KR101091662B1 - 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 스택을 통과하는 공기의 방향을 정, 역으로 전환시킬 수 있도록 구성됨으로써, 연료전지 스택 내에서 막전극접합체가 전체적으로 고르게 가습되는 동시에 종래의 플러딩 현상 및 막전극접합체의 손상 등이 방지되는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 가습기를 통해 공급되는 공기가 복수의 연료전지 스택을 순차적으로 통과하도록 하여, 스택들을 순차적으로 통과하는 공기에 의해 상류측 스택에서 생성된 충분한 양의 수분이 하류측 스택으로 공급되도록 함으로써, 하나의 가습기에 의해 복수의 연료전지 스택이 전체적으로 고르게 가습될 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

Description

가습성능이 향상되는 연료전지 시스템{Fuel cell system having improved humidification performance}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 공기를 가습하여 공급하는 가습기와, 상기 가습기를 통해 공급되는 가습 공기를 반응가스로 사용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

연료전지 차량에서 사용되는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 수분은 연료전지에서 H⁺의 전달 매개체 역할을 하기 때문에 공급가스의 습도는 연료전지 성능과 직결된다. 이에 따라 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 산화제인 공기(또는 산소)를 가습기를 이용하여 공기 입구측에서 가습시킨다.

가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등 여러 방법이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막가습기가 적용되고 있다. 막가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다. 막가습기는 캐소드 입구단으로 공급되는 가스가 캐소드 출구단에서 배출되는 고온 다습한 가스로부터 열 및 수분을 전달받을 수 있도록 한다.

첨부한 도 1은 통상의 연료전지 시스템에서 막가습기를 이용하여 공기를 가습한 후 공급하는 상태를 나타내는 개략도로서, 도시된 바와 같이, 외기의 건조공기를 공기블로워(110)로 강제 송풍하여 막가습기(120)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(130)의 캐소드 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기를 막가습기(120)에 통과시켜, 과포화 가습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(130)에 공급한다.

통상의 막가습기는 중공사막(hollow fiber)을 이용한 가스 대 가스(gas to gas) 막가습기로서, 이러한 막가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 충분한 가습이 가능하며, 막가습기를 통해 연료전지 스택의 캐소드에서 고온으로 배출되는 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 가습에 소요되는 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

한편, 고분자 전해질막을 사용하는 연료전지의 경우 수분이 부족하면 수소 이온의 전도도가 감소되는 것은 물론 전해질막의 수축으로 인해 전극과 전해질막 사이의 접촉저항이 증가하게 된다. 반대로 수분이 너무 많으면 전극에 수분이 응결되어 맺히는 현상(flooding)이 발생하여 반응가스의 확산을 방해하고 연료전지의 성능을 감소시키기도 한다. 이를 방지하기 위해 적절한 가습이 필요하다.

연료전지 스택으로 공급되는 반응가스는 공기와 수소로, 공기의 경우 연료전지 스택에 공급되기 전에 가습기를 거쳐 필요로 하는 만큼 가습된다. 가습된 공기는 흡기 매니폴드를 통해 연료전지 스택의 내부로 유입되어 막전극접합체를 가습해 이온 전도도를 높인 후 배기 매니폴드를 통해 대기 또는 응축기 등으로 방출된다.

하지만, 연료전지 스택의 운전이 계속되면 막전극접합체가 흡기 매니폴드와 접한 부분과 배기 매니폴드와 접한 부분의 습도 및 온도가 달라진다. 이로 인해 습윤한 공기가 유입되는 흡기 매니폴드 쪽은 습도가 높아 플러딩(flooding) 현상(반응가스 중에 포함된 물이 응결되어 유로를 막는 현상)이 생기기 쉽다.

또한 반응에 사용된 반응가스가 배출되는 배기 매니폴드 쪽은 습도가 낮아 막전극접합체가 부분적으로 건조해져 구멍이 생길 수 있다. 이 상태에서 연료전지 스택의 운전을 계속하면 구멍이 점점 커져 막전극접합체의 내구성 및 연료전지 스택의 효율을 저하시키는 요인이 된다.

