KR101134428B1

KR101134428B1 - 연료전지용 막가습기

Info

Publication number: KR101134428B1
Application number: KR1020090116435A
Authority: KR
Inventors: 구진우
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2012-04-10
Also published as: KR20110059977A; US20110129740A1; US8911911B2

Abstract

본 발명은 연료전지용 막가습기에 관한 것으로서, 연료전지 스택에 공기를 가습시켜 공급함에 있어서 연료전지 스택의 출력상태에 따라 스택 내에서 생성되는 수분의 양을 고려하여 공기의 유량 및 가습량을 조절할 수 있는 연료전지용 막가습기를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 상대적으로 가습성능이 높은 제1중공사막들로 이루어진 제1중공사막 다발과, 상기 제1중공사막에 비해 가습성능이 낮은 제2중공사막들로 이루어진 제2중공사막 다발이 하우징 내에 일측과 타측으로 병렬 배치되고, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 상기 하우징으로 유입된 건조공기의 유동방향을 제어하여 상기 제1중공사막과 제2중공사막의 내부 중 건조공기를 분배하여 통과시키는 유동제어기구가 구비되는 연료전지용 막가습기가 개시된다.

연료전지, 스택, 막가습기, 중공사막, 유동제어기구

Description

연료전지용 막가습기{Membrane humidifier for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 막가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤공기와 건조공기 사이의 수분 교환을 통하여 상기 건조공기를 가습한 뒤 연료전지 스택에 공급해주는 연료전지용 막가습기에 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/전자제품이나 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 산소는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수 소이온과 전자로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 경우 작동을 위해 반드시 수분이 필요하며, 수분은 수소이온의 전달 매개체 역할을 하기 때문에 공급가스의 습도는 연료전지의 성능과 직결된다. 이에 따라 연료전지의 캐소드로 공급되는 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 스택의 캐소드 입구단으로 공급되는 건조공기가 스택의 캐소드 출구단으로부터 배출되는 고온 다습한 배출가스(습윤공기)로부터 열 및 수분을 전달받을 수 있도록 한다.

도 1은 연료전지 시스템의 공기공급시스템에서 상기한 막가습기를 이용해 공기를 가습하여 공급하는 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 가스 대 가 스(gas to gas)의 수분 교환을 통해 가습을 수행하는 막가습기(100)가 사용되고 있다.

외기의 건조공기를 공기블로워(202)로 강제 송풍하여 막가습기(100)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(200)의 캐소드 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기(습윤공기)를 막가습기(100)에 통과시켜, 과포화 가습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(200)의 캐소드 입구로 공급하게 된다.

막가습기는 중공사막(hollow fiber)을 사용하는데, 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 충분한 가습이 가능하고, 막가습기를 통해 연료전지 스택의 캐소드에서 고온으로 배출되는 배출가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하므로 가습에 소요되는 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

상기 막가습기는 하우징 내에 수분 교환 매질인 중공사막 다발을 채워넣은 구조를 가지며, 하우징 내에서 중공사막의 내부로 공기블로워에 의해 공급되는 건조공기를, 중공사막의 외부로는 연료전지 스택의 캐소드 출구에서 배출되는 배출가스(습윤공기)를 통과시키게 된다.

도 2는 중공사막을 이용한 막가습기의 구성을 나타내는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 막가습기(100)는 하우징(101)을 포함한다. 상기 하우징(101)에는 건조공기가 유입되는 제1유입구(102), 가습된 공기가 배출되는 제1유출구(103), 배출가스가 유입되는 제2유입구(104), 및 배출가스가 배출되는 제2유출 구(105)가 형성된다.

또한 하우징(101)의 내부에는 중공사막 모듈(107)이 배치되고, 상기 중공사막 모듈(107)은 다수의 중공사막(106)을 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 갖는 막가습기(100)에서는, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출가스(습윤공기)가 제2유입구(104)를 통해 하우징(101) 내부로 공급되면, 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 배출가스 중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 각 중공사막(106)의 모세관 내를 투과하면서 응축되어 중공사막 내부로 이동한다. 이어 수분이 분리된 배출가스는 하우징(101)의 제2유출구(105)로 이동하여 배출된다.

그리고, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 제1유입구(102)를 통해 공급되는데, 제1유입구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 각 중공사막(106)의 내부를 통해 이동하며, 이때 배출가스로부터 분리된 수분이 중공사막 내부로 이동되는 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습된 후 제1유출구(103)를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.

