KR100744021B1 - 연료전지 가습장치의 가스 온도 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습장치로 공급되는 가스온도 조절장치에 관한 것으로서, 상기 가습장치로 가스를 공급하는 가스관의 외부에서 가스를 설정온도로 가열 및 유지하기 위한 온도조절장치와; 상기 온도조절장치를 통과하기 이전의 가스관 입구와, 온도조절장치를 통과한 가스관 출구에서 각각 가스관 내의 가스 온도를 검출하는 제1, 제2온도 검출 수단과; 상기 온도조절장치의 가열온도를 검출하는 제3온도 검출수단과; 상기 제1,2,3 온도검출수단으로부터 각기 온도를 검출하고, 상기 가스관 출구의 가스 온도가 설정된 온도로 유지되도록 상기 가열수단의 구동을 제어하는 제어수단;을 포함하고, 상기 온도조절 장치에는 가열수단외에 냉각수를 통과시켜 냉각하기 위한 냉각수단이 더 포함되게 구성함으로써 가스의 온도를 조절할 수 있도록 구성됨에 특징이 있다.

연료전지, 가스, 온도, 가습, 가열, 냉각

Description

연료전지 가습장치의 가스 온도 조절장치{A gas temperature control apparatus for humidifier of a fuel cell}

도 1은 본 발명에 의한 연료전지 가습장치의 가스온도 조절장치 단면 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지 가습장치의 가스 온도조절장치의 다른 실시예를 보인 단면 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스관 11 : 가스관 입구

12 : 가스관 출구 21, 22, 23 :제1, 제2, 제3온도센서

30 : 콘트롤러 100 : 온도조절장치

110 : 히터 지지대 120 : 히터

130 : 절연재 140 : 가열 배관부

150 : 보온재 160 : 케이스

200 : 냉각 배관부 210 : 냉각수 공급장치

221 : 냉각수 입구 222 : 냉각수 출구

본 발명은 연료전지 운전용 가습 온도장치에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 가습장치에 가스를 공급할 때에 가스의 온도를 미리 설정된 온도로 균일하게 유지시켜 가습장치로 공급하기 위한 연료전지 운전용 가습온도장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 발전장치로서, 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템에 이르기까지 그 적용범위가 매우 넓다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라서 알칼리형, 인산형, 고체 전해질형, 고분자 전해질형 등이 있다. 그 중에서, 고분자 전해질 연료전지는 전해질이 고체로서 전해질의 누출이 없고 낮은 온도에서 작동하며 유지 및 보수가 간편하다는 장점이 있기 때문에 자동차나 이동 전원에 가장 접합한 장치이다.

고분자 전해질 연료전지는 수소 양이온을 이동시키는 고문자막을 전해질로 사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위하여 전해질 막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 전해질 막이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 연료전지의 운전이 불가능하므로, 고분자 전해질 연료 전지에서 가습공정은 필수적이라 할 수 있다.

연료전지의 가스 공급장치는, 반응가스가 가스 공급원으로부터 공급된 가스의 유량을 유량조절계에서 조절하여 가습기를 통해서 가습시켜 주고, 그 가습된 가스를 연료전지의 본체로 공급하도록 되어 있다.

그러데, 상기와 같은 연료전지의 가습장치는 가습 장치내의 가습기 통 즉, 물을 가열하여 설정온도로 유지하도록 하고 있으나, 가습을 위한 조건은 물의 온도 뿐 아니라 가스 자체의 온도도 영향을 미친다는 사실이다. 가습장치에 공급되는 가스의 온도가 달라짐으로 인해 가습장치의 가습 온도를 정밀하게 조절한다고 하더라도 가습 정도가 달라지게 된다. 이에 따라 일정한 성능을 유지하기 어렵다는 단점이 있었다.

