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KR-20260061745-A - Fuel cell apparatus

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Abstract

실시 예의 연료 전지 장치는 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택과, 수소를 셀 스택의 애노드로 분출하는 노즐 및 노즐과 애노드 사이에 배치된 디퓨저를 포함하는 이젝터와, 노즐의 주변에서 디퓨저와 대향하여 배치된 제1 콘택부와, 노즐과 대향하여 디퓨저에 배치된 제2 콘택부와, 제1 콘택부와 제2 콘택부 간의 접촉 여부를 검사하고, 검사된 결과에 따라 노즐과 디퓨저가 동심인가를 결정하는 동심 분석부를 포함한다.

Inventors

  • 심효섭
  • 남상혁

Assignees

  • 현대자동차주식회사
  • 기아 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (11)

  1. 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택; 수소를 상기 셀 스택의 애노드로 분출하는 노즐; 및 상기 노즐과 상기 애노드 사이에 배치된 디퓨저를 포함하는 이젝터; 상기 노즐의 주변에서 상기 디퓨저와 대향하여 배치된 제1 콘택부; 상기 노즐과 대향하여 상기 디퓨저에 배치된 제2 콘택부; 및 상기 제1 콘택부와 상기 제2 콘택부 간의 접촉 여부를 검사하고, 검사된 결과에 따라 상기 노즐과 상기 디퓨저가 동심인가를 결정하는 동심 분석부를 포함하는 연료 전지 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 콘택부는 상기 노즐의 외경에 이웃하여 배치된 복수의 노즐 접점부를 포함하는 연료 전지 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 노즐에 장착되어, 상기 복수의 노즐 접점부를 서로 연결하면서 지지하는 지지부를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제2 콘택부는 상기 디퓨저의 내측에서 상기 복수의 노즐 접점부와 각각 대응하여 전기적으로 접촉 가능하고 상기 디퓨저의 바깥으로 연장되어 돌출된 복수의 디퓨저 접점부를 포함하는 연료 전지 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 복수의 노즐 접점부는 서로 이격되어 배치된 제1 내지 제3 노즐 접점부를 포함하고, 상기 복수의 디퓨저 접점부는 서로 이격되어 배치되고, 상기 제1 내지 제3 노즐 접점부와 일대일 대응하여 배치된 제1 내지 제3 디퓨저 접점부를 포함하는 연료 전지 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 지지부는 상기 제1 노즐 접점부와 상기 제3 노즐 접점부를 전기적으로 연결하면서 지지하는 제1 지지부; 및 상기 제2 노즐 접점부와 상기 제3 노즐 접점부를 전기적으로 연결하면서 지지하는 제2 지지부를 포함하는 연료 전지 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 동심 분석부는 상기 제1 디퓨저 접점부와 상기 제2 디퓨저 접점부에 각각 연결되어, 통전을 확인하는 제1 통전 확인부; 상기 제2 디퓨저 접점부와 상기 제3 디퓨저 접점부에 각각 연결되어, 통전을 확인하는 제2 통전 확인부; 및 상기 제1 디퓨저 접점부와 상기 제3 디퓨저 접점부에 각각 연결되어, 통전을 확인하는 제3 통전 확인부를 포함하는 연료 전지 장치.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 지지부는 상기 제1 노즐 접점부와 상기 제2 노즐 접점부를 전기적으로 절연하면서 지지하는 제3 지지부; 및 상기 제1 노즐 접점부와 상기 제3 노즐 접점부를 전기적으로 연결하면서 지지하는 제4 지지부를 포함하는 연료 전지 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 제3 디퓨저 접점부와 전기적으로 연결되고 상기 제2 디퓨저 접점부와 제1 소정 공간을 사이에 두고 이격되어 상기 디퓨저의 내경에 배치된 제1 연결부를 더 포함하고, 상기 제2 노즐 접점부는 상기 제2 디퓨저 접점부와 상기 연결부 사이의 상기 제1 소정 공간에 배치되는 연료 전지 장치.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 제2 디퓨저 접점부와 전기적으로 연결되고 상기 제3 디퓨저 접점부와 제2 소정 공간을 사이에 두고 이격되어 상기 디퓨저의 내경에 배치된 제2 연결부를 더 포함하고, 상기 제3 노즐 접점부는 상기 제3 디퓨저 접점부와 상기 연결부 사이의 상기 제2 소정 공간에 배치되는 연료 전지 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 동심 분석부는 상기 제1 디퓨저 접점부와 상기 제2 디퓨저 접점부에 각각 연결되어 통전을 확인하는 제4 통전 확인부를 더 포함하는 연료 전지 장치.

