KR100819969B1 - 연료전지 자동차의 가습 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 자동차의 가습 시스템에 관한 것으로, 특히 부피가 작으면서도 내구성이 증대되고 에너지 소모를 최소로 하면서 수분제어를 용이하게 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명의 연료전지 자동차의 가습 시스템은 연료전지와, 상기 연료전지의 저부에 위치하여 냉각수가 저장되는 냉각수 저수조와, 내벽과 외벽으로 이루어지는 이중벽 타입의 구조를 가지며, 내측 벽면에 일련의 열교환부재가 부착된 가습챔버와, 상기 가습챔버에 장착된 분무장치와, 상기 가습챔버의 저부에 장착된 수처리기와, 상기 가습챔버를 통과한 냉각수가 유입되는 라디에이터와, 상기 냉각수 저수조의 반응수를 상기 가습챔버 측으로 공급하는 가압펌프와, 상기 가압펌프의 작동을 제어하여 가습량을 조절하는 ECU를 포함하는 구성으로 이루어진다.

Description

연료전지 자동차의 가습 시스템{HUMIDIFYING SYSTEM OF CAR USING FUEL CELL}

도 1a 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 자동차의 가습시스템의 구성도,

도 1b 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 자동차의 가습시스템 구성도,

도 2a 와 도 2b 는 본 발명에 따른 분무장치의 구조를 도시한 단면도,

도 3 내지 도 5 는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템의 가습챔버 구조를 나타내는 도면임.

< 도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명 >

10 : 가습챔버 11 : 가습챔버 내벽

13,19 : 가습챔버 외벽 15 : 방열핀

17 : 루버핀 18 : 가습챔버 내벽(핀타입)

20 : 인젝터 30 : 가압펌프

40 : 탈이온 장치 50 : 라디에이터

70 : 냉각수 흡입구 80 : 냉각수 토출구

100 : 연료전지 스택 110 : 반응수 저수조

120 : 냉각수 흐름 130 : 구동모터 및 구동축

140 : 모터풀리 210 : 가압수

230,260 : 충돌자 240 : 물안개

250 : 공급기체

본 발명은 연료전지 자동차의 가습 시스템에 관한 것으로, 특히 부피가 작으면서도 내구성이 증대되고 에너지 소모를 최소로 하면서 수분제어를 용이하게 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전력을 발생시키는 장치로서 기존의 내연기관보다 에너지 효율이 높고 공해를 거의 유발하지 않으므로 차세대 동력발생장치로서 각광받고 있다. 특히, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 전해질이 고분자막으로 이루어져 있으며, 단위면적당 효율이 높고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 온도(60~80℃)에서 작동하므로 차량용 동력원으로 많은 장점이 있으며, 이에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는 추세이다.

그러나 전해질이 고체인 고분자막으로 이루어져 있어서 산소와 결합하여 전기를 발생시키는 수소이온이 통과하려면 고분자막이 적절한 수분을 함유하고 있어야만 한다. 이를 위해 연료전지 스택 내부에서 직접 물을 공급하는 내부 가습방법 이나, 연료전지 스택 외부에서 공기와 수소에 물을 공급하여 가습시킨 후 스택에 투입하는 외부가습방법을 사용하게 된다. 만일 가습이 적절하게 이루어지지 않을 경우에는 고분자막이 건조되어 이온 전도도가 감소하고 이로 인해 전기발생량이 급감하며 연료전지 스택에서 발생하는 고열로 인하여 고분자막이 열화되어 손상되는 결과를 초래할 수 있다.

아래의 [표 1]은 현재 사용되고 있는 다양한 가습방법과 각각의 장단점을 나열한 것이다.

참고로, 본 발명은 물 분사 가습(Water injection humidification)에 기반을 두고 있다.

