KR100501683B1 - 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치 - Google Patents

연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100501683B1
KR100501683B1 KR10-2003-0042401A KR20030042401A KR100501683B1 KR 100501683 B1 KR100501683 B1 KR 100501683B1 KR 20030042401 A KR20030042401 A KR 20030042401A KR 100501683 B1 KR100501683 B1 KR 100501683B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water
adsorption
storage container
adsorbent
fuel cell
Prior art date
Application number
KR10-2003-0042401A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050003509A (ko
Inventor
김세훈
김수환
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR10-2003-0042401A priority Critical patent/KR100501683B1/ko
Publication of KR20050003509A publication Critical patent/KR20050003509A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100501683B1 publication Critical patent/KR100501683B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04134—Humidifying by coolants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04171—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal using adsorbents, wicks or hydrophilic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것으로서, 제오라이트나 실리카겔 등과 같은 흡착제의 흡착열을 이용하여 영하 이하의 대기 온도에서 저장용기 내에 얼어 있는 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있도록 구성됨으로써, 동절기 연료전지 차량의 냉시동성을 보다 향상시킬 수 있는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것이다.

Description

연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치{Cooling water and/or humidifying reservoir system for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것으로서, 제오라이트나 실리카겔 등과 같은 흡착제의 흡착열을 이용하여 영하 이하의 대기 온도에서 저장용기 내에 얼어 있는 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있도록 구성됨으로써, 동절기 연료전지 차량의 냉시동성을 보다 향상킬 수 있는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차나 레이저 전기기구 등의 전원으로 관심 있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
예를 들어, 고분자 전해질형 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지 셀 어셈블리와 그 주변부품으로 구성된 연료전지 스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.
즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소 이온이 양이온 교환막을 통해 캐소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 되는 것이다.
한편, 이러한 연료전지 시스템이 적용된 차량에서는 증류수를 수소 및 공기의 가습에 사용하고, 또한 연료전지 스택의 냉각수로 사용하고 있다.
이와 같이 물을 연료전지의 냉각수 및 가습수로 사용하는데 있어, 동절기에는 대기의 온도가 영하 이하로 내려가면 냉각수 또는 가습수를 저장하는 탱크 안의 물이 얼게 되는 바, 이러한 경우에는 시동이 불가능해진다.
이러한 연료전지 차량의 냉시동성 문제는 아직 해결되지 않고 있는 문제이며, 연료전지 차량이 실용화 되기 위해서는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다.
현재 부동액을 냉각수로 사용하려는 연구가 일부에서 이루어지고 있지만, 이러한 경우 연료전지 스택의 오염 및 기밀 유지에 어려움이 있게 되는 등 많은 문제점들이 발생하게 되며, 부동액을 냉각수로 사용하더라도 연료전지의 특성상 스택의 온도가 빠른 시간 내에 일정 온도 이상으로 올라가야만 정상적인 성능을 낼 수 있다.
결국, 연료전지 차량과 관련한 많은 회사들이 냉시동성 개선을 위해 노력하고 있지만, 이는 아직 해결되지 않고 있으며, 따라서 이에 대한 대처방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 제오라이트나 실리카겔 등과 같은 흡착제의 흡착열을 이용하여 영하 이하의 대기 온도에서 저장용기 내에 얼어 있는 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있도록 구성됨으로써, 동절기 연료전지 차량의 냉시동성을 보다 향상시킬 수 있는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치는, 흡착제(112)가 내장되어 있으면서 연료전지용 냉각수 또는 가습수가 상기 흡착제(112)와 열교환 가능하게 저장되는 저장용기(111)를 가지는 단열탱크(110)와; 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)에 공급되는 흡착수가 저장되며 얼음상태의 흡착수를 녹일 수 있는 가열수단(121)이 내장된 흡착수 탱크(120)와; 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)가 내장된 공간(111c)과 흡착수 탱크(120)의 내부 공간을 연결하는 유로(130)와; 상기 유로(130) 상에 설치되어 내부 유체의 흐름을 단속하는 밸브수단(140)과; 상기 저장용기(111) 내에서 냉각수 또는 가습수의 온도를 검출하는 제1온도검출수단(151)과; 상기 흡착수 탱크(120) 내에서 흡착수의 온도를 검출하는 제2온도검출수단(152)과; 상기 흡착수 탱크(120) 내에서 흡착수가 상한계수위(LP1)에 도달함을 검출하는 제1한계수위검출수단(161)과; 하한계수위(LP2)에 도달함을 검출하는 제2한계수위검출수단(162)과; 차량의 시동키 조작신호와 상기 각 온도검출수단(151,152) 및 한계수위검출수단(161,162)으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 가열수단(121) 및 밸브수단(140)의 작동을 제어하는 제어수단(170)을 포함한다.
