KR101459780B1

KR101459780B1 - 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101459780B1
Application number: KR1020080083621A
Authority: KR
Inventors: 정병조
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR20100025026A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 워터트랩의 배출라인을 가습기의 소정 위치에 장착시킨 분사노즐과 연결하여, 워터트랩으로 버려지는 응축수를 수소 공급 시스템의 자체 압력을 이용하여 가습기로 공급하는 동시에 분사노즐을 통해 가습기내로 균일하게 공급함으로써, 많은 가습량을 필요로 하지 않는 연료전지 시스템의 고온 운전 방법을 대비할 수 있고, 또한 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기의 일부만을 별도의 분기경로를 통해 가습기로 공급하고 나머지는 대기로 배출하거나, 또는 반응후 가습공기의 모두를 대기로 배출하여 가습기를 포함하는 공기 공급계의 압력강하를 낮추어줌으로써, 공기 공급계에 의해 소모되는 과도한 기생전력을 줄일 수 있도록 한 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

연료전지, 가습 장치, 분사노즐, 응축수, 워터트랩, 분기경로, 고온 운전, 공기극, 연료극

Description

연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법{Humidification device and for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 연료극에서 워터트랩으로 배출되는 응축수를 수소 공급 장치의 압력을 이용하여 가습기 전체에 균일하게 공급하여 가습효율을 높이고, 공기극 출구에 분기경로를 장착하여 반응후 가습공기의 일부만을 가습기로 공급하는 동시에 나머지는 대기로 배출시켜 가습기를 포함하는 공기공급계의 압력차이를 낮출 수 있도록 함으로써, 연료전지 시스템 효율 및 운전 안전성 향상을 도모할 수 있는 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지 의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.

연료전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대습도가 낮은 반응기체의 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.

또한, 연료전지 시스템의 높은 효율과 내구성 및 운전 안정성을 위해 수소 및 공기 공급 가스의 압력(분압)과 습도, 그리고 시스템의 운전 온도 등을 적절히 제어해야 하는데, 상기 사항 중 공기 공급 가스의 가습은 운전 중 발생하는 연료전지 시스템 내의 생성수를 이용한다.

연료전지의 연료극에 대한 가습 방법은 연료전지 시스템의 운전시 전기화학 반응에 의해 공기극 영역에서 생성된 물이 연료극 영역으로 농도차에 의해 일부 확산되는데, 수소 재순환 장치를 통하여 재순환되는 수소가 상기와 같이 연료극으로 확산된 물을 함유하면서 연료극 입구로 공급되는 건조 수소와 혼합되어, 연료극 입구측의 공급 수소가 가습되어 이루어진다.

반면에, 연료전지의 공기극(Cathode)측 가습을 위해서 최고 유량을 적정 수 준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기가 포함되며, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구 및 출구간에 장착되어 있다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 대개 중공사막(30)이 내재된 구조로서, 그 길이방향에서 일측에는 공기블로워(16)의 구동에 의하여 흡입되는 건조공기(대기공기) 유입구(22)가 형성되어 있고, 타측에는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구측과 연결되는 가습공기 공급구(24)가 형성되어 있으며, 또한 가습기(10)의 폭방향에서 일측 위치에는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 출구측과 연결되는 가습공기 유입구(26)가 형성되어 있고, 그 반대 위치에는 가습공기 배출구(28)가 형성되어 있다.

이때, 공기 중 산소는 약 20% 미만이므로, 공기극에서의 전기화학 반응이 원활히 일어날 수 있도록 공기 공급량은 필요량 대비 약 2배 이상, 즉 필요 산소를 공급하기 위해 순수 산소 공급 유량 대비 10배 이상의 유량을 공급해야 하므로, 상기 가습기(20)의 가습 효율을 높이기 위해 가습기(20)내 다수의 중공사막(30)은 많은 개수가 촘촘한 간격으로 내설된다.

따라서, 연료전지 스택(10)의 공기극(12)로부터 배출되는 습윤기체 즉, 반응을 마친 가습공기는 상기 가습공기 유입구(26)를 통해 가습기(20)내로 유입되고, 이와 함께 공기블로워(16)에 의하여 외기로부터의 건조공기가 상기 건조공기 유입구(22)를 통해 가습기(20)내로 유입되는 바, 상기 반응을 마친 가습공기의 수분이 중공사막(30)의 내부로 침투되는 동시에 중공사막(30)의 내부를 흐르는 건조공기를 가습시키게 되고, 가습된 공기는 상기 가습공기 공급구(24)를 통해 연료전지 스택(10)의 공기극(14)으로 공급되어진다.

한편, 상기 연료전지 스택의 연료극에서 생성된 응축수는 산소와 수소의 흐름을 방해하므로, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 연료극과 연결된 워터트랩(40)을 통해 배출 제거된다.

즉, 상기 연료극(14)으로 확산된 물이 일정량 이상 계속 쌓이면, 연료극(14)에서의 전기화학 반응이 원활히 진행되지 못하므로, 일정량 이상 쌓인 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지며 워터트랩(40)에 모인 후, 대기로 배출된다.

이러한 수소 공급 및 공기 공급계, 그리고 가습기를 갖는 고분자 전해질 연료전지 시스템에 있어서, 고분자 전해질 연료전지 시스템의 발전 방향은 고온 운전을 가능하게 하는 것 즉, 열관리 시스템의 효율 증가와 전기화학 반응의 효율을 증가시킬 수 있는 고온 운전 방법에 주안점이 있으며, 향후 고온 운전에 적용될 수 있는 고온형 전해질막은 당연히 많은 가습량을 필요로 하지 않으므로, 현재의 연료전지 시스템과 같이 공기극의 출구로부터 모든 물을 가습기로 공급할 필요가 없을 것이며, 결국 연료전지 스택의 공기극 출구로부터 일부만 가습기로 공급하는 시스템으로의 발전 가능성이 크다 할 것이다.

또한, 연료전지 시스템의 생성 전력 증가에 따라, 가습기(20)내의 압력차는 첨부한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 건조공기 유입구(22) 및 가습공기 공급구(24)가 형성된 가습기(20)의 길이방향(tube side)에 비하여, 연료전지 스택(10) 의 공기극(14) 출구측과 연결되는 가습공기 유입구(26)가 형성되고 그 반대 위치에 가습공기 배출구(28)가 형성된 가습기(20)의 폭방향(shell side) 부분이 보다 크게 증가하는 바, 동일 공기 유량 확보 조건에서 위와 같은 가습기의 압력차 증가는 공기블로워를 포함하는 공기 공급 장치의 기하 급수적인 소모 전력 증가를 초래하여, 결국 연료전지 시스템의 기생 전력이 증가하고 연료전지 차량의 연비를 크게 감소시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 워터트랩의 배출라인을 가습기의 소정 위치에 장착시킨 분사노즐과 연결하여, 워터트랩으로 버려지는 응축수를 수소 공급 시스템의 자체 압력을 이용하여 가습기로 공급하는 동시에 분사노즐을 통해 가습기내로 균일하게 공급함으로써, 많은 가습량을 필요로 하지 않는 연료전지 시스템의 고온 운전 방법을 대비할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기의 일부만을 별도의 분기경로를 통해 가습기로 공급하고 나머지는 대기로 배출하거나, 또는 반응후 가습공기의 모드를 대기로 배출하여 가습기를 포함하는 공기 공급계의 압력강하를 낮추어 공기 공급계에 의해 소모되는 과도한 기생전력을 줄일 수 있도록 한 점에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 연료극에 연결되어 응축수를 저장하는 워터트랩과, 연료전지의 공기극에 가습공기를 공급하기 위한 가습기를 포함하는 연료전지의 가습 장치에 있어서, 상기 가습기의 소정 위치에 장착되는 분사노즐과; 상기 워터트랩의 배출구에 장착된 개폐밸브와 상기 분사노즐간에 연결된 응축수 공급라인과; 상기 공기극의 출구로부터 상기 가습기에 연결되는 동시에 대기쪽으로 분기되는 분기라인; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 가습기로 연결되는 분기라인에는 상기 공기극으로부터 가습기로 유입되는 반응후 가습공기의 유입량을 조절할 수 있는 온/오프 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 연료극에 연결된 워터트랩에 응축수가 저장되는 단계와; 상기 워터트랩에 저장된 응축수가 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하는 압력을 받으면서 상기 가습기내로 분사되며 공급되는 단계와; 상기 가습기내로 분사되는 응축수에 의하여, 외기로부터 가습기로 유입되는 건조공기가 가습되는 단계와; 상기 가습기를 통과한 가습공기가 연료전지의 공기극으로 공급되는 단계와; 상기 공기극에서 반응을 마친 가습공기의 일부가 가습기내로 공급되는 동시에 나머지는 대기로 방출되거나, 가습공기의 전부가 대기로 방출되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가습 방법을 제 공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 워터트랩에 저장된 응축수가 모두 배출되는 시점을 감지하는 단계와; 상기 응축수가 모두 배출되는 것으로 판단되면, 상기 워터트랩의 배출구에 장착된 개폐밸브를 닫아주어 수소가 유출되는 것을 차단하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 가습기내로 유입되는 건조공기에 대한 가습량이 임계치 이상이면, 상기 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기로 유입되는 것을 차단하는 단계와; 상기 가습기내로 유입되는 건조공기에 대한 가습량이 임계치 이하이면, 상기 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기로 유입되는 것을 허용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 워터트랩으로 버려지는 응축수를 수소 공급 시스템의 수소 공급 압력을 이용하여 가습기로 공급하는 동시에 분사노즐을 통해 가습기내로 균일하게 공급하고, 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기의 일부만을 별도의 분기경로를 통해 가습기로 공급하고 나머지는 대기로 배출하거나, 또는 반응후 가습공기의 모드를 대기로 배출함으로써, 많은 가습량을 필요로 하지 않는 연료전지 시스템의 고온 운전 방법을 대비할 수 있고, 가습기를 포함하는 공기 공급계의 압 력차이를 낮추어 공기 공급계에 의해 소모되는 과도한 기생전력을 줄여서 연비 향상을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습 장치를 나타내는 개략도이다.

연료전지 시스템 구성을 보면, 연료전지 스택(10)의 연료(수소)극(12) 입구에는 고순도의 수소를 공급하는 수소탱크 및 수소 재순환 장치가 연결되어 있고, 연료극(12)에서 생성된 응축수가 중력에 의하여 낙하하여 저장되는 워터트랩(40)이 연결되어 있다.

또한, 연료전지 스택(10)의 공기(산소)극(14) 입구 및 출구간에는 가습기(20)가 배열되어 있고, 가습기(20)의 입구에는 필터에 의하여 여과된 외기를 흡입하는 공기블로워(16)가 연결되어 있다.

여기서, 본 발명에 따르면 상기 가습기(20)의 소정 위치에 분사노즐(18)이 장착되고, 상기 워터트랩(40)과 상기 분사노즐(18)간에 응축수 공급라인(44)이 연결된다.

특히, 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 출구와 상기 가습기(20)간의 연결은 분기라인(50)에 의하여 연결되는데, 이 분기라인(50)은 상기 공기극(14) 출구 로부터 상기 가습기(20)에 연결되는 동시에 대기쪽으로 분기된 구조를 갖는다.

또한, 상기 공기극(14)의 출구로부터 가습기(20)로 연결되는 분기라인(50)에는 공기극(14)으로부터 가습기(20)로 유입되는 반응후 가습공기의 유입량을 조절할 수 있는 온/오프 밸브(52)가 장착된다.

또한, 상기 워터트랩(40)의 배출구에는 워터트랩(40)에 저장된 응축수가 모두 배출될 때, 수소가 함께 뒤따라 유출되는 것을 방지하기 위한 수단으로 개폐 밸브(42)가 장착된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템의 가습 장치에 대한 작동 흐름을 설명하면 다음과 같다.

상기 연료전지 스택(10)의 작동중, 공기극(14)에서 연료극(12)으로 확산된 물 즉, 응축수가 일정량 이상 계속 쌓이면, 연료극(12)에서의 전기화학 반응이 원활히 진행되지 못하므로, 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지며 워터트랩(40)에 모이게 된다.

이때, 연료전지 스택(10)의 연료극(12)쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 연료극(12)의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩(40)에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 연료극(12)의 입구단쪽으로 재순환된다.

상기 워터트랩(40)내에 일정량의 응축수가 저장되면, 이를 최저수위 감지센서(46)에서 감지하기 전까지 워트트랩(40) 바닥쪽의 개폐밸브(42)가 열리게 되어, 하기와 같이 응축수가 가습기로 공급된다.

반면에, 워터트랩(40)내의 응축수가 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수위 감지센서(46)에서 감지하면 워트트랩(40) 바닥쪽의 개폐밸브(42)가 닫히게 되어, 워터트랩(40)내에 응축수가 최저수위를 유지하며 잔류하게 된다.

이에, 항상 대기와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 응축수가 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 된다.

여기서, 상기 워터트랩(40)으로부터 배출되는 응축수는 연료전지의 연료극(12)으로 수소를 공급하는 압력, 즉 연료극(12)이 일정 압력으로 운전됨에 따른 수소공급계의 수소 공급 압력을 받게 되면서 상기 응축수 공급라인(44)을 따라 가습기(20)쪽으로 공급된다.

연이어, 상기 수소공급계의 수소 공급 압력을 받으면서 가습기(20)로 공급된 응축수는 가습기(20)의 소정 위치에 장착된 분사노즐(18)을 통해 가습기(20)내의 중공사막(30)에 균일하게 분사된다.

이때, 상기 공기블로워(16)를 통하여 여과된 외부공기 즉, 건조공기가 가습기(20)내로 공급되는데, 이 건조공기는 중공사막(30)의 내부를 흐르게 된다.

따라서, 상기 분사노즐(18)을 통해 분사된 응축수가 중공사막(30)의 내부로 침투되면서 중공사막(30)내의 건조공기가 가습되어진다.

이에, 상기 가습기(20)를 통과한 가습공기가 연료전지의 공기극(14)으로 공급되어, 전기 생성을 위한 반응을 하게 되고, 공기극(14)에서 반응을 마친 가습공기의 일부는 상기 분기라인(50)을 통해 가습기(20)내로 공급되는 동시에 나머지는 대기로 방출되거나, 또는 가습공기의 전부가 대기로 방출된다.

보다 상세하게는, 상기 분사노즐(18)을 통해 분사된 응축수에 의하여 가습기(20)내로 유입되는 건조공기가 가습되는 가습량(습도)를 측정하여, 그 측정된 가습량이 원할한 가습이 이루어짐을 나타내는 임계치 이상이면, 상기 분기라인(50)에 장착된 온/오프 밸브(52)를 닫힘(off)시켜, 상기 공기극(14)으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기(20)로 유입되는 것을 차단하는 동시에 대기로 모두 방출되도록 한다.

반면에, 상기 분사노즐(18)을 통해 분사된 응축수에 의하여 가습기(20)내로 유입되는 건조공기가 가습되는 가습량(습도)를 측정하여, 그 측정된 가습량이 임계치 이하이면, 상기 분기라인(50)에 장착된 온/오프 밸브(52)를 열림(on)시켜, 상기 공기극(14)으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기(20)로 일부 유입되는 동시에 나머지는 대기로 방출되도록 함으로써, 가습 효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 연료전지 시스템 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 연료전지 시스템 구성중 가습기 구조를 설명하는 개략도,

도 3은 연료전지 시스템의 생성 전력 증가에 따라, 가습기내의 압력차가 발생되는 것을 설명하는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습 장치를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택 12 : 연료극

14 : 공기극 16 : 공기블로워

18 : 분사노즐 20 : 가습기

22 : 건조공기 유입구 24 : 가습공기 공급구

26 : 가습공기 유입구 28 : 가습공기 배출구

30 : 중공사막 40 : 워터트랩

42 : 개폐밸브 44 : 응축수 공급라인

46 : 최저수위 감지센서 50 : 분기라인

52 : 온/오프 밸브

Claims

연료전지의 연료극에 연결되어 응축수를 저장하는 워터트랩과, 연료전지의 공기극에 가습공기를 공급하기 위한 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습 장치에 있어서,

상기 가습기의 소정 위치에 장착되는 분사노즐과;

상기 워터트랩의 배출구와 상기 분사노즐간에 연결된 응축수 공급라인과;

상기 공기극의 출구로부터 상기 가습기에 연결되는 동시에 대기쪽으로 분기되는 분기라인;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 가습기로 연결되는 분기라인에는 상기 공기극으로부터 가습기로 유입되는 반응후 가습공기의 유입량을 조절할 수 있는 온/오프 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 장치.
연료전지의 연료극에 연결된 워터트랩에 응축수가 저장되는 단계와;

상기 워터트랩에 저장된 응축수가 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하는 압력을 받으면서 상기 가습기내로 분사되며 공급되는 단계와;

상기 가습기내로 분사되는 응축수에 의하여, 외기로부터 가습기로 유입되는 건조공기가 가습되는 단계와;

상기 가습기를 통과한 가습공기가 연료전지의 공기극으로 공급되는 단계와;

상기 공기극에서 반응을 마친 가습공기의 일부가 가습기내로 공급되는 동시에 나머지는 대기로 방출되거나, 가습공기의 전부가 대기로 방출되는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 워터트랩에 저장된 응축수가 모두 배출되는 시점을 감지하는 단계와;

상기 응축수가 모두 배출되는 것으로 판단되면, 상기 워터트랩의 배출구에 장착된 개폐밸브를 닫아주어 수소가 유출되는 것을 차단하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 가습기내로 유입되는 건조공기에 대한 가습량이 임계치 이상이면, 상기 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기로 유입되는 것을 차단하는 단계와;

상기 가습기내로 유입되는 건조공기에 대한 가습량이 임계치 이하이면, 상기 공기극으로부터 배출되는 반응후 가습공기가 가습기로 유입되는 것을 허용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습 방법.