KR101018074B1 - 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치및 시스템 - Google Patents

맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료 전지의 연료 및 공기를 주입하는 주입구에 물을 저장할 수 있는 수단을 구비하여 연료 전지 내에서 생성되어 맥동 유동을 통하여 배출된 물을 저장한 다음, 이것을 연료 전지에 새로 공급될 연료 및 공기에 공급하도록 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에 관한 것이다.

Description

맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템 {APPARATUS AND SYSTEM FOR HUMIDIFICATION OF PEM FUEL CELL WITH PULSATION}
본 발명은 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료 전지의 연료 및 공기를 주입하는 주입구에 물을 저장할 수 있는 수단을 구비하여 연료 전지 내에서 생성되어 맥동 유동을 통하여 배출된 물을 저장한 다음, 이것을 연료 전지에 새로 공급될 연료 및 공기에 공급하도록 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지는 연료의 화학반응을 통하여 전력를 생성하는 장치로서, 통상적으로 전해질 막을 사이로 연료극과 공기극으로 구성하여 상기 연료극에는 수소를 공급하고 상기 공기극에는 산소를 포함한 공기를 공급하여 수소와 산소의 산화/환원 반응을 이용해서 전력를 발생시키는 구성으로 이루어진다.
그러나, 상기와 같은 수소와 산소의 반응은 결과적으로 물을 생성하게 된다. 통상적으로 연료 전지 내에서 생성된 물은 연료 전지 내에서 필요가 없으며, 오히려 전력의 생성에 방해가 되기 때문에 연료 전지 밖으로 배출하는 것이 일반적이 다. 그러나 이와같이 물이 연료 전지의 바깥으로 배출되는 과정에서, 배출된 물이 원활하게 처리되기 위해서는 공급되는 유체의 양이 많아야 한다는 단점이 있었다.
한편, MEA(Membrane Electrode Assembly; 이온전해질막)를 이용하는 연료 전지의 경우 연료극의 수소이온이 MEA를 통과하여 공기극 쪽으로 넘어갈 때 MEA가 건조해지면 수소이온의 전도도가 떨어지거나 MEA의 수축에 의하여 막과 전극의 접촉저항이 증가하여 연료 전지의 성능이 저하할 우려가 있다. 그러나, MEA가 가습이 되어 있다면 상기와 같은 성능의 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 연료 전지로 공급되는 연료는 가습을 시켜줄 수록 효율이 좋아지며, 전력을 많이 생성할 수 있다.
따라서, 종래의 연료 전지는 공급되는 연료를 가습 시켜줄 수 있는 가습 시스템을 사용하고 있다. 통상적으로 사용되는 연료 가습시스템의 경우 버블러 타입 가습기(물을 직접 끓여서 물통 안에 연료가 지나가도록 하여 가습을 시키는 타입)와 막가습기 타입 가습기(연료 전지를 통과한 후 물을 머금고 있는 잉여 연료가 막을 통하여 새로 들어오는 건조한 연료로 물을 공급하는 타입)가 주를 이루고 있다. 상기 버블러 타입 가습기는 물통안에 물을 끓여서 공급을 하기 때문에 히터에 필요한 전력량이 상당히 많아 연료 전지의 출력의 많은 부분을 사용하게 되며 물통안의 물이 비었을 경우 주기적으로 새롭게 채워 넣어야 하는 단점이 있다. 한편, 막가습기 타입의 경우 연료 전지를 통과한 후 나오는 가습된 연료로부터 새로운 연료가 수증기를 공급 받기 때문에 상대습도를 높이는 데 한계가 있다. 즉, 가습량을 조절하는 데 있어서 수동적이다. 또한, 막가습기를 통하여 수증기를 주고 받아야 하므로, 막가습기 내부의 유로가 매우 촘촘해야 하며, 이로인해 새롭게 들어가는 연료 는 차압이 많이 걸려 압력 손실을 유발시키는 문제가 있었다.
