KR101189580B1 - 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치 - Google Patents

연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 시동이나 운전 초기 상태에서 연료전지 스택 내로 유입되는 과량의 응축수를 용이하게 배출시켜서 안정적인 연료전지 작동을 이룰 수 있도록 한 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 스택의 셀 입구단쪽을 구성하고 있는 엔드 플레이트와 분리판 간에 바이패스 라인을 형성하고, 엔드 플레이트의 내면에 바이패스 라인을 개폐하는 온도 가변형 밸브를 설치하여, 저온 시동시와 같은 상황에서 가변형 밸브가 열리는 동시에 스택의 입구단에 존재하는 과량의 응축수를 바이패스 라인을 통해 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치{Bypass device for exhaust condensing water in the fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온 시동이나 운전 초기 상태에서 연료전지 스택 내로 유입되는 과량의 응축수를 용이하게 배출시켜서 안정적인 연료전지 작동을 이룰 수 있도록 한 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치에 관한 것이다.
연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 을 참조로 살펴보면, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막(10)을 중심으로, 그 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매 전극층인 캐소드(12: 공기극)와 애노드(14: 연료극)가 도포되고, 또한 캐소드(12) 및 애노드(14)가 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(16)이 적층되며, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 개스킷(18)을 매개로 기밀 가능하게 적층된 구조로 이루어져 있다.
위와 같은 스택의 단위 셀들이 몇 백개 이상 적층된 후, 가장 바깥쪽에는 각 단위 셀들을 지지하며 고정시키기 위한 엔드플레이트(30)가 결합되고, 이 엔드플레이트(30)의 내측에는 스택에서 발생된 전기를 모아서 외부로 보내는 집전판이 장착된다.
따라서, 상기 스택의 애노드(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 캐소드(12)극으로 이동하게 되어, 캐소드(12)극에서는 애노드(14)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트(30)의 집전판을 통하여 전기에너지를 필요로 하는 부하로 공급된다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지는 통상 60~90℃ 이내의 낮은 온도에서 작동하기 때문에 효율적인 물관리가 필수적으로 요구된다.
특히, 저온 시동 또는 장시간 저출력 운전 등과 같이 정상적인 연료전지 작동 조건이 아닌 상황에서 과량의 응축수가 스택 내로 유입되는 경우, 이 응축수는 반응 연료(기체)의 원활한 공급을 방해하여 연료전지 성능 및 내구성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
즉, 저온 시동 구간에서는 연료(수소 및 공기중 산소)공급라인 또는 수소 재순환라인에 잔존해 있던 응축수들이 한꺼번에 스택 내로 유입되면서 스택의 입구단쪽 셀의 급격한 성능 저하가 초래된다.
또한, 장시간 저출력 운전시, 스택의 운전 온도가 높지 않은 상황에서 반응에 의해 생성된 생성수가 계속해서 재순환되므로, 이는 연료전지 성능 저하를 야기시키는 원인이 된다.
참고로, 연료전지 스택을 탑재한 차량의 저온 시동시 과량의 응축수가 유입되는 현상을 모사한 실험 및 해석 결과를 나타내는 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 과량의 응축수가 연료 가스(수소 및 공기중 산소)와 분리되면서 스택의 입구단 셀쪽으로 대부분 유입되는 것을 알 수 있었다.
