KR101134427B1 - 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지를 위한 퍼지장치에 관한 것으로서, 연료전지의 냉시동 동안 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하고 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치에 관한 것이다. 이를 위해, 연료전지 스택의 퍼지가스 출구에 연결되어 스택을 퍼지한 퍼지가스 및 불순물이 배출되는 메인 배관과; 상기 메인 배관에서 분기되어 설치되는 보조 배관과; 상기 메인 배관과 보조 배관에 설치되어 퍼징동작을 수행하는 퍼지밸브와; 상기 보조 배관에서 퍼지밸브 상류측으로 설치되는 차단밸브와; 상기 퍼지밸브 및 차단밸브의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하여 구성된다.

연료전지, 스택, 퍼지, 밸브, 냉시동

Description

연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치{Purge system for improved cold start-up performance of fuel cell}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동 동안 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하고 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지용 퍼지장치에 관한 것이다.

수소 연료전지 자동차에서 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템과, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.

여기서, 수소공급장치는 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 공기밸브, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.

수소공급장치에서는 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소가 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인의 블로워가 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다.

공기공급장치에서는 공기블로워에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기를 통과하는 동안 스택의 캐소드 출구에서 배출된 배출가스(습윤공기)와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급된다.

한편, 연료전지 자동차에서 해결해야 할 여러 과제 중 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보이다. 연료전지 시스템이 빙점 이하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관되면, 스택 내부를 포함하여 밸브류 등 시스템 각 구성부에 존재하는 물이 얼어붙게 되면서 시동이 어렵게 된다.

연료전지 자동차에 적용되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 반응가스의 전기화학반응으로 물이 생성되므로 스택 내부와 스택과 연결된 배관, 배관에 장착된 부품들에 물이 차게 된다.

이에 따라 겨울철과 같이 외기온도가 영하로 떨어질 때 각 부분에 위치한 물이 얼게 되고, 이후 시동을 위해서는 얼음을 녹일 수 있는 외부 열원이 필요하다.

하지만 외부 열원을 이용하여 녹일 경우 각 부분들을 완전히 해동시키기까지는 부품의 온도 및 무게, 부품 내 물의 양에 따라 다양한 시간이 필요하게 된다.

특히, 연료전지를 운전하는데 중요한 역할을 하는 몇몇 단품들이 해동되기 전까지는 연료전지 시스템을 운전할 수 없기 때문에 가능한 한 빠르게 단품들을 해동하는 것이 시동 시간 단축 등 냉시동에 있어서 매우 중요하다.

밸브류의 예를 들어 설명하면, 연료전지 운전 중에는 공기차단밸브, 수소 재순환밸브, 수소퍼지밸브 등이 항상 습윤한 상태에 노출되고, 빙점 이하의 온도에서는 상기 밸브들이 결빙되므로 냉시동시 히터로 해빙할 필요가 있게 된다.

이를 위해 밸브들에는 배터리 전력을 공급받아 작동하는 히터(PTC)가 구비되며, 냉시동시 히터를 작동시켜 밸브를 히팅함으로써 해빙하고, 이를 통해 밸브의 정상적인 작동이 가능하도록 하고 있다.

도 1은 연료전지 스택의 애노드 출구단에 수소퍼지밸브를 설치한 퍼지 시스템의 구성도이다.

수소퍼지밸브(12)는 스택(1) 및 배관 등의 수소 농도를 관리하기 위해 제어기의 명령에 따라 개폐되는 전자식 밸브로서, 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 스택 내 수분이나 질소 등의 불순물을 제거하고 수소 이용률을 높이게 된다.

상기한 수소퍼지밸브(12)는 셧다운 후 운전을 중지하는 동안 닫힘상태로 있다가 차량 시동시 애노드 채널 내 가스를 수소로 바꾸어주기 위해 열리게 되는데, 건조한 수소가 공급되는 위치에서 해빙 과정 없이 즉시 동작이 가능한 수소공급밸브와 달리, 스택(1)의 출구 부분에 위치하고 있기 때문에 운전 중 항상 물이 존재하게 된다.

