KR100736950B1

KR100736950B1 - 연료 전지 시스템에서의 물회수 장치

Info

Publication number: KR100736950B1
Application number: KR1020050072626A
Authority: KR
Inventors: 박정규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-07-09
Also published as: KR20070018194A

Abstract

본 발명은 전기를 발생시키는 연료전지스택과, 연료전지스택에 공급되는 수소 및 공기를 가습시키는 가습기와, 연료전지스택으로 물을 공급하기 위해 물을 저장하는 리저버와, 그리고 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축시키는 응축기를 구비하는 연료전지 차량에서, 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용되는 물을 회수하기 위한 물회수 장치에 관한 것으로: 상기 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축기로 공급하기 위해서 응축기 입구에 설치되며, 수소의 진행방향을 따라 방사상으로 확장된 후 다시 좁아지는 형상의 물회수 배관과; 그리고 상기 물회수 배관 및 응축기와 연통되어, 상기 물회수 배관에서 수집된 물 및 상기 응축기를 통과하는 수소 및 공기가 응축되어 발생한 물을 회수하여 상기 리저버로 보내는 회수통을 구비하여 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용되는 물의 회수량을 증가시키고 이를 다시 사용할 수 있도록 한다.

연료전지 시스템, 물회수 배관, 응축기, 연료전지스택

Description

연료 전지 시스템에서의 물회수 장치{Water Collection Apparatus for Fuel Cell System}

도 1은 연료전지 시스템을 나타내는 도면;

도 2는 본 발명에 따르는 물회수 장치를 구비한 연료전지 시스템을 나타내는 도면;

도 3은 본 발명에 따르는 물회수 장치를 나타내는 도면;

도 4는 본 발명에 따르는 물회수 장치의 물회수 배관을 나타내는 사시도; 그리고

도 5는 본 발명에 따르는 물회수 장치의 제어방법을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지스택 20 : 수소탱크

30 : 가습기 40 : 리저버

50 : 응축기 51 : 수소벤트 밸브

60 : 물회수 장치 61 : 응축수 밸브

62 : 물회수 배관 63 : 회수통

본 발명은 연료전지를 장착한 차량의 연료전지 시스템에서의 물회수 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에서 사용되는 응축기에서 응축된 물을 회수하여 저장하고 이를 수소와 공기를 가습시키는데 사용함으로써 외부로부터의 물을 보충할 필요성을 제거한 물회수 장치에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해서 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 최근 무공해 연료로서 활발하게 연구되고 있는 발전장치이다.

이와 같은 연료전지는 전기를 생산하는 단위전지가 적층되어 있는 연료전지 셀 어셈블리(fuel cell assembly) 및 그 주변부품으로 구성된 연료전지스택(stack)이 애노드(anode)로 연료기체인 수소를 공급받고, 캐소드(cathode)로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.

도 1은 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다. 연료전지 시스템은 상기 연료전지셀 어셈블리 및 그 주변부품으로 구성된 연료전지스택(10)과, 상기 연료전지스택(10)에 수소를 공급하기 위한 수소탱크(20)와, 상기 수소탱크(20)로부터 공급된 수소와 공기를 가습시키는 가습기(30)와, 상기 연료전지스택(10)에 물을 공급하기 위한 리저버(40)와, 그리고 상기 연료전지스택(10)으로부터 나온 물을 함유한 수소를 응축시키는 응축기(50)를 구비하고 있다.

종래의 연료전지 시스템은 수소가 가습기(30)를 통과하여 연료전지스택(10)으로 들어가 전기를 발생시킨 후 연료전지스택(10)으로부터 나와 응축기(50)로 들 어가게 된다. 응축기(50)는 2중 구조로 내측에 수소가 통과하는 관(미도시)이 형성되어 있으며, 상기 관의 외측으로 냉각수가 흐르면서 통과하는 수소로부터 열을 빼앗아 응축시키는 구조를 가지고 있다. 상기 응축기(50)의 후방에는 수소벤트 밸브(51)가 마련되어 있으며, 상기 수소벤트 밸브(50)를 온/오프하여 응축기(50)를 통과한 수소를 외부로 유출시키며, 이와 아울러 응축기(50)의 후방에 회수통(52)을 구비하여 응축기(50)로부터 빠져나오는 물을 회수통(52)을 통해서 외부로 유출시키게 된다. 연료전지스택(10)으로부터 유출된 수소는 물을 함유하고 있으며 온도는 약 65℃이며, 상기 수소와 물은 응축기(50)를 지나면서 냉각되어 물로 변화하여 외부로 배출된다.

