KR101230891B1

KR101230891B1 - 연료전지용 가습장치 및 이를 보조가습장치로 이용하는 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101230891B1
Application number: KR1020100100066A
Authority: KR
Inventors: 고행진; 금영범; 노영우; 김윤석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2013-02-07
Also published as: KR20120038564A; CN102456900B; CN102456900A; US20120094197A1; US8541139B2

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 기존의 가스 대 가스 가습장치와 함께 설치되어 보조가습장치로 사용됨으로써 가스대 가스 가습장치의 저효율 구간에서 가습 성능을 보완할 수 있고, 이에 연료전지 스택의 출력 향상 및 고효율 운전을 가능하게 하는 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 스택에서 수분 과포화 상태의 배기가스가 배출되는 스택 배기관의 도중에 연결 설치되어 배기가스에서 응축된 물을 공급하는 입구어셈블리와; 연료전지 스택에 공급될 가습 대상의 공급가스가 통과하는 스택 급기관의 도중에 연결 설치되어 하기 펌핑관을 통해 전달되는 물을 스택 급기관에 공급하여 공급가스의 가습이 이루어지도록 하는 출구어셈블리와; 내부에 다공체가 충전되고 상기 다공체 양단에 전압을 인가하기 위한 전극이 구비되며 상기 입구어셈블리와 출구어셈블리 사이에 연결 설치되어, 전극의 전압 인가시 전기삼투에 의한 펌핑력으로 다공체 내 모세관 통로를 통해 물을 이동시키는 펌핑관;을 포함하는 연료전지용 가습장치가 개시된다.

Description

연료전지용 가습장치 및 이를 보조가습장치로 이용하는 연료전지 시스템{Humidification device for fuel cell and fuel cell system using the same as auxiliary humidification device}

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 가스 대 가스 가습장치와 더불어 연료전지의 보조가습장치로 설치되어 가스 대 가스 가습장치의 저효율 구간에서 가습 성능을 보완해줄 수 있는 가습장치에 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 전력을 공급하는 데에도 적용할 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 전기화학 반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 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.

고분자 전해질막 연료전지에서 수분이 부족하면 수소 이온의 전도도가 감소하는 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 캐소드 내부로 유입되어 막전극접합체를 가습함으로써 이온 전도도를 높인 후 배기 매니폴드를 통해 대기 또는 응축기 등으로 방출된다.

가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등 여러 방식이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막가습기(Membrane Humidifier)가 적용되고 있다.

막가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있으며, 연료전지 스택의 캐소드 입구단으로 공급되는 가스가 캐소드 출구단에서 배출되는 고온 다습한 가스로부터 수분과 함께 연료전지 배기열을 전달받을 수 있는 이점이 있다.

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 통과시킨다.

이때 연료전지 스택(130)의 캐소드 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 습공기를 막가습기(120)에 통과시켜, 과포화 습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(130)의 캐소드 입구에 공급한다.

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

한편, 가습 성능 및 스택 출력 성능을 향상시키기 위해 막가습기와 더불어 보조가습장치를 구비하는 연료전지 시스템이 개시되어 있다. 공개특허 제2008-42614호에는 막가습기에 배출구를 구비하여 막가습기의 배출구를 통해 배출되는 응축수를 워터 리저버에 저장한 뒤, 연료전지 스택의 고출력이 요구될 때 워터 리저버의 물을 인젝선 펌프 및 인젝터를 통해 연료전지 스택에 공급되는 공기에 분사함으로써 공급 공기의 가습량을 증가시키는 구성이 개시되어 있다.

또한 미국특허 6,696,192에서는 막가습기 외에 물수집장치와 보조가습장치를 구비한 연료전지 시스템이 개시되어 있으며, 물수집장치는 기액분리기와 저장탱크로 구성되고, 보조가습장치는 워터펌프와 체크밸브, 배관, 인젝터로 구성되어, 아토마이즈된 상태의 수분을 연료전지 스택에 공급되는 공기에 분사하도록 되어 있다.

이와 같이 고출력 운전 또는 시동시와 같이 열과 배기 수분이 부족할 때 가습 성능을 보완하고자 배기가스에서 수분을 분리하여 공급가스에 적정량 분사하는 인젝터 기술이 혼용되고 있다.