또한, 종래의 가습 시스템의 경우에는 연료를 가습하기 위한 가습 수단이 외부에 노출되어있는 상태이기 때문에, 기온이 영하로 내려갈 경우 물이 쉽게 얼 가능성이 있으며, 이로 인해 연료의 가습이 어려워지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 연료 전지의 연료 또는 공기를 주입하는 주입구에 물을 저장할 수 있는 수단을 구비하여 연료 전지 내에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 저장한 다음, 이것을 연료 전지에 새로 공급될 연료에 공급하도록 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
연료 전지의 가습 장치에 있어서, 상기 연료 전지에 주입되는 연료에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부, 및 상기 맥동 유동부와 상기 연료 전지 사이에 배치되고, 상기 연료 전지에 주입되는 연료가 통과하도록 다공성 투과막을 포함하는 가습부를 포함하며, 상기 가습부는 상기 연료 전지 내부에서 생성되어 연료의 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 연료 전지로 주입되는 연료를 통과시키며 흡수한 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료 전지의 가습 장치에 있어서, 상기 연료 전지에 주입되는 공기에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부, 및 상기 맥동 유동부와 상기 연료 전지 사이에 배치되고, 상기 연료 전지에 주입되는 공기가 통과하도록 다공성 투과막을 포함하는 가습부를 포함하며, 상기 가습부는 상기 연료 전지 내부에서 생성되어 공기의 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 연료 전지로 주입되는 공기를 통 과시키며 흡수한 물을 공기에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서, 연료를 공급하는 연료 공급부, 공기를 공급하는 공기 공급부, 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부, 상기 맥동 유동부를 지나 유입된 연료가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 가습부, 및 상기 가습부를 통하여 연료가 공급되는 연료극과 상기 공기 공급부로부터 공기가 공급되는 공기극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며, 상기 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 연료 전지부로 공급되는 연료를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서, 공기를 공급하는 공기 공급부, 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부, 상기 맥동 유동부를 지나 유입된 공기가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 가습부, 및 상기 가습부를 통하여 공기가 공급되는 공기극과 상기 연료 공급부로부터 연료가 공급되는 연료극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며, 상기 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 연료 전지부로 공급되는 공기를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 공기에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서, 공기를 공급하는 공기 공급부, 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기에 맥동 유동을 가하는 제 1 맥동 유동부, 상기 제 1 맥동 유동부를 지나 유입된 공기가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 제 1 가습부, 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료에 맥동 유동을 가하는 제 2 맥동 유동부, 상기 제 2 맥동 유동부를 지나 유입된 연료가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 제 2 가습부, 및 상기 제 1 가습부를 통하여 공기가 공급되는 공기극과 상기 제 2 가습부를 통하여 연료가 공급되는 연료극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며, 상기 제 1 가습부와 상기 제 2 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 제 1 가습부는 연료 전지부로 공급되는 공기를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 공기에 공급하고, 상기 제 2 가습부는 연료 전지부로 공급되는 연료를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 맥동 유동부 및 상기 제 2 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은,
연료 전지 내에서 생성된 물을 새로 공급되는 공기/연료에 다시 공급함으로써, 별도의 물을 더 공급할 필요가 없는 효과가 있다.
또한, 연료 전지 내에서 생성된 물을 배출함과 동시에 새로 공급되는 공기/연료에 공급함으로써, 물의 배출과 공기/연료의 가습을 동시에 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 막가습기와는 대조적으로 기온이 영하로 내려가더라도 본 발명의 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템이 흡수하는 물의 온도는 연료 전지 내의 온도와 같기 때문에, 영하의 온도에도 물이 얼지 않는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이고, 도 2는 도 1의 바람직한 실시예를 나타내는 상세도이다.
도면을 참조하면 본 발명의 제 1 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템은 연료 전지부(10), 공기 공급부(160), 맥동 유동부(110), 가습부(120)를 포함한다.