상기와 같은 종래의 연료전지 시스템은 가습기(30)에서 수소와 공기를 가습시키는데 있어서 물이 필요하며, 이는 리저버(40)로부터 공급된다. 하지만 종래의 연료전지 시스템은 수소와 공기를 가습시키는 데 사용된 물이 응축기(50)를 통과하여 외부로 배출되기 때문에, 연료전지를 연속적으로 운전시킬 경우 리저버(40)에 저장된 물의 양은 계속 줄어들게 된다. 따라서 연료전지를 차량에 적용할 경우 가습기(30)에서 필요로 하는 물을 계속 보충하기 위한 별도의 장비 등이 필요하게 되고, 차량이 운전 중에 물이 소비되면 이를 보충하기 위해서 도로에 물을 공급하기 위한 장소가 마련되어야 한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 가습기에서 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용된 물을 응축기에서 회수 가능하도록 하여 외부로 배 출되는 물의 양을 최소화한 물회수 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 전기를 발생시키는 연료전지스택과, 연료전지스택에 공급되는 수소 및 공기를 가습시키는 가습기와, 연료전지스택으로 물을 공급하기 위해 물을 저장하는 리저버와, 그리고 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축시키는 응축기를 구비하는 연료전지 차량에서, 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용되는 물을 회수하기 위한 물회수 장치로서, 상기 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축기로 공급하기 위해서 응축기 입구에 설치되며, 수소의 진행방향을 따라 방사상으로 확장된 후 다시 좁아지는 형상의 물회수 배관과; 그리고 상기 물회수 배관 및 응축기와 연통되어, 상기 물회수 배관에서 수집된 물 및 상기 응축기를 통과하는 수소 및 공기가 응축되어 발생한 물을 회수하여 상기 리저버로 보내는 회수통을 구비하여 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용되는 물의 회수량을 증가시키고 이를 다시 사용할 수 있도록 한다.

또한 본 발명의 상기 물회수 배관은, 연료전지스택과 연결되는 유입파이프와, 응축기와 연결되는 유출파이프 사이에 위치하며, 유입파이프로부터 방사상으로 확장되는 확장벽과, 상기 확장벽으로부터 내측으로 연장되어 상기 유출파이프의 단부와 소정의 경사를 가지고 연결되는 수축벽을 구비하며, 상기 확장벽의 하부는 상기 물회수 배관의 하부에 위치하는 회수통과 연통되도록 한 것으로 물회수 배관의 내측 벽면에 존재하는 물이 상기 확장벽 및 수축벽에 의해서 흐름이 차단되어 하부로 흘러내려 회수통으로 수집되도록 한다.

또한 본 발명의 상기 회수통은, 저장된 물의 양을 측정하기 위해서 하부 및 상부의 소정위치에 구비된 수위 센서와, 상기 리저버와 연결된 파이프에 설치되어 저장된 물을 선택적으로 리저버로 보내기 위한 응축수 밸브를 구비하여, 회수된 물이 소정의 양이 될 경우 이를 리버저에 자동적으로 보내도록 한다.

이하 본 발명에 따르는 물회수 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명에 따르는 물회수 장치를 구비한 연료전지 시스템을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따르는 물회수 장치를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명에 따르는 물회수 장치의 물회수 배관을 나타내는 사시도이며 도 5는 본 발명에 따르는 물회수 장치의 제어방법을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 물회수 장치를 구비한 연료전지시스템은 종래와 같이 연료전지스택(10), 수소탱크(20), 가습기(30), 리저버(40) 및 응축기(50)를 구비하고 있으며, 이에 부가하여 물회수 장치(60)가 응축기(50)에 설치되어 있다. 물회수 장치(60)는 연료전지스택(10)으로부터 나오는 수소와 물이 응축기(50)에 들어가기 전에 물을 일부 회수하는 한편, 응축기(50) 내에서 응축된 물을 회수하기 위한 장치이다. 상기 물회수 장치(60)는 리저버(40)와 연결되어 회수된 물을 리저버(40)로 보내게 된다.