특히, 상기 저장용기(111)는 내벽(111a)과 외벽(111b) 사이의 공간(111c) 내에 흡착제(112)가 내장되는 이중벽 용기 구조로 되어 있으면서 상기 내벽(111a)의 안쪽으로 냉각수 또는 가습수가 채워져 저장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착제(112)는 제오라이트와 실리카겔 중 선택된 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착수 탱크(120)는 상기 저장용기(111)보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유로(130)는 흡착수 탱크(120) 내의 흡착수가 저장용기(111) 내의 흡착제 공간(111c)으로 흐르는데 이용되는 흡착수 유로(131)와, 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)로부터 탈착된 증기가 흡착수 탱크(120)의 내부 공간으로 흐르는데 이용되는 탈착증기 유로(132)로 구분 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈착증기 유로(132)는 흡착수 탱크(120)의 내부 공간에서 탈착증기의 배출이 이루어지는 상단 출구가 상기 제1한계수위검출수단(161)의 상측에 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저장용기(111)에는 얼음상태의 냉각수 또는 가습수를 녹일 수 있는 가열수단(113)이 내장되고, 이 가열수단(113)의 작동이 상기 제어수단(170)에 의해 제어되도록 한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 냉시동성 향상을 위한 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것으로서, 영하 이하의 대기 온도에서 제오라이트(zeolite; MgNaA)나 실리카겔(silicagel) 등과 같은 흡착제의 흡착열을 이용하여 저장용기 내부에 얼음상태로 저장된 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있도록 구성한 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 저장장치는 연료전지의 전기 생산에 반드시 필요한 냉각수 및 가습수의 저장용으로 모두 적용 가능하며, 특히 이러한 본 발명이 적용된 연료전지 차량에서는 영하 이하의 대기 온도에서 저장용기 내에 얼어 있는 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있게 되면서 동절기에 보다 빠른 시간 내에 차량의 시동이 가능해지는 효과가 있게 된다.
냉각수를 부동액으로 사용하는 경우에도 연료전지 시스템의 온도를 빠른 시간 내에 정상 온도로 올려주는데 이용될 수 있다.
이러한 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 저장장치의 구성을 보여주는 장치구성도이고, 도 2는 물-제오라이트(MgNaA) 시스템의 증기압 선도를 인용하여 나타낸 것이다[Dawoud, B., Thermische und kalorische Stoffdaten des Stoffsystems Zeolith MgNaA-Wasser, Diss., RWTH Aachen, 2000].
이에 도시한 바와 같이, 본 발명은 흡착제(112)가 내장되어 있으면서 냉각수(또는 가습수)가 저장되는 저장용기(111)를 가지는 단열탱크(110)를 포함한다.
이 단열탱크(110)는 저장용기(111) 바깥쪽으로 열손실을 막기 위한 단열벽(116)이 설치되어 구성된 것으로, 상기 저장용기(111)는 내벽(111a)과 외벽(111b) 사이의 밀폐된 공간(111c) 내에 흡착제(112)가 충전(充塡)된 이중벽 용기 구조로 되어 있으면서 상기 내벽(111a) 안쪽의 내부 공간에는 냉각수 라인(또는 가습수 라인)(180)을 따라 흐르게 되는 냉각수(또는 가습수)가 저장되도록 되어 있다.