[표 1] 여러 가지 가습방법과 장단점

형태	내부/외부	장점	단점
자기가습 (Self-humidification)	내부가습	간단한 구조	습도제어 어려움
다공성 분리판 (Porous Carbon foam)	내부가습	간단한 구조	습도제어 어려움
노점가습 (Dew point humidification)	외부가습	높은 상대습도	에너지 소모 (물 가열)
증기분사 (Steam injection humidification)	외부가습	습도제어 용이	에너지 소모 (증기발생)
막 가습 (Membrane humidification: Liquid-to-Gas)	외부가습	매우 낮은 에너지 소모	부피, 물의 누설, 내구성, 가격
막 가습 (Membrane humidification: Gas-to-Gas)	외부가습	매우 낮은 에너지 소모	부피, 내구성, 가격
물분사 가습 (Water injection humidification)	외부가습	습도제어 용이, 내구성 낮은 에너지 소모량	복잡한 구조

위의 표에서 보는 바와 같이 가습장치는 가능한 작은 부피, 높은 내구성, 습도제어가 용이함, 낮은 에너지 소모율(높은 가습효과)을 갖는 등의 특성을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서 종래에는 상기의 가습방법중 막 가 습(Membrane Humidification) 방법이 많이 사용되고 있다.

그러나 상기한 방법은 연료전지 스택의 용량에 따라서 가습장치의 부피가 커지고, 커진 부피에 따라서 공급공기의 압력강하가 커져 공기 공급기의 용량이 커지는 문제가 있으며, 또한 막을 사용함으로써 내구성이 떨어지는 단점을 안고 있어 전반적인 가습장치의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 부피가 작으면서도 내구성이 증대되고 에너지 소모를 최소로 하면서 수분제어를 용이하게 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 자동차의 가습 시스템은 연료전지와, 상기 연료전지의 저부에 위치하여 냉각수가 저장되는 냉각수 저수조와, 내벽과 외벽으로 이루어지는 이중벽 타입의 구조를 가지며, 내측 벽면에 일련의 열교환부재가 부착된 가습챔버와, 상기 가습챔버에 장착된 분무장치와, 상기 가습챔버의 저부에 장착된 수처리기와, 상기 가습챔버를 통과한 냉각수가 유입되는 라디에이터와, 상기 냉각수 저수조의 반응수를 상기 가습챔버 측으로 공급하는 가압펌프와, 상기 가압펌프의 작동을 제어하여 가습량을 조절하는 ECU를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 가습챔버는 내벽과 외벽 사이에 환상형의 공간부가 형성되고, 이 공간부를 통해 고온의 냉각수가 통과되어 챔버 내부로의 연전달이 이루어지 도록 하는 것이 바람직하다.

상기 가습챔버의 내벽에 부착된 열교환부재는 다수의 방열핀이 부착되고, 이 방열핀의 측면에 루버핀이 결착된 구조가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열교환부재는 상기 가습챔버의 내벽에 부착된 열교환부재는 챔버 내벽 자체가 핀 타입의 채널 모양을 이루는 구조로 할 수도 있다.

본 발명의 상기 ECU 는 분무장치 이전 위치에 부착된 솔레노이드 밸브와, 모터 구동축에 연결된 풀리, 상기 풀리에 연결된 클러치를 통해 펌프의 작동을 제어하도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 상기 분무장치는 인젝터(20)와, 상기 인젝터(20)의 저부에 위치하며 가속된 물이 충돌하여 물안개(240)를 생성하기 위한 충돌자(230 또는 260)로 이루어지도록 하며, 상기 인젝터(20)는 상기 가습챔버(10)의 상측단과 하측단에 장착되거나 중앙부에 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템의 적합한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 자동차의 가습시스템의 구성도이고, 도 1b 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 자동차의 가습시스템 구성도이다.

참고로, 본 발명의 제1 실시예에와 제2 실시예는 가습챔버(10)에 설치되는 분무장치, 즉 물안개 생성용 인젝터(20)의 설치위치 및 개수에 의해 구분된다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에는 도 1a 에서와 같이 인젝터(20)가 가습챔버(10)의 입출구부에 각각 설치되며, 본 발명의 제 2 실시예에서는 도 1b 에 도시된 바와 같이, 인젝터(20)가 가습챔버(10)의 중앙에서 양쪽으로 분기하는 형태로 설치되는 경우이다. 이때, 상기 인젝터(20)를 2개소 이상 설치하는 것은 가습효과의 증대와 고장대처 그리고 물분무의 용량증대를 위함이다.