이에 따라 겨울철과 같이 추운 환경에 방치되었을 때 밸브 내부의 물이 얼게 되고, 얼음에 의해 밸브가 작동하지 않게 된다. 따라서, 냉시동시에도 자유롭게 밸브가 열리게 하기 위해서 다양한 방법이 적용되고 있다.

빙점 이하의 조건에서도 밸브가 열리게 하기 위한 방법으로, 앞서 설명한 바대로 밸브를 감싸도록 설치된 히터를 이용하여 해동하는 방법이 있으며, 이 경우는 밸브와 내부에 존재하는 얼음을 녹이기 위해 장시간의 히팅 시간이 필요하므로 시동 시간이 길어지는 문제가 있다.

다른 방법으로, 임팩트 컬럼을 이용하는 밸브를 적용하는 것인데, 밸브 내부에 임팩트를 주어 얼음을 잘게 쪼갠 뒤 녹이거나 외부로 쓸려나가게 하는 방법으로, 이 역시 수십여 초의 밸브 개방 시간을 필요로 하므로 시동 지연의 문제가 있고, 특히 밸브의 내구성에 문제가 있게 된다.

또한 밸브가 얼지 않게 계속 히팅을 하는 방법이 있으며, 밸브 외부를 감싸고 있는 히터를 겨울철에 시스템이 정지된 후에도 계속적으로 작동시켜 내부에 물이 얼지 않게 하는 방법이다. 그러나, 히터의 작동을 위해 배터리 전력을 사용하므로 장기 저온 보관시 배터리가 방전될 가능성이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 냉시동시 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하고 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지용 퍼지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 퍼지가스 출구에 연결되어 스택을 퍼지한 퍼지가스 및 불순물이 배출되는 메인 배관과; 상기 메인 배관에서 분기되어 설치되는 보조 배관과; 상기 메인 배관과 보조 배관에 설치되어 퍼징동작을 수행하는 퍼지밸브와; 상기 보조 배관에서 퍼지밸브 상류측으로 설치되는 차단밸브와; 상기 퍼지밸브 및 차단밸브의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하여 구성되는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 메인 배관은 수소퍼지를 통해 수소 및 불순물이 배출되도록 스택의 애노드 출구에 연결되는 수소배기라인인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어기는 연료전지 운전 중 스택 퍼지를 위해 메인 배관의 퍼지밸브를 퍼징동작시키되, 상기 차단밸브는 닫힘상태로 유지하여 보조 배관의 퍼지밸브를 건조상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어기는 연료전지 시스템이 셧다운되면 메인 배관의 퍼지밸브를 닫힘상태로 유지하면서 상기 차단밸브는 열림상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어기는 연료전지 시스템의 셧다운 후 냉시동시 스택 퍼지를 위해 보조 배관의 퍼지밸브를 퍼징동작시키는 것을 특징으로 한다.

또한 보조 배관의 차단밸브 및 메인 배관의 퍼지 밸브에 해동을 위한 히터가 구비되고, 냉시동시 상기 보조 배관의 퍼지밸브가 퍼징동작하는 동안 상기 차단밸브 및 메인 배관의 퍼지 밸브가 히터에 의해 해동되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 퍼지장치에 의하면, 메인 배관과 별도로 보조 배관을 설치하고, 연료전지의 냉시동에는 연료전지의 운전 중 건조상태로 유지되는 보조퍼지밸브를 이용해 스택의 퍼지가 실시되도록 함으로써, 냉시동시 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하면서 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 냉시동시 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하고 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소퍼지장치의 구성도이다.