또한, 상기 저장용기(111)에는 유입구(114a)와 배출구(114b)가 구비되는 바, 이 유입구(114a)와 배출구(114b)에는 단열벽(116) 바깥쪽의 냉각수 라인(180)이 각각 연결되어, 냉각수가 유입구(114a)를 통해 흡착제(112)로 둘러싸인 저장용기(111) 내부 공간으로 유입되어 저장되고, 저장되어 있던 냉각수가 배출구(114b)를 통해 냉각수 라인(180)으로 흐르게 되어 있다.
상기 저장용기(111)는 내벽(111a)을 통해 흡착제(112)와 냉각수간 열교환이 이루어지게 되어 있는 바, 이 열교환 면적을 크게 하기 위하여 다양한 형상의 저장용기가 사용될 수 있다.
상기 저장용기(111)에서 흡착제(112)가 충전된 공간(111c)은 이후 설명되는 흡착수 탱크(120)의 내부와 별도의 유로(130)를 통해 연결되며, 따라서 흡착수 탱크(120) 내의 흡착수가 필요시 상기 유로(130)를 통해 저장용기(111) 내의 흡착제(112)로 흡착되거나, 흡착제(112)에 흡착되어 있던 물이 증기상태로 다시 흡착수 탱크(120) 내에 유입될 수 있게 된다.
상기 저장용기(111) 내부에는 보조적인 가열수단을 설치하는 것도 실시 가능하며, 이 가열수단의 바람직한 예로는, 첨부한 도면에 예시한 바와 같이, 전원 인가시 발열되는 열선(113)을 들 수 있다.
또는, 상기 열선 외에 기타 열원, 즉 마이크로 오븐과 같이 전원을 통해 고주파를 발생시키거나 인덕턴스를 이용하여 물을 녹일 수 있는 장치 등으로 실시될 수 있다.
상기 가열수단(113)은 흡착제(112)의 흡착열에 의해 냉각수가 완전히 녹지 않을 경우, 즉 흡착열의 용량이 부족할 경우 사용될 수 있으며, 또한 운전 정지 후 물의 탈착이 완전히 진행되지 않았을 경우 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 저장장치에서 냉시동성 개선을 위하여 상기 밀폐공간(111c) 내의 흡착제(112)가 물을 흡착하면서 발생시킨 흡착열로써 저장용기(111) 내부에 얼어 있는 냉각수를 단시간 내에 녹일 수 있도록 구성되는 바, 이때 상기 흡착제(112)로는 제오라이트 또는 실리카겔의 사용이 가능하며, 또한 이들의 혼합물을 사용하는 것도 실시 가능하다.
물론, 상기 제오라이트 또는 실리카겔 외에 기타 물 흡착시 발열하는 재료(흡착제) 중 선택된 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있음은 명백하다.
상기와 같은 흡착제에서는 물이 흡착될 경우 발열이 이루어지고 흡열시에는 흡착된 물이 증기상태로 탈착됨은 잘 알려진 사실이다.
특히, 흡착수인 물과 흡착제인 제오라이트의 관계에서, 상기 제오라이트는 대략 1g의 물을 흡착하는 경우 약 10g의 냉각수(또는 가습수)를 녹일 수 있는 흡착열을 발생시킨다.
이와 같이, 본 발명에서는 발열을 위해 저장용기(111)의 흡착제(112)에 흡착되어지는 별도의 물을 필요로 하는 바, 흡착제(112)에 흡착될 소량의 물을 별도로 저장하는 흡착수 탱크(120)가 구비되며, 그 내부는 앞서 설명한 바와 같이 유로(130)를 통해 저장용기(111)의 흡착제 충전공간(111c)과 연통된다.
또한, 물이 흡착된 이후 열이 가해지면서 흡착제(112)로부터 물이 증기상태로 탈착되어질 때, 상기 흡착수 탱크(120)는 탈착된 증기를 저장하는 역할도 하는 바, 상기 유로(130)는 흡착수 탱크(120) 내의 흡착수가 저장용기(111) 내의 흡착제 충전공간(111c)으로 흐르는데 이용되는 흡착수 유로(131)와, 저장용기(111)의 흡착제(112)로부터 탈착된 증기가 다시 흡착수 탱크(120) 내로 흐르는데 이용되는 탈착증기 유로(132)로 구분 설치된다.
