KR101417120B1 - 연료전지 차량용 워터트랩 장치 - Google Patents

연료전지 차량용 워터트랩 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 복수개의 워터트랩을 구비하고 워터트랩 간에 물이동관과 가스이동관을 설치하여, 차량의 경사로 주행시나 급제동 정지시 워터트랩 간 물 이동 및 워터트랩 내 수위 조절을 통해 워터트랩에서의 불필요한 수소 배출은 차단하면서 물만을 배출할 수 있도록 구성됨으로써, 수소 이용률 향상, 연비 및 주행거리 향상의 이점을 제공하는 연료전지 차량의 워터트랩 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 워터트랩 장치에서는 수소 배출이 차단되므로 수소 누출에 따른 시스템의 강제 셧다운 현상이 방지될 수 있게 된다.
연료전지, 워터트랩, 수위센서, 밸브, 언더플로어 타입, 수소 배출 방지

Description

연료전지 차량용 워터트랩 장치{Water trap system for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 워터트랩을 이용하여 수소 배출을 효과적으로 방지할 수 있는 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 관한 것이다.
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.
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 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전 기에너지를 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.
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.
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.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지 스택의 반응에 있어서 공기의 습도는 매우 중요하다. 따라서, 습도의 유지를 위해 가습기를 이용하여 공기 입구측에서 수분을 공급하게 되는데, 수분을 공급받은 공기는 스택 내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음 물을 생성시킨다.
반응에 의해 생성된 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 스택으로부터 제거가 필요하며, 이에 스택에서 나온 물을 워터트랩(Water Trap)에 모아 배출하도록 되어 있다.
첨부한 도 1 및 도 2는 종래의 워터트랩 장치를 도시한 개략도로서, 도 1은 스택이 차량의 기존 엔진룸 위치에 탑재되는 경우의 워터트랩 장치를 도시한 것이고, 도 2는 스택이 차량의 언더플로어에 위치하는 경우의 워터트랩 장치를 도시한 것이다.
연료전지 시스템에서 수소이온과 산소가 만나 물을 생성하는 캐소드 쪽에서 물이 발생하는 것으로 알려져 있으나, 전해질로 사용되는 멤브레인의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의해 발생하는 역확산(Back Diffusuion)으로 인해 상당량의 물이 애노드를 통해 배출된다.
이와 같이 연료전지 스택이 운전되면 캐소드 쪽에 많은 물이 생성되어 대부분의 물이 공기블로워의 영향으로 캐소드 출구 쪽으로 배출되지만 애노드 쪽으로도 일부가 넘어온다. 애노드 쪽은 순수 수소가 공급되고 또한 불순물 제거를 위한 주기적인 퍼징과 수소 순환을 위한 수소 재순환 블로워가 동작하지만 캐소드에서 넘어온 물이 상당부분 제거되지 않고 계속 쌓이게 된다.
이러한 애노드의 응축수를 배출하기 위해 스택(10) 하부에 워터트랩(20)을 설치하여 주기적으로 물을 배출해주는데, 애노드에서 발생한 물을 워터트랩(20)에 저장한 뒤 일정량 이상의 물이 채워지면 외부로 배출하고 있다.
이때, 워터트랩(20)에는 스택(10)에서 나온 혼합가스(H2+water[Vapor+Liquid])의 응축수가 분리되어 모이게 되며, 액적이 제거된 혼합가스(H2+Water[Vapor])가 수소 재순환 블로워에 의해 재순환되어 수소탱크에서 공급된 수소와 섞인 뒤 스택에 재투입된다. 또한 워터트랩(20)에 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥 쪽의 배출밸브(22)가 열리면서 물의 배출이 이루어진다. 이러한 워터트랩 장치를 구성함에 있어서 중요한 전제 조건은 응축수만 배출하고 최대한 수소 배출을 하지 않는 것이다.
