KR100887817B1

KR100887817B1 - 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택

Info

Publication number: KR100887817B1
Application number: KR1020070115470A
Authority: KR
Inventors: 김석래
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-03-09

Abstract

본 발명은 연료전지 차량에 구비되는 스택의 내부 가습을 별도의 외부 동력또는 장치 없이 스택 내부로 공급되는 물을 증발에 의해 가습하고, 증발시 발생되는 증발 잠열에 의해 냉각 효과도 동시에 구형 가능하도록 연료전지 스택에 구비된 맴브레인을 기준으로 전, 후면에 각각 밀착 설치되고 외주면상에 유로가 형성된 제1,2 유로판; 상기한 제1,2 유로판의 외측면 상에 밀착 설치되며 스택으로 공급되는 냉각수를 공급받아 스택 내부 영역에서의 수분 함유 상태에 따라 가습이 가능하도록 구비된 제1,2 흡착판; 및 상기 제1,2 흡착판의 외측면 상에 밀착 설치되며 수소 또는 공기를 공급받아 상기 제1,2 흡착판으로 공급 가능하게 하는 제1,2 분리판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것을 특징으로 한다.

연료전지, 스택, 맴브레인, 제1,2 유로판, 제1,2 흡착판, 제1,2 분리판

Description

내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택{Inside humidifier of a fuel cell}

본 발명은 연료전지 차량에 구비되는 스택의 내부 가습을 위해 흡착판을 통해 내부 가습과 동시에 분리판의 냉각도 동시에 구현 가능한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 연료전지는 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 이 중에서 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다.

이러한 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질유닛에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택유닛의 연료극으로 공급하여 연료로 사용하고 있다.

또한 상기 고분자전해질형 연료전지는 앞서 언급한 바와 같이 고분자 중합체인 얇은 이온(H+)전도성 고분자막을 전해질로 사용함에 따라 장시간 운전시 충분한 수분을 공급하여야 연료전지의 신뢰성을 유지할 수 있다.

상기한 연료전지에 수분을 공급하기 위한 방식으로는 외부 가습 방식과 내부 가습 방식이 있으며, 상기한 외부 가습은 스택 외부에 별도의 가습장치를 구비하여 스택 내부 영역으로 공급하는 방식이고, 내부 가습은 별도의 가습 장치 없이 스택 내부에서 생성되는 물이나 냉각수를 이용하여 자발적인 가습이 일어나도록 제어하는 방식이다.

종래에는 내부 가습 방식을 이용하여 스택 내부를 가습하고자 하였으나, 이와 같은 내부 가습이 안정적으로 이루어지기 위해서는 스택 내부 압력이 3bar 이상 유지되어야 외부에서 추가적으로 물 공급 없이 작동될 수 있었다.

그러나 실제로 스택 내부의 압력이 3bar를 유지하기 힘들어 추가적으로 물을 공급하지 않고서는 원활한 가습이 이루어지지 않아 이에 대한 대책을 필요로 했다.

본 발명의 목적은 스택 내부의 가습 상태를 안정적으로 유지하고, 발열 발생에 따른 스택의 열화 및 오작동을 방지할 수 있는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택은 연료전지 스택에 구비된 맴브레인을 기준으로 전, 후면에 각각 밀착 설치되고 외주면상에 유로가 형성된 제1,2 유로판과; 상기한 제1,2 유로판의 외측면 상에 밀착 설치되며 스택 내부 영역에서의 수분 함유 상태에 따라 가습이 가능하도록 구비된 제1,2 흡착판; 및 상기 제1,2 흡착판의 외측면 상에 밀착 설치되며 수소 또는 공기를 공급받아 상기 제1,2 흡착판으로 공급 가능하게 하는 제1,2 분리판을 포함하여 구성된다.

제1,2 유로판은 전기 전도성이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

제1,2 흡착판은 폴리초산비닐(Polyvinyl Acetate) 또는 폴리우레탄 (Polyurethane) 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것이 바람지하다.

제1,2 분리판에는 제1,2 흡착판을 향해 수분 이동이 가능하도록 상기한 제1,2 흡착판을 향해 복수개의 모세관이 형성되도록 구성된다.

제1,2 분리판에는 제1,2 흡착판의 안착을 위해 상기한 제1,2 흡착판과 면접촉되는 위치에 안착홈이 각각 형성되도록 구성된다.

제1,2 분리판은 제1,2 흡착판에 흡착된 수분이 증발되면서 발생하는 증발잠열에 의해 냉각이 일어나도록 구성된다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택이 조립되기 이전 상태의 측면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 작동 상태도이고, 도 4는 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 실험 그래프이다.

첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하면, 연료전지 스택에 구비된 맴브레인(100)을 기준으로 전, 후면에 각각 밀착 설치되고 외주면상에 유로가 형성된 제1,2 유로판(200,200')과; 상기한 제1,2 유로판(200,200')의 외측면 상에 밀착 설치되며 스택 내부 영역에서의 수분 함유 상태에 따라 가습이 가능하도록 구비된 제1,2 흡착판(300,300'); 및 상기 제1,2 흡착판(300,300')의 외측면 상에 밀착 설치되며 수소 또는 공기를 공급받아 상기 제1,2 흡착판(300,300')으로 공급 가능하게 하는 제1,2 분리판(400,400')을 포함하여 구성된다.

제1,2 유로판(200,200')은 전기 전도성이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 제1,2 흡착판(300,300')이 수분을 함유하고 있는 상태이므로 상기한 제1,2 흡착판(300,300')에 열을 빠르게 전도하여 가습을 실시하기 위해서 이 다.

제1,2 흡착판(300,300')은 폴리초산비닐(Polyvinyl Acetate ) 또는 폴리우레탄 (Polyurethane) 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것이 바람직하다.

제1,2 분리판(400,400')에는 제1,2 흡착판(300,300')을 향해 수분 이동이 가능하도록 상기한 제1,2 흡착판(300,300')을 향해 복수개의 모세관(410,410')이 형성되도록 구성된다.

제1,2 분리판(400,400')에는 제1,2 흡착판(300,300')의 안착을 위해 상기한 제1,2 흡착판(300,300')과 면접촉되는 위치에 안착홈(420,420')이 각각 형성되도록 구성된다.

제1,2 분리판(400,400')은 제1,2 흡착판(300,300')에 흡착된 수분이 증발되면서 발생하는 증발잠열에 의해 냉각이 일어나도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 3을 참조하면, 연료전지 스택에 설치된 맴브레인(200)으로 가스(수소 또는 공기)가 제2 분리판(400')을 통해 맴브레인(100)으로 공급되고 공급된 가스는 맴브레인(100) 및 제1,2 유로판(200,200')의 유로를 따라 이동되면서 수분을 함유하고 있는 가스 상태로 변화되어 이동된다. 이와 동시에 스택 내부에서는 화학 반응에 의해 물이 자연적으로 생성되고, 스택의 내부 온도는 상승된다.

생성된 물은 제1,2 흡착판(300,300')에 흡착되다. 상기한 제1,2 흡착판(300,300')는 원활하게 물을 흡수하기 위해 폴리초산비닐(Polyvinyl Acetate ) 또는 폴리우레탄 (Polyurethane) 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되어 화학 반응에 따라 생성되는 물을 흡수하게 된다. 또한, 제2 분리판(300)의 일측에 형성된 냉각수 홀을 통해 펌프에서 가압된 냉각수가 공급되어 상기 제2 분리판(400)의 타측 영역으로 이동한 뒤에 펌프로 재공급되어 지속적으로 작동이 이루어지게 된다.

계속적인 작동에 의해 스택 내부의 온도가 상승되고, 스택 내부 영역에서 제1,2 유로판(200,200')의 온도도 마찬 가지로 상승된다. 상기한 제1,2 유로판(200,200')은 열전도율이 우수한 금속으로 이루어져 있어서 스택 자체의 발열에 따른 열을 전도받아 밀착 설치된 제1,2 흡착판(300,300')으로 열전달을 실시한다.

상기한 제1,2 흡착판(300,300')은 제1,2 유로판(200,200')의 열을 전도 받아 자체적으로 함유하고 있는 수분을 증발시켜 스택 내부의 가습 상태를 자동으로 조절하게 되고, 상기한 제1,2 흡착판(300,300')이 함유하고 있는 수분이 모두 증발될 때까지 지속적으로 가습을 실시한다.

만약, 제1,2 흡착판(300,300')이 함유하고 있는 수분이 모두 증발되어 제1,2 유로판(200,200')에 가습을 실시하지 못할 경우에는 제 분리판(400)을 통해 공급되는 냉각수가 모세관(410)을 통해 상기 제1,2 흡착판(300,300')에 자동으로 공급된다. 상기 모세관(410)은 펌프를 통해 공급되는 냉각수의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖도록 이루어져 있어서 모세관 현상에 의해 제1,2 흡착판(300,300')으로 공급되고, 제1,2 흡착판(300,300')은 부족한 수분을 공급받아 제1,2 유로판(200,200')에 가습을 실시하게 된다.

이와 같이 정상적으로 제1,2 흡착판(300,300')에 수분이 있는 상태에서는 제 1,2 유로판(200,200')의 발열에 따라 증발이 이루어져 가습을 실시하고, 수분이 부족할 경우에는 모세관(410)을 통해 자동으로 냉각수를 공급받아 가열된 제1,2 유로판(200,200')과 열교환을 통한 가습이 이루어져 스택의 가열 및 가열에 따른 오작동을 방지하고 안정적인 연료전지 차량의 주행이 이루어지게 된다.

첨부된 도 4를 참조하면, X축은 제1,2 흡착판(300,300')에 형성된 유로 길이를 나타내고, Y축은 물의 증발에 따른 가스에 함유된 상대습도를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이 스택의 작동온도가 65℃에서 80%에 가까운 상대습도에 도달함으로써 본 발명에 의한 모세관(410)을 통해 제1,2 흡착판(300,300')으로 수분 공급이 이루어질 때 최적의 상대습도를 유지하면서 스택의 자체 발열 온도는 안정온도 상태가 유지 가능한 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택은 별도의 가습 장치 없이 스택 내부에서 모세관 현상에 의해 수분 공급이 이루어져 안정적인 스택 운영이 이루어지고, 기존의 스택 두께를 유지하면서도 공급 가스의 상대습도를 최적의 상태로 유지할 수 있어 스택의 성능이 향상 가능한 효과가 있다.

또한, 분리판상에 유로를 형성할 필요가 없어 제작 단가가 절감되고 구조적인 강도도 향상되며, 유로 형상에 대해 설계자의 설계 자유도가 향상 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 분해 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택이 조립되기 이전 상태의 측면도.

도 3은 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 작동 상태도.

도 4는 본 발명에 의한 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택의 실험 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 맴브레인 200, 200' : 제1,2 유로판

300, 300' : 제1,2 흡착판 400, 400' : 제1,2 분리판

Claims

연료전지 스택에 구비된 맴브레인을 기준으로 전, 후면에 각각 밀착 설치되고 외주면상에 유로가 형성된 제1,2 유로판;

상기한 제1,2 유로판의 외측면 상에 밀착 설치되며 스택 내부 영역에서의 수분 함유 상태에 따라 가습이 가능하도록 구비된 제1,2 흡착판; 및

상기 제1,2 흡착판의 외측면 상에 밀착 설치되며 수소 또는 공기를 공급받아 상기 제1,2 흡착판으로 공급 가능하게 하는 제1,2 분리판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,

상기 제1,2 유로판은 전기 전도성이 우수한 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,

상기 제1,2 흡착판은 폴리초산비닐(Polyvinyl Acetate ) 또는 폴리우레탄 (Polyurethane) 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,

상기 제1,2 분리판에는 제1,2 흡착판을 향해 수분 이동이 가능하도록 상기한 제1,2 흡착판을 향해 복수개의 모세관이 형성된 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,

상기 제1,2 분리판에는 제1,2 흡착판의 안착을 위해 상기한 제1,2 흡착판과 면접촉되는 위치에 안착홈이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,

상기 제1,2 분리판은 제1,2 흡착판에 흡착된 수분이 증발되면서 발생하는 증발잠열에 의해 냉각이 일어나는 것을 특징으로 하는 내부 가습 기능을 갖는 연료전지 스택.