이와 함께 복수의 연료전지 스택을 이용하는 멀티 스택 연료전지 시스템에서는 각 연료전지 스택에 대하여 상기와 같은 문제가 있는 동시에 각 연료전지 스택에 대하여 각각 가습기를 구비해야 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택을 통과하는 공기의 방향을 정, 역으로 전환시킴으로써, 연료전지 스택 내에서 막전극접합체가 전체적으로 고르게 가습되도록 하는 동시에 종래의 플러딩 현상 및 막전극접합체의 손상 등이 방지될 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 복수의 연료전지 스택을 적용한 멀티 스택 시스템에서 하나의 가습기를 통해 공급되는 공기가 복수의 연료전지 스택을 순차적으로 통과하도록 하여, 스택들 순차적으로 통과하는 공기에 의해 상류측 스택에서 생성된 충분한 양의 수분이 하류측 스택으로 공급되도록 함으로써, 상기 가습기에 의해 복수의 연료전지 스택이 전체적으로 고르게 가습될 수 있도록 한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 공기를 가습하여 공급하는 가습기와, 상기 가습기를 통해 공급되는 가습 공기를 반응가스로 사용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 가습기를 통해 공급되는 공기가 순차적으로 통과할 수 있도록 복수의 연료전지 스택이 공기의 이동경로 상에 직렬로 연결되어, 상기 복수의 연료전지 스택을 순차적으로 통과하는 공기에 의해 상류측 스택에서 생성된 수분이 하류측 스택으로 공급되고,

상기 가습기로부터 상기 스택들을 순차적으로 통과하는 공기의 스택 통과방향을 역방향으로 전환시키기 위한 전환장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예로서, 상기 복수의 연료전지 스택에서 제1스택과 제2스택이 서로 제1공기라인을 통해 연결되고, 상기 제1스택과 제2스택이 각각 제2공기라인과 제3공기라인을 통해 상기 가습기와 연결되어,

가습기로부터 상기 제2공기라인 또는 제3공기라인을 통해 공급되는 가습 공기가 상기 전환장치에 의해 제1스택→제2스택의 순 또는 그 역방향인 제2스택→제1스택의 순으로 통과하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전환장치는,

상기 가습기의 출구포트에 설치되어 상하 회동시 가습 공기가 상기 제2공기라인과 제3공기라인 중 선택된 방향으로 공급되도록 공기의 공급방향을 전환시키는 전환댐퍼와;

상기 전환댐퍼를 회동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전환댐퍼는 상하로 회동된 위치에서 상기 가습기 내 중공사막 내부를 통과하는 경로와, 상기 가습기의 하우징 내 중공사막 외부 주변을 통과하는 경로를 분리하도록 설치되어,

상기 전환댐퍼에 의해 중공사막 내부를 통과한 가습 공기가 상기 제2공기라인 또는 제3공기라인을 통해 상류측 스택으로 공급되는 동시에,

하류측 스택에서 배기된 배출 공기가 상기 제2공기라인 또는 제3공기라인을 통해 상기 하우징 내 중공사막 외부 주변 공간으로 투입되면서,

상기 하류측 스택에서 배기된 배출 공기에 의해 상기 중공사막 내부를 통과하는 공기의 가습이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택을 통과하는 공기의 방향을 정, 역으로 전환시켜, 연료전지 스택 내에서 막전극접합체가 고르게 가습될 수 있는 동시에 종래의 플러딩 현상, 막전극접합체의 손상 문제가 방지될 수 있는 바, 스택의 성능 및 내구성이 향상되는 장점이 있다.

또한 본 발명의 연료전지 시스템에서는 하나의 가습기를 통해 공급되는 공기가 복수의 연료전지 스택을 순차적으로 통과하도록 구성됨으로써, 상류측 스택에서 생성된 충분한 양의 수분이 하류측 스택으로 공급될 수 있고, 결국 스택에서의 가습성능이 향상되는 장점이 있다.