상기 흡착수 탱크(120)는, 적절한 배관설계를 통해 저장용기(111)의 옆과 아래쪽으로 설치할 수도 있으나, 저장용기(111)에 비해 상측으로 설치하는 것이 가장 바람직하며, 이에 따라 상기 흡착수 유로(131)로는 액상의 물이 하측으로 흐르도록 하고, 이 액상의 물이 저장용기(111)의 흡착제(112)에 흡착되도록 한다.
이는 흡착수를 기화시키지 않고 액체상태에서 바로 제오라이트에 흡착시키기 위한 것으로서, 단시간 내에 많은 양의 열을 얻을 수 있게 한다.
또한, 상기 탈착증기 유로(132)는 흡착수 탱크(120)의 하부면을 관통하여 탱크 내부에 깊숙히 삽입되는 바, 탈착증기의 배출이 이루어지는 상단 출구가 흡착수 탱크(120)의 내부 공간에서도 후술되는 제1한계수위검출수단(161)의 상측에 위치되도록 설치된다.
또한, 상기 흡착수 탱크(120)에는 흡착수가 얼어 있을 경우 이를 신속히 녹일 수 있는 가열수단(121)이 내장되며, 상기 흡착수 유로(131)에는 제1밸브수단(141)이, 탈착증기 유로(132)에는 제2밸브수단(142)이 각각 설치되어 내부 유체의 흐름을 단속한다.
상기 가열수단의 바람직한 예로는, 첨부한 도면에 예시한 바와 같이, 전원 인가시 발열되는 열선(121)을 들 수 있으며, 또는 열선 외에 기타 열원, 즉 마이크로 오븐과 같이 전원을 통해 고주파를 발생시키거나 인덕턴스를 이용하여 물을 녹일 수 있는 장치 등으로 실시될 수 있다.
또한, 상기 흡착수 탱크(120)에는 내부에 채워지는 흡착수가 한계수위에 도달함을 검출하는 한계수위검출수단이 설치되는 바, 이는 상한계수위(LP1)에 도달함을 검출하는 상측의 제1한계수위검출수단(161)과, 하한계수위(LP2)를 검출하는 하측의 제2한계수위검출수단(162)으로 구성된다.
또한, 상기 저장용기(111)의 내부에는 냉각수 온도를 검출하는 제1온도검출수단(151)이 설치되며, 상기 흡착수 탱크(120)의 내부에는 흡착수의 온도를 검출하는 제2온도검출수단(152)이 설치된다.
여기서, 상기 제1온도검출수단(151)은 다수개의 온도센서로 구성되어 저장용기(111) 내부의 여러 위치에서 냉각수 온도를 측정하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 차량의 시동키 조작신호와 각 온도검출수단(151,152) 및 한계수위검출수단(161,162)으로부터 입력되는 전기적인 신호에 의해 각 가열수단(113,121) 및 밸브수단(141,142)의 작동을 제어하는 제어수단(170)을 포함한다.
상기 제어수단(170)은 시동키의 온(on)/오프(off) 조작을 알리는 전기적인 신호를 입력받도록 되어 있는 것과 함께, 각 온도검출수단(151,152)으로부터는 해당 위치에서 검출된 온도에 따른 전기적인 신호(온도신호)를 입력받게 되며, 각 한계수위검출수단(161,162)으로부터는 흡착수 탱크(120) 내의 흡착수 수위가 상한계수위(LP1) 또는 하한계수위(LP2)에 도달함을 알리는 전기적인 신호를 입력받게 된다.
상기 제어수단(170)은 이와 같이 각 요소로부터 입력되는 신호를 이용하여 가열수단(113,121) 및 밸브수단(141,142)의 작동을 제어하게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
도 2의 선도에서 상태 '4'와 상태 '5'를 지나는 선은 순수한 물의 증기압 선도를 나타내고, 그 아래의 선들은 각각의 흡착도 X에서의 증기압 선도이다.
여기서, 흡착도 X는 제오라이트 100g 당 흡착되어 있는 물의 g수이다.
