KR101481266B1

KR101481266B1 - 연료전지용 가습기

Info

Publication number: KR101481266B1
Application number: KR20130056276A
Authority: KR
Inventors: 윤종진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2015-01-09
Also published as: KR20140136151A

Abstract

본 발명은, 연료전지의 스택에 마련되며, 연료 또는 공기가 유입되는 매니폴드; 상기 매니폴드 내에 설치된 가습기;를 포함하여 구성되는 연료전지용 가습기가 소개된다.

Description

연료전지용 가습기{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 연료전지 차량에 사용되는 가습기를 스택의 매니폴드부와 일체화하여 차량 내 공간 활용도를 넓히고 가습 효능을 향상시키는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

연료전지의 경우, 발전부인 연료전지 스택의 MEA는 충분히 수화된 상태에서만 이온 전도성을 갖게 되는데, 이 때문에 셀 내부의 습도를 최적 상태로 유지해주어야 한다. 이를 위해 연료나 공기를 가습한 상태로 공급하며, 이러한 가습상태를 조절해주기 위해 가습기가 설치된다.

한편, 현재 적용되고 있는 연료전지 차량에서는, 스택의 외부에 가습기가 배치됨으로써, 가습기와 스택을 연결하는 배관을 통해 가습된 공기가 스택에 공급되도록 구성되어 있다.

그러나, 이같은 구조의 연료전지 스택은 가습기를 설치하기 위한 공간이 별도로 필요하여 공간확보성이 떨어지고, 스택과 가습기의 연결에 필요한 연결관, 클램프 등과, 연료전지 스택과 가습기를 지탱하는 지지구조 등이 별도로 필요하므로 부품수가 증가하며, 또한 가습기로 들어가는 공기는 외부 공기이므로 상온으로서 가습기를 통과하면서 얻을 수 있는 가습량이 매우 적은 문제가 있다.

도 1는 또 다른 종래 기술로서, 일본 공개특허공보 공개번호 2001-023662호의 "가습기 부재, 및 그 가습기 부재를 구비한 고체 고분자 전해질형 연료 전지 및 연료 전지 시스템"은, 스택(3)의 측면에 가습기(1)가 장착되어 스택(3)과 같이 가습기(1)를 체결하는 방식이 적용되어 있다. 이러한, 가습기(1)는 연료전지 스택 좌우측 끝면에 가습판(6)이 장착되어 가습 효과를 제공하며, 가습판에는 다공질 지지체를 삽입하여 불순물을 제거하게 된다.

그러나, 상기 스택의 측면에 가습기를 배치하는 경우 차지하는 공간에 비해 가습 효율이 저하될 우려가 있으며, 가습기의 전체 면적을 통과해서 연료가 공급되기 어려운 구조이며, 그렇다 하더라도 이동경로의 복잡성이 공기 공급 효율을 감소시키는 단점이 있다. 또한 가습기를 바이패스하여 퍼지(무가스 퍼지)할 수 없는 구조로 되어 있고, 많은 수의 스택을 적층해야 하는 점에서 추가적인 가습기 셀을 위한 공간 확보가 어려운 문제가 있다.

도 2는 또 다른 종래 기술로서, 한국 공개특허공보 공개번호 2008-0053997호의 "가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택"은, 분배박스(14)의 양측에 각각 연료전지 모듈(12A ~ 12D)이 배치되어, 분배박스(14)를 통해 각 연료전지 모듈로 유입된 수소, 공기 및 냉각수가 반응 및 열 전달을 마친 후 다시 분배박스를 통해 외부로 유출되는 연료전지 스택에 있어서, 상기 분배박스의 양측에 각각 배치된 2개씩의 연료전지 모듈 사이에는 상기 분배박스를 통해 유입된 공기를 가습하여 다시 상기 분배박스를 향하여 유출시키는 가습 모듈(16A,16B)이 배치되어 연료전지 스택과 일체로 되어 있다.

상기 가습모듈과 이 가습 모듈의 양측에 배치된 연료전지 모듈은 고정봉에 의해 서로 연결되며, 상기 고정봉은 체결 부재에 의해 상기 분배 박스에 고정되어 있다.

그러나 분배박스를 별도로 구성하는 것은 공간 활용도 측면에서 불리한 문제가 있고, 또한 냉시동을 위한 무가습 퍼지 기술의 적용이 어려운 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

JP

2001-023662

A

KR

10-2008-0053997

A

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 연료전지 차량에 사용되는 가습기를 스택의 매니폴드부와 일체화하여 차량 내 공간 활용도를 넓히고 가습 효능을 향상시키며, 액적 제거 등을 통해 연료전지의 내구성을 향상시키는 연료전지용 가습기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연료전지의 스택에 마련되며, 연료 또는 공기가 유입되는 매니폴드; 상기 매니폴드 내에 설치된 가습기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 연료가 유입되는 연료입구 측에 연료입구매니폴드가 설치되며; 상기 가습기가 상기 연료입구에 근접하여 설치될 수 있다.

상기 공기가 유입되는 공기입구 측에 공기입구매니폴드가 설치되며; 상기 가습기가 상기 공기입구에 근접하여 설치될 수 있다.

상기 연료가 유출되는 연료출구 측에 설치된 연료출구매니폴드; 일단이 상기 연료출구매니폴드에 연결되고, 타단이 상기 연료입구매니폴드에 연결됨으로써, 상기 연료출구매니폴드에서 배출된 응축수를 상기 연료입구매니폴드 내에 설치된 가습기에 공급하는 제1관로; 및 상기 제1관로의 경로 상에 설치되어 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제1액적차단밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 연료출구매니폴드와 제1액적차단밸브 사이에는 제1관로의 경로 상에 기액분리기가 더 설치될 수 있다.

상기 공기가 유출되는 공기출구 측에 설치된 공기출구매니폴드; 일단이 상기 공기출구매니폴드에 연결되고, 타단이 상기 공기입구매니폴드에 연결됨으로써, 상기 공기출구매니폴드에서 배출된 응축수를 상기 공기입구매니폴드 내에 설치된 가습기에 공급하는 제2관로; 및 상기 제2관로의 경로 상에 설치되어 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제2액적차단밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 가습기는 상기 스택을 구성하는 셀 각각에 마련될 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 가습기가 매니폴드에 설치됨으로써, 연료 및/또는 공기가 유출입되는 입구는 물론 출구까지 균일한 가습도를 유지하고, 셀 내의 온도를 활용하여 가습기의 온도가 상승되어, 가습도가 향상되는바, 스택의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 가습기의 부피를 축소할 수 있는 것과 더불어, 상기 가습기 설치에 필요한 공간을 줄이게 되는바, 공간 활용도를 증대시키는 효과도 있으며, 가습기에 물이 순환되는 경로 상에 액적차단밸브가 설치되어 무가습 퍼지가 가능하게 되고, 이로 인해 차량의 냉시동시 연료전지 셀 등에 남아 있는 액적을 효과적으로 제거하여 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지에 가습기가 설치된 구조를 나타낸 도면.
도 2는 다른 종래 기술에 의한 연료전지에 가습기가 설치된 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지에서 매니폴드에 가습기가 설치된 구조와 응축수의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지에서 가습기의 설치 위치 및 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 연료전지용 가습기는 크게 매니폴드와 가습기(15)(25)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 연료전지에서 매니폴드에 가습기가 설치된 구조와 응축수의 흐름을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 연료전지에서 가습기의 설치 위치 및 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 연료전지용 가습기를 구체적으로 살펴보면, 연료전지의 스택(1)에 마련되며, 연료 또는 공기가 유입되는 매니폴드; 상기 매니폴드 내에 설치된 가습기(15)(25);를 포함하여 구성된다.

즉, 연료 또는 공기가 유입되는 매니폴드 내의 공간에 가습기(15)(25)가 설치됨으로써, 가습기(15)(25)의 부피를 축소할 수 있는 것과 더불어, 상기 가습기(15)(25) 설치에 필요한 공간을 줄이게 되는바, 연료전지 모듈 설치에 필요한 공간을 축소시켜 공간 활용도를 증대시키게 된다.

도 4와 같이, 본 발명은 상기 연료가 유입되는 연료입구(11) 측에 연료입구매니폴드(12)가 설치되며; 상기 가습기(15)가 상기 연료입구(11)에 근접하여 설치될 수 있다.

또한, 상기 공기가 유입되는 공기입구(21) 측에 공기입구매니폴드(22)가 설치되며; 상기 가습기(25)가 상기 공기입구(21)에 근접하여 설치될 수 있다.

이때, 상기 가습기(15)(25)는 상기 스택(1)을 구성하는 셀 각각에 설치될 수 있다. 그리고, 상기 가습기(15)(25)의 내부에는 중공사막(15a)이 설치되며, 상기 중공사막에 응축수가 공급되면, 상기 중공사막을 통과하는 연료 및 공기가 가습될 수 있다. 여기서, 도면으로 도시하지는 않았지만, 도면 부호 25로 도시된 가습기 역시 중공사막이 마련될 것이다.

즉, 상기 가습기(15)가 연료입구(11)에 가깝게 설치됨으로써, 연료입구(11)에서 유입되는 가습된 연료가 연료출구(13)까지 균일하게 공급된다. 또한, 상기 가습기(25)가 공기입구(21)에 가깝게 설치됨으로써, 공기입구(21)에서 유입되는 가습된 공기가 공기출구(23)까지 균일하게 공급된다.

부연하면, 종래의 경우, 가습기가 연료입구 및 공기입구(21)와 떨어져 설치됨으로써, 연료입구 및 공기입구(21) 위치에서는 가습된 연료 및 공기의 유동이 활발하고, 연료출구 및 공기출구(23) 위치에서는 가습된 연료 및 공기의 유동이 활발하지 못하게 된다. 이에 따라, 종래의 가습기 배치구조에서는 연료의 유동도 불균일할 수 밖에 없는 것이다.

따라서, 본 발명은 연료입구(11)로부터 연료출구(13)까지, 그리고 공기입구(21)에서 공기출구(23)까지 가습도의 기울기를 균일하게 유지하게 됨으로써, 유동이 적은 연료출구(13) 및 공기출구(23) 부분에까지 균일한 가습능력을 확보할 수 있게 된다.

또한, 가습기(15)(25)가 매니폴드에 설치됨으로써, 셀 내의 온도를 활용하여 가습기(15)(25)의 온도가 상승되어, 가습도가 상승하게 된다. 즉, 스택(1) 외부에 가습기가 설치된 종래의 가습기의 경우, 외기온에 의해 가습 기체가 배관 내에서 액적으로 응축되어 MEA의 전극 손상이 발생하게 되는 문제가 있는데, 본 발명은 가습기(15)(25)의 온도 상승으로 인해 가습 기체가 액적으로 응축되는 것을 방지하여 셀 내의 전극 손상을 방지하게 되는바, 결과적으로 스택(1)의 내구성을 향상시키게 된다.

한편, 도 3과 같이 본 발명은 상기 연료가 유출되는 연료출구(13) 측에 설치된 연료출구매니폴드(14); 일단이 상기 연료출구매니폴드(14)에 연결되고, 타단이 상기 연료입구매니폴드(12)에 연결됨으로써, 상기 연료출구매니폴드(14)에서 배출된 응축수를 상기 연료입구매니폴드(12) 내에 설치된 가습기(15)에 공급하는 제1관로(16); 및 상기 제1관로(16)의 경로 상에 설치되어 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제1액적차단밸브(17);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 연료출구매니폴드(14)와 제1액적차단밸브(17) 사이에는 제1관로(16)의 경로 상에 기액분리기(18)가 더 설치됨으로써, 상기 연료출구(13)를 통해 연료출구매니폴드(14)에서 배출되는 수소와 응축수를 분리하게 된다.

아울러, 본 발명은, 상기 공기가 유출되는 공기출구(23) 측에 설치된 공기출구매니폴드(24); 일단이 상기 공기출구매니폴드(24)에 연결되고, 타단이 상기 공기입구매니폴드(22)에 연결됨으로써, 상기 공기출구매니폴드(24)에서 배출된 응축수를 상기 공기입구매니폴드(22) 내에 설치된 가습기(25)에 공급하는 제2관로(26); 및 상기 제2관로(26)의 경로 상에 설치되어 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제2액적차단밸브(27);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 차량의 냉시동을 위해서는 차량의 셧다운시 연료전지 셀 내의 물관리가 매우 중요하다. 따라서, 차량의 냉시동시에 제1액적차단밸브(17) 및/또는 제2액적차단밸브(27)를 통해 연료입구매니폴드(12) 및/또는 공기입구매니폴드(22)에 설치된 가습기(15)(25)에 응축수가 공급되는 것을 중단한 후에 퍼지함으로써, 무가습 퍼지가 가능하게 되고, 이로 인해 차량의 시동시 연료전지 셀 등에 남아 있는 액적을 효과적으로 제거하여 연료전지의 내구성을 향상시키게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1 : 스택 11 : 연료입구
12 : 연료입구매니폴드 13 : 연료출구
14 : 연료출구매니폴드 15 : 가습기
16 : 제1관로 17 : 제1액적차단밸브
21 : 공기입구 22 : 공기입구매니폴드
23 : 공기출구 24 : 공기출구매니폴드
25 : 가습기 26 : 제2관로
27 : 제2액적차단밸브

Claims

연료전지의 스택에 마련되며, 연료 또는 공기가 유입되는 매니폴드;
상기 매니폴드 내에 설치된 가습기;
상기 연료가 유입되는 연료입구 측에 설치된 연료입구매니폴드;
상기 연료가 유출되는 연료출구 측에 설치된 연료출구매니폴드;
일단이 상기 연료출구매니폴드에 연결되고, 타단이 상기 연료입구매니폴드에 연결됨으로써, 상기 연료출구매니폴드에서 배출된 응축수를 상기 연료입구매니폴드 내에 설치된 가습기에 공급하는 제1관로; 및
상기 제1관로의 경로 상에 설치되어 차량의 냉시동 여부에 따라 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제1액적차단밸브;를 포함하고,
상기 가습기는 상기 연료입구에 근접하여 설치되는 것을 특징으로 하는,
연료전지용 가습기.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 공기가 유입되는 공기입구 측에 공기입구매니폴드가 설치되며;
상기 가습기가 상기 공기입구에 근접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 연료출구매니폴드와 제1액적차단밸브 사이에는 제1관로의 경로 상에 기액분리기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
청구항 3에 있어서,
상기 공기가 유출되는 공기출구 측에 설치된 공기출구매니폴드;
일단이 상기 공기출구매니폴드에 연결되고, 타단이 상기 공기입구매니폴드에 연결됨으로써, 상기 공기출구매니폴드에서 배출된 응축수를 상기 공기입구매니폴드 내에 설치된 가습기에 공급하는 제2관로; 및
상기 제2관로의 경로 상에 설치되어 응축수 액적의 차단 유무를 조절하는 제2액적차단밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 가습기는 상기 스택을 구성하는 셀 각각에 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.