 유로 구조가 연료전지 시스템에 적용된 상태가 도시되어 있으며, 시스템 내의 유로 구조가 보다 단순화될 뿐만 아니라, 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능하다.
구체적으로, 유로를 갖는 모듈 블록과 이에 탈착 가능하게 결합할 수 있는 다수의 어댑터를 포함함으로써, 분기형상에 맞는 유로 파이프 또는 덕트를 각각 제작하거나 용접을 통해 각 유로에 구조물을 결합할 필요없이, 어댑터를 이용하여 유로의 연결, 분기 또는 구조물의 결합 등이 이루어질 수 있어 제조 공정이 간략화될 수 있다.
또한, 어댑터는 직경 및 형상이 다양하게 금형화되며 모듈 블록의 결합 포트를 통해 쉽게 결합 또는 분리될 수 있음으로써, 파이프 또는 센서, 밸브 등의 구조물 연결이 용이하게 이루어질 수 있어 구조변경이 쉽고, 용접 부속을 제거 또는 감소시킬 수 있으므로 장기적으로 시스템의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유로 구조를 모듈화하여 제조 공정을 간소화 및 경량화할 수 있음은 물론, 모듈 간 호환 가능한 어댑터를 사용함으로써 구조변경이 용이하고 생산성 향상 및 원가 절감이 가능한 모듈화된 유로 구조 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

Claims (19)

  1. 모듈 블록;
    상기 모듈 블록의 내부에 형성되는 하나 이상의 유로;
    상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록의 외주면에 형성되는 복수의 결합 포트; 및
    상기 복수의 결합 포트에 탈착 가능하게 결합되는 복수의 어댑터;를 포함하며,
    상기 어댑터는 일자 분기관, 구부러진 분기관 및 막음판 중 어느 하나로 이루어지고,
    상기 어댑터에는 파이프 또는 밸브 또는 센서가 선택적으로 결합 가능한 모듈화된 유로 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합 포트는,
    상기 유로와 연통되는 연결관; 및
    상기 연결관을 둘러싸며 형성되는 제1 결합 플레이트;
    를 포함하는 모듈화된 유로 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 제1 결합 플레이트와 대응되도록 형성되는 제2 결합 플레이트를 포함하며,
    상기 제2 결합 플레이트에는 상기 연결관을 막는 막음판 또는 상기 연결관과 연통되는 일자 또는 구부러진 형상의 분기관이 설치되는 모듈화된 유로 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 결합 플레이트와 제2 결합 플레이트는 서로 대응하는 위치에 형성된 복수의 나사홀을 통해 나사결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유로와 연통되도록 상기 모듈 블록의 일측에 돌출 형성되어, 상기 유로로 유체의 유입 또는 유출이 가능하도록 하는 유출입배관;
    을 더 포함하는 모듈화된 유로 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 서로 연통하지 않는 제1 유로 및 제2 유로를 포함하며, 상기 복수의 결합 포트는 각각 상기 제1 유로 또는 제2 유로에 선택적으로 연통되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 유로와 제2 유로의 각 양단은 상기 유출입배관과 상기 결합 포트 중 적어도 하나와 연통되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조.
  8. 연료 가스 및 산화 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서,
    모듈 블록;
    상기 모듈 블록의 내부에 형성되며, 물이 공급되기 위한 제1 유로;
    상기 모듈 블록의 내부에 형성되며, 수소가 공급되기 위한 제2 유로;
    상기 제1 유로 또는 제2 유로와 선택적으로 연통되도록 상기 모듈 블록의 일면에 형성되는 복수의 결합 포트; 및
    상기 복수의 결합 포트에 탈착 가능하게 결합되는 복수의 어댑터;를 포함하며,
    상기 제1 유로는 직선의 형상으로 형성되며, 상기 제2 유로는 수소가 유로의 내부로 공급되는 위치에서 수직으로 절곡되어 형성되는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 어댑터는 일자 분기관, 구부러진 분기관 및 막음판 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 어댑터에는 파이프 또는 밸브 또는 센서가 선택적으로 결합 가능한 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 유로의 일단부와 연통되며 상기 모듈 블록의 측면으로 돌출 형성되어, 상기 제1 유로로 물의 유입 또는 유출이 가능하도록 하는 유출입배관;
    을 더 포함하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제2 유로는 수평 유로와 수직 유로를 포함하도록 ㄱ자의 형상으로 형성되며, 절곡부에서 공급되는 수소는 연료 전지 시스템의 정상 작동 시에는 상기 수평 유로를 통해 공급되고, 정지 또는 비정상 작동 시에는 상기 수직 유로를 통해 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 결합 포트는,
    상기 제1 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트와, 상기 제2 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트와, 상기 제2 유로의 절곡부와 연통되는 1개의 결합 포트 및 상기 제2 유로의 수평 유로의 중간부와 연통되는 1개의 결합 포트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유로의 양단과 연통되는 2개의 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 각각 밸브가 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 유로의 일단부에 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제1 유로 내부의 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 유로의 수평 유로의 중간부와 연통되는 결합 포트에 결합되는 어댑터에는 상기 제2 유로 내부의 수소의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 결합 포트는,
    상기 제1 유로 또는 제2 유로와 선택적으로 연통되는 연결관; 및
    상기 연결관을 둘러싸며 형성되는 제1 결합 플레이트;
    를 포함하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 제1 결합 플레이트와 대응되도록 형성되는 제2 결합 플레이트를 포함하며,
    상기 제2 결합 플레이트에는 상기 연결관을 막는 막음판 또는 상기 연결관과 연통되는 일자 또는 구부러진 형상의 분기관이 설치되는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 결합 플레이트와 제2 결합 플레이트는 서로 대응하는 위치에 형성된 복수의 나사홀을 통해 나사결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 파이프 또는 밸브 또는 센서는 O-ring과 클램프를 통해 상기 어댑터에 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 유로 구조를 갖는 연료 전지 시스템.
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