KR101490747B1 - 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능하고, 라인 세척시 발생될 수 있는 고장율을 최소화 하며, 항시 일정 수준의 성능이 유지될 수 있는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 관한 것으로서, 연료전지가 장착되어 상기 연료전지와 전기적으로 연결되는 검사부와; 상기 검사부에 수소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 수소 가습기와, 상기 수소 가습기에 상기 수소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 수소 가스를 공급할 수 있도록 상기 수소 가스가 저장된 수소 탱크를 포함하여 구성되는 수소 공급부와; 상기 검사부에 상기 산소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 산소 가습기와, 상기 산소 가습기에 상기 산소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 산소 가스를 공급할 수 있도록 상기 산소 가스가 저장된 산소 탱크를 포함하여 구성되는 산소 공급부; 및 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기 내부의 물이 설정된 범위 내에 있도록 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 물을 공급하는 급수부;를 포함한다.
Description
본 발명은, 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능하고, 라인 세척시 발생될 수 있는 고장율을 최소화 하며, 항시 일정 수준의 성능이 유지될 수 있는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 기존의 연소 기관이나 충·방전형 전지와는 달리 고효율의 청정에너지 변환장치이며, 연소과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
상기 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 전해질 연료전지로 분류되며, 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지는, 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고 전해질에 의한 부식이나 전해질의 증발 위험이 없으며, 단위 면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 특징이 있다.
그리고, 고분자 전해질 연료전지는 타 연료전지에 비하여 출력특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 연료로서 수소 이외의 메탄올이나 에탄올, 천연가스 등을 개질하여 사용할 수 있기 때문에, 연료의 수송과 저장이 용이하여 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나 주택과 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.
상기 고분자 전해질 연료전지 스택 본체는, 고분자 이온교환막인 고체의 전해질막을 중심으로 그 양쪽면에 연료극 및 공기극을 열간 가압에 의하여 부착시킨 단위 전지로 이루어지며, 상기의 단위 전지를 여러 층으로 적층하여 수 W에서 수백 KW에 이르는 연료전지 발전시스템을 구성하게 된다.
고분자 전해질 연료전지를 구성하는 단위 전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다. 고분자 전해질 연료전지의 연료 중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하게 되는 동시에, 촉매 반응으로 생성된 전자들은 외부 회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성 된다.
한편, 외부 회로를 따라 공기극으로 이동한 전자는 산소 가스를 환원시켜 산소 이온으로 변화시키고, 이 산소 이온은 상기 전해질막을 통과하여 공기극으로 이동한 수소 이온과 공기극 표면에서 반응함으로써 물을 생성하게 된다.
즉, 고분자 전해질 연료전지의 이온 전도성 전해질막은 양극과 전해질 계면의 촉매 표면에서 생성된 수소 양이온을 음극과 전해질 계면의 촉매 표면으로 이동시켜 음극으로 공급되는 산소와 양극으로부터 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 반응하여 물을 생성하도록 해준다.
이때, 상기 전해질막은 적절히 수분을 함유하고 있어야 하며, 반응 온도도 전해질의 성능이 저하되지 않는 범위에서 가능한 고온을 유지하여야 수소 원자의 이온화, 수소 이온의 전도, 물생성 반응이 연속적으로 용이하게 일어날 수 있기 때문에, 항시 고온의 가스를 공급해주어야 한다.
따라서, 제작중이거나 제작된 연료전지의 성능 평가와 최적의 에너지 변환을 위한 운전 조건을 실제 상태와 같은 실험조건에서 찾을 수 있도록 연료전지의 실험과 성능 평가를 위한 장치는 항온 항압 기능을 갖추고 있어야 한다.
그러나, 종래의 장치는 이러한 항온 항압 기능은 갖추고 있었으나, 가습기 내부에서 증발되는 물을 보충할 때 가습기 내부의 온도 변화에 용이하게 대처하지 못하는 문제가 있었으며, 또한 종래의 장치는 대부분 단기간의 성능 실험을 위주로 한 것으로서, 장시간 걸친 성능 실험을 할 경우에 발생할 수 있는 가습기 내부의 오염을 제거하기 위하여 가습기를 전체 장치로부터 탈거하여 수동으로 세척하는 등 별도의 인력 및 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
본 발명은, 일정 온도와 일정 유량의 수소 가스 및 산소 가스가 연료전지에 공급되므로, 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 수소 가습기 및 산소 가습기에 물을 공급할 때, 온도의 변화가 거의 없어 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 가압과 드레인을 이용한 세척 방법을 이용함으로써, 세척시 발생될 수 있는 고장율을 최소화 할 수 있고, 가동 시간에 따라 자동적으로 세척이 진행되므로 항시 일정 수준의 성능이 유지될 수 있는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 수소 가스 및 산소 가스를 공급받아 반응하는 연료전지의 전기량을 측정하여 상기 연료전지의 성능을 평가하는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 있어서, 상기 연료전지가 장착되어 상기 연료전지와 전기적으로 연결되는 검사부와; 상기 검사부에 상기 수소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 수소 가습기와, 상기 수소 가습기에 상기 수소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 수소 가스를 공급할 수 있도록 상기 수소 가스가 저장된 수소 탱크를 포함하여 구성되는 수소 공급부와; 상기 검사부에 상기 산소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 산소 가습기와, 상기 산소 가습기에 상기 산소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 산소 가스를 공급할 수 있도록 상기 산소 가스가 저장된 산소 탱크를 포함하여 구성되는 산소 공급부; 및 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기 내부의 물이 설정된 범위 내에 있도록 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 물을 공급하는 급수부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기는 외측으로부터 연통되게 결합되어서 내부 수위와 연동되게 수위가 형성되는 파이프 형상의 수위 감지부가 더 포함되고, 상기 수위 감지부는 설정된 서로 다른 높이에 각각 구비되어 상기 수위의 상한선 및 하한선을 감지하는 수위 센서를 포함하며, 상기 급수부는 상기 수위 감지부의 상기 수위 센서가 하한선 또는 상한선을 감지함에 따라 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 상기 물을 공급 또는 차단하도록 한다.