즉, X = 0.26은 제오라이트 100g에 물 26g이 흡착되어 있음을 의미하며, 따라서 위의 선도는 일정 흡착도 X에서 온도에 따른 물의 증기압을 측정한 선도이다.
먼저, 동절기에 흡착수 탱크(120)의 흡착수가 -15℃의 얼음상태이고 단열탱크(110) 내의 냉각수(또는 가습수) 또한 -15℃의 얼음상태라 가정한다.
이때, 흡착수의 상태는 도 2의 상태 '4'에 해당하며, 제오라이트(112)의 상태는 상태 '1'에 해당한다.
또한, 흡착수 유로(131)상의 제1밸브수단(141)과 탈착증기 유로(132)상의 제2밸브수단(142)은 모두 닫혀 있으며, 흡착수는 흡착수 탱크(120)의 상한계수위(LP1)까지 채워져 있다.
다음으로, 운전자가 시동키를 온(on) 조작하는 경우, 이를 입력받은 제어수단(170)이 제1밸브수단(141) 및 제2밸브수단(142)이 모두 닫혀진 상태에서 흡착수 탱크(120) 내 열선(121)에 전원을 인가하게 되며, 결국 이 열선(121)이 가열되면서 흡착수 탱크(120) 내 얼음상태의 흡착수가 녹게 된다.
한편, 제어수단(170)은 흡착수 탱크(120) 내 제2온도검출수단(152)에 의해 검출된 온도가 소정 온도 이상 상승한 것으로 감지되면, 얼음상태이던 흡착수가 어느 정도 녹은 것으로 판단, 제1밸브수단(141)을 열어, 액체상태의 흡착수가 흡착수 유로(131)를 통해 하측 저장용기(111) 내 제오라이트(112)로 흡착되도록 한다.
이때, 흡착수의 상태는 도 2의 상태 '5'로서 약 20mbar이고, 제오라이트(112)의 상태는 상태 '1'로서 약 0.004mbar이므로, 이러한 압력차에 의해 흡착수가 제오라이트(112) 내로 흡입되는 것이다.
이러한 흡착은 제오라이트(112)의 증기압이 흡착수 탱크(120) 내 증기압과 같아질 때까지 계속될 수 있으며, 최대로 흡착되었을 때의 제오라이트 상태는 도 2의 상태 '2'가 된다.
이러한 흡입(흡착)과정에서 흡착열이 발생하게 되며, 이 흡착열로 저장용기(111) 내의 냉각수(또는 가습수)를 급속히 녹일 수 있게 된다.
물-제오라이트(MgNaA) 시스템을 사용하였을 경우, 앞서 언급한 바와 같이, 흡착수 1g을 녹이면 약 10g의 냉각수를 녹일 수 있는 흡착열이 발생하게 된다.
다음으로, 흡착과정이 종결되면, 제어수단(170)은 제1밸브수단(141)을 닫고 흡착수 탱크(120) 내 열선(121)을 오프시키게 된다.
흡착과정의 종결시점은 제어수단(170)이 제2한계수위검출수단(162)으로부터 하한계수위(LP2)임을 알리는 신호를 입력받은 때이며, 물론 이는 흡착수 탱크(120) 내 흡착수가 하한계수위(LP2)까지 제오라이트(112)에 모두 흡착된 시점이다.
여기서, 제어수단(170)이 저장용기(111) 내의 제1온도검출수단(151)에 의해 검출된 온도로부터 상기한 흡착과정의 종결시점까지 냉각수가 완전히 녹지 않았음을 판단한 경우에는, 저장용기(111) 내 열선(113)에 전원을 인가하여 잔여 얼음을 녹일 수 있다.
한편, 냉각수가 완전히 녹은 후 운전자가 시동을 걸어 정상상태로 연료전지 차량이 운전되면, 저장용기(111) 내로 유입된 냉각수의 온도는 제1온도검출수단(151)에 의해 검출된 온도로서 약 60 ∼ 70℃가 되며(이는 라디에이터를 통해서 냉각된 온도임), 이때 제어수단(170)은 제2밸브수단(142)을 열게 된다.
