KR101220368B1 - Fuel cell system and humidification device of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치는, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하며, 상기 가습기는 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하기 위한 제1 배출부와, 습기와 열을 포함한 상기 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함하며, 상기 제2 배출부는 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급유닛의 전단과 연결된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a fuel cell device includes: (i) a stack made up of an assembly of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell, and (iv) discharged from the cathode. A humidifier in which humidification of supply air supplied from the air supply unit is performed through hot and humid discharge air, and iii) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to a fuel electrode of the fuel cell, wherein the humidifier is configured to supply humidified air. A first outlet for supplying the cathode, and a second outlet for discharging the discharged air including moisture and heat into the atmosphere, wherein the second outlet includes a front end of the air supply unit through a bypass line; Connected.

Description

연료 전지 장치 및 그의 가습기 {FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME}FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a humidifier for humidifying air supplied to a fuel cell.

알려진 바와 같이, 연료 전지 장치의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료 전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.As is known, a fuel cell, which is a main power source of a fuel cell device, generates electricity by supplying oxygen in the air and hydrogen, which is fuel, to generate water, and high purity hydrogen is supplied from a hydrogen storage tank. The anode is supplied during operation, and the air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using an air supply device such as an air blower.

이에, 연료 전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.Accordingly, hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions are transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the oxygen supplied to the cathode is external. It combines with the electrons that enter the cathode through the lead to produce water while generating water.

여기서, 연료 전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.In this case, the polymer electrolyte membrane applied to the fuel cell vehicle is sufficiently wetted with water, so the ion conductivity increases and the loss due to resistance decreases.However, if the supply of the reaction gas with a low relative humidity is continued, the polymer electrolyte membrane is dried up and is no longer used. Since it is impossible, the humidification of the gas to be supplied must be essentially performed in the polymer electrolyte membrane fuel cell.

이를 위해 종래 기술에서는 연료 전지의 공기극을 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다. 상기 가습기는 일 예로서 중공사막 타입으로 이루어지는 바, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치를 통해 공급되는 공급 공기를 중공사막으로서 수분 교환시킴으로써 공급 공기를 가습하고 그 가습된 공기를 연료 전지의 공기극으로 공급할 수 있다.To this end, the prior art includes a humidifier for humidifying the cathode of the fuel cell. The humidifier is formed of a hollow fiber membrane type as an example, and humidifies the supply air by exchanging moisture as a hollow fiber membrane between the hot and humid exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell and the supply air supplied through the air supply device. Air can be supplied to the cathode of the fuel cell.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 공급장치를 통해 공급되는 공급 공기를 가습기로 제공함에 따라, 가습기의 내부 형상에 따라 배압이 작용하여 고주파 소음 및 소비 전력이 상승하게 되고, 연료 전지 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보하지 못하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.However, in the related art, as the humidifier provides exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell and supply air supplied through the air supply device to the humidifier, back pressure acts according to the internal shape of the humidifier to increase high frequency noise and power consumption. In other words, there is a problem that the durability and stable output of the fuel cell stack cannot be secured.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 가습기로 공급되는 공급 공기의 절대 습도를 향상시켜 연료 전지 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있고, 가습기의 가습 효율을 향상시킬 수 있으며, 가습기의 배압으로 인한 소모 전력 및 소음을 감소시킬 수 있도록 한 연료 전지 장치 및 그의 가습기를 제공한다.Therefore, an exemplary embodiment of the present invention has been created to improve the above problems, to improve the absolute humidity of the supply air supplied to the humidifier to secure the durability and stable output of the fuel cell stack, humidification of the humidifier Provided are a fuel cell device and a humidifier thereof capable of improving efficiency and reducing power consumption and noise due to back pressure of the humidifier.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치는, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하며, 상기 가습기는 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하기 위한 제1 배출부와, 습기와 열을 포함한 상기 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함하며, 상기 제2 배출부는 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급유닛의 전단과 연결된다.To this end, a fuel cell apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: (i) a stack made up of an assembly of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell, and iii) from the cathode. A humidifier in which humidification of the supply air supplied from the air supply unit is discharged through the discharged high-temperature humid air, and iii) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell, wherein the humidifier is humidified. A first discharge part for supplying air to the cathode, and a second discharge part for discharging the discharge air including moisture and heat into the atmosphere, the second discharge part of the air supply unit through a bypass line; Connected with the shear.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 바이패스 라인에는 상기 제2 배출부에 대한 상기 공기 공급유닛의 전단 및 대기와의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 바이패스 밸브가 설치될 수 있다.In the fuel cell device, a bypass valve may be installed in the bypass line to selectively open and close a connection flow path between the front end of the air supply unit and the atmosphere with respect to the second discharge part.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 바이패스 밸브는 전기적인 신호에 의해 작동하는 3-웨이 밸브로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell device, the bypass valve may be configured as a three-way valve actuated by an electrical signal.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 가습기는 하우징과, 상기 하우징에 내장되는 중공사막과, 상기 공급 공기를 도입하는 측의 상기 중공사막 전단에 설치되는 사이클론 덕트를 포함할 수 있다.In the fuel cell apparatus, the humidifier may include a housing, a hollow fiber membrane embedded in the housing, and a cyclone duct provided at the front end of the hollow fiber membrane on the side from which the supply air is introduced.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하는 제1 유입부와, 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공급 공기를 도입하는 제2 유입부를 포함할 수 있다.In the fuel cell device, the housing may include a first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, and a second inlet for introducing supply air supplied through the air supply unit. .