그러나, 도 2에서 보는 바와 같이, 중공사막 모듈(107)은 다수의 중공사막(106)이 밀집된 콤팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 제2유입구(104)를 통해 유입된 배출가스(습윤공기)가 중공사막 모듈의 내부로 침투하는데 어려움이 있다.

더욱이, 하우징(101)에 수납된 중공사막 모듈(107)에서 외측을 통과하는 습윤공기(배출가스)가 도 2의 은선 박스로 나타낸 중공사막 모듈(107)의 중심부로 침투하지 못하고 도 2의 화살표로 표시된 바와 같이 주로 가장자리로 흐르게 된다.

따라서, 습윤공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느려져서 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. 결국, 중공사막 모듈(107)에서 모듈 중심부에 위치된 중공사막은 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이에 막가습기의 전체적인 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 종래의 막가습기에서는 제1유입구(102)를 통해 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도 2에서 은선의 박스로 표시된 부분)으로 많이 흐르기 때문에 막가습기의 효율이 더욱 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 문제점은 특히 건조공기의 유량이 클 때, 즉 연료전지 스택에서 고출력을 낼 때 더 큰 영향을 미친다.

연료전지 시스템의 저전류 영역에서는 충분한 가습을 요하고, 고출력 및 고전류 영역에서는 캐소드에서 가습을 요하지 않을 정도로 많은 양의 물이 생성된다. 그럼에도 불구하고 종래의 막가습기는 저전류 영역과 고전류 영역에서의 가습량에 차이를 두지 않고 건조공기를 통과시키며, 특히 중공사막을 나피온 재질만으로 적용한 경우 고전류 영역에서도 RH=80% 이상의 가습성능을 발휘하고 있다.

연료전지 시스템의 고전류 영역에 있어서 많은 양의 물이 생성됨과 함께 막가습기의 가습성능이 발휘됨에 따라, 고전류 영역에서 캐소드 물질 전달 저항의 증가와 더불어 플러딩(flooding)이 발생할 수 있고, 이로 인해 국부적인 캐소드 열화(starvation)를 일으켜, 결국 연료전지 촉매의 열화를 가속시켜 연료전지의 내구성을 감소시키는 문제점이 있다.

또한 중공사막 다발 전체에 나피온 재질의 중공사막이 사용되는 경우, 그 재 질 특성상 중공사막 자체가 수분을 흡수하면서 팽창을 하게 되고, 이러한 팽창으로 인해 도 3에 나타낸 바와 같이 중공사막이 그 길이방향으로 곧게 펴지지 못하고 구불구불해지는 현상이 발생하여, 상대적으로 막가습기 내의 압력 강하량이 증가하게 되고, 이로 인해 공기를 공급하는 공기블로워의 부하가 가중되는 문제점이 있다.

또한 나피온(Nafion) 재질의 중공사막이 매우 고가이기 때문에 가격적인 측면에 있어서도 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 공개특허 제2009-95696호에는 이종 재질의 중공사막을 사용한 연료전지용 막가습기가 개시되어 있다. 상기 막가습기에서는 중공사막 다발의 배열에 있어서, 건조공기가 주로 통과하는 중공사막 다발의 가운데 부분에는 가습성능이 좋으면서 수분에 의하여 팽창되는 성질의 제1중공사막을 배열하고, 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스(습윤공기)가 주로 흐르는 중공사막 다발의 외곽부분에는 제1중공사막에 비해 가습성능은 떨어지나 수분에 의하여 팽창되지 않는 성질의 제2중공사막을 배열함으로써, 종래의 막가습기와 동등한 가습성능을 발휘하면서도 막가습기 내의 압력 강하량 증가 및 공기블로워의 부하가 가중되는 것을 방지한다.

또한 연료전지 스택 자체적으로 물이 많이 생성되는 고출력 영역에서 플러딩 현상이 발생하는 것을 방지시키는데 기여할 수 있다.

상기한 중공사막의 배열에 있어서, 가운데 부분의 제1중공사막을 고가의 나피온 재질로 적용하고, 외곽부분의 제2중공사막을 폴리에테르이미드(polyetherimide) 또는 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone)을 적용하여, 가격적인 측면에서 유리한 막가습기를 제조할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 이종 재질의 중공사막을 사용한 막가습기에서, 다발의 가운데 부분에 나피온 재질의 중공사막을 배치하고 외곽부분에 폴리에테르이미드 또는 폴리페닐설폰 재질의 중공사막을 배치하였음에도, 막가습기의 유입구를 통해 유입되는 건조공기가 스택 출력에 따라 명확히 구분되어서 이종 재질의 중공사막 중 어느 한쪽을 통과할 수 있는 것은 아니기 때문에, 실제 원하는 만큼의 효과를 기대하기 어려운 것이 사실이다.

