KR101050064B1 - Humidity Control System of Supply Gas and Recirculation Gas for Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 연료기체의 습도 조절에 있어서, 기체의 상태를 측정하는 측정부, 측정부의 결과값에 따라 열전유닛부를 제어하는 열전제어부, 열전제어부의 신호에 따라 연료기체의 습도를 제어하는 열전유닛부로 구성되어 연료전지 공급기체의 습도를 정밀 제어하는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템에 관한 것이다. 또한 연료전지 스택에서의 반응 후 배출되는 재순환가스의 습도 조절에 있어서도, 공급기체의 습도조절과 동일한 하나의 열전유닛 습도제어장치를 이용하여 습도를 제어하게 된다. 따라서 본 발명을 통해 연료전지 시스템의 공급기체 및 재순환기체의 습도조절에 있어서, 공급 및 잔류재순환기체는 별도의 제어장치를 설치하지 않고 열전반도체를 이용하여 하나의 장치로 통합된 일체형 습도 제어장치를 제공하는 것이다.According to the present invention, in the humidity control of a fuel gas for a fuel cell, a measuring unit measuring a state of a gas, a thermoelectric control unit controlling a thermoelectric unit unit according to a result of the measuring unit, and a thermoelectric controlling a humidity of the fuel gas according to a signal of the thermoelectric control unit. A humidity control system for a fuel cell supply gas and a recirculation gas, which comprises a unit part, precisely controls the humidity of the fuel cell supply gas. In addition, in the control of the humidity of the recycle gas discharged after the reaction in the fuel cell stack, the humidity is controlled by using the same thermoelectric unit humidity control device as that of the supply gas. Therefore, in the humidity control of the supply gas and the recirculation gas of the fuel cell system through the present invention, the supply and residual recirculation gas is integrated humidity control device integrated into one device using a thermoelectric semiconductor without installing a separate control device To provide.

연료전지, 공급기체, 재순환기체, 습도조절, 열전반도체 Fuel Cell, Supply Gas, Recirculation Gas, Humidity Control, Thermoelectric Semiconductor

Description

연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템{System of humidity control about supply and exhausted gas for fuel cell}System of humidity control about supply and exhausted gas for fuel cell

본 발명은 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템에 관한 것으로, 공급기체 및 반응 후 재순환되는 연료기체에 대하여 각각 별도로 설치되고 운전되어 오던 제어장치를 열전반도체를 이용하여 하나의 통합된 장치로써 제어하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidity control system for a supply gas and a recirculation gas for a fuel cell. The control device, which has been installed and operated separately for a supply gas and a fuel gas that is recycled after a reaction, is a single integrated device using a thermoelectric semiconductor. To control technology.

연료전지는 연료기체(수소와 산소) 간의 전기화학적인 반응을 이용하여 직접 전기에너지를 생산하는 발전시스템으로써 기존의 에너지원과 비교하여 높은 에너지효율, 유해배출물이 거의 없는 친환경성 등으로 인하여 미래의 에너지원으로 기대되고 있는 분야이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 등으로 구분되며 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매 등이 다르지만 기본적으로 같은 원리에 의하여 운전되어 진다.Fuel cell is a power generation system that produces electric energy directly by using electrochemical reaction between fuel gas (hydrogen and oxygen). Compared with existing energy sources, fuel cell is more energy efficient and eco-friendly with few harmful emissions. It is expected to be an energy source. Fuel cells are classified into phosphate fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells according to the type of electrolyte used. The type of fuel used, the operating temperature, and the catalyst are different, but basically It is operated by the same principle.

일반적으로 연료전지 시스템은 다음과 같은 구성으로 이루어진다. 연료전지 시스템은 연료가스인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 연료 전지 스택(20), 발전원료를 이용하여 수소가스로 개질하여 주는 연료처리장치(개질기&가습장치)(11), 연료전지 스택에 산소를 공급하여 주는 산소공급장치, 연료전지 스택의 온도를 조절하여 주는 냉각장치(14), 연료전지에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하여주는 전력변환장치(13) 및 주변장치(BOP)등으로 구성되어지는데, 이들 구성요소 중에서 연료전지 스택은 실질적인 전력의 생산을 담당하는 핵심적인 구성품이다.In general, the fuel cell system is configured as follows. The fuel cell system includes a fuel cell stack 20 that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, fuel gas, and a fuel processor (reformer & humidifier) 11 that reforms hydrogen gas using power generation materials. , An oxygen supply device for supplying oxygen to the fuel cell stack, a cooling device 14 for adjusting the temperature of the fuel cell stack, a power converter 13 for converting DC power produced in the fuel cell into AC power, and It consists of peripherals (BOP), among which fuel cell stacks are the key components responsible for producing the actual power.