본 발명의 상기 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템에 있어서, 인젝터(20)의 설치수와 설치위치 이외에는 구성이 모두 동일하므로 동일 구성부재에 대해선 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

상기 도면을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템은 연료전지 스택(100)의 가습 효과를 증대시키기 위해 가습챔버(10) 구조를 내벽과 외벽의 이중벽 구조로 형성하고, 상기 내벽과 외벽 사이의 환상형의 공간부(60)를 통해 고온의 냉각수가 통과하도록 하여 가습챔버(10) 내부로의 열전달이 이루어지도록 하고, 가습챔버(10)에 구비된 분무장치, 즉 인젝터(20)와 충돌자(230 또는 260)로 이루어지는 분무장치를 통해 분무되는 물과 가스가 혼합되어 가습챔버(10) 내부에서 1차 가습되도록 한 후, 수처리기(200)를 통해 가습 후 남는 물은 재활용하고, 가습된 가스는 연료전지 스택(100)으로 투입되도록 한 시스템이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템은 기본 구성부재들로서 연료전지(100)와, 상기 연료전지(100)의 저부에 위치한 냉각수 저수조(110)와, 내벽에 열교환 수단이 부착된 가습챔버(10)와, 상기 가습챔버(10)에 장착된 분 무장치와, 상기 가습챔버(10)의 저부에 장착된 수처리기(200)와, 상기 가습챔버(10)를 통과하는 냉각수가 유입되고 상측에 냉각판(51)이 형성된 라디에이터(50)와, 상기 저수조(110)의 반응수(111)를 상기 가습챔버(10) 측으로 공급하는 가압펌프(30)와, 상기 가압펌프(30)의 작동을 제어하여 가습량을 조절하는 전자제어유닛(ECU)(150)을 포함한다.

도 2a 와 도 2b 는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템에 있어서, 분무장치의 구조를 도시한 단면도이고,

도 3 내지 도 5 는 본 발명에 따른 가습챔버의 구조를 도시한 도면이다.

상기 도면에서 도시된 본 발명의 가습챔버(10)는 외벽에 냉각수가 회전하면서 순환하는 구조를 나타내고 있으며, 도 3 의 (a)는 이러한 가습챔버(10)의 사시도이고, 도 3 의 (b)는 평면도이다.

또한, 도 4 는 본 발명의 가습장치중 이중벽 가습챔버의 내벽 구조를 도시한 도면으로, 도 4의 (a)는 챔버의 외측면부 단면도이며, 도 4 의 (b)와 (c)는 상기 도 4의 A 부를 확대하여 도시한 사시도이다.

아울러, 도 5 는 상기 도 4 에 있어서, 이중벽 구조의 가습챔버(10)의 절단모양을 확대하여 도시한 도면이다.

이상 상기 도면을 함께 참조하면, 본 발명의 가습챔버(10)는 내벽(11)과 외벽(13)으로 구분되어 있으며, 그 내측 공간은 챔버 벽을 따라 연결되는 환상형의 공간부로 형성된다. 이 공간부(도 1a 의 60)를 따라 연료전지 스택(100)을 통과한 고온의 냉각수가 유입되어 이송된다.

즉, 본 발명의 가습챔버 외벽(13)에는 흡입구(70)와 토출구(80)가 각각 형성되어 있으며, 이 흡입구(70)와 토출구(80)는 가습챔버(10)의 외벽(13)의 접선방향으로 형성되어 연료전지 스택(100)을 통과한 냉각수가 가습챔버(10)의 안쪽을 골고 루 회전하면서 이동되도록 하여 가습챔버(10)로 공급되는 내부공기를 가열할 수 있도록 한다.

도 4의 (a),(b)에 도시된 본 발명의 가습챔버의 내벽(11)에는 열교환부재로 별도의 방열핀(15)이 결착되며, 각각의 상기 방열핀(15)의 측면에는 다시 작은 크기의 루버핀(도5 의 17)들이 결착되어 열전달 효과를 증대시킨다.

이에 비해, 도 4 의 (c) 에 도시된 가습챔버는 내벽(19) 자체가 핀(18) 타입 의 채널모양으로 형성되어 있다.

한편, 도 5 에 도시된 방열핀(15‘)은 상기 도 4 에 도시된 방열핀(15)과 다른 형상으로, 끝단이 뾰족한 삼각형상을 하고 있다.

본 발명의 상기 가습챔버(10)의 측방향으로는 도 1a 및 도 1b 에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 밸브(160), 탈이온 장치(40), 펌프(30), 클러치(170), 풀리(140)가 차례로 연결되어 있으며, 상기 풀리(140)는 자동차의 구동모터(130)에 연결된 구동축(131) 측의 풀리와 연결되어 있다.

