KR101875653B1 - 연료전지 배출 수소 농도 저감장치 - Google Patents

Abstract

연료전지 배출 수소 농도 저감장치가 개시된다. 개시된 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징과, ⅱ)제1 하우징에 설치되며, 공기 유입부를 통하여 공기를 흡입하는 펌핑부와, ⅲ)제1 하우징과 결합되며, 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 그 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징과, ⅳ)제2 하우징에 펌핑부와 연결되게 설치되는 모터부와, ⅴ)모터부와 펌핑부 사이에서 모터부의 회전축에 설치되고, 회전축에 의해 회전하며 공기 유입부로 유입되는 공기를 공기 희석부로 분사하는 노즐부재를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 배출 수소 농도 저감장치 {DEVICE FOR DECREASING HYDROGEN CONCENTRATION OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 실시 예는 연료전지 시스템의 배기 계통에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에서 공기와 함께 대기 중으로 방출되는 수소의 농도를 저감시키기 위한 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지로 공기와 수소를 공급하여 그 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

연료전지 시스템은 연료전지들이 적층된 스택, 연료전지들의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치, 연료전지들의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 그리고 연료전지들의 반응 부산물인 열과 물을 제거하며 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리장치를 구비하고 있다.

고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템은 스택으로 공급되는 반응기체를 가습하는 가습장치를 채용하고 있다.

가습장치는 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치로부터 공급되는 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급한다.

또한, 연료전지 시스템은 연료전지들의 연료극으로부터 배출되는 수소와 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 다시 연료극으로 공급하는 수소 재순환장치를 구비하고 있다.

한편, 연료전지 시스템의 운전 중 연료전지들의 연료극에서는 질소 및 수증기 등의 불순물이 누적되어 수소의 농도가 낮아지는데, 그 수소의 농도가 지나치게 낮아지는 경우, 연료전지 스택에서 셀 빠짐 등의 현상이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연료전지 시스템은 초기 시동 및 운전 시, 퍼지 밸브를 주기적으로 개방하며, 연료극으로부터 수소와 함께 불순물을 배출함으로써 그 연료극의 수소 농도를 일정 수준 이상으로 관리하고 있다.

여기서, 퍼지 밸브의 개방으로 연료극을 퍼지시키게 되면, 연료극에서는 불순물과 함께 수소를 배출하는데, 그 퍼지 가스는 공기극으로부터 배출되는 공기와 함께 가습장치로 유입된다.

그러면, 불순물 중의 수증기는 가습장치에서 연료전지의 전기 화학적인 반응에 필요한 반응기체의 가습원으로 사용되고, 수소와 질소 등의 가스는 공기와 함께 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출된다.

따라서, 이와 같은 수소 퍼지 방식은 연료극에서 배출되는 수소를 공기극으로부터 배출되는 공기와 혼합하며, 배기 계통을 통해 대기 중으로 배출함으로써 퍼지 수소 농도의 공기 희석 효과를 도모하고 있다.

더 나아가, 연료전지 시스템의 초기 시동 및 정지 시 또는 연료전지 시스템을 채용한 연료전지 차량의 아이들 조건(예를 들면, 연료전지 차량의 ISG 조건)에서는 연료전지들의 연료극에서 멤브레인을 통해 공기극으로 크로스 오버(cross over)된 상당한 양의 수소를 배출한다.

이러한 수소는 연료전지들의 공기극으로부터 공기와 함께 가습장치로 배출되고, 그 가습장치에서 공기에 의해 희석되며, 농도가 저감된 상태로 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출된다.

하지만, 종래 기술에서는 상술한 바와 같은 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 배출되는 수소를 공기극에서 배출되는 공기와 가습장치에서 혼합하며 수소의 농도를 일부 감소시키지만, 수소와 공기의 충분한 혼합 효과를 구현하기가 어려워 수소의 농도를 현저하게 감소시키지는 못하고 있는 실정이다.

따라서, 종래 기술에서는 연료전지 시스템에서 배출되는 수소의 농도를 효과적으로 감소시키지 못하고, 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 희석되지 않은 수소를 배출할 수 있는 조건이 충분히 존재하기 때문에, 설정된 범위를 초과하는 배출 수소의 농도에 의해 발화 및 폭발의 위험을 유발할 수 있다.

이를 방지하기 위해 연료전지 시스템에는 배기 계통을 통해 배출되는 수소의 농도를 일정 수준 이하로 낮춰 대기 중으로 방출하는 방안을 반드시 적용하여야 한다.

최근에 들어서는 연료전지 배출 수소에 의한 발화 및 폭발의 위험을 방지하기 위해, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 관련 법규에서 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 배출되는 수소의 농도를 최대 8% 미만 및 3초 평균 4% 미만으로 규제하고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키며, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있도록 한 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징과, ⅱ)상기 제1 하우징에 설치되며, 상기 공기 유입부를 통하여 공기를 흡입하는 펌핑부와, ⅲ)상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징과, ⅳ)상기 제2 하우징에 상기 펌핑부와 연결되게 설치되는 모터부와, ⅴ)상기 모터부와 펌핑부 사이에서 상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 상기 배기라인을 통해 배출가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때, 상기 배기라인의 후단 부 측에서 그 배기라인의 도중에 장착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 하우징의 전단 측에는 배출가스 유입관이 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 배출가스 유입관은 상기 배기라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징의 후단 측에는 희석가스 배출관이 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 희석가스 배출관은 상기 배기라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 하우징은 전단 및 후단이 개방된 원통 형상의 제1 바디와, 상기 제1 바디의 내주 면에 방사 상의 제1 연결 리브들을 통해 연결되며 그 내주 면과의 사이에 상기 배출가스 유동통로를 형성하는 제1 유로 형성부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 유로 형성부재는 전단 측에 콘 형상의 제1 가스 유도 면을 형성하고, 후단 측에 상기 펌핑부를 장착하기 위한 제1 장착홈을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 유입부는 상기 제1 바디 및 상기 제1 연결 리브를 관통하며 상기 제1 장착홈으로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징은 상기 제1 하우징의 후단 측에 결합되며, 전단 및 후단이 개방된 원통 형상의 제2 바디와, 상기 제2 바디의 내주 면에 방사 상의 제2 연결 리브들을 통해 연결되며 그 내주 면과의 사이에 상기 공기 희석부 및 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 유로 형성부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 상기 제1 하우징의 배출가스 유동통로와 연결되는 믹싱 존을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 유로 형성부재의 전단 측에는 상기 믹싱 존을 구획하기 위한 믹싱 돌기가 외주 가장자리에서 상기 제1 하우징 측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 희석가스 유동통로는 상기 제2 유로 형성부재의 후단 측과 제2 바디 사이에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 유로 형성부재의 후단 측에는 콘 형상의 제2 가스 유도 면을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 유로 형성부재의 전단 측에는 상기 모터부를 장착하기 위한 제2 장착홈이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징은 상기 제2 연결 리브들에 형성되며, 상기 제2 장착홈과 연결되는 냉각수 유동홈과, 상기 제2 바디에 형성되며, 상기 제2 연결 리브들 중 어느 하나의 냉각수 유동홈과 관통되게 연결되는 냉각수 유입구와, 상기 제2 바디에 형성되며, 상기 제2 연결 리브들 중 다른 하나의 냉각수 유동홈과 관통되게 연결되는 냉각수 유출구를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 노즐부재는 가장자리 부분에 외륜부를 지닌 원판 형상의 노즐 몸체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 노즐부재는 상기 외륜부의 내측으로 분사홈을 형성하고, 상기 분사홈을 관통하는 다수의 노즐공들을 그 분사홈을 따라 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 노즐부재는 제1 및 제2 원판 사이에 곡면을 지닌 다수 개의 임펠러 날개들이 배치되고, 상기 제1 및 제2 원판 중 어느 하나에 공기 유입홀이 형성된 임펠러 타입으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 희석부는 바이패스 관로를 통해 상기 배출가스 유동통로의 전단 측과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제1 하우징에는 상기 공기 희석부와 연결되는 제1 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 배출가스 유입관에는 바이패스 관로를 통해 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징과, ⅱ)상기 제1 하우징에 설치되며, 상기 공기 유입부를 통하여 공기를 흡입하는 펌핑부와, ⅲ)상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징과, ⅳ)상기 제2 하우징에 상기 펌핑부와 연결되게 설치되는 모터부와, ⅴ)상기 모터부와 펌핑부 사이에서 상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재와, ⅵ)상기 제2 하우징의 희석가스 유동통로에 구비되며, 상기 공기 희석부에서 공기에 의해 수소의 농도가 희석된 희석가스 중의 수소를 촉매 반응으로서 희석하는 촉매 희석부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매는 상기 제2 하우징에서 상기 희석가스 유동통로의 내벽 면에 증착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 촉매는 상기 희석가스를 유동시키는 다수 개의 격자홀들을 형성하며, 상기 제2 하우징에서 상기 희석가스 유동통로에 매립될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 격자홀들은 상기 희석가스의 유동 방향을 따라 단면적이 점차 작아지게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징에는 상기 모터부를 냉각하기 위해 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동 통로가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징에는 상기 냉각수 유동 통로와 상기 희석가스 유동통로를 연결하는 냉각수 강제 배출홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 제2 하우징에는 상기 냉각수 강제 배출홀에는 설정된 온도에서 파괴될 수 있는 고분자 소재의 캡이 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는, 가습기에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서, ⅰ)상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징과, ⅱ)상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징과, ⅲ)상기 제2 하우징에 설치되는 모터부와, ⅳ)상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 있어서, 상기 공기 유입부는 상기 가습기로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기의 브리딩 홀과 연결라인을 통해 연결될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 시스템의 배기 계통을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 가스 중의 수소를 외부 공기 및 촉매로서 희석하며, 배출 수소의 농도를 효과적으로 저감시킴으로써, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있고, 연료전지 차량의 배출 수소 저감 측면에서 경쟁적 우위를 확보할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 부분 절단 사시도이다.
도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4의 절단면을 도시한 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 적용되는 노즐부재를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 적용되는 노즐부재의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예에 적용되는 촉매 구조를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템(1)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 예를 들면 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 구성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템(1)에 사용되는 연료를 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)로 정의할 수 있으며, 연료전지 시스템(1)에 사용되는 산화제를 공기로 정의할 수 있다.

