KR100821324B1 - 연료전지의 가습시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습시스템에 관한 것으로, 다수의 스택과; 일측의 상기 스택으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되며, 상기 다수의 스택 중 일측으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되며, 농도차에 따른 확산을 이용하여 타측의 스택에서 배출되는 가스에 포함된 수분을 상기 일측의 스택으로 도입되는 가스에 포함시키는 막가습기;를 포함하여 구성됨을 기술적 요지로 하여, 다수의 연료전지 스택과 막가습기간의 수분유동이 상호간섭적으로 일어나게 하여 스택사이의 성능편차를 현격히 줄임으로써 연료전지 전체 시스템의 안정적인 성능을 얻을 수 있도록 하는 연료전지의 가습시스템에 관한 것이다.

연료전지 스택 수분 확산 막가습기 성능편차

Description

연료전지의 가습시스템{System for humidifying in fuel cell stack}

도 1 - 막가습기내 공기유동을 보인 모식도

도 2 - 종래의 연료전지와 막가습기 연결구조를 보인 모식도

도 3 - 본 발명에 따른 연료전지의 가습시스템의 제1실시예를 도시한 모식도

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

110 : 제1스택 120 : 제2스택

210 : 제1막가습기 220 : 제2막가습기

300 : 배출경로

본 발명은 연료전지의 가습시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 연료전지 스택을 구비함에 있어 일측에서 배출되는 가스에 포함된 수분의 양이 타측으로 도입되는 가스에 포함된 수분의 양에 비례적으로 영향을 끼치도록 막가습기를 연결시켜 모든 스택내부의 수분을 균일하게 유지할 수 있도록 하는 연료전지의 가습시스템에 관한 것이다.

고분자 연료전지의 성능은 크게 반응가스 공급량, 습도, 온도에 의해서 결정 되는데, 일반적으로 반응가스는 많이 공급되면 될수록 반응이 용이하게 일어나 연료전지의 성능이 좋아지며, 수분은 전해질 막을 적절히 적셔주어 전해질막의 이온전도도를 증가시킬 때 연료전지의 성능이 최대로 발휘되고, 온도는 이러한 반응조건들을 만족시키기 위해 70~80℃ 사이로 유지된다.

연료전지 성능 최적화의 핵심은 이러한 반응조건들을 모든 영역에서 동일하게 맞추어 주는 것이나, 연료전지의 반응생성물이 물이기 때문에 연료전지의 반응가스 출구영역에서는 수분이 충분하지만 반응가스 입구부에서는 수분이 부족하게 됨으로써 반응조건의 불균일성이 나타나게 되는 예와 같이, 단위연료전지 내부에서도 반응조건을 동일하게 만족시키기 어려운 실정이다.

실제로 연료전지는 요구되는 출력을 얻기 위해 여러 개의 단위연료전지를 수십장 이상 쌓은 구성을 가지는 스택을 사용하고 있으며, 이러한 스택에서도 각 단위연료전지로의 균일한 반응가스 분배와 온도유지가 설계와 제작의 핵심 사안이 되는 바, 도 2에 도시된 바와 같이 두 개 이상의 스택을 사용하게 되는 경우 가장 큰 문제는 스택간의 성능편차가 된다.

도 1에 도시된 막가습기는 스택으로 공급되는 스택에서 반응 후 생성, 배출되는 공기가 도입되는 입구인 (a), (a)를 통해 도입된 공기가 배출되는 출구인 (b), 외부공기가 도입되는 입구인 (c), (c)로 도입된 상기 외부공기가 도출되는 출구인 (d)를 구비하고, (a)에서 (b)로 이동되는 고습도의 공기에서 (c)에서 (d)로 이동되는 저습도의 공기로 수분이 확산에 의해 이동되도록 하면서도 공기 자체는 서로 혼합되지 않도록 이동시키며 상기 스택에 수분을 공급하게 된다

도 2에 도시된 두 개의 스택은 전기적으로는 직렬관계에 있기 때문에 스택1 에서 발생한 전류는 필연적으로 스택2를 지나게 되는데, 반응률에 비례하여 전류가 생성되기 때문에 두 스택간의 반응률이 서로 같아야 함에도 연료전지 반응 특성 때문에 2개의 스택을 대칭적으로 구성시켜도 시스템 자체의 안정성(stability)이 낮아 두 스택간의 성능편차가 점점 확장되게 된다.