본 발명의 퍼지장치는, 연료전지 스택(1)의 퍼지가스 출구에 연결되어 스택을 퍼지한 퍼지가스 및 불순물이 배출되는 메인 배관(11)과, 상기 메인 배관(11)에서 분기되어 설치되는 보조 배관(21)과, 상기 메인 배관(11)과 보조 배관(21)에 설치되어 퍼징동작을 수행하는 퍼지밸브(12,24)와, 상기 보조 배관(21)에서 퍼지밸브(24) 상류측으로 설치되는 차단밸브(22)와, 상기 퍼지밸브(12,24) 및 차단밸브(22)의 작동을 제어하기 위한 제어기(도시하지 않음)를 포함하여 구성된다.

도 2의 수소퍼지장치를 참조하여 설명하면, 수소퍼지를 위한 메인 배관(11) 및 그로부터 분기되는 보조 배관(21)이 설치되고, 상기 메인 배관(11)과 보조 배관(21)에는 퍼지밸브(12,24)들이 설치된다.

상기 메인 배관(11)은 연료전지 스택(1)의 수소 출구, 즉 애노드 출구에 연결된 기존의 수소배기라인으로서, 퍼지밸브(12)의 열림으로 메인 배관(11)의 유로가 개방되는 수소퍼지 작동시에는 스택 내 질소 등의 불순물과 함께 퍼지가스인 수소가 배출된다.

이때, 보조 배관(21)은 본 발명에 새로이 추가되는 배관이며, 기존의 수소배기라인인 메인 배관(11)에서 분기되어 설치되고, 퍼지밸브(24)의 열림으로 유로가 개방되는 수소퍼지 작동시 보조 배관(21)을 통해 스택 내 질소 등의 불순물과 퍼지가스인 수소가 함께 배출된다.

이하, 보조 배관(21)에 설치되는 퍼지밸브(24)는 보조퍼지밸브로, 메인 배관(11)에 설치되는 퍼지밸브(12)는 메인퍼지밸브로 구분하기로 한다.

본 발명에서 메인퍼지밸브(12)(기존의 수소퍼지밸브)는 기존 연료전지 시스 템에서 사용되고 있는 것이나, 차단밸브(22)는 보조 배관(21) 및 보조퍼지밸브(24)와 함께 추가되는 밸브로서, 보조 배관(21)의 유로를 열고 닫기 위해 제어기의 제어신호에 따라 개폐동작되는 전자식 밸브이다.

또한 보조 배관(21)에서 차단밸브(22)의 하류측이 되는 출구쪽에 보조퍼지밸브(24)가 설치되며, 퍼징동작시 메인 배관(11)의 유로를 열고 닫는 메인퍼지밸브(12)와 마찬가지로, 퍼징동작을 위해 제어기의 제어신호에 따라 보조 배관(21)의 유로를 열고 닫는 전자식 밸브이다.

상기와 같은 퍼지장치에서 보조 배관(21)은 냉시동시에만 퍼지가스인 수소가 배기되는 배관이므로 작은 배관의 사용이 가능하고, 차단밸브(22)와 보조퍼지밸브(24)도 작은 밸브가 사용될 수 있다.

또한 스택(1)에 상대적으로 가까운 상기 차단밸브(22)의 경우 연료전지 시스템이 빙점 이하의 온도에서 셧다운되는 콜드 셧다운(cold shutdown)(시동 오프)시에는 열림상태로 유지되고, 외기와 가까운 쪽의 상기 보조퍼지밸브(24)는 콜드 셧다운시 닫힘상태로 유지된다.

그리고, 보조 배관(21)의 출구쪽에 설치되는 보조퍼지밸브(24)의 경우 건조상태를 유지하므로 해동을 위한 히터가 구비될 필요가 없으나, 스택(1)의 출구쪽에 가까이 위치되는 차단밸브(22)의 경우 연료전지 운전 중 습윤상태로 노출되므로 냉시동시 해동을 위한 히터(23)가 구비될 수 있다.

상기 차단밸브(22)는, 후술하는 바와 같이 연료전지가 셧다운되면 항시 열림상태로 유지되었다가 시동시 연료전지의 정상 운전상태에서는 닫히는 밸브이므로, 냉시동 조건에서 연료전지의 정상 운전상태 도달 후 닫힘상태로 전환되기 위해서는 밸브 해동이 필요하다.

