KR101459907B1

KR101459907B1 - 연료전지 막가습기

Info

Publication number: KR101459907B1
Application number: KR1020130056279A
Authority: KR
Inventors: 김현유; 권혁률; 박정희
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-11-07

Abstract

연료전지 스택의 배출공기가 입출되는 매니폴드와, 외기가 입출되는 입출구를 포함하는 중공의 하우징과, 하우징 내에 마련되어 상기 배출공기와 외기 간에 수분을 교환하는 중공사막 모듈과, 하우징의 내부공간이 구획되도록 하우징의 길이방향으로 이동 가능하게 설치되는 분할판과, 분할판을 상기 하우징의 길이방향으로 이동시켜 수분이 교환되는 수분공간을 조절하는 이동수단을 포함하며, 상기 분할판의 하부에는 공기가 이동 가능한 유로홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기가 소개된다.

Description

연료전지 막가습기{MEMBRANE HUMIDIFIER FOR FUEL CELL}

본 발명은 가스 간의 수분이 교환되는 교환 공간을 조절하여 연료전지 스택로 유입되는 가습량을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.

연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

이 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템을 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

한편, 연료전지시스템에서는 원활한 화학반응을 위해 가습공기가 필요한데, 통상적으로 중공사막 모듈이나 필름형태의 막을 이용하여 물을 직접 공급하거나, 연료전지스택에서 배출되는 과포화 가습공기의 수분을 외기인 건조공기측과 교환시켜 가습하고 있다.

이 중에서 중공사막 모듈(hollow fiber)을 이용한 막가습기(Membrane Humidifier)는, 연료전지스택에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 연료전지스택에 공급되는 상온의 건조한 반응가스에 공급함으로써, 연료전지스택의 가습과 온도 유지할 수 있다.

이 막가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막 모듈의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지스택의 가습이 충분히 가능하며, 막가습기를 통해 연료전지스택에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

이와 관련하여 "연료전지용 막가습기(특허공개공보 10-2011-0059977호)"가 참고될 수 있다.

종래 기술의 경우, 외기의 건조공기를 공기블로워로 강제 송풍하여 막가습기에 통과시키고, 이때 연료전지 스택의 캐소드 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기(습윤공기)를 막가습기에 통과시켜, 과포화 가습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 한다. 여기서, 가습된 공기를 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급하게 된다.

그러나 이러한 종래 기술은, 저 전류영역에서는 충분한 가습이 필요하나 고 출력/고 전류 영역에서는 캐소드에서 생성되는 물의 양이 많아 캐소드 물질전달 저항을 증가시키므로, 플러딩(flooding)의 원인이 야기될 수 있고, 이로 인해 국부적인 캐소드 스타베이션(starvation)의 발생으로 연료전지 촉매 열화를 가속화하여 연료전지의 내구성을 감소시킬 수 있다.

KR10-2011-0059977A

본 발명은 가스 간의 수분이 교환되는 교환 공간을 조절하여 가습량을 제어할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 막가습기는, 연료전지 스택의 배출공기가 입출되는 매니폴드와, 외기가 입출되는 입출구를 포함하는 중공의 하우징; 상기 하우징 내에 마련되어 상기 배출공기와 외기 간에 수분을 교환하는 중공사막 모듈; 상기 하우징의 내부공간이 구획되도록 상기 하우징의 길이방향으로 이동 가능하게 설치되는 분할판; 및 상기 분할판을 상기 하우징의 길이방향으로 이동시켜 상기 수분이 교환되는 수분공간을 조절하는 이동수단을 포함하며, 상기 분할판의 하부에는 공기가 이동 가능한 유로홈이 형성될 수 있다.

이때, 상기 이동수단은 상기 분할판의 테두리부에 마련되는 웜 휠부; 상기 웜 휠부에 맞물리도록 웜 축의 외주면에 형성되는 웜 기어부; 및 상기 웜 축에 구동 연결되는 구동모터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이동수단은 상기 분할판의 테두리부에 마련되는 영구자석; 및 상기 하우징의 길이방향으로 연장되게 배치되고, 상기 영구자석에 전자기력을 제공하여 상기 분할판을 이동시키는 전자석을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전자석은 교호로 배치되는 N극부와 S극부를 포함하고, 상기 N극부와 상기 S극부는 교번하여 상기 영구자석에 전자기력을 제공할 수 있다.