즉, 두 개의 스택은 2개의 막가습기와의 유동공급라인이 서로 독립적으로 연결되어 있어, 각각의 스택이 만들어낸 수분은 수분을 만들어낸 그 스택에게만 다시 공급된다. 스택간에는 서로 약간의 성능편차를 갖고 있어 스택1에서 더 많은 양의 공기가 반응에 참여하게 되면 더 높은 반응률로 인하여 공기출구부의 공기는 더 많은 수분을 포함하게 되고, 이 공기는 막가습기1의 (a)로 들어가서 외부에서 공급되는 공기에 더 많은 수분을 전달하게 되며, (c)로부터 들어온 공기는 더 많은 수분을 받게 되고 수분을 충분히 함유한 공기가 (d)로 나와 스택1에 공급되게 된다.

이러한 과정을 반복하게 되면 결과적으로 스택1과 스택2의 성능편차는 점점 벌어지게 되어, 연료전지 전체 시스템은 사용기간이 지속됨에 따라 외부의 교란이 점점 증폭되는 양의 되먹임(positive feedback)현상으로 매우 불안정해지게 되는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 다수의 연료전지 스택과 막가습기간의 유동이 상호간섭적으로 일어나게 하여 스택사이의 성능편차를 현격히 줄일 수 있는 연료전지의 가습시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적달성을 위한 본 발명은, 다수의 스택과; 상기 다수의 스택 중 일측으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되며, 농도차에 따른 확산을 이용하여 타측의 스택에서 배출되는 가스에 포함된 수분을 상기 일측의 스택으로 도입되는 가스에 포함시키는 막가습기;를 포함하여 구성되는 연료전지 스택과 막가습기 연결구조를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 스택은, 제1스택, 제2스택 2개가 구비되며, 상기 막가습기는, 상기 제2스택으로 도입되는 가스와 상기 제1스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제1스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기;를 포함하여 구성되는 실시예를 포함함이 바람직하다.

그리고, 상기 스택은, 제1스택, 제2스택, 제3스택을 포함한 3개 이상이 구비되며, 상기 막가습기는, 상기 제2스택으로 도입되는 가스와 상기 제1스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기, 제1스택 내지 다른 상기 스택으로 도입되는 가스를 가스와 상기 제3스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제3막가습기;를 포함하여 구성되는 실시예도 포함함이 바람직하다.

또한, 상기 스택은, 제1스택, 제2스택, 제3스택, 제4스택을 포함한 4개 이상이 구비되며, 상기 막가습기는, 상기 제1, 2스택으로 도입되는 가스와 상기 제3, 4 스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3, 4스택으로 도입되는 가스와 상기 제1, 2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기;를 포함하여 구성되는 다른 실시예도 포함함이 바람직하다.

상기 다수의 스택으로부터 배출된 가스와 다른 다수의 스택으로 도입되는 가스의 교차가능한 경로를 제공하는 상기 실시예에서, 상기 제1막가습기는, 상기 제1스택에 도입 내지 배출되는 가스와 상기 제2스택에 도입 내지 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 구비하며, 상기 제2막가습기는, 상기 제3스택에 도입 내지 배출되는 가스와 상기 제4스택에 도입 내지 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 구비함이 바람직하다.

그리고, 상기 막가습기는, 다수가 구비될 시, 연료전지 외부로 배출시키는 가스의 배출경로가 하나로 연결형성됨이 바람직하다.

따라서, 다수의 연료전지 스택과 막가습기간의 수분유동이 상호간섭적으로 일어나게 하여 스택사이의 성능편차를 현격히 줄임으써 연료전지 전체 시스템의 안정적인 성능을 얻을 수 있다는 이점이 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 가습시스템의 제1실시예를 도시한 모식도이다.

본 발명에 따른 연료전지의 가습시스템은, 다수의 연료전지 스택을 구비한 연료전지 시스템에 있어서, 다수의 스택 중 일측에서 배출되는 가스에 포함된 수분 의 양이 타측의 스택으로 도입되는 가스에 포함된 수분의 양에 비례적으로 영향을 끼치도록 막가습기를 연결시켜 스택 전체의 수분을 균일하게 유지할 수 있도록 하는 연료전지 스택과 막가습기 연결구조를 가진다.

본 발명은, 다수의 스택과, 상기 다수의 스택 중 일측으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되어 타측의 스택에서 배출되는 가스에 포함된 수분을 농도차에 따른 확산을 이용하여 상기 일측의 스택으로 도입되는 가스에 포함시키는 공기 및 수분유동경로를 공급하는 구성을 가진다.

도 2는 본 발명의 제1실시예를 도시한 것으로, 상기 스택은 제1스택(110), 제2스택(120) 2개가 구비되며, 상기 막가습기는 상기 제2스택(120)으로 도입되는 가스와 상기 제1스택(110)에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기(210)와, 상기 제1스택(110)으로 도입되는 가스와 상기 제2스택(120)에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기(220)로 이루어진다.