연료 전지부(10)는 연료의 화학반응에 의하여 전력을 생산하는 수단으로서, 예를 들어 수소를 포함한 연료가 공급되는 연료극(130)과, 산소를 포함한 공기가 공급되는 공기극(150) 및 상기 연료극(130)과 공기극(150) 사이에 배치되는 전해질막(140)을 포함한다. 상기 연료 전지부(10)는 통상적으로 스택(stack)으로 통칭되며, 연료 전지 시스템에서 전력을 생성하는 중요한 수단이다. 상기 전해질 막은 예를 들어, MEA로 구성될 수 있다.
공기 공급부(160)는 상기 연료 전지부(10)로 공기를 공급하는 수단으로서, 상기 연료 전지부(10)에서 연료의 화학반응에 필요한 산소를 포함한 공기를 제공하는 기능을 한다. 상기 공기 공급부(160)은 통상적으로 연료전지에 사용되는 개질기를 포함할 수 있다. 상기 개질기는 상기 연료 전지부(10)로 공급할 공기에서 불순물을 정제하고, 상기 연료 전지부(10) 내에서 연료와 최적의 상태로 반응하도록 산소를 추출하는 기능을 한다.
맥동 유동부(110)는 상기 공기 공급부(160)로부터 공급되는 공기에 맥동 유동 (pulsating)을 가하는 기능을 한다.
여기서 맥동 유동이란 흐르고 있는 유체에 왕복 운동을 통한 압력을 가하여 심장이 뛰는 것과 같이 반복적인 압력변화가 가해진 상태로 유체가 흐르는 것을 말한다. 맥동 유동은 통상적으로 사용되는 오실레이팅(oscillating)과는 공학적으로 다른 의미로 사용된다. 오실레이팅은 변위의 합이 0이되는 진동을 말하는 반면에, 맥동 유동은 흐르는 유체에 일정하게 왕복운동을 가해서 주기적인 압력변화를 가진 상태로 유체가 흐르는 것을 말한다.
상기 맥동 유동부(110)는 상기 연료 전지부(10)에 형성되어 공기를 주입하는 공기 주입구 또는 공기 주입구에 연결된 공기관에 설치하는 것이 바람직하다. 도 1에서 화살표는 공기가 주입되는 공기관을 나타내며, 상기 공기관과 연료 전지부(10)가 교차되는 부분이 공기 주입구를 나타낸다. 도 2에 상기 공기관(A)과 공기 주입구(B)가 도시되어 있다. 상기 공기 주입구는 연료 전지부에 필요한 공기를 공급하기 위하여 공기를 주입하는 입구이고, 공기관은 상기 공기 주입구와 연결되어 연료가 운반되는 통로이다.
상기 맥동 유동부(110)는 상기 공기 주입구에 연결된 공기관에 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 맥동 유동부(110)는 공기가 공급되는 단계에서 공기에 맥동 유동을 가할 수 있다. 상기 맥동 유동부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 실린더(cylinder)를 포함할 수 있다. 상기 실린더의 내부의 피스톤(piston)은 회전운동을 하는 모터와 피스톤 로드(piston lod)로 연결되고, 모터의 회전에 의하여 회전력이 발생되면, 상기 피스톤 로드에 의하여 회전력이 피스톤으로 전달되어 상기 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 운동을 하게 된다. 실린더 내의 이와같은 피스톤의 왕복 운동은 주기적인 압력변화, 즉 맥동 유동을 발생시키며, 이러한 맥동 유동이 공기관을 타고 흐르고 있는 공기에 전달된다. 이를 위해서, 공기관을 통하여 상기 연료 전지부(10)의 공기극(150)으로 공급되는 공기에 압력이 전달될 수 있도록 실린더와 공기관이 연결되며, 공기에 맥동 유동이 가해진다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 공기 주입구(A)와 연결된 공기관(B)의 임의의 부 분에 상기 맥동 유동부(110)의 말단을 연결하고, 상기 맥동 유동부(110)의 실린더를 통해 발생된 맥동 유동이 상기 연료 전지부(10)에 주입되는 공기에 가해지도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 연료 전지부(10)에 주입되는 공기에 맥동 유동을 가하면, 연료 전지부(10)의 내부에서 연료와의 화학반응에 의하여 생성된 물은 맥동 유동에 의하여 고르게 퍼지면서 공기 주입구로 빠져 나오게 된다. 일반적으로 통상의 연료 전지는 공기를 주입하는 공기극 측에서 산소의 농도가 높기 때문에 가장 활발한 반응을 하게 된다. 또한, 연료극도 마찬가지로 입구 측에서 가장 물이 많이 생성된다. 따라서, 연료 및 공기를 주입하는 주입구 측에서 맥동 유동을 가하게 되면 연료 전지 내부에서 생성된 물의 상당량이 상기 주입구를 통하여 연료 전지의 바깥으로 퍼질 수 있다. 맥동 유동을 통한 물의 배출에 대한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.