이러한 연료전지 시스템(1)은 기본적으로, 연료전지 스택(2), 공기 공급유닛(3), 수소 공급유닛(4), 가습기(5), 수소 재순환유닛(6) 그리고 열/물 관리유닛(7)을 포함하고 있다.

연료전지 스택(2)은 멤브레인(도면에 도시되지 않음)과, 공기극(2a) 및 연료극(2b)을 포함하는 연료전지들(2c)의 전기 발생 집합체이다. 연료전지들(2c)은 연료극(2b)으로 수소를 공급받고, 공기극(2a)으로 공기를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

공기 공급유닛(3)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로 공급한다. 공기 공급유닛(3)은 공기 압축기 또는 공기 블로워를 포함할 수 있다. 수소 공급유닛(4)은 수소를 압축 저장하며 그 수소를 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로 공급하는 수소탱크를 포함할 수 있다.

가습기(5)는 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 수분을 함유하며 배출되는 배출공기를 이용하여, 공기 공급유닛(3)으로부터 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습공기를 공기극(2a)으로 공급하는 막-가습장치를 포함할 수 있다.

수소 재순환유닛(6)은 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출되는 수소를 연료극(2b)으로 재순환시키기 위한 것이다. 수소 재순환유닛(6)은 연료극(2b)으로부터 배출되는 배출수소와, 수소 공급유닛(4)으로부터 공급되는 공급수소를 이젝터 등을 통해 혼합하여 연료극(2b)으로 공급할 수 있다.

열/물 관리유닛(7)은 연료전지들(2c)의 전기 화학적인 반응 시 발생하는 부산물인 열과 물을 제거하며, 연료전지 스택(2)의 운전 온도를 제어하기 위한 것이다.

이러한 연료전지 시스템(1)의 각종 구성 요소들은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성 요소들의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기에서와 같은 연료전지 시스템(1)을 연료전지 차량에 채용한 경우, 연료전지 시스템(1)은 차량의 시동 시, 크로스 오버(cross over)로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출하고, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 퍼지 수소를 배출한다.

또한, 연료전지 시스템(1)은 차량의 주행 시, 퍼지 수소만을 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출하고, 차량의 정지 시 또는 아이들 시(예를 들면, ISG 조건 시), 크로스 오버로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출한다.

상기에서 크로스 오버 수소는 연료전지 시스템(1)의 운전 정지 시, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)에 존재하는 수소의 잔압에 의해 멤브레인을 통해 공기극(2a)으로 크로스 오버된 수소로 정의할 수 있다.

그리고 퍼지 수소는 연료전지 시스템(1)의 운전 중, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)에 누적된 질소 및 수증기 등의 불순물을 제거하기 위해, 퍼지 밸브(8)의 작동으로서 불순물과 함께 연료극(2b)으로부터 배출되는 수소로 정의할 수 있다.

이와 같이 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소 또는 공기를 함유한 수소는 일 예로서 가습기(5)로 공급되며, 그 가습기(5)로부터 공기와 함께 배출되는데, 공기에 의해 희석되며 수소의 농도가 일부 저감된 상태로 배출된다.

즉, 차량의 시동 시, 주행 시 및 정지 시 또는 아이들 시, 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소는 그 연료전지들(2c)에서 배출되는 공기와 함께 가습기(5)로 유입되며, 공기에 의해 수소의 농도가 일부 저감된 상태로 배출될 수 있다.

연료전지 시스템(1)에는 가습기(5)를 통하여 배출되는 가스(수소와 공기를 함유한 가스로서, 이하에서는 "배출 가스" 라고 한다)를 대기 중으로 방출하기 위한 배기 계통(9)을 포함하고 있다. 여기서, 배출 가스는 수소와 공기 외에 물과 수증기를 포함하고 있다.

상기한 배기 계통(9)은 차량의 하부 구조에 전방에서 후방으로 고정되게 설치되는 배기 라인(9a)을 포함한다. 배기 라인(9a)은 배출 가스를 차량의 전방에서 후방으로 유동시키며 대기 중으로 방출한다.

더 나아가, 배기 라인(9a)은 배출 가스를 유동시키는 배기 파이프로 구비되며, 그 배기 라인(9a)의 도중에는 배기 소음을 저감시키는 소음기, 수소의 농도를 감지하는 센서 등과 같은 각종 부품들이 설치될 수 있다.

한편, 차량의 시동 시 및 정지 시 또는 아이들 시에는 배기 라인(9a)을 통해 저 유량의 배출 가스를 배출하는데, 이와 같은 차량 조건은 배출 가스의 저 유량 조건 및 저압 조건으로서, 이때의 배출 가스는 비교적 고 농도의 수소를 포함하고 있다.