연료전지 스택은 다수의 단위전지들로 이루어진 적층구조로써 전극-전해질막(MEA)를 사이에 두고 분리판(43)을 통해 수소와 산소기체가 공급되는 구조로 이루어져 있다. 공급된 연료가스(수소)는 연료극(anode)(42)의 촉매반응에 의해 수소이온과 전자로 분리되고 이온화된 수소가스는 전해질막(41)을 통과하여 공기극(cathode)(44)으로 이동하게 된다. 이때 수소이온이 전해질막을 통과하기 위해서는 반드시 물분자와 함께 이동하여야 하며 연료전지의 성능을 위해서 전해질막은 항상 적절한 수분함량을 유지하여 우수한 이온전도성을 가져야만 한다.The fuel cell stack is a stack structure consisting of a plurality of unit cells, and has a structure in which hydrogen and oxygen gas are supplied through the separator plate 43 with an electrode-electrolyte membrane (MEA) interposed therebetween. The supplied fuel gas (hydrogen) is separated into hydrogen ions and electrons by the catalytic reaction of the anode 42, and the ionized hydrogen gas passes through the electrolyte membrane 41 to move to the cathode 44. do. At this time, the hydrogen ions must move with the water molecules in order to pass through the electrolyte membrane, and for the performance of the fuel cell, the electrolyte membrane must maintain an excellent moisture content at all times and have excellent ion conductivity.

연료전지 스택에 공급되는 기체(수소, 산소)는 공급기체 100%가 반응에 참여하지 못하기 때문에 항상 전기화학적 반응에 필요한 양보다 더 많은 기체를 공급해 주어야 한다. 그래서 연료전지 시스템의 성능 및 효율을 높이기 위해서는 잔류 수소가스에 대한 재순환이 필요하다. 그러나 전해질막의 이온전도성을 향상시키기 위하여 전해질막과 공급기체는 가습된 상태로 사용되기 때문에 반응에 참여하지 못하는 잔류기체는 항상 일정량의 수분이 포함될 수밖에 없다. 이와 같이 재순환기체에 포함되어 있는 수분은 재순환과정 중에 잔류수분의 일부가 응축되어 연료전지 시스 템의 압력강하 및 효율을 떨어뜨리는 문제점을 가지게 된다.The gas (hydrogen, oxygen) supplied to the fuel cell stack must always supply more gas than is required for the electrochemical reaction because 100% of the gas is not involved in the reaction. Therefore, in order to increase the performance and efficiency of the fuel cell system, it is necessary to recycle residual hydrogen gas. However, since the electrolyte membrane and the feed gas are used in a humidified state in order to improve the ion conductivity of the electrolyte membrane, the residual gas that cannot participate in the reaction must always contain a certain amount of water. As such, the water contained in the recirculating gas has a problem in that a part of the residual water is condensed during the recirculation process, thereby reducing the pressure drop and the efficiency of the fuel cell system.

따라서 연료전지의 성능 향상을 위해서는 연료전지의 공급기체에 대한 정밀한 수분함량 조절과 함께, 연료전지 시스템의 효율 향상을 위해 스택 반응 후에 배출되는 공급기체에 대해 충분한 수분의 제거가 필요하다.Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell, it is necessary to precisely control the moisture content of the supply gas of the fuel cell and to remove sufficient moisture from the supply gas discharged after the stack reaction to improve the efficiency of the fuel cell system.

그러나 기존의 연료전지 시스템은 공급기체 및 전해질막의 가습을 위하여 별도의 가습장치를 설치하여 개질된 기체를 가습하여 연료전지 스택에 공급하고 있으며 가습장치와 연료전지 스택과의 공급라인에서의 수분 응축을 방지하기 위하여 추가적으로 히터 등의 가열장치(12)를 설치하거나 흡습재등을 이용하여 상대습도를 조절하고 있다.However, the existing fuel cell system installs a separate humidifier to humidify the supply gas and the electrolyte membrane, and supplies the reformed gas to the fuel cell stack by supplying the humidified gas to moisture condensation in the supply line between the humidifier and the fuel cell stack. In order to prevent additionally, a relative humidity is controlled by installing a heating device 12 such as a heater or using an absorbent material.