또한, 상기 솔레노이드 밸브(160)와 클러치(170)의 사이에 전자제어유닛(ECU)(150)이 설치되어 있으며, 이 ECU 는 시스템의 운전온도, 외부기온, 요구부하 등의 데이터를 종합하여 인젝터(20) 이전에 부착된 상기 솔레노이드 밸브(160)와 풀리(140)에 연결된 클러치(170)의 조작을 통해 펌프(30)의 작동을 제어한다.

가습을 위하여 인젝터(20)에 투입되는 물로서는 연료전지 스택(100)에서 전기화학반응을 통해 생성되는 고온의 반응수(111)를 이용하며, 가압펌프(30)에 의해서 가압된 후 탈이온장치(40)를 거쳐서 인젝터(20)의 노즐을 통해 가속된다.

도 2a 에서 보는 바와 같이, 가속된 물(210)이 인젝터(20)의 노즐을 통과하면서 충돌자(230)에 접촉하면 물안개(240)를 생성되는데, 이 때 생성된 물안개(240)가 동일 축으로 공급되는 기체(공기 및 수소)(250)와 혼합하여 1차로 가습이 이루어진다.

이때, 인젝터(20)의 저부에 설치되는 상기 충돌자는 도 2a 와 같은 갈고리 모양의 충돌자(230)와, 도 2b 와 같은 고리모양의 충돌자(260)로 형성될 수 있다.

통상적으로 연료전지 스택(100)의 운전온도는 60~80℃ 범위에서 유지하게 되며, 운전온도를 유지하기 위해 연료전지 스택(100)에 냉각수(도1a 의 120)를 투입하게 된다.

상기 투입되는 냉각수(120)는 연료전지 스택(100) 안의 냉각수 채널(미도시)을 지나면서 열을 얻게 되며, 연료전지 스택(100)을 나온 후에는 라디에이터(50)로 보내진다. 이 때의 냉각수는 많은 열량을 갖고 있으므로 라디에이터(50)로 바로 보내지지 않고 일부분이 바이패스(by-pass)되거나 전부가 본 발명에서 고안한 가습챔버(10)의 외벽 측으로 형성된 환상의 공간부(60)로 보내진다.

상기한 고온의 냉각수는 가습챔버(10)의 내부 각 채널을 통과하면서 증대된 열전달 면적을 통해 가습챔버(10) 내부로 열을 전달하게 된다. 이러한 열전달에 의해 1차 가습이 이루어진 기체는 가습챔버(10)를 통과하면서 2차 가습이 이루어진다. 이 때 가습챔버(10)의 외측 공간부(60)를 통과한 냉각수는 라디에이터(50)로 투입되어 냉각된 후 연료전지 스택(100)에 재투입된다. 상기 라디에이터(50)의 상측에는 냉각핀(51)이 장착되어 있다.

한편, 가습수를 가압하기 위한 펌프(30)의 구동은 연료전지 자동차의 모터 구동축(130)과 연결된 풀리(140)에 의해서 이루어진다. 운전자가 가속을 위해서 가속패달을 밟으면 모터의 회전수가 증가하고, 이로 인해 가압펌프(30)의 회전수도 빨라지며 가습수의 분무량도 증가한다. 그러나 모터의 회전수에 따라서 항상 가습 분무량이 증가하는 것은 아니며 ECU(150)에서 앞서 설명한 바와 같이, 운전온도, 외부기온, 요구부하 등의 조건을 종합적으로 판단하여 솔레노이드 밸브(160)와 풀리(140)에 연결된 클러치(170)를 통해 가압펌프(30)의 작동을 제어하게 된다.

인젝터(20) 및 충돌자(230 또는 260)로 이루어지는 분무장치에 의한 물분무량은 공기 가습에 필요한 적량보다 통상 많으므로 남은 물은 응축되어 가습챔버(10) 하단부에 장착된 수처리기(200)로 모아진다. 이 수처리기(200)에서는 가습된 기체와 액체상태의 물이 분리되고, 분리되어진 기체는 연료전지 스택(100)으로 보내지며, 액체는 저수조(110)로 보내진다. 이 때 가습된 기체에 함유된 안개화된 물입자는 연료전지 스택(100)으로 이동하게 되며, 고온 상태의 연료전지 스택(100) 내부에서 증발되어짐으로써 연료전지 스택(100)이 냉각되도록 하는 것과 동시에 습도를 높여주는 작용도 하게 된다.