이때, 제오라이트(112)는 탈착에 필요한 열을 저장용기(111) 내로 유입되는 냉각수로부터 공급받아 물을 증기상태로 탈착시키게 되는 바, 이 탈착증기는 탈착증기 유로(132)를 통해 상측의 흡착수 탱크(120)로 유입된다.
이와 같이 흡착수 탱크(120) 내로 유입된 탈착증기는 흡착수 탱크(120) 내에서 응결되어 다시 액상의 물로 저장되는 바, 이 흡착수의 상태는 흡착수 탱크(120) 내 열선 가열이 중지된 상태에서 대기 온도 -15℃인 도 2의 상태 '4'가 되며, 이때 상태 '2'인 제오라이트의 증기압이 상태 '4'인 흡착수의 증기압에 비해 상대적으로 높으므로, 제오라이트의 상태가 도 2의 상태 '3'이 될 때까지 계속해서 탈착이 이루어지게 된다.
또한, 물의 완전 탈착이 이루어지기 전에 운전을 정지한 경우(시동키 오프)에는 냉각수로부터 탈착에 필요한 열을 공급받을 수 없게 되는 바, 이때 제어수단(170)은 저장용기(111) 내의 열선(113)에 전원을 인가하여 냉각수를 적정 온도까지 가열시키게 되며, 이때 가열된 냉각수로부터 제오라이트(112)는 탈착과정의 종료시점까지 필요한 열을 공급받게 된다.
다음으로, 상기와 같은 탈착과정이 완전히 종결되면, 제어수단(170)은 저장용기(111) 내 열선(113)의 가열을 중지시키고, 이와 함께 제2밸브수단(142)을 닫아주게 된다.
탈착과정의 종결시점은 제어수단(170)이 제1한계수위검출수단(161)으로부터 상한계수위(LP1)임을 알리는 신호를 입력받은 때이며, 물론 이는 흡착수 탱크(120) 내 응결수의 수위가 상한계수위(LP1)까지 도달한 시점이 된다.
이후, 연료전지 차량의 시동이 꺼지면 냉각수의 온도는 다시 대기 온도인 -15℃로 떨어지게 되며, 이때 제오라이트의 상태는 도 2의 상태 '1'로 되어 전체 사이클이 완성된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에서는 흡착수를 기화시키지 않고 액체상태에서 바로 제오라이트로 흡착시켜 단시간 내에 많은 양의 흡착열을 발생시키고, 이러한 흡착열을 저장용기 내부에 저장된 냉각수 또는 가습수를 녹이는데 사용하는 바, 본 발명의 저장장치가 적용된 연료전지 차량에서는 냉시동성이 향상될 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치에 의하면, 흡착제의 흡착열을 이용하여 영하 이하의 대기 온도에서 저장용기 내에 얼어 있던 냉각수 또는 가습수를 단시간 내에 녹일 수 있게 되므로, 이를 연료전지 차량에 적용할 경우 동절기에 보다 빠른 시간 내에 차량의 시동이 가능해지는 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 저장장치의 구성을 보여주는 장치구성도이고,
도 2는 물-제오라이트 시스템의 증기압 선도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 단열탱크 111 : 저장용기
112 : 흡착제 113 : 가열수단(열선)
120 : 흡착수 탱크 121 : 가열수단(열선)
131 : 흡착수 유로 132 : 탈착증기 유로
141 : 제1밸브수단 142 : 제2밸브수단
151 : 제1온도검출수단 152 : 제2온도검출수단
161 : 제1한계수위검출수단 162 : 제2한계수위검출수단
170 : 제어수단

Claims (7)

  1. 흡착제(112)가 내장되어 있으면서 연료전지용 냉각수 또는 가습수가 상기 흡착제(112)와 열교환 가능하게 저장되는 저장용기(111)를 가지는 단열탱크(110)와; 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)에 공급되는 흡착수가 저장되며 얼음상태의 흡착수를 녹일 수 있는 가열수단(121)이 내장된 흡착수 탱크(120)와; 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)가 내장된 공간(111c)과 흡착수 탱크(120)의 내부 공간을 연결하는 유로(130)와; 상기 유로(130) 상에 설치되어 내부 유체의 흐름을 단속하는 밸브수단(140)과; 상기 저장용기(111) 내에서 냉각수 또는 가습수의 온도를 검출하는 제1온도검출수단(151)과; 상기 흡착수 탱크(120) 내에서 흡착수의 온도를 검출하는 제2온도검출수단(152)과; 상기 흡착수 탱크(120) 내에서 흡착수가 상한계수위(LP1)에 도달함을 검출하는 제1한계수위검출수단(161)과; 하한계수위(LP2)에 도달함을 검출하는 제2한계수위검출수단(162)과; 차량의 시동키 조작신호와 상기 각 온도검출수단(151,152) 및 한계수위검출수단(161,162)으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 가열수단(121) 및 밸브수단(140)의 작동을 제어하는 제어수단(170)을 포함하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 저장용기(111)는 내벽(111a)과 외벽(111b) 사이의 공간(111c) 내에 흡착제(112)가 내장되는 이중벽 용기 구조로 되어 있으면서 상기 내벽(111a)의 안쪽으로 냉각수 또는 가습수가 채워져 저장되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착제(112)는 