KR101637727B1 - 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템 - Google Patents

통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택에 일체로 형성된 공기 입구 및 출구에 부착되고, 스택 내부로 유입 및 배출되는 공기의 양을 조절하는 통합밸브를 포함하며, 스택과의 최단거리에 통합밸브가 위치되므로, 연료전지 차량 시동 정지 후, 소모해야될 산소량이 최소화되고, 이에 따라 종래에 비하여 캐소드 카본의 부식이 감소하여 연료전지 차량의 내구성이 향상되는 효과가 있는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템을 제공한다.

Description

통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템{AIR PROCESSING SYSTEM FOR FUEL CELL VEHICLE EQUIPPED INTERGRATED VAlVE}
본 발명은 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 관한 것이다.
연료전지 차량에 구비되는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC; POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL)는 작동을 위해서 반드시 수분이 필요하다. 수분은 연료전지에서 수소 이온의 전달 매개체 역할을 하기 때문에 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 습도는 연료전지 성능과 직결된다.
이에 따라 연료전지 차량에는 도 1에 도시된 바와 같은 종래 공기 공급 시스템이 구비되었었다. 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 흡기관에 구비된 블로워(2)를 통해 흡기되어 가습기(3)로 주입되고 가습기(3)를 통해 가습 된 뒤 스택(1)으로 유입되었었다. 스택(1)으로 공급된 공기는 다시 가습기(3)를 거쳐 배기관을 통해 외부로 배출되었었다.
한편, 스택(1)으로 유입되는 공기와, 스택(1)으로부터 배출되는 공기의 양을 제어하기 위하여 공기 차단밸브(4,5)가 흡기관과 배기관에 구비되고 있다. 연료전지 차량의 시동 정지 후에는, 흡기관 및 배기관에 구비된 차단밸브(4, 5)가 닫히고, 스택으로 유입되었던 공기 중 산소를 소모시켜, 셀 내부에 구비된 캐소드 카본의 부식을 방지하게 된다.
그러나, 종래에는 차단밸브가 스택으로부터 먼 거리에 위치하여, 연료전지 차량의 시동 정지 후 소모해야 할 산소가 많았고 이에 따라 캐소드 카본의 부식을 완전히 방지하기 어려웠었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1230891호(2013.02.07.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 스택으로 유입되던 가습 공기를 차단하는 밸브를 스택과 최단거리에 위치시킴으로써 스택의 내구성을 향상시키는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템은, 연료전지 스택에 일체로 형성된 공기 입구 및 출구에 부착되고, 스택 내부로 유입 및 배출되는 공기의 양을 조절하는 통합밸브를 포함한다.
위와 같은 본 발명의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 따르면, 스택과의 최단거리에 통합밸브가 위치되므로, 연료전지 차량 시동 정지 후, 소모해야 될 산소량이 최소화되고, 이에 따라 종래에 비하여 캐소드 카본의 부식이 감소하여 연료전지 차량의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 종래 흡기관에 장착되었던 차단밸브, 종래 배기관에 장착되었던 차단밸브의 기능을 통합밸브를 통해 수행하는 것이 가능하며, 추가로 흡기관에서 스택으로 유입되는 공기를 배기관으로 우회시키던 우회밸브의 기능을 통합밸브를 통해 수행하는 것이 가능하다. 이에 따라 종래에 비하여 구성이 간단해지고, 패키지가 유리하며, 제작비용이 감소하는 효과가 있다.
또한, 통합밸브를 이용하여 우회기능(BY-PASS)이 쉽게 구현되므로, 스택으로 유입되는 공기량 제어 및 기존에 구현하지 못했던 연료전지 차량의 제어로직 개발이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 종래 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 시스템의 개요도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템의 개요도,
도 3은 도 2의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템의 사시도,
도 4는 도 2의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 구비된 통합밸브의 사시도,
도 5는 도 2의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 구비된 통합밸브의 작동 예시도,
도 6은 도 2의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 구비된 제어부의 제어블럭도,
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템의 개요도이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템은, 연료전지 스택(100)에 일체로 형성된 공기 입구(110) 및 출구(120)에 부착되고, 스택(100) 내부로 유입 및 배출되는 공기의 양을 조절하는 통합밸브(200)를 포함한다.
통합밸브(200)는, 입구(110)와 연결된 입구유로(210)와, 출구(120)와 연결된 출구유로(220) 및, 입구유로(210)와 출구유로(220)를 연결하는 바이패스유로(230)를 포함한다. 또한, 통합밸브(200)는, 입구유로(210)에 구비된 입구밸브플레이트(240) 및, 출구유로(220)에 구비된 출구밸브플레이트(250)를 포함하며, 입구밸브플레이트(240) 및 출구밸브플레이트(250)와 연결된 기어박스(260)와, 기어박스(260)와 연결된 모터(270) 및, 모터(270)의 작동 및 회전수를 제어하는 제어부(280)를 더 포함한다.