또한, 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전류량을 감지하는 전류센서; 및 감지된 상기 전류량을 고려하여 상기 이동수단에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

또한, 운전자가 조작하는 가속페달의 가압량을 감지하는 페달센서; 및 감지된 상기 가압량을 고려하여 상기 이동수단에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료전지 스택의 입구측에서의 습도를 감지하는 습도센서; 및 감지된 상기 습도를 고려하여 상기 이동수단에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 막가습기에 따르면, 저 출력/저 전류 영역과 고 출력/고 전류 영역에 따라, 가스 간의 수분이 교환되는 교환 공간을 적절하게 조절함으로써, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 가습량을 전류량 또는 출력에 따라 적절하게 조절할 수 있다.

또한, 저 출력과 고 출력에서 필요한 가습성능을 상황에 따라 알맞게 조절할 수 있으므로, 연료전지 스택의 캐소드에서 발생할 수 있는 플러딩을 방지할 수 있고, 플러딩에 의한 성능 감소 및 캐소드의 국부적인 공기공급 부족현상을 방지할 수 있다.

또한, 공기공급 부족현상에 의한 촉매 열화 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 고 유량에서 막가습기의 압력강하를 줄여 공기 블로워의 부하를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 도시한 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 도시한 사시도.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 작동 상태를 도시한 상태도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 이동수단을 도시한 측면도.
도 6은 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기의 이동수단을 도시한 측면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 센서류 및 제어기를 도시한 블록도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 막가습기에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 도시한 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 도시한 사시도이며, 도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 막가습기는, 공기블로워(20)에서 강제 송풍된 외기(건조공기)와, 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구로부터 배출된 배출공기(습윤공기) 간에 수분 교환이 이루어지는 수분공간(401)을 조절함으로써, 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구로 공급되는 공기의 가습량을 조절할 수 있다.

이를 구현하기 위한 연료전지 막가습기는, 하우징(100), 중공사막 모듈(200), 분할판(300), 이동수단(400), 센서류 및 제어기(600)를 포함한다.

구체적으로, 하우징(100)은 중공의 원통형 구조로, 공기블로워(20)의 외기를 공급받을 수 있고, 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구로부터 배출공기를 공급받을 수 있다. 이를 위해, 하우징(100)에는 연료전지 스택(10)의 배출공기가 입출되는 매니폴드(110)와, 외기가 입출되는 입출구(120)가 구비된다.

여기서, 매니폴드(110)는 하우징(100)의 일단 상부측에 형성되는 유입 매니폴드(110a)와, 하우징(100)의 타단 하부측에 형성되는 유출 매니폴드(110b)로 구성된다. 유입 매니폴드(110a)에는 연료전지 스택의 캐소드 출구에 배출된 배출공기가 유입되고, 유출 매니폴드(110b)에는 중공사막 모듈(200)을 통과한 공기가 대기로 배출될 수 있다.

그리고 입출구(120)는 공기블로워(20)에서 강제 송풍된 외기가 유입되도록 하우징(100)의 타단에 형성되는 입구(120a)와, 중공사막 모듈(200)을 통과한 공기가 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구로 배출되도록 하우징(100)의 일단에 형성되는 출구(120b)를 포함한다. 이때, 이들 입구(120a)에는 및 출구(120b)에는 공기의 입출이 가능한 복수의 입출홀(121)이 형성된다.

하우징(100)의 내부에는 중공사막 모듈(200)이 수납된다.

중공사막 모듈(200)은 중공사막(hollow fiber)을 다발로 구성한 주공사막 다발로 구성되어, 접촉표면적이 넓은 고집적화가 가능하며, 연료전지 스택(10)에서 고온으로 배출되는 배출공기에 포함된 수분과 열을 회수하여 연료전지 스택(10)에 제공한다.

예컨대, 이 중공사막 모듈(200)은 연료전지 스택(10)에서 배출된 배출공기(습윤공기)와 공기블로워(20)에서 송출된 외기(건조공기) 간 수분 교환을 통해, 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구로 가습공기를 제공한다.

이때, 배출공기와 외기 간의 수분 교환은, 하우징(100) 내 중공사막 모듈(200)을 통과하는 수분공간(401)에 비례된다. 따라서, 배출공기와 외기가 중공사막 모듈(200)에 접촉되는 수분공간(401)의 크기를 조절함으로써, 배출공기와 외기 간에 수분이 교환되는 수분 교환 량을 조절할 수 있다. 이 수분공간(401)의 크기 조절은 분할판(300)을 통해 구현될 수 있다.