미국특허 7,258,937에서는 공기공급용 컴프레서를 구비한 고압 시스템에서 기액분리기, 미터링 장치, 인젝터와 제어기를 구비하여, 컴프레서가 외부 공기(Fresh Air)와 스택에서 배기되는 가스의 혼합기(신기와 배기의 혼합기)를 흡입, 압축하여 공급하고, 인젝터가 배기가스로부터 분리된 물을 컴프레서 내의 혼합기에 분사하는 시스템이 개시되어 있다.

혼합기에 분사된 물은 공기의 압축열에 의해 기화되어 컴프레서를 냉각함과 동시에 공기를 가습하게 된다. 또한 컴프레서에 직접 분사하는 방법으로는 스택에 공급되는 공기를 충분히 가습할 수 없으므로 배기와 신기가 혼합된 혼합기에 부족한 수분만을 직접 분사하는 방식을 취함으로써 시스템의 효율 저하를 줄일 수 있게 되어 있다.

그러나, 종래의 가습장치를 이용하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 가스 대 가스 가습장치의 경우, 스택 배기열과 스택에서 배기되는 수증기를 동시에 회수하여 이용할 수 있는 무동력 가습장치이므로 효율은 좋으나, 수동 가습방식이므로 구조적인 특성상 저효율 구간이 발생한다.

2) 기존 가스 대 가스 가습장치의 저효율 구간을 보완하고자 인젝션 기술을 적용하는 경우, 그에 따른 부가장치, 예컨대 인젝터용 물탱크, 기액 분리장치, 인젝터, 인젝터 챔버, 배관, 제어기, 분사량 측정장치, 센서류 등에 의해 시스템이 복잡해지고, 부피, 중량, 원가, 소음이 상승하는 문제점이 있게 된다. 또한 기액 분리(물 분리), 고압 압축, 인젝터 분사로 이루어지는 작동 시스템에서 인젝터의 적절한 분사시점 및 분사량 등을 제어하는데 어려움이 있다.

3) 가습을 용이하게 하기 위해서는 미세 액적을 분사해야 하므로 인젝션 압력을 높여야 하고, 고압 펌프의 적용, 물탱크 용량의 확보, 수위 조절이 필수적이다. 또한 기액 분리 용량을 증대시킬 경우 패키징 측면에서 불리함이 있고, 냉각 불만족 등 연료전지 차량의 냉각 성능 부족을 더욱 심화시키는 모순이 발생한다.