입구밸브플레이트(240) 및 출구밸브플레이트(250)는, 동일한 각도로 회전된다. 바이패스유로(230)는, 출구밸브플레이트(250)가 회전됨에 따라 개폐된다.
입구유로(210)는, 입구유로(210)로부터 외부로 연장되며, 외부에 존재하는 공기를 스택(100) 내부로 유도하는 유입관(211)과, 유입관(211)에 장착되어 공기에 수분을 함유시키는 가습기(212) 및, 외부로부터 공기를 흡기하고, 흡기된 공기를 가습기(212)에 압축 주입하도록 유입관(211)에 장착된 압축기(213)를 포함한다.
출구유로(220)는, 출구유로(220)로부터 가습기(212)로 연장된 내측배출관(221) 및, 가습기(212)로부터 외부로 연장된 외측배출관(222)을 포함한다. 출구유로(220)는, 가습기(212)로부터 외부로 배출되는 공기의 압력을 조절하면서 정지 시에 외부공기 유입을 차단하는 외측배출관(222)에 장착된 압력조절밸브(223)를 더 포함한다.
도 5는 도 2의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템에 구비된 통합밸브(200)의 작동 예시도가 도시되었다.
도 5의 a는 제1 실시예의 정상 주행 상태의 예시도로써, 입구밸브플레이트(240) 및 출구밸브플레이트(250)가 공기 입구(110) 및 공기 출구(120)를 완전히 개구한 상태이다. 입구유로(210)로 유입된 모든 공기가 스택(100)으로 유입되고, 출구유로(220)를 통해 외부로 배출된다.
출구밸브플레이트(250)에 의하여 바이패스유로(230)는 차단되고, 입구유로(210)로 유입된 모든 공기는 스택(100)을 경유하여 출구유로(220)로 배출된다. 이때, 출구밸브플레이트(250)가 바이패스유로(230)를 완전히 막을 수 있도록, 바이패스유로(230)는, 바이패스유로(230)의 단면적이 출구유로(220)의 단면적과 같거나 작도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 5의 b는 제1 실시예의 특수 주행 상태의 예시도로써, 입구밸브플레이트(240) 및 출구밸브플레이트(250)가 공기 입구(110) 및 공기 출구(120)를 일부 개구한 상태이다. 스택(100) 내부와 입구유로(210)의 차압에 따라서 입구유로(210)로 유입된 공기 중 일부가 스택(100)으로 유입되고, 일부는 바이패스유로(230)를 통해 스택(100)으로 유입되지 않고 출구유로(220)를 통해서 외부로 배출된다.
연료전지 스택(100)의 온도가 적정 온도 이하인 상태에서 연료전지 차량이 시동되는 냉시동의 경우, 스택(100)에 공급되는 유량을 최소화함으로써 스택(100)이 비정상적인 상태에서 동작하도록 하여 자체발열을 유도하게 된다. 이와 동시에 스택(100)의 전기 발생을 높이기 위해서, MCU, 구동모터, 압축기(213; 블로워) 등을 가동시켜 전기를 소모시키게 된다.
이때, 도 5의 b와 같이 입구밸브플레이트(240)가 공기 입구(110)를 일부만 개구하고, 압축기(213)를 최고출력(8 내지 10 kW)으로 동작시키면, 스택(100)에는 필요한 양만큼의 공기가 공급됨과 동시에 스택의 자체발열을 유도함으로써 냉시동성이 향상된다.
도 5의 c는 제1 실시예의 시동 꺼짐 상태의 예시도로써, 입구밸브플레이트(240) 및 출구밸브플레이트(250)가 공기 입구(110) 및 공기 출구(120)를 완전히 폐쇄한 상태이다. 입구유로(210)로 유입된 공기를 바이패스유로(230)를 통해서 모두 출구유로(220)로 유입되고 외부로 배출된다.
이때, 스택(100) 내부로 유입된 공기에 포함되었던 산소가 급격히 소모되어 스택(100) 내부에 잔존하는 산소가 모두 사라지게 된다. 이를 통해 캐소드 카본의 부식이 방지되어 연료전지 스택(100)의 내구성이 향상되고 궁극적으로 연료전지 차량의 내구성이 향상된다.
또한, 고전압 배터리의 충전이 완료되고, 연료전지 차량이 내리막길을 주행하는 상황에서는, 회생제동이 불가능하므로 브레이크가 무리하게 작동될 때, 도 5의 b 또는 도 5의 c와 같이 입구밸브플레이트(240)가 작동되고, 압축기(213)가 최고출력으로 작동되면, 완충 되었던 배터리가 방전됨으로써, 회생제동을 통한 보조 브레이킹이 발생 된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예는 하나의 모터(270)를 통해서 두 밸브플레이트를 동작시키게 되므로, 컴팩트한 레이아웃으로 설계될 수 있으며, 스택(100)에 직접적으로 장착될 수 있다. 이를 통해서 시동 정지시, 소모해야할 잔존 산소의 양이 종래에 비하여 줄게 된다.
한편, 입구밸브플레이트(240)와 출구밸브플레이트(250)를 동작시키는 모터(270)가 개별적으로 구비되면, 통합밸브(200)를 통해서 압력조절밸브(223)의 기능이 수행되는 것이 가능하다. 본 발명의 제2 실시예는 통합밸브(200)를 통해서 압력조절밸브(223)의 기능이 수행되는 구성으로 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템은, 연료전지 스택(100)에 일체로 형성된 공기 입구(110) 및 출구(120)에 부착된 통합밸브(200)와, 입구(110)로 유입되는 공기량을 조절하도록 통합밸브(200) 내부에 구비된 입구밸브플레이트(240)와, 출구(120)로 배출되는 공기량을 조절하도록 통합밸브(200) 내부에 구비된 출구밸브플레이트(250) 및, 입구(110)로 유입되는 공기를 출구(120)로 우회시키는 바이패스유로(230)가 내부에 형성된 통합밸브(200)를 포함한다. 출구밸브플레이트(250)가 제1 실시예의 압력조절밸브(223)의 역할을 수행하게 된다.
통합밸브(200)는, 입구밸브플레이트(240)와 연결된 모터(270)와, 출구밸브플레이트(250)와 연결된 모터(270) 및, 각각의 모터(270)의 작동 및 회전수를 제어하는 제어부(280)를 포함하며, 입구밸브플레이트(240)와 출구밸브플레이트(250)는, 다른 각도로 회전된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 스택 110: 입구 120: 출구
200: 통합밸브 210: 입구유로 211: 유입관
212: 가습기 213: 압축기 220: 출구유로
221: 내측배출관 222: 외측배출관 223: 압력조절밸브
230: 바이패스유로 240: 입구밸브플레이트 250: 출구밸브플레이트
260: 기어박스 270: 모터 280: 제어부