가습부(120)는 상기 연료 전지부(10)에서 맥동 유동을 통하여 배출되는 물을 흡수하여 저장하며, 연료 전지부(10)의 내부로 주입되는 공기를 통과시키면서 흡수한 물을 다시 공급하는 수단이다. 따라서, 상기 가습부(120)는 물을 흡수하고 공기를 통과시킬 수 있는 다공성 투과막을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 다공성 투과막은 예를 들어, 공지의 나피온(nafion)과 같은 재질이 될 수 있다. 상기 나피온은 삼투압에 의하여 물을 흡수할 수 있으며, 연료 또는 기체를 흡수하지 않는 특징을 가진다. 따라서, 본 발명의 가습부(120)는 상기 나피온과 같은 다공성 투과막으로 구성되도록 하고, 연료 전지부(10)로 공급되는 공기는 상기 다공성 투과막을 통 과하여 연료 전지부(10)로 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 상기 가습부(120)를 통과하여 흐르는 기체 또는 연료는 상기 가습부(120)에 흡수되지 않고 그대로 통과되며, 가습부(120)에 흡수되어 있는 물에 의하여 가습된다.
상기 맥동 유동부(110)에 의하여 맥동 유동을 하는 공기가 상기 연료 전지부(10)로 주입되면 상술한 바와 같이 연료 전지부(10)의 내부의 물이 연료 주입구로 빠져나온다. 이때 연료 전지부(10)로부터 빠져 나오는 물은 상기 연료 전지부(10)의 내부에서 생성되어 빠져나오는 것이기 때문에 연료 전지부(10)의 내부 온도와 동일한 온도를 가진다. 즉, 상기 연료 전지부(10)의 내부는 수소와 산소의 반응에 의하여 열이 발생하기 때문에 상기 연료 전지부(10)의 내부에서 생성된 물의 온도는 외부 온도보다 높다. 따라서, 상기 가습부(120)는 이와 같은 온도를 가지는 물을 지속적으로 흡수하기 때문에 겨울철 영하의 온도에서도 정상적으로 작동할 수 있다.
