KR101028023B1 - Exhaust system for fuel cell electric vehicle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 배기 장치에 관한 것으로서, 차량 전방 또는 언더 플로어 등 연료전지 스택 장착 위치에서 스택의 배기 가스를 배출하는 주 배기 라인과, 차량 후미로 길게 연결되어 스택의 배기 가스를 차량 후방으로 배출하는 바이패스 배기 라인을 구비하고, 상기 주 배기 라인의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 개폐밸브를 설치하여 구성된 연료전지 차량의 배기 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust device for a fuel cell vehicle, and includes a main exhaust line for discharging the exhaust gas of the stack at a fuel cell stack mounting position such as the front of the vehicle or the underfloor, and the exhaust gas of the stack to be connected to the rear of the vehicle for a long time. The exhaust gas of the fuel cell vehicle is provided with a bypass exhaust line for discharging the gas, and an on-off valve for selectively opening and closing the flow path of the main exhaust line.

이러한 본 발명의 배기 장치에서는 상기 개폐밸브의 제어를 통해 스택에서 배출되는 배기 가스의 유로를 운전 조건에 따라 조절할 수 있으며, 특히 아이들 운전 및 저출력 운전 조건에서는 스택의 배기 가스를 바이패스 배기 라인만을 통해 차량 후방으로 배출하고 차량 하부로는 배기 가스의 유출을 방지할 수 있으므로 종래와 같은 스택 주변 부품의 부식 문제, 승객의 습기에 의한 불쾌감 문제, 고장 오인 문제 등이 해소될 수 있다.In the exhaust device of the present invention, the flow path of the exhaust gas discharged from the stack can be adjusted according to the operating conditions through the control of the opening / closing valve, and in particular, in the idle operation and the low power operation conditions, the exhaust gas of the stack is controlled only through the bypass exhaust line. Since it can be discharged to the rear of the vehicle and the exhaust gas can be prevented to the lower part of the vehicle, corrosion problems of components around the stack, discomfort caused by moisture of passengers, malfunction misunderstanding problems and the like can be solved.

연료전지, 배기 장치, 듀얼 배기, 주 배기 라인, 바이패스 배기 라인, 개폐밸브 Fuel Cell, Exhaust System, Dual Exhaust, Main Exhaust Line, Bypass Exhaust Line, On / Off Valve

Description

연료전지 차량의 배기 장치{EXHAUST SYSTEM FOR FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}Exhaust system of fuel cell vehicle {EXHAUST SYSTEM FOR FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료전지 차량의 배기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 배출되는 배기 가스를 배출하기 위한 연료전지 차량용 배기 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an exhaust device for a fuel cell vehicle, and more particularly to an exhaust device for a fuel cell vehicle for exhausting the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합 체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of such a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently researched as a power supply for driving a vehicle, has a membrane centered around an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides, and a Gas Diffusion Layer (GDL) that distributes the reactants evenly and delivers the generated electrical energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper clamping pressure of the reactor bodies and the coolant, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and the coolant.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction.

이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

이와 같은 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.The electrode reaction of the fuel cell is represented by the following equation.

[애노드에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e- [Reaction at the anode] 2H 2 → 4H + + 4e -

[캐소드에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O[Reaction at cathode] O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지[Total Reaction] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Electrical + Thermal

상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소 이온과 4개의 전자가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소 이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다. As shown in the above scheme, the hydrogen molecules are decomposed at the anode to generate four hydrogen ions and four electrons. The generated electrons move through an external circuit to generate a current, and the generated hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte membrane to perform a cathode reaction.

상기 환원극 반응을 위해 수소 이온은 전해질막을 통과해 지나가야만 하는데, 이때 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응기체와 막을 가습하게 된다. For the cathode reaction, hydrogen ions must pass through the electrolyte membrane, wherein the membrane permeability of hydrogen is determined as a function of water content, and as the reaction proceeds, water is generated to humidify the reactor body and the membrane.

가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 전해질막이 말라 버리며, 이에 연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 전해질막이 습하게 유지되어야 한다. 막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.If the gas is dry, the entire amount of water produced by the reaction is used to humidify the air, which causes the electrolyte membrane to dry out. Thus, the electrolyte membrane must be kept wet to properly operate the fuel cell. If the membrane is too wet, pores of the gas diffusion layer may be blocked, and thus the reactor may not come into contact with the catalyst. For this reason, it is very important to properly maintain the water content of the membrane.