하지만 공급기체가 가습장치를 거쳐 연료전지 스택에 공급되는 과정에서 온도 및 압력의 변화에 따라 수분의 응축이 발생할 가능성이 있으며, 별도의 가열장치를 설치한다고 하더라도 정밀한 습도제어가 어려울 뿐만 아니라 추가적인 장치의 설치로 인한 시스템 구성의 복잡성, 가열장치를 위한 추가적 에너지의 소모로 인하여 시스템의 효율이 떨어지는 문제점을 가지게 된다.However, in the process of supplying the gas to the fuel cell stack through the humidifier, there is a possibility of condensation of moisture due to the change of temperature and pressure. Due to the complexity of the system configuration due to the installation, the consumption of additional energy for the heating device has a problem that the efficiency of the system is reduced.

또한 재순환되는 기체의 경우에도 응축수의 연료전지 시스템 내 유입을 방지하기 위하여 별도의 냉각장치(16)를 거쳐 수분을 응축하거나 흡습장치를 설치하여 사용하고 있으나, 이러한 경우에도 정밀한 습도 제어가 어려울 뿐만 아니라 공급 및 재순환되는 기체의 각각에 대하여 별도로 제어장치를 설치하기 때문에 연료전지 전체 시스템이 복잡해지는 문제점을 가지게 된다.In addition, even in the case of recirculated gas, condensed water is condensed through a separate cooling device 16 or a hygroscopic device is installed to prevent inflow of condensate into the fuel cell system, but in this case, precise humidity control is difficult as well. Since a separate control device is provided for each of the gas to be supplied and recycled, the entire fuel cell system is complicated.

따라서 연료전지용 공급 및 재순환가스에 대하여 정밀한 습도제어와 함께 시 스템 구성의 단순화 및 에너지 효율을 동시에 이룰 수 있는 새로운 제어방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a new control method that can achieve precise humidity control for fuel cell supply and recycle gas, simplify system configuration and achieve energy efficiency simultaneously.

종래기술의 문헌정보Literature Information of the Prior Art

[문헌1] 공개 특허 (출원번호 : 10-2004-0067818)[Patent 1] Public Patent (Application No. 10-2004-0067818)

[문헌2] 등록 특허 (등록번호 : 10-0835306)[Document 2] Registered Patent (Registration No.: 10-0835306)

[문헌3] 등록 특허 (등록번호 : 10-0730400)[Document 3] Registered Patent (Registration No.: 10-0730400)

[문헌4] 등록 특허 (등록번호 : 10-0657531)[Document 4] Registered Patent (Registration No.: 10-0657531)

[문헌5] 등록 특허 (등록번호 : 10-0811806)[Document 5] Registered Patent (Registration No.: 10-0811806)

본 발명은 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템에 관한 것으로 연료전지용 공급기체는 수소이온의 전도성 향상을 위해 항상 최적의 수화상태를 유지하고 있어야 하며 고온다습한 형태로 배출되는 재순환기체는 수분의 응축으로 인한 연료전지 시스템의 효율 저하를 방지하기 위하여 충분히 수분제거가 이루어진 상태로 재순환하여 사용되어야 한다. 따라서 본 발명은 정밀한 습도제어를 통하여 연료전지용 공급기체에 대한 최적의 수화 상태를 유지하고 재순환기체에 대한 충분한 수분제거를 통해 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a humidity control system of a fuel cell supply gas and a recirculation gas. The fuel cell supply gas must maintain an optimal hydration state to improve the conductivity of hydrogen ions. In order to prevent the deterioration of the fuel cell system's efficiency due to condensation, it should be recycled and used. Therefore, an object of the present invention is to maintain the optimum hydration state for the fuel cell supply gas through precise humidity control and to improve the efficiency of the fuel cell system through sufficient moisture removal for the recycle gas.