한편, 상기 가습부(120)는 상기 연료 전지부(10)로부터 나오는 물을 흡수하기 위하여 연료 전지부(10)의 공기 주입구에 가깝게 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 상술한 바와 같이 상기 공기관을 통과하여 주입되는 공기가 맥동 유동을 하며 연료 전지부(10)의 내부로 주입됨에 따라서 상기 연료 전지부(10)의 내부에서 생성된 물이 공기 주입구로 다시 빠져나오게 되는데. 이때 상기와 같이 빠져나오는 물을 효율적으로 흡수하도록 하기 위하여 공기 주입구에 가깝게 상기 가습부(120)를 설치하는 것이 바람직하다. 따라서, 연료 전지부(10)의 내부에서 생성되어 연료 주입구로 배출된 물은 공기 주입구에 설치된 가습부(120)에 쉽게 흡수되며, 이렇게 흡수된 물은 가습부(120)를 통과하여 연료 전지부(10)의 내부로 공급되는 공기에 다시 공급된다. 따라서, 연료 전지부(10)로 공급되는 공기는 상기 가습부(120)를 통과하는 동안 지속적으로 물을 공급받을 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에서 연료극으로 주입되는 연료는 통상의 연료 전지 시스템에 구비된 연료 공급부를 포함하는 연료 주입 수단(미도시)을 통하여 공급될 수 있으며, 이는 공지의 기술이므로 설명을 생략한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템은 먼저 공기 공급부(160)에 의하여 공급되는 산소를 포함한 공기가 공기관을 따라 가습부(120)로 공급된다. 상기와 같이 공기가 공기관을 따라 공기극(150) 측으로 이동하면 맥동 유동부(110)는 피스톤 운동에 따른 주기적인 압력 변화를 공기에 가한다. 따라서, 공기관을 따라 흐르는 공기는 상기 맥동 유동부(110)에 의하여 맥동 유동을 하는 상태로 변하며, 그 상태로 가습부(120)를 통과한다. 이때 상기 가습부(120)는 물을 흡수하여 저장한 상태로 있을 수도 있고, 건조된 상태일 수도 있다. 만일 상기 가습부(120)가 물을 흡수하여 저장한 상태이면 다공성 투과막으로 이루어진 가습부(120)를 통과하는 공기는 상기 가습부(120)가 저장하고 있던 물을 공급받는다. 상기 가습부(120)를 지나 공기극(150)에 도달한 공기는 연료극(130)에 서부터 공급된 수소와 반응을 하여 전력을 생산한다. 상기와 같이 전력을 생산하는 과정에서 연료 전지부(10)의 내부에서는 수소와 산소의 반응에 의하여 물이 생성된다. 이와 같이 상기 연료 전지부(10)의 내부에서 생성된 물의 일부분은 공기극(150)으로 주입되는 공기의 맥동 유동에 의해서, 공기극(150)의 공기 주입구로 배출된다. 상기와 같이 배출된 물은 연료 주입구에 형성된 가습부(120)에 흡수되고, 이후에 가습부(120)를 통과하는 공기에 다시 공급된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템를 나타낸다.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 상기 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템는 연료 전지부(20)를 구성하는 연료극(230)의 연료 주입구에 설치된다. 도 3의 화살표는 연료관을 나타내고, 연료 주입구는 화살표와 연료 전지부(20)가 교차하는 지점으로 나타난다. 상술한 바와 같이, 연료극(230) 측의 수소가 이온화 된 후 전해질막(240)을 지나 공기극(250) 측 산소 이온과 만나기 위해서는 전해질(240)막이 충분히 물을 머금고 있어야 하며, 수소 이온이 전해질(240)막을 지나서 산소이온과 만나기 위해서는 수증기 분자와 함께 이동하는 것이 더 효율적이다. 따라서, 연료극(230)으로 공급되는 연료에도 충분한 가습이 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 실시에 따르면, 본 발명의 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 연료 전지부(20) 를 구성하는 연료극(230)의 연료 주입구, 또는 연료극(230)의 연료 주입구와 연결되어 연료극(230)으로 연료를 공급하는 연료관에 설치될 수 있다.
상기 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템는 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로 맥동 유동부(210)와 가습부(220)를 포함하며, 상기 맥동 유동부(210)와 가습부(220)의 구성 및 기능 또한 제 1 실시예와 동일하게 구성될 수 있다.