연료전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는데, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료전지로 공급되기 전에 공기는 원활한 작동을 위해서 충분히 가습된다. The fuel cell is supplied with atmospheric air, not pure oxygen, as an oxidant. The atmospheric air humidity is not moist enough to wet the membrane, so the air is sufficiently humidified for smooth operation before being supplied to the fuel cell.

한편, 연료전지 차량에서 스택의 운전에 따라 연료전지 반응의 산화제로 사용한 공기 중의 질소와 캐소드(공기극)에서 생성된 생성수들이 전해질막을 통해 크로스 오버되어 애노드(수소극) 측으로 이동해 온다. On the other hand, as the stack is operated in the fuel cell vehicle, nitrogen in the air used as the oxidant of the fuel cell reaction and generated water generated in the cathode (air electrode) cross over the electrolyte membrane and move to the anode side (hydrogen electrode).

이때, 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 통상의 연료전지 시스템에는 수소 퍼지를 위한 장치가 구비된다.At this time, since nitrogen deteriorates the performance of the stack by lowering the partial pressure of hydrogen, and generated water inhibits the movement of hydrogen by blocking the flow path, it is necessary to secure stable performance of the stack through periodic purge of the hydrogen electrode. To this end, conventional fuel cell systems are equipped with a device for purging hydrogen.

또한 연료전지 스택에서는 필요량보다 많은 공기가 공급되고 내부에서 산소의 일부가 사용된 후 나머지 산소와 공기 중의 질소 성분이 배출된다. 이때, 연료전지 스택의 배기 가스는 내부에서 발생한 물(H2O) 성분에 의해 RH 100% 상태로 가습된 상태이다. In addition, the fuel cell stack is supplied with more air than necessary, and a portion of oxygen is used therein, and the remaining oxygen and nitrogen in the air are discharged. At this time, the exhaust gas of the fuel cell stack is humidified to RH 100% by the water (H 2 O) component generated therein.

이에 스택에서 배출된 가습 공기는 가습기를 거치도록 한 뒤 배출하고 있으며, 가습기에서 스택에 공급될 공기(공기블로워에 의해 공급), 즉 외기인 건조공기를 가습하는데 활용하고 있다. 그러나, 상기와 같이 스택에 공급될 공기와의 수분 교환을 마친 배기 가스라 하더라도 그 습도가 매우 높기 때문에 이를 그냥 배출할 경우 문제가 있다.Accordingly, the humidified air discharged from the stack is discharged after passing through the humidifier, and is used to humidify the air to be supplied to the stack from the humidifier (supply by an air blower), that is, dry air that is outside air. However, even if the exhaust gas after the water exchange with the air to be supplied to the stack as described above, the humidity is very high, so if there is a problem to just discharge it.

첨부한 도 1과 도 2는 종래의 연료전지 차량용 배기 장치를 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 종래기술의 문제점에 대해 설명하면 다음과 같다.1 and 2 are views illustrating a conventional fuel cell vehicle exhaust apparatus, which will be described below with reference to the problems of the prior art.

통상의 연료전지 차량에서 스택(S)은 차량 전방 또는 언더 플로어에 위치한 다. 이때, 스택(S)에서 배출되는 배기 가스는 도 1에 나타낸 바와 같이 차량 전방의 하부로 직접 버려지거나, 도 2에 나타낸 바와 같이 차량 후미로 연결되는 배기 라인(1)을 통해 차량 후방으로 버려진다.In a typical fuel cell vehicle, the stack S is located at the front or under floor of the vehicle. At this time, the exhaust gas discharged from the stack S is directly discarded to the lower part of the front of the vehicle as shown in FIG. 1 or discarded to the rear of the vehicle through the exhaust line 1 connected to the rear of the vehicle as shown in FIG. .

