KR101339238B1 - 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지는 가습장치와, ⅳ)연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하며, 수소 공급유닛은 가습장치를 관통하여 설치되며 수소를 연료극으로 공급하는 수소 공급관을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 가습장치 {FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 반응 기체를 가습하기 위한 가습장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다.

이러한 연료 전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

여기서, 스택은 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 공기가 배출될 수 있으며, 고출력 운전 시에는 연료 전지의 공기극에서 고온 건조한 공기가 배출될 수 있다. 그리고, 연료 전지의 연료극에서는 수분을 포함하고 있는 미반응 수소가 배출될 수 있다.

또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 연료 전지의 공기극으로 공급하는 가습장치를 구비하고 있다.

이에 더하여, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 수소와 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소를 연료 전지의 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 수소 중의 수분 또는 응축수를 저장/배출하는 워터 트랩을 더 구비하고 있다.

그런데, 종래 기술에서 스택이 고출력으로 운전되는 경우, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 공기가 고온 건조하기 때문에, 가습장치는 스택 배출 공기와 공급 공기의 기체-기체 가습 방식에 의한 가습 성능을 충분히 발휘하지 못하게 된다.

또한, 종래 기술에서는 수소 공급장치로부터 공급되는 공급 수소와 재순환유닛에 의해 재순환되는 재순환 수소를 믹싱하는 경우, 그 공급 수소의 온도가 비교적 낮은 상태에서 재순환 수소와 혼합되기 때문에 믹싱 수소의 온도가 더욱 저하될 수 있다.

이는 연료 전지의 연료극으로 공급되는 믹싱 수소의 온도가 낮아짐에 따라 재순환 수소에 포함된 수증기가 응축되고, 그 응축수가 연료극으로 공급되어 세퍼레이터의 채널을 막는 문제를 야기시키며, 이로 인해 스택의 성능 및 내구성이 저하되는 결과를 초래할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 기체-기체 가습 방식에 의한 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 스택의 성능 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지는 가습장치과, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하며, 상기 수소 공급유닛은 상기 가습장치를 관통하여 설치되며 수소를 연료극으로 공급하는 수소 공급관을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템은, 상기 수소 공급관을 통해 유동하는 공급 수소와 상기 가습장치에서 유동하는 상기 배출 공기의 열교환이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 배출 공기는 상기 공급 수소와의 열 교환으로 온도가 낮아지며 상대 습도가 증가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공급 수소는 상기 배출 공기와의 열 교환으로 온도가 증가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습장치는 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로와, 상기 배출 공기 유동 경로와 인접하며 상기 수소 공급관 자체가 관통하는 바이어(via) 경로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바이어 경로는 상기 배출 공기 유동 경로와 측 방향으로 나란하게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바이어 경로는 상기 배출 공기 유동 경로와 상하 방향으로 나란하게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습장치는 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로를 포함하며, 상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로를 직접 관통할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소와 상기 수소 공급유닛을 통해 공급되는 공급 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수소 공급관을 통해 유동하는 공급 수소는 상기 수소 재순환유닛에 의해 배출 수소와 혼합되기 전에 상기 배출 공기와 상호 열교환이 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치는, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 블로워를 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습 공기를 상기 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)막 모듈과, ⅱ)상기 막 모듈의 양측에 각각 결합되며, 상기 막 모듈로 배출 공기와 공급 공기를 주입하는 캡부재를 포함하며, 상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급관 자체가 적어도 하나의 상기 캡부재를 관통할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 캡부재는 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로와, 상기 배출 공기 유동 경로와 인접하며 상기 수소 공급관 자체가 관통하는 바이어(via) 경로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 각 캡부재는 상기 막 모듈의 외주면 사이에서 상기 배출 공기 유동 경로가 일측에 구비되고, 상기 바이어 경로가 다른 일측에 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 각 캡부재는 상기 막 모듈의 외주면 사이에 상기 배출 공기 유동 경로가 구비되고, 상기 배출 공기 유동 경로의 상측에 상기 바이어 경로가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 배출 공기 유동 경로와 바이어 경로는 상기 각 캡부재에 격벽을 통해 구획 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 수소 공급관은 상기 바이어 경로로부터 상기 캡부재를 관통하며, 상기 캡부재 사이에서 상기 막 모듈의 외주면에 감기게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 캡부재는 상기 막 모듈의 외주면 사이에 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로를 형성하고, 상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로를 직접 관통할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로로부터 상기 캡부재를 관통하고, 상기 캡부재 사이에서 상기 막 모듈의 외주면에 감기게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 캡부재 사이에는 상기 막 모듈의 외주면을 감싸는 커버가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 일측의 상기 캡부재에는 상기 배출 공기를 도입하는 제1 유입부, 및 상기 공급 공기를 도입하는 제2 유입부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 다른 일측의 상기 캡부재에는 상기 가습 공기를 배출하는 제1 배출부, 및 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예는 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급관 자체가 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기가 유동하는 가습장치를 관통하여 설치되므로, 스택으로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기와 수소 공급유닛에 의해 스택으로 공급되는 공급 수소 간의 열교환을 통하여 가습장치로 공급되는 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 증가시킴으로써 가습장치의 기체-기체 가습 방식에 의한 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 가습장치의 가습 성능이 향상됨에 따라, 결과적으로는 전체 가습장치의 사이즈를 줄일 수 있게 되며, 막 모듈의 양을 절감할 수 있고, 이로 인하여 가격적인 측면과 패키지적인 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 고온의 배출 공기와 비교적 저온인 공급 수소 간의 열교환을 통하여 공급 수소의 온도를 높임으로써 수증기 응축에 의한 연료 전지의 채널 막힘 문제를 해결할 수 있으며, 결과적으로는 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습장치(200)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(90)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함하는 공기극(13)과 연료극(15)이 배치된 단위 연료 전지들(17)의 전기 발생 집합체로 이루어진다.