상기 맥동 유동부(210)는 도시된 바와 같이 연료 전지부(20)에 연료를 주입하는 연료 주입구 또는 연료 주입구에 연결된 연료관에 설치되어 연료 전지부(20)에 공급되는 연료에 맥동 유동(pulsating)을 가하는 기능을 한다. 상기 연료 주입구는 연료 전지부(20)에 필요한 연료를 공급하기 위하여 연료를 주입하는 입구이고, 연료관은 상기 연료 주입구와 연결되어 연료가 운반되는 통로이다. 상기와 같이 맥동 유동부(210)를 연료가 공급되는 연료 주입구 또는 연료관에 설치함으로써, 연료를 공급하는 과정에서 연료에 맥동 유동을 가할 수 있다.
한편, 상기와 같이 연료 전지부(20)에 주입되는 연료에 맥동 유동을 가하면, 연료 전지부(20)의 내부에서 연료극(230) 쪽에 생성된 물이 맥동 유동에 의하여 고르게 퍼지면서 연료 주입구로 빠져 나오게 된다. 상기 연료 전지부(20)내의 반응은 연료를 주입하는 연료 주입구 측에서 연료의 농도가 높기 때문에 산소와 가장 활발한 반응을 하게 된다. 따라서, 연료를 주입하는 연료 주입구 측에서 맥동 유동을 가하게 되면 상기 연료 전지부(20)의 내부에서 생성된 물의 상당량이 상기 입구를 통하여 연료 전지부(20)의 바깥으로 퍼질 수 있다.
가습부(220)는 본 발명의 연료 전지부(20)에서 배출되는 물을 흡수하고, 흡수한 물을 연료 전지부(20)의 내부로 주입되는 연료에 다시 공급하는 수단으로써, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 도 1의 가습부(120)의 구성 및 기능과 동일하다. 따라서, 본 발명의 가습부(220)는 다공성 투과막으로 구성되도록 하고, 연료 전지부(20)로 공급되는 연료는 상기 다공성 투과막을 통과하여 연료 전지부(20)로 공급되도록 함으로써, 상기 가습부(220)를 통과하여 흐르는 연료는 가습부(220)에 흡수되어 있는 물에 의하여 가습된다.
한편, 상기 가습부(220)는 상기 연료 전지부(20)로부터 나오는 물을 흡수하기 위하여 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로 연료 전지부(20)의 연료 주입구에 가깝게 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템에서 공기극(250)으로 주입되는 공기는 통상의 연료 전지 시스템에 구비된 공기 공급부를 포함하는 공기 주입 수단(미도시)을 통하여 공급될 수 있으며, 이는 공지의 기술이므로 자세한 설명을 생략하며, 예를 들어, 상술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템의 공기 공급부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템의 동작을 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
연료 전지 시스템이 작동되면 연료 공급부(260)는 저장되어 있는 연료를 연 료관을 따라 연료극(230)으로 공급한다. 연료가 상기 연료관을 따라 연료극(230) 측으로 이동하면 맥동 유동부(210)는 피스톤 운동에 따른 주기적인 압력 변화를 연료에 가한다. 따라서, 연료관을 따라 흐르는 연료는 상기 맥동 유동부(210)에 의하여 맥동 유동을 하는 상태로 변하며, 그 상태로 가습부(220)를 통과한다. 상기 가습부(220)는 물을 흡수하여 저장한 상태로 있다가 연료를 통과시키며 흡수되어 있는 물을 연료에 공급한다. 상기 가습부(220)를 지나 연료극(230)에 도달한 연료는 산소와 반응을 하여 전력을 생산한다. 전력을 생산하는 과정에서 연료 전지부(20)의 내부에 물이 생성된다. 생성된 물은 맥동 유동에 의해서, 연료극(230)의 연료 주입구로 배출된다. 배출된 물은 연료 주입구에 형성된 가습부(220)에 흡수되고, 이후에 가습부(220)를 통과하는 연료에 물을 공급한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템를 나타낸다.