상기 연료 전지 장치는, 상기 제2 유입부에 대응하는 상기 중공사막의 전단에 상기 사이클론 덕트가 설치될 수 있다.In the fuel cell apparatus, the cyclone duct may be installed at a front end of the hollow fiber membrane corresponding to the second inlet.

상기 연료 전지 장치는, 상기 공기 공급유닛이 공기 블로워로서 이루어질 수 있다.The fuel cell device may include the air supply unit as an air blower.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치의 가습기는, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 것으로서, ⅰ)상기 공기극과 상기 공기 블로워에 연결되는 하우징과, ⅱ)상기 하우징에 내장되는 중공사막으로서 이루어지는 막 모듈과, ⅲ)상기 막 모듈에 연결되게 구성되며, 상기 막 모듈로 도입되는 상기 공급 공기를 와류시키는 사이클론 덕트를 포함하여 이루어진다.In addition, the humidifier of the fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention, the humidification of the supply air supplied through the air blower through the hot and humid exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, iii) the cathode And a housing connected to the air blower, ii) a membrane module formed as a hollow fiber membrane embedded in the housing, and iii) a cyclone duct configured to be connected to the membrane module and vortex the supply air introduced into the membrane module. It is made, including.

상기 연료 전지 장치의 가습기에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다.In the humidifier of the fuel cell device, the housing includes a first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, a second inlet for introducing supply air supplied through the air blower; And a first discharge part for discharging the humidified air that has been humidified by exchanging moisture between the supply air and the discharge air, and a second discharge part for discharging the discharge air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere. Can be.

상기 연료 전지 장치의 가습기는, 상기 제2 유입부에 대응하는 상기 중공사막의 전단에 상기 사이클론 덕트가 설치될 수 있다.The humidifier of the fuel cell device may be provided with the cyclone duct in front of the hollow fiber membrane corresponding to the second inlet.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 바이패스 밸브를 작동시킴으로써 가습기의 제2 배출부를 통해 배출되는 배출 공기를 바이패스 라인을 통해 공기 블로워의 전단으로 공급할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the exhaust air discharged through the second outlet of the humidifier can be supplied to the front end of the air blower through the bypass line by operating the bypass valve.