특히, 나피온 재질의 중공사막 자체가 수분을 흡수하여 팽창함으로써 곧게 펴지지 못하고 구불구불해지는 현상은 여전히 발생하여 막가습기 내의 압력 강하량(차압) 증가 및 공기블로워의 부하 가중을 초래하고 있는바, 여전히 해결해야할 문제점으로 남아있는 것이 사실이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 이종 재질의 중공사막을 적용함에 있어서 막가습기 내의 압력 강하량 및 공기블로워의 부하가 가중되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 연료전지용 막가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 연료전지 스택에 공기를 가습시켜 공급함에 있어서 연료전지 스택의 출력상태에 따라 스택 내에서 생성되는 수분의 양을 고려하여 공기의 유량 및 가습량을 조절할 수 있는 연료전지용 막가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 상대적으로 가습성능이 높은 제1중공사막들로 이루어진 제1중공사막 다발과, 상기 제1중공사막에 비해 가습성능이 낮은 제2중공사막들로 이루어진 제2중공사막 다발이 하우징 내에 일측과 타측으로 병렬 배치되고,

연료전지 스택의 출력상태에 따라 상기 하우징으로 유입된 건조공기의 유동방향을 제어하여 상기 제1중공사막과 제2중공사막의 내부 중 건조공기를 분배하여 통과시키는 유동제어기구가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기를 제공한다.

여기서, 상기 유동제어기구는 연료전지 스택의 출력이 기준치 이상이 되는 고출력상태에서는 제2중공사막의 내부로만 건조공기를 분배하고, 연료전지 스택의 출력이 기준치 미만이 되는 저출력상태에서는 제1중공사막의 내부로만 건조공기를 분배하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유동제어기구는 연료전지 스택의 출력이 높아질수록 상기 제2중공사막의 내부를 통과하는 건조공기의 유량을 증가시키고 제1중공사막의 내부를 통과하는 건조공기의 유량을 줄이는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지용 막가습기에 의하면, 막가습기 내의 압력 강하량(입, 출구 간의 차압) 및 공기블로워의 부하가 가중되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 이종의 중공사막을 사용하면서, 공기블로워에 의해 공급되는 건조공기를 이종의 중공사막 중 분배하여 통과시키기 위한 유동제어기구를 구비함으로써, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 이종의 각 중공사막을 통과하는 공기의 유량 및 가습량을 원하는 조건을 조절할 수 있게 된다.

특히, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 필요한 수분의 양이 다르기 때문에 스택 요구조건에 맞춰서 적절한 수분을 공급하는 것이 가능해진다.

또한 종래의 막가습기에 비해 저출력상태에서 습윤공기와의 접촉을 더욱 원활하게 해줄 수 있으며, 이를 통해 습윤공기가 중공사막 모듈의 내부로 확산되는 속도를 증가시켜 가습 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

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

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막가습기의 구성을 나타내는 종단면도이고, 도 5는 본 발명의 연료전지용 막가습기에서 유로설정수단을 제어하기 위한 구성을 나타내는 블록도이다.

우선, 본 발명에 따른 막가습기(100)는 이종 재질의 중공사막이 사용된 막가습기로서, 하우징(101) 내부에서 횡단면 상의 일측에는 가습성능이 상대적으로 좋으면서 수분에 의해 팽창되는 성질의 제1중공사막(111)을 배열하고, 횡단면 상의 타측으로는 상기 제1중공사막(111)에 비해 가습성능은 떨어지나 수분에 의해 팽창되지 않는(즉, 저팽창되는) 성질의 제2중공사막(121)을 배열한다.

여기서, 제1중공사막(111)은 나피온(Nafion) 재질의 중공사막이 될 수 있고, 제2중공사막(121)은 폴리에테르이미드(polyetherimide) 또는 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다.