4) 겨울철과 같이 외기가 영하의 조건인 경우, 물이 저장되어 있는 물탱크의 빙결을 막기 위해 히터 및 단열 처리 등 동결방지수단이 필요하고, 히팅으로 인한 시동 지연 및 배터리 전력 소모 등으로 인해 차량 상품성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 기존의 가스 대 가스 가습장치와 함께 설치되어 보조가습장치로 사용됨으로써 가스대 가스 가습장치의 저효율 구간에서 가습 성능을 보완할 수 있고, 이에 연료전지 스택의 출력 향상 및 고효율 운전을 가능하게 하는 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 기존의 인젝션 기술 적용시에 비해 간단한 구조로 구성되어 부피, 중량, 원가, 소음이 저감될 수 있고, 제어가 용이한 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택에서 수분 과포화 상태의 배기가스가 배출되는 스택 배기관의 도중에 연결 설치되어 배기가스에서 응축된 물을 공급하는 입구어셈블리와; 연료전지 스택에 공급될 가습 대상의 공급가스가 통과하는 스택 급기관의 도중에 연결 설치되어 하기 펌핑관을 통해 전달되는 물을 스택 급기관에 공급하여 공급가스의 가습이 이루어지도록 하는 출구어셈블리와; 내부에 다공체가 충전되고 상기 다공체 양단에 전압을 인가하기 위한 전극이 구비되며 상기 입구어셈블리와 출구어셈블리 사이에 연결 설치되어, 전극의 전압 인가시 전기삼투에 의한 펌핑력으로 다공체 내 모세관 통로를 통해 물을 이동시키는 펌핑관;을 포함하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 입구어셈블리와 출구어셈블리는 스택 배기관과 스택 급기관의 도중에 연결 설치되는 연결관부와, 상기 연결관부에서 분기 형성되고 펌핑관의 단부가 연결되는 포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 각 포트 내부에는 다공체가 충전되고 다공체 양단에 전압을 인가하기 위한 전극이 구비되어, 전극의 전압 인가시 전기삼투에 의한 펌핑력으로 포트 내 다공체의 모세관 통로를 통해 물을 이동시키도록 된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전극은 물이 통과하도록 통공들이 형성된 메쉬 형상의 전도체 플레이트를 다공체의 양단에 배치하여 구성되고, 전극의 일측에는 전압 인가용 도선이 접속되는 리드가 외부 연장되도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 입구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기배기관에 설치되고, 상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기공급관에 설치되어, 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기 가습용으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습을 위한 주가습장치의 전단 또는 후단의 공기공급관에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 입구어셈블리에는 물의 응축량 증대를 위해 수분 과포화 상태의 배기가스가 통과하는 벽면을 냉각하기 위한 냉각수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉각수단은, 스택 급기관에 연결 설치된 입구어셈블리의 연결관부 주변에 이격부재에 의해 간격이 유지되도록 고정되는 고정 브라켓과, 상기 고정 브라켓에 설치되는 초음파 진동소자를 포함하여 구성되고, 상기 초음파 진동소자로의 전원 인가시 초음파 진동에 의해 발생하는 음향유동에 의해 냉각을 수행하는 초음파 냉각수단인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기한 가습장치의 입구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기배기관에, 입구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 입구단에 연결된 공기공급관에 설치되어, 상기 가습장치가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습을 위한 주가습장치의 전단 또는 후단의 공기배기관에 설치되어, 상기 가습장치가 주가습장치와 더불어 공기를 가습하는 보조가습용으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치는 기존의 가스 대 가스 가습장치와 함께 설치되는 보조가습장치로 사용됨으로써 가스대 가스 가습장치의 저효율 구간에서 가습 성능을 보완할 수 있고, 이에 연료전지 스택의 출력 향상 및 고효율 운전을 가능하게 한다.

또한 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치는 기존의 인젝션 기술 적용시에 비해 간단한 구조로 구성되어 부피, 중량, 원가, 소음이 저감될 수 있고, 제어 용이, 무빙파트 부재에 따른 내구 수명 증대의 이점이 있게 된다.

또한 종래의 인젝션 방식 적용으로 인한 차량 냉각 성능 악화 등 성능 문제를 해소할 수 있고, 초음파 진동 및 음향유동 효과를 이용하는 냉각수단 적용으로 국부적인 냉각으로 액적의 포집량을 증대시키며, 액적 미세화와 가습 효율의 향상이 가능해진다.

도 1은 통상의 연료전지 시스템에서 막가습기를 이용하여 공기를 가습한 후 공급하는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 작동 원리를 나타내는 도면으로서, 전기삼투 현상에 대해 설명하는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 가습장치가 설치된 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가습장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 가습장치에서 입구어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 가습장치에서 입구어셈블리의 분해사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 가습장치에서 출구어셈블리의 분해사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가습장치에서 펌핑관을 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 가습장치에 펌핑관의 분해사시도이다.

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

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 기존의 가스 대 가스(Gas to Gas) 가습장치와 함께 설치되어 보조가습장치로 사용될 수 있는 새로운 형태의 전기삼투 방식의 가습장치에 관한 것이다.

주가습장치가 되는 가스 대 가스 가습장치로는 중공사막(Hollow Fiber)을 이용하는 통상의 막가습기(Membrane Humidifier)가 될 수 있다.

막가습기와 더불어 본 발명의 가습장치가 추가 설치될 경우 막가습기의 저효율 구간에서 가습 성능을 보완할 수 있으므로 연료전지의 출력 향상 및 고효율 운전이 가능해진다.

본 발명의 가습장치는 전기삼투(Electroosmosis)를 이용하는 것으로, 수분 과포화 상태의 스택 배기가스(과포화 습공기)에서 포집되는 물을 전기삼투 현상을 이용하여 이동시킴으로써 공기의 가습이 이루어지도록 한다.