따라서, 본 실시예에서는 습기와 열을 포함하며 가습기에서 배출되는 배출 공기를 공기 블로워의 전단으로 공급함에 따라 공기 블로워를 통해 가습기로 공급되는 공급 공기의 절대 습도를 향상시켜 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있다.Therefore, in the present embodiment, as the exhaust air discharged from the humidifier is supplied to the front of the air blower in the present embodiment, the absolute humidity of the supply air supplied to the humidifier through the air blower is improved to provide durability and stable output of the stack. It can be secured.

또한, 본 실시예에서는 차량의 고출력 구간에서 바이패스 밸브의 오픈 사이클을 조절하여 능동적인 공기 유량 응답성을 향상시킴으로써 공기 블로워의 소비 전력 감소에 따른 연비를 향상시킬 수 있다.In addition, in this embodiment, by adjusting the open cycle of the bypass valve in the high-power section of the vehicle to improve the active air flow rate responsiveness, it is possible to improve the fuel economy according to the power consumption of the air blower.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치의 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a view schematically illustrating a humidifier of a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치(100)는 연료로서의 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.Referring to the drawings, the fuel cell apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is configured as a kind of power generation system that generates electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen as fuel and air as oxidant.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 장치(100)는 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습기(50)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.The fuel cell device 100 according to the present embodiment basically includes a stack 10, an air supply unit 30, a humidifier 50, a hydrogen supply unit 70, and a hydrogen recycle unit 90. It is configured to include, and described by the configuration as follows.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.The stack 10 has an aggregate structure of fuel cells 17 in which an air electrode 13 and a fuel electrode 15 are disposed on both sides thereof with a membrane-electrode assembly 11 (MEA) interposed therebetween.

여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지(17)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다. 이 경우 상기 연료 전지(17)가 고출력인 경우, 공기극(13)에서는 고온 건조한 공기가 배출될 수도 있다.Here, the air electrode 13 of the fuel cell 17 discharges hot and humid wet air (hereinafter referred to as "exhaust air" for convenience), and the fuel electrode 17 of the fuel cell 17 serves as unreacted hydrogen. Discharge hot and humid hydrogen. In this case, when the fuel cell 17 has a high output, hot air may be discharged from the cathode 13.

상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 건조 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.The air supply unit 30 is for supplying air to the cathode 13 of the fuel cell 17. The air supply unit 30 sucks dry air (hereinafter referred to as "supply air" for convenience) in the atmosphere and supplies the air to the cathode ( 13) may include an air blower (31) which can be supplied.

본 실시예에서, 상기 가습기(50)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 이용하여, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.In the present embodiment, the humidifier 50 is humidified of the supply air supplied from the air blower 31 by using the hot and humid exhaust air discharged from the cathode 13 of the fuel cell 17, and the humidification is performed. To supply the supplied air to the cathode 13.

이와 같은 본 실시예에 따른 상기 가습기(50)의 구성은 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.The configuration of the humidifier 50 according to this embodiment will be described in more detail later with reference to FIG. 2.

상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함할 수 있다.In the above, the hydrogen supply unit 70 is for supplying hydrogen to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17. The hydrogen tank 71 may store hydrogen gas and supply the hydrogen gas to the fuel electrode 15. It may include.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.The hydrogen recirculation unit 90 mixes hot humidified hydrogen discharged from the fuel electrode 15 of the fuel cell 17 and dry hydrogen supplied from the hydrogen tank 71 to convert the humidified mixed hydrogen into the fuel electrode 15. ) To supply.

여기서, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(91)와, 그 수소 블로워(91)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하는 믹서(93)와, 미반응한 수소를 대기 중으로 방출시키기 위한 퍼지 밸브(95)를 포함할 수 있다.Here, the hydrogen recirculation unit 90 includes a hydrogen blower 91 for sucking high temperature and high humidity hydrogen discharged from the anode 15, and a high temperature and high humidity hydrogen and hydrogen tank sucked through the hydrogen blower 91. Mixer 93 for mixing the dry hydrogen supplied from the (), and a purge valve 95 for releasing unreacted hydrogen into the atmosphere.