이에 차단밸브(22)의 경우 냉시동 과정에서 밸브 해동을 위한 히터(23)가 필요하며, 차단밸브(22)의 히터(23)는 메인퍼지밸브(12)의 히터(13)에 비해 작은 용량의 히터가 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 보조 배관(21)에 보조퍼지밸브(24)를 설치할 때, 보조 배관(21)에서 보조퍼지밸브(24)가 설치되는 구간은 중력에 의해 배관 내 물이 보조퍼지밸브(24)로 흘러 물이 고이지 않도록 다른 배관 부위에 비해 상측으로 설치하는 것이 바람직하다.

즉, 메인 배관(11)과, 보조 배관(21)에서 차단밸브(22)가 설치되는 구간에 비해, 상기 보조퍼지밸브(24)가 설치되는 구간을 높게 설정하여 보조퍼지밸브(24)로 물이 유입되지 않도록 하며, 가능하다면 보조퍼지밸브(24)를 보조 배관(21)에서 가장 높은 위치에 설치한다.

상기 메인퍼지밸브(12), 차단밸브(22), 보조퍼지밸브(24)를 기능적으로 구분하여 설명하면, 메인퍼지밸브(12)는 연료전지의 정상 운전시 수소퍼지를 실시하기 위한 밸브이고, 차단밸브(22)는 연료전지의 정상 운전시 보조 배관(21)의 상류측을 차단하여 하류측에 위치한 보조퍼지밸브(24)를 건조상태로 유지시키기 위한 밸브가 된다.

또한 상기 차단밸브(22)는 연료전지의 운전 동안 보조 배관(21)의 유로를 차단하여 메인 배관(11)을 통한 수소퍼지(퍼지가스인 수소와 불순물 배출)가 정상적 으로 원활히 이루지도록 한다.

그리고, 상기 차단밸브(22)는 연료전지 운전 중 메인퍼지밸브(12)와 함께 습윤상태로 노출되는 밸브이므로, 콜드 셧다운시에 결빙이 발생하더라도 유로를 개방한 상태로 결빙 고착되도록 메인퍼지밸브(12)의 닫힘상태와는 반대인 열림상태로 유지되는 밸브이다.

보조퍼지밸브(24)는 연료전지 운전 중 보조 배관(21)을 차단하고 있는 차단밸브(22)에 의해 건조상태를 유지하는 밸브이나, 냉시동시에는 메인퍼지밸브(12)가 닫힘상태로 해동되는 동안 퍼징동작을 수행하여 스택(1)의 수소퍼지가 실시될 수 있도록 하는 밸브로서, 보조 배관(21)에서 실질적인 퍼징기능을 수행하는 밸브이다.

이하, 다음의 표 1을 참조하여 본 발명에 따른 퍼지장치의 작동상태에 대해 설명하기로 한다.

우선, 연료전지의 통상적인 정상 운전상태에서는 보조 배관(21)은 차단한 상태에서 메인 배관(11)을 통해서만 수소퍼지를 실시한다.

즉, 정상 운전 중에는 보조 배관(21)에 설치된 차단밸브(22)는 닫힘상태로 유지하고, 보조퍼지밸브(24)는 열림상태로 유지한 뒤, 메인 배관(11)에 설치된 메인퍼지밸브(12)의 퍼징동작으로 수소퍼지를 실시한다.

이때, 메인퍼지밸브(12)의 퍼징동작은 제어기의 제어신호에 따라 반복적으로 개폐동작하는 펄스 퍼징 형태가 될 수 있으며, 기존과 동일하게 메인 배관(11)을 통해서만 퍼지가스인 수소와 질소 등의 불순물을 배출하게 된다.

상기와 같이 연료전지가 운전되는 동안에는 메인퍼지밸브(12)와 차단밸브(22)의 내부는 습윤상태에 노출되지만, 보조퍼지밸브(24)는 상류측의 차단밸브(22)가 보조 배관(21)의 유로를 닫아주고 있기 때문에 건조상태로 유지된다.