또한 멀티 스택 구조가 적용되면서도 전체 스택들에 대해 공기의 통과방향을 역방향으로 전환시킬 수 있도록 구성되므로 전체 스택 내에서 고르게 수분이 공급될 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 상류측 스택에서 배출되는 습윤한 공기를 하류측 스택에서 한번 더 사용함에 따라, 즉 상류측 스택에서 생성된 물을 이용하여 하류측 스택을 가습함에 따라, 가습기의 사이즈를 종래에 비해 축소시킬 수 있고, 또한 각 스택 별로 가습기를 구비할 필요가 없으며, 결국 부품의 간소화 및 장치 비용의 절감이 가능해진다.

도 1은 통상의 연료전지 시스템에서 막가습기를 이용하여 공기를 가습한 후 공급하는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도로서, 공기의 가습 및 공급상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 절환장치에 의해 공기의 공급방향을 전환한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에서 선 'A-A'를 따라 취한 횡단면도로서, 전환댐퍼의 상, 하 위치에 따라 막가습기의 내부공간에서 공기의 유로가 전환되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 제어기가 브레이크 조작에 따라 액츄에이터, 제1밸브 및 제2밸브를 제어하는 구성의 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 복수의 연료전지 스택이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조를 포함하여 구성될 수 있으며, 일 예로서, 도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 직렬로 연결된 2개의 연료전지 스택(10,20)을 포함하는 구성이 될 수 있다.

상기 2개의 연료전지 스택, 즉 제1스택(10)과 제2스택(20)은 구성 및 발전 기능이 독립된 개별 연료전지 스택으로, 각 스택의 구성은 차량용 연료전지로 사용되고 있는 통상의 연료전지 스택(예를 들면, 고분자 전해질막형)과 동일한 구성이므로 각 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제1스택(10)과 제2스택(20)은 기본적으로 연료인 수소와, 산화제인 산소를 포함하는 공기를 미도시된 수소공급장치와 공기공급장치를 통해 공급받아, 이들로부터 공급되는 수소와 공기를 반응가스로 사용하여 연료전지 반응(전기화학 반응)을 통해 전기를 생성하게 된다.

이와 같이 멀티 스택 구조를 포함하는 연료전지 시스템에서, 제1스택(10)과 제2스택(20)은 공기가 이동하는 경로 상에 직렬로 연결되어 구비되고, 이에 가습기(30)를 통해 공급되는 공기가 제1스택(10)과 제2스택(20)을 차례로 통과하게 된다.

연결 구조를 살펴보면, 반응 후의 공기가 배출되도록 구비되는 제1스택(10)의 배기 매니폴드(12)는, 제2스택(20)에서 공기가 공급되는 부분인 제2스택(20)의 흡기 매니폴드(21)와 파이프나 호스 등으로 이루어진 제1공기라인(13)에 의해 연결되어, 상기 제1공기라인(13)을 통해 제1스택(10)에서 제2스택(20)으로 반응가스인 공기가 이동 및 공급될 수 있게 되어 있다. 물론, 후술하는 바와 같이 공기가 역방향으로 흐르게 될 때는, 상기 제1공기라인(13)은 제2스택(20)에서 제1스택(10)으로 공기를 이동 및 공급하게 된다.

이와 같이 공기가 제1스택(10)과 제2스택(20)을 차례로 통과하도록 구성되면, 공기 흐름방향을 기준으로 상류측에 배치되는 스택을 통과한 공기는 상류측 스택에서 생성된 수분이 포함된 습윤한 공기가 되며, 이 습윤한 공기가 하류측 스택을 통과하게 되면서 하류측 스택에 충분한 양의 수분을 공급해줄 수 있다.