도 1의 방식은 워터트랩(20)의 상, 하 위치에 수위센서(21a,21b)를 장착한 뒤, 상위 수위센서(21b)가 동작(물 감지)하면 워터트랩(20)에 물이 찬 것으로 판단하여 제어기(1)가 배출밸브(22)를 열어 응축수 배출을 시작하고, 하위 수위센서(21a)가 동작(드라이 상태 감지)하면 수위가 안전한 레벨까지 내려간 것으로 판단하여 배출밸브(22)를 닫는 방식이다.
스택(10)에서 잉여 수소 및 수증기와 함께 배출된 응축수는 중력으로 인해 워터트랩(20)에 모이게 되고, 수증기 부분은 수소와 함께 수소 재순환 블로워에 의해 재순환을 하게 된다.
도 2의 방식은 스택(10)이 언더플로어에 장착될 때 적용되는 방식으로, 스택이 엔진룸 위치에 존재할 경우 워터트랩 설계를 위한 상하 높이가 존재하나, 스택이 언더플로어에 위치하면 워터트랩 상하 높이가 낮아지기 때문에, 도시된 바와 같이 같은 높이에 2개의 수위센서(21a,21b)를 설치하는 방식이 적용되고 있다.
그러나, 도시한 언더플로어 타입의 경우에는 워터트랩(20)의 상하 높이가 낮아 차량이 경사로를 주행할 때나 급제동 정지시에 워터트랩으로부터 수소와 물이 동시에 배출되는 문제점이 있다.
즉, 워터트랩(20) 내 두 센서(21a,21b)간 높이 차가 발생하지 않아 워터트랩 내 수면이 경사졌을 경우, 물만 배출되기 위한 충분한 높이기 유지되지 않아 워터트랩에서 물과 수소가 동시에 배출될 수 있는 것이다. 이에 따라 워터트랩 내 격벽을 설치하는 방법이 제시되었으나, 여전히 수소가 대기로 배출되고 있다.
워터트랩에서 수소 배출에 따른 문제점은 수소 이용률의 저하를 들 수 있으며, 연료인 수소를 불필요하게 배출하면 주행거리 및 연비에 악영향을 주게 된다. 또한 의도되지 않은 수소 배출시 수소 센서의 작동에 따라 시스템이 강제로 셧다운될 수 있다. 차량이 정차하였을 경우 연료전지 시스템 내 수소 누출을 감지하는 센서에 의해 차량 내 수소 누출로 감지되어 시스템이 강제 종료되는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 복수개의 워터트랩을 이용하여 수소의 불필요한 배출을 방지하도록 구성됨으로써, 수소 이용률 향상, 연비 및 주행거리 향상의 이점을 제공하는 동시에 수소 누출에 따른 시스템의 강제 셧다운 현상이 방지될 수 있는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 복수개의 워터트랩을 설치하되, 스택에 직접 연결되어 스택으로부터 배출된 혼합가스의 응축수가 저장되는 직결형 워터트랩과, 상기 워터트랩과의 사이에 물이동관과 가스이동관을 통해 연결되며 드레인 출구측에 제어기에 의해 구동이 제어되는 배출밸브를 구비한 부속형 워터트랩을 설치하고, 상기 각 워터트랩 내에는 상기 제어기로 신호 출력하는 수위센서를 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치를 제공한다.
이러한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 물이동관은 양측의 워터트랩 하단부를 연결하도록 설치되고, 상기 가스이동관은 양측의 워터트랩 상단부를 연결하도록 설치된다.
또한 상기 가스이동관에는 직결형 워터트랩에서 부속형 워터트랩으로의 가스 흐름을 차단하는 체크밸브가 설치된다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 차량용 워터트랩 장치에 의하면, 복수개의 워터트랩을 구비하고 워터트랩 간에 물이동관과 가스이동관을 설치하여, 차량의 경사로 주행시나 급제동 정지시 각 워터트랩 내 수위 조절을 통해 물과 수소의 흐름 방향을 일정하게 하고, 결국 워터트랩에서의 불필요한 수소 배출은 차단하면서 물만을 정확히 배출할 수 있도록 함으로써, 수소 이용률 향상, 연비 및 주행거리 향상의 이점을 제공한다. 또한 워터트랩에서 수소 배출이 차단되므로 수소 누출 오인에 따른 시스템의 강제 셧다운 현상이 방지될 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터트랩 장치를 도시한 개략도이고, 도 4a는 워터트랩 내에 물이 저장되는 상태를, 도 4b와 도 4c는 수위센서가 동작하고 배출밸브가 열린 상태에서 물이 배출되는 상태의 도면이다.