다음으로, 빙점 이하의 온도에서 시동 오프하여 콜드 셧다운이 되면 습윤상태인 메인퍼지밸브(12)를 닫힘상태로 유지하여 메인 배관(11)의 유로를 차단하고, 보조 배관(21)에서는 역시 습윤상태인 차단밸브(22)를 열어주는 대신 건조상태인 보조퍼지밸브(24)를 닫아주어 보조 배관(21)의 유로를 차단한다.

이러한 밸브상태의 제어는 제어기가 키 신호 입력으로부터 시동 오프를 검출하고 온도센서(도시하지 않음)의 검출값으로부터 빙점 이하인 조건, 즉 콜드 셧다운시를 판단하여 각 밸브를 제어함으로써 이루어진다.

반면, 콜드 셧다운이 아닌 빙점 온도보다 높은 온도에서 정상 셧다운되면 메인 배관(11)과 보조 배관(21)의 유로를 모두 닫은 상태로 보관할 수 있다. 이때, 습윤상태인 메인퍼지밸브(12)와 차단밸브(22)를 닫힘상태로 유지하고, 건조상태인 보조퍼지밸브(24)는 열림상태로 유지할 수 있다.

위와 같이 차단밸브(22)는 콜드 셧다운시 열고 정상 셧다운시에는 닫아주나, 정상 셧다운 후 보관시 온도가 빙점 이하의 온도로 떨어지면 차단밸브(22)가 닫힌 상태로 결빙 고착될 수 있으므로, 콜드 셧다운과 정상 셧다운의 구분 없이 시스템이 셧다운되면 차단밸브(22)를 항시 열림상태로 유지하는 것도 가능하다.

다음으로, 빙점 이하의 온도에서 시동 온하여 냉시동(cold start-up) 과정이 개시되면, 메인 배관(11)의 유로는 차단한 상태에서 보조 배관(21)을 통해서만 수소퍼지를 실시한다.

즉, 제어기가 키 신호 입력으로부터 시동 온을 검출하고 온도센서의 검출값으로부터 빙점 이하인 조건, 즉 냉시동시를 판단하여, 메인 배관(11)의 메인퍼지밸브(12)와 보조 배관(21)의 차단밸브(22)에 대해서는 히터(13,23)를 작동시켜 해동하고, 이러한 밸브 해동 중 보조 배관(21)에 설치된 보조퍼지밸브(24)의 퍼징동작으로 수소퍼지를 우선 실시한다.

이때, 메인퍼지밸브(12)는 닫힘상태이지만 차단밸브(22)는 열림상태이므로 보조퍼지밸브(24)의 퍼징동작으로 즉시 스택의 수소퍼지가 가능해지며, 보조퍼지밸브(24)는 연료전지 운전 중 차단밸브(22)의 닫힘상태로 습윤상태로 노출되지 않고 항상 건조상태를 유지한 뒤 셧다운되었으므로 빙점 이하의 온도에서도 결빙이 발생하지 않음은 물론 히터에 의한 해동 과정이 필요 없다.

보조퍼지밸브(24)의 퍼징동작은 제어기의 제어신호에 따라 반복적으로 개폐동작하는 펄스 퍼징 형태가 될 수 있으며, 보조 배관(21)을 통해 퍼지가스인 수소와 불순물을 배출하게 된다.

이와 같이 습윤상태로 노출된 뒤 셧다운되어 결빙 고착이 발생한 밸브에 대해서는 냉시동시 어떠한 동작 없이 해동만을 실시하되, 해동 동안 보조 배관(21) 및 보조퍼지밸브(24)를 통해 수소퍼지를 수행하여 스택(10)의 애노드측 질소 등 불순물을 수소로 퍼징함으로써 시동 직후 바로 운전이 가능해진다.