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 습윤 수소(이하에서는 편의 상 "배출 수소" 라고 한다)를 배출한다.

이 경우, 상기 연료 전지(17)가 고출력인 경우, 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 건조한 배출 공기가 배출될 수 있다.

상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공급 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 가습장치(200)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 가습장치(200)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소 가스(이하에서는 편의 상 "공급 수소" 라고 한다)를 공급하기 위한 것으로서, 수소를 저장하고 그 수소를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함하고 있다.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 배출 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 공급 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소(이하에서는 편의 상 "가습 수소" 라고 한다)를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.

여기서, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료극(15)으로부터 배출되는 배출 수소를 흡입하는 수소 블로워(91)와, 그 수소 블로워(91)를 통해 흡입된 배출 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 공급 수소를 믹싱하는 믹서(93)와, 배출 수소로서 연료 전지(17)를 퍼지시키기 위한 퍼지 밸브(95)를 포함하고 있다.

위에서 언급한 스택(10), 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(90)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성들의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 스택(10)이 고출력으로 운전되는 경우, 스택(10)에서 배출되는 고온 건조한 배출 공기와 수소 공급유닛(70)에 의해 스택(10)으로 공급되는 공급 수소 간의 열교환을 통하여 가습장치(200)로 공급되는 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 증가시킴으로써 가습장치(200)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 고온의 배출 공기와 비교적 저온인 공급 수소 간의 열교환을 통하여 공급 수소의 온도를 높임으로써 수증기 응축에 의한 연료 전지(17)의 채널 막힘 문제를 해결할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소 공급유닛(70)으로서 가습장치(200)를 관통하여 설치되며 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급 수소를 공급하는 수소 공급관(75)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 수소 공급관(75)은 공급 수소를 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급하는 관로부재로 구비될 수 있다.

상기 수소 공급관(75)은 위에서 언급한 바 있는 배출 공기가 유동하는 가습장치(200)를 관통하여 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)와 연결될 수 있다.

즉, 상기 수소 공급관(75)을 통해 유동하는 공급 수소는, 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 배출 수소와 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)에서 혼합되기 전에, 가습장치(200)에서 유동하는 배출 공기와 상호 열교환이 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 가습장치(200)에서는 배출 공기와 공급 수소의 열 교환으로 배출 공기의 온도가 낮아짐과 아울러 배출 공기의 상대 습도가 증가한 상태로 그 배출 공기와 공급 공기의 막 가습이 이루어진다.