또한 연료전지 기체의 공급라인과 재순환라인에 별도에 설치되어 사용되고 있는 제어장치를 열전반도체를 이용한 하나의 일체형 시스템으로 제작하여 시스템 구조의 복잡성 및 제어의 어려움을 극복하고 연료전지 시스템의 에너지 효율을 개선시키고자 하는 데에 본 발명의 목적이 있다.In addition, the control device, which is installed and installed separately in the fuel cell gas supply line and the recirculation line, is manufactured as a single integrated system using a thermoelectric semiconductor to overcome the complexity of the system structure and the difficulty of control and to improve the energy efficiency of the fuel cell system. It is an object of the present invention to make it possible.

본 발명은 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템에 있어서, 연료전지 스택에 공급되기 전의 기체 상태를 측정하는 제1측정부(32), 기체상태의 측정값에 따라 열전유닛부을 조절하는 열전제어부(31), 열전제어부의 신호에 따라 공급기체의 습도를 제어하는 열전유닛부(30)로 구성된다. 열전유닛부를 통과하여 습도가 제어된 공급기체는 연료전지 스택(20)에 공급되고 연료전지 스택에서 반응 후 배출되는 재순환기체는 다시 열전유닛부로 이동하게 된다.In the humidity control system of the fuel gas and the recirculation gas of the fuel cell, the present invention provides a first measuring unit 32 for measuring a gas state before being supplied to a fuel cell stack, and a thermoelectric unit for adjusting a thermoelectric unit unit according to a gas state measurement value. The control unit 31, the thermoelectric control unit is composed of a thermoelectric unit unit 30 for controlling the humidity of the supply gas. The supply gas whose humidity is controlled through the thermoelectric unit part is supplied to the fuel cell stack 20, and the recycle gas discharged after the reaction from the fuel cell stack moves to the thermoelectric unit part again.

연료전지 스택에서의 반응 후 배출되는 고온다습한 재순환가스의 습도 제어 시스템에 있어서, 반응 후 배출되는 재순환가스의 기체상태를 측정하는 제2측정부(33), 제2측정부의 측정값을 받아 열전유닛부을 조절하는 열전제어부(31), 열전제어부의 신호에 따라 재순환기체의 습도를 제어하는 열전유닛부(30)를 통해 습도를 제어하게 된다.In the humidity control system of the high temperature and high humidity recycle gas discharged after the reaction in the fuel cell stack, the thermoelectric device receives the measurement value of the second measurement unit 33 and the second measurement unit to measure the gas state of the recycle gas discharged after the reaction. The humidity is controlled through the thermoelectric control unit 31 that controls the unit unit and the thermoelectric unit unit 30 that controls the humidity of the recirculating gas according to the signal of the thermoelectric control unit.

이때 공급기체와 재순환기체는 하나의 열전반도체유닛을 통해 공급 및 배출되며 열전유닛부의 양단은 열전제어부의 신호에 따라 별도로 제어되는 특징을 가지게 된다.At this time, the supply gas and the recirculation gas are supplied and discharged through one thermoelectric semiconductor unit, and both ends of the thermoelectric unit part have a characteristic of being controlled separately according to the signal of the thermoelectric control unit.

본 발명은 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템을 이용하여 연료전지용 기체의 습도에 대한 제어를 가능하도록 하는 데에 있다. 이를 통하여 추가적인 에너지의 소비가 없이 연료전지 시스템의 에너지효율을 개선시키고 공급기체 및 재순환기체에 별도로 운전되던 제어시스템을 단일화시켜 연료전지 시스템 구조를 단순화시키고 연료전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention is to enable the control of the humidity of the gas for the fuel cell using the humidity control system of the supply gas and the recirculation gas for the fuel cell. Through this, it is possible to improve the energy efficiency of the fuel cell system without additional energy consumption, to simplify the structure of the fuel cell system and to improve the performance of the fuel cell system by unifying the control system operated separately from the supply gas and the recirculation gas.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 기존의 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 구성도이다. 연료전지 시스템은 전해질막(41)의 건조를 방지하기 위하여 충분한 수분공급이 이루어진 상태 로 운전되어야 하기 때문에 연료처리장치(11)를 통하여 개질된 공급기체는 항상 가습장치를 통과하여 다량의 수분을 함유한 상태로 연료전지 스택(20)에 공급하게 된다. 이때 가습장치와 연료전지 스택간의 공급라인이 길어질 경우 공급라인상에서의 온도 및 압력 변화에 따른 수분의 응축이 발생할 가능성이 있으며, 이를 방지하기 위하여 가습장치(11)와 연료전지 스택(20)간의 공급라인에 히터 등의 가열장치(12)를 사용하여 습도를 제어하는 방법이 사용되기도 한다.1 is a block diagram showing the configuration of a conventional fuel cell system. Since the fuel cell system must be operated with sufficient water supply to prevent drying of the electrolyte membrane 41, the feed gas reformed through the fuel processing device 11 always passes through the humidifier and contains a large amount of water. The fuel cell stack 20 is supplied to the fuel cell stack 20 in a state. At this time, if the supply line between the humidifier and the fuel cell stack is long, condensation of moisture may occur due to temperature and pressure changes on the supply line, and in order to prevent this, the supply between the humidifier 11 and the fuel cell stack 20 A method of controlling humidity by using a heating device 12 such as a heater in a line may be used.