그러나, 도 1에서와 같이 스택 장착 위치에서 RH 100% 가습 공기를 직접 배출하는 경우, 즉 가습 공기가 차량 전방 또는 하부로 직접 버려질 경우, 차체와 구동장치 등에 직접 닿을 수 있기 때문에 주변 부품을 부식시킬 우려가 있다. 또한 승/하차시 운전자와 승객에게 습기가 직접 전해져 불쾌감을 줄 수 있으며, 더욱이 겨울철에는 응축된 공기가 흰 연기처럼 보여져 엔진룸이나 차량 하부에 고장이 생긴 것으로 오해할 가능성이 있다.However, as shown in FIG. 1, when the RH 100% humidified air is directly discharged from the stack mounting position, that is, when the humidified air is thrown directly to the front or the bottom of the vehicle, the surrounding parts may be directly contacted with the vehicle body and the driving device. There is a fear. In addition, moisture can be directly transmitted to drivers and passengers when getting on and off, and in winter, condensed air looks like white smoke, which can be misunderstood as a failure in the engine room or under the vehicle.

이를 방지하기 위해 차량 후방으로 배기 가스를 배출할 경우, 즉 도 2에서와 같이 차량 후미로 길게 배기 라인(1)을 연결하여 배기 가스를 배출할 경우, 배기 라인에서의 과도한 압력 강하로 인해 공기블로워(또는 압축기)의 손실이 발생하게 된다. To prevent this, when the exhaust gas is discharged to the rear of the vehicle, that is, when the exhaust line 1 is discharged by connecting the exhaust line 1 to the rear of the vehicle as shown in FIG. 2, the air blower is caused by excessive pressure drop in the exhaust line. (Or compressor) loss occurs.

특히, 배기 라인(1)에서 발생하는 압력 강하를 이기기 위해 공기블로워의 추가적인 전력 소모가 발생하여 전체적인 효율 감소의 문제가 있게 된다. 또한 최대 출력 구간에서 많은 유량을 통과시키기 위해서는 매우 큰 직경의 배관이 차량 후방까지 연결되어야 하며, 배관의 단면 증대, 길이 과다로 인해 차량 레이아웃 측면에서 불리해진다. In particular, an additional power consumption of the air blower is generated to overcome the pressure drop occurring in the exhaust line 1, resulting in a problem of reducing the overall efficiency. In addition, in order to pass a large flow rate at the maximum output section, a very large diameter pipe must be connected to the rear of the vehicle.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 배기 가스의 유로를 운전 조건에 따라 조절할 수 있고, 특히 아이들 운전 또는 저출력 운전 조건에서는 스택의 배기 가스를 차량 후방으로만 배출하고 스택 주변의 차량 하부로는 배기 가스 유출을 방지하여 종래와 같은 스택 주변 부품의 부식 문제, 승객의 습기에 의한 불쾌감 문제, 고장 오인 문제 등이 해소될 수 있는 연료전지 차량의 배기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, the exhaust gas flow path can be adjusted according to the driving conditions, in particular, in the idle driving or low power driving conditions, the exhaust gas of the stack is discharged only to the rear of the vehicle and the stack The purpose of the present invention is to provide an exhaust device of a fuel cell vehicle, which prevents the exhaust gas from leaking out of the surrounding vehicle, which can solve the problems of conventional stack peripheral components, passenger discomfort caused by moisture, and malfunction misunderstanding. There is this.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 차량의 스택 장착 위치에서 스택의 배기 가스를 배출하는 주 배기 라인과, 차량 후미로 길게 연결되어 스택의 배기 가스를 차량 후방으로 배출하는 바이패스 배기 라인을 구비하고, 상기 주 배기 라인의 유로를 연료전지의 운전조건에 따라 선택적으로 개폐하기 위한 개폐밸브를 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, the main exhaust line for discharging the exhaust gas of the stack at the stack mounting position of the fuel cell vehicle, and the bypass connected to the vehicle long to bypass the exhaust gas of the stack to the rear of the vehicle It is provided with an exhaust line, and provides an exhaust device for a fuel cell vehicle, characterized in that provided with an on-off valve for selectively opening and closing the flow path of the main exhaust line in accordance with the operating conditions of the fuel cell.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배기 장치에 의하면, 개폐밸브의 제어를 통해 스택에서 배출되는 배기 가스의 유로를 운전 조건에 따라 조절할 수 있으며, 특히 아이들 및 저출력 운전 조건에서 스택의 배기 가스를 바이패스 배기 라인만을 통해 차량 후방으로 배출하고 차량 하부로 배기 가스가 유출되는 것을 방지할 수 있으므로 종래와 같은 스택 주변 부품의 부식 문제, 승객의 습기에 의한 불쾌감 문제, 고장 오인 문제 등이 해소될 수 있다.Accordingly, according to the exhaust device of the fuel cell vehicle according to the present invention, the flow path of the exhaust gas discharged from the stack can be adjusted according to the operating conditions through the control of the opening / closing valve. Can be discharged to the rear of the vehicle through the bypass exhaust line only, and the exhaust gas can be prevented from leaking to the underside of the vehicle. Thus, the problem of corrosion of the surrounding components of the stack, unpleasantness caused by the moisture of passengers, and malfunction misunderstanding are eliminated. Can be.