즉, 상기와 같이 가습기 통과 가스 토출관에서 온도 조절을 한다고 하더라도, 공급되는 가스의 유량이 일정 유량 이상일 경우 사용 기체의 온도가 균일하게 유지되는 것이 대단히 어려워 일정한 습도를 유지하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같이 가습장치와 이동라인의 보온과 가열만으로 가스의 유량이 일정유량 이상일 때 온도 유지가 어려워 일정한 습도 유지가 불가능하다는 단점을 해결하고자, 가습장치에 가스를 공급하는 가스 공급라인에서 가스를 예열시켜 일정한 온도로 유지되는 가스를 가습장치에 공급함으로써 습도를 안정되게 일정한 습도로 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 가습장치의 가스 온도조절장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 가스공급관의 온도를 검출하과 히팅 온도를 검출하여 가습 장치에 공급하는 가스의 온도를 원하는 설정온도로 일정하게 유지하도록 하기 위한 것이 다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 연료전지의 가습장치에 있어서,

상기 가습장치로 가스를 공급하는 가스관의 외부에서 가스를 설정온도로 가열 및 유지하기 위한 온도조절장치와;

상기 온도조절장치를 통과하기 이전의 가스관 입구와, 온도조절장치를 통과한 가스관 출구에서 각각 가스관 내의 가스 온도를 검출하는 제1, 제2온도 검출 수단과;

상기 온도조절장치의 가열온도를 검출하는 제3온도 검출수단과;

상기 제1,2,3 온도검출수단으로부터 각기 온도를 검출하고, 상기 가스관 출구의 가스 온도가 설정된 온도로 유지되도록 상기 가열수단의 구동을 제어하는 제어수단;을 포함하여 가스온도 조절장치가 구성됨에 특징이 있다.

상기 온도조절장치에는 가열수단과 더불어 상기 가스관의 가스 온도를 냉각 및 유지시키기 위한 냉각 수단을 더 포함하고, 상기 제어수단에서 상기 가열수단과 냉각수단을 제어하여 가스의 온도를 조절할 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 온도조절장치는,

가스 관을 중심부로 통과시켜 상기 가스관 출구에 연결시키는 히터 지지대와;

상기 히터 지지대의 외측 설치되는 히터와;

상기 히터의 외측에 설치되는 절연재와;

상기 가스관 입구와 상기 히터 지지대의 중심부를 관통하는 가스관 사이에 연결되고 상기 절연재 외측에 코일형으로 권회된 가열 배관부와;

상기 가열 배관부의 외측에 설치되는 보온재와,

상기 보온재의 외측에 설치되어 온도조절장치 전체를 보호하기 위한 케이스로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 냉각수단은, 상기 보온재 내측에서 상기 가열배관부와 접하도록 그 가열배관부 외측에 코일형으로 권회되어 냉각수 유입구와 냉각수 배출구 사이에 설치되는 냉각 배관부와;

상기 제어수단에 의해 상기 냉각수 유입구를 통해 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1는 본 발명에 의한 연료전지 가습장치의 가스 온도 조절장치의 구성을 보인 단면도이다.

연료전지의 가습장치로 가스를 공급하는 가스관(10)의 외부에서 가스를 설정온도로 가열 및 유지하기 위한 온도조절장치(100)와;

상기 온도조절장치(100)를 통과하기 이전의 가스관 입구(11)와, 온도조절장치(100)를 통과한 가스관 출구(12)에서 각각 가스관(10) 내의 가스 온도를 검출하 는 제1, 제2온도 검출 수단(21,22)과;

상기 온도조절장치(100)의 가열온도를 검출하는 제3온도 검출수단(23)과;

상기 제1,2,3 온도검출수단(21 - 23)으로부터 각기 온도를 검출하고, 상기 가스관 출구(12)의 가스 온도가 설정된 온도로 유지되도록 상기 온도조절장치의 내의 가열수단의 구동을 제어하는 제어수단(30);을 포함하여 가스온도 조절장치가 구성된다.

상기 온도조절장치(100)는, 가스 관(10)을 중심부로 통과시켜 상기 가스관 출구(12)에 연결시키는 히터 지지대(110))와, 상기 히터 지지대(110의 외측 설치되는 히터(120)와, 상기 히터(120)의 외측에 설치되는 절연재(130)와, 상기 가스관 입구(11)와 상기 히터 지지대(110)의 중심부를 관통하는 가스관(10) 사이에 연결되고 상기 절연재(130) 외측에 코일형으로 권회된 가열 배관부(140)와, 상기 가열 배관부(140)의 외측에 설치되는 보온재(150)와, 상기 보온재(150)의 외측에 설치되어 온도조절장치 전체를 보호하기 위한 케이스(160)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 먼저 가스관 출구(12)가 연결된 직선형 가스관(10)을 히터 지지대(110)에 끼워서 결합한다, 히터 지지대(110)의 길이는 권선형 가열 배관부(140)의 길이와 히터(120)의 성능 등을 고려하여 설계된다. 즉, 히터의 성능에 따라 가열되는 가스관의 길이를 어느 정도로 할 것인지를 전체 용량에 맞추어서 실험적으로 테스트한 후 적정하게 설계한다.