도 2는 연료전지 단위전지의 구조를 보여주는 것으로 연료전지 스택(20)은 단위전지들의 적층구조로 이루어져있다. 연료전지 스택에 공급된 공급기체는 연료전지 스택의 분리판(43)을 통해 공급되게 되며, 연료극(42)에서 이온화된 수소이온은 전해질막(41)을 통과하여 공기극(44)으로 이동하게 된다. 이때 공기극에서 수소이온과 산소이온이 만나서 전기화학반응에 의해 물과 함께 열을 발생하게 되며, 발생된 물은 외부로 배출되거나 내부순환시스템을 통해 가습장치로 이동하여 재활용하게 된다. 또한 발생열은 연료전지 스택의 온도유지를 위하여 적정한 냉각장치(14)를 통해 제어되게 된다.2 illustrates a structure of a fuel cell unit cell, in which a fuel cell stack 20 has a stacked structure of unit cells. The supply gas supplied to the fuel cell stack is supplied through the separator plate 43 of the fuel cell stack, and the hydrogen ions ionized at the anode 42 pass through the electrolyte membrane 41 to move to the cathode 44. . At this time, hydrogen ions and oxygen ions meet at the cathode to generate heat together with water by an electrochemical reaction, and the generated water is discharged to the outside or moved to a humidifier through an internal circulation system for recycling. In addition, the generated heat is controlled through a suitable cooling device 14 for maintaining the temperature of the fuel cell stack.

그리고 연료전지 스택(20)에서 반응에 참여하지 못한 기체는 재순환라인을 통하여 다시 공급라인에 연결하여 공급기체로써 사용하게 된다. 이때 재순환기체는 고온다습한 상태이기 때문에 기체중의 수분을 제거한 상태로 사용하여야 하며, 이를 위하여 실리카 등의 흡습재를 사용하거나 냉각응축장치(16) 등을 사용하는 것이 일반적이다.In addition, the gas that does not participate in the reaction in the fuel cell stack 20 is connected to the supply line through a recirculation line and used as a supply gas. At this time, the recirculating gas should be used in a state in which moisture in the gas is removed because it is a high temperature and high humidity state. For this purpose, it is common to use an absorbent such as silica or a cooling condenser 16.

하지만 상기와 같은 기존의 방법으로는 정밀한 습도 제어가 어려울 뿐만 아 니라 공급라인과 재순환라인에 별도의 습도 조절장치(12,16)를 설치하여 운전되어야하기 때문에 시스템의 부피가 커지고 가열 및 냉각장치 등에 별도의 에너지 소비가 발생하는 등 에너지 효율 측면에서 불합리한 점이 존재하고 있다.However, it is difficult to control the humidity precisely by the conventional method as described above, and the separate humidity control devices 12 and 16 must be installed and operated in the supply line and the recirculation line, so that the volume of the system is increased and the heating and cooling devices are used. There are unreasonable points in terms of energy efficiency, such as extra energy consumption.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구성도를 보여주는 것으로 일반적인 연료전지 시스템의 구성부에 대한 설명은 생략하고 본 발명에 따른 내용만을 설명하기로 한다.3 is a block diagram according to an embodiment of the present invention, a description of components of a general fuel cell system will be omitted, and only the contents according to the present invention will be described.