본 발명은 복수개의 워터트랩을 장착하여 수소 배출을 방지할 수 있도록 구 성한 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 도 3은 2개의 워터트랩을 스택의 하측에 설치한 실시예를 도시한 것이다.
본 발명에서는 차체 방향을 기준으로 하여 전후로 배치되는 복수개의 워터트랩(20a,20b)을 구비하고, 이들 워터트랩 간에는 물 이동을 위한 물이동관(23)과, 가스 이동을 위한 가스이동관(24)으로 연결하며, 각 워터트랩 내에는 수위센서(21a,21b)를 설치한다.
이때, 도 3에서와 같이 전후로 배치되는 2개의 워터트랩(20a,20b)이 설치될 수 있는데, 이때 물이동관(23)은 각 워터트랩의 하단부에 설치하여 물이 워터트랩 하단부를 통해 워터트랩 간을 이동할 수 있도록 하고, 가스이동관(24)은 각 워터트랩의 상단부에 설치하여 수면 위의 가스(수소)만이 이동할 수 있도록 한다.
복수개의 워터트랩 중 하나(이하, 스택직결형 워터트랩이라 함)(20a)는 스택(10) 하부에 직접 연결하여 스택으로부터 배출된 혼합가스의 응축수가 바로 저장될 수 있도록 하며, 나머지 워터트랩(이하, 부속형 워터트랩이라 함)(20b)은 스택직결형 워터트랩(20a)과 물이동관(23) 및 가스이동관(24)으로 연결된다. 그리고, 부속형 워터트랩(20b)의 드레인 출구측에는 배출밸브(22)를 설치한다.
상기 스택직결형 워터트랩(20a)과 부속형 워터트랩(20b)은 차체 방향을 기준으로 하여 전후로 배치되며, 상기 스택직결형 워터트랩(20a)은 단수, 그리고 부속형 워터트랩(20b)은 단수 또는 복수로 설치될 수 있다.
상기 부속형 워터트랩이 복수로 설치되는 경우, 전후 배치된 부속형 워터트랩 간에 차례로 물이동관과 가스이동관으로 연결되고, 이중 하나가 스택직결형 워 터트랩과 물이동관과 가스이동관으로 연결되도록 할 수 있다. 그리고, 부속형 워터트랩 중 하나의 드레인 출구측에 배출밸브가 설치된다.
상기 수위센서(21a,21b)는 워터트랩(20a,20b) 내 물을 감지(Wet 상태 감지)하거나 드라이(Dry) 상태를 감지하여 상태에 따른 신호를 제어기로 출력하게 되며, 배출밸브(22)는 제어기(1)의 구동신호에 따라 개폐동작을 하게 된다.
도 3의 실시예를 참조하면, 스택직결형 워터트랩(20a)과 부속형 워터트랩(20b) 각 1개씩 총 2개의 워터트랩이 설치되어 있고, 각 워터트랩(20a,20b) 내에 수위센서(21a,21b)가 설치되어 있으며, 스택직결형 워터트랩(20a)과 부속형 워터트랩(20b)이 하단부의 물이동관(23)에 연결되어 있고, 두 워터트랩(20a,20b)의 상단부에 가스이동관(24)이 연결되어 있다. 또한 부속형 워터트랩(20b)의 드레인 출구측에 배출밸브(22)가 설치되어 있다.