즉, 메인퍼지밸브(12)가 해동될 때까지 기다리지 않고 건조상태의 보조퍼지밸브(24)를 이용하여 바로 시동 및 주행이 가능해지는 것이며, 냉시동 과정에서 밸브 해동으로 시동 시간이 오래 걸리는 단점이 보완될 수 있게 된다(냉시동성 향상 및 시간 단축).

이후 일정 시간이 경과하여 메인퍼지밸브(12)와 차단밸브(22)가 모두 해빙되고 정상적으로 연료전지가 운전되면 다시 메인 배관(11)을 통해 수소퍼지를 실시한다.

이때, 제어기는 차단밸브(22)를 닫아주어 보조퍼지밸브(24)가 습윤상태에 노출되지 않도록 상류측에서 보조 배관(21)의 유로를 차단해줌으로써 보조퍼지밸브(24)가 건조상태를 유지할 수 있도록 한다.

보조퍼지밸브(24)는 연료전지 운전 중 열림상태 또는 닫힘상태의 유지가 모두 가능하나, 연료전지의 콜드 셧다운시에는 차단밸브(22)가 열림상태로 전환되어야 하므로 보조 배관(21)의 유로를 닫아두기 위해 보조퍼지밸브(24)를 닫힘상태로 유지한다.

한편, 도 3과 도 4는 본 발명에 따른 실시예에서 보조 배관에 메쉬격막을 설치한 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 보조 배관에 설치된 메쉬격막의 상태를 나타내는 도면으로서, 건조상태와 습윤상태의 메쉬격막(25)을 보여주고 있다.

도시된 바와 같이, 보조 배관(21) 내에 메쉬망(25a)을 설치하여 구성되는 메쉬격막(25)은 보조 배관(21)에서 차단밸브(22)와 보조퍼지밸브(24) 사이의 위치 또는 차단밸브(22)의 상류측에 설치될 수 있다.

상기 매쉬격막은 보조퍼지밸브(24)를 더욱 더 건조한 상태로 유지시키기 위한 구성부로서, 셧다운 후 메인 배관(11)에 있는 물이 농도차이로 중력을 거슬러 보조 배관(21)으로 이동한 뒤 차단밸브(22)와 보조퍼지밸브(24)쪽으로 올라갈 수 있기 때문에 이를 차단하기 위한 것이다.

셧다운시에는 보조퍼지밸브(24)가 건조상태를 유지해야만 결빙이 발생하지 않고 이후 냉시동시 해동 과정 없이 쉽게 열릴 수 있으나, 셧다운시 차단밸브(22)가 열린 상태가 되므로 메인 배관(11)에서 이동한 물이 보조퍼지밸브(24)쪽으로 올라갈 수 있다.

따라서, 셧다운 후 건조상태를 유지해야 하는 보조퍼지밸브(24)가 메인 배관(11)으로부터 이동한 물에 의해 습윤상태가 되지 않도록 해야 하는데, 상기 메쉬격막(25)이 보조 배관(21)에서 보조퍼지밸브(24)쪽으로 이동하는 물을 차단하게 된다.

메인 배관(11)에서 보조 배관(21)을 통해 거슬러 올라가는 물은 메쉬격막(25)에서 1차 포집되고, 이후 빙점 이하의 온도에서 얼게 되면 도 5의 우측에 나타낸 바와 같이 메쉬격막(25)의 메쉬망(25a)에서 얼게 된다.

이후 냉시동시 보조 배관(21)을 통해 수소퍼지가 실시되면, 수소와 불순물이 메쉬격막(25)을 통과하게 되면서 메쉬망(25a)에 붙어 있던 얼음을 깨뜨리게 되어, 메쉬망(25a)에서 분리된 얼음 알갱이가 배관을 통해 배출되게 된다.

이와 같이 메쉬격막(25)은 셧다운 후 메인 배관(11)에서 보조 배관(21)으로 올라가는 물을 포집하여 보조퍼지밸브(24)로 이동하는 것을 차단하게 되므로, 보조퍼지밸브(24)가 더욱 더 건조한 상태를 유지하여 결빙이 발생하지 않게 되고, 결국 냉시동시 보조퍼지밸브(24)의 해동 없이 퍼지를 통한 수소 공급이 가능해진다.