Claims (11)

  1. 연료전지 스택에 일체로 형성된 공기 입구 및 출구에 부착되고, 상기 스택 내부로 유입 및 배출되는 공기의 양을 조절하는 통합밸브를 포함하되,
    상기 통합밸브는,
    상기 입구와 연결된 입구유로;
    상기 출구와 연결된 출구유로;
    상기 입구유로에 구비된 입구밸브플레이트; 및
    상기 출구유로에 구비된 출구밸브플레이트를 포함하고,
    상기 통합밸브는,
    상기 입구유로와 상기 출구유로를 연결하는 바이패스유로를 포함하는 통합형 밸브를 장착하며,
    상기 바이패스유로는,
    상기 출구밸브플레이트가 회전됨에 따라 개폐되는 통합형 밸브를 장착하고, 상기 입구밸브플레이트와 상기 출구밸브플레이트가 상기 공기 입구와 상기 공기 출구를 선택적으로 개폐시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통합밸브는,
    상기 입구밸브플레이트 및 상기 출구밸브플레이트와 연결된 기어박스;
    상기 기어박스와 연결된 모터; 및
    상기 모터의 작동 및 회전수를 제어하는 제어부를 더 포함하는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입구밸브플레이트 및 상기 출구밸브플레이트는,
    동일한 각도로 회전되는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입구유로는,
    상기 입구유로로부터 외부로 연장되며, 외부에 존재하는 공기를 상기 스택 내부로 유도하는 유입관;
    상기 유입관에 장착되어 공기에 수분을 함유시키는 가습기; 및
    외부 공기를 흡기하고, 흡기된 공기를 상기 가습기에 압축 주입하도록 상기 유입관에 장착된 압축기를 포함하는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출구유로는,
    상기 출구유로로부터 상기 가습기로 연장된 내측배출관; 및
    상기 가습기로부터 외부로 연장된 외측배출관을 포함하는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 출구유로는,
    상기 가습기로부터 외부로 배출되는 공기의 압력을 조절하도록 상기 외측배출관에 장착된 압력조절밸브를 더 포함하는 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  10. 연료전지 스택에 일체로 형성된 공기 입구 및 출구에 부착된 통합밸브;
    상기 입구로 유입되는 공기량을 조절하도록 상기 통합밸브 내부에 구비된 입구밸브플레이트;
    상기 출구로 배출되는 공기량을 조절하도록 상기 통합밸브 내부에 구비된 출구밸브플레이트; 및
    상기 입구로 유입되는 공기를 상기 출구로 우회시키는 바이패스유로가 내부에 형성된 통합밸브를 포함하고,
    상기 통합밸브는,
    상기 입구밸브플레이트와 연결된 모터;
    상기 출구밸브플레이트와 연결된 모터; 및
    각각의 상기 모터의 작동 및 회전수를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 입구밸브플레이트와 상기 출구밸브플레이트는,
    다른 각도로 회전되는 통합형 밸브를 장착하고,
    상기 바이패스유로는,
    상기 출구밸브플레이트가 회전됨에 따라 개폐되는 통합형 밸브를 장착하고, 상기 입구밸브플레이트와 상기 출구밸브플레이트가 상기 공기 입구와 상기 공기 출구를 선택적으로 개폐시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기 공급 시스템.
  11. 삭제
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