그리고, 차량의 주행 시에는 배기 라인(9a)을 통해 고 유량의 배출 가스를 배출하는데, 이와 같은 차량 조건은 배출 가스의 고 유량 조건 및 고압 조건으로서, 이때의 배출 가스는 비교적 저 농도의 수소를 포함하고 있다.

여기서, 배출 가스의 저 유량/저압 조건 및 고 유량/고압 조건은 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기 또는 공기 블로워에서 소모되는 동력에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 차량의 상태(시동, 주행, 정지, 아이들 상태)에 따라서 상기한 저 유량/저압 조건 및 고 유량/고압 조건이 명확히 구분되므로, 저 유량/저압 조건 및 고 유량/고압 조건을 어느 특정한 수치 범위로 한정하지 않기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)에 구성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 상술한 바와 같은 각종 차량 조건에서 배기 계통(9)을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키며, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시 예는 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하며 수소 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 제공한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 2의 부분 절단 사시도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 기본적으로, 제1 하우징(10), 펌핑부(30), 제2 하우징(40), 모터부(70) 그리고 노즐부재(90)를 포함하고 있다.

상기에서와 같은 각각의 구성 요소를 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 라인(9a)의 후단 부 측에서 그 배기 라인(9a)의 도중에 장착될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 배기 라인(9a)의 후단 부 측에 구성하는 이유는, 배기 라인(9a)을 따라 유동하는 배출 가스 중의 수분이 응축된 응축수를 용이하게 배출함으로써 동절기에 배기 라인(9a)의 도중에서 응축수가 빙결되는 것을 방지하기 위함이다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)를 배기 라인(9a)의 후단 부 측에 구성하는 다른 이유는, 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스 중의 수소와 외부 공기의 희석 성능을 극대화하기 위함이다.

여기서, 배기 라인(9a)의 도중이라 함은 전체 배기 라인(9a)에서 후단 부 측의 일 부분(9b)과, 그 일 부분(9b)을 제외한 나머지 부분(9c) 사이의 영역으로 정의할 수 있다. 상기한 일 부분(9b)과 나머지 부분(9c)은 차량의 하부 구조에 고정되게 설치된다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 배기 라인(9a)의 일 부분(9b)과 나머지 부분(9c) 사이의 영역에 장착되며, 그 일 부분(9b)과 나머지 부분(9c)을 상호 연결한다.

이하에서는 배기 라인(9a)의 도중에서 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)와 연결되는 나머지 부분(9c)의 연결 단을 전방 측 연결 단(9d)이라 한다. 그리고 배기 라인(9a)의 도중에서 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)와 연결되는 일 부분(9b)의 연결 단을 후방 측 연결 단(9e)이라 한다.

더 나아가, 상기에서의 "단"은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(단부)으로 정의될 수도 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 후자로 정의하기로 한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)는 상기와 같이 배기 라인(9a)의 후단 부 측에서 그 배기 라인(9a)의 도중에 장착되는 것에 반드시 한정되지 않고, 배기 라인(9a)의 후단(후방 맨 끝)에 구성될 수도 있다.

그러나, 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)가 배기 라인(9a)의 후단 부 측에서 그 배기 라인(9a)의 도중에 장착되는 예를 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4의 절단면을 도시한 단면 구성도이다. 이하에서는 앞서 개시한 도면들과 함께 도 5 및 도 6을 참조하여 하기의 구성 요소들을 자세하게 설명한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 하우징(10)은 배기 라인(9a)의 전방 측 연결 단(9d)과 연결되는 것으로, 배출가스 유입관(20)을 통하여 전방 측 연결 단(9d)과 연결된다. 이러한 배출가스 유입관(20)은 배기 라인(9a)으로 배출되는 배출가스가 유입하는 것으로, 제1 하우징(10)의 전단 측에 결합되며, 전방 측 연결 단(9d)과 연결된다.

상기 제1 하우징(10)은 제1 바디(11)와 제1 유로 형성부재(13)를 포함한다. 상기 제1 바디(11)는 전단 및 후단(양단)이 개방된 원통 형상으로 구비되며, 배출가스 유입관(20)과 연결된다.

상기 제1 유로 형성부재(13)는 제1 바디(11)의 내측에 배치된다. 상기 제1 유로 형성부재(13)는 이의 외측 면과 제1 바디(11)의 내주 면 사이에 배출가스 유동통로(15)를 형성한다. 상기 배출가스 유동통로(15)는 배기 라인(9a)에서 배출가스 유입관(20)으로 유입되는 배출가스를 후방 측으로 유동시키는 유로이다.

이러한 제1 유로 형성부재(13)는 제1 바디(11)의 내주 면에 방사 상의 제1 연결 리브(17)들을 통해 연결된다. 상기 제1 연결 리브(17)들은 적어도 2개 이상, 예를 들면 4개로 구비되며, 제1 바디(11)의 내주 방향을 따라 일정 간격 이격되게 구비된다.

상기 제1 연결 리브(17)들은 제1 유로 형성부재(13)의 외측 면과 제1 바디(11)의 내주 면을 일체로 연결한다. 이에 상기 배출가스 유동통로(15)는 제1 유로 형성부재(13)의 외측 면과 제1 바디(11)의 내주 면 사이에서 제1 연결 리브(17)들 사이에 형성된다.

그리고, 상기 제1 유로 형성부재(13)는 전단 측에 콘 형상 예를 들면, 전방 측을 향해 돌출된 테이퍼 형상의 제1 가스 유도 면(19)을 형성하고 있다. 상기 제1 가스 유도 면(19)은 배기 라인(9a)에서 배출가스 유입관(20)으로 유입되는 배출가스를 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)로 유도하는 기능을 하게 된다.

또한, 상기 제1 유로 형성부재(13)는 후단 측에 제1 장착홈(21)을 형성하고 있다. 상기 제1 장착홈(21)은 제1 유로 형성부재(13)의 후단에서 전방 측으로 형성된다. 상기 제1 장착홈(21)은 뒤에서 더욱 설명될 펌핑부(30)를 장착하기 위한 수용홈으로 구비된다.

더 나아가, 상기 제1 하우징(10)은 외부 공기를 제1 장착홈(21)으로 유입하기 위한 공기 유입부(23)를 형성하고 있다. 상기 공기 유입부(23)는 제1 하우징(10)에 하나 또는 그 이상의 개수로 형성될 수 있다. 이러한 공기 유입부(23)는 제1 바디(11) 및 제1 연결 리브(17)를 관통하며 제1 장착홈(21)으로 연결되는 홀 형태로 구비된다.

상기한 바 있는 펌핑부(30)는 공기 유입부(23)를 통하여 외부 공기를 흡입하는 진공 펌핑수단으로서, 예를 들면 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 로터리 베인을 포함한다. 이러한 펌핑부(30)는 제1 유로 형성부재(13)의 제1 장착홈(21)에 설치된다. 상기 펌핑부(30)는 제1 장착홈(21)에서 회전 가능하게 설치된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 하우징(40)은 제1 하우징(10)의 후단 측에 결합되는 것으로, 배기 라인(9a)의 후방 측 연결 단(9e)과 연결된다. 상기 제2 하우징(40)은 희석가스 배출관(50)을 통하여 후방 측 연결 단(9e)과 연결된다. 이러한 희석가스 배출관(50)은 제2 하우징(40) 측 및/또는 제1 및 제2 하우징(10, 40)의 결합 부위 측에서 외부 공기에 의해 배출가스 중의 수소 농도가 희석된 희석가스를 배출하는 것으로, 제2 하우징(40)의 후단 측에 결합되며, 후방 측 연결 단(9e)과 연결된다.

