KR100527781B1 - 연료전지 시스템용 가습기 - Google Patents

Abstract

연료전지 시스템의 부피를 줄이는 동시에 가습 효율을 증대시키며 스택의 운전온도에 조기에 도달할 수 있도록 하는 가습기를 제공하기 위해, 본 발명에 의한 가습기는 최외측에 배치되는 제1관, 제1관과 제1 간극을 형성하고 제1관의 내측에 배치되는 제2관, 및 제2관과 제2 간극을 형성하고 제2관의 내측에 배치되는 제3관을 구비하고, 제2관 및 제3관은 이온 교환막을 포함하며, 제2 간극을 통해 연료전지 스택으로 유입되기 전의 가스가 흐르고, 제1 간극 및 제3관의 내부를 통해 냉각수 및 연료전지 스택을 통과한 가스가 선택적으로 하나씩 상기 제2 간극의 가스와 역방향으로 흐른다.

Description

연료전지 시스템용 가습기{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL SYSTEM}

연료전지는 수소 및 산소의 전기화학 반응에 의해서 전기를 발생시키는 장치로서 기존의 연소기관에 비해서 에너지 효율이 높고 공해물질의 배출이 없기 때문에 그 적용 범위가 매우 넓다. 이러한 연료전지의 장점으로 인해 차량에 탑재하여 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 차량 등의 소형 기관에 연료전지를 이용하기 위해서는 필수적으로 요구되는 것이 연료전지의 소형화 및 경량화를 달성하는 것이다. 종래기술에 있어서의 연료전지 시스템의 일례를 참조하여 종래기술에 따른 연료전지 시스템을 설명하고 이의 문제점을 알아본다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 연료전지에 사용되는 연료는 공기 공급기(7; Blower)에 의한 산소와 고압 수소탱크에 의한 수소로 이루어진다. 이들 연료는 연료전지 스택(2) 내부에 존재하는 고분자막의 안정화를 위해 가습기(1)를 통과한 뒤 연료전지 스택(2)으로 공급되어 응축기를 통해 수분이 배출되고 있다.

실선과 화살표로 표시된 각 유로에 대해서 간단하게 설명하면, 가장 가는 실선은 공기 유로(5), 다음으로 두꺼운 실선은 냉각수로(4), 다음으로 두꺼운 실선은 응축수로(6), 가장 두꺼운 실선은 수소 유로(3)를 각각 나타낸다.

수소 유로(3)를 따라 연료전지 시스템 내부의 수소의 흐름을 나타내면 다음과 같다. 수소(H2) 흡기구로 유입된 수소는 유량 제어기를 통과하여 가습기에서 수분이 함유되고, 가습된 수소는 연료전지 스택(2)에서 전기화학적 반응을 일으켜서 전기를 발생시키고 H2 어큐뮬레이터를 통해 함유한 수분이 배출되고 나서 H2 배기구로 유출된다.

또 공기 유로(5)를 따라 연료전지 시스템 내부의 공기의 흐름을 나타내면 다음과 같다. 필터 및 유량기를 통해 유입된 공기는 공기 공급기(7)로부터 가습기(1)로 공급되고, 가습된 공기는 연료전지 스택에서 전기화학적 반응을 일으켜서 전기를 발생시키고 공기 어큐뮬레이터를 통해 수분이 배출되고 나서 공기 배기구로 유출된다.

또 냉각수로(4)를 따라 연료전지 시스템 내부의 냉각수의 흐름을 나타내면 다음과 같다. 냉각수로는 라디에이터에서 냉각되어 펌프, 유량계를 통해 연료전지 스택(2)으로 공급되고 가습기(1)에서 공기 및 수소 가스의 가습을 위해 이용되는 과정을 반복한다. 응축수 유로(6)는 본 발명에 있어서 특징이 없으므로 이에 관한 설명은 생략하도록 한다.