또한 고출력 운전 조건에서 배기라인의 압력 강하량을 감소시킬 수 있고, 작은 단면적의 바이패스 라인 사용으로 차량 레이아웃 측면에서 배기 라인 구성이 유리해지는 장점이 있다.In addition, it is possible to reduce the pressure drop of the exhaust line under high power driving conditions, and the configuration of the exhaust line is advantageous in terms of vehicle layout by using a bypass line having a small cross-sectional area.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 배기 장치에서 배기 라인의 설치상태도이고, 도 4는 본 발명에 따른 배기 장치에서 배기 가스 유로 구성을 도시한 개략도이다.FIG. 3 is an installation state diagram of the exhaust line in the exhaust apparatus according to the present invention, and FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the exhaust gas flow path in the exhaust apparatus according to the present invention.

또한 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 배기 장치에서 가습기를 거치도록 설치된 주 배기 라인과 바이패스 배기 라인의 분기 상세도이다.5 is a detailed view of the branch of the main exhaust line and the bypass exhaust line installed through the humidifier in the exhaust apparatus according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지 차량용 듀얼 타입의 배기 장치에 관한 것으로서, 주 배기 라인(11)과 바이패스 배기 라인(13)을 동시에 적용하여 기존 배기 라인의 문제점을 해결하고자 한 것이다.As shown, the present invention relates to a dual type exhaust device for a fuel cell vehicle, and to solve the problems of the existing exhaust line by applying the main exhaust line 11 and the bypass exhaust line 13 at the same time.

즉, 본 발명의 배기 장치는, 연료전지 스택(S)의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 라인으로 스택 장착 위치에서 배기 가스를 배출하는 주 배기 라인(11)과, 차 량 후미로 길게 연결되어 배기 가스를 배출하는 작은 단면적의 바이패스 배기 라인(13)을 구비하고, 상기 주 배기 라인(11)의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 개폐밸브(12)를 설치하여 구성된다.That is, the exhaust device of the present invention is an exhaust line for discharging the exhaust gas of the fuel cell stack S, and the main exhaust line 11 for discharging the exhaust gas at the stack mounting position is connected to the rear of the vehicle for a long time and is exhausted. A bypass exhaust line 13 having a small cross-sectional area for discharging gas is provided, and an on-off valve 12 for selectively opening and closing the flow path of the main exhaust line 11 is provided.

상기 주 배기 라인(11)은 차량 전방 또는 언더 플로어의 스택 장착 위치에서 배기 가스를 배출하도록 설치되는 배기 라인으로, 상대적으로 큰 단면적으로 설치되며, 또한 연료전지 스택(S)의 배기 가스를 차량 하부로 바로 배출하도록 짧은 길이로 설치된다.The main exhaust line 11 is an exhaust line installed to exhaust the exhaust gas at the front of the vehicle or at the stack mounting position of the underfloor. The main exhaust line 11 is installed at a relatively large cross-sectional area. It is installed in a short length so that it is discharged immediately.

상기 바이패스 배기 라인(13)은 배기 가스를 차량 후방으로 배출하도록 설치되는 일종의 보조 배기 라인으로, 도 4에 나타낸 바와 같이 주 배기 라인(11)으로부터 분기되어 작은 단면적으로 설치되며, 연료전지 스택(S)의 배기 가스를 차량 후방으로 안내하여 배출하도록 차량 후미로 길게 연장되는 배기 라인이다.The bypass exhaust line 13 is a kind of auxiliary exhaust line which is installed to discharge the exhaust gas to the rear of the vehicle, and is branched from the main exhaust line 11 and installed in a small cross-section as shown in FIG. 4. An exhaust line extending long to the rear of the vehicle to guide and discharge the exhaust gas of S) to the rear of the vehicle.