상기 제2 하우징(40)은 제2 바디(41)와 제2 유로 형성부재(43)를 포함한다. 상기 제2 바디(41)는 전단 및 후단(양단)이 개방된 원통 형상으로 구비되며, 제1 하우징(10)의 제1 바디(11) 후단에 결합되고, 희석가스 배출관(50)과 연결된다.

상기 제2 유로 형성부재(43)는 제2 바디(41)의 내측에 배치된다. 상기 제2 유로 형성부재(43)는 이의 외측 면과 제2 바디(41)의 내주 면 사이에 공기 희석부(45) 및 희석가스 유동통로(47)를 형성한다.

상기 공기 희석부(45)는 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)를 통해 유입되는 배출가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하기 위한 것이다. 이러한 공기 희석부(45)의 구성은 뒤에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.

그리고, 상기 희석가스 유동통로(47)는 공기 희석부(45)에서 배출 가스 중의 수소 농도가 외부 공기에 의해 희석된 희석가스를 희석가스 배출관(50)으로 유동시키는 유로이다.

상기한 바와 같은 제2 유로 형성부재(43)는 제2 바디(41)의 내주 면에 방사 상의 제2 연결 리브(49)들을 통해 연결된다. 상기 제2 연결 리브(49)들은 적어도 2개 이상, 예를 들면 8개로 구비되며, 제2 바디(41)의 내주 방향을 따라 일정 간격 이격되게 구비된다.

상기 제2 연결 리브(49)들은 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41)의 내주 면을 일체로 연결한다. 이에 상기 공기 희석부(45)는 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41)의 내주 면 사이에서 제2 연결 리브(49)들 사이를 통해 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)와 연결된다. 즉, 상기 공기 희석부(45)는 제1 바디(11) 및 제2 바디(41)의 결합 부위 측에서 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41)의 내주 면 사이에서의 전방 측에 배치되며, 배출가스 유동통로(15)와 연결된다.

그리고, 상기 희석가스 유동통로(47)는 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41)의 내주 면 사이에서 제2 연결 리브(49)들 사이를 통해 공기 희석부(45)와 연결된다. 상기 희석가스 유동통로(47)는 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41) 내주 면 사이에서의 후방 측에 배치되며, 공기 희석부(45)와 연결된다. 즉, 상기 희석가스 유동통로(47)는 제2 유로 형성부재(43)의 후단 측과 제2 바디(41) 사이에 형성된다.

한편, 상기 공기 희석부(45)는 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)와 연결되는 믹싱 존(46)을 형성하고 있다. 상기 믹싱 존(46)은 배출가스 유동통로(15)를 통해 유입된 배출가스와 외부 공기를 믹싱하는 영역으로서, 제1 바디(11) 및 제2 바디(41)의 결합 부위 측에서 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면과 제2 바디(41) 내주 면 사이에서의 전방 측에 형성된다.

이러한 믹싱 존(46)을 구획 형성하기 위해 상기 제2 유로 형성부재(43)의 전단 측에는 믹싱 돌기(51)가 형성된다. 상기 믹싱 돌기(51)는 제2 유로 형성부재(43)의 전단 외주 가장자리에서 제1 하우징(10)의 제1 유로 형성부재(13) 측으로 돌출되게 형성된다. 이에 상기 믹싱 존(46)은 믹싱 돌기(51)의 외측 면과 제2 바디(41) 내주 면 사이에서 제1 바디(11) 및 제2 바디(41)의 결합 부위 측으로 연장되며, 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 제2 유로 형성부재(43)는 후단 측에 콘 형상 예를 들면, 후방 측을 향해 돌출된 테이퍼 형상의 제2 가스 유도 면(53)을 형성하고 있다. 상기 제2 가스 유도 면(53)은 공기 희석부(45)에서 희석가스 유동통로(47)로 유입되는 희석가스를 희석가스 배출관(50)으로 유도하는 기능을 하게 된다.

또한, 상기 제2 유로 형성부재(43)는 전단 측에 제2 장착홈(55)을 형성하고 있다. 상기 제2 장착홈(55)은 제2 유로 형성부재(43)의 전단에서 후방 측으로 형성된다. 상기 제2 장착홈(55)은 제1 유로 형성부재(13)의 제1 장착홈(21)과 대향하며 그 제1 장착홈(21)의 내부 중심과 동 축으로서 제2 유로 형성부재(43)의 전단 측에 형성된다. 상기 제2 장착홈(55)은 뒤에서 더욱 설명될 모터부(70)를 장착하기 위한 수용홈으로 구비된다.

상기에서의 모터부(70)는 펌핑부(30)에 회전력을 제공하는 것으로서, 제2 하우징(40)의 제2 유로 형성부재(43)에 설치되는 바, 제2 유로 형성부재(43)의 제2 장착홈(55)에 장착된다.

상기 모터부(70)는 전기적인 신호에 의해 설정된 속도로 회전하는 회전축(71)을 포함한다. 상기 모터부(70)는 회전축(71)을 통해 펌핑부(30)와 연결되게 설치된다. 이에 상기 모터부(70)에 전기적인 신호가 인가되어 회전축(71)이 회전함에 따라, 펌핑부(30)는 제1 하우징(10)의 제1 장착홈(21)에서 회전하며, 제1 하우징(10)의 공기 유입부(23)를 통하여 외부 공기를 흡입할 수 있다.

여기서, 상기 모터부(70)는 장착 브라켓(73)을 통해 제2 유로 형성부재(43)의 제2 장착홈(55)에 장착되는 바, 제2 장착홈(55)의 내주 면과 일정 유격을 두고 장착된다. 이 경우, 상기 제2 장착홈(55)의 내주 면과 모터부(70) 사이의 유격은 소정의 실링수단 예를 들면, 미케니컬 실을 통해 실링될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서 상기 제2 하우징(40)은 냉각매체로서의 냉각수를 유동시키며 모터부(70)에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수 유동 통로(61)를 포함하고 있다. 이러한 냉각수 유동 통로(61)는 냉각수 유동홈(63), 냉각수 유입구(65) 및 냉각수 유출구(67)를 포함한다.

상기 냉각수 유동홈(63)은 제2 하우징(40)에서 제2 연결 리브(49)들에 형성되며, 제2 유로 형성부재(43)의 제2 장착홈(55)과 연결된다. 상기 냉각수 유동홈(63)은 제2 장착홈(55)의 내주 면과 모터부(70) 사이의 유격과 연결된다.

상기 냉각수 유입구(65)는 냉각수 공급수단을 통해 공급되는 냉각수를 냉각수 유동홈(63)과, 제2 장착홈(55)의 내주 면 및 모터부(70) 사이의 유격으로 유입하기 위한 것이다. 상기 냉각수 유입구(65)는 제2 하우징(40)의 제2 바디(41)에 형성되며, 제2 연결 리브(49)들 중 어느 하나의 냉각수 유동홈(63)과 관통되게 연결된다.