상술한 바와 같은 스택(10), 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(90)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the stack 10, the air supply unit 30, the hydrogen supply unit 70, and the hydrogen recycle unit 90 as described above are well known in the art, a more detailed description of the configuration will be given herein. It will be omitted.

도면에서 미설명된 참조 부호 99는 연료 전지(17)의 연료극(15)에서 생성된 응축수를 포집 및 배출하기 위한 워터 트랩을 나타낸다.Reference numeral 99, which is not described in the drawing, represents a water trap for collecting and discharging condensate generated at the anode 15 of the fuel cell 17.

상기에서와 같은 본 실시예에 의한 상기 연료 전지 장치(100)는 공기 블로워(31)를 통해 가습기(50)로 공급되는 공급 공기의 절대 습도를 향상시켜 스택(10)의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있으며, 가습기(50)의 가습 효율을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 공기 블로워(31)의 소모 전력 및 소음을 감소시킬 수 있는 구조로서 이루어진다. The fuel cell apparatus 100 according to the present embodiment as described above improves the absolute humidity of the supply air supplied to the humidifier 50 through the air blower 31 to secure the durability and stable output of the stack 10. It is possible to improve the humidification efficiency of the humidifier 50, thereby making it a structure that can reduce the power consumption and noise of the air blower (31).

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치(100)는 하기에서와 같은 가습기(50)를 구성하는 바, 이러한 가습기(50)를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.To this end, the fuel cell device 100 according to the exemplary embodiment of the present invention constitutes a humidifier 50 as described below. The humidifier 50 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치의 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a view schematically illustrating a humidifier of a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치(100)의 가습기(50)는 하우징(51)과, 그 하우징(51)에 내장되는 막 모듈(55)과, 막 모듈(55)에 연결되는 사이클론 덕트(57)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the humidifier 50 of the fuel cell apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a housing 51, a membrane module 55 embedded in the housing 51, and a humidifier 50. And a cyclone duct 57 connected to the membrane module 55.

상기에서, 하우징(51)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 도입하는 제1 유입부(53a)와, 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)와, 그 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부(53d)를 형성하고 있다.In the housing 51, the first inlet 53a for introducing hot and humid exhaust air discharged from the cathode 13 of the fuel cell 17 and the supply air supplied through the air blower 31 are provided. Water is removed through the second inlet 53b to be introduced, the first outlet 53c for discharging humidified air through which moisture is exchanged between the supply air and the discharged air, and the membrane module 55. A second discharge portion 53d for discharging the discharged air into the atmosphere is formed.

즉, 상기 제1 유입부(53a)는 제1 연결라인(54a)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결되며, 제2 유입부(53b)는 제2 연결라인(54b)을 통해 공기 블로워(31)와 연결되고, 제1 배출부(53c)는 제3 연결라인(54c)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결될 수 있다.That is, the first inlet 53a is connected to the cathode 13 of the fuel cell 17 through the first connection line 54a, and the second inlet 53b connects the second connection line 54b. The air blower 31 may be connected to each other, and the first discharge part 53c may be connected to the cathode 13 of the fuel cell 17 through the third connection line 54c.

여기서, 상기 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출되는 배출 공기는 습기와 열을 포함하고 있다.Here, the discharged air discharged into the atmosphere through the second discharge part 53d includes moisture and heat.

상기 막 모듈(55)은 하우징(51)의 내부에 내장되며, 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막(56)으로서 구비될 수 있다.The membrane module 55 is embedded in the housing 51 and may be provided as a hollow fiber membrane 56 in which humidification of the supply air is performed as moisture exchange between the supply air and the exhaust air.