또한 상기 개폐밸브(12)는 주 배기 라인(11) 상에 설치되어 주 배기 라인의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브로서, 제어기(10)가 출력하는 제어신호에 의해 개폐 구동이 제어되며, 모터 또는 솔레노이드를 사용한 전자식 밸브, 진공을 이용한 밸브 등이 사용될 수 있다. In addition, the on-off valve 12 is installed on the main exhaust line 11 to selectively open and close the flow path of the main exhaust line, the opening and closing drive is controlled by a control signal output from the controller 10, the motor or Electronic valves using solenoids, valves using vacuum, and the like can be used.

이러한 본 발명에서 제어기(10)는 연료전지 시스템 제어기가 될 수 있으며, 연료전지 시스템 제어기는 연료전지(차량)의 운전 조건에 따라 상기 개폐밸브(12)를 적절히 개폐 제어하도록 구비된다.In the present invention, the controller 10 may be a fuel cell system controller, and the fuel cell system controller is provided to control the opening and closing of the open / close valve 12 according to the operating conditions of the fuel cell (vehicle).

이와 같이 본 발명에서는 밸브를 사용하여 스택에서 배출되는 배기 가스의 유로를 연료전지 운전 조건에 따라 조절하게 되는데, 아이들 운전시에는 제어 기(10)가 상기 개폐밸브(12)를 차단하여 배기 가스를 바이패스 배기 라인(13)만을 통해 차량 후방으로 배출하고, 차량 하부로 배기 가스가 유출되는 것을 방지한다.As described above, in the present invention, the flow path of the exhaust gas discharged from the stack is regulated according to the fuel cell operating conditions by using a valve. During idle operation, the controller 10 blocks the open / close valve 12 to exhaust the exhaust gas. Discharges to the rear of the vehicle only through the bypass exhaust line 13 and prevents the exhaust gas from flowing out to the underside of the vehicle.

반면, 운전 중 기설정된 임계출력 값 이상의 고출력 운전 구간에서는 제어기(10)가 상기 개폐밸브(12)를 개방하여 배기 가스를 주 배기 라인(11)과 바이패스 배기 라인(13)을 통해 동시에 배출하게 된다.On the other hand, in the high-power operation section over the predetermined threshold output value during operation, the controller 10 opens the shut-off valve 12 to simultaneously discharge the exhaust gas through the main exhaust line 11 and the bypass exhaust line 13. do.

여기서, 연료전지 시동 후 아이들 운전시(차량 정차시 등) 및 기설정된 임계출력 값 미만의 저출력 운전 구간에서는 적은 유량의 공기만을 필요로 하며, 따라서 개폐밸브(12)를 닫은 상태로 작은 직경의 바이패스 배기 라인(13)을 이용해 차량 후방으로 공기를 배출할 수 있다. 이때, 스택(S) 주위(차량 전방 또는 언더 플로어)로는 배기 가스가 배출되지 않으므로 어떠한 문제점도 발생하지 않으며, 종래와 같은 주변 부품의 부식 문제, 승객의 습기에 의한 불쾌감 문제, 고장 오인 문제 등이 해소될 수 있다.Here, only a small flow rate of air is required during idle operation (such as when the vehicle is stopped) after a fuel cell start and in a low output operation section below a predetermined threshold output value. The pass exhaust line 13 may be used to exhaust air to the rear of the vehicle. At this time, since no exhaust gas is discharged around the stack S (front or under floor of the vehicle), no problem occurs, and conventional problems such as corrosion of peripheral components, discomfort caused by passengers' moisture, malfunction misunderstanding, etc. Can be eliminated.

반면, 차량 주행이 시작되고 임계출력 값 이상의 고출력 구간에 진입하면, 개폐밸브(12)를 열어 주 배기 라인(11)을 통해서도 배기 가스를 배출하여 배기 배관에서 발생하는 압력 강하에 의한 손실을 줄일 수 있다. 또한 주행이 시작되면 주행풍에 의해 배기 가스가 후방으로 밀려가면서 희석되므로 주변 부품에 대한 부식을 줄일 수 있으며, 승객에게도 영향을 주지 않는다. On the other hand, when the vehicle starts running and enters a high output section above the threshold output value, the on / off valve 12 is opened to exhaust the exhaust gas through the main exhaust line 11, thereby reducing the loss due to the pressure drop generated in the exhaust pipe. have. In addition, when driving starts, the exhaust gas is pushed backward by the driving wind and diluted, thereby reducing corrosion on surrounding parts and not affecting passengers.