상기 히터 지지대(110)에는 그 외주면에 연속적으로 이어지는 코일형 홈을 형성하고 그 홈에 코일형 히터(120)를 결합설치 한다. 히터의 외측에는 절연 재(130)로 감싸고, 가열 배관부(140)의 내측으로 삽입한다, 히터 지지대(110)의 중심부에 삽입관통된 가스관(10)과 가열배관부(140)를 배관 연결구(101)를 이용해 결합한다.

이어서 보온재(150) 전체를 감싸고, 케이스(160)내에 장착한다. 여기서 보온재(150)는 세마믹 재질과 같은 보온재를 사용하게 되며, 히터 지지대(110)도 세라막과 같은 재질을 사용한다. 물론 케이스도 열전도가 낮은 재질로서 예컨데 강화 플라스틱과 같은 재질로 사용한다.

상기 제1,제2온도센서(21, 22)는 가스관 입구(11)와 가스관 출구(12)의 결합구에 온도 감지 팁(침)을 직접 삽입하여 가스와 직접 접촉에 의해 가스의 온도를 감지하는 온도센서를 사용하며, 상기 제3온도센서(23)는 과열방지를 위한 서모스태드와 같은 온도센서를 사용할 수 있다.

이와 같이 조립된 본 발명은, 상기 콘트롤러(30)에 연료전지 메인제어수단이나 메인 제어 판넬로부터 가스 온도 설정값과 온도제어 시작 신호를 입력받아 동작을 시작하며, 콘트롤러(30)는 가스관 입구(11)와 가스관 출구(12)에 설치된 제1,제2 온도센서(21, 22)와 온도조절장치(100)내에 설치된 제3 온도센서(23)로부터 온도를 검출하여 상기 가스관 출구(12)의 가스 온도가 설정온도가 되도록 히터(120)를 온/오프 제어하게 된다.

히터(120)가 온되어 가열을 시작하면, 히터(120)의 열에 의해 가열배관부(140)가 가열되면서 내부에 흐르는 가스를 가열하게 된다. 가열 배관부(140)는 가열수단인 히터의 열에 의해 가스관이 충분한 길이만큼 가열받을 수 있도록 가스 과 길이를 연장하기 위해서 코일형으로 권회시켜 히터 외측에서 감싸는 형태로 구성한 것이다.

상기와 같이 콘트롤러(30)에 의해 히터(120)가 제어되어 가스관 출구(12)를 통과하는 가스의 온도를 설정 온도로 유지시킬 수 있게 된다. 이와 같이 설정온도로 유지시켜서 가습장치 측으로 가스를 공급하면 안정되게 가습량을 조절할 수 있게 되는 것이다.

한편 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 상기 온도조절장치내에 냉각수단을 더 포함시켜 구성할 수도 있다. 냉각수단으로는 온도조절장치(100) 전체를 방수 처리하여 냉각수 통속에 넣어서 냉각 시키는 방법을 사용할 수도 있지만, 도면에 도시된 바와 같이 냉각수 배관을 별로도 온도조절장치 내부에 설치하여서 급속 냉각 및 온도 조절이; 가능하도록 구성함이 바람직하다.

본 발명에 의한 상기 냉각수단은, 상기 보온재(150) 내측에서 상기 가열배관부(140)와 접하도록 그 가열 배관부(140) 외측에 코일형으로 권회되어 냉각수 유입구(221)와 냉각수 배출구(222) 사이에 설치되는 냉각 배관부(200)와, 상기 콘트롤러(30)에 의해 상기 냉각수 유입구(221)를 통해 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치(210)를 포함하여 구성되고, 콘트롤러(30)가 상기 냉각수 공급장치(210)와 상기 냉각수 유입구(221) 및 냉각수 배출구(222)를 제어하도록 구성한다. 여기서 냉각수 유입구(221)와 냉각수 배출구(222)에는 각각 댐퍼를 달아 개폐하도록 구성할 수 있으며 이는 콘트롤러(30)가 제어하게된다. 그리고 상기 냉각수 공급장치(210)는 예를들어 도면에 표기된 바와 같이 펌프를 설치할 수 있으며, 냉각수를 가압하여 빠 르게 냉각 배관부(200)를 통과하게 함으로써 냉각 효율을 높인다.