특히, 본 발명의 가습장치는 가습을 위해 별도의 기액 분리장치 없이 상대습도(RH) 100%를 넘는 스택 배기가스에서 액적을 포집하여 전기삼투를 이용해 공기공급관으로 전달하는데, 도 2는 본 발명의 작동 원리를 나타내는 도면으로서, 전기삼투 현상에 대해 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 전기삼투 현상은 전압 차이에 의해 일어나는 삼투 현상이며, 다공질의 벽이나 모세관 따위로 액체의 유동 통로를 만들어준 뒤 양쪽에 전극을 넣어 전압을 걸어줄 경우 액체가 유동 통로를 따라 한쪽(양극)에서 다른 쪽(음극)으로 이동하는 현상이다.

이때 다공성 물질의 고체에 형성되는 전위차에 따라 물의 이온들이 밀집하여 전기적 성질을 갖는 이중층을 형성하게 되고, 밀집된 물이 전위차에 의해 다공성 고체 내 모세관 통로를 따라 이동하는 흐름을 형성하게 되는데, 유량은 전위차와 통로 단면적에 비례하게 된다.

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 가습장치가 설치된 연료전지 시스템의 구성도로서, 도 3은 스택 배기관(22)과 주가습장치(23) 전단의 스택 급기관(21) 사이에, 도 4는 스택 배기관(22)과 주가습장치(23) 후단의 스택 급기관(21) 사이에 가습장치가 구성되는 실시예를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 가습장치는 수분 과포화 상태의 스택 배기가스가 배출되는 스택 배기관(22)과, 가습 대상의 스택 공급가스가 공급되는 스택 급기관(21) 사이에 설치된다.

특히, 공기배기관(22)을 통해 배출되는 스택 캐소드의 배기가스, 즉 과포화 습공기에서 응집된 물을 전기삼투 현상을 이용하여 공기공급관(21)으로 이동시키는 구성으로서, 분기관 구조로 구비되어 공기배기관(22)과 공기공급관(21)에 설치되는 입구어셈블리(30)와 출구어셈블리(40), 그리고 입구어셈블리(30)와 출구어셈블리(40) 사이를 연결하는 전기삼투(EO:Electro-osmotic) 펌핑관(50)을 포함하여 구성된다.

이때 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기의 가습을 위해, 본 발명의 가습장치는, 상기 스택 배기관(22)으로서 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구단에 연결된 공기배기관(22)과, 상기 스택 급기관(21)으로서 주가습장치(23)인 막가습기(23)의 전단 또는 후단에 연결된 공기공급관(21) 사이에 펌핑관(50)을 연결하고, 후술하는 바와 같이 이 펌핑관(50)의 내부에 다공체를 충전(充塡)한 뒤 다공체의 양단에 전압을 인가하기 위한 전극을 설치하여 구성된다.

연료전지 시스템에서 공기배기관(22)에는 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구단으로 배출되는 과포화 습공기가 흐르게 되고, 공기공급관(21)에는 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구단으로 공급될 공기가 흐르게 된다.

이에 본 발명의 가습장치는 공기배기관(22)의 과포화 습공기로부터 포집된 물을 전기삼투 현상의 펌핑력을 이용하여 공기공급관(21)에 공급해줌으로써, 상기 공기공급관(21)을 통해 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기를 가습하게 된다.

도 3과 도 4의 실시예에서, 막가습기(23)에는 공기공급기(20), 예컨대 공기블로워에 의해 흡입된 공기가 공급되는 스택 급기관(21), 즉 막가습기(23) 전단의 공기공급관과, 막가습기(23)에서 가습이 이루어진 가습공기가 연료전지 스택(10)에 공급될 수 있도록 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구단으로 연결되는 막가습기(23) 후단의 공기공급관이 연결된다.

또한 막가습기(23)에는 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구단을 통해 배기되는 과포화 습공기가 흐르게 되는 스택 배기관(22), 즉 과포화 습공기가 공급되는 막가습기(23) 전단의 공기배기관과, 막가습기(23)에서 가습을 마친 공기를 배기하기 위한 막가습기(23) 후단의 공기배기관이 연결된다.

이에 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구단에서 배기된 과포화 습공기가 막가습기(23) 전단의 공기배기관(22)을 통해 막가습기(23)의 하우징 내부로 공급되면, 중공사막(24) 내부를 통과하는 공기에 수분과 열을 전달하고, 이후 막가습기(23) 후단의 공기배기관(22)을 통해 외부로 배출된다.

또한 공기공급기(20)에 의해 막가습기(23) 전단의 공기공급관(21)을 통해 압송된 외부 공기(신기)는 막가습기(23)의 중공사막(24) 내부를 통과하게 되고, 중공사막(24) 내부를 통과하는 동안 하우징 내부로 공급된 과포화 습공기로부터 수분과 열을 전달받아 가습된 뒤 막가습기(23) 후단의 공기공급관(21)을 통해 연료전지 스택(10)의 캐소드로 공급된다.

그리고, 본 발명의 가습장치에서, 입구어셈블리(30)는 공기배기관(22)의 도중에 설치되어 연료전지 스택(10)에서 배기되는 과포화 습공기를 통과시키면서 과포화 습공기에 포함된 액적을 포집하여 펌핑관(50)으로 공급하는 역할을 하고, 출구어셈블리(40)는 공기공급관(21)의 도중에 설치되어 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기를 통과시키면서 펌핑관(50)을 통해 이동된 물을 공기공급관(21)의 공기에 주입하는 역할을 한다.

또한 전기삼투(EO) 펌핑관(50)은 입구어셈블리(30)에서 포집된 물을 다공체 내 모세관의 전기삼투 현상에 의해 출구어셈블리(40)로 이동시키는 펌핑 작용을 하게 된다.

각각의 구성을 좀더 구체적으로 설명하면, 도 5는 본 발명에 따른 가습장치의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 가습장치에서 입구어셈블리를 나타내는 사시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 가습장치에서 입구어셈블리의 분해사시도, 도 8은 본 발명에 따른 가습장치에서 출구어셈블리의 분해사시도, 도 9는 본 발명에 따른 가습장치에서 펌핑관을 나타내는 사시도, 도 10은 본 발명에 따른 가습장치에 펌핑관의 분해사시도이다.

도시된 바와 같이, 입구어셈블리(30)와 출구어셈블리(40)는 분기관 구조, 예컨대 T 자형 관 구조를 가지는데, 입구어셈블리(30)는 공기공급관(21)의 도중에 연결 설치되는 연결관부(31)와, 이 연결관부(31)에서 분기된 구조의 포트(32)를 포함하여 구성되고, 출구어셈블리(40)는 공기배기관(22)의 도중에 연결 설치되는 연결관부(41)와, 이 연결관부(41)에서 분기된 구조의 포트(42)를 포함하여 구성된다.

이때 입구어셈블리(30)의 포트(32)와 출구어셈블리(40)의 포트(42)에는 전기삼투 현상으로 물을 펌핑하여 이동시키는 펌핑관(50)의 단부가 연결되어, 펌핑관(50)이 입구어셈블리(30)와 출구어셈블리(40) 사이를 연결하는 구조로 되어 있다.

이하, 본 명세서에서는 입구어셈블리(30)의 연결관부(31)에서 분기된 포트(32)를 펌핑관(50)으로 연결되는 입구어셈블리의 출구측 포트가 되므로 출구포트라 칭하기로 한다. 또한 출구어셈블리(40)의 연결관부(41)에서 분기된 포트(42)를 펌핑관(50)이 연결되는 출구어셈블리의 입구측 포트가 되므로 입구포트라 칭하기로 한다.

바람직한 실시예에서, 입구어셈블리(30)의 출구포트(32)와 출구어셈블리(40)의 입구포트(42) 내부에도 전기삼투 현상에 의해 물을 이동시키기 위한 다공체(33,43)가 내장되며, 상기 다공체(33,43)의 양단에 전압을 인가하기 위한 전극(34,44)이 출구포트(32) 및 입구포트(42)의 내부 양단에 각각 삽입 설치된다.

상기 전극(34,44)은 일측에 전압 인가용 도선이 접속되는 리드(35,45)가 형성된 구조를 가지며, 이 리드(35,45)가 출구포트(32) 및 입구포트(42)에 형성된 홀(32a,42a)을 통해 포트 외부로 연장되도록 각 전극이 설치된다.

상기 전극(34,44)으로는 해당 포트(32,42)에 삽입된 상태에서 물을 통과시켜야 하므로 물이 통과될 수 있는 다수개의 통공(36,46)이 형성된 메쉬 구조의 전도체 플레이트가 사용될 수 있다.