이를 위해서 도 3에 도시한 것과 같이 응축기(50)의 입구에 설치된 물회수 배관(62)은 확장부(620)를 구비하고 있으며, 응축기(50)의 하부에는 회수통(63)을 구비하고 있다.

상기 물회수 배관(62)은 연료전지스택으로부터 나오는 물이 물회수 배관(62) 의 벽면을 응결되어 있다는 점을 이용한 것으로, 벽면에 수소의 진행 방향으로 따라서 확장하는 확장벽(620)과 상기 확장벽(620)으로부터 내측으로 경사를 가지고 연결되는 수축벽(621)을 구비한다. 구체적으로 상기 물회수 배관(62)은 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같이, 연료전지스택(10)과 연결되는 유입파이프(11)와, 응축기(50)와 연결되는 유출파이프(622) 사이에 위치하며, 상기 확장벽(620)은 유입파이프(11)로부터 수소의 진행방향으로 따라 방사상으로 확장되며, 상기 수축벽(621)은 상기 확장벽(620)으로부터 내측으로 소정의 경사를 가지고 수축되어 상기 유출파이프(622)의 단부와 연결된다. 따라서 상기 유입파이프(11)의 내벽면을 따라 흐르는 물은 확장벽(620)을 따라 이동하다가 수축벽(621)에 의해서 진행이 차단되어 경사진 수축벽(621)을 타고 하부로 흘러내리게 된다.

또한 상기 확장벽(620)의 하부에는 상기 물회수 배관(62)의 하부에 위치하는 회수통(63)과 연통되는 연통파이프(623)가 구비되어 있다. 상기 연통파이프(623)는 도 4에 도시한 것과 같이 가능한 수직하게 형성되어 상기 수축벽(621)을 타고 하부로 흘러내리는 물을 회수통(63)에 그대로 수집되도록 한다.

상기 회수통(63)은 응축기(50)의 하부에 위치하며, 응축기(50)에서 응축된 물을 수집하기 위해서 응축기(50)와 연통되어 있다. 도 3에 도시한 것과 같이 응축기(50)는 내측에 다수개의 수소 유통관(52)이 형성되어 있으며, 상부 및 하부에 냉각수 유입관(53) 및 유출관(54)이 형성되어 있다. 따라서 냉각수 유입관(53)을 통해서 유입된 냉각수가 상기 다수개의 수소 유통관(52)의 외측을 따라 흘러 유출관(54)으로 빠져나가면서 수소 유통관(52)의 내측을 흐르는 수소로부터 열을 빼앗아 응축시키게 된다. 상기 응축기(50)의 내측 하부에는 상기 다수개의 수소 유통관(52)으로부터 응축된 물이 하부로 수집되는 수집공간(55)이 형성되어 있으며, 상기 수집공간(55)에 수집된 물은 수집공간(55)과 회수통(63)을 연통시키는 연통관(56)을 통해서 하부에 위치한 회수통(63)으로 수집된다. 상기 응축기(50)를 냉각시키는 냉각수는 앞서 설명한 리저버(40)의 물을 사용할 수 있으며 설계에 따라서는 별도의 냉각수 공급장치로부터 공급될 수 있다.

상기 회수통(63)의 내측에는 하부 및 상부 소정 위치에 상부 및 하부 수위센서(64a, 64b)가 구비되어 있다. 상기 상부 및 하부 수위센서(64a, 64b)는 물회수 배관(62) 및 응축기(50)로부터 수집된 물의 양을 감지하게 된다. 상기 회수통(63)과 리저버(40)를 연결시키는 배관에는 응축수 밸브(61)가 설치되어 있어 필요에 따라 선택적으로 회수통(63)에 저장된 물을 리저버(40)로 유출시키게 된다. 구체적으로 회수통(63) 내에 수집된 물이 하부에 위치한 하부 수위센서(64a)의 위치보다 작은 경우에는 응축수 밸브(61)를 닫은 상태를 유지하고 이후 물이 수집되어 상부에 위치한 상부 수위센서(64b)의 위치에 이르게 되면 상기 응축수 밸브(61)를 열어 리저버(40)로 응축수를 보내게 된다.