따라서 상기 온도조절장치(100)에 의해 가스를 설정온도로 가열하여 유지시키다가, 가스를 급속 냉각시킬 필요가 있는 경우 상기 냉각수 유입구(221) 및 냉각수 배출구(222)를 열고서 냉각수 공급장치(210)를 작동시켜 냉각수가 냉각수 배관부(200)를 통과하게 함으로써 가열 배관부(140) 속을 흐르는 가스를 냉각시키게 된다.

결국 본 발명에 의해 온도조절장치 내에 가열수단과 냉각 수단을 함께 설치한 경우 가스의 온도를 올리거나 내리는 조절을 자유롭게 할 수 있으며 원하는 설정온도를 유지시킬 수 있게 된다.

여기서 상기 콘트롤러(30)는 가스의 온도조절을 위해서 가스관 입구(11)와 가스관 출구(12)의 가스 온도를 제1, 2온도센서(21, 22)에서 검출하고 온도조절장치 내부 즉 히터의 온도를 제3온도 센서(23)에서 검출하여 히터의 가열을 제어하는데, 이는 실험적인 데이터네 의해 가스관 출구(12)의 온도가 설정온도에 도달하기 이전에 미리 히터를 오프시켜 예열상태에서 온도상승이 지속적으로 이루어지는 것을 충분히 감안하여 가스온도를 조절하게 된다. 이러한 운전은 콘트롤러(30)의 프로그램에 의해 제어하도록 설정한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 가습기의 온도 조절장치는, 기존 가습장치 자체에서만 설정온도로 유지 조절할때에 가스의 유량 변화나 가스 온도 변화에 의해 가습의 정밀성이 떨어진다는 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에서는 가습기에 공급되는 가스의 온도를 일정하게 가열하거나 또는 급속 냉각시킬 수 있고 설정온도로 유지시킬 수 있으므로 연료전지의 안정적인 성능을 얻을 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 연료전지의 가습장치에 있어서,

   상기 가습장치로 가스를 공급하는 가스관의 외부에서 가스를 설정온도로 가열 및 유지하기 위한 온도조절장치와;

   상기 온도조절장치를 통과하기 이전의 가스관 입구와, 온도조절장치를 통과한 가스관 출구에서 각각 가스관 내의 가스 온도를 검출하는 제1, 제2온도 검출 수단과;

   상기 온도조절장치의 가열온도를 검출하는 제3온도 검출수단과;

   상기 제1,2,3 온도검출수단으로부터 각기 온도를 검출하고, 상기 가스관 출구의 가스 온도가 설정된 온도로 유지되도록 상기 가열수단의 구동을 제어하는 제어수단;을 포함하여 구성됨에 특징으로 하는 연료전지 가습장치의 가스온도조절 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도조절장치는,

   가스 관을 중심부로 통과시켜 상기 가스관 출구에 연결시키는 히터 지지대와;

   상기 히터 지지대의 외측 설치되는 히터와;

   상기 히터의 외측에 설치되는 절연재와;

   상기 가스관 입구와 상기 히터 지지대의 중심부를 관통하는 가스관 사이에 연결되고 상기 절연재 외측에 코일형으로 권회된 가열 배관부와;

   상기 가열 배관부의 외측에 설치되는 보온재와,

   상기 보온재의 외측에 설치되어 온도조절장치 전체를 보호하기 위한 케이스로 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 가습장치의 가스온도조절 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 온도조절장치는

   상기 보온재 내측에서 상기 가열배관부와 접하도록 그 가열배관부 외측에 코일형으로 권회되어 냉각수 유입구와 냉각수 배출구 사이에 설치되는 냉각 배관부와;

   상기 제어수단에 의해 상기 냉각수 유입구를 통해 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치로 이루어지는 냉각수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습장치의 가스온도조절 장치.

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