그리고, 상기 수소 공급관(75)을 통해 유동하는 공급 수소는 배출 공기와 상호 열 교환이 이루어지며 온도가 증가한 상태로 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)로 공급될 수 있다.

도면에서 미설명된 도면 참조 부호 80은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 배출 수소 중의 수분 또는 응축수를 저장/배출하는 워터 트랩을 나타낸다.

이하, 상기에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 수소 공급관(75) 자체가 관통할 수 있는 가습장치(200)의 구성을 하기의 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면 구성도이다.

도 1과 함께 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치(200)는 기본적으로, 막 모듈(51)과, 그 막 모듈(51)의 양측에 각각 결합되는 캡부재(52)를 포함하고 있다.

상기 막 모듈(51)은 원통 형상의 하우징(54) 내부에 중공사막(55)이 내재된 구조로 이루어지며, 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기의 막-가습이 이루어진다.

즉, 상기 막 모듈(51)의 일측으로는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기가 각각 유입될 수 있다.

그리고, 상기 막 모듈(51)의 다른 일측으로는 위에서와 같은 배출 공기와 공급 공기의 막 가습이 이루어진 가습 공기와, 공급 공기로 수분이 전이된 배출 공기가 배출될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 캡부재(52)는 막 모듈(51)의 하우징(54) 양단부에 각각 결합되며, 외관이 쉘(shell) 형상으로 이루어진다.

여기서, 상기 막 모듈(51)의 일측(도면에서의 좌측)에 위치하는 캡부재(52)에는 위에서 언급한 바 있는 고온의 배출 공기를 막 모듈(51)로 도입(주입)하기 위한 제1 유입부(56)와, 공급 공기를 막 모듈(51)로 도입(주입)하기 위한 제2 유입부(57)가 형성되어 있다.

또한, 상기 막 모듈(51)의 다른 일측(도면에서의 우측)에 위치하는 캡부재(52)에는 위에서 언급한 바와 같은 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(58)와, 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부(59)가 형성되어 있다.

상기에서와 같은 각 캡부재(52)는 본 발명의 실시예에서 배출 공기가 유동하는 경로로 수소 공급관(75) 자체가 관통될 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급관(75) 자체가 적어도 하나의 캡부재(52)를 관통할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 상기 캡부재(52)는 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로(61)와, 수소 공급관(75) 자체가 관통하는 바이어(via) 경로(62)를 포함한다.

이러한 배출 공기 유동 경로(61)와 바이어 경로(62)는 각각의 캡부재(52)에서 상호 인접하게 배치되는데, 각 캡부재(52)는 막 모듈(51)의 외주면 사이에서 배출 공기 유동 경로(61)가 일측에 구비되고, 바이어 경로(62)가 다른 일측에 구비될 수 있다.

즉, 상기 캡부재(52)에서 바이어 경로(62)는 배출 공기 유동 경로(61)와 측 방향으로 나란하게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 배출 공기 유동 경로(61)와 바이어 경로(62)는 각 캡부재(52)에 격벽(63)을 통해 구획 형성될 수 있다.

이 경우, 상기한 수소 공급관(75)은 바이어 경로(62)로부터 캡부재(52)를 관통(통과)하며, 그 캡부재(52) 사이에서 막 모듈(51)의 외주면에 코일 형태로 감기게 설치될 수 있다.

부연 설명하면, 상기 수소 공급관(75)은 한 쪽의 캡부재(52)를 관통하여 바이어 경로(62)의 원호 방향을 따라 배치되고, 그 한 쪽의 캡부재(52)를 관통하여 막 모듈(51)의 외주면에 감긴 상태로, 다른 한 쪽의 캡부재(52)를 관통하여 바이어 경로(62)의 원호 방향을 따라 배치되며, 그 다른 한 쪽의 캡부재(52)를 관통하여 외부로 인출될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 캡부재(52) 사이에서 막 모듈(51)의 외주면을 감싸는 커버(64: 도 3에 일점 쇄선으로 표시)가 설치될 수 있다.