이와 같이 본 발명에서는 아이들 운전시 및 저출력 구간에서 유로가 차단되는 주 배기 라인(11)과, 상시 개방 유로로서 작은 단면적의 바이패스 배기 라인(13)을 병용한 듀얼 타입의 배기 유로 구조를 채용함으로써, 기존 배기 장치의 문제점이 모두 해소될 수 있게 된다.As described above, the present invention employs a dual type exhaust flow path structure in which the main exhaust line 11 in which the flow path is cut off during the idle operation and in the low power section and the bypass exhaust line 13 having a small cross-sectional area as the normally open flow path are used together. Therefore, all the problems of the existing exhaust system can be solved.

한편, 첨부한 도 6 ~ 도 10은 본 발명에 따른 배기 장치의 여러 실시예를 도시한 도면으로, 상기와 같은 본 발명의 배기 장치는 기본적으로 공기 배기용(캐노드 배기용), 즉 연료전지 스택(S)의 캐소드(Sc)로부터 배출되는 배기 가스(연료전지 반응을 위해 스택의 캐소드로 공급된 뒤 배출되는 공기로서 반응에 사용하고 남은 나머지 산소와 질소 성분, 수분 등을 포함함)를 배출하는 것일 수 있으나(도 6 참조), 수소 배기용(애노드 배기용), 즉 연료전지 스택(S)의 애노드(Sa)로부터 배출되는 배기 가스를 배출하는 것일 수 있다(도 7 참조).6 to 10 are views illustrating various embodiments of an exhaust device according to the present invention. The exhaust device of the present invention is basically for air exhaust (for anode exhaust), that is, a fuel cell. Exhaust gas exhausted from the cathode Sc of the stack S (air remaining after being supplied to the cathode of the stack for fuel cell reaction and containing the remaining oxygen, nitrogen, moisture, etc. used in the reaction) Although it may be (see FIG. 6), it may be for exhausting hydrogen (for anode exhaust), that is, exhaust gas discharged from the anode Sa of the fuel cell stack S (see FIG. 7).

즉, 주 배기 라인(11)을 연료전지 스택(S)의 캐소드(Sc)에 직접 연결하고 바이패스 배기 라인(13)을 상기 캐소드(Sc)의 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치하여 구성되거나, 주 배기 라인(11)을 연료전지 스택(S)의 애노드(Sa)에 직접 연결하고 바이패스 배기 라인(13)을 상기 애노드(Sa)의 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치하여 구성될 수 있는 것이다. 물론, 두 경우 모두 운전 조건에 따라 주 배기 라인(11)에 설치된 개폐밸브(12)의 구동이 제어되며, 이는 전술한 바와 같다.That is, the main exhaust line 11 is directly connected to the cathode Sc of the fuel cell stack S, and the bypass exhaust line 13 is branched from the main exhaust line 11 of the cathode Sc. The main exhaust line 11 may be connected directly to the anode Sa of the fuel cell stack S, and the bypass exhaust line 13 may be branched from the main exhaust line 11 of the anode Sa. It is. Of course, in both cases, the driving of the on-off valve 12 installed in the main exhaust line 11 is controlled according to the operating conditions, as described above.

또한 본 발명의 배기 장치는 애노드 퍼지용 수소가 배출되는 퍼지 수소 배기 용도로 적용이 가능한데, 이때 수소 퍼지 라인(3)과 연결되는 주 배기 라인(11)이 설치되고, 상기 주 배기 라인(11)에 바이패스 배기 라인(13)이 분기 설치되어 구성될 수 있다(도 8 참조).In addition, the exhaust device of the present invention is applicable to the purge hydrogen exhaust for exhausting hydrogen for the anode purge, wherein the main exhaust line 11 is connected to the hydrogen purge line 3 is installed, the main exhaust line 11 The bypass exhaust line 13 may be branched off and configured (see FIG. 8).