연료전지 시스템에서는 고분자막을 전해질로 이용하여 수소 양이온을 이동시키는데, 이를 위해서는 고분자 전해질 막이 적당한 수분을 함유하고 있어야 한다. 이와 같이, 연료전지 시스템을 이루는 여러가지 구성 요소 중 가습기(1)는 연료전지 스택(2) 내부의 고분자 막의 안정화를 위해 반드시 필요한 중요 구성 요소로서, 공기 및 수소 가스에 수분을 포함시켜 수분이 포함된 가스로 변화시키는 역할을 하는 장치이다. 그러나, 종래 기술에 따른 가습기(2)를 채택한 연료전지 시스템을 차량등의 소형 장치에 적용하였을 때 공간적으로 차지하는 부피가 크다는 것이 문제가 된다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템용 가습기에 비하여 부피가 줄어들고 이와 동시에 가습 효율이 증대된 가습기가 요구된다 하겠다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지 시스템의 부피를 줄이는 동시에 가습 효율을 증대시키며 스택의 운전온도에 조기에 도달할 수 있도록 하는 가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 가습기는, 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택을 통과하는 냉각수로, 상기 연료전지 스택을 통과하는 가스 유로, 및 상기 가스유로를 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 가스를 가습하는 가습기를 구비하는 연료전지 시스템에 설치되고, 최외측에 배치되는 제1관, 제1관과 제1 간극을 형성하고 제1관의 내측에 배치되는 제2관, 및 제2관과 제2 간극을 형성하고 제2관의 내측에 배치되는 제3관을 구비하고, 제2관 및 제3관은 이온 교환막을 포함하며, 제2 간극을 통해 연료전지 스택으로 유입되기 전의 가스가 흐르고, 제1 간극 및 제3관의 내부를 통해 냉각수 및 연료전지 스택을 통과한 가스가 선택적으로 하나씩 상기 제2 간극의 가스와 역방향으로 흐른다.

또한, 바람직하게는 제1 간극을 통해 냉각수가 흐르고, 제3관의 내부를 통해 연료전지 스택을 통과한 가스가 흐르며, 제1 간극의 냉각수 및 제3관의 가스는 제2 간극의 가스와 역방향으로 흐른다. 그리고, 제2관 및 제3관의 내측 또는 외측을 각각 지지체로 둘러싼다. 바람직하게는, 지지체는 나선형의 스틸이다. 또한, 제1 간극 및 제2 간극에는 제2관 및 제3관을 지지하고 간극을 유지하는 스페이서가 장착된다.

이하 첨부된 도면(도 2 내지 도 5)을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 가습기의 구성을 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 가습기를 적용한 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2에 도시한 연료전지 시스템이 도 1에 도시한 종래의 연료전지 시스템과 과 상이한 점은, 가습기(10 및 11)를 채택한 것이다. 설명의 간략화를 위해서 도 1과 동일한 구성에는 동일한 참조 부호를 첨부하였다.

도 2에서는, 본 발명에 따른 가습기(10 및 11)에 대해 개략적인 구성만을 도시하였다. 본 발명에 따른 가습기(10 및 11)는 도시한 바와 같이 연료전지 스택(2)으로 유입되기 전의 수소 유로(3) 또는 공기 유로(5), 연료전지 스택을 통과한 후의 냉각수로(4), 및 연료전지 스택(3)을 통과한 후의 수소 유로(3) 또는 공기유로(5)가 인접하여 배치된다. 이러한 가습기(10 및 11)가 설치된 연료전지 시스템의 일부를 나타내는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 가습기의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 가습기를 적용한 연료전지 시스템의 일부를 나타내는 개략적인 구성도이다. 공기 유로(5) 측의 가습기(10)와 수소 유로(3) 측의 가습기(11)는 구조가 유사하므로 이하에서는 공기와 수소를 '가스'로서 통칭하여 공기 유로(5) 측의 가습기(10)를 위주로 하여 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 가습기(10)는 3 개의 직경이 다른 동심원으로 단면이 구성되는 다중관 형상으로 이루어진다. 이들 다중관 형상에 의해 형성되는 3 개의 유로를 통해서, 각각, 냉각수로(4)를 흐르는 냉각수(30), 가스 유로(5; 공기 유로)를 흘러 연료전지 스택(2)으로 유입하는 가습되는 가스(31), 및 연료전지 스택(2)에서 유출되어 가스 유로(5)를 흐르는 가습후 가스(32)가 유동한다.