즉, 상기 커버(64)는 수소 공급관(75)이 코일 형태로 감긴 막 모듈(51)의 외주면을 감싸도록 캡부재(52) 사이에 설치될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작동을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 연료 전지(17)에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온의 배출 공기를 배출하고, 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 배출 수소를 배출한다.

이하에서는 스택(10)이 고출력으로 운전되면서 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 고온 건조한 배출 공기를 배출하는 예를 설명하기로 한다.

상기와 같이 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기는 본 발명의 실시예에 의한 가습장치(200)로 공급될 수 있다.

즉, 상기 배출 공기는 가습장치(200)에 있어 일측 캡부재(52)의 제1 유입부(56)를 통해 막 모듈(51)로 공급되는 바, 그 일측 캡부재(52)의 배출 공기 유동 경로(61)를 통해 막 모듈(51)의 일측으로 공급될 수 있다.

이 때, 상기 일측 캡부재(52)의 제2 유입부(57)로는 공기 블로워(31)를 통해 건조한 공급 공기를 막 모듈(51)의 일측으로 공급하고 있다.

따라서, 상기 막 모듈(51)에서는 배출 공기와 공급 공기의 막 가습(기체-기체 가습 방식)이 이루어지고, 그 가습 공기는 다른 일측 캡부재(52)의 제1 배출부(58)를 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 막 모듈(51)을 통과한 배출 공기는 다른 일측 캡부재(52)의 배출 공기 유동 경로(61)를 따라 유동하며 그 다른 일측 캡부재(52)의 제2 배출부(59)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.

한편, 상기 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 수소는 수소 재순환유닛(90)의 수소 블로워(91)에 의해 믹서(93)로 공급(재순환)될 수 있다.

이 과정에서 고온 다습한 상기 배출 수소는 온도가 낮아지면서 응축되는 바, 그 응축된 수분은 워터 트랩(80)에 저장될 수 있다.

상기한 과정을 거치는 동안, 수소 공급유닛(70)은 수소 탱크(71)에 저장된 수소를 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)로 공급하는데, 그 공급 수소는 믹서(93)로 재순환되는 수소와 혼합되면서 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.

그러나, 상기 수소 탱크(71)로부터 믹서(93)로 공급되는 공급 수소는 온도가 비교적 낮은 상태에서 재순환 수소와 혼합되면서 온도가 더욱 저하되는데, 이 경우는 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급되는 수소 혼합가스의 온도가 낮아짐에 따라 재순환 수소에 포함된 수증기가 응축되고, 그 응축수가 연료극(15)으로 공급되어 세퍼레이터의 채널을 막는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기가 고온 건조하기 때문에, 가습장치(200)의 막 모듈(51)에서는 배출 공기와 공급 공기의 충분한 가습 성능을 발휘하지 못하게 된다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 수소 탱크(71)로부터 공급되는 공급 수소와 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 배출 수소가 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)에서 혼합되기 전에, 그 공급 수소를 수소 공급관(75)을 통해 가습장치(200)의 캡부재(52)를 통과시킬 수 있다.