연료전지 시스템의 가습장치(11)를 통하여 충분한 수분을 함유한 공급기체는 제1측정부(32)를 지나면서 온도 및 습도를 측정하게 된다. 제1측정부(32)에서 측정된 값들은 열전제어부(31)로 보내지게 되며 열전제어부(31)에서는 측정값들을 계산하여 공급기체의 응축을 방지할 수 있는 적정한 상대습도를 산출하게 된다.The supply gas containing sufficient moisture through the humidifier 11 of the fuel cell system passes through the first measuring unit 32 to measure temperature and humidity. The values measured by the first measuring unit 32 are sent to the thermoelectric control unit 31 and the thermoelectric control unit 31 calculates the measured values to calculate an appropriate relative humidity to prevent condensation of the supply gas.

그리고 제1측정부(32)를 지난 공급기체는 열전유닛부(30)를 통과하면서 습도가 제어된 형태로 연료전지 스택(20)에 공급되게 되는데, 열전유닛부(30)는 열전제어부(31)의 신호를 받아 열전유닛부(30)의 냉각과 가열의 상호변환을 통해서 공급기체의 상대습도를 정밀 제어하는 역할을 한다. 이때 열전유닛부(30)의 제어는 전류 또는 전압을 기준으로 할 수 있으며, 열전유닛부의 일단(52,53)은 열전반도체(51)에 인가되는 전류(전압)의 극성변환방향에 따라 냉각(52)과 가열면(53)의 전환이 가능하고 빠른 응답속도와 함께 인가전원의 제어를 통한 ±0.1℃이내의 정밀 제어가 가능하다.The supply gas passing through the first measuring unit 32 is supplied to the fuel cell stack 20 in a controlled humidity while passing through the thermoelectric unit unit 30. The thermoelectric unit unit 30 is a thermoelectric control unit 31. In response to the signal of) serves to precisely control the relative humidity of the supply gas through the mutual conversion of the cooling and heating of the thermoelectric unit (30). At this time, the control of the thermoelectric unit 30 may be based on current or voltage, and one end 52, 53 of the thermoelectric unit unit may be cooled according to the polarity conversion direction of the current (voltage) applied to the thermoelectric semiconductor 51. 52) and the heating surface 53 can be switched and precise control within ± 0.1 ° C is possible through the control of the applied power supply with fast response speed.

또한 열전유닛부(30)는 열전유닛의 양단(52,53)에서 냉각과 가열이 동시에 구현되기 때문에 열전제어부(31)의 신호에 따라 열전유닛부(30)에 연결되는 공급기 체의 공급라인을 냉각부 또는 가열부로 전환시킬 수 있는 전환스위치(34)의 구비를 포함할 수 있다. 그리고 열전유닛부를 통과한 공급기체는 공급라인을 따라 연료전지 스택(20)에 공급되게 되는데, 이때 열전유닛부(30)와 연료전지 스택(20)간의 공급라인은 외부 환경의 영향을 감소시키기 위하여 공급라인의 길이를 줄이고 충분한 보온을 취할 필요가 있다.In addition, since the thermoelectric unit unit 30 simultaneously implements cooling and heating at both ends 52 and 53 of the thermoelectric unit, the thermoelectric unit unit 30 supplies a supply line of the supply gas connected to the thermoelectric unit unit 30 according to the signal of the thermoelectric control unit 31. It may include the provision of the switching switch 34 that can be switched to the cooling unit or the heating unit. In addition, the supply gas passing through the thermoelectric unit part is supplied to the fuel cell stack 20 along the supply line. In this case, the supply line between the thermoelectric unit part 30 and the fuel cell stack 20 reduces the influence of the external environment. It is necessary to reduce the length of the supply line and to ensure sufficient warmth.

연료전지 스택을 통과하여 나온 잔류(재순환)기체는 다량의 수분을 함유한 상태이기 때문에 재순환하여 사용하기 위해서는 기체중의 수분을 충분히 제거한 상태로 재사용하게 된다. 연료전지 스택을 빠져나온 재순환기체는 제2측정부(33)를 통과하면서 온도 및 습도 상태를 측정하게 되며, 이들 측정값들은 열전제어부(31)로 보내지게 된다.Residual (recycled) gas that has passed through the fuel cell stack contains a large amount of water, and is reused with sufficient water removal in order to be recycled. The recirculating gas exiting the fuel cell stack passes through the second measuring unit 33 to measure temperature and humidity conditions, and these measured values are sent to the thermoelectric control unit 31.