상기 제1실시예는 본 발명을 두개의 스택과 막가습기를 구비한 구조를 가지는 일반적인 연료전지 시스템에 적용시킨 것으로, 상기 제1스택(110), 제2스택(120)이 전기적으로 직렬연결되고, 상기 제1막가습기(210)는 상기 제2스택(120), 상기 제2막가습기(220)는 상기 제1스택(110)으로 도입되는 가스의 공급경로상에 각각 설치된다.

상기 제1막가습기(210), 제2막가습기(220)는 스택으로 공급되는 스택에서 반응 후 생성, 배출되는 공기가 도입되는 입구인 (a), (a)를 통해 도입된 공기가 배출되는 출구인 (b), 외부공기가 도입되는 입구인 (c), (c)로 도입된 상기 외부공기 가 도출되는 출구인 (d)를 구비하여, (a)에서 (b)로 이동되는 공기와 (c)에서 (d)로 이동되는 공기가 서로 혼합되지 않으면서도 (a)에서 (b)로 이동되는 고습도의 공기에서 (c)에서 (d)로 이동되는 저습도의 공기로 수분이 확산에 의해 이동되도록 하는 구조를 가진다.

상기 제1막가습기(210)는 상기 제1스택(110)에서 배출되는 가스를 도입받아 상기 제2스택으로 공급되는 가스와 교차시키고, 상기 제2막가습기(220)는 상기 제2스택(120)에서 배출되는 가스를 도입받아 상기 제1스택(110)으로 공급되는 가스와 교차되도록 통과시키면서, 수분에 있어서 상기 제1스택(110), 제2스택(120) 상호간의 간섭이 일어나게 하는 음의 되먹임(negative feedback) 현상이 일어나게 된다.

상기 제1스택(110)의 성능이 조금 더 좋은 상태에서 운전을 시작하였다면, 이로 인하여 많은 수분을 함유한 배출공기는 상기 제1막가습기(210)로 들어가 상기 제2스택(120)으로 공급되는 공기에 더 많은 수분을 전달하게 되고, 더 많은 수분을 함유한 상기 제2스택(120)에서 배출된 공기는 상기 제1스택(110)에 외부공기를 공급하는 상기 제2막가습기(220)를 통과하게 된다.

결과적으로 상기 제1스택(110)과 제2스택(120) 중 하나의 스택이 성능이 좋아지게 되면 반대편 스택의 성능을 향상시키고 자신의 성능은 낮아지게 하는 음의 되먹임현상이 일어나게 되어 종래의 양의 되먹임현상에 비해 훨씬 더 안정된 연료전지 시스템을 구현하게 된다.

본 발명에 따른 연료전지 가습시스템은 상기 스택이 제1스택, 제2스택, 제3스택을 포함한 3개 이상이 구비되어도, 각각의 스택으로부터 배출되는 가스와 다른 스택으로 도입되는 가스와의 교차경로를 형성하도록 다수의 막가습기를 연결시키면 무난하게 적용가능하다.

제1스택, 제2스택, 제3스택 3개의 스택을 직렬연결시킨 연료전지 시스템에는, 상기 제2스택으로 도입되는 가스와 상기 제1스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기, 제1스택 내지 다른 상기 스택으로 도입되는 가스를 가스와 상기 제3스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제3막가습기를 구비한 구조(이하 제2실시예라 한다)로써 본 발명에 따른 연료전지 가습시스템을 적용할 수 있다.

그리고, 본 발명을 제1스택, 제2스택, 제3스택, 제4스택으로 이루어진 연료전지 시스템에 적용시킬 시에는, 상기 제2실시예와 같이 각각의 스택에 대응되는 4개의 막가습기를 구비하여 적용시킬 수 있으며, 다수의 스택으로부터 배출공기를 한꺼번에 도입하여 다수의 스택으로 도입되는 공기로 수분교환이 일어나도록 하는 구조로도 적용할 수 있다.

즉, 상기 제1, 2스택으로 도입되는 가스와 상기 제3, 4스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3, 4스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기를 구비한 구조(이하 제3실시예라 한다)로도 상호간의 수분양의 간섭이 일어나게 할 수 있다.