이와 같이 상기 냉각수 유입구(65)를 통해 냉각수 유동홈(63)과, 제2 장착홈(55)의 내주 면 및 모터부(70) 사이의 유격으로 냉각수를 유입하며, 모터부(70)에서 발생하는 열을 냉각함에 따라, 제2 하우징(40)의 제2 연결 리브(49)들은 그 열을 방출하는 냉각 핀으로서의 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 냉각수 유출구(67)는 냉각수 유동홈(63)과, 제2 장착홈(55)의 내주 면 및 모터부(70) 사이의 유격으로 유입되고, 모터부(70)를 냉각하면서 데워진 냉각수를 유출하기 위한 것이다. 상기 냉각수 유출구(67)는 제2 바디(41)에 형성되며, 제2 연결 리브(49)들 중 다른 하나의 냉각수 유동홈(63)과 관통되게 연결된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 노즐부재(90)는 펌핑부(30)와 모터부(70) 사이에서 그 모터부(70)의 회전축(71)에 설치된다. 상기 노즐부재(90)는 펌핑부(30)에 의해 공기 유입부(23)를 통하여 흡입(유입)되는 공기를 회전축(71)과 함께 회전하며 공기 희석부(45)로 분사한다.

상기 노즐부재(90)는 펌핑부(30)와 동축으로 모터부(70)의 회전축(71)에 설치된다. 이러한 노즐부재(90)는 도 7에서와 같이, 가장자리 부분에 외륜부를 지닌 원판 형상의 노즐 몸체(91)를 포함한다. 상기 노즐부재(90)는 노즐 몸체(91)에 외륜부의 내측으로 분사홈(93)을 형성하며, 그 분사홈(93)을 관통하는 다수의 노즐공(95)들을 지닌 슬링거 노즐로서 구비된다.

여기서, 상기 노즐공(95)들은 공기 희석부(45)를 향하여 분사홈(93)에 관통되게 형성되는 미세홀로, 분사홈(93)을 따라 외륜 방향으로 일정 간격 이격되게 형성된다. 상기 노즐공(95)들의 개수 및 직경은 연료전지 시스템의 운전 사양에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 실시 예에서 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 연료전지 시스템(1)은 차량의 시동 시, 크로스 오버(cross over)로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출하고, 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 퍼지 수소를 배출한다.

또한, 연료전지 시스템(1)은 차량의 주행 시, 퍼지 수소를 연료전지들(2c)의 연료극(2b)으로부터 배출하고, 차량의 정지 시 또는 아이들 시(예를 들면, ISG 조건 시), 크로스 오버로 인한 수소를 공기와 함께 연료전지들(2c)의 공기극(2a)으로부터 배출한다.

이와 같은 차량 조건의 연료전지들(2c)에서 배출되는 수소는 가습기(5)로 공급되며 그 가습기(5)로부터 공기와 함께 배출되는데, 수소와 공기를 함유한 배출가스는 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)을 통해 배출된다.

상기와 같이 배기 라인(9a)을 통해 배출가스를 배출하는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 도 8에서와 같이 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 모터부(70)에 전기적인 작동 신호를 인가한다. 그러면, 상기 모터부(70)는 회전축(71)을 통하여 펌핑부(30) 및 노즐부재(90)를 회전시킨다.

이러는 과정에, 상기 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스는 배출가스 유입관(20)으로 유입되고, 그 배출가스 유입관(20)을 통해 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)로 유입된다. 이 때, 제1 유로 형성부재(13)의 제1 가스 유도 면(19)은 배출가스를 배출가스 유동통로(15)로 유도한다.

이렇게 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15)를 따라 유동하는 배출 가스는 제2 하우징(40) 측의 공기 희석부(45)로 유입되는데, 제2 유로 형성부재(43)의 믹싱 돌기(51)와 제2 바디(41) 내주 면 사이에서 제1 바디(11) 및 제2 바디(41)의 결합 부위 측으로 연장되며 배출가스 유동통로(15)와 연결되는 믹싱 존(46)으로 유입된다.

한편, 상기 공기 희석부(45)의 믹싱 존(46)으로 배출 가스를 유입하는 과정에, 본 발명의 실시 예에서 펌핑부(30)는 앞서 설명한 바와 같이 모터부(70)에 의해 회전하며, 제1 하우징(10)의 공기 유입부(23)를 통하여 외부 공기를 제1 및 제2 하우징(10, 40) 사이의 내부로 흡입한다.

이러는 과정에 본 발명의 실시 예에서 노즐부재(90)는 앞서 설명한 바와 같은 모터부(70)에 의해 회전하며, 펌핑부(30)에 의해 흡입되는 공기를 공기 희석부(45)의 믹싱 존(46)으로 분사한다.

여기서, 상기 노즐부재(90)의 노즐 몸체(91)는 모터부(70)에 의해 고속으로 회전하게 되고, 원심력에 의해 공기를 노즐 몸체(91)의 분사홈(93)으로 유동시키며, 그 분사홈(93)의 노즐공(95)들을 통해 공기를 고속으로 분사한다.

상기와 같이 공기 희석부(45)의 믹싱 존(46)으로 배출 가스를 유입함과 동시에 노즐부재(90)를 통해 외부 공기를 믹싱 존(46)으로 분사함에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 배출 가스와 공기를 믹싱 존(46)에서 믹싱함으로써, 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하며 그 수소의 농도를 저감시킬 수 있다.

그리고, 상기 공기 희석부(45)에서 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석한 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 그 희석가스를 제2 하우징(40)의 희석가스 유동통로(47)를 따라 유동시키며, 희석가스 배출관(50)을 통해 대기 중으로 방출한다. 이 때, 제2 유로 형성부재(43)의 제2 가스 유도 면(53)은 희석가스 유동통로(47)를 따라 유동하는 희석가스를 희석가스 배출관(50)으로 유도한다.

다른 한편, 상기와 같이 배출 가스 중의 수소를 외부로 공기로서 희석하는 과정에, 모터부(70)에서는 열이 발생하게 된다. 이에 본 발명의 실시 예에서는 냉각수 공급수단을 통해 냉각수를 제2 하우징(40)의 냉각수 유입구(65)로 주입한다.

이에 냉각수는 냉각수 주입구(65)를 통해 제2 연결 리브(49)들 내부의 냉각수 유동홈(63)과, 제2 장착홈(55)의 내주 면 및 모터부(70) 사이의 유격으로 유입되며, 모터부(70)에서 발생하는 열을 냉각한다. 이 때, 상기 모터부(70)에서 발생하는 열은 냉각수에 의해 냉각되며 제2 연결 리브(49)들을 통해 외부로 방출된다.

그리고, 상기 냉각수 유동홈(63)과, 제2 장착홈(55)의 내주 면 및 모터부(70) 사이의 유격으로 유입되고, 모터부(70)를 냉각하면서 데워진 냉각수는 냉각수 유출구(67)를 통해 유출된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(100)에 의하면, 가습기(5)에서 배기 계통(9)의 배기 라인(9a)을 통해 배출되는 배출 가스 중의 수소를 펌핑 구조 및 노즐 분사 구조를 통해 유입되는 외부 공기로서 희석할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템(1)의 배기 계통(9)을 통해 대기 중으로 방출되는 배출 수소의 농도를 효과적으로 저감시킴으로써, 국내와 자동차 세계기술규정(GTR)의 연료전지 차량 배출 수소 규제 관련 법규를 만족시킬 수 있고, 연료전지 차량의 배출 수소 저감 측면에서 경쟁적 우위를 확보할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치에 적용되는 노즐부재의 변형 예를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 노즐부재(190)의 변형 예는 앞서 설명한 바와 같이 미세한 노즐공들을 가진 것과 달리, 임펠러 타입으로 구비될 수 있다.