즉, 상기 수소 공급관(75)은 캡부재(52)에서 배출 공기 유동 경로(61)와 측 방향으로 나란하게 위치하는 바이어 경로(62)와, 캡부재(52) 사이에서 막 모듈(51)의 외주면을 관통(통과)한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 고온 건조한 배출 공기가 유동하는 가습장치(200)로 수소 공급관(75)을 관통(통과)시키기 때문에, 가습장치(200)에서는 배출 공기와 공급 수소의 열교환이 이루어진다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 배출 공기와 공급 수소의 열 교환으로 배출 공기의 온도가 낮아지며 상대습도가 증가한 상태로 그 배출 공기가 막 모듈(51)로 공급되기 때문에, 막 모듈(51) 내에서 배출 공기와 공급 공기의 기체-기체 가습 방식에 의한 막-가습이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 배출 공기와 공급 수소의 열 교환으로 공급 수소의 온도를 증가한 상태로 그 공급 공기가 수소 재순환유닛(90)의 믹서(93)에 공급되고, 그 믹서(93)에서 재순환 수소와 혼합되면서 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)으로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기와 수소 공급유닛(70)에 의해 스택(10)으로 공급되는 공급 수소 간의 열교환을 통하여 가습장치(200)로 공급되는 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 증가시킴으로써 가습장치(200)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 가습장치(200)의 가습 성능이 향상됨에 따라, 결과적으로는 전체 가습장치(200)의 사이즈를 줄일 수 있게 되며, 막 모듈(51)의 양을 절감할 수 있고, 이로 인하여 가격적인 측면과 패키지적인 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 고온의 배출 공기와 비교적 저온인 공급 수소 간의 열교환을 통하여 공급 수소의 온도를 높임으로써 수증기 응축에 의한 연료 전지(17)의 채널 막힘 문제를 해결할 수 있으며, 결과적으로는 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치(400)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 막 모듈(251)의 외주면 사이에 배출 공기 유동 경로(261)가 구비되고, 배출 공기 유동 경로(261)의 상측에 바이어 경로(262)가 구비되는 캡부재(252)를 구성할 수 있다.

상기에서 배출 공기 유동 경로(261)는 연료 전지(17: 이하 도 1 참조)로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기가 유동하는 경로로 이루어진다.

그리고, 상기 바이어 경로(262)는 연료 전지(17)로 수소를 공급하기 위한 수소 공급관(275) 자체가 관통하는 경로로 이루어진다.

여기서, 상기 바이어 경로(262)는 배출 공기 유동 경로(261)와 상하 방향으로 나란하게 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 캡부재(252)에서 배출 공기 유동 경로(261)와 바이어 경로(262)는 격벽(263)에 의해 상하 방향으로 각각 구획 형성될 수 있다.

그리고, 상기 수소 공급관(275)은 바이어 경로(262)로부터 캡부재(252)를 관통하며, 그 캡부재(252) 사이에서 막 모듈(251)의 외주면에 코일 형태로 감기게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 캡부재(252) 사이에서 막 모듈(251)의 외주면을 감싸는 커버(264: 도면에 일점 쇄선으로 표시)가 설치되는 바, 상기 커버(264)는 수소 공급관(275)이 코일 형태로 감긴 막 모듈(251)의 외주면을 감싸도록 캡부재(252) 사이에 설치될 수 있다.

상기에서와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가습장치(400)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치(500)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 연료 전지(17)에서 배출된 고온 건조한 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로(361)를 포함하며, 배출 공기 유동 경로(361)로 수소 공급관(375)이 직접 관통하는 캡부재(352)를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 배출 공기 유동 경로(361)는 캡부재(352)와 막 모듈(351)의 외주면 사이에서 배출 공기가 유동하는 경로로서 형성될 수 있다.

상기에서 수소 공급관(375)은 배출 공기 유동 경로(361)로부터 캡부재(352)를 관통하며, 그 캡부재(352) 사이에서 막 모듈(351)의 외주면에 코일 형태로 감기게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 캡부재(352) 사이에서 막 모듈(351)의 외주면을 감싸는 커버(364: 도면에 일점 쇄선으로 표시)가 설치되는 바, 상기 커버(364)는 수소 공급관(375)이 코일 형태로 감긴 막 모듈(351)의 외주면을 감싸도록 캡부재(352) 사이에 설치될 수 있다.

상기에서와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가습장치(500)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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.

10... 스택 13... 공기극
15... 연료극 17... 연료 전지
30... 공기 공급유닛 31... 공기 블로워
51, 251, 351... 막 모듈 52, 252, 352... 캡부재
54... 하우징 55... 중공사막
56... 제1 유입부 57... 제2 유입부
58... 제1 배출부 59... 제2 배출부
61, 261, 361... 배출 공기 유동 경로 62, 262... 바이어 경로
63, 263... 격벽 64, 264, 364... 커버
70... 수소 공급유닛 71... 수소 탱크
75, 275, 375... 수소 공급관 80... 워터 트랩
90... 수소 재순환유닛 91... 수소 블로워
93... 믹서 95... 퍼지 밸브
200, 400, 500... 가습장치