본 실시예에서, 상기 가습기(50)의 제2 배출부(53d)는 도 1에서와 같은 바이패스 라인(58)을 통해 공기 블로워(31)의 전단과 연결될 수 있다.In the present embodiment, the second outlet 53d of the humidifier 50 may be connected to the front end of the air blower 31 through the bypass line 58 as shown in FIG. 1.

즉, 상기 바이패스 라인(58)은 제2 배출부(53d)를 통해 배출되는 배출 공기의 습기와 열을 공기 블로워(31)의 전단으로 공급하는 기능을 하게 된다.That is, the bypass line 58 functions to supply moisture and heat of the discharged air discharged through the second discharge part 53d to the front end of the air blower 31.

이 경우, 상기 바이패스 라인(58)에는 제2 배출부(53d)에 대한 공기 블로워(31) 전단 및 대기와의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 바이패스 밸브(59)가 설치된다. 바이패스 밸브(59)는 제어부(도면에 도시되지 않음)를 통한 전기적인 신호로서 상기한 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브(3-way valve)로서 이루어진다.In this case, the bypass line 58 is provided with a bypass valve 59 for selectively opening and closing the air blower 31 for the second discharge part 53d and a connection flow path to the atmosphere. The bypass valve 59 is constituted as a 3-way valve for selectively opening and closing the connection flow path as an electrical signal through a control unit (not shown in the figure).

본 실시예에서 상기 사이클론 덕트(57)는 공기 블로워(31)를 통해 막 모듈(55)의 중공사막(56)으로 도입되는 공급 공기를 와류시키기 위한 것이다.In this embodiment, the cyclone duct 57 is for vortexing supply air introduced into the hollow fiber membrane 56 of the membrane module 55 through the air blower 31.

상기 사이클론 덕트(57)는 공급 공기를 도입하는 측의 중공사막(56) 전단, 즉 하우징(51)의 제2 유입부(53b) 측에 일체형으로 제작되는 바, 하우징(51)의 내부에서 중공사막(56)의 전단에 연결되게 구성된다.The cyclone duct 57 is integrally manufactured at the front end of the hollow fiber membrane 56 on the side from which the supply air is introduced, that is, on the side of the second inlet portion 53b of the housing 51. And is connected to the front end of the desert 56.

이러한 사이클론 덕트(57)는 공기 블로워(31)를 통해 막 모듈(55)의 중공사막(56)으로 도입되는 공급 공기를 급속 선회시켜 그 공급 공기에 와류를 형성할 수 있는 통상적인 구조의 사이클론(cyclone)으로서 이루어질 수 있다.The cyclone duct 57 is a cyclone having a conventional structure capable of rapidly turning the supply air introduced into the hollow fiber membrane 56 of the membrane module 55 through the air blower 31 to form a vortex in the supply air. cyclone).

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치(100)에 의하면, 연료 전지(17)를 통한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 미반응 공기로서의 고온 다습한 배출 공기를 배출한다.Therefore, according to the fuel cell device 100 according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, in the process of generating electrical energy as an electrochemical reaction of hydrogen and air through the fuel cell 17, The cathode 13 of the fuel cell 17 discharges high-temperature, humid discharged air as unreacted air.

여기서, 상기 고온 다습한 배출 공기는 제1 연결라인(54a)을 통해 가습기(50)에 있어 하우징(51) 내부의 막 모듈(55)로 유입되고, 대기 중의 공기는 공기 공급유닛(30)의 공기 블로워(31)를 통해 흡입되면서 제2 연결라인(54b)을 통해 막 모듈(55)로 공급된다.Here, the high temperature and high humidity discharge air is introduced into the membrane module 55 in the housing 51 in the humidifier 50 through the first connection line 54a, and the air in the air is supplied to the air supply unit 30. It is sucked through the air blower 31 and is supplied to the membrane module 55 through the second connection line 54b.