따라서, 수소 퍼지 라인(3)의 퍼지 밸브(4)가 개폐될 때마다 바이패스 배기 라인(13) 단독으로 퍼지 수소(애노드를 퍼지한 배기 가스)가 배출되거나 주 배기 라인(11) 및 바이패스 배기 라인(13)으로 동시에 수소가 배출될 수 있으며, 이 경우 역시 운전 조건에 따라 주 배기 라인(11)에 설치된 개폐밸브(12)의 구동이 제어되며, 이는 전술한 바와 같다. Therefore, whenever the purge valve 4 of the hydrogen purge line 3 is opened and closed, the purge hydrogen (exhaust gas purging the anode) is discharged to the bypass exhaust line 13 alone, or the main exhaust line 11 and the bypass are exhausted. Hydrogen may be discharged to the exhaust line 13 at the same time. In this case, the driving of the on / off valve 12 installed in the main exhaust line 11 is also controlled according to the operating conditions, as described above.

그리고, 본 발명의 배기 장치는, 도 5 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 스택 공급용 공기를 가습시킨 배기 가스가 배출되도록 주 배기 라인(11)을 가습기(H) 후단에 설치하고, 바이패스 배기 라인(13)을 상기 가습기 후단의 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치하여 구성될 수 있다.In the exhaust device of the present invention, as shown in Figs. 5 and 9, the main exhaust line 11 is provided at the rear end of the humidifier H so that the exhaust gas moistened with the stack supply air is discharged, and bypass exhaust is performed. The line 13 may be formed by branching from the main exhaust line 11 behind the humidifier.

이는 공기 배기용, 즉 연료전지 스택(S)의 캐소드(Sc)로부터 배출된 뒤 가습기(H)를 통과한 배기 가스를 배출하기 위한 것으로, 바이패스 배기 라인(13) 단독으로 배기 가스가 배출되거나 주 배기 라인(11) 및 바이패스 배기 라인(13)으로 동시에 배기 가스가 배출될 수 있으며, 이 경우 역시 운전 조건에 따라 개폐밸브(12)의 구동이 제어되며, 이는 전술한 바와 같다.This is for exhausting air, that is, for exhausting the exhaust gas that has passed through the humidifier H after being discharged from the cathode Sc of the fuel cell stack S, and exhaust gas is exhausted by the bypass exhaust line 13 alone. Exhaust gas may be simultaneously discharged to the main exhaust line 11 and the bypass exhaust line 13, in which case the driving of the on / off valve 12 is also controlled according to the operating conditions, as described above.

이때, 수소 퍼지 라인(3)을 가습기(H)에 연결하여 퍼지 수소(애노드 퍼지용)를 가습기(H)의 공기(스택의 캐소드에서 배출된 가습 공기)에 의해 희석되어 배출되도록 구성할 경우, 주 배기 라인(11) 및 바이패스 배기 라인(13)을 통해서는 수소가 공기에 의해 희석되어 함께 배출된다(도 10 참조).In this case, when the hydrogen purge line 3 is connected to the humidifier H, the purge hydrogen (for anode purge) is configured to be diluted and discharged by the air of the humidifier H (humidified air discharged from the cathode of the stack). Through the main exhaust line 11 and the bypass exhaust line 13, hydrogen is diluted with air and discharged together (see FIG. 10).

이 경우에도 바이패스 배기 라인(13) 단독으로 배기 가스(공기 + 수소)가 배출되거나 주 배기 라인(11) 및 바이패스 배기 라인(13)으로 동시에 배기 가스가 배출될 수 있고, 이 경우 역시 운전 조건에 따라 주 배기 라인(11)에 설치된 개폐밸브(12)의 구동이 제어되며, 이는 전술한 바와 같다. Even in this case, the exhaust gas (air + hydrogen) may be exhausted by the bypass exhaust line 13 alone, or exhaust gas may be simultaneously exhausted into the main exhaust line 11 and the bypass exhaust line 13, in which case also operation According to the conditions, the driving of the on-off valve 12 installed in the main exhaust line 11 is controlled, as described above.

도 1과 도 2는 종래의 연료전지 차량용 배기 장치를 나타낸 도면,1 and 2 is a view showing a conventional fuel cell vehicle exhaust device,

도 3은 본 발명에 따른 배기 장치에서 배기 라인의 설치상태도, Figure 3 is an installation state of the exhaust line in the exhaust device according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 배기 장치에서 배기 가스 유로 구성을 도시한 개략도,Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of the exhaust gas flow path in the exhaust device according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 배기 장치에서 가습기를 거치도록 설치된 주 배기 라인과 바이패스 배기 라인의 분기 상세도,Figure 5 is a branch detail of the main exhaust line and the bypass exhaust line installed to go through the humidifier in the exhaust device according to the present invention,