Claims (18)

1. 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택;
   상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
   상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지는 가습장치; 및
   상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛
   을 포함하며,
   상기 수소 공급유닛은 상기 가습장치를 관통하여 설치되며 수소를 연료극으로 공급하는 수소 공급관을 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 수소 공급관을 통해 유동하는 공급 수소와 상기 가습장치에서 유동하는 상기 배출 공기의 열교환이 이루어지는 연료 전지 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 배출 공기는 상기 공급 수소와의 열 교환으로 온도가 낮아지며 상대 습도가 증가하고,
   상기 공급 수소는 상기 배출 공기와의 열 교환으로 온도가 증가하는 연료 전지 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 가습장치는,
   상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로와,
   상기 배출 공기 유동 경로와 인접하며 상기 수소 공급관 자체가 관통하는 바이어(via) 경로
   를 포함하는 연료 전지 시스템.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 바이어 경로는,
   상기 배출 공기 유동 경로와 측 방향으로 나란하게 형성되는 연료 전지 시스템.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 바이어 경로는,
   상기 배출 공기 유동 경로와 상하 방향으로 나란하게 형성되는 연료 전지 시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 가습장치는 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로를 포함하며,
   상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로를 직접 관통하는 연료 전지 시스템.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소와 상기 수소 공급유닛을 통해 공급되는 공급 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛
   을 더 포함하며,
   상기 수소 공급관을 통해 유동하는 공급 수소는 상기 수소 재순환유닛에 의해 배출 수소와 혼합되기 전에 상기 배출 공기와 상호 열교환이 이루어지는 연료 전지 시스템.
9. 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기와 블로워를 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습 공기를 상기 공기극으로 공급하는 연료 전지 시스템의 가습장치로서,
   막 모듈; 및
   상기 막 모듈의 양측에 각각 결합되며, 상기 막 모듈로 배출 공기와 공급 공기를 주입하는 캡부재를 포함하며,
   상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급관 자체가 적어도 하나의 상기 캡부재를 관통하여 설치되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 캡부재는,
    상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로와,
    상기 배출 공기 유동 경로와 인접하며 상기 수소 공급관 자체가 관통하는 바이어(via) 경로
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 각 캡부재는,
    상기 막 모듈의 외주면 사이에서 상기 배출 공기 유동 경로가 일측에 구비되고, 상기 바이어 경로가 다른 일측에 구비되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 각 캡부재는,
    상기 막 모듈의 외주면 사이에 상기 배출 공기 유동 경로가 구비되고, 상기 배출 공기 유동 경로의 상측에 상기 바이어 경로가 구비되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
13. 제10 항 내지 제12 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 공기 유동 경로와 바이어 경로는 상기 각 캡부재에 격벽을 통해 구획 형성되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
14. 제10 항 내지 제12 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 공급관은,
    상기 바이어 경로로부터 상기 캡부재를 관통하며, 상기 캡부재 사이에서 상기 막 모듈의 외주면에 감기는 연료 전지 시스템의 가습장치.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 캡부재 사이에는 상기 막 모듈의 외주면을 감싸는 커버가 설치되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
16. 제9 항에 있어서,
    상기 캡부재는 상기 막 모듈의 외주면 사이에 상기 배출 공기가 유동하는 배출 공기 유동 경로를 형성하고,
    상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로를 직접 관통하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 수소 공급관은 상기 배출 공기 유동 경로로부터 상기 캡부재를 관통하고, 상기 캡부재 사이에서 상기 막 모듈의 외주면에 감기며,
    상기 캡부재 사이에는 상기 막 모듈의 외주면을 감싸는 커버가 설치되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
18. 제9 항에 있어서,
    일측의 상기 캡부재에는 상기 배출 공기를 도입하는 제1 유입부, 및 상기 공급 공기를 도입하는 제2 유입부가 형성되고,
    다른 일측의 상기 캡부재에는 상기 가습 공기를 배출하는 제1 배출부, 및 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부가 형성되는 연료 전지 시스템의 가습장치.

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