분할판(300)은 하우징(100)의 내경에 대응되는 원반 형태로, 중공사막 모듈(200)이 관통되도록 하우징(100) 내부에서 위치되며, 하우징(100) 내에서 하우징(100)의 길이방향으로 이동가능하게 설치된다.

이러한 분할판(300)은 하우징(100)의 길이방향으로 이동됨으로써, 공기와 외기 간에 수분이 교환되는 수분공간(401)을 조절할 수 있다. 이때, 분할판(300)의 하부에는 공기가 이동 가능한 유로홈(301)이 형성된다.

예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 저 전류/저 출력 영역에서는 공기블로워(20)에서 송풍되는 외기의 유량이 적어지는 바, 하우징(100) 내 분할판(300)을 수분공간(401)이 작아지는 방향으로 이동시키면, 수분공간(401)이 작아 짐에 따라 상대적으로 적은 양의 외기와 배출공기 간 수분이 교환되고, 이에 따라, 상대적으로 적인 가습공기가 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구에 공급될 수 있다.

반면에, 도 4에 도시된 바와 같이, 고 전류, 고 출력영역에서는 공기블로워(20)에 의해 송풍되는 공기의 유량이 많아지는 바, 하우징(100) 내 분할판(300)을 수분공간(401)이 커지는 방향으로 이동시키면, 수분공간(401)이 커짐에 따라 상대적으로 많은 양의 외기와 배출공기 간 수분이 교환되고, 결국, 상대적으로 많은 가습공기가 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구에 공급될 수 있다.

이 분할판(300)은 이동수단(400)을 통해 하우징(100)의 길이방향으로 이동된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 이동수단을 도시한 측면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이동수단(400)은 분할판(300)의 테두리부에 마련되는 웜 휠부(410)와, 웜 축(420)의 외주면에 형성되는 웜 기어부(421)와, 웜 축(420)에 구동 연결되는 구동모터(430)를 포함한다.

여기서, 웜 휠부(410)는 헬리컬 기어(helical gear)와 유사한 형태로, 나사산의 홈이 비스듬히 형성되고, 양 단부가 지지 베어링(440)에 의해 지지된다. 그리고 웜 기어부(421)는 웜 휠부(410)에 맞물리는 나사산이 형성되어, 웜 휠부(410)의 회전시 웜 휠부(410)에 맞물리면서 하우징(100)의 길이방향으로 이동될 수 있다.

즉, 제어기(600)의 작동신호가 구동모터(430)에 전달되면 구동모터(430)의 작동에 의해 웜 축(420)이 회전되고, 웜 축(420)의 회전력이 웜 기어부(421)를 통해 웜 휠부(410)에 전달되면 웜 휠부(410)가 웜 축(420)의 길이방향으로 이동하고, 분할판(300)은 웜 휠부(410)와 연동하여 하우징(100)의 길이방향으로 이동될 수 있다.

도 6은 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기의 이동수단을 도시한 측면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 이동수단(400)은, 분할판(300)의 테두리부에 마련되는 영구자석(450)과, 영구자석(450)에 전자기력을 제공하여 분할판(300)을 하우징(100)의 길이방향으로 이동시키는 전자석(460)을 포함할 수 있다.

이때, 전자석(460)은 하우징(100)의 길이방향으로 교호적으로 연장 배치되는 N극부(461)와 S극부(462)로 구성된다. 제어기(600)에 의한 작동신호의 인가시, 이들 N극부(461)와 S극부(462)는 교번하여 작동됨으로써, 영구자석(450)이 구비된 분할판(300)을 하우징(100)의 길이방향으로 이동시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 센서류 및 제어기를 도시한 블록도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제어기(600)는 센서류에서 인가되는 전류량, 가압량 또는 습도 등을 고려하여, 이동수단(400)에 작동신호를 인가할 수 있다.

예컨대, 제어기(600)는 센서류에서 인가되는 전류량이 고 전류량인지 저 전류량인지를 고려하여 분할판(300)의 이동방향 및 이동거리를 결정하거나, 가압량에 따른 전류(출력) 영역을 판단하여 분할판(300)의 이동방향 및 이동거리를 결정하거나, 또는 습도에 따라 분할판(300)의 이동방향 및 이동거리를 결정할 수 있다.

센서류는 전류센서(510), 페달센서(520) 및 습도센서(530) 중에서 선택하여 구성될 수 있다.

여기서, 전류센서(510)는 연료전지 스택(10)에서 출력되는 전류량을 감지하고, 감지된 전류량을 제어기(600)에 인가할 수 있다. 페달센서(520)는 운전자가 조작하는 가속페달의 가압량을 감지하고, 감지된 가압량을 제어기(600)에 인가할 수 있다. 습도센서(530)는 연료전지 스택(10)의 입구측의 습도를 감지하고, 감지된 습도를 제어기(600)에 인가할 수 있다.

본 실시예에서는 전류센서(510), 페달센서(520) 및 습도센서(530) 중에서 하나를 선택하여 센서류를 구성하지만, 보다 정확한 전류(출력) 영역 상태를 판단하기 위해서, 이들 센서를 복수개 선택하여 센서류를 구성할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저 출력/저 전류 영역과 고 출력/고 전류 영역에 따라, 가스 간의 수분이 교환되는 교환 공간을 적절하게 조절하여, 연료전지스택으로 공급되는 공기의 가습량을 전류량 또는 출력에 따라 적절히 조절할 수 있고, 연료전지 스택의 캐소드에서 발생할 수 있는 플러딩을 방지할 수 있게 되고, 플러딩에 의한 성능 감소 및 캐소드의 국부적인 공기공급 부족현상을 방지할 수 있으고, 공기공급 부족현상에 의한 촉매 열화 및 내구성 저하를 방지할 수 있으며, 고 유량에서 막가습기의 압력강하를 줄여 공기 블로워의 부하를 감소시킬 수 있는 등의 우수한 장점을 갖는다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 :하우징 110 :매니폴드
120 :입출구 200 :중공사막 모듈
300 :분할판 400 :이송수단
410 :웜 휠부 420 :웜 축
430 :구동모터 440 :지지 베어링
450 :구동모터 460 :전자석
510 :전류센서 520 :페달센서
530 :페달센서 600 :제어기

Claims

연료전지 스택(10)의 배출공기가 입출되는 매니폴드(110)와, 외기가 입출되는 입출구(120)를 포함하는 중공의 하우징(100);
상기 하우징(100) 내에 마련되어 상기 배출공기와 외기 간에 수분을 교환하는 중공사막 모듈(200);
상기 하우징(100)의 내부공간이 구획되도록 상기 하우징(100)의 길이방향으로 이동 가능하게 설치되는 분할판(300); 및
상기 분할판(300)을 상기 하우징(100)의 길이방향으로 이동시켜 상기 수분이 교환되는 수분공간(401)을 조절하는 이동수단(400)을 포함하며,
상기 분할판(300)의 하부에는 공기가 이동 가능한 유로홈(301)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 이동수단(400)은
상기 분할판(300)의 테두리부에 마련되는 웜 휠부(410);
상기 웜 휠부(410)에 맞물리도록 웜 축(420)의 외주면에 형성되는 웜 기어부(421); 및
상기 웜 축(420)에 구동 연결되는 구동모터(430)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 이동수단(400)은
상기 분할판(300)의 테두리부에 마련되는 영구자석(450); 및
상기 하우징(100)의 길이방향으로 연장되게 배치되고, 상기 영구자석(450)에 전자기력을 제공하여 상기 분할판(300)을 이동시키는 전자석(460)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 3에 있어서,
상기 전자석(460)은 교호로 배치되는 N극부(461)와 S극부(462)를 포함하고,
상기 N극부(461)와 상기 S극부(462)는 교번하여 상기 영구자석(450)에 전자기력을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 스택(10)에서 출력되는 전류량을 감지하는 전류센서(510); 및
감지된 상기 전류량을 고려하여 상기 이동수단(400)에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 1에 있어서,
운전자가 조작하는 가속페달의 가압량을 감지하는 페달센서(520); 및
감지된 상기 가압량을 고려하여 상기 이동수단(400)에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 스택(10)의 입구측에서의 습도를 감지하는 습도센서(530); 및
감지된 상기 습도를 고려하여 상기 이동수단(400)에 인가되는 작동신호를 조절하는 제어기(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.