즉, 가습기(30)를 통과한 공기가 상류측 스택과 하류측 스택을 차례로 통과하는 동안 상류측 스택에서 생성된 수증기 형태의 수분을 함유하고 있는 공기가 하류측 스택으로 공급되어, 이 하류측 스택에서 공기와 수분이 최대한 사용된 후 배출될 수 있는 것이다.

통상 공기가 스택을 한번 거치는 동안 소모되는 공기 중 산소의 양은 전체 산소의 양 중 일부(약, 10% 정도)이므로, 본 발명에서 공기공급장치의 공기공급수단, 예컨대 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 가습기(30)를 통과한 뒤 상류측 스택을 통과하는 동안 공기 중 산소의 일부가 전기를 생산하기 위한 연료전지 반응에 소모되고, 나머지 산소를 포함한 공기가 하류측 스택을 통과하면서 그 중 산소의 일부가 하류측 스택의 연료전지 반응에 소모되게 된다.

이때, 상류측 스택에서 생성된 수분에 의해 충분히 가습된 공기가 상류측 스택에서 하류측 스택으로 이동하여 사용되므로, 막전극접합체 등에서 필요로 하는 충분한 양의 수분이 하류측 스택에 공급될 수 있다.

상기한 설명에서, 만약 가습기(30)를 통과하여 가습된 공기가 연료전지 반응을 위해 도시된 실시예의 제1스택(10)을 우선 통과한 뒤 제2스택(20)을 통과하도록 공기의 흐름방향(공기의 공급방향/스택 통과방향) 및 공급 경로가 설정되는 경우라면, 제1스택(10)이 상류측 스택이 되고, 제2스택(20)이 하류측 스택이 된다(도 2 참조).

도 2의 상태에서, 공기의 공급 경로를 보다 상세히 설명하면, 공기블로워와 같은 공기공급수단에 의해 공급되는 공기는 가습기(30)를 통과한 뒤 가습되어 상류측 스택인 제1스택(10)으로 공급되는데, 이때 공기는 제1스택(10)의 흡기 매니폴드(11)를 통해 공급되어 각 단위 셀의 분리판에 형성된 공기 유로로 분배되는 바, 각 분리판의 공기 유로로 분배된 공기는 전해질막을 사이에 두고 공급되는 수소와 반응하여 전기를 생산하게 된다.

또한 각 분리판의 공기 유로를 통과하여 제1스택(10)의 배기 매니폴드(12)로 배출되는 공기는 제1스택(10)에서 생성된 수분을 함유한 습윤 공기 상태로 제1공기라인(13)을 통해 하류측 스택인 제2스택(20)의 흡기 매니폴드(21)로 공급된다. 이에 제2스택(20)에서도 흡기 매니폴드(21)로 공급된 공기가 각 단위 셀의 분리판에 형성된 공기 유로로 분배되며, 각 분리판의 공기 유로로 분배된 공기는 수소와 반응하여 전기를 생산하게 된다.

상기와 같이 제2스택(20)에서 반응을 마친 공기는 배기 매니폴드(22)를 통해 배출되는데, 이 배기 매니폴드(22)에서 배출되는 공기는 제2스택(20) 내에서 생성된 수분을 함유한 습윤한 공기 상태로 배출된다.

그리고, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 제2스택(20), 즉 하류측 스택에서 배출되는 습윤 공기의 수분을 제1스택(10), 즉 상류측 스택으로 공급되는 공기를 가습하는데 사용하도록 구성될 수 있다.

즉, 상기 가습기(30)가 막가습기(30)인 경우, 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 상류측 스택으로 공급되기 전 막가습기(30)의 각 중공사막(32) 내부를 통과하는 동안, 하류측 스택에서 배출된 습윤 공기가 막가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32)의 외부 주변 경로를 통과하게 되며, 이때 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기는 중공사막(32) 외부를 통과하는 습윤 공기(하류측 스택에서 배출된 공기, 즉 하류측 스택의 캐소드측 배기가스임)로부터 수분을 공급받아 가습된 뒤 상류측 스택으로 공급되게 된다(흡기 매니폴드를 통해 캐소드측으로 공급됨).