도 6 ~ 도 10은 본 발명에 따른 배기 장치의 여러 실시예를 도시한 도면.6 to 10 show various embodiments of an exhaust device according to the invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 제어기 11 : 주 배기 라인10 controller 11 main exhaust line

12 : 개폐밸브 13 : 바이패스 배기 라인12: on-off valve 13: bypass exhaust line

S : 연료전지 스택 Sc : 캐소드S: Fuel Cell Stack Sc: Cathode

Sa : 애노드 H : 가습기Sa: anode H: humidifier

Claims (6)

스택 공급용 공기를 가습시킨 배기 가스가 배출되도록 주 배기 라인(11)이 가습기(H)의 후단에 설치되고, 상기 가습기(H)의 후단의 주 배기 라인(11)으로부터 바이패스 배기 라인(13)이 분기 설치되어 구성되며,The main exhaust line 11 is installed at the rear end of the humidifier H so that the exhaust gas humidifying the stack supply air is discharged, and the bypass exhaust line 13 is discharged from the main exhaust line 11 at the rear end of the humidifier H. ) Is installed and configured on a branch, 상기 바이패스 배기 라인(13)은 주 배기 라인(11)에 비해 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 차량 후미로 길게 연장되어, 배기 가스를 차량 후방으로 안내하여 배출할 수 있게 되고, The bypass exhaust line 13 has a relatively small cross-sectional area compared to the main exhaust line 11 and extends long to the rear of the vehicle, thereby guiding and discharging exhaust gas to the rear of the vehicle, 상기 주 배기 라인(11)은 바이패스 배기 라인(13)에 비해 상대적으로 큰 단면적과 상대적으로 짧은 길이로 설치되어, 배기 가스를 차량 하부로 바로 배출할 수 있게 되며, The main exhaust line 11 is installed with a relatively large cross-sectional area and a relatively short length compared to the bypass exhaust line 13, it is possible to discharge the exhaust gas directly to the lower part of the vehicle, 연료전지의 아이들 운전시 및 기설정된 임계출력값 미만의 저출력 운전 구간에서 제어기(10)의 제어하에 주 배기 라인(11)의 유로를 차단하고, 상기 임계출력값 이상의 고출력 운전 구간에서 주 배기 라인(11)의 유로를 개방하도록 된 개폐밸브(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기 장치. Blocks the flow path of the main exhaust line 11 under the control of the controller 10 during idle operation of the fuel cell and in the low output operation section below the predetermined threshold output value, and the main exhaust line 11 in the high output operation section above the threshold output value. Exhaust device of a fuel cell vehicle, characterized in that it comprises a shut-off valve 12 to open the flow path. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 주 배기 라인(11)이 연료전지 스택(S)의 캐소드(Sc)에 연결되고 상기 바이패스 배기 라인(13)이 상기 캐소드(Sc)의 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치되어 캐소드 배기용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기 장치.The method according to claim 1, wherein the main exhaust line (11) is connected to the cathode (Sc) of the fuel cell stack (S) and the bypass exhaust line (13) branches from the main exhaust line (11) of the cathode (Sc). An exhaust device for a fuel cell vehicle, which is provided and configured for cathode exhaust. 청구항 1에 이어서, 상기 주 배기 라인(11)이 연료전지 스택(S)의 애노드(Sa)에 연결되고 상기 바이패스 배기 라인(13)이 상기 애노드(Sa)의 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치되어 애노드 배기용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기 장치.Subsequently, the main exhaust line 11 is connected to the anode Sa of the fuel cell stack S and the bypass exhaust line 13 branches off from the main exhaust line 11 of the anode Sa. An exhaust device for a fuel cell vehicle, which is provided and configured for anode exhaust. 청구항 1에 있어서, 상기 주 배기 라인(11)이 수소 퍼지 라인(3)에 연결되고 상기 바이패스 배기 라인(13)이 상기 주 배기 라인(11)으로부터 분기 설치되어 퍼지 수소 배기용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배기 장치.The method according to claim 1, wherein the main exhaust line 11 is connected to a hydrogen purge line 3 and the bypass exhaust line 13 is branched from the main exhaust line 11 to be configured for purge hydrogen exhaust. An exhaust device for a fuel cell vehicle, characterized in that. 삭제delete
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