연료전지 스택(2)에 공급되어 반응 후 유출되는 가습후 가스(32)는 스택으로 들어오는 공급관의 내부로 유동할 수 있도록 배관이 구성되어 있으며, 스택으로부터 유출되는 냉각수(30)의 배관은 가습되는 가스(31) 및 가습후 가스(32)의 관을 포함하도록 되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 가습기를 나타내는 상세도이다. 여기서 도 4의 좌측은 도 3의 하측에 대응한다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 가습기에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 이해를 돕기 위해 3 개의 다중관 형상 중 가장 외측의 관을 제1관(40), 그 내측의 관을 제2관(41), 가장 내측의 관을 제3관(42)이라 한다.

제1관(40)과 제2관(41)의 사이에 형성된 유로에는 냉각수(30)가 흐르고, 제2관(41)과 제3관(42)의 사이에 형성된 유로에는 가습되는 가스(31)가 흐르며, 제3관(42)의 내부로는 가습후 가스(32)가 흐른다. 또한, 제2관(41) 및 제3관(42)은 이온 교환막으로 구성된다. 따라서, 이 이온 교환막(41 및 42)을 통해 수분의 교환이 이루어진다.

상술한 구성을 갖는 가습기(10)에 있어서, 우선 연료전지 스택(2)을 향해 흐르는 가습되는 가스(31)는 향류로 흐르는 냉각수(30)에 의해 이온 교환막(41)을 통한 가습이 이루어진다. 또한, 가습후 가스(32)도 가습되는 가스(31)와 향류시킴으로써, 이온교환막을 통해 가습되는 가스(31)로 수분이 전달된다. 냉각수(30)에 의한 가습에 비해 그 양은 적지만 가습후 가스(32)에 의해서도 가습이 이루어지기 때문에, 가습되는 가스(31)의 가습 효율이 증대된다.

또한 연료전지 스택(2)에서의 반응에 의해 생성된 고온의 열이 가습후 가스(32)로부터 가습되는 가스(31)로 전달되어, 연료전지 스택(2)으로 공급되는 가스(31)의 온도를 증가시킴으로써 연료전지가 보다 조기에 운전온도에 도달할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 다중관 형상의 가습기(10)를 사용함으로서 가습기의 부피를 감소시켜 연료전지 시스템 전체의 체적이 감소하며, 가습후 가스(32)의 습기 및 열을 이용할 수 있게 됨으로써 가습의 효율 및 공급가스의 온도를 증가시킬 수 있다.

상술한 실시예에 있어서는 다중관 형상으로 형성되는 3개의 유로에서 가장 외측으로는 냉각수(30), 그 내측으로는 가습되는 가스(31), 가장 내측에는 가습후 가스(32)가 흐르는 것으로 되어 있으나, 예를 들어 가장 외측에는 가습후 가스(32), 그 내측에는 가습되는 가스(31), 가장 내측에는 냉각수(30)가 흘러도 된다.

한편, 이온 교환막(41 및 42)은 기계적 강도가 약하기 때문에 가스 및 냉각수의 흐름에 의해 발생할 수 있는 손상을 방지하기 위해 이를 지지하기 위한 지지체가 필요하게 된다. 일 실시예에 있어서, 도 4에 도시하는 바와 같이 이온 교환막(41 및 42)의 내측, 외측 또는 양측 각각 폭이 얇은 나선형의 스틸(43)이 둘러싸고 있으면서 이온교환막을 지지하고 있다. 따라서, 이온 교환막의 손상을 방지하면서, 원활한 수분의 이동이 이루어질 수 있다. 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이면 어떠한 형태의 지지체라도 무관하다.

도 5는 본 발명에 따른 스페이서 및 이를 장착한 가습기를 나타내는 상세도이다. 도 5(a)는 본 발명에 따른 스페이서(20; spacer)를 나타내고 있다. 가습기(10) 내부에는 제2관 및 제3관이 배치되어 있고, 이러한 다중관 형상을 유지하기 위해서 스페이서가 이용된다. 스페이서(20)는 도 5(b)에 도시된 바와 같이 제1관(40)과 제2관(41)의 사이에 형성된 간극에 설치된다. 또한, 도 5(a)의 스페이서(20)보다 직경이 작도록 축소한 형태의 스페이서(21)가 제2관(41)과 제3관(42)의 사이에 형성된 간극에 설치된다.