이하 본 발명에 따르는 물회수 장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 도 2에 도시한 것과 같이 수소가 가습기(30)를 통해 연료전지스택(10)에 공급되면, 연료전지스택(10)으로 수소와 물이 나오게 된다. 이때, 응축기(50) 후방에 위치하는 수소벤트 밸브(51)를 개방시켜 퍼지에 의해서 응축기(50)로 수소와 물이 흐르게 할 경우 도 3에 도시한 것과 같이 수소와 물은 물회수 배관(62)을 통해서 확장벽 (620)을 따라 흐르게 된다. 물회수 배관(62)의 확장벽(620)을 따라 흐르는 물이 수축벽(621)에 의해서 진행이 차단되면 수축벽(621)을 타고 하부로 흘러내리게 되어 1차적으로 회수통(63)으로 유입된다. 한편 상기 확장벽(620) 및 수축벽(621)에 의해서 차단되지 않은 수소와 물은 응축기(50) 내로 유입되어 물로 응축된다. 상기 응축된 물은 하부로 이동하여 회수통(63)으로 회수된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 회수통(63)에 회수된 물이 저장되어 회수된 양이 상부의 수위센서(64b) 위치까지 이르게 되면 이를 상부 수위센서(64b)가 감지하여 응축수 밸브(61)를 온시켜 회수된 물이 리저버(40)로 흐르게 한다. 이후 회수통(63)으로부터 물이 빠져나가 물의 양이 하부 수위센서(64a)의 위치에 이르게 되면 하부 수위센서(64a)가 이를 감지하여 응축수 밸브(61)를 오프시켜 리저버(40)로 흐르는 물을 차단하고 회수통(63)은 다시 물의 회수하여 저장하게 된다.

상기 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르는 연료전지 시스템에서의 물회수 장치는 가습기에서 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용된 물을 응축기에서 회수 가능하도록 하여 외부로 배출되는 물의 양을 최소화하도록 함으로써, 전체적인 연료전지 시스템에서 물의 수급균형을 맞출 수 있다.

또한 본 발명은 연료전지 자동차의 연비를 향상시키며, 자동차가 도로를 주행할 경우 물의 공급을 위해서 중간에 멈춰야 하는 필요성을 최소화 할 있다.

Claims

삭제
전기를 발생시키는 연료전지스택과, 연료전지스택에 공급되는 수소 및 공기를 가습시키는 가습기와, 연료전지스택으로 물을 공급하기 위해 물을 저장하는 리저버와, 그리고 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축시키는 응축기를 구비하는 연료전지 차량에서, 수소와 공기를 가습시키기 위해서 사용되는 물을 회수하기 위한 물회수 장치로서,

상기 연료전지스택으로부터 나온 수소 및 물을 응축기로 공급하기 위해서 응축기 입구에 설치되며, 수소의 진행방향을 따라 방사상으로 확장된 후 다시 좁아지는 형상의 물회수 배관과; 그리고

상기 물회수 배관 및 응축기와 연통되어, 상기 물회수 배관에서 수집된 물 및 상기 응축기를 통과하는 수소 및 공기가 응축되어 발생한 물을 회수하여 상기 리저버로 보내는 회수통을 구비하고,

상기 물회수 배관은, 연료전지스택과 연결되는 유입파이프와, 응축기와 연결되는 유출파이프 사이에 위치하며, 유입파이프로부터 방사상으로 확장되는 확장벽과, 상기 확장벽으로부터 내측으로 연장되어 상기 유출파이프의 단부와 소정의 경사를 가지고 연결되는 수축벽을 구비하며, 상기 확장벽의 하부는 상기 물회수 배관의 하부에 위치하는 회수통과 연통되는 것을 특징으로 하는 물회수 장치.
제2항에 있어서,

상기 회수통은,

저장된 물의 양을 측정하기 위해서 하부 및 상부의 소정위치에 구비된 수위 센서와, 리저버와 연결된 파이프에 설치되어 저장된 물을 선택적으로 리저버로 보내기 위한 응축수 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 물회수 장치.