예를 들면, 상기 노즐부재(190)는 제1 및 제2 원판(191, 192) 사이에 곡면을 지닌 다수 개의 임펠러 날개(193)들이 배치되고, 제1 원판(191)에 공기 유입홀(195)이 형성된 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 노즐부재(190)의 제2 원판(192)은 모터부의 회전축(도면에 도시되지 않음)에 결합되고, 상기 공기 유입홀(195)은 임펠러 날개들(193) 사이와 연결된다. 상기 임펠러 날개(193)들 사이에는 공기 유입홀(195)을 통해 공기를 유입하는 공기 유입단(194a) 및 그 공기를 배출하는 공기 배출단(194b)이 형성된다.

이 경우, 상기 임펠러 날개(193)들은 공기 유입홀(195)을 중심으로 제1 및 제2 원판(191, 192)의 가장자리를 향해 만곡된 형상으로 구비된다. 더 나아가 상기 임펠러 날개(193)들은 이들 사이의 공기 유동 단면적이 공기 유입단(194a)에서 공기 배출단(194b)으로 갈수록 점차 커지는 형상으로 구비된다.

따라서, 본 변형 예에 의한 상기 노즐부재(190)는 모터부에 의해 회전하며, 펌핑부(도면에 도시되지 않음)에 의해 흡입된 외부 공기를 공기 유입홀(195)을 통해 임펠러 날개(193)들의 공기 유입단(194a)으로 유입한다. 이렇게 공기 유입단(194a)으로 유입된 공기는 공기 배출단(194b)을 통해 배출되며, 공기 희석부(도면에 도시되지 않음)로 유입될 수 있다.

이로써, 본 변형 예에서는 임펠러 타입의 노즐부재(190)를 통해 비교적 많은 유량의 외부 공기를 공기 희석부로 원활하게 분사함으로써, 배출 가스와 외부 공기의 믹싱 성능을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예를 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예는 제1 하우징(10)의 배출가스 유동통로(15) 전단 측과 공기 희석부(45)를 연결하는 바이패스 관로(80)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 바이패스 관로(80)는 제1 및 제2 하우징(10, 40) 사이의 공기 희석부(45)와 배출가스 유입관(20)을 연결한다. 이를 위해 상기 제1 하우징(10)에는 공기 희석부(45)와 연결되는 실질적으로 제1 연결홀(81)이 형성된다. 그리고 상기 배출가스 유입관(20)에는 바이패스 관로(80)를 통해 제1 연결홀(81)과 연결되는 제2 연결홀(82)이 형성된다.

따라서, 본 변형 예에서는 공기 희석부(45)에서 배출 가스와 외부 공기를 믹싱하는 과정에, 제1 유로 형성부재(13)의 제1 가스 유도 면(19)에 의해 배출가스 유동통로(15) 전단 측에서의 배출 가스 유속이 증가함에 따라 압력이 낮아지게 된다.

그러면, 본 변형 예에서는 압력이 상대적으로 높은 공기 희석부(45)와 압력이 상대적으로 낮은 배출가스 유동통로(15) 전단 측과의 압력 차이에 의해 그 공기 희석부(45)에서의 배출 가스와 외부 공기 일부를 바이패스 관로(80)를 통해 배출가스 유동통로(15)의 전단 측으로 바이패스시킬 수 있다.

이로써, 본 변형 예에서는 배출 가스를 공기 희석부(45)에서 배출가스 유동통로(15)의 전단 측으로 재순환시킬 수 있으므로, 배출 가스가 배출가스 유동통로(15)를 통해 공기 희석부(45)로 유입되는 시간을 지연시킴으로써 외부 공기에 의한 배출 가스 중의 수소 희석 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)는 외부 공기로서 배출 가스 중의 수소 농도를 1차적으로 저감시키며, 촉매 반응으로서 배출 가스 중의 수소 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예는 차량의 시동 시 및 정지 시 또는 아이들 시, 배기 라인(9a)을 통해 저 유량의 배출 가스를 배출하는 저 유량/저압 조건에서, 배출 가스에 포함된 비교적 고농도의 수소를 외부 공기 및 촉매 반응으로서 희석할 수 있는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)는 전기 실시 예의 구조를 기본으로 하면서 제2 하우징(40)의 희석가스 유동통로(47)에 구비되는 촉매 희석부(280)를 포함하고 있다. 이하에서는 전기 실시 예에서와 같은 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 동일 구성에 대해서는 동일한 도면 참조 부호를 부여하기로 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 촉매 희석부(280)는 공기 희석부(45)에서 외부 공기에 의해 수소의 농도가 희석된 희석가스 중의 수소를 촉매 반응으로서 희석하기 위한 것이다. 상기 촉매 희석부(280)는 제2 하우징(40)의 희석가스 유동통로(47)에 구비된다.

이러한 촉매 희석부(280)는 제2 하우징(40)에서 희석가스 유동통로(47)의 내벽 면에 증착되는 촉매(281)를 포함한다. 상기 촉매(281)는 희석가스 유동통로(47)에서 제2 바디(41)의 내주 면 및 제2 유로 형성부재(43)의 외측 면 그리고 제2 연결 리브(49)의 외표 면에 설정된 두께로 코팅 또는 증착된 촉매층으로 구비될 수 있다.

상기 촉매(281)는 희석가스 유동통로(47)를 따라 유동하는 희석가스 중의 수소 및 산소와 촉매 반응하며 열과 물을 생성함으로써 수소의 농도를 저감시키는 기능을 하게 된다. 상기 촉매(281)는 희석가스 중의 수소를 수소 이온과 전자로 분리하고, 그 분리된 수소 이온 및 전자와 공기 중의 산소를 반응케 하여 열과 물을 생성하는 발열반응이 이루어진다.

이러한 촉매(281)는 수소를 흡착하여 발열 반응이 일어나며, 열과 물을 생성하는 공지 기술의 금속 수소화물(metal hydride)과 같은 촉매로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 본 발명의 다른 실시 예에서는 전기 실시 예에서와 같이 공기 희석부(45)에서 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석하며 수소의 농도를 1차적으로 저감시킨 상태에서, 그 희석된 가스를 제2 하우징(40)의 희석가스 유동통로(47)를 따라 유동시킨다.

그러면, 희석가스가 희석가스 유동통로(47)를 따라 유동하는 과정에 촉매 희석부(280)의 촉매(281)는 희석가스 중의 수소를 수소 이온과 전자로 분리하고, 그 분리된 수소 이온 및 전자 그리고 공기 중 산소의 발열 반응으로 물과 열을 생성한다. 본 발명의 다른 실시 예에서는 희석가스가 희석가스 유동통로(47)를 따라 고르게 분산되면서 희석가스 중의 수소가 촉매(281)와 반응하기 때문에, 촉매 반응에 따른 폭음 및 폭압을 방지할 수 있다.

이로써, 본 발명의 다른 실시 예에서는 희석가스 중의 수소와 산소를 촉매(281)의 촉매 반응으로서 물로 변환하며 그 수소를 희석함으로써 희석가스에 함유된 수소의 농도를 2차적으로 저감시킬 수 있다. 상기와 같이 희석가스 중의 수소 농도가 촉매 희석부(280)를 통해 2차적으로 저감된 상태에서, 그 희석가스는 희석가스 배출관(50)을 통해 배출된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에서는 차량의 시동 시 및 정지 시 또는 아이들 시, 배기 라인(9a)을 통해 저 유량의 배출 가스를 배출하는 저 유량/저압 조건에서, 배출 가스에 포함된 비교적 고농도의 수소를 외부 공기 및 촉매 반응으로 희석함으로써 대기 중으로 배출되는 수소의 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에서는 희석가스 중의 수소가 촉매(281)와 반응하는 과정에 열이 발생하게 되는데, 제2 하우징(40)의 냉각수 유동 통로(61)로 냉각수를 유동시킴으로써 그 열을 외부로 방출할 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 다른 실시 예에서는 고 농도의 수소를 지속적으로 배출하는 각종 고장 모드 예를 들면, 연료전지 스택의 파손, 차량의 충돌, 공기 희석 미 작동 등의 경우 고 농도의 수소와 촉매(281)의 반응으로 열이 급격히 발생할 수 있다.

이에, 본 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)는 냉각수 유동 통로(61)를 따라 유동하는 냉각수를 희석가스 유동통로(47)에 강제적으로 배출시킴으로써, 고 농도의 수소와 촉매(281)의 반응에 따른 과온 상승 및 화재 위험을 방지할 수 있는 안전수단을 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 안전수단은 냉각수 유동 통로(61)와 희석가스 유동통로(47)를 연결하는 냉각수 강제 배출홀(268)과, 그 냉각수 강제 배출홀(268)에 설치되는 캡(269)을 포함한다.

상기 냉각수 강제 배출홀(268)은 제2 하우징(40)의 제2 연결 리브(49)들 중 적어도 하나에 형성되는데, 제2 연결 리브(49)의 냉각수 유동홈(63)과 연결된다. 즉, 상기 냉각수 강제 배출홀(268)은 제2 연결 리브(49)의 냉각수 유동홈(63)과 희석가스 유동통로(47)를 연결한다.

그리고, 상기 캡(269)은 냉각수 강제 배출홀(268)에 끼워지며 그 냉각수 강제 배출홀(268)을 폐쇄하는 것으로, 설정된 온도(고온)에서 파괴될 수 있는 고분자 소재로 이루어진다.

따라서, 고 농도의 수소를 지속적으로 배출하는 각종 고장 모드 시, 고 농도의 수소와 촉매(281)의 반응으로 열이 급격히 발생하는 경우, 본 발명의 다른 실시 예에서는 그 열에 의해 고분자 소자의 캡(269)이 파괴되면서 냉각수 강제 배출홀(268)을 개방한다.

이에 냉각수 유동 통로(61)를 따라 유동하는 냉각수는 냉각수 강제 배출홀(268)을 통해 희석가스 유동통로(47)로 배출되면서 고 농도의 수소와 촉매(281)의 반응에 따른 열을 외부로 방출시킨다.

이로써, 본 발명의 다른 실시 예에서는 고 농도의 수소를 지속적으로 배출하는 각종 고장 모드 시, 고 농도의 수소와 촉매(281)의 반응에 따른 과온 상승 및 화재 위험을 예방할 수 있다.

도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치의 변형 예를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)의 변형 예는 촉매 희석부(380)로서 희석가스를 유동시키는 다수 개의 격자홀(383)들을 형성하며, 제2 하우징(40)에서 희석가스 유동통로(47)에 매립되는 촉매(381)를 포함할 수 있다.

본 변형 예에서, 상기 촉매(381)는 담체에 촉매 물질이 담지된 것으로, 그 담체에는 희석가스를 유동시키는 격자홀(383)들이 형성된다. 상기 격자홀(383)들은 희석가스 유동통로(47)를 따라 배열되며, 사각 격자, 육각 격자 또는 삼각 격자 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 촉매 물질은 백금 및 팔라듐을 포함할 수 있다.

상기와 같은 촉매(381)의 격자홀(383)들의 형상을 다양하게 변형함으로써, 본 변형 예에서는 촉매 물질의 사용량을 감소시킬 수 있고, 수소의 촉매 희석 반응효율을 극대화시킬 수 있다.

이러한 촉매(381)는 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나고, 열과 물을 생성하는 공지 기술의 금속 수소화물(metal hydride)과 같은 촉매로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 상기 촉매(381)는 도 13에서와 같이, 격자홀(383)들이 희석가스의 유동 방향을 따라 단면적이 점차 작아지는 것으로 구비될 수 있다. 즉, 상기 격자홀(383)들은 희석가스 유동통로(47)에서 희석가스가 유입되는 전방으로부터 후방으로 갈수록 희석가스의 유동 단면적이 점차 작아지게 형성된다.

따라서, 본 변형 예에서는 상기한 바와 같은 격자홀(383)들에 의해 희석가스 중의 수소와 촉매 물질의 반응 면적을 증대시킴으로써, 촉매(381)의 반응 효율 및 수소 농도 저감 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 가스의 유동에 따른 차압 손실을 최소화 할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치를 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(300)는 전기 실시 예들과 달리, 외부 공기를 흡입하기 위한 진공 펌핑수단을 필요로 하지 않는 구조로 이루어진다.

상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(300)에서의 제1 하우징(10), 제2 하우징(40), 모터부(70) 그리고 노즐부재(90)는 전기 실시 예들과 동일하므로, 이들의 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 전기 실시 예들에서와 같은 진공 펌핑수단을 삭제하기 위해, 위에서 언급한 바 있는 공기 공급유닛(3: 도 1 참조)으로서의 공기 압축기(401)와 제1 하우징(10)의 공기 유입부(23)를 연결하는 연결라인(405)을 포함하고 있다.

여기서, 상기 공기 압축기(401)는 외부 공기를 흡입 및 압축하며 가습기(5: 도 1 참조)로 토출하는 것으로, 그 공기 압축기(401)의 후단에는 공기의 흡입/압축 및 토출 시 공기를 배출하는 브리딩 홀(403)을 형성하고 있다. 이러한 공기 압축기(401)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 연결라인(405)은 본 발명의 또 다른 실시 예에서 공기 압축기(401)의 브리딩 홀(403)과 공기 유입부(23)를 연결하며, 브리딩 홀(403)을 통해 배출되는 공기를 공기 유입부(23)로 공급한다.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 공기 압축기(401)의 브리딩 홀(403)을 통해 배출되는 공기를 연결라인(405)을 통해 공기 유입부(23)로 유입함으로써, 외부 공기를 펌핑하기 위한 로터리 베인 등과 같은 진공 펌핑수단을 구비하지 않고서도 간단한 구성으로 배출 가스 중의 수소를 외부 공기로서 희석할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 배출 수소 농도 저감장치(300)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예들과 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 연료전지 시스템 2... 연료전지 스택
2a... 공기극 2b... 연료극
2c... 연료전지 3... 공기 공급유닛
4... 수소 공급유닛 5... 가습기
6... 수소 재순환유닛 7... 열/물 관리유닛
8... 퍼지밸브 9... 배기 계통
9a... 배기 라인 9b... 일 부분
9c... 나머지 부분 9d... 전방 측 연결 단
9e... 후방 측 연결 단 10... 제1 하우징
11... 제1 바디 13... 제1 유로 형성부재
15... 배출가스 유동통로 17... 제1 연결 리브
19... 제1 가스 유도 면 20... 배출가스 유입관
21... 제1 장착홈 23... 공기 유입부
30... 펌핑부 40... 제2 하우징
41... 제2 바디 43... 제2 유로 형성부재
45... 공기 희석부 46... 믹싱 존
47... 희석가스 유동통로 49... 제2 연결 리브
50... 희석가스 배출관 51... 믹싱 돌기
53... 제2 가스 유도 면 55... 제2 장착홈
61... 냉각수 유동 통로 63... 냉각수 유동홈
65... 냉각수 유입구 67... 냉각수 유출구
70... 모터부 71... 회전축
73... 장착 브라켓 80... 바이패스 관로
81... 제1 연결홀 82... 제2 연결홀
90, 190... 노즐부재 91... 노즐 몸체
93... 분사홈 95... 노즐공
191, 192... 원판 193... 임펠러 날개
194a... 공기 유입단 194b... 공기 배출단
195... 공기 유입홀 280, 380... 촉매 희석부
281, 381... 촉매 268... 냉각수 강제배출홀
269... 캡 383... 격자홀
401... 공기 압축기 403... 브리딩 홀
405... 연결라인

Claims (20)

1. 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서,
   상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징;
   상기 제1 하우징에 설치되며, 상기 공기 유입부를 통하여 공기를 흡입하는 펌핑부;
   상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징;
   상기 제2 하우징에 상기 펌핑부와 연결되게 설치되는 모터부; 및
   상기 모터부와 펌핑부 사이에서 상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재;를 포함하고,
   상기 공기 희석부는 상기 제1 및 제2 하우징의 결합 부위 측에 형성되며, 상기 제1 하우징의 배출가스 유동통로와 연결되는 믹싱 존을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 배기라인을 통해 배출가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때,
   상기 연료전지 배출 수소 농도 저감장치는 상기 배기라인의 후단 부 측에서 그 배기라인의 도중에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 하우징의 전단 측에는 배출가스 유입관이 결합되며, 상기 배출가스 유입관은 상기 배기라인 도중의 전방 측 연결 단에 연결되고,
   상기 제2 하우징의 후단 측에는 희석가스 배출관이 결합되며, 상기 희석가스 배출관은 상기 배기라인 도중의 후방 측 연결 단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 하우징은,
   상기 배기라인을 통해 배출가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때,
   전단 및 후단이 개방된 원통 형상의 제1 바디와,
   상기 제1 바디의 내주 면에 방사 상의 제1 연결 리브들을 통해 연결되며 그 내주 면과의 사이에 상기 배출가스 유동통로를 형성하는 제1 유로 형성부재
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 유로 형성부재는,
   전단 측에 콘 형상의 제1 가스 유도 면을 형성하고, 후단 측에 상기 펌핑부를 장착하기 위한 제1 장착홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 공기 유입부는,
   상기 제1 바디 및 상기 제1 연결 리브를 관통하며 상기 제1 장착홈으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 하우징은,
   상기 배기라인을 통해 배출가스를 전방에서 후방으로 배출하는 것을 기준으로 할 때,
   상기 제1 하우징의 후단 측에 결합되며, 전단 및 후단이 개방된 원통 형상의 제2 바디와,
   상기 제2 바디의 내주 면에 방사 상의 제2 연결 리브들을 통해 연결되며 그 내주 면과의 사이에 상기 공기 희석부 및 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 유로 형성부재
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제2 유로 형성부재의 전단 측에는 상기 믹싱 존을 구획하기 위한 믹싱 돌기가 외주 가장자리에서 상기 제1 하우징 측으로 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 희석가스 유동통로는 상기 제2 유로 형성부재의 후단 측과 제2 바디 사이에 형성되며,
   상기 제2 유로 형성부재의 후단 측에는 콘 형상의 제2 가스 유도 면을 형성하고,
   상기 제2 유로 형성부재의 전단 측에는 상기 모터부를 장착하기 위한 제2 장착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 하우징은,
    상기 제2 연결 리브들에 형성되며, 상기 제2 장착홈과 연결되는 냉각수 유동홈과,
    상기 제2 바디에 형성되며, 상기 제2 연결 리브들 중 어느 하나의 냉각수 유동홈과 관통되게 연결되는 냉각수 유입구와,
    상기 제2 바디에 형성되며, 상기 제2 연결 리브들 중 다른 하나의 냉각수 유동홈과 관통되게 연결되는 냉각수 유출구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐부재는 가장자리 부분에 외륜부를 지닌 원판 형상의 노즐 몸체를 포함하며,
    상기 외륜부의 내측으로 분사홈을 형성하고, 상기 분사홈을 관통하는 다수의 노즐공들을 그 분사홈을 따라 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐부재는,
    제1 및 제2 원판 사이에 곡면을 지닌 다수 개의 임펠러 날개들이 배치되고, 상기 제1 및 제2 원판 중 어느 하나에 공기 유입홀이 형성된 임펠러 타입으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
13. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 희석부는 바이패스 관로를 통해 상기 배출가스 유동통로의 전단 측과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
14. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 하우징에는 상기 공기 희석부와 연결되는 제1 연결홀이 형성되며,
    상기 배출가스 유입관에는 바이패스 관로를 통해 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
15. 연료전지에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서,
    상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징;
    상기 제1 하우징에 설치되며, 상기 공기 유입부를 통하여 공기를 흡입하는 펌핑부;
    상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징;
    상기 제2 하우징에 상기 펌핑부와 연결되게 설치되는 모터부;
    상기 모터부와 펌핑부 사이에서 상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재; 및
    상기 제2 하우징의 희석가스 유동통로에 구비되며, 상기 공기 희석부에서 공기에 의해 수소의 농도가 희석된 희석가스 중의 수소를 촉매 반응으로서 희석하는 촉매 희석부;를 포함하고,
    상기 공기 희석부는 상기 제1 및 제2 하우징의 결합 부위 측에 형성되며, 상기 제1 하우징의 배출가스 유동통로와 연결되는 믹싱 존을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 촉매는,
    상기 제2 하우징에서 상기 희석가스 유동통로의 내벽 면에 증착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
17. 제15 항에 있어서,
    상기 촉매는,
    상기 희석가스를 유동시키는 다수 개의 격자홀들을 형성하며, 상기 제2 하우징에서 상기 희석가스 유동통로에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 격자홀들은,
    상기 희석가스의 유동 방향을 따라 단면적이 점차 작아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
19. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 하우징에는,
    상기 모터부를 냉각하기 위해 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동 통로가 형성되며,
    상기 냉각수 유동 통로와 상기 희석가스 유동통로를 연결하는 냉각수 강제 배출홀이 형성되고,
    상기 냉각수 강제 배출홀에는 설정된 온도에서 파괴될 수 있는 고분자 소재의 캡이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.
20. 가습기에서 배출되는 수소와 공기를 함유한 배출가스를 배기라인을 통해 대기 중으로 방출하는 연료전지 시스템의 배기 계통에 구성되는 것으로서,
    상기 배기라인과 연결되며, 배출가스 유동통로 및 공기 유입부를 형성하는 제1 하우징;
    상기 제1 하우징과 결합되며, 상기 배출가스 유동통로와 연결되는 공기 희석부 및 상기 공기 희석부와 연결되는 희석가스 유동통로를 형성하는 제2 하우징;
    상기 제2 하우징에 설치되는 모터부; 및
    상기 모터부의 회전축에 설치되고, 상기 회전축에 의해 회전하며 상기 공기 유입부로 유입되는 공기를 상기 공기 희석부로 분사하는 노즐부재;를 포함하며,
    상기 공기 희석부는 상기 제1 및 제2 하우징의 결합 부위 측에 형성되며, 상기 제1 하우징의 배출가스 유동통로와 연결되는 믹싱 존을 포함하고,
    상기 공기 유입부는 상기 가습기로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기의 브리딩 홀과 연결라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출 수소 농도 저감장치.

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