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 제1스택(10)과 제2스택(20)을 순차적으로 통과하는 공기의 흐름방향(공기의 공급방향/스택 통과방향)을 정, 역방향으로 전환시켜 주는 전환장치를 포함한다.

즉, 전환장치의 작동상태에 따라 가습기(30)로부터 공급되는 가습 공기가 제1스택(10), 제2스택(20)의 순으로 공급되거나, 반대로 제2스택(20), 제1스택(10)의 순으로 공급되도록 하는 것이다.

이를 위해, 막가습기(30)의 출구부에 연결된 출구포트(33)에 파이프나 호스 등으로 이루어진 제2공기라인(34)과 제3공기라인(35)이 분기되어 연결 설치되되, 상기 제2공기라인(34)과 제3공기라인(35)이 각각 제1스택(10)의 흡기 매니폴드(11)와 제2스택(20)의 배기 매니폴드(22)로 연결된다.

또한 막가습기(30)의 출구포트(33)에는 막가습기의 출구부 내에서 회동하도록 설치되는 전환댐퍼(51)가 설치되고, 또한 상기 전환댐퍼(51)를 구동시키기 위한 액츄에이터(52)가 막가습기(30)의 외부에 설치된다. 상기 액츄에이터(52)는 전환댐퍼(51)를 도면상 상하로 회동시키기 위한 전동모터가 될 수 있다.

상기 전환댐퍼(51)는 중공사막(32) 내부를 통과하여 상류측 스택으로 공급되는 가습 공기와, 하류측 스택에서 배기된 후 막가습기 출구부로 들어온 배출 공기를 분리하는 역할을 하면서, 도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 제2공기라인(34)과 제3공기라인(35)에서 공기의 흐름방향을 역으로 전환시키는 역할을 하게 된다.

특히, 상기 전환댐퍼(51)는 상방 회동하거나 그 반대로 하방 회동한 상태에서 중공사막(32) 내부를 통과하는 경로와 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변을 통과하는 경로를 서로 분리시키는데, 중공사막(32) 내부로 통과하는 공기는 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과하는 공기로부터 수분을 전달받아 가습되는 점은 종래와 동일하다.

다만, 전환댐퍼(51)가 상방 및 하방 중 어느 한 방향으로 회동된 상태에서, 하류측 스택(본 발명에서 제1스택과 제2스택 중 어느 한 스택이 됨)에서 배기되는 습윤한 배출 공기가 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 경로로 배출되어 하우징(31) 후단에 구비된 배기포트(36)를 통해 배출되고, 이 습윤한 배출 공기가 상기 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과하는 동안 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기에 수분을 전달하여 가습시키게 된다.

이와 같이 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기는 중공사막 외부 주변 경로를 통과하는 습윤한 배출 공기에 의해 가습된 후 상류측 스택(본 발명에서 제1스택과 제2스택 중 어느 한 스택이 됨)으로 공급되어 연료전지 반응에 사용되게 된다.

아울러, 막가습기(30) 내부에서 중공사막(32)을 하우징(31) 내에서 고정하여 지지하는 전단 고정부(37)와 후단 고정부(38) 중 전단 고정부(37)에는 전환댐퍼(51)의 작동상태에 따라 제1스택(10) 또는 제2스택(20)으로부터 배기되는 배출 공기를 하우징 내 중공사막 외부 주변 공간으로 배출시키기 위한 배출홀(39)이 형성된다.

이때, 배출홀(39)은 전단 고정부(37)에서 도면상의 상측 위치 및 하측 위치에 각각 설치되며, 각 배출홀(39)에는 공기 배출을 선택적으로 차단하기 위한 제1밸브(53)와 제2밸브(54)가 설치된다.