만약, 도시된 바와 같이 2개의 워터트랩이 아닌 3개의 워터트랩이 설치되는 경우라면, 하나는 스택과 직접 연결하여 스택으로부터 배출된 응축수가 바로 저장될 수 있도록 하며, 나머지 2개는 물이동관으로 서로가 연결되되, 이중 1개의 워터트랩이 스택직결형 워터트랩과 물이동관으로 연결되고, 가장 전방 또는 후방으로 위치되는 부속형 워터트랩에는 물을 외부 배출하기 위한 드레인 출구측에 배출밸브가 설치되게 된다.
바람직한 실시예에서, 가스이동관(24)에는 체크밸브(25)가 설치되는데, 이때 체크밸브(25)는 부속형 워터트랩(20b)의 수면 위 가스(수소)가 가스이동관(24)을 통해 스택직결형 워터트랩(20a)으로는 이동할 수 있도록 하나 그 역방향의 흐름은 차단하게 된다.
이와 같이 하여, 상기와 같이 이루어진 본 발명의 워터트랩 장치에서는 평상시 스택직결형 워터트랩(20a) 및 부속형 워터트랩(20b)의 각 수위센서(21a,21b) 동작시 밸브(22)를 열어 물을 배출하게 되는데, 경사 등판시에는 도 4b에 나타낸 바와 같이 대부분의 물이 부속형 워터트랩(20b)으로 모여 부속형 워터트랩 내 수위센서(21b)의 동작으로 배출밸브(22)가 열리게 되고, 이로써 물이 배출된다.
반면, 경사 강판시에는 도 4c에 나타낸 바와 같이 물이 스택직결형 워터트랩(20a)에 모이게 되어 스택직결형 워터트랩 내 수위센서(21a)의 동작으로 배출밸브(22)가 열리게 되고, 이때 스택의 수소측 압력(스택 작동압력)으로 물이 부속형 워터트랩(20b)으로 이동 후 외부로 배출된다.
단, 스택직결형 워터트랩(20a)과 부속형 워터트랩(20b) 간의 가스 흐름은 체크밸브(25)에 의해 부속형 워터트랩(20b)에서 스택직결형 워터트랩(20a)으로만 이동할 수 있고, 그 역방향으로의 이동은 체크밸브(25)에 의해 차단되어, 수소가 스택직결형 워터트랩에서 부속형 워터트랩으로 이동 후 외부로 배출되는 것을 막을 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 워터트랩은 복수개의 워터트랩을 이용하여 워터트랩에서 수소가 배출되는 것을 방지하고, 이를 통해 수소 이용률 향상, 주행거리 및 연비 향상의 이점을 제공한다.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명 의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 워터트랩 장치를 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터트랩 장치를 도시한 개략도,
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에서 워터트랩 내에 물이 저장되는 상태를 나타낸 도면,
도 4b와 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에서 수위센서가 동작하고 배출밸브가 열린 상태에서 물이 배출되는 상태의 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 제어기 10 : 스택
20 : 워터트랩 20a: 스택직결형 워터트랩
20b: 부속형 워터트랩 21a, 21b : 수위센서
22 : 배출밸브

Claims (4)

  1. 복수개의 워터트랩을 설치하되, 스택에 직접 연결되어 스택으로부터 배출된 혼합가스의 응축수가 저장되는 스택직결형 워터트랩과, 상기 스택직결형 워터트랩과의 사이에 물이동관과 가스이동관을 통해 연결되며 드레인 출구측에 제어기에 의해 구동이 제어되는 배출밸브를 구비한 부속형 워터트랩을 설치하고, 상기 스택직결형 워터트랩과 부속형 워터트랩의 내부에는 상기 제어기로 신호 출력하는 수위센서를 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물이동관은 스택직결형 워터트랩의 하단부와 부속형 워터트랩의 하단부를 연결하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스이동관은 스택직결형 워터트랩의 상단부와 부속형 워터트랩의 상단부를 연결하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 가스이동관에는 스택직결형 워터트랩에서 부속형 워터트랩으로의 가스 흐름을 차단하는 체크밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치.
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