본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 상기 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템은 연료 전지를 구성하는 공기극(350)의 공기 주입구 및 연료극(330)의 연료 주입구 모두에 설치된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지는 공기극에 공급되는 공기와 연료극에 공급되는 연료에 가습을 해 주는 것이 전력을 생성하는데 효율적이다. 따라서, 본 발명의 제 3 실시예에서는 연료 전지를 구성하는 공기극(350)의 공기 주입구 및 연료극(330)의 연료 주입구 모두에 본 발명의 가습장치를 설치하는 것이 바람직하다.
이때, 공기 주입구와 연료 주입구에 설치되는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실시예와 상기 제 2 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템의 구성을 각각 합한 것과 동일한 기술적 구성으로 이루어지며, 따라서, 각 구성요소는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 구성요소와 동일한 기능을 한다. 즉, 제 1 맥동 유동부(311)에 의하여 주입되는 공기에 가해진 맥동 유동에 의하여 공기 주입구로 빠져나온 물은 공기 주입구에 설치된 제 1 가습부(321)에 의하여 흡수되어 공기극(350)에 주입되는 공기로 다시 공급되고, 연료극(330)으로 공급되는 연료에 제 2 맥동 유동부(312)에 의하여 가해진 맥동 유동에 의하여 연료 주입구로 빠져나온 물은 연료 주입구에 설치된 제 2 가습부(322)에 의하여 흡수되어 연료극(330)으로 주입되는 연료로 다시 공급된다. 또한 도 4에서 설명되지 않은 공기 공급부(361), 연료 공급부(362), 전해질(340)은 상술한 본 발명의 제 1 실시예 또는 제 2 실시예에 대응되는 구성요소와 동일한 구성과 효과를 가질 수 있다.
도 5는 맥동 유동을 주었을 경우에 생성되는 물의 분포를 나타내는 그래프이다.
도면을 참고하면, 도시된 그래프의 Y축은 연료 전지부의 내부에서 생성되는 물의 양을 나타내고, X축은 물이 생성된 위치를 나타낸다. 또한, 그래프 내의 점선은 종래의 맥동 유동을 주기 전에 연료 전지 내부에 생성된 물의 분포를 나타내며, 실선은 맥동 유동을 준 다음에 연료 전지 내부에 생성된 물의 분포를 나타낸다. 도시된 그래프에 나타난 바와 같이, 종래의 연료 전지에서는 물이 생성되는 위치가 일부분에 집중되고 이에따라 물이 필요 이상으로 연료 전지 내부에 고이게 되므로, 연료 전지부의 내부에 생성된 물을 빼야하는 불편함이 있었다. 이때, 상술한 바와 같이, 생성되는 물은 공기가 주입되는 입구쪽에 집중적으로 생성되며, 입구에서 멀어질수록 생성되는 물이 적어진다. 그러나 연료 전지에 주입되는 공기또는 연료에 맥동 유동을 가하게 되면, 도시된 그래프의 실선에 나타난 바와 같이 생성되는 물의 높이는 줄어들면서, 그 분포가 보다 넓은 범위로 고르게 퍼지게 된다. 따라서, 종래의 연료 전지에 비해서 보다 넓은 면적에 물이 고르게 생성되며, 연료 전지의 밖으로 빠져 나오는 물도 더 많아지게 된다. 본 발명은 상기와 같은 원리를 이용하여, 연료 전지부로 공급되는 공기 또는 연료에 맥동 유동을 가하여 연료 전지 내부에서 생성된 물을 공기 주입구 또는 연료 주입구로 배출될 수 있도록 하며, 이렇게 배출된 물을 이용하여 공기 또는 연료에 물을 공급하도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명의 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템을 나타내는 상세도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치 및 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 5는 맥동 유동을 주었을 경우에 연료 전지부의 내부에 생성되는 물의 분포를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 제 1 실시예의 연료 전지부 20 : 제 2 실시예의 연료 전지부
30 : 제 3 실시예의 연료 전지부 110 : 맥동 유동부
120 : 가습부 130 : 연료극
140: 전해질부 150 : 공기극
160 : 공기 공급부 210 : 맥동유동부
220 : 가습부 230 : 연료극
240 : 전해질부 250 : 공기극
260 : 연료 공급부 311 : 제 1 맥동유동부
312 : 제 2 맥동유동부 321 : 제 1 가습부
322 : 제 2 가습부 330 : 연료극
340 : 전해질부 350 : 공기극
361 : 공기 공급부 362 : 연료공급부

Claims (8)

  1. 연료 전지의 가습 장치에 있어서,
    상기 연료 전지에 주입되는 연료에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부; 및
    상기 맥동 유동부와 상기 연료 전지 사이에 배치되고, 상기 연료 전지에 주입되는 연료가 통과하도록 다공성 투과막을 포함하는 가습부를 포함하며,
    상기 가습부는 상기 연료 전지 내부에서 생성되어 연료의 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 연료 전지로 주입되는 연료를 통과시키며 흡수한 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치.