상기 다공체(33,43)는 다공질 세라믹 또는 유리 등의 유전체(dielectric)로 구성되며, 전기삼투 현상에 의해 물이 이동될 수 있도록 내부에 모세관 통로 역할을 하는 미세 공극들이 형성된 구조로 되어 있다.

상기 다공체(33,43)는 다수의 미세 공극을 가진 고형체 구조가 될 수 있으나, 전극(34,44) 사이에 입자를 충전하여 패키징한 구조가 될 수도 있고, 이 경우 입자 누출을 방지하기 위해 전극 안쪽으로 전도체 재질의 별도 메쉬망이 설치될 수 있다.

상기 펌핑관(50)은 입구어셈블리(30) 및 출구어셈블리(40)의 포트(32,42)에서와 같이 관(51) 내부에 유전체로 이루어진 다공체(52)와 메쉬 구조의 전극(53)이 설치되어 구성되며, 이 역시 전압 인가용 도선이 접속될 수 있도록 각 전극(53)의 리드(54)가 관 외부로 연장되는 구조로 되어 있다.

상기 펌핑관(50)은 공기배기관(22)에 설치된 입구어셈블리(30)와, 공기공급관(21)에 설치된 출구어셈블리(40) 사이의 거리에 따라 단수 또는 복수를 연결하여 사용할 수 있으며, 관의 연결은 통상의 관 연결 방식, 예컨대 피팅부재를 매개로 연결하거나 나사 체결 방식 등을 이용한 직접 연결 방식의 이용이 가능하다.

펌핑관의 길이를 길게 함에 있어서, 필요한 길이로 제작된 하나의 관 내부에 복수개의 다공체를 연이어 배치하고, 각 다공체의 양단에 설치되는 두 전극을 한 쌍으로 하여, 복수 쌍의 전극을 다공체 배열의 양단과 다공체 중간 중간에 삽입하여 구성하는 것도 가능하다.

한편, 상기한 구성에서 입구어셈블리(30)는 공기배기관(22)을 통해 배출되는 과포화 습공기로부터 응축된 물을 포집하여 펌핑관(50)에 제공하는 구성부이므로, 냉각을 통해 응축되는 물의 양을 증대시키는 것이 필요할 수 있다.

따라서, 입구어셈블리(30)에는 연결관부(31)의 내측면을 따라 응축되는 물의 양을 증대시키기 위해 입구어셈블리(30)의 벽면, 보다 명확히는 연결관부(31)의 벽면을 강제 냉각하는 냉각수단(60)이 구비될 수 있다.

상기 냉각수단(60)은 연결관부(31)를 강제 냉각하여 과포화 습공기로부터 보다 많은 양의 액적이 연결관부(31) 내측면에 응축, 포집되도록 하는바, 액적 포집량을 증대시켜 많은 양의 물이 펌핑관(50)에 제공될 수 있도록 하므로 가습성능을 개선시킬 수 있다.

입구어셈블리(30)의 냉각수단(60)으로는 주변 레이아웃상 공간이 협소하여 수냉식 구성이 불가하므로 초음파 진동에 의해 발생된 음향유동을 이용하는 초음파 냉각수단을 적용하는 것이 바람직하다.

초음파 냉각은 초음파 진동소자를 이용하여 소정 주파수(예, 30kHz)의 초음파를 발생시키면 미세 진동에 의해 유도된 음향유동(acoustic streaming)이 공기 대류를 발생시켜 열원을 냉각시키는 원리를 이용하며, 이는 자연풍의 유입량이 적은 연료전지 스택 및 가습장치의 공간에서 우수한 냉각효과를 제공하게 된다.

초음파 냉각수단(60)의 구성을 살펴보면, 입구어셈블리(30)의 연결관부(31)에서 배기가스의 유동방향을 기준으로 출구포트(32)보다 상류측이 되는 부분(37a)의 주변으로 소정 간격으로 이격 배치되는 초음파 진동소자(63)가 설치된다.

상기 초음파 진동소자(63)는 외부 전원을 인가받아 진동과 동시에 소정 주파수의 초음파를 발생시키는 피에조(Piezo) 압전소자가 될 수 있다.