상기 메쉬격막(25)에서 메쉬의 크기는 수소퍼지시 유체의 압력이 걸리지 않으면서 셧다운 후 물이 포집될 수 있어야 하므로 1 ~ 3 mm 정도로 하는 것이 바람직하다.

도 3의 실시예에서는 메쉬격막(25)을 차단밸브(22)와 보조퍼지밸브(24) 사이에 설치하고 있으나, 도 4의 실시예와 같이 메쉬격막(25)을 차단밸브(22)의 전단 상류측 배관에 설치하여 셧다운 후 물이 차단밸브(22)로도 이동하는 것을 원천적으로 차단하는 것이 가능하다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 스택의 애노드 출구단에 수소퍼지밸브를 설치한 퍼지 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소퍼지장치의 구성도이다.

도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에서 보조 배관에 메쉬격막이 설치된 상태도이다.

도 5는 도 3과 도 4의 실시예에서 보조 배관에 설치된 메쉬격막의 상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 스택 11 : 메인 배관

12 : 메인퍼지밸브 13 : 히터

21 : 보조 배관 22 : 차단 밸브

23 : 히터 24 : 보조퍼지밸브

25 : 메쉬격막

Claims (9)

1. 연료전지 스택(1)의 퍼지가스 출구에 연결되어 스택을 퍼지한 퍼지가스 및 불순물이 배출되는 메인 배관(11)과;

   상기 메인 배관(11)에서 분기되어 설치되는 보조 배관(21)과;

   상기 메인 배관(11)과 보조 배관(21)에 설치되어 퍼징동작을 수행하는 퍼지밸브(12,24)와;

   상기 보조 배관(21)에서 퍼지밸브(24) 상류측으로 설치되는 차단밸브(22)와;

   상기 퍼지밸브(12,24) 및 차단밸브(22)의 작동을 제어하기 위한 제어기;

   를 포함하여 구성되고,

   상기 제어기는 연료전지 운전 중 스택 퍼지를 위해 메인 배관(11)의 퍼지밸브(12)를 퍼징동작시키되, 상기 차단밸브(22)는 닫힘상태로 유지하여 보조 배관(21)의 퍼지밸브(24)를 건조상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 메인 배관(11)은 수소퍼지를 통해 수소 및 불순물이 배출되도록 스택(1)의 애노드 출구에 연결되는 수소배기라인인 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어기는 연료전지가 셧다운되면 메인 배관(11)의 퍼지밸브(12)를 닫힘상태로 유지하면서 상기 차단밸브(22)는 열림상태로 유지하는 것을 특징으로 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 제어기는 연료전지의 셧다운 후 냉시동시 스택 퍼지를 위해 보조 배관(21)의 퍼지밸브(24)를 퍼징동작시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   보조 배관(21)의 차단밸브(22) 및 메인 배관(11)의 퍼지 밸브(12)에 해동을 위한 히터(13,23)가 구비되고, 냉시동시 상기 보조 배관(21)의 퍼지밸브(24)가 퍼 징동작하는 동안 상기 차단밸브(22) 및 메인 배관(11)의 퍼지 밸브(12)가 히터(12,23)에 의해 해동되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 보조 배관(21)에서 퍼지밸브(24)가 설치되는 구간은 중력에 의해 배관 내 물이 퍼지밸브(24)로 흘러 고이지 않도록 다른 배관 부위에 비해 상측으로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 보조 배관(21)에는 퍼지밸브(24) 상류측에 배관 내 메쉬망(25a)을 설치하여 구성한 물 포집용 메쉬격막(25)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 메쉬격막(25)은 차단밸브(22)와 퍼지밸브(24) 사이에 설치되거나 차단밸브(22)의 상류측에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동성 향상을 위 한 퍼지장치.

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