상기 수처리기(200)에서 물을 배출시키는 방법으로 다음의 두 가지가 주로 사용된다.

첫째는, 뜨개를 이용하여 밸브를 제어하는 방법으로, 이 방법은 수처리기(200)의 하단부에서 물이 고이기 시작하면 물의 양이 증가하면서 뜨개가 떠올라 일정높이에 도달하면 배수밸브가 열리는 방법이다.

둘째는, 연료전지 스택(100)의 작동압력을 이용한 자연배출 방법이다. 일반 적으로 연료전지 스택(100)의 작동압력은 대기압보다 높으므로 수처리기(200)에 고인 물은 압력에 의해서 외부로 배출된다. 연료전지 시스템이 운전 중일 때는 거의 항상 물분무가 되고 있으므로 외부로 손실되는 가스의 량은 미미하다.

따라서, 상기한 본 발명의 연료전지 자동차의 가습 시스템은 가습챔버(10)가 단열 처리된 외벽(13)과, 안쪽에 방열핀(15,15') 등의 열교환부재가 부착된 내벽(11)의 이중벽 구조로 형성됨으로써, 가습 효과가 증대되고, 또 가습챔버(10)의 내벽과 외벽 사이의 환상공간(60)을 통해 고온의 냉각수가 회전, 통과함으로써 가습챔버(10) 내부로 열을 효과적으로 전달할 수 있고, 나아가 가습챔버(10)의 입구와 출구에 설치된 분무장치를 이용하여 분무된 물과 가스를 혼합하여 가습챔버(10) 내부에서 가습시킨 후, 수처리기(200)를 통해 가습 후 남는 물은 재활용하고 가습된 가스는 연료전지 스택(100)으로 투입되어지도록 함으로써, 열에너지의 효율적 사용을 도모할 수 있게 된다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 가습 시스템은 막구조물이 아닌 금속재료를 사용하므로 내구성이 현저하게 증가하며, 부피가 줄게 되고, 연료전지 스택 냉각수의 폐열과 반응수의 열에너지를 재활용함으로써 에너지효율이 증가하는 효과를 얻는다. 또한, 안개화 된 물이 연료전지 스택에 함께 공급되면서 증발에 의한 추가 가습효과 및 스택 냉각효과를 얻게 된다.

Claims (7)

1. 연료전지(100)와,

   상기 연료전지(100)의 저부에 위치하여 냉각수가 저장되는 냉각수 저수조(110)와,

   내벽과 외벽으로 이루어지는 이중벽 타입의 구조를 가지며, 내측 벽면에 일련의 열교환부재가 부착된 가습챔버(10)와,

   상기 가습챔버(10)에 장착된 분무장치와,

   상기 가습챔버(10)의 저부에 장착된 수처리기(200)와,

   상기 가습챔버(10)를 통과한 냉각수가 유입되는 라디에이터(50)와,

   상기 냉각수 저수조(110)의 반응수를 상기 가습챔버(10) 측으로 공급하는 가압펌프(30)와,

   상기 가압펌프(30)의 작동을 제어하여 가습량을 조절하는 ECU(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가습챔버(10)는 내벽(11)과 외벽(13) 사이에 환상형의 공간부(60)가 형성되고, 이 공간부(60)를 통해 고온의 냉각수가 통과되어 챔버 내부로의 연전달이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 가습챔버(10)의 내벽에 부착된 열교환부재는 다수의 방열핀(15)이 부착되고, 이 방열핀(15)의 측면에 루버핀(17)이 결착된 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가습챔버(10)의 내벽에 부착된 열교환부재는 챔버 내벽 자체가 핀(18) 타입의 채널 모양을 이루는 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 ECU(150) 는 분무장치 이전 위치에 부착된 솔레노이드 밸브(160)와, 모터 구동축에 연결된 풀리(140)와, 상기 풀리(140)에 연결된 클러치(170)를 통해 펌프의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 분무장치는 인젝터(20)와, 상기 인젝터(20)의 저부에 위치하며 가속된 물이 충돌하여 물안개(240)를 생성하기 위한 갈고리 모양의 충돌자(230) 또는 고리모양의 충돌자(260)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.
7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 인젝터(20)는 상기 가습챔버(10)의 상측단과 하측단에 장착되거나 중앙부에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 가습 시스템.

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