  2. 연료 전지의 가습 장치에 있어서,
    상기 연료 전지에 주입되는 공기에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부; 및
    상기 맥동 유동부와 상기 연료 전지 사이에 배치되고, 상기 연료 전지에 주입되는 공기가 통과하도록 다공성 투과막을 포함하는 가습부를 포함하며,
    상기 가습부는 상기 연료 전지 내부에서 생성되어 공기의 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 연료 전지로 주입되는 공기를 통과시키며 흡수한 물을 공기에 공급하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치.
  3. 제 1항 또는 2항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지의 가습장치.
  4. 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료를 공급하는 연료 공급부;
    공기를 공급하는 공기 공급부;
    상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부;
    상기 맥동 유동부를 지나 유입된 연료가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 가습부; 및
    상기 가습부를 통하여 연료가 공급되는 연료극과 상기 공기 공급부로부터 공기가 공급되는 공기극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며,
    상기 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 연료 전지부로 공급되는 연료를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연 료 전지 시스템.
  5. 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    공기를 공급하는 공기 공급부;
    연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기에 맥동 유동을 가하는 맥동 유동부;
    상기 맥동 유동부를 지나 유입된 공기가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 가습부; 및
    상기 가습부를 통하여 공기가 공급되는 공기극과 상기 연료 공급부로부터 연료가 공급되는 연료극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며,
    상기 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 연료 전지부로 공급되는 공기를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 공기에 공급하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지 시스템.
  6. 제 4항 또는 5항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하 여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지 시스템.
  7. 연료의 화학 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    공기를 공급하는 공기 공급부;
    연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기에 맥동 유동을 가하는 제 1 맥동 유동부;
    상기 제 1 맥동 유동부를 지나 유입된 공기가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 제 1 가습부;
    상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료에 맥동 유동을 가하는 제 2 맥동 유동부;
    상기 제 2 맥동 유동부를 지나 유입된 연료가 통과되는 다공성 투과막을 포함하는 제 2 가습부; 및
    상기 제 1 가습부를 통하여 공기가 공급되는 공기극과 상기 제 2 가습부를 통하여 연료가 공급되는 연료극 및 그 사이에 배치되어 이온화된 연료를 전달하는 전해질 막을 포함하는 연료 전지부를 포함하며,
    상기 제 1 가습부와 상기 제 2 가습부는 상기 연료 전지부의 내부에서 생성되어 맥동 유동에 의하여 배출된 물을 흡수하고, 상기 제 1 가습부는 연료 전지부 로 공급되는 공기를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 공기에 공급하고, 상기 제 2 가습부는 연료 전지부로 공급되는 연료를 통과시키며 흡수하고 있는 물을 연료에 공급하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 맥동 유동부 및 상기 제 2 맥동 유동부는 실린더와 그 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤을 포함하여 피스톤의 왕복운동에 의하여 발생된 맥동 유동을 출력하는 것을 특징으로 하는 맥동 유동을 이용한 고분자 전해질막 연료 전지 시스템.
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