이렇게 상대적으로 저가인 폴리에테르이미드 또는 폴리페닐설폰 재질의 중공사막을 사용하여 이종 재질의 중공사막 다발을 구비하게 되면, 중공사막 다발 전체가 나피온 재질의 중공사막으로 구성되는 것에 비해 가격적인 측면에서 유리한 막가습기를 제조할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 제1중공사막(111)으로 이루어진 중공사막 다발(110)과 제2중공사막(121)으로 이루어진 중공사막 다발(120)이 각각 반원형의 단면 형상을 가지도록 제1중공사막(111)과 제2중공사막(121)을 하우징(101) 내에서 일측과 타측으로 구분하여 병렬 배치하는바, 제1중공사막(111) 및 제2중공사막(121) 전체로 이루어진 중공사막 다발이 원형 단면을 가지는 것이라면, 반원형 단면 부분에는 제1중공사막(111)들을, 나머지 반원형 단면 부분에는 제2중공사막(121)들을 배치하는 것이다.

이로써, 도 4에 나타낸 바와 같이, 한쪽은 제1중공사막(111)으로 이루어진 중공사막 다발(110)(이하, 제1중공사막 다발이라 함)이, 나머지 다른 쪽은 제2중공사막(121)으로 이루어진 중공사막 다발(120)(이하, 제2중공사막 다발이라 함)이 배치되게 된다.

이렇게 일측과 타측으로 나누어 제1중공사막 다발(110)과 제2중공사막 다발(120)을 하우징(101) 내에 병렬로 배치하여, 하우징(101)의 유입구(102)를 통해 유입된 건조공기가 후술하는 유동가이드(133)에 의해 어느 한쪽의 중공사막을 통과하도록 한다.

물론, 상기와 같이 전체의 1/2씩 나누어 제1중공사막(111)과 제2중공사막(121)이 배치되도록 할 수 있으나, 각 중공사막 다발을 구성하는 제1중공사막과 제2중공사막의 수 및 배치형태는 다양한 형태로 변경이 가능하다.

예컨대, 전체 중공사막 다발에서, 제1중공사막과 제2중공사막을 1/2씩이 아닌, 3/1과 2/3로, 또는 2/5와 3/5으로 적절한 비율로 나누어 횡단면상의 일측과 타측에 구분 배치하는 것이 가능하다.

통상 중공사막의 양단부는 포팅 물질로 포팅(potting)하여 일체로 고정하는바, 본 발명의 막가습기(100)에도 중공사막 다발(110,120)의 양단부에 포팅부(112)가 존재하게 된다.

포팅 공정은 고분자의 포팅 물질로 중공사막의 양단부를 포팅한 뒤, 건조 및 경화시키고, 이어 커팅장치로 포팅된 부분의 끝 부분을 잘라내어 각 중공사막의 입구와 출구를 포팅 물질에 의해 막히지 않도록 노출시키는 과정으로 진행된다.

그리고, 본 발명의 막가습기(100)는 연료전지 스택의 출력상태에 따라 상기 하우징(101)으로 유입된 건조공기의 유동방향을 제어하여 상기 제1중공사막(111)과 제2중공사막(121)의 내부 중 건조공기를 분배하여 통과시키는 유동제어기구를 구비한다.

상기 유동제어기구는 연료전지 스택의 출력상태를 감지하기 위한 출력감지부(10)와, 상기 출력감지부(10)에 의해 감지되는 출력상태에 따라 건조공기의 유동방향을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(20)와, 상기 제어기(10)에서 인가되는 제어신호에 따라 건조공기의 유동방향을 설정하는 유로설정수단을 포함하여 구성된다.

우선, 유로설정수단은 도 4에 예시한 바와 같이 하우징(101) 내 입구부에 회전 가능하도록 설치되어 회전위치에 따라 건조공기의 경로를 설정하는 유동가이드(133)와, 상기 유동가이드(133)를 회전 구동시키기 위한 액츄에이터(131)를 포함하여 구성된다.

상기 유동가이드(133)는 공기블로워에 의해 하우징(101) 내 입구부로 유입된 건조공기의 유동방향을 제어하기 위한 구성부로서, 하우징(101) 내에서 건조공기의 유동방향을 제1중공사막 다발(110)의 입구쪽과 제2중공사막 다발(120) 입구쪽 중 어느 한쪽으로 조절해주는 구성부가 된다.

즉, 상기 유동가이드(133)는 제1중공사막 다발(110)을 통과하는 유로(건조공기가 제1중공사막의 내부를 통과하게 됨)와 제2중공사막 다발(120)을 통과하는 유로(건조공기가 제2중공사막의 내부를 통과하게 됨) 중 어느 한쪽을 열어주고 닫아주어 건조공기의 유동 경로를 선택 제어하는 수단이 된다.

상기 액츄에이터(131)는 제어기(20), 예컨대 연료전지 시스템 제어기의 제어신호에 따라 구동되는 소형 모터가 될 수 있다. 상기 모터(131)는 막가습기(100)의 하우징(101) 입구부 외측에 고정 설치될 수 있는데, 이때 모터(131)의 회전축(132)은 하우징(101) 내측의 유동가이드(133)와 일체로 연결된다.

이러한 구성에서, 제어기(20)는 연료전지 스택의 출력상태를 감지하기 위한 출력감지부(10)의 검출신호를 기초로 하여 건조공기의 유동방향을 제어하기 위한 제어신호를 출력하게 되는데, 스택의 출력이 미리 설정된 기준치 이상이 되는 고출력상태에서는 하우징 유입구(102)를 통해 유입된 건조공기가 제2중공사막 다발(120)을 통과하도록 모터(131)의 구동을 제어하게 된다.

또한 반대로 기준치 미만이 되는 저출력상태에서는 하우징 유입구(102)를 통해 유입된 건조공기가 제1중공사막 다발(110)을 통과하도록 모터(131)의 구동을 제어하게 된다.

이때, 모터(131)의 구동이 제어됨에 의하여 유동가이드(133)가 회전되면서 건조공기의 유동방향이 결정되는 것이며, 유동가이드(133)의 회전위치에 따라 스택의 고출력상태에서는 건조공기가 제2중공사막(121)의 내부를, 스택의 저출력상태에서는 제1중공사막(111)의 내부를 통과하여 가습된다.

즉, 스택의 고출력상태에서는 폴리에테르이미드 또는 폴리페닐설폰 재질의 중공사막을, 스택의 저출력상태에서는 나피온 재질의 중공사막을 통과하도록 하는 것이다.

스택의 출력상태를 감지하기 위한 출력감지부(10)는 연료전지 운전 중 스택으로부터 출력되는 전류를 검출하는 전류센서가 될 수 있으며, 이때 제어기(20)가 전류센서의 검출값으로부터 기준치 이상이 되는 고전류 영역에서는 건조공기를 제2중공사막 다발(120)로, 기준치 미만의 저전류 영역에서는 제1중공사막 다발(110)로 통과시키게 된다.

이와 같이 이종의 중공사막이 사용된 막가습기(100)에서 스택의 출력상태에 따라 병렬로 배치된 제1중공사막(111)과 제2중공사막(121) 중 선택된 경로를 통해 건조공기를 통과시키는바, 저출력 영역에서는 스택에 많은 양의 수분을 공급해주어야 하므로 가습성능이 우수한 나피온 재질의 제1중공사막(111)으로 건조공기를 통과시켜 배출가스(습윤공기)의 수분을 최대한 흡수하도록 하고, 고출력 영역에서는 스택에서 많은 수분이 발생하므로 수분에 의한 플러딩(flooding)을 막기 위해 가습성능이 나피온 재질에 비해 낮은 폴리에테르이미드 또는 폴리페닐설폰 재질의 제2중공사막(121)으로 건조공기를 통과시켜 스택의 요구조건에 맞게 수분을 공급하게 된다.

결국, 스택의 출력상태에 따라 필요 수분의 양이 다르기 때문에 스택의 요구조건에 맞추어 적절한 수분을 공급해줄 수 있고, 출력상태에 따라 스택에 공급되는 공기의 유량 및 수분을 원하는 조건으로 능동적으로 제어할 수 있게 된다.

또한 제1중공사막(111)과 제2중공사막(121)을 종래의 내, 외측이 아닌 반원형 단면으로 하여 일측과 타측에 병렬 배치하고, 이종의 중공사막 다발 중 공기의 유동방향을 전환시키는 유동가이드(133)를 설치하여, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 제1중공사막 다발(110)과 제2중공사막 다발(120) 중 어느 한쪽으로 건조공기를 통과시킴으로써, 이종 중공사막을 사용한 종래의 막가습기(100)에 비해 배출가스(습윤공기)와의 접촉을 더욱 원활하게 해줄 수 있고, 배출가스가 중공사막 다발의 내부로 확산되는 속도를 증가시켜 가습 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

위에서 유동가이드(133)가 이종의 두 중공사막 다발(110,120) 중 건조공기의 공급방향(유동방향)을 어느 한쪽으로 전환시키는 것을 설명하였으나, 제어기(20)가 모터(131)의 회전량 및 유동가이드(133)의 위치를 연료전지 스택의 출력상태에 따라 좀더 세밀하게 제어하도록 구성될 수 있다.

이 경우, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 두 중공사막 다발(110,120)로 이어지는 양측 유로의 개도량이 제어될 있도록, 제어기(20)가 유동가이드(133)의 회전위치를 좀더 세밀하게 제어하게 되며, 이에 제1중공사막 다발(110)과 제2중공사막 다발(120)을 통과하는 건조공기의 유량이 적절히 분배 제어될 수 있게 된다.

예컨대, 연료전지 스택의 출력이 높을수록 제2중공사막 다발(120)로 유입되는 건조공기의 유량을 증가시키고 제1중공사막 다발(110)로 유입되는 건조공기의 유량을 줄이게 된다. 반대로 연료전지 스택의 출력이 낮을수록 제1중공사막 다발(110)로 유입되는 건조공기의 유량을 증가시키고 제2중공사막 다발(120)로 유입되는 건조공기의 유량을 줄이게 된다.

또한 도시한 유동가이드(133)를 중립위치에 두어 제1중공사막 다발(110)과 제2중공사막 다발(120)을 통해 모두 건조공기가 통과하도록 할 수도 있다.

이와 같이 연료전지 스택의 출력상태에 따라 유동가이드(133)의 회전위치 및 각도를 변화시킴으로써 공기 유량 및 수분을 스택에서 요구하는 조건으로 조절하는 것이 가능해진다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 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.

도 1은 연료전지 시스템의 공기공급시스템을 설명하는 개략도이다.

도 2는 연료전지용 막가습기의 구성 및 가습이 이루어지는 상태를 설명하는 개략도이다.

도 3은 종래의 막가습기에서 발생하는 문제점을 설명하는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막가습기의 구성을 나타내는 종단면도이다.

도 5는 본 발명의 연료전지용 막가습기에서 유동제어수단을 제어하기 위한 구성을 나타내는 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 막가습기 101 : 하우징

108, 109 : 돌출부 110 : 제1중공사막 다발

111 : 제1중공사막 112 : 포팅부

113 : 고정부 120 : 제2중공사막 다발

121 : 제2중공사막 122 : 포팅부

131 : 모터 132 : 회전축

133 : 유동가이드 141 : 스프링부재

142, 143 : 자석

Claims

삭제
상대적으로 가습성능이 높은 제1중공사막들로 이루어진 제1중공사막 다발과, 상기 제1중공사막에 비해 가습성능이 낮은 제2중공사막들로 이루어진 제2중공사막 다발이 하우징 내에 일측과 타측으로 병렬 배치되고,

연료전지 스택의 출력상태에 따라 상기 하우징으로 유입된 건조공기의 유동방향을 제어하여 상기 제1중공사막과 제2중공사막의 내부 중 건조공기를 분배하여 통과시키는 유동제어기구가 구비되며,

상기 제1중공사막이 수분에 의하여 팽창되는 나피온 재질의 중공사막이고, 상기 제2중공사막이 상기 나피온 재질에 비해 저팽창재질인 폴리에테르이미드 또는 폴리페닐설폰 재질의 중공사막인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 2에 있어서,

상기 유동제어기구는,

연료전지 스택의 출력상태를 감지하기 위한 출력감지부와;

상기 출력감지부에 의해 감지되는 출력상태에 따라 건조공기의 유동방향을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와;

상기 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 건조공기의 유동방향을 설정해주는 유로설정수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 3에 있어서,

상기 유로설정수단은,

상기 하우징 내 입구부에 회전 가능하도록 설치되어 회전위치에 따라 건조공기의 경로를 설정해주는 유동가이드와;

상기 유동가이드를 회전 구동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 4에 있어서,

상기 액츄에이터는 하우징의 입구부 외측에 고정 설치되어 회전축이 상기 유동가이드에 일체로 연결되는 모터인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 3에 있어서,

상기 유동제어기구는 연료전지 스택의 출력이 기준치 이상이 되는 고출력상태에서는 제2중공사막의 내부로만 건조공기를 분배하고, 연료전지 스택의 출력이 기준치 미만이 되는 저출력상태에서는 제1중공사막의 내부로만 건조공기를 분배하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 3에 있어서,

상기 유동제어기구는 연료전지 스택의 출력이 높아질수록 상기 제2중공사막의 내부를 통과하는 건조공기의 유량을 증가시키고 제1중공사막의 내부를 통과하는 건조공기의 유량을 줄이는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.