상기 과정에서, 본 실시예에서는 하우징(51)의 제2 유입부(53b) 측에서 중공사막(56)의 전단에 연결되는 사이클론 덕트(57)를 구성하므로, 공기 블로워(31)를 통해 막 모듈(55)의 중공사막(56)으로 도입되는 공급 공기를 급속 선회시켜 그 공급 공기에 와류를 형성할 수 있게 된다.In the above process, since the cyclone duct 57 is connected to the front end of the hollow fiber membrane 56 at the second inlet portion 53b side of the housing 51, the membrane module through the air blower 31. The supply air introduced into the hollow fiber membrane 56 of 55 can be rapidly turned to form a vortex in the supply air.

따라서, 본 실시예에서는 가습기(50)의 가습 효율을 향상시킬 수 있고, 공급 공기의 급속 선회에 따른 공기의 유량을 증대시킴으로써 공기 블로워(31)의 소비 전력 및 소음을 감소시킬 수 있다.Therefore, in this embodiment, the humidification efficiency of the humidifier 50 can be improved, and the power consumption and noise of the air blower 31 can be reduced by increasing the flow rate of the air according to the rapid turning of the supply air.

한편, 상기 가습기(50)의 하우징(51) 내부에서는 막 모듈(55)에 의한 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지게 되며, 그 가습된 공기는 제3 연결라인(54c)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급된다.Meanwhile, in the housing 51 of the humidifier 50, the supply air is humidified by the membrane module 55 to exchange moisture between the supply air and the discharge air, and the humidified air is connected to the third connection line 54c. ) Is supplied to the cathode 13 of the fuel cell 17.

그리고, 상기 하우징(51)의 내부에서 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기 즉, 습기와 열을 포함한 배출 공기는 그 하우징(51)의 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.In addition, the exhaust air from which moisture is removed from the inside of the housing 51 through the membrane module 55, that is, the exhaust air including moisture and heat, is transferred to the atmosphere through the second outlet 53d of the housing 51. May be discharged.

상기한 과정에서, 본 실시예에서는 바이패스 밸브(59)를 작동시킴으로써 가습기(50)의 제2 배출부(53d)를 통해 배출되는 배출 공기를 바이패스 라인(58)을 통해 공기 블로워(31)의 전단으로 공급할 수 있다.In the above-described process, in the present embodiment, the air blower 31 discharges the discharged air discharged through the second discharge portion 53d of the humidifier 50 through the bypass line 58 by operating the bypass valve 59. It can be supplied at the shear of.

따라서, 본 실시예에서는 습기와 열을 포함한 상기 배출 공기를 공기 블로워(31)의 전단으로 공급함에 따라 공기 블로워(31)를 통해 가습기(50)로 공급되는 공급 공기의 절대 습도를 향상시켜 스택(10)의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있게 된다.Therefore, in the present embodiment, as the exhaust air including moisture and heat is supplied to the front end of the air blower 31, the absolute humidity of the supply air supplied to the humidifier 50 through the air blower 31 is improved to improve the stack ( 10) durability and stable output can be secured.

또한, 본 실시예에서는 차량의 고출력 구간 예컨대, 가속, 추월, 고속 운행 시, 바이패스 밸브(59)의 오픈 사이클(주기, 시간)을 조절하여 능동적인 공기 유량 응답성을 향상시킴으로써 공기 블로워(31)의 소비 전력 감소에 따른 연비를 향상시킬 수 있다.In addition, in the present embodiment, the air blower 31 is improved by adjusting the open cycle (cycle, time) of the bypass valve 59 in a high-power section of the vehicle, for example, during acceleration, overtaking, and high-speed operation. ) Can improve fuel economy due to the reduced power consumption.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 스택 31... 공기 블로워
50... 가습기 51... 하우징
55... 막 모듈 56... 중공사막
57... 사이클론 덕트 58... 바이패스 라인
59... 바이패스 밸브 70... 수소 공급유닛
90... 수소 재순환유닛10 ... Stack 31 ... Air Blowers
50 ... Humidifier 51 ... Housing
55 ... Membrane Module 56 ... Hollow Fiber Membrane
57 ... cyclone duct 58 ... bypass line
59 ... Bypass valve 70 ... Hydrogen supply unit
90. Hydrogen Recirculation Unit

Claims (8)

연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기; 및
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛
을 포함하며,
상기 가습기는 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하기 위한 제1 배출부와, 습기와 열을 포함한 상기 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함하며,
상기 제2 배출부는 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급유닛의 전단과 연결되고,
상기 바이패스 라인에는 상기 제2 배출부에 대한 상기 공기 공급유닛의 전단 및 대기와의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 바이패스 밸브가 설치되는 연료 전지 장치.A stack formed as an assembly of fuel cells;
An air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell;
A humidifier in which humidification of supply air supplied from the air supply unit is performed through hot and humid discharge air discharged from the air electrode; And
Hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell
/ RTI >
The humidifier includes a first discharge part for supplying humidified air to the cathode, and a second discharge part for discharging the discharge air including moisture and heat into the atmosphere.
The second outlet is connected to the front end of the air supply unit through the bypass line,
The bypass line is provided with a bypass valve for selectively opening and closing the connection flow path between the front end of the air supply unit and the atmosphere for the second discharge portion. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 바이패스 밸브는 전기적인 신호에 의해 작동하는 3-웨이 밸브로서 이루어지는 연료 전지 장치.The method according to claim 1,
And the bypass valve is configured as a three-way valve operated by an electrical signal. 제1 항에 있어서,
상기 가습기는,
하우징과,
상기 하우징에 내장되는 중공사막과,
상기 공급 공기를 도입하는 측의 상기 중공사막 전단에 설치되는 사이클론 덕트를 포함하는 연료 전지 장치.The method according to claim 1,
The humidifier,
A housing,
A hollow fiber membrane embedded in the housing;
And a cyclone duct provided at the front end of the hollow fiber membrane on the side introducing the supply air. 제4 항에 있어서,
상기 하우징은,
상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하는 제1 유입부와, 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공급 공기를 도입하는 제2 유입부를 포함하며,
상기 제2 유입부에 대응하는 상기 중공사막의 전단에 상기 사이클론 덕트가 설치되는 연료 전지 장치.5. The method of claim 4,
The housing includes:
A first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, and a second inlet for introducing supply air supplied through the air supply unit,
And a cyclone duct provided at a front end of the hollow fiber membrane corresponding to the second inlet. 제1 항에 있어서,
상기 공기 공급유닛이 공기 블로워로서 이루어지는 연료 전지 장치.The method according to claim 1,
A fuel cell device in which the air supply unit is an air blower. 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 연료 전지 장치의 가습기로서,
상기 공기극과 상기 공기 블로워에 연결되는 하우징;
상기 하우징에 내장되는 중공사막으로서 이루어지는 막 모듈; 및
상기 막 모듈에 연결되게 구성되며, 상기 막 모듈로 도입되는 상기 공급 공기를 와류시키는 사이클론 덕트를 포함하며,
상기 하우징은 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함하고,
상기 제2 유입부에 대응하는 상기 중공사막의 전단에 상기 사이클론 덕트가 설치되는 연료 전지 장치의 가습기.A humidifier of a fuel cell device in which humidification of supply air supplied through an air blower is performed through high temperature and high humidity discharge air discharged from an air electrode of a fuel cell,
A housing connected to the air electrode and the air blower;
A membrane module formed as a hollow fiber membrane embedded in the housing; And
A cyclone duct configured to be connected to the membrane module and vortexing the supply air introduced into the membrane module,
The housing includes a first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, a second inlet for introducing supply air supplied through the air blower, and moisture of the supply air and the exhaust air. A first discharge part for discharging the humidified air humidified through the exchange, and a second discharge part for discharging the discharged air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere;
A humidifier of a fuel cell device, wherein the cyclone duct is provided at a front end of the hollow fiber membrane corresponding to the second inlet. 삭제delete
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