다수의 스택으로부터 배출된 가스와 다른 다수의 스택으로 도입되는 가스의 교차가능한 경로를 제공함으로써 다수의 스택을 하나의 묶음으로 하는 작동구조를 가지는 상기 제3실시예에서, 상기 제1, 2막가습기는 각각 한 묶음으로 묶인 상기 제1, 2스택, 제3,4스택 상호간에도 도입 내지 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하도록 함이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지 가습시스템은 상기 제1, 2, 3실시예로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 스택와 막가습기의 갯수에 무관하게 적용가능하며 상기 막가습기와 스택 자체의 구조를 변형시키는 것이 아닌 상기 막가습기와 스택간의 연결구조를 변형시킴으로써 기존의 연료전지 시스템에 비해 현격한 효과를 얻을 수 있어 그 적용의 확대가 기대된다.

상기 막가습기가 다수가 구비될 시, 각각의 막가습기에서 배출되는 가스의 배출경로(300)를 최종적으로는 하나로 연결형성하여, 상기 다수의 막가습기에서 각각 별도의 경로를 통해 배출되는 가스를 하나의 통로로 유도하여 연료전지 외부로 최종배출시킴 바람직한데, 본 발명에 따른 연료전지 가습시스템은 상기와 같은 실시예들로 변형적용시킨 경우라도 상기 막가습기간의 연결구조를 추가로 변형시킴으로써 상호 연결되며 하나로 최종도출되는 배출경로(300)를 구현가능하다.

본 발명은 다수의 연료전지 스택과 막가습기간의 수분유동이 상호간섭적으로 일어나도록 유도하여 수분의 분균일 분포로 인한 상기 스택 사이의 성능편차를 현격히 줄임으로써, 연료전지의 작동초기에 발생하는 교란에 보다 둔감하여 고전압 출력을 위해 다수의 스택을 구비한 연료전지 전체 시스템에 적용시키면 보다 안정적인 성능을 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명한 것으로, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고 상기 실시예들을 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 균등한 기술범위를 당연히 포함한다고 보아야 할 것이다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 다수의 연료전지 스택과 막가습기간의 수분유동이 상호간섭적으로 일어나게 하여 스택사이의 성능편차를 현격히 줄임으로써 연료전지 전체 시스템의 안정적인 성능을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 다수의 스택과;

   상기 다수의 스택 중 일측으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되며, 농도차에 따른 확산을 이용하여 타측의 스택에서 배출되는 가스에 포함된 수분을 상기 일측의 스택으로 도입되는 가스에 포함시키는 막가습기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
2. 제1항에 있어서, 상기 스택은,

   제1스택, 제2스택 2개가 구비되며,

   상기 막가습기는,

   상기 제2스택으로 도입되는 가스와 상기 제1스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제1스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
3. 제1항에 있어서, 상기 스택은,

   제1스택, 제2스택, 제3스택을 포함한 3개 이상이 구비되며,

   상기 막가습기는,

   상기 제2스택으로 도입되는 가스와 상기 제1스택에서 배출되는 가스가 교차 가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3스택으로 도입되는 가스와 상기 제2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기, 제1스택 내지 다른 상기 스택으로 도입되는 가스를 가스와 상기 제3스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제3막가습기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
4. 제1항에 있어서, 상기 스택은,

   제1스택, 제2스택, 제3스택, 제4스택을 포함한 4개 이상이 구비되며,

   상기 막가습기는,

   상기 제1, 2스택으로 도입되는 가스와 상기 제3, 4스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제1막가습기와, 상기 제3, 4스택으로 도입되는 가스와 상기 제1, 2스택에서 배출되는 가스가 교차가능한 경로를 제공하는 제2막가습기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
5. 제4항에 있어서, 상기 제1막가습기는,

   상기 제1스택에 도입 내지 배출되는 가스와 상기 제2스택에 도입 내지 배출되는 가스가 교차가능한 경로가 구비되며,

   상기 제2막가습기는,

   상기 제3스택에 도입 내지 배출되는 가스와 상기 제4스택에 도입 내지 배출되는 가스가 교차가능한 경로가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 막가습기는 다수가 구비되며, 연료전지 외부로 배출시키는 가스의 배출경로가 하나로 연결형성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템
7. 제1스택과;

   상기 제1스택과 전기적으로 직렬연결된 제2스택과;

   상기 제1스택에서 배출되는 가스로부터 상기 제2스택으로 도입되는 가스로 수분의 확산이동이 가능한 경로를 구비하여 상기 제2스택으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되는 제1막가습기와;

   상기 제2스택에서 배출되는 가스로부터 상기 제1스택으로 도입되는 가스로 수분의 확산이동이 가능한 경로를 구비하여 상기 제1스택으로 도입되는 가스의 공급경로상에 설치되는 제2막가습기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 가습시스템

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