제오라이트와 실리카겔 중 선택된 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착수 탱크(120)는 상기 저장용기(111)보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 유로(130)는 흡착수 탱크(120) 내의 흡착수가 저장용기(111) 내의 흡착제 공간(111c)으로 흐르는데 이용되는 흡착수 유로(131)와, 상기 저장용기(111)의 흡착제(112)로부터 탈착된 증기가 흡착수 탱크(120)의 내부 공간으로 흐르는데 이용되는 탈착증기 유로(132)로 구분 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 탈착증기 유로(132)는 흡착수 탱크(120)의 내부 공간에서 탈착증기의 배출이 이루어지는 상단 출구가 상기 제1한계수위검출수단(161)의 상측에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 저장용기(111)에는 얼음상태의 냉각수 또는 가습수를 녹일 수 있는 가열수단(113)이 내장되고, 이 가열수단(113)의 작동이 상기 제어수단(170)에 의해 제어되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치.
KR10-2003-0042401A 2003-06-27 2003-06-27 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치 KR100501683B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0042401A KR100501683B1 (ko) 2003-06-27 2003-06-27 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0042401A KR100501683B1 (ko) 2003-06-27 2003-06-27 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050003509A KR20050003509A (ko) 2005-01-12
KR100501683B1 true KR100501683B1 (ko) 2005-07-18

Family

ID=37218590

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-0042401A KR100501683B1 (ko) 2003-06-27 2003-06-27 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100501683B1 (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050003509A (ko) 2005-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101248254B1 (ko) 전기 생산 장치
EP1030396B1 (en) Solid polymer type fuel cell system
US20030207161A1 (en) Hydrogen production and water recovery system for a fuel cell
EP1840995B1 (en) Fuel cell system
US20060068246A1 (en) Energy stations
JP2002056871A (ja) 燃料電池暖気装置
JP2009054404A (ja) 燃料電池システム
JP2006024559A (ja) サブトラックに分割された燃料電池スタックを備える燃料電池システムから発電する方法および燃料電池システム
JP2001006711A (ja) 燃料電池システム
CN207426027U (zh) 一种带集成加热功能的燃料电池供氢系统
JP2002208422A (ja) 燃料電池システム
CN112701317A (zh) 具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统及其控制方法
JP2002208429A (ja) 燃料電池システム
KR101550928B1 (ko) 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택
JP5312224B2 (ja) 燃料電池装置
KR100501683B1 (ko) 연료전지용 냉각수 및 가습수 저장장치
US8343678B2 (en) Fuel cell system to preheat fuel cell stack
JP2001118593A (ja) 燃料電池システム
JP3430402B2 (ja) 燃料電池用の加湿装置
JP2003031255A5 (ko)
CN211088406U (zh) 具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统
JP2002246052A (ja) 燃料電池装置及びその起動方法
WO2017022313A1 (ja) 高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両
ES2558176T3 (es) Sistema de alimentación de una pila de combustible con gas
JP3742893B2 (ja) 燃料電池システムの残留物除去装置及び方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee