KR101072486B1 - 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101072486B1
KR101072486B1 KR1020090126219A KR20090126219A KR101072486B1 KR 101072486 B1 KR101072486 B1 KR 101072486B1 KR 1020090126219 A KR1020090126219 A KR 1020090126219A KR 20090126219 A KR20090126219 A KR 20090126219A KR 101072486 B1 KR101072486 B1 KR 101072486B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
hydrogen
oxygen
fuel cell
humidity
Prior art date
Application number
KR1020090126219A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110069472A (ko
Inventor
최인재
최갑승
김형만
Original Assignee
인제대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인제대학교 산학협력단 filed Critical 인제대학교 산학협력단
Priority to KR1020090126219A priority Critical patent/KR101072486B1/ko
Publication of KR20110069472A publication Critical patent/KR20110069472A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101072486B1 publication Critical patent/KR101072486B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 성능변화에 큰 영향을 미치는 수소와 산소(공기)의 온도 및 습도를 자유롭게 제어할 수 있도록 함으로써, 연구되고 있는 다양한 단위셀 들에 있어서 공급되는 반응기체의 온도 및 습도 조건에 따른 성능 평가 및 비교가 효과적으로 수행될 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소 봄베와, 상기 수소 봄베로부터 나오는 수소공급량을 조절하는 질량유량조절기(MFC)와, 상기 질량유량조절기를 지난 수소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기와, 상기 버블 타입 가습기로부터 가온 가습되어 나온 수소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 애노드로 공급하게 되는 가습챔버로 이루어지는 수소공급모듈과; 산소 봄베와, 상기 산소 봄베로부터 나오는 산소공급량을 조절하는 질량유량조절기(MFC)와; 상기 질량유량조절기를 지난 산소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기와; 상기 버블 타입 가습기로부터 가온 가습되어 나온 산소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 캐소드로 공급하게 되는 가습챔버를 포함하는 산소공급모듈;을 포함하여 구성되는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 그 제어방법이 제공된다.
연료전지, 수소, 산소, 온도, 습도, 제어, 성능

Description

연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법{intake temperature and humidity control device and method for fuel cell}
본 발명은 연료전지와 관련된 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 전해질 연료전지의 성능변화에 큰 영향을 미치는 수소와 산소(공기)의 온도 및 습도를 제어 할 수 있는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치로서 기존의 다른 에너지 변환 장치와는 달리 카르노 사이클(Carnot cycle)의 제한을 받지 않아 에너지 효율이 매우 높고, 공해 배출이 거의 없으며, 휴대폰이나 노트북 전원 공급 장치에서부터 자동차 동력원, 대규모 열 병합 발전 시스템에 이르기까지 그 적용 범위가 매우 넓어 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
상기 연료전지는 연료극(anode)에 공급된 연료기체와 공기극(cathode)에 공급된 기체가 전극표면에서 각각 산화,환원 반응이 일어나고, 이 반응에 의해 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 따라 이동하고, 수소 이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 된다. 이처럼 연료전지는 이온을 전달하기 위한 전해질을 필요로 하는데, 주로 쓰이는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Carbonate Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)등으로 구분된다.
이중 고분자 전해질형 연료전지는 전기적으로 절연체이며 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 작동온도가 낮아 시동시간이 짧고, 출력 밀도가 높고 효율이 좋으며, 주변장치가 간단하여 작은 부피로 제작이 가능하고, 공해 물질 배출이 거의 없기 때문에 대체 동력원으로 각광받고 있다.
상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 고분자 전해질 막(polymer membrane)과 전극(anode, cathode) 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)으로 구성되어 있다. 고분자 막을 중심으로 양쪽에 다공성의 연료극과 공기극이 부착되어 있으며, 연료극에서는 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나는 구조이다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비해 낮은 온도에서 작동하며,시동 시간이 짧고 높은 전류밀도를 갖는다. 이론적으로, 특히 0.3W/cm2 이하의 낮은 출력밀도를 나타내는 인산형이나 용융탄산염 연료전지에 비해 1W/cm2 이상의 높은 출력을 낼 수 있다는 장점이 있다. 또 액상의 전해질을 쓰지 않기 때문에 부식 문제가 적고,작동이 용이하며, 디자인이 간단하고 제작이 쉽다. 하지만 전극촉매로 백금(Pt)을 사용하기 때문에 제조비용이 높고, 촉매가 일산화탄소(CO)에 피독될 위험이 있으며, 전해질로 사용되는 고분자막의 비용 또한 높고, 운전 중 고분자막의 수분함량 조절이 어려운 단점이 있다. 따라서 고분자 막의 수분조절과 고가의 Pt전극 촉매의 효율성을 최대화하고, 반응 속도를 향상시키기 위해서 전지의 온도 및 내부 압력을 균일하게 조절하여야만 한다.
한편, 연료전지를 상용화하기 위해서 전극 촉매의 개발, 좋은 이온전도도를 가진 전해질의 개발, MEA(Membrane Electrode Assembly)제조 조건 등 전극 구성요소의 신물질 개발이 이루어져야 하고, 전기화학반응에서의 반응 메카니즘 규명뿐만 아니라 전지 작동의 최적조건을 위한 온도, 압력, 가습 조건에 대한 연구와 바이폴라 플레이트 재료 및 디자인에 따른 전지 성능 향상을 위한 연구가 이루어져야 한다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 온도, 압력 가습 특성 등에 의해서 성능 변화가 일어나는데, 온도에 의해서는 반응률, 물질전달, 전해질의 이온전도도, 셀(cell) 저항에 변화가 일어나게 되고, 압력에 의해서는 반응물의 분압, 가스의 용해성, 물질전달에 변화가 일어나게 된다.
특히, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 주로 과불소화 술폰산 고분자(perfluorinated sulfonic acid polymer)인 양성자(proton) 전도성 고분자 전해질 막으로 만들어지는데, 고분자 전해질막에서는 가습이 매우 중요하다.
기본적으로 고분자 전해질막은 수분함수량 증가에 따라 이온 전도도가 증가하게 되며, 특히 고분자 막의 양이온 전도성은 반응기체인 수소와 산소(공기)의 수 분함유량에 따라 변화하며 연료전지의 성능을 결정짓는 중요한 역할을 한다.
상기 고분자 전해질막은 수소이온만 선택적으로 투과(물분자 2~3개와 같이 이동)시키게 되는데, 고분자 전해질막이 건조하게 되면 수분함수량 감소에 따른 성능저하가 초래되며, 완전 건조시에는 반응이 일어나지 않는다.
한편, 대량의 수분 흡수시에는 약 50% 이상 중량이 증가하게 되고, 수분 과다시에는 물의 응축이 발생하게 되는데, 응축된 물은 다공성 전극을 막아 연료 공급을 차단하게 된다.
따라서, 고분자 전해질 연료전지의 성능 향상을 위해서는 전기화학반응에서의 반응 메카니즘 규명뿐만 아니라 전지 작동의 최적조건을 위한 온도, 가습 조건에 대한 연구가 이루어져야 하며, 이를 위해서는 고분자 전해질 연료전지로 공급되는 수소와 산소의 온도 및 습도를 원하는 바대로 자유롭게 제어함으로써, 연구되고 있는 다양한 단위 셀에 대하여 간편하게 온도와 습도에 따른 성능 평가를 수행할 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 고분자 전해질 연료전지에 있어서 연구되고 있는 다양한 단위셀 들에 대한 성능평가 수행시, 온도 및 가습조건을 자유롭게 변화시킬 수 없어 다양한 단위셀 들의 온도 및 가습조건에 따른 성능 비교를 수행하는 것이 극히 곤란하였다.
본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 전해질 연료전지의 성능변화에 큰 영향을 미치는 수소와 산소(공기)의 온도 및 습도를 자유롭게 제어할 수 있도록 함으로써, 연구되고 있는 다양한 단위셀 들에 있어서 공급되는 반응기체의 온도 및 습도 조건에 따른 성능 평가 및 비교가 효과적으로 수행될 수 있도록 한 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수소 봄베와; 수소 봄베로부터 나오는 수소공급량을 조절하는 질량유량조절기(MFC)와; 상기 질량유량조절기를 지난 수소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기와; 상기 버블 타입 가습기로부터 가온 가습되어 나온 수소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 애노드로 공급하게 되는 가습챔버와; 산소 봄베와; 산소 봄베로부터 나오는 산소공급량을 조절하는 질량유량조절기(MFC)와; 상기 질량유량조절기를 지난 산소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기와; 상기 버블 타입 가습기로부터 가온 가습되어 나온 산소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 캐소드로 공급하게 되는 가습챔버;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치가 제공된다.
전술한 구성에 있어서, 상기 버블 타입 가습기는 내부에 채워진 물을 가열하 기 위한 히터가 내장됨을 특징으로 한다.
그리고, 상기 버블 타입 가습기는 상단부에 기체유입관이 설치되고, 상기 기체유입관에는 코일형의 기체유동관이 연결되며, 상기 기체유동관의 출구측 단부는 버블 타입 가습기 내부의 물속에 잠기도록 설치됨을 특징으로 한다.
그리고, 상기 버블 타입 가습기로부터 가습챔버로 가는 공급라인 상에는 상기 버블 타입 가습기에서 나온 수소 혹은 산소의 온도 저하를 방지하기 위한 히터 및 단열재가 설치됨을 특징으로 한다.
한편, 상기 가습챔버에는 가습챔버로 유입된 반응기체를 가열하기 위한 히터와, 챔버 내부로 유입된 수소나 산소의 온도를 검출하는 온도센서 및 습도를 검출하는 습도센서가 설치됨을 특징으로 한다.
상기 가습챔버에 설치되는 히터는 열선 히터로서, 가습챔버 몸체 외부를 감싸도록 설치되고, 상기 온도센서 및 습도센서는 상기 챔버 상단부에 설치됨을 특징으로 한다.
상기 습도센서 및 온도센서는 온·습도전송기에 전기적으로 연결되며, 상기 온·습도전송기는 가습챔버의 히터 제어를 위한 메인컨트롤러에 연결됨을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 연료전지의 각 전극으로 유입되는 수소 및 산소의 온·습도 제어방법에 있어서, 상기 버블 타입 가습기의 물속을 통과시켜 수소 혹은 산소의 습도를 일차적으로 제어하는 단계와, 상기 수소와 산소를 연료전지의 애노드와 캐소드로 공급하기에 앞서 각 가습챔버에 서의 온도 제어를 통해 상기 수소와 산소의 상대습도를 원하는 값으로 이차적으로 제어하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어방법이 제공된다.
이때, 상기 버블 타입 가습기에서 일차적으로 가온 가습된 수소 및 산소는 각 버블 타입 가습기에서 나와서 가습챔버로 유입되는 과정에서 히터 및 단열재에 의해 온도 변화가 방지되고, 상기 가습챔버의 출구로부터 연료전지의 전극 입구로 공급되는 수소 및 산소는 각 가습챔버에서 나와서 연료전지의 전극 입구로 공급되는 과정에서 히터 및 단열재에 의해 일정 온도 유지 및 온도 제어가 가능하도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 성능변화에 큰 영향을 미치는 수소와 산소(공기)의 온도 및 습도를 자유롭게 제어할 수 있게 되며, 이에 따라 연구되고 있는 다양한 단위셀 들에 있어서 공급되는 반응기체의 온도 및 습도 조건에 따른 성능 비교 및 평가 작업이 효과적으로 수행될 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 고분자 전해질 연료전지의 단위셀 개요도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 연료전지 흡기계의 온·습도 제어장치를 나타낸 구성도이다.
그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 연료전지 흡기계의 온·습도 제어방법을 나타낸 흐름도로서, 도 3은 연료극(애노드)으로 공급되는 수소의 온·습도 제어과정을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 공기극(캐소드)으로 공급되는 산소의 온·습도 제어과정을 나타낸 흐름도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치는, 크게 연료극인 애노드로 수소를 공급하는 모듈과, 산소극인 캐소드로 산소(혹은 공기)를 공급하는 모듈로 나뉜다.
이중, 수소공급모듈은, 도 2a를 참조하면, 수소가 저장된 수소 봄베(1a)와, 상기 수소 봄베(1a)로부터 나오는 수소공급량을 조절하는 질량유량조절기(2a)(MFC)와, 상기 질량유량조절기(2a)를 지난 수소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기(3a)와, 상기 버블 타입 가습기(3a)로부터 가온 가습되어 나온 수소의 상대습도를 온도 제어를 통해 정밀하게 조절하여 연료전지의 애노드로 공급하게 되는 가습챔버(4a)를 포함하여 구성된다.
한편, 산소공급모듈은, 도 2b를 참조하면, 산소가 저장된 산소 봄베(1b)와, 상기 산소 봄베(1b)로부터 나오는 산소공급량을 조절하는 질량유량조절기(2b)(MFC)와, 상기 질량유량조절기(2b)를 지난 산소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기(3b)와, 상기 버블 타입 가습기(3b)로부터 가온 가습되어 나온 산소의 상대습도를 온도 제어를 통해 정밀하게 조절하여 연료전지의 캐소드로 공급하게 되는 가습챔버(4b);를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 수소공급모듈 및 산소공급모듈의 각 버블 타입 가습기(3a)(3b)에는 내부에 채워진 물을 가열하기 위한 히터(300a)(300b)가 내장되고, 히 터(300a)(300b)에는 히터컨트롤러(7a)(7b)가 각각 연결되며, 상기 버블 타입 가습기(3a)(3b)에는 가습기 내부 온도 측정을 위한 온도센서(330a)(330b)가 설치된다.
그리고, 상기 수소공급모듈 및 산소공급모듈의 각 버블 타입 가습기(3a)(3b)는 상단부에 기체유입관(310a)(310b)이 설치되고, 상기 기체유입관(310a)(310b)에는 코일형의 기체유동관(320a)(320b)이 연결되며, 상기 기체유동관(320a)(320b)의 기체 출구측 단부는 버블 타입 가습기(3a)(3b) 내부의 물속에 잠기도록 설치된다.
상기 수소공급모듈 및 산소공급모듈의 각 버블 타입 가습기(3a)(3b)로부터 가습챔버(4a)(4b)로 가는 각 공급라인(5a)(5b) 상에는 각 버블 타입 가습기(3a)(3b)에서 나온 수소 혹은 산소의 온도를 유지 및 제어하기 위한 별도의 히터(도시는 생략함) 및 단열재(도시는 생략함)가 설치된다.
한편, 상기 수소공급모듈 및 산소공급모듈의 각 가습챔버(4a)(4b)에는 챔버 내부로 유입된 반응기체를 가열하기 위한 히터(430a)(430b)와, 챔버 내부로 유입된 수소와 산소의 온도를 검출하는 온도센서(410a)(410b) 및 습도를 검출하는 습도센서(420a)(420b)가 설치된다.
그리고, 각 가습챔버(4a)(4b)에 설치되는 히터(430a)(430b)는 열선 히터로서, 각 가습챔버(4a)(4b)를 감싸도록 설치된다.
그리고, 상기 습도센서(420a)(420b) 및 온도센서(410a)(410b)는 각 온·습도전송기(6a)(6b)에 전기적으로 연결되며, 상기 온·습도전송기(6a)(6b)는 데이터획득시스템인 메인컨트롤러(9)와 연결된다.
그리고, 상기 질량유량조절기(2a)(2b)와 히터컨트롤러(7a)(7b) 역시 메인컨 트롤러(9)에 연결되며, 상기 히터컨트롤러(7a)(7b)에는 디스플레이와 버튼이 있어 히터컨트롤러 자체에서도 온도 확인 및 온도 설정이 가능하다.
여기서, 상기 가습챔버(4a)(4b)의 히터뿐만 아니라 공급라인(5a)(5b)에 있는 히터와, 버블 타입 가습기(3a)(3b)에 있는 히터가 모두 같은 방법으로 제어되는데, 이 히터들 주위에는 k-Type 열전대가 있어 온도를 측정하고 이 온도는 메인컨트롤러(9)로 전송되어 실시간 측정 및 데이터 저장이 이루어지게 되며, 상기 메인컨트롤러(9)는 히터 컨트롤러(7a)(7b)로 신호를 보내 각 히터를 제어하게 된다.
한편, 가습챔버(4a)(4b)의 출구와 단위 셀의 기체 입구 부분까지는 공급되는 기체의 온도 변화 방지를 위해 상기 버블 타입 가습기(3a)(3b)와 가습챔버(4a)(4b)의 연결 라인과 동일하게 히터(430a)(430b)(300a)(300b) 및 단열재가 설치된다.
그리고, 미설명 부호 8은 연료전지에서 발생하는 전류 및 전압을 제어하는 로더(Electronic Loader)이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 연료전기 흡기계 온·습도 제어장치의 작용은 다음과 같다.
먼저 연료전지의 연료극인 애노드로 공급되는 수소의 공급 및 온·습도 제어과정은 다음과 같다.
수소 봄베(1a)로부터 나온 수소는 수소의 공급 유량 조절을 위한 질량유량조절기(2a)(MFC)를 통과하여 공급라인(5a)을 타고 가장 먼저 버블 타입 가습기(3a)를 통과하게 된다.
이때, 상기 버블 타입 가습기(3a) 내부에는 물이 있는데, 상기 버블 타입 가 습기(3a)에는 물을 가열할 수 있는 히터(300a)가 구비되어 있다.
따라서, 버블 타입 가습기(3a)를 통과한 수소는 온도제어기의 설정된 온도에 따라 작동하는 히터(300a)에 의해 온도가 상승하고 가열된 물속을 통과하는 과정에서 상대습도는 100% 가까이 상승하게 된다.
상기 버블 타입 가습기(3a)를 통과하면서 가온 가습된 수소는 라인을 통과하여 상대습도를 제어하기 위한 가습챔버(4a)로 이동하는데, 이동하는 동안 온도를 유지 및 제어할 수 있도록 공급라인 주위를 히터(미도시)와 단열재(미도시)가 둘러싸고 있다.
한편, 상기 가습챔버(4a)에는 습도센서(420a)와 온도센서(410a)가 내장되어 있고, 상기 가습챔버(4a)의 주위에는 히터(430a)가 설치되어 있어, 습도센서(420a)와 온도센서(410a)로 가습챔버로 유입된 수소의 습도와 온도를 측정하고 가습챔버(4a)의 온도를 조절하여 챔버로 유입된 수소의 상대습도를 변화시키게 된다.
상기와 같이 하여 온도 및 상대습도가 조절된 수소는 연료전지의 애노드로 공급되며, 공급되는 과정에서 가습챔버(4a)의 출구와 단위 셀의 기체 입구 부분까지는 버블 타입 가습기(3a)와 가습챔버(4a) 사이의 연결 라인과 동일한 라인이 설치되어 있어 온도가 유지 및 제어된다.
다음으로, 연료전지의 공기극인 캐소드로 공급되는 산소의 공급 및 온·습도 제어과정은 다음과 같다.
산소가 저장된 산소 봄베(1b)로부터 나온 산소는 공급 유량 조절을 위한 질량유량조절기(2b)(MFC)를 통과하여 공급라인(5b)을 타고 가장 먼저 버블 타입 가습 기(3b)를 통과하게 된다.
이때, 상기 버블 타입 가습기(3b) 내부에는 물이 있는데, 상기 버블 타입 가습기(3b)에는 물을 가열할 수 있는 히터(300b)가 구비되어 있다.
따라서, 상기 버블 타입 가습기(3b)를 통과한 산소는 온도제어기의 설정된 온도에 따라 작동하는 히터(300b)에 의해 온도가 상승하고 가열된 물속을 통과하는 과정에서 상대습도는 100%가까이 상승하게 된다.
상기 버블 타입 가습기(3b)를 통과하면서 가열 가습된 산소는 라인을 통과하여 상대습도를 제어하기 위한 가습챔버(4b)로 이동하는데, 이동하는 동안 온도를 유지 및 제어할 수 있도록 라인 주위를 히터(미도시)와 단열재(미도시)가 둘러싸고 있다.
한편, 상기 가습챔버(4b)에는 습도센서(420b)와 온도센서(410b)가 내장되어 있고, 상기 가습챔버(4b) 주위에는 히터(430b)가 설치되어 있어, 습도센서(420b)와 온도센서(410b)로 챔버로 유입된 산소의 습도와 온도를 측정하고 가습챔버(4b)의 온도를 조절하여 챔버로 유입된 산소의 상대습도를 변화시키게 된다.
상기와 같이 하여 온도 및 상대습도가 조절된 수소는 연료전지의 애노드로 공급되며, 공급되는 과정에서 상기 가습챔버(4b)의 출구와 단위 셀의 기체 입구 부분까지는 버블 타입 가습기(3b)와 가습챔버(4b) 사이의 연결 라인과 동일한 라인이 설치되어 있어 온도 유지 및 제어가 가능하다.
본 발명에 의한 수소 및 산소 공급 과정을 전체적으로 요약하면, 수소 봄베(1a) 및 산소 봄베(1b)로부터 질량유량조절기(2a)(2b)(MFC)를 통과한 산소(공기) 와 수소 기체는 각각 캐소드와 애노드측의 공급 라인(5a)(5b)을 통해 가장 먼저 각각 버블 타입 가습기(3a)(3b)를 통과하게 된다.
상기 버블 타입 가습기(3a)(3b) 내부에는 물이 있으며 물을 가열할 수 있도록 히터(300a)(300b)가 구비된다. 따라서, 상기 버블 타입 가습기(3a)(3b)를 통과한 기체는 제어기의 설정 온도에 따라 온도가 상승하고 상대습도는 100% 가까이 상승하게 된다.
이와 같이 버블 타입 가습기(3a)(3b)에서 일차적으로 가온 가습된 기체는 상대습도를 제어하기 위한 가습챔버(4a)(4b)로 이동하는데 이동하는 동안 온도는 공급라인에 설치된 히터(미도시)와 단열재(미도시)에 의해 유지 및 제어된다.
그리고, 상기 가습챔버(4a)(4b)에서는 습도센서(420a)(420b)와 온도센서(410a)(410b)로 습도와 온도를 측정하고 가습챔버(4a)(4b)로 유입된 기체의 온도를 제어함으로써 상대습도를 변화시키게 된다. 상기 온도 제어는 온·습도전송기(6a)(6b)에서 전송된 온도에 따라 히터컨트롤러(7a)(7b)의 설정 값을 변경함으로써 이루어지게 되며, 이러한 온도 제어에 의해 상대습도가 변화된 기체는 연료전지의 단위 셀로 공급된다.
한편, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한, 여러 가지 다양한 형태로 변경 및 수정 가능함은 물론이다. 예컨대, 가습챔버와 버블 타입 가습기 및, 공급라인상에 구비되는 히터 종류 및 설치 위치 등은 변경 가능하다.
따라서, 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예들로 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
화석에너지 고갈 및 환경문제가 심각해짐에 따라 전 세계적으로 에너지의 중요성을 인식하고 무공해 및 청정에너지 관련 연구가 활발히 이루어지고 있는바, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 작동온도가 낮고, 출력 밀도가 높고 효율이 좋으며, 공해 물질 배출이 거의 없기 때문에 대체 동력원으로 각광받고 있으며, 이에 따라 고분자 전해질 연료전지의 성능 평가 및 비교가 효과적으로 수행될 수 있도록 하는 본 발명은 산업상 이용가능성이 매우 높은 발명이다.
도 1은 고분자 전해질 연료전지의 단위셀 개요도
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 연료전지 흡기계의 온·습도 제어장치를 나타낸 구성도로서,
도 2a는 연료전지와 이에 연결되는 수소공급모듈의 구성도
도 2a는 연료전지와 이에 연결되는 산소공급모듈의 구성도
도 3 및 도 4는 본 발명의 연료전지 흡기계의 온·습도 제어방법을 나타낸 흐름도로서,
도 3은 연료극(애노드)으로 공급되는 수소의 온·습도 제어과정을 나타낸 흐름도
도 4는 공기극(캐소드)으로 공급되는 산소의 온·습도 제어과정을 나타낸 흐름도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1a: 수소 봄베 1b: 산소 봄베
2a, 2b: 질량유량조절기(MFC) 3a, 3b: 버블 타입 가습기
4a, 4b: 가습챔버 5a, 5b: 공급라인
300a, 300b: 히터 310a, 310b: 기체유입관
320a, 320b: 기체유동관 410a, 410b: 온도센서
420a, 420b: 습도센서 430a, 430b: 히터
6a, 6b: 온·습도전송기 7a, 7b: 히터컨트롤러

Claims (9)

  1. 수소 봄베(1a)와, 상기 수소 봄베(1a)로부터 나오는 수소공급량을 조절하는 질량유량조절기(2a)(MFC)와, 상기 질량유량조절기(2a)를 지난 수소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기(3a)와, 상기 버블 타입 가습기(3a)로부터 가온 가습되어 나온 수소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 애노드로 공급하게 되는 가습챔버(4a)로 이루어지는 수소공급모듈과;
    산소 봄베(1b)와, 상기 산소 봄베(1b)로부터 나오는 산소공급량을 조절하는 질량유량조절기(2b)(MFC)와; 상기 질량유량조절기(2b)를 지난 산소에 대해 수분을 가온 가습하는 버블 타입 가습기(3b)와; 상기 버블 타입 가습기(3b)로부터 가온 가습되어 나온 산소의 상대습도를 온도 제어를 통해 조절하여 연료전지의 캐소드로 공급하게 되는 가습챔버(4b)를 포함하는 산소공급모듈;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 공급측 및 산소 공급측의 각 버블타입 가습기(3a)(3b)에는 내부에 수용된 물을 가열하기 위한 히터(300a)(300b)가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 버블 타입 가습기(3a)(3b) 상단부에 기체유입관(310a)(310b)이 설치되고, 상기 기체유입관(310a)(310b)에는 코일형의 기체유동관(320a)(320b)이 연결되며, 상기 기체유동관(320a)(320b)의 출구측 단부는 버블 타입 가습기(3a)(3b) 내부의 물속에 잠기도록 설치됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 버블 타입 가습기(3a)(3b)로부터 가습챔버(4a)(4b)로 가는 공급라인(5a)(5b) 상에는 상기 버블 타입 가습기(3a)(3b)에서 나온 수소나 산소의 온도 유지 및 제어를 위한 히터 및 단열재가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습챔버(4a)(4b)는,
    챔버 내부로 유입된 반응기체를 가열하기 위한 히터(430a)(430b)와, 챔버 내부로 유입된 수소나 산소의 온도를 검출하는 온도센서(410a)(410b) 및 습도를 검출하는 습도센서(420a)(420b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가습챔버(4a)(4b)에 설치되는 히터(430a)(430b)는 열선 히터로서, 챔버를 감싸도록 설치됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 습도센서(420a)(420b) 및 온도센서(410a)(410b)는 온·습도전송기(6a)(6b)에 전기적으로 연결되며, 상기 온·습도전송기(6a)(6b)는 메인컨트롤러(9)에 연결됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치.
  8. 연료전지의 각 전극으로 유입되는 수소 및 산소의 온·습도 제어방법에 있어서,
    수소 및 산소를 각각 물속을 통과시켜 상기 수소 및 산소의 습도를 일차적으로 제어하는 단계와,
    상기 물속을 거친 수소와 산소를 연료전지의 애노드와 캐소드로 각각 공급하기에 앞서 상기 수소와 산소의 상대습도를 온도제어를 통해 원하는 상대습도가 되도록 정밀 제어하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 흡기계 온·습도 제어방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소 및 산소는 연료전지의 각 전극으로 유입되는 유로 상에서 온도 유지 및 제어 가능하도록 가온 및 단열 처리되는 것을 특징으로 하는 연료전지 흡기 계 온·습도 제어방법.
KR1020090126219A 2009-12-17 2009-12-17 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법 KR101072486B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090126219A KR101072486B1 (ko) 2009-12-17 2009-12-17 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090126219A KR101072486B1 (ko) 2009-12-17 2009-12-17 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110069472A KR20110069472A (ko) 2011-06-23
KR101072486B1 true KR101072486B1 (ko) 2011-10-11

Family

ID=44401291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090126219A KR101072486B1 (ko) 2009-12-17 2009-12-17 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101072486B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112016013745B1 (pt) * 2013-12-16 2022-06-21 3M Innovative Properties Company Método para o controle de umidade, sistema de controle de umidade para manipular o ambiente gasoso no interior de uma câmara e esterilizador para esterilizar objetos com gás biocida
KR20150078792A (ko) 2013-12-31 2015-07-08 현대자동차주식회사 연료전지 촉매층 및 가스 확산 층의 응축수 제거 방법 및 제거 장치
CN105466967B (zh) * 2014-09-23 2018-08-31 张洪 量热仪及其氧弹

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006048987A (ja) 2004-08-02 2006-02-16 Toyota Motor Corp 燃料電池装置
KR100740600B1 (ko) 2005-12-07 2007-07-19 주식회사 씨엔엘에너지 연료전지용 가습장치
KR100828095B1 (ko) 2007-02-22 2008-05-08 주식회사 씨엔엘에너지 연료전지용 가스 가습장치
JP2009129630A (ja) 2007-11-21 2009-06-11 Hitachi High-Technologies Corp 媒体循環式温調装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006048987A (ja) 2004-08-02 2006-02-16 Toyota Motor Corp 燃料電池装置
KR100740600B1 (ko) 2005-12-07 2007-07-19 주식회사 씨엔엘에너지 연료전지용 가습장치
KR100828095B1 (ko) 2007-02-22 2008-05-08 주식회사 씨엔엘에너지 연료전지용 가스 가습장치
JP2009129630A (ja) 2007-11-21 2009-06-11 Hitachi High-Technologies Corp 媒体循環式温調装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110069472A (ko) 2011-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. Investigation of parameter effects on the performance of high-temperature PEM fuel cell
Xia et al. The application of orthogonal test method in the parameters optimization of PEMFC under steady working condition
US11598013B2 (en) Electrochemical hydrogen compressor and method for operating electrochemical hydrogen compressor
JP4399801B2 (ja) 液体燃料直接供給形燃料電池システムと、その運転制御方法及び運転制御装置
JP5098154B2 (ja) 電気化学エネルギー生成装置及びその運転方法
US20070292737A1 (en) System for Producing Electrochemical Energy and Method for Driving Such System
JPH07282832A (ja) 燃料電池の駆動装置
KR101072486B1 (ko) 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법
US20110229782A1 (en) Activation method for fuel cell system
US20190356009A1 (en) Fuel cell system
JP2001006698A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法
CN101122485A (zh) 应用于燃料电池的温度湿度传感器
KR20100132194A (ko) 연료전지에서의 가스 습도 조절장치와 제어방법
Kim et al. Anionic–cationic bi-cell design for direct methanol fuel cell stack
Hsu et al. Transient phenomenon of step switching for current or voltage in PEMFC
US8637199B2 (en) Fuel cell using organic fuel
CN209592196U (zh) 一种适用于燃料电池电化学测试的简易增湿装置
KR101154224B1 (ko) 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
KR102152207B1 (ko) 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치
JP3774722B2 (ja) 燃料電池の燃料供給システム
CN112710717B (zh) 一种用于测量甲醇浓度的氧化电流型传感器及其计算方法
CN100392902C (zh) 可使进入反应的氢气或空气温度与湿度稳定的燃料电池
US20230290977A1 (en) Performance evaluation apparatus of fuel cell electrode
KR102673722B1 (ko) 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 방법
JP2002056873A (ja) 燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法。

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141002

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151002

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161004

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee