KR101481176B1 - 연료전지용 공기분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 열 및 물관리 시스템에 의하여 연료전지 스택이 냉각될 때, 스택을 냉각시키고 나온 냉각수에 포함된 공기를 제거할 수 있고, 연료전지 초기 시동시 공기가 제거된 냉각수의 일부를 가습기로 공급하여 스택으로 공급되는 공기에 대한 초기 가습이 용이하게 이루어지도록 한 연료전지용 공기분리장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 냉각수 배출라인 구간중 물펌프와 라디에이터의 사이구간에 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하여 공기를 제거하는 공기분리기를 설치하고, 상기 공기분리기를 가습기에도 연결하여 공기가 제거된 냉각수를 가습기에 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치를 제공한다.

연료전지, 공기분리기, 냉각수, 열 및 물관리 시스템, 물펌프, 라디에이터, 가습기

Description

연료전지용 공기분리장치{Air separator for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 공기분리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열 및 물관리 시스템에서의 냉각수내 존재하는 공기 배출 및 초기 시동시 공기 가습도량을 충족시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기분리장치에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(APS), 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(TMS) 등을 포함하여 구성되어 있다.

연료전지 셀의 기본구조는 양성자 교환막을 사이에 두고 전극/촉매와 가스 확산층을 샌드위치 모양으로 적층한 양성자 교환막전극(MEA: Membrane Electrod Assembly)으로 이루어져 있는데, 수소와 산소 등의 반응가스가 전극/촉매 판의 전체 면에서 촉매와 효과적으로 접촉하여 전기 화학 반응이 이루어져 전기를 발생시킨다.

즉, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워를 포함하는 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급되며, 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.

이때, 상기 가스확산층 내의 습도를 적절하게 유지하여야만 양성자 교환막내의 습도가 유지되어 연료전지 시스템의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.

따라서, 연료전지 시스템에 적절한 습도를 공급 및 유지하는 방법으로 상기 공기 공급 시스템(APS: Air Processing System)을 통한 가습 기술이 적용되고 있으며, 상기 공기 공급 시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 공기 필터, 소음기, 에어 블로워, 가습기를 거쳐 스택으로 공기를 공급하는 구성으로 이루어져 있다.

또한, 상기 열 및 물관리 시스템(TMS)은 증류수(Distilled Water)를 연료전지 스택의 분리판 사이의 냉각수 유로를 통해 순환시키면서, 연료전지 스택을 일정 온도(60~70℃)를 유지시키는 일종의 냉각 장치로서, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 증류수(이하, 냉각수라 칭함)가 저장된 리저버와, 냉각수를 연료전지 스택의 내외부로 순환시키는 펌프와, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수로부터 금속이온을 제거하는 이온 제거기와, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수를 냉각시켜 다시 연료전지 스택으로 순환시키는 라디에이터를 포함하여 구성되어 있다.

그러나, 종래의 열 및 물관리 시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 냉각수를 순환시키는 펌프의 후단 카비테이션(CAVITATION) 현상으로 인해 냉각수 유체내에 공기 발생하여, 연료전지 스택에 대한 냉각 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

둘째, 연료전지 스택의 차량 장착 후, 분리판의 냉각수 유로내에 존재하는 내부공기로 인하여 냉각수에 기포와 같은 거품이 발생되어, 연료전지 스택의 냉각성능 저하 및 전도도가 상승하는 문제점이 있었다.

셋째, 공기 공급 시스템의 80kW급 가습기는 연료전지 스택에서 배출한 생성수를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 공기를 가습시키지만, 연료전지의 초기 시동시 연료전지 스택에 즉각적으로 가습공기를 공급하지 못하는 문제점이 있으며, 가습량이 부족하게 되면 연료전지 효율 저하 및 양성자 교환막의 수명 단축을 초래하게 된다.

넷째, 연료전지 스택에 공급하는 공기의 습도량을 맞추기 위해 가습기의 용량 및 부피를 증대시키는 경우, 이는 엔진룸 패키지 설계에 제한 요인으로 작용하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템의 열 및 물관리 시스템에서의 증류수내 존재하는 공기를 용이하게 제거 하여 연료전지 스택에 대한 냉각 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 연료전지의 초기 시동시 공기가 제거된 냉각수를 가습기내에 곧바로 공급하여 부족한 가습량을 충족시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기분리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 냉각수 배출라인 구간중 물펌프와 라디에이터의 사이구간에 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하여 공기를 제거하는 공기분리기를 설치하고, 상기 공기분리기를 가습기에도 연결하여 공기가 제거된 냉각수를 가습기에 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 공기분리기는: 상기 물펌프로부터의 냉각수 배출라인이 연결되는 입구가 상부 일측에 형성되고, 상기 라디에이터측으로 연장되는 냉각수 내출라인이 연결되는 출구가 하부 일측에 형성된 소정 체적의 몸체부와; 상기 냉각수의 유속감소 및 원심력 유도를 위해 상기 몸체부내에 일체로 장착되는 유로 가이드와; 상기 몸체부의 상단면에 장착되는 공기빼기수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 유로가이드는: 상기 몸체부의 바닥에 하단끝이 일체로 고정되고, 상단부는 상기 몸체부의 입구 바로 밑 위치까지 연장되는 지지로드와; 상기 지지로드의 상단에 일체로 장착되어 상기 몸체부의 입구와 수평 을 이루는 지지판과; 상기 지지로드의 외경면에 일체로 장착되는 복수개의 나선형 플레이트; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 유로가이드의 지지판의 일측에는 스프링의 일단부가 압축 가능하게 연결되고, 상기 몸체부의 입구내에는 상기 스프링의 타단부와 연결되는 냉각수 유입속도 조절용 밸브체가 내재된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기분리기의 몸체부 저면과 상기 가습기간을 연결하는 연결라인상에 전자식 조절밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기빼기수단은 개폐도 조절이 가능한 공기 배출용 나사인 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면 연료전지 스택을 냉각시킨 냉각수가 물펌프에 의하여 배출될 때, 냉각수에 포함된 공기 및 기포 등을 제거해줌으로써, 연료전지 스택에 대한 냉각 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 연료전지 초기 시동시 공기가 제거된 냉각수의 일부를 가습기로 공급하여 스택으로 공급되는 공기에 대한 초기 가습이 신속하게 이루어질 수 있다.

즉, 공기가 제거된 냉각수를 가습기내의 중공사막에 직접 공급함으로써, 가습량을 향상시켜 연료전지 초기 시동시 가습이 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 가습량의 증대에 따라 용량 및 부피가 큰 가습기를 배제할 수 있으므 로, 가습기의 단품 사이즈 축소와 더불어 엔진룸 패키지화에 기여할 수 있다.

또한, 스택의 화학 반응 후, 발생한 생성수를 냉각수로 재활용할 수 있다.

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

본 발명은 연료전지의 열 및 물관리 시스템에 의하여 연료전지 스택이 냉각될 때, 스택을 냉각시키고 나온 냉각수에 포함된 공기를 제거할 수 있도록 한 점, 그리고 연료전지 초기 시동시 공기가 제거된 냉각수의 일부를 가습기로 공급하여 스택으로 공급되는 공기에 대한 초기 가습이 용이하게 이루어지도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위한 본 발명의 공기분리기는 첨부한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다.

본 발명에 따른 공기분리기(10)는 열 및 물 관리 시스템에 의한 냉각수 순환 중, 냉각수에 함유된 공기를 상시 분리 배출하기 위한 것으로서, 즉 밀폐된 배관내에 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하는 구성을 내설하여 냉각수에 포함된 공기를 제거할 수 있도록 한 것으로서, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(30)으로부터 냉각수가 배출되는 냉각수 배출라인(32)에서 물펌프(34)와 라디에이터(36)의 사이구간, 바람직하게는 물펌프(34)의 후단쪽에 설치된다.

여기서, 본 발명의 공기분리기에 대한 구성을 첨부한 도 4를 참조로 보다 상 세하게 설명하면 다음과 같다.

상하로 길다란 소정 체적의 몸체부(12)가 물펌프(34)와 라디에이터(36)간의 냉각수 배출라인(32)상에 설치되는 바, 상기 몸체부(12)의 상부 일측에는 물펌프(34)로부터의 냉각수 배출라인(32)과 연결되는 입구(14)가 형성되고, 상기 몸체부(12)의 하부 일측에는 라디에이터(36)측으로 연장되는 냉각수 배출라인(32)과 연결되는 출구(16)가 형성된다.

상기 몸체부(12)의 바닥면은 가습기(38)와 소정의 연결라인(18)을 연결되는 동시에 이 연결라인(18)에는 가습기(38)로 공급되는 냉각수량을 조절하는 전자식 조절밸브(20)가 장착되고, 상기 몸체부(12)의 상면에는 일종의 공기빼기수단으로서 나사 풀림 또는 조임에 따라 개폐도 조절이 가능한 공기 배출용 나사(22)가 장착된다.

특히, 상기 몸체부(12)의 내부에는 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하여 공기를 제거하는 유로가이드(24)가 설치된다.

상기 유로가이드(24)의 일 구성으로서, 지지로드(25)의 하단끝이 상기 몸체부(12)의 바닥에 일체로 고정되고, 상기 지지로드(25)의 상단은 상기 몸체부(12)의 입구 바로 밑 위치까지 연장된다.

또한, 상기 지지로드(25)의 외경면에는 냉각수에 원심력을 유도하도록 복수개의 나선형 플레이트(26)가 일체로 장착되고, 상기 지지로드(25)의 상단끝에는 상기 몸체부(12)의 입구(14)와 수평을 이루는 지지판(27)이 일체로 장착된다.

이때, 상기 지지판(27)의 일측에는 스프링(28)의 일단부가 압축 가능하게 고 정되고, 이 스프링(28)의 타단부에는 냉각수 유입속도 조절용 밸브체(29)가 일체로 연결되는 바, 상기 냉각수 유입속도 조절용 밸브체(29)는 상기 몸체부(12)의 입구(14)내에 위치(닫힘 위치)하면서 냉각수의 수압에 따라 스프링(28)을 압축시키며 상기 지지판(27)쪽(열림 위치)으로 선형 이동하게 된다.

여기서, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 공기분리기에 대한 동작 흐름을 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 연료전지 스택(30)내의 분리판에 형성된 냉각수 유로를 따라 냉각수가 흐르면서 연료전지 스택(30)에 대한 냉각을 마치고 냉각수 배출라인(32)으로 빠져나오게 되면, 냉각수에는 분리판의 냉각수 유로내에 존재하는 내부공기가 기포 내지 거품으로 포함되거나, 또한 연속해서 물펌프(34)를 통과할 때 물펌프(34)의 후단 카비테이션 현상으로 인해 냉각수 유체내에 공기가 더 포함될 수 있다.

이렇게 공기가 내포된 냉각수가 상기 몸체부(12)의 입구에 도달하면, 냉각수의 흐름 압력(수압)에 의하여 상기 냉각수 유입속도 조절용 밸브체(29)가 스프링(28)을 압축시키면서 몸체부(12)내로 이동하게 되어, 결국 상기 몸체부(12)의 입구(14)를 막고 있던 냉각수 유입속도 조절용 밸브체(29)가 열리게 된다.

연속해서, 상기 몸체부(12)내로 유입된 냉각수는 상기 지지로드(25)에 일체로 부착된 나선형 플레이트(26)를 따라 빠르게 회전하는 흐름을 가짐에 따라 원심력이 발현되고, 이때의 원심력에 의거 냉각수에 포함된 기포 내지 거품, 즉 공기가 용이하게 제거된다.

물론, 위와 같이 제거된 공기는 상기 몸체부(12)의 상면에 장착된 공기 배출용 나사(22)를 통과하여 외부로 방출된다.

따라서, 공기가 제거된 냉각수는 상기 몸체부(12)의 출구를 통해 열교환을 위한 라디에이터(36)를 거쳐, 다시 냉각을 위해 연료전지 스택(30)으로 공급되는 바, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 냉각수에는 공기가 제거된 상태이므로, 종래에 냉각수에 포함된 공기 및 기포 등으로 인해 연료전지 스택에 대한 냉각 성능이 저하되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.

특히, 연료전지의 초기 시동시, 연료전지 제어부에서 상기 전자식 조절밸브(20)에 대한 열림 제어를 실시하여, 공기가 제거된 냉각수의 일부가 몸체부(12)의 내부로부터 가습기(38)내로 곧바로 공급되도록 함으로써, 연료전지 초기 시동시 스택의 공기극에 공급하는 공기에 대하여 부족한 가습량을 충족시킬 수 있다.

즉, 연료전지 초기시동시, 공기블로워에 의하여 흡입된 외기(건조공기)가 가습기(38)를 통과할 때, 상기 몸체부(12)내에서 가습기(38)로 냉각수의 일부가 공급되도록 함으로써, 공기에 대한 가습량 및 가습속도를 증대시킬 수 있다.

한편, 연료전지 시스템 가동 후, 스택 내부에서 화학 반응이 일어나면 생성된 생성수를 가습기로 공급되어 가습량을 증가시킬 수 있고, 또한 상기 가습기(38) 바닥에 흘러간 잉여 생성수를 리저버(40: 보조 물탱크)로 흘러보냄으로써, 상기와 같이 초기 시동시 가습기내로 공급되어 소모된 냉각수(DI-water)를 보충할 수 있다.

도 1은 연료전지의 공기 공급 시스템 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 연료전지의 열 및 물관리 시스템 구성을 설명하는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 공기분리기를 갖는 열 및 물관리 시스템 구성을 나타낸 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 공기분리기의 동작을 설명하는 확대 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공기분리기 12 : 몸체부

14 : 입구 16 : 출구

18 : 연결라인 20 : 전자식 조절밸브

22 : 공기 배출용 나사 24 : 유로가이드

25 : 지지로드 26 : 나선형 플레이트

27 : 지지판 28 : 스프링

29 : 냉각수 유입속도 조절용 밸브체 30 : 연료전지 스택

32 : 냉각수 배출라인 34 : 물펌프

36 : 라디에이터 38 : 가습기

40 : 리저버

Claims (6)

1. 연료전지 스택의 냉각수 배출라인 구간 중 물펌프와 라디에이터의 사이 구간에 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하여 공기를 제거하는 공기분리기를 설치하고, 상기 공기분리기를 연료전지 스택에서 배출한 생성수를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 공기를 가습하는 가습기에도 연결하여 공기가 제거된 냉각수를 가습기에 공급할 수 있도록 하며,

   상기 공기분리기의 몸체부 바닥면과 상기 가습기는 연결라인으로 연결되는 동시에 상기 연결라인에는 가습기로 공급되는 냉각수량을 조절하는 전자식 조절밸브가 장착되어, 연료전지 초기 시동 시 전자식 조절밸브를 열림 제어하여 공기가 제거된 냉각수 일부가 가습기로 공급되도록 하고,

   상기 가습기의 바닥에 흘러간 잉여 생성수를 리저버로 흘러보내어, 연료전지 초기 시동 시 가습기 내로 공급되어 소모된 냉각수를 보충할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기분리기는:

   상기 물펌프로부터의 냉각수 배출라인이 연결되는 입구가 상부 일측에 형성되고, 상기 라디에이터측으로 연장되는 냉각수 내출라인이 연결되는 출구가 하부 일측에 형성된 소정 체적의 몸체부와;

   상기 냉각수의 유속감소 및 원심력 유도를 위해 상기 몸체부내에 일체로 장착되는 유로 가이드와;

   상기 몸체부의 상단면에 장착되는 공기빼기수단;

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 유로가이드는:

   상기 몸체부의 바닥에 하단끝이 일체로 고정되고, 상단부는 상기 몸체부의 입구 바로 밑 위치까지 연장되는 지지로드와;

   상기 지지로드의 상단에 일체로 장착되어 상기 몸체부의 입구와 수평을 이루는 지지판과;

   상기 지지로드의 외경면에 일체로 장착되는 복수개의 나선형 플레이트;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 유로가이드의 지지판의 일측에는 스프링의 일단부가 압축 가능하게 연결되고, 상기 몸체부의 입구내에는 상기 스프링의 타단부와 연결되는 냉각수 유입속도 조절용 밸브체가 내재된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치.
5. 삭제
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 공기빼기수단은 개폐도 조절이 가능한 공기 배출용 나사인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기분리장치.

Images