스페이서(20 및 21)는 예를 들어 가습기(10)의 시작부분과 끝부분에 1조씩 설치되어도 좋고, 확실한 지지를 위해서 일정한 간격으로 1조씩 설치되는 등으로 다양한 설치 방식이 가능하다. 수분의 공급에 영향을 주지 않고 스페이서를 가습기의 길이 방향으로 연장시키는 구성도 물론 가능하다.

상술한 본 발명은 특정 실시예를 예시하여 설명하지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시하는 연료전지 시스템은 예시적인 것일 뿐 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 가습기는 가스를 가습하기 위한 가습기를 구비하는 모든 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 당업자는 상술한 실시예에 의해 본 발명에 대한 다양한 변형, 수정을 용이하게 할 수 있으며, 이러한 변형 또는 수정은 본 발명의 범위에 포함되고, 본 발명의 보호범위는 청구의 범위에 의해 정의된다.

종래에는 가습기(1)와 연료전지 스택(2)의 사이에 세 개의 유로, 즉 수소 유로(3), 냉각수로(4), 공기 유로(5)가 각각 존재하고, 또한 별도의 가습기(1)를 구비하므로 상당한 부피를 차지했었다. 그러나, 본 발명에 따른 가습기의 경우에는, 상술한 세 개의 유로가 하나의 관 내에 배치되므로 종래의 하나의 유로가 차지하던 부피에 비하여 약간 증가하는 정도의 부피에 세 개의 유로를 배치할 수 있으며, 또한 종래에 별도로 구비되어 있던 가습기(1)가 제거되므로 명백한 가습기 부피의 감소가 있게 된다. 이를 통해 연료전지 차량의 레이아웃이 용이해진다.

또한, 가습후 가스에 의해서도 가습이 이루어질 수 있게 되므로 가습의 효율이 증대하고, 가습후 가스로부터의 열이 연료전지 스택으로 공급되는 가스에 공급되어 연료전지가 보다 조기에 운전온도에 도달할 수 있게 된다.

그리고, 나선형 스틸 등의 지지체 및 스페이서를 이용함으로써 기계적 강도가 약한 이온교환막으로 이루어지는 관을 유지할 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가습기를 적용한 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 가습기를 적용한 연료전지 시스템의 일부를 나타내는 개략적인 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가습기를 나타내는 상세도이다.

도 5는 본 발명에 따른 스페이서 및 이를 장착한 가습기를 나타내는 상세도이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 가습기 2 : 연료전지 스택

3 : 수소 유로 4 : 냉각수로

5 : 공기 유로 6 : 응축수 유로

10, 11: 가습기 20, 21 : 스페이서

30 : 냉각수 31 : 가습되는 가스

32 : 가습후 가스 40 : 제1관

41 : 제2관, 이온 교환막 42 : 제3관, 이온 교환막

Claims (5)

1. 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택을 통과하는 냉각수로, 상기 연료전지 스택을 통과하는 가스 유로, 및 상기 가스유로를 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 가스를 가습하는 가습기를 구비하는 연료전지 시스템에 설치되는 연료전지 시스템용 가습기에 있어서,

   상기 가습기는, 최외측에 배치되는 제1관;

   상기 제1관과 제1 간극을 형성하고 상기 제1관의 내측에 배치되는 제2관; 및

   상기 제2관과 제2 간극을 형성하고 상기 제2관의 내측에 배치되는 제3관을 구비하고,

   상기 제2관 및 제3관은 이온 교환막을 포함하며,

   상기 제2 간극을 통해 상기 연료전지 스택으로 유입되기 전의 가스가 흐르고,

   상기 제1 간극 및 상기 제3관의 내부를 통해 냉각수 및 상기 연료전지 스택을 통과한 가스가 선택적으로 하나씩 상기 제2 간극의 가스와 역방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 간극을 통해 상기 냉각수가 흐르고, 상기 제3관의 내부를 통해 상기 연료전지 스택을 통과한 가스가 흐르며, 상기 제1 간극의 냉각수 및 상기 제3관의 가스는 상기 제2 간극의 가스와 역방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2관 및 제3관의 내측 또는 외측을 각각 지지체로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 지지체는 나선형의 스틸인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 간극 및 제2 간극에는 상기 제2관 및 제3관을 지지하고 상기 간극을 유지하는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.