KR101459455B1 - 연료전지의 가습 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 가습 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지의 가습 장치는 하우징 내에 중공사막 모듈을 배치하고, 상기 하우징의 양 측면에 제1 유입구 및 제1 유출구를 형성하고, 상기 하우징의 외주면 일측과 타측에는 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하되, 상기 제1 유출구에는 유로 개폐 밸브를 장치하고, 연료전지 스택의 제어인자를 감지하는 감지부를 구성하며, 상기 감지부의 감지신호에 따라 유로 개폐 밸브의 개폐량을 조절하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 구성한다.

Description

연료전지의 가습 장치 및 방법{HUMIDIFYING APPARATUS AND METHOD OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 가습 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 출력에 따라 개폐 조절되는 유로 개폐밸브를 중공사막 모듈의 중앙부에 설치한 연료전지의 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량에 적용되고 있는 연료전지는 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로서 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다.
상기 단위 셀들은 막-전극 어셈블리와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다.
이 경우, 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성하고 있다.
그리고, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극(이하에서는 편의상 "애노드" 라고 한다)을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극(이하에서는 편의상 "캐소드" 라고 한다)을 형성하며, 이들 애노드와 캐소드 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.
애노드는 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.
그리고, 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
한편, 상기와 같은 연료전지의 작동을 원활하게 하기 위해서는 스택의 전해질 막이 습하게 유지되어야 하며, 이를 위해 연료전지에 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 공기 입구 측에서 가습시킨다.
가습기의 일 예로, 연료전지 차량에 주로 적용되고 있는 막 가습기는 하우징 내에 다수의 중공사막이 밀집된 중공사막 모듈을 배치하고, 하우징의 양 측면에 건조공기가 통과하는 제1 유입구 및 제2 유출구를 형성하고, 하우징의 상 측면에 습윤공기가 통과하는 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하여서 구성된다.
상기와 같은 막 가습기의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
건조공기는 제1 유입구로 유입되어 중공사 모듈의 내측을 통과한다.
그리고, 습윤공기는 제2 유입구로 공급되어 중공사 모듈의 외측으로 이동하며 습윤공기 중의 수분은 중공사막의 모세관 작용에 의해 분리되고, 분리된 수분은 중공사막의 모세관 내를 투과하면서 응축되어 중공사막의 내측으로 이동하고, 이와 같은 수분에 의해 상기 제1 유입구로 유입된 건조공기가 가습되어 제1 유출구로 배출된다.
그러나, 상기와 같은 막 가습기는 중공사막 모듈이 중공사 막들이 밀집되어 있기 때문에 제2 유입구를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 모듈의 내부로 침투하지 못하게 된다.
그리고, 습윤공기가 중공사막 모듈의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리고, 중공사막 모듈의 내부는 충분한 수분을 공급받지 못하게 된다.
따라서, 건조 공기는 대부분 중공사막 모듈의 중앙 부분으로 흐르고, 습윤공기는 중공사막 모듈의 가장자리로 흐르게 되므로, 가습 장치의 효율이 많이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시 예는 중공사막 모듈 전체로 가습 성능을 높일 수 있으며, 중공사막 가닥수의 사용량을 줄일 수 있고, 패키지 측면에서 유리하며, 스택이 고출력일 때 가습 장치에 걸리는 압력 강하량과 공기 블로워의 부하를 낮출 수 있는 연료전지의 가습 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 연료전지의 가습 장치에 있어서,하우징 내에 중공사막 모듈을 배치하고, 상기 하우징의 양 측면에 제1 유입구 및 제1 유출구를 형성하고, 상기 하우징의 외주면 일측과 타측에는 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하되, 상기 제1 유출구에는 유로 개폐 밸브를 장치하고, 연료전지 스택의 제어인자를 감지하는 감지부를 구성하며, 상기 감지부의 감지신호에 따라 유로 개폐 밸브의 개폐량을 조절하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 구성하는 연료전지의 가습 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어인자는 연료전지스택의 출력 전류량, 가속페달의 가압량, 스택 입구의 습도 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 유로 개폐 밸브는 듀티 제어방식의 솔레노이드 밸브로 구성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 연료전지의 출력이 100kw를 기준으로, 30kw 미만은 저출력 영역, 30kw 이상에서 60kw 미만은 중출력 영역, 60kw 이상에서 100kw는 고출력 영역의 제어신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 저출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 닫아 건조공기가 상기 중공사막 모듈의 외곽으로 흐르게 하는 제어로직을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 중출력 영역의 제어신호에 따라 상기 유로 개폐 밸브의 개방량이 듀티 제어되는 제어로직을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 고출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 개방하여 상기 건조공기가 상기 중공사막 모듈 전체로 흐르게 하는 제어로직을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 연료전지의 가습 방법에 있어서,하우징 내에 다수의 중공사막이 밀집된 중공사막 모듈을 배치하고, 상기 하우징의 양 측면에 제1 유입구 및 제1 유출구를 형성하고, 상기 하우징의 외주면 양측에 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하며, 상기 제1 유출구에는 유로 개폐 밸브를 장치하되, 연료전지 스택의 제어인자를 감지하는 감지부의 감지신호에 따라 제어부가 유로 개폐 밸브의 개폐량을 조절하여 연료전지스택의 습도를 조절하는 연료전지의 가습 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어인자는 연료전지 스택의 출력 전류량, 가속페달의 가압량, 연료전지 스택 입구의 습도 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 연료전지 스택의 출력 전류량을 감지하는 전류센서, 상기 가속페달의 가압량을 감지하는 페달센서, 상기 스택 입구의 습도를 감지하는 습도센서 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 연료전지의 출력이 100kw를 기준으로, 30kw 미만은 저출력 영역, 30kw 이상에서 60kw 미만은 중출력 영역, 60kw 이상에서 100kw는 고출력 영역의 제어신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 제어부가 저출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 닫아 건조공기가 상기 중공사막 모듈의 외곽으로 흐르게 할 수 있다.
또한, 상기 제어부가 중출력 영역의 제어신호에 따라 상기 유로 개폐 밸브의 개방량이 듀티 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부가 고출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 개방하여 상기 건조공기가 상기 중공사막 모듈 전체로 흐르게 할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 건조 공기의 유출구에 유로 개폐 밸브를 장치하고, 스택의 출력 조건에 따라 유로 개폐 밸브를 개폐 조절하여 중공사막 모듈의 전체로 가습 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 중공사막 모듈 내 중공사막 가닥수의 사용량을 줄일 수 있고, 가격 경쟁력을 높일 수 있으며, 사이즈를 줄일 수 있어 패키지 측면에서 유리하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 연료전지 스택이 고출력일 때 유로 개폐 밸브의 개폐 조절을 통하여 가습 장치에 걸리는 압력 강하량을 낮추고, 이를 통해 공기 블로워의 부하를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습 장치의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습장치의 제어 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가습장치의 실시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습 장치의 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습장치의 제어 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가습장치의 실시도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습 장치(10)는 하우징(12), 중공사막 모듈(14), 유로 개폐밸브(16), 감지부(18) 및 제어부(20)를 포함한다.
가습 장치(10)의 하우징(12)은 원통형으로 형성되어서 구성된다.
하우징(12)은 양 측면에 제1 유입구(26) 및 제1 유출구(28)가 각각 형성된다.
상기 제1 유입구(26) 및 제1 유출구(28)는 건조공기가 지나가는 입출구로 형성된다.
건조 공기는 제1 유입구(26) 및 제1 유출구(28)를 입출구로 하여 중공사막 모듈로 흐르도록 구성될 수 있다.
그리고, 하우징(12)의 외주면 일측과 타측에는 제2 유입구(30) 및 유출구(32)가 각각 형성된다.
상기 제2 유입구(30) 및 유출구(32)는 습윤공기가 지나가는 입출구로 형성된다.
습윤공기는 제2 유입구(30) 및 유출구(32)를 입출구로 하여 중공사 모듈의 외측으로 이동하도록 구성될 수 있다.
하우징(12) 내에는 양단이 개방된 중공사막 모듈(14)이 길이방향으로 배치된다. 중공사막 모듈(14)의 양단부는 통상적인 지지수단을 통해 하우징(12) 내부의 양측에 지지된다.
중공사막 모듈(14)은 양단이 개방된 중공사막 다발이 밀집되어서 구성된다.
한편, 건조공기가 유출되는 제1 유출구(28)에는 유로 개폐 밸브(16)가 장치된다.
도 1 및 도 3에 도시된 유로 개폐밸브(16)는 설명의 편의상, 90°방향으로 돌려서 도시하였다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 유로 개폐밸브(16)는 연료전지 스택(2)의 출력값에 따라 개방되는 듀티 제어방식의 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가습 장치(10)의 감지부(18)는 제어인자를 감지하는데, 제어인자는 연료전지 스택(2)의 전류량, 가속페달의 가압량, 연료전지 스택(2) 입구의 습도 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 감지부(18)는 연료전지 스택(2)의 전류량을 감지하는 전류센서, 가속페달의 가압량을 감지하는 페달센서, 연료전지 스택(2) 입구의 습도를 감지하는 습도센서 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
제어부(20)는 상기와 감지부(18)의 감지신호에 따라 저출력 영역, 중출력 영역, 고출력 영역의 제어신호를 출력한다.
본 발명의 실시 예에서는 연료전지의 출력 100kw를 기준으로, 30kw 미만은 저출력 영역, 30kw 이상에서 60kw 미만은 중출력 영역, 60kw 이상에서 100kw는 고출력 영역으로 구분할 수 있다.
제어부(20)는 상기와 같은 연료전지 스택(2)의 출력 영역에 따라 유로 개폐 밸브(16)의 개폐량을 조절할 수 있다.
제어부(20)는 저출력 영역에서는 유로 개폐 밸브(16)를 닫도록 제어 신호를 출력하고, 중출력 영역에서는 출력값에 따라 유로 개폐 밸브(16)를 개방하도록 제어 신호를 출력하고, 고출력 영역에서는 유로 개폐 밸브(16)를 완전히 개방하도록 제어신호를 출력한다.
이제, 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습 방법을 설명한다.
가습장치(10)의 하우징(12) 내에 중공사막 모듈(14)을 배치한다.
그리고, 하우징(12)의 양 측면에는 제1 유입구(26) 및 제1 유출구(28)를 형성하고, 하우징(12)의 외주면 일측과 타측에는 제2 유입구(30) 및 유출구(32)를 형성한다.
제1 유출구(28)에는 듀티 제어방식의 솔레노이드 밸브로 구성된 유로 개폐 밸브(16)를 장치할 수 있다.
그리고, 감지부(18)는 연료전지 스택(2)의 전류량, 가속페달의 가압량, 연료전지 스택(2) 입구의 습도 중 어느 하나인 제어인자를 감지한다.
감지부(18)의 감지신호를 토대로, 제어부(20)에서는 연료전지 스택(2)의 출력이 저출력 영역, 중출력 영역, 고출력 영역 중 어디에 속하는 지를 판단하고, 유로 개폐 밸브(16)에 제어신호를 보낸다.
유로 개폐 밸브(16)는 상기와 같은 제어부(20)의 제어신호에 따라 개폐량이 제어되는데, 저출력 영역에서는 완전히 닫히도록 제어신호를 받고, 중출력 영역에서는 연료전지 스택(2)의 출력값에 따라 개방량이 듀티 제어되도록 제어신호를 받고, 고출력 영역에서는 완전히 개방되도록 제어신호를 받는다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(2)이 저출력일 때는 가습 장치(10)의 하우징(12) 내 공기가 저유량, 저압으로 흐르고 유로 개폐 밸브(16)는 닫히면서, 공기 블로워(4)에서 공급되어지는 건조 공기는 중공사막 모듈(14)의 외곽으로 흐르게 되어 가습 장치(10)의 외곽 부분에서 주로 가습이 이루어진다.
그리고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(2)이 중출력일 때는 유로 개폐 밸브(16)는 출력값이 높아질수록 듀티 제어에 의해 서서히 열리면서 건조공기가 중공사막 모듈(14) 전체로 서서히 확산된다.
그리고, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(2)이 고출력일 때는 가습 장치(10)의 하우징(12) 내 공기가 고유량, 고압으로 흐르고 유로 개폐 밸브(16)는 완전히 개방되어 건조공기가 중공사막 모듈(14) 전체적으로 흐르게 되어 가습 장치(10)의 전체적인 부분에서 가습이 이루어진다.
상기와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 가습장치(10)는 중공사막 모듈(14) 전체로 가습 성능을 높혀 연료전지 스택(2)의 습도를 효율적으로 조절할 수 있다.
이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
2 : 연료전지 스택 4 : 공기 블로워
10 : 가습장치 12 : 하우징
14 : 중공사막 모듈 16 : 유로 개폐 밸브
18 : 감지부 20 : 제어부
26 : 제1 유입구 28 : 제1 유출구
30 : 제2 유입구 32 : 제2 유출구

Claims (14)

  1. 연료전지의 가습 장치에 있어서,
    하우징 내에 중공사막 모듈을 배치하고, 상기 하우징의 양 측면에 제1 유입구 및 제1 유출구를 형성하고, 상기 하우징의 외주면 일측과 타측에는 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하되,
    상기 제1 유출구에는 유로 개폐 밸브를 장치하고, 연료전지 스택의 제어인자를 감지하는 감지부를 구성하며, 상기 감지부의 감지신호에 따라 유로 개폐 밸브의 개폐량을 조절하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 구성하고,
    상기 제어부는 저출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 닫아 건조공기가 상기 중공사막 모듈의 외곽으로 흐르게 하고, 중출력 영역의 제어신호에 따라 상기 유로 개폐 밸브의 개방량이 듀티 제어되며, 고출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 개방하여 건조공기가 상기 중공사막 모듈 전체로 흐르게 하는 제어로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어인자는 연료전지 스택의 출력 전류량, 가속페달의 가압량, 연료전지 스택 입구의 습도 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 연료전지 스택의 출력 전류량을 감지하는 전류센서, 상기 가속페달의 가압량을 감지하는 페달센서, 상기 연료전지 스택 입구의 습도를 감지하는 습도센서 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로 개폐 밸브는 듀티 제어방식의 솔레노이드 밸브로 구성하는 연료전지의 가습 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 연료전지의 출력이 100kw를 기준으로, 30kw 미만은 저출력 영역, 30kw 이상에서 60kw 미만은 중출력 영역, 60kw 이상에서 100kw는 고출력 영역의 제어신호를 출력하는 연료전지의 가습 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 연료전지의 가습 방법에 있어서,
    하우징 내에 다수의 중공사막이 밀집된 중공사막 모듈을 배치하고, 상기 하우징의 양 측면에 제1 유입구 및 제1 유출구를 형성하고, 상기 하우징의 외주면 양측에 제2 유입구 및 제2 유출구를 형성하며, 상기 제1 유출구에는 유로 개폐 밸브를 장치하되,
    연료전지 스택의 제어인자를 감지하는 감지부의 감지신호에 따라 제어부가 유로 개폐 밸브의 개폐량을 조절하여 연료전지 스택의 습도를 조절하며,
    상기 제어부가 저출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 닫아 건조공기가 상기 중공사막 모듈의 외곽으로 흐르게 하고, 중출력 영역의 제어신호에 따라 상기 유로 개폐 밸브의 개방량이 듀티 제어하며, 고출력 영역의 제어신호에 의해 상기 유로 개폐 밸브를 완전히 개방하여 건조공기가 상기 중공사막 모듈 전체로 흐르게 하는 연료전지의 가습 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어인자는 연료전지 스택의 출력 전류량, 가속페달의 가압량, 연료전지 스택 입구의 습도 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 연료전지의 출력이 100kw를 기준으로, 30kw 미만은 저출력 영역, 30kw 이상에서 60kw 미만은 중출력 영역, 60kw 이상에서 100kw는 고출력 영역의 제어신호를 출력하는 연료전지의 가습 방법.
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