재순환기체에 대한 측정값을 기준으로 하여서 열전제어부(31)는 제어신호를 열전유닛부로 보내게 되며, 열전유닛부(30)는 열전제어부의 신호를 기준으로 재순환기체의 습도를 제어하게 된다. 이때 열전유닛부를 통과하면서 재순환기체는 다량의 수분이 제거된 상태로 공급라인으로 이동하게 되며, 재순환기체에서 제거된 수분은 펌프를 이용하여 외부로 배출(36)되거나 가습장치로 이송(37)하여 사용되어질 수 있다.The thermoelectric control unit 31 sends a control signal to the thermoelectric unit unit based on the measured value for the recycle gas, and the thermoelectric unit unit 30 controls the humidity of the recycle gas based on the signal of the thermoelectric control unit. At this time, while passing through the thermoelectric unit, the recirculating gas is moved to the supply line with a large amount of water removed, and the water removed from the recirculating gas is discharged to the outside using a pump (36) or transferred to the humidifier (37). Can be used.

그리고 열전유닛부의 운전을 위해서는 전원의 공급이 이루어져야 하는데, 열전유닛부는 직류전원에서만 구동되는 특징이 있다. 따라서 기존의 연료전지용 가열 및 냉각시스템에서는 외부에서 별도의 전원을 끌어와 운전을 해야 하는 어려움이 존재하였지만, 본 발명에서와 같이 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템은 연료전지의 운전에 따라 발생하는 직류전원을 이용할 수 있기 때문에 연료전지 시스템의 에너지 효율을 향상시키고 시스템 구조의 복잡성을 개선하는 것이 가능하다.And in order to operate the thermoelectric unit, the power supply must be made, the thermoelectric unit is characterized in that it is driven only in the DC power source. Therefore, in the conventional fuel cell heating and cooling system, there was a difficulty in driving a separate power source from the outside, but as in the present invention, the humidity control system of the fuel cell supply gas and the recirculation gas according to the operation of the fuel cell is present. Since the generated direct current power source can be used, it is possible to improve the energy efficiency of the fuel cell system and the complexity of the system structure.

도 4는 열전유닛부(30)의 구성을 보여주는 것으로 열전유닛은 양단(52,53)에서 냉각 및 가열이 동시에 일어나는 특징이 있으며, 열전유닛에 인가되는 전원의 극성을 변환하여 냉각(52) 및 가열면(53)의 전환이 가능한 특징이 있다. 따라서 공급기체의 경우에는 열전유닛의 가열면(53)을 이용하여 공급기체의 습도를 제어하고 재순환기체의 경우에는 냉각면(52)을 통과하여 수분의 제거 및 습도 제어에 이용할 수 있다. 또는 기체의 상태에 따른 제1(32) 및 제2측정부(33)의 측정값에 따라 냉각 및 가열면의 상호전환을 통하여 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어를 이룰 수 있다.Figure 4 shows the configuration of the thermoelectric unit 30, the thermoelectric unit is characterized in that the cooling and heating at the same time occurs at both ends (52, 53), by converting the polarity of the power applied to the thermoelectric unit cooling (52) and There is a feature that the heating surface 53 can be switched. Therefore, in the case of the supply gas, the humidity of the supply gas can be controlled using the heating surface 53 of the thermoelectric unit, and in the case of the recirculating gas, the humidity can be used to remove moisture and control the humidity through the cooling surface 52. Alternatively, humidity control of the supply gas and the recirculation gas may be achieved by switching between the cooling and heating surfaces according to the measured values of the first 32 and the second measuring unit 33 according to the state of the gas.

그리고 열전유닛부의 기체와의 접촉면은 공급 및 재순환기체와의 원할한 열교환을 위해서 도 4에서는 압출형의 핀타입 열교환기(52,53)를 도시하였지만, 루버핀 등의 브레이징 타입 또는 관로형의 열교환기 등 그 형태는 다르지만 다양한 형태의 유닛 구성이 가능함은 주지의 사실이다.And the contact surface with the gas of the thermoelectric unit portion is extruded fin type heat exchangers (52, 53) in Figure 4 for smooth heat exchange with the supply and recirculation gas, but brazing type such as louver fin or pipe heat exchange It is well known that various types of units can be configured, although the form is different.