요컨대, 하류측 스택에서 배기된 배출 공기가 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변으로 투입될 수 있도록, 중공사막(32)을 고정하여 지지하는 전단 고정부(37)의 일측과 타측에 각각, 전환댐퍼(51)가 상하 회동된 위치에서 제2공기라인(34) 또는 제3공기라인(35)을 통해 배출되는 배출 공기를 통과시키기 위한 배출홀(39)이 형성되고, 각 배출홀(39)을 선택적으로 차단하기 위한 제1밸브(53)와 제2밸브(54)가 설치되는 것이다.

여기서, 제1밸브(53)와 제2밸브(54)는 밸브몸체(55)에서 플런저(56)가 전후진 동작하되, 특히 전진시에 해당 배출홀(39)을 차단 및 밀폐시키도록 된 전동식 솔레노이드 밸브로 실시될 수 있다.

결국, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전환댐퍼(51)가 도면상의 하방으로 회동하여 위치되고, 제1밸브(53)가 닫힘, 제2밸브(54)가 열림 상태가 되면, 공기블로워에 의해 외부로부터 공급되는 건조 공기가 막가습기(30)의 입구부를 통해 공급되어 중공사막(32) 내부를 통과하게 되고, 이에 중공사막(32) 내부를 통과한 뒤 막가습기(30)의 출구부 및 출구포트(33)를 통해 배출되는 공기는 제2공기라인(34), 제1스택(10), 제1공기라인(13), 제2스택(20), 제3공기라인(35)으로 이어지는 경로를 따라 흐르게 된다.

이어 상기의 경로를 순환한 공기는 제3공기라인(35)을 통해 막가습기(30)의 출구부 및 출구포트(33)로 다시 유입되어 막가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과한 뒤 배기포트(36)로 배출되게 된다.

이 과정에서 제1스택(10)은 상류측 스택이 되고, 제2스택(20)은 하류측 스택이 되며, 상류측 스택인 제1스택(10)을 통과한 공기는 제1스택(10) 내에서 생성된 수분과 함께 습윤한 상태로 하류측 스택인 제2스택(20)을 통과하는 바, 제1스택(10) 내에서 생성된 수분에 의해 충분한 양의 수분이 제2스택(20)으로 공급될 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명에서는 상류측 스택에서 생성된 수분에 의하여 하류측 스택에 충분한 양의 수분이 공급될 수 있게 된다.

또한 이때 제2스택(20)으로부터 배기되는 습윤한 배출 공기가 막가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과하게 되면서, 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기가 가습되고, 결국 제1스택(10)은 제2스택(20)에서 배기된 배출 공기의 수분에 의해 충분히 가습된 공기를 막가습기(30)로부터 공급받을 수 있게 된다.

그리고, 반대로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전환댐퍼(51)가 도면상의 상방으로 회동하여 위치되고, 제1밸브(53)가 열림, 제2밸브(54)가 닫힘 상태가 되면, 공기블로워에 의해 막가습기(30)의 입구부로 공급되어 중공사막(32) 내부를 통과한 공기가 막가습기(30)의 출구부 및 출구포트(33)에서 제3공기라인(35), 제2스택(20), 제1공기라인(13), 제1스택(10), 제2공기라인(34)으로 이어지는 경로를 따라 도 2의 상태와는 역방향으로 흐르게 된다.

이어 상기의 경로를 순환한 공기가 제2공기라인(34)을 통해 막가습기(30)의 출구부 및 출구포트(33)로 다시 유입되어 막가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과한 뒤 배기포트(36)로 배출되게 된다.

이 과정에서 제2스택(20)은 상류측 스택이 되고, 제1스택(10)은 하류측 스택이 되며, 상류측 스택인 제2스택(20)을 통과한 공기는 제2스택(20) 내에서 생성된 수분과 함께 습윤한 상태로 하류측 스택인 제1스택(10)을 통과하는 바, 제2스택(20) 내에서 생성된 수분에 의해 충분한 양의 수분이 제1스택(10)으로 공급될 수 있게 된다.

또한 제1스택(10)으로부터 배기되는 습윤한 배출 공기가 막가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 경로를 통과하게 되면서, 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기가 가습되고, 결국 제2스택(20)은 제1스택(10)에서 배기된 배출 공기의 수분에 의해 충분히 가습된 공기를 막가습기(30)로부터 공급받을 수 있게 된다.

한편, 전환댐퍼(51)의 액츄에이터(52)와 제1밸브(53) 및 제2밸브(54)는 도 5에 나타낸 바와 같이 제어기(2)에 의해 구동이 제어되며, 제어기(2)는 액츄에이터(52) 및 각 밸브(53,54)를 제어하여 연료전지의 운전 동안 일정 시간 간격으로 공기의 흐름방향, 즉 공기의 흡기 및 배기 방향을 전환시키는 제어를 수행하게 된다.

상기와 같이 일정 시간 간격으로 공기의 흐름방향을 역방향으로 전환시키는 제어 방식 대신에, 제어기(2)가 운전자의 차량 조작시 입력되는 별도의 조작신호를 입력받아 상기 조작신호를 입력신호로 하여 공기의 흐름방향을 역방향으로 전환시키는 제어를 수행하도록 설정될 수 있다.

바람직하게는 상기 조작신호는 차량에 기장착된 브레이크 페달 스위치(1)로부터 입력되는 브레이크 조작신호가 될 수 있다. 이 경우, 운전자가 의식적으로 별도의 조작을 하지 않더라도 운전 중 반복 수행되는 운전자의 브레이크 조작시마다 제어기(2)가 브레이크 페달 스위치(1)로부터 조작신호를 입력받을 수 있는 바, 운전자의 브레이크 조작만으로도 공기의 흐름방향을 전환시키는 제어가 수행될 수 있다. 즉, 제어기(2)가 브레이크 페달 스위치(1)의 온/오프 신호를 입력받아 이를 기초로 전환댐퍼(51)의 액츄에이터(52)와 각 밸브를 제어하게 되는 것이다.

이때, 브레이크 조작이 없는 운전 상태(브레이크 페달 스위치 오프)에서는 제어기(2)가 도 2의 상태로 전환댐퍼(51)와 제1밸브(53), 제2밸브(54)를 제어하고, 운전자가 브레이크 페달을 밟은 상태(브레이크 페달 스위치 온)에서는 반대로 제어기(2)가 도 3의 상태로 전환댐퍼(51)와 제1밸브(53), 제2밸브(54)를 제어한다.

이와 같이 일정 시간 간격 또는 운전자의 미리 정해진 차량 조작신호를 제어기(2)가 입력받아 막가습기(30), 제1스택(10) 및 제2스택(20)에서의 공기 흐름방향(흡기 및 배기 방향)을 도 2의 상태와 도 3의 상태에서 전환시켜 주는 바, 제1스택(10) 및 제2스택(20) 내에서 전체적으로 수분을 고르게 공급해줄 수 있고, 전체 스택 내 막전극접합체를 충분히 습윤한 상태로 유지할 수 있으며, 연료전지 시스템의 전반적인 가습 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 종래와 같이 스택의 어느 특정 부분에서 플러딩 현상이 발생하거나 건조로 인해 막전극접합체의 손상이 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.

더불어, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 상류측 스택에서 배출되는 습윤한 공기를 하류측 스택에서 한번 더 사용함에 따라 가습기의 사이즈를 종래에 비해 축소시킬 수 있고, 또한 각 스택 별로 가습기를 구비할 필요가 없으며, 결국 부품의 간소화 및 장치 비용의 절감이 가능해진다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 제1스택 11 : 흡기 매니폴드
12 : 배기 매니폴드 20 : 제2스택
21 : 흡기 매니폴드 22 : 배기 매니폴드
30 : 가습기 31 : 하우징
32 : 중공사막 37 : 전단 고정부
39 : 배출홀 51 : 전환댐퍼
52 : 액츄에이터 53 : 제1밸브
54 : 제2밸브

Claims (7)

1. 공기를 가습하여 공급하는 가습기(30)와, 상기 가습기(30)를 통해 공급되는 가습 공기를 반응가스로 사용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
   상기 가습기(30)를 통해 공급되는 공기가 순차적으로 통과할 수 있도록 복수의 연료전지 스택(10,20)이 공기의 이동경로 상에 직렬로 연결되어, 상기 복수의 연료전지 스택(10,20)을 순차적으로 통과하는 공기에 의해 상류측 스택에서 생성된 수분이 하류측 스택으로 공급되고,
   상기 가습기(30)로부터 상기 스택(10,20)들을 순차적으로 통과하는 공기의 스택 통과방향을 역방향으로 전환시키기 위한 전환장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 연료전지 스택에서 제1스택(10)과 제2스택(20)이 서로 제1공기라인(13)을 통해 연결되고, 상기 제1스택(10)과 제2스택(20)이 각각 제2공기라인(34)과 제3공기라인(35)을 통해 상기 가습기(30)와 연결되어,
   가습기(30)로부터 상기 제2공기라인(34) 또는 제3공기라인(35)을 통해 공급되는 가습 공기가 상기 전환장치에 의해 제1스택(10)→제2스택(20)의 순 또는 그 역방향인 제2스택(20)→제1스택(10)의 순으로 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전환장치는,
   상기 가습기(30)의 출구포트(33)에 설치되어 상하 회동시 가습 공기가 상기 제2공기라인(34)과 제3공기라인(35) 중 선택된 방향으로 공급되도록 공기의 공급방향을 전환시키는 전환댐퍼(51)와;
   상기 전환댐퍼(51)를 회동시키기 위한 액츄에이터(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 전환댐퍼(51)는 상하로 회동된 위치에서 상기 가습기(30) 내 중공사막(32) 내부를 통과하는 경로와, 상기 가습기(30)의 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변을 통과하는 경로를 분리하도록 설치되어,
   상기 전환댐퍼(51)에 의해 중공사막(32) 내부를 통과한 가습 공기가 상기 제2공기라인(34) 또는 제3공기라인(35)을 통해 상류측 스택으로 공급되는 동시에,
   하류측 스택에서 배기된 배출 공기가 상기 제2공기라인(34) 또는 제3공기라인(35)을 통해 상기 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변 공간으로 투입되면서,
   상기 하류측 스택에서 배기된 배출 공기에 의해 상기 중공사막(32) 내부를 통과하는 공기의 가습이 이루어지는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 하류측 스택에서 배기된 배출 공기가 상기 하우징(31) 내 중공사막(32) 외부 주변으로 투입되도록, 상기 중공사막(32)을 고정하여 지지하는 전단 고정부(37)의 일측과 타측에 각각 상기 전환댐퍼(51)가 상하 회동된 위치에서 상기 제2공기라인(34) 또는 제3공기라인(35)을 통해 배출된 배출 공기를 통과시키기 위한 배출홀(39)이 형성되고,
   상기 가습기(30)에 각 배출홀(39)을 선택적으로 차단하기 위한 제1밸브(53)와 제2밸브(54)가 설치되는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 전환댐퍼(51)를 구동시키는 액츄에이터(52)와, 상기 제1밸브(53) 및 제2밸브(54)가 제어기(2)에 의해 구동이 제어되되, 상기 제어기(2)는 상기 액츄에이터(52), 상기 제1밸브(53) 및 제2밸브(54)의 구동을 제어하여 일정 시간 간격으로 공기의 스택 통과방향을 전환하거나 운전자에 의한 차량 조작신호 입력시마다 공기의 스택 통과방향을 전환하는 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 차량 조작신호는 브레이크 조작신호인 것을 특징으로 하는 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템.
   
   
   
   

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