위와 같이 응축수로 인하여 야기되는 문제점들을 해결하기 위한 일환으로서, 스택의 전후단에 워트 트랩 또는 기액 분리기를 설치하여 응축수를 제거하고 있으나, 워터 트랩 또는 기액 분리기와 같은 부품의 주목적은 기상의 연료에 섞여 있는 소량의 액적을 분리하는데 있을 뿐, 스택의 입구단에 한꺼번에 많은 양이 유입되어 적재되는 과량의 응축수를 근본적으로 제거하지는 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 셀 입구단쪽을 구성하고 있는 엔드 플레이트와 분리판 간에 바이패스 라인을 형성하고, 엔드 플레이트의 내면에 바이패스 라인을 개폐하는 온도 가변형 밸브를 설치하여, 저온 시동시와 같은 상황에서 가변형 밸브가 열리는 동시에 스택의 입구단에 존재하는 과량의 응축수를 바이패스 라인을 통해 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 입구쪽 셀 구성중 가장 바깥쪽의 분리판과 밀착 체결되는 엔드플레이트의 내표면에 응축수를 배출시킬 수 있는 바이패스 라인을 형성하고, 이 바이패스 라인에 스택의 온도에 따라 개폐되는 온도 가변형 밸브를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 상기 바이패스 라인은 엔드플레이트의 반응기체 공급 매니폴드에서 배출 매니폴드쪽으로 연장 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 바이패스 라인은 엔드플레이트의 반응기체 공급 매니폴드에서 외부로 통하는 하단끝까지 연장 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 바이패스 라인(32)은 가장 바깥쪽 분리판(20)의 외표면과 인접되는 위치에 별도로 구비되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 온도 가변형 밸브는: 엔드플레이트의 바이패스 라인 안쪽에 내설되는 실린더와; 실린더의 내부에서 후단쪽 공간내에 배치되는 파라핀 소재와; 파라핀 소재의 앞쪽에 배치되는 피스톤과; 바이패스 라인을 개폐하도록 피스톤의 전단부에 일체로 연장 형성된 밸브판과; 피스톤의 전면과 실린더 선단쪽 내표면 간에 지지되는 스프링; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 입구단쪽 셀을 구성하고 있는 분리판과 엔드 플레이트 간에 온도 가변형 밸브에 의하여 개폐되는 바이패스 라인을 형성하여, 저온 시동시와 같은 상황에서 스택의 입구단쪽에 과량의 응축수가 유입될 때, 온도 가변형 밸브가 열리게 됨으로써, 입구단쪽 셀에 유입된 과량의 응축수를 바이패스 라인을 통해 외부로 용이하게 배출시킬 수 있다.
이렇게, 저온 시동시 스택의 입구단쪽 셀로 유입되는 응축수를 미리 바이패스 라인을 통해 배출시켜서, 입구단 셀 쪽으로 응축수가 들어가는 것을 차단시킴으로써, 스택의 입구단쪽 셀의 급격한 성능 저하가 초래되는 것을 방지할 수 있고, 결국 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치의 설치 상태를 설명하는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치의 설치 상태를 나타내는 단면도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치의 작동 상태를 설명하는 요부 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치의 스택 온도별 밸브의 온/오프 작동 구간을 설명하는 그래프,
도 7은 스택의 입구단 셀쪽으로 응축수를 주입하여, 시간에 따른 스택 입구셀의 성능 변화를 실험한 결과 그래프,
도 8 및 도 9는 저온 시동시 연료전지 스택의 입구 셀쪽으로 과량의 응축수가 유입되는 현상을 모사한 결과의 그래프,
도 10은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택의 저온 시동시, 스택의 입구단쪽 셀로 유입되는 과량의 응축수를 바이패스 라인의 밸브를 열어서 외부로 배출시키고, 저온 시동후 연료전지 스택이 정상적인 작동 온도에 도달하면 응축수의 대부분이 기화되어 제거되므로 바이패스 라인의 밸브를 닫아서 반응기체(수소 또는 공기중 산소)의 유출을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 연료전지 스택의 입구단쪽 셀(40)을 구성하는 가장 바깥쪽의 분리판(20)과 이 분리판(20)에 밀착 체결되는 엔드플레이트(30)의 사이, 바람직하게는 분리판(20)과 마주보는 엔드플레이트(30)의 내표면에 응축수를 배출시킬 수 있는 바이패스 라인(32)을 형성하고, 또한 바이패스 라인(32)의 임의 위치에 스택의 온도에 따라 개폐되는 온도 가변형 밸브(40)가 설치된다.
이때, 상기 엔드플레이트(30)와 분리판(20)의 상단에는 서로 연통하는 반응기체 공급용 매니폴드들이 형성되어 있고, 이 반응기체 공급용 매니폴드들은 독립적인 공간을 이루면서 나란히 관통 형성되는 수소 공급 매니폴드와, 냉각수 공급 매니폴드와, 공기 공급 매니폴드로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 바이패스 라인(32)을 엔드플레이트(30)의 내표면에 형성하되, 반응기체를 스택으로 공급하는 반응기체 공급 매니폴드(34)에서 스택에서 반응을 마친 기체가 빠져나가는 반응기체 배출 매니폴드(36)까지 연장 형성시킨다.
또는, 상기 바이패스 라인(32)을 엔드플레이트(30)의 내표면에 형성하되, 반응기체를 스택으로 공급하는 반응기체 공급 매니폴드(34)에서 외부로 통하는 하단끝까지 연장 형성시킨다.
또는, 상기 바이패스 라인(32)을 미세한 관으로 된 것으로 별도 제작 구비하여, 가장 바깥쪽 분리판(20)의 외표면과 인접되는 위치에 설치할 수 있다.
즉, 별도로 구비된 미세 관 형태의 바이패스 라인(32)을 엔드플레이트와 가장 바깥쪽 분리판(20) 사이에 배치하여 밀착 결합시킬 수 있고, 이 바이패스 라인(32)의 일측에 온도 가변형 밸브(40)를 설치할 수 있다.
본 발명에 따른 온도 가변형 밸브(40)는 스택이 저온 상태이면 자동으로 열림 작동하고, 스택의 정상적인 운전에 따라 스택의 온도가 고온 상태가 되면 자동으로 닫힘 작동을 하는 파라핀 소재를 이용한 밸브이다.
상기 온도 가변형 밸브(40)를 구성하기 위하여, 엔드플레이트(30)에 직접 형성시킨 바이패스 라인(32) 또는 가장 바깥쪽 분리판(20)에 인접한 바이패스 라인(32)의 임의 위치에서 그 안쪽에 실린더(41)가 내설되고, 이 실린더(41)의 내부에서 후단쪽 공간내에는 주변온도에 따라 팽창 또는 수축하는 특성을 갖는 파라핀 소재(42)가 배치된다.
또한, 상기 실린더(41)의 내부에서 파라핀 소재(42)의 앞쪽에 피스톤(43)이 배치되고, 이 피스톤(43)의 전단부에는 실린더(41)의 전단을 통하여 돌출되며 연장되어 바이패스 라인(32)을 개폐하는 밸브판(44)이 일체로 형성된다.
이때, 상기 피스톤(43)의 전면과 실린더(41)의 전단쪽 내표면 간에는 스프링(45)이 배치된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치에 대한 작동 흐름을 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 동절기와 같은 연료전지 스택의 저온 시동시, 연료(수소 및 공기중 산소)공급라인, 즉 반응기체 공급 매니폴드와 연결되는 수소공급라인 및 공기공급라인에 잔존해 있던 응축수, 또는 수소 재순환라인에 잔존해 있던 응축수들이 스택으로 공급되는 반응기체와 함께 한꺼번에 스택의 입구단쪽 셀로 유입되면서 스택의 입구단쪽 셀의 급격한 성능 저하가 초래된다.
이러한 문제점을 방지하기 위한 과정으로서, 먼저 연료전지 스택의 저온 시동시, 온도 가변형 밸브(40)의 실린더(41)내에 배치되어 있던 파라핀 소재(42)가 수축을 하게 된다.
연이어, 상기 피스톤(43)의 전면과 실린더(41)의 전단쪽 내표면 간에 압축 상태로 배치되어 있던 스프링(45)의 탄성복원력에 의하여 피스톤(43)이 파라핀 소재(42)쪽으로 후진 이동을 하게 되고, 동시에 피스톤(43)과 일체로 된 밸브판(44)도 바이패스 라인(32)으로부터 후진 이동을 하게 되어, 결국 상기한 엔드플레이트(30)에 직접 형성되거나 또는 분리판(20)에 인접 배치된 바이패스 라인(32)이 열림 상태가 된다.
따라서, 응축수가 반응기체와 함께 스택의 입구단쪽 셀로 들어가기 전에 바이패스 라인(32)으로 흐르게 되고, 바이패스 라인(32)으로 유입된 응축수는 반응기체 배출 매니폴드(36)쪽으로 배출되거나, 또는 외부로 용이하게 배출되어진다.
이에 따라, 스택의 입구단쪽 셀로 응축수가 유입되는 것을 차단하여 스택의 입구단쪽 셀 뿐만 아니라 스택의 전체적 셀에 대한 성능을 그대로 유지시킬 수 있다.
한편, 연료전지 스택의 저온 시동후, 정상적인 연료전지 스택의 작동 조건에서는 스택의 온도가 충분히 올라간 상태가 되어, 스택내의 응축수들이 대부분 기화작용에 의하여 제거될 수 있고, 저온 시동 또는 운전 초기와 같이 스택에 과량의 응축수가 존재하지 않게 된다.
따라서, 스택으로 공급되는 연료(수소 또는 공기중 산소)중 많은 양의 연료가 바이패스 라인(32)으로 들어가서 버려질 수 있으므로, 바이패스 라인(32)을 막아주어야 한다.
이에 따라, 연료전지 스택의 저온 시동후, 스택의 온도가 충분히 올라간 정상적인 운전 조건에서는 온도 가변형 밸브(40)의 실린더(41)내에 배치되어 있던 파라핀 소재(42)가 팽창을 하게 된다.
연이어, 파라핀 소재(42)가 팽창하면서 피스톤(43)을 전방으로 밀게 되고, 동시에 피스톤(43)과 일체로 된 밸브판(44)도 전진 이동을 하게 되어, 밸브판(44)이 바이패스 라인(32)을 닫아주게 된다.
따라서, 스택으로 공급되는 반응기체가 바이패스 라인(32)으로 흐르지 않고 바로 스택의 입구단쪽을 셀로 공급되는 정상적인 연료 공급이 이루어진다.
이와 같이, 첨부한 도 7에 나타낸 스택의 온도에 따라 바이패스 라인(32)의 온도 가변형 밸브(40)의 열림 및 닫힘 구간이 정해짐에 따라, 저온 시동시 스택의 입구단쪽 셀로 유입되는 과량의 응축수를 바이패스 라인의 밸브를 열어서 외부로 배출시킬 수 있고, 반면에 저온 시동후 연료전지 스택이 정상적인 작동 온도에 도달하면 응축수의 대부분이 기화되어 제거되므로 바이패스 라인의 밸브를 닫아서 반응기체(수소 또는 공기중 산소)의 유출을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 시험예로서, 바이패스 라인을 갖는 엔드플레이트와, 바이패스 라인의 크기를 2배 이상 증가시킨 엔드플레이트와, 바이패스 라인을 형성하지 않은 엔드플레이트를 스택에 결합한 다음, 스택의 입구단쪽 셀에 응축수를 임의로 주입한 후, 시간에 따른 입구단쪽 셀의 전압을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 7에 도시된 바와 같다.
도 7에서 보듯이, 바이패스 라인을 갖는 경우 엔드플레이트와 스택의 입구단 셀 사이에 존재하던 응축수가 배출된 상태이므로, 스택의 입구단 셀의 성능이 저하되지 않는 것을 알 수 있었고, 반면에 바이패스 라인이 없는 경우 응축수가 스택의 입구단 셀쪽으로 유입됨에 따라 스택의 입구단 셀의 성능이 저하되는 것을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이, 저온 시동시 스택의 입구단쪽 셀로 유입되는 응축수를 미리 바이패스 라인을 통해 배출시켜서, 입구단 셀 쪽으로 응축수가 들어가는 것을 차단시킴으로써, 스택의 입구단쪽 셀의 급격한 성능 저하가 초래되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
10 : 고분자 전해질막 12 : 캐소드
14 : 애노드 16 : 가스확산층
18 : 개스킷 20 : 분리판
30 : 엔드플레이트 32 : 바이패스 라인
34 : 공급 매니폴드 36 : 배출 매니폴드
40 : 온도 가변형 밸브 41 : 실린더
42 : 파라핀 소재 43 : 피스톤
44 : 밸브판 45 : 스프링

Claims (5)

  1. 연료전지 스택의 입구쪽 셀(40) 구성중 서로 밀착되는 가장 바깥쪽의 분리판(20)과 엔드플레이트(30) 사이에 응축수를 배출시킬 수 있는 바이패스 라인(32)을 형성하고, 이 바이패스 라인(32)에 스택의 온도에 따라 개폐되는 온도 가변형 밸브(40)를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스 라인(32)은 엔드플레이트(30)의 반응기체 공급 매니폴드(34)에서 배출 매니폴드(36)쪽으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스 라인(32)은 엔드플레이트(30)의 반응기체 공급 매니폴드(34)에서 외부로 통하는 하단끝까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스 라인(32)은 가장 바깥쪽 분리판(20)의 외표면과 인접되는 위치에 별도로 구비되어 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 가변형 밸브(40)는:
    바이패스 라인(32)의 일측쪽에 내설되는 실린더(41)와;
    실린더(41)의 내부에서 후단쪽 공간내에 배치되는 파라핀 소재(42)와;
    파라핀 소재(42)의 앞쪽에 배치되는 피스톤(43)과;
    바이패스 라인(32)을 개폐하도록 피스톤(43)의 전단부에 일체로 연장 형성된 밸브판(44)과;
    피스톤(43)의 전면과 실린더(41) 선단쪽 내표면 간에 지지되는 스프링(45);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출용 온도 가변형 바이패스 장치.
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