본 발명의 실시예에 대한 설명에서와 같이, 열전반도체를 이용한 습도 제어 시스템은 연료전지의 공급기체 및 재순환기체에 대한 동시 제어가 가능하면서 정밀한 습도 제어가 가능하기 때문에 연료전지 시스템의 구성을 단순화하고, 연료전지 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.As described in the embodiment of the present invention, the humidity control system using the thermoelectric semiconductor is possible to simultaneously control the supply gas and the recirculation gas of the fuel cell, while precise humidity control is possible to simplify the configuration of the fuel cell system The efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

도 1은 기존의 일반적 연료전지 시스템의 구성도.1 is a block diagram of a conventional general fuel cell system.

도 2는 연료전지용 단위전지의 구조도2 is a structural diagram of a unit cell for a fuel cell

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 습도제어 시스템의 구성도3 is a configuration diagram of a fuel cell humidity control system according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 열전유닛부의 측면도4 is a side view of the thermoelectric unit unit according to the present invention;

Claims (4)

연료전지 스택에 공급되기 전 공급기체의 상태를 측정하는 제1측정부와,A first measuring unit measuring a state of the supply gas before being supplied to the fuel cell stack; 제1측정부의 측정값에 따라 열전유닛부를 제어하는 열전제어부와,A thermoelectric control unit controlling the thermoelectric unit unit according to the measured value of the first measurement unit; 열전제어부의 신호를 받아 공급기체의 습도를 제어하는 열전유닛부와,A thermoelectric unit unit for controlling the humidity of the supply gas by receiving a signal from the thermoelectric control unit; 연료전지 스택을 통과한 후 재순환기체의 상태를 측정하는 제2측정부와,A second measuring unit measuring a state of the recycle gas after passing through the fuel cell stack; 제2측정부의 측정값에 따라 열전유닛부를 제어하는 열전제어부와,A thermoelectric control unit for controlling the thermoelectric unit unit according to the measured value of the second measurement unit; 열전제어부의 제어 신호를 받아 재순환기체의 습도를 제어하는 열전유닛부를 포함하여 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도를 동시에 제어할 수 있는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템.A humidity control system for a fuel cell supply gas and a recirculation gas, including a thermoelectric unit unit for controlling the humidity of the recirculation gas in response to a control signal of the thermoelectric control unit, which can simultaneously control the humidity of the fuel cell supply gas and the recycle gas. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열전유닛부는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체 각각을 통해 연료전지용 공급기체에 대하여 습도를 제어하고 연료전지용 재순환기체에 대하여 수분제거 및 습도를 제어하도록 열전반도체가 구비되는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템.The thermoelectric unit part of the fuel cell supply gas and the recirculation gas provided with a thermoelectric semiconductor to control the humidity of the fuel cell supply gas through the fuel cell supply gas and the recirculation gas, and the moisture removal and humidity to the fuel cell recycle gas. Humidity control system. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 열전유닛부에 연결되는 공급기체의 공급라인을 냉각부 또는 가열부로 전환시킬 수 있는 전환스위치를 구비하는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템.A humidity control system for a fuel cell supply gas and a recirculation gas having a switch for switching a supply line of a supply gas connected to the thermoelectric unit to a cooling part or a heating part. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열전유닛부는 추가적인 전원의 공급이 없이 연료전지의 발전전원을 이용하여 구동되는 연료전지용 공급기체 및 재순환기체의 습도 제어 시스템.The thermoelectric unit unit is a humidity control system of a fuel cell supply gas and a recirculation gas that is driven using the power generation power of the fuel cell without supplying additional power.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050035334A (en) * 2003-10-10 2005-04-18 현대자동차주식회사 A temperature and a humidity control device of fuel cell stack and method thereof
KR20060118128A (en) * 2005-05-16 2006-11-23 현대모비스 주식회사 Air recycling device for proton exchange membrane fuel cell
KR100805444B1 (en) * 2006-12-01 2008-02-20 현대자동차주식회사 The hydrogen recirculation system of the fuel cell vehicle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050035334A (en) * 2003-10-10 2005-04-18 현대자동차주식회사 A temperature and a humidity control device of fuel cell stack and method thereof
KR20060118128A (en) * 2005-05-16 2006-11-23 현대모비스 주식회사 Air recycling device for proton exchange membrane fuel cell
KR100805444B1 (en) * 2006-12-01 2008-02-20 현대자동차주식회사 The hydrogen recirculation system of the fuel cell vehicle

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