본 발명의 가습장치에서 초음파 진동소자(63)는 연결관부(31) 주변으로 이격 설치된 간극 유지용 고정 브라켓(62)에 장착되며, 이때 고정 브라켓(62) 안쪽에서 초음파 진동소자(63)와 마주보는 위치의 연결관부 벽면(37b)은 초음파 진동소자(63)의 면에 평행한 평면으로 형성된다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 고정 브라켓(62)이 연결관부(31)에 설치된 이격부재(61)에 의해 연결관부 주변으로 간극 유지되어 설치되고, 이때 예시된 바와 같이 2개의 진동소자(63)가 설치될 수 있는바, 각 진동소자(63)의 면과 이에 대향된 연결관부 벽면(37b)이 평행한 상태로 일정 간극을 유지하여 배치되고 있다.

상기 초음파 진동소자(63)의 구동은 제어기의 제어신호에 의해 구동 제어되는 진동소자 구동부로부터 전원을 인가받아 이루어지며, 진동소자 구동부에 대해서는 도면상에 도시하지 않았으나 증폭기 등을 포함하는 통상적인 회로 구성이 될 수 있다.

이와 같이 하여, 연료전지 시스템의 보조가습장치로 사용될 수 있는 전기삼투를 이용한 가습장치의 구성에 대해 설명하였는바, 가습장치의 구동은 제어기에 의해 제어되며, 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 입구어셈블리(30) 및 출구어셈블리(40), 펌핑관(50)의 각 전극(34,44,53)에 전압이 인가되면, 입구어셈블리(30)에서 포집된 물이 다공체(33,43,52)에서 전기삼투에 의해 전류 흐름을 따라 이동되고, 결국 출구어셈블리(40)로 이동된 물이 연결관부(41)에 공급되어, 공기공급관(21)을 통해 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기를 가습하게 된다.

이하, 작동상태에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료전지 스택(10)의 캐소드에서 RH 100%를 넘는 과포화 습공기가 과다 액적을 함유한 상태로 공기배기관(22) 및 입구어셈블리(30)의 연결관부(31)를 통해 배출되면, 상기 연결관부(31)의 내측면에서 과포화 습공기로부터 물이 응축되고, 이어 연결관부(31)의 내측면을 타고 흐르는 응축수 중 일부가 출구포트(32)를 통해 펌핑관(50)으로 유입된다.

이 상태에서는 출구포트(32) 및 펌핑관(50)의 다공체(33,52)가 물을 흡수하여 머금고 있게 된다.

이어 연료전지 시스템의 작동조건에 따라 가습부하가 가습공급용량을 넘어서는 경우 등에서 제어기가 보조가습을 수행하기 위한 제어신호를 인가하게 되고, 이 제어신호에 따라 다공체(33,43,52)의 양단에 설치된 각 전극(34,44,53)에 전압이 인가된다.

전압이 인가되면, 입구어셈블리(30) 내측면의 응축된 액적을 모세관으로 포집, 이송하는 본 발명의 가습장치가 작동하게 되는데, 전기삼투를 이용한 펌핑관(50)의 펌핑작용에 의해 입구어셈블리(30)에서 유입된 물이 출구어셈블리(40)로 전달되어 출구어셈블리의 급기 경로(연결관부)를 통해 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기를 가습하게 된다.

이때 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기는 주가습장치(23)에 의해 가습이 이루어짐과 동시에 본 발명의 가습장치에 의해 추가적인 가습이 이루어지며, 이에 주가습장치의 가습성능을 본 발명의 가습장치가 보완하게 되면서 연료전지 스택의 출력 향상 및 고효율 운전을 도모할 수 있게 된다.

본 발명의 가습장치에 의해 보조가습이 이루어짐에 있어서 입구어셈블리(30)에서 응축되는 물량이 불충분할 수 있으므로 제어기가 초음파 냉각수단(60)을 작동시킬 수 있다.

즉, 제어기가 초음파 냉각을 수행하기 위한 제어신호를 인가하게 되면, 진동소자 구동부가 각 초음파 진동소자(63)에 전원을 인가하게 되고, 초음파 진동소자(63)의 작동으로 소정 주파수의 초음파 진동이 발생하게 된다.

이에 따라 미세 진동에 의해 유도된 음향유동 및 이에 기인하는 공기 대류의 발생으로 입구어셈블리(30)의 연결관부(31)가 강제 냉각되며, 입구어셈블리의 연결관부에서 스택 배기로부터 얻어지는 액적의 포집량을 증대시킬 수 있게 된다.

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.

10 : 연료전지 스택 20 : 공기공급기
21 : 스택 급기관(공기공급관) 22 : 스택 배기관(공기배기관)
23 : 주가습장치(막가습기) 24 : 중공사막
30 : 입구어셈블리 31 : 연결관부
32 : 출구포트 33 : 다공체
34 : 전극 35 : 리드
36 : 통공 40 : 출구어셈블리
41 : 연결관부 42 : 입구포트
43 : 다공체 44 : 전극
45 : 리드 46 : 통공
50 : 펌핑관 51 : 관
52 : 다공체 53 : 전극
54 : 리드 55 : 통공
60 : 냉각수단 61 : 이격부재
62 : 고정 브라켓 63 : 진동소자

Claims

연료전지 스택에서 수분 과포화 상태의 배기가스가 배출되는 스택 배기관의 도중에 연결 설치되어 배기가스에서 응축된 물을 공급하는 입구어셈블리와;
연료전지 스택에 공급될 가습 대상의 공급가스가 통과하는 스택 급기관의 도중에 연결 설치되어 하기 펌핑관을 통해 전달되는 물을 스택 급기관에 공급하여 공급가스의 가습이 이루어지도록 하는 출구어셈블리와;
내부에 다공체가 충전되고 상기 다공체 양단에 전압을 인가하기 위한 전극이 구비되며 상기 입구어셈블리와 출구어셈블리 사이에 연결 설치되어, 전극의 전압 인가시 전기삼투에 의한 펌핑력으로 다공체 내 모세관 통로를 통해 물을 이동시키는 펌핑관;
을 포함하는 연료전지용 가습장치.
청구항 1에 있어서,
상기 입구어셈블리와 출구어셈블리는 스택 배기관과 스택 급기관의 도중에 연결 설치되는 연결관부와, 상기 연결관부에서 분기 형성되고 펌핑관의 단부가 연결되는 포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
청구항 2에 있어서,
상기 각 포트 내부에는 다공체가 충전되고 다공체 양단에 전압을 인가하기 위한 전극이 구비되어, 전극의 전압 인가시 전기삼투에 의한 펌핑력으로 포트 내 다공체의 모세관 통로를 통해 물을 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 전극은 물이 통과하도록 통공들이 형성된 메쉬 형상의 전도체 플레이트를 다공체의 양단에 배치하여 구성되고, 전극의 일측에는 전압 인가용 도선이 접속되는 리드가 외부 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습장치.
청구항 1에 있어서,
상기 입구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기배기관에 설치되고, 상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기공급관에 설치되어, 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기 가습용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가습장치.
청구항 5에 있어서,
상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습을 위한 주가습장치의 전단 또는 후단의 공기공급관에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가습장치.
청구항 1, 청구항 2, 또는 청구항 5에 있어서,
상기 입구어셈블리에는 물의 응축량 증대를 위해 수분 과포화 상태의 배기가스가 통과하는 벽면을 냉각하기 위한 냉각수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
청구항 7에 있어서,
상기 냉각수단은,
스택 급기관에 연결 설치된 입구어셈블리의 연결관부 주변에 이격부재에 의해 간격이 유지되도록 고정되는 고정 브라켓과, 상기 고정 브라켓에 설치되는 초음파 진동소자를 포함하여 구성되고,
상기 초음파 진동소자로의 전원 인가시 초음파 진동에 의해 발생하는 음향유동에 의해 냉각을 수행하는 초음파 냉각수단인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 6, 청구항 8 중 어느 한 항의 가습장치가 구비되고, 가습장치의 입구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 출구단에 연결된 공기배기관에, 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드 입구단에 연결된 공기공급관에 설치되어, 상기 가습장치가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 출구어셈블리가 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 가습을 위한 주가습장치의 전단 또는 후단의 공기배기관에 설치되어, 상기 가습장치가 주가습장치와 더불어 공기를 가습하는 보조가습용으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.