Description

연료 전지 장치{Fuel cell apparatus} 실시 예는 연료 전지 장치에 관한 것이다. 수소 공급 시스템은 수소 재순환을 위해 사용되는 이젝터를 갖는다. 이때, 이젝터를 구성하는 부품인 노즐과 디퓨져 간의 동심이 잘 맞을수록 이젝터의 흡입 성능 확보가 가능하다. 그러나, 노즐과 디퓨저를 결합하였을 때, 이들의 동심 정도를 확인하는 부분이 외부로 드러나지 않아, 동심 여부를 확인할 수 없다. 또한, 이들의 동심 여부를 확인하기 위해서는 디퓨져의 일부를 절단해야만 하는 문제점이 있다. 그러나, 부품을 공급할 때 디퓨져를 절단하는 것은 불가능하기 때문에, 다양한 방법으로 동심 여부를 확인할 수 있는 연구가 진행되고 있다. 도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 장치의 블록도이다. 도 2는 실시 예에 의한 이젝터의 측단면도를 나타낸다. 도 3a는 일 실시 예에 의한 노즐과 제1 콘택부 및 지지부의 배면도를 나타내고, 도 3b는 일 실시 예에 의한 디퓨저와 제2 콘택부의 정면도를 나타낸다. 도 4는 일 실시 예에 의한 제1 및 제2 콘택부가 서로 접촉한 모습을 개략적으로 나타낸다. 도 5a는 다른 실시 예에 의한 노즐과 제1 콘택부 및 지지부의 배면도를 나타내고, 도 5b는 다른 실시 예에 의한 디퓨저와 제2 콘택부와 연결부의 정면도를 나타낸다. 도 6은 다른 실시 예에 의한 제1 및 제2 콘택부와 연결부가 서로 접촉한 모습을 개략적으로 나타낸다. 도 7a는 또 다른 실시 예에 의한 디퓨저와 제2 콘택부의 정면도를 나타내고, 도 7b는 또 다른 실시 예에 의한 제1 및 제2 콘택부와 연결부가 서로 접촉한 모습을 개략적으로 나타낸다. 이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다. 또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다. 이하, 실시 예에 의한 연료 전지 장치(100)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지 장치(100)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 또한, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 교차할 수도 있다. 도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 장치(100)의 블록도이다. 실시 예에 의한 연료 전지 장치(100)는 셀 스택(110), 수소 탱크(120), 수소 공급 밸브(130), 이젝터(ejector)(140), 응축수 저장부(150), 퍼지 밸브(purge valve)(160) 및 드레인 밸브(drain valve)(170)를 포함할 수 있다. 또는, 연료 전지 장치(100)는 동심 분석부(180)를 더 포함할 수 있다. 연료 전지는 전력을 생성하는 역할을 한다. 연료 전지는 예를 들어, 연료 전지 장치(100)를 포함하는 연료 전지 차량(이하, ‘차량’이라 한다)의 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 연료 전지는 셀 스택(cell stack)(110) 및 집전판(current corrector)(또는, 집전 단자)(미도시)을 포함할 수 있다. 연료 전지 장치(100)가 연료 전지 차량일 경우, 셀 스택(110)은 차량의 진행 방향(또는, 주행 방향) 또는 주행 방향과 교차하는 방향으로 적층된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 수소 탱크(120)로부터 열림 상태의 수소 공급 밸브(130)를 통과한 수소(또는, 연료)가 분사압을 제공하는 이젝터(140)를 통하여 셀 스택(110)의 연료극(anode)으로 들어간 후, 전기 생성을 위한 반응을 마친 다음, 일부는 연료극으로 재순환되고 나머지는 퍼지 밸브(160)를 거쳐 배출되는 수소 퍼지가 이루어진다. 즉, 수소 퍼지 시 수소 재순환 블로워(미도시)의 작동에 의하여 셀 스택(110)에서 배출된 수소의 일부는 셀 스택(110)의 연료극으로 재순환되고, 나머지는 퍼지 밸브(160)를 통하여 외부로 배출된다. 한편, 셀 스택(110)의 공기극에 공급된 공기가 유로를 따라 이동하여 수소와 반응할 때, 공기극 등에서 응축수가 발생되어 응축수 저장부(150)에 저장된다. 응축수 저장부(150)에 저장된 응축수는 드레인 밸브(170)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이하, 실시 예에 의한 이젝터의 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이해를 돕기 위해, 도 1에 도시된 연료 전지 장치(100)를 예로 하여 실시 예에 의한 이젝터를 설명한다. 즉, 이하에서 설명되는 이젝터(140A)는 도 1에 도시된 이젝터(140)의 실시 예에 해당할 수 있다. 그러나, 도 1에 도시된 연료 전지 장치(100)와 다른 구성을 갖는 연료 전지 장치에도 하기에 설명되는 이젝터는 적용될 수 있다. 도 2는 실시 예에 의한 이젝터(140A)의 측단면도를 나타낸다. 실시 예에 의한 이젝터(140A)는 노즐(nozzle)(142) 및 디퓨저(Diffuser)(144)를 포함할 수 있다. 이젝터(140A)는 압력을 가진 유체를 노즐(142)을 통해 고속으로 분출하면 그 주위에 저압부를 만들어 주위의 유체를 흡입하면서 배출하는 일종의 펌프로서, 고압을 가진 1차(Primary) 유체(수소)를 고속으로 분출하는 노즐(142)과, 유체의 속도를 떨어뜨리고 압력을 상승시키는 역할을 하는 디퓨저(144)로 구성된다. 즉, 노즐(142)은 연료인 수소를 셀 스택(110)의 애노드로 분출하는 역할을 한다. 디퓨저(144)는 노즐(142)과 셀 스택(110)의 애노드 사이에 배치된다. 비록 도 1에 도시되지는 않았지만, 실시 예에 의한 연료 전지 장치(100)는 제1 및 제2 콘택부를 더 포함할 수 있다. 도 3a는 일 실시 예에 의한 노즐(142)과 제1 콘택부(NCP) 및 지지부(SPA)의 배면도를 나타내고, 도 3b는 일 실시 예에 의한 디퓨저(144)와 제2 콘택부(DCP)의 정면도를 나타내고, 도 4는 일 실시 예에 의한 제1 및 제2 콘택부(NCP, DCP)가 서로 접촉한 모습을 개략적으로 나타낸다. 제1 콘택부(NCP)는 노즐(142)의 주변에서 디퓨저(144)와 y축 방향으로 대향하여 배치될 수 있다. 여기서, y축 방향은 노즐(142)과 디퓨저(144)가 서로 결합하는 방향이다. 제2 콘택부(DCP)는 노즐(142)과 y축 방향으로 대향하면서 디퓨저(144)에 배치될 수 있다. 동심 분석부(180)는 제1 콘택부(NCP)와 제2 콘택부(DCP) 간의 접촉 여부를 검사하고, 검사된 결과에 따라 노즐(142)과 디퓨저(144)가 동심인가를 결정할 수 있다. 노즐(142)과 디퓨저(144)가 서로 결합될 때, 제1 및 제2 콘택부(NCP, DCP)가 서로 접촉하면, 노즐(142)의 제1 중심(CT1)과 디퓨저(144)의 제2 중심(CT2)이 y축 방향으로 나란한 동심이라고 결정할 수 있다. 즉, 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 중심(CT1, CT2)이 일직선상에 배치되는가의 여부를 확인하기 위해, 제1 콘택부(NCP)와 제2 콘택부(DCP) 간의 접촉 여부를 이용할 수 있도록, 제1 콘택부(NCP)와 제2 콘택부(DCP)는 다음과 같은 구성을 갖는다. 일 실시 예에 의하면, 제1 콘택부(NCP)는 노즐(142)의 외경(OD1)에 이웃하여 배치된 복수의 노즐 접점부를 포함할 수 있다. 제2 콘택부(DCP)는 복수의 디퓨저 접점부를 포함할 수 있다. 복수의 디퓨저 접점부 각각은 디퓨저(144)의 내측에서 복수의 노즐 접점부 중 해당하는 노즐 접점부와 대응하여 전기적으로 접촉 가능한 일부, 디퓨저(144)의 바깥으로 노출된 타부, 및 일부와 타부를 연결하며 디퓨저(144)의 내경(ID)으로부터 외경(OD2)까지 디퓨저(144)를 관통하는 중간부를 갖는다. 즉, 제1 내지 제3 디퓨저 접점부(DCP1, DCP2, DCP3) 각각의 일부는 디퓨저(144)의 내경(ID)에 위치하고, 타부는 디퓨저(144)의 외경(OD2)으로부터 돌출되어 바깥으로 튀어나온 형상을 갖는다. 예를 들어, 제1 내지 제3 디퓨저 접점부(DCP1, DCP2, DCP3)는 바(Bar) 형태로 이루어질 수 있다. 복수의 노즐 접점부는 서로 이격되어 배치된 제1 내지 제3 노즐 접점부(NCP1, NCP2, NCP3)를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 디퓨저 접점부는 서로 이격되어 배치되고, 제1 내지 제3 노즐 접점부(NCP1, NCP2, NCP3)와 일대일 대응하여 배치된 제1 내지 제3 디퓨저 접점부(DCP1, DCP2, DCP3)를 포함할 수 있다. 복수의 노즐 접점부는