또한, 본 발명의 상기 급수부는 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기 내부의 온도 변화량이 ±0.2℃ 이내의 범위를 만족하도록 물 공급량이 조절된다.
또한, 본 발명의 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기는 상기 검사부와의 사이에 상기 수소 가스 또는 상기 산소 가스의 온도를 유지할 수 있도록 가습 라인을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 급수부는 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 공급되는 물에 질소 가스가 포함되도록 일측에 질소 탱크와 결합된 질소 라인이 연통된다.
본 발명은, 수소 가습기(210), 산소 가습기(310) 및 유량 제어기(230, 330)를 통해 일정 온도와 일정 유량의 수소 가스 및 산소 가스가 연료전지에 공급되므로, 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 급수부(400)에서 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)에 물을 공급할 때, 온도의 변화가 거의 없어 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 급수부(400)에서 산소의 비율을 최소화하여 수소 공급부(200)에 공급하므로, 산소에 의한 성능 평가 저하의 우려가 없는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 가압과 드레인을 이용한 세척 방법을 이용함으로써, 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)를 수소 공급부(200) 및 산소 공급부(300)에서 탈거하지 않고 세척이 가능하여 세척시 발생될 수 있는 고장율을 최소화 할 수 있고, 가동 시간에 따라 자동적으로 세척이 진행되므로 항시 일정 수준의 성능이 유지되는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치의 개략도.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치의 개략도이다.
본 발명은 도 1 에 도시된 바와 같이, 연료전지가 장착되어 연료전지와 전기적으로 연결되는 검사부(100)와, 검사부(100)에 수소 가스를 설정한 온도 및 유량으로 공급하는 수소 공급부(200)와, 검사부(100)에 산소 가스를 설정한 온도 및 유량으로 공급하는 산소 공급부(300) 및 수소 공급부(200)의 수소 가습기(210) 또는 산소 공급부(300)의 산소 가습기(310)에 물을 공급하는 급수부(400)를 포함한다.
검사부(100)는, 연료전지를 고정하여 연료전지 내 전기 발생량을 측정함으로써 연료전지의 성능을 평가하는 역할을 하며, 이를 위하여 연료전지를 수용하여 고정하는 고정부(110)와, 연료전지의 전기량을 측정하는 측정모듈(120)을 포함한다. 고정부(110)는 내측으로 연료전지가 장착되어 고정될 수 있도록 두개의 지지대와 두 지지대 사이를 잇는 프레임으로 구성되며, 연료전지가 장착된 후 두 지지대의 외측으로부터 볼트 또는 너트를 조여 연료전지가 지지대 내측면에 가압 밀착되어 지지될 수 있도록 한다. 이러한 검사부(100)의 일측으로부터 전선이 확장되어서 전선의 일단은 연료전지에 타단은 측정모듈(120)에 결합됨으로써, 연료전지와 측정모듈(120)이 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
수소 공급부(200)는, 연료전지에 수소 가스를 동일한 유량 및 동일한 온도로 지속적으로 공급하는 역할을 하며, 이를 위하여 검사부(100)에 수소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 수소 가습기(210)와, 수소 가습기(210)에 수소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기(230) 및 유량 제어기(230)에 수소 가스를 공급할 수 있도록 수소 가스가 저장된 수소 탱크(240)를 포함한다.
수소 탱크(240)는 수소 가스가 압축 저장되어 있는 통상의 기밀 용기로서, 배출단에 파이프라인이 연장되어 있고, 그 초입 부분에 수소 가스의 공급 여부를 결정할 수 있는 수소 가스 개폐 밸브(241)가 구비되어 있다. 이러한 수소 가스 개폐 밸브(241)의 후단에는 질소 탱크의 질소 가스 라인과 결합되는 삼방 밸브 형식의 수소 라인 세척 밸브(242)가 구비되어서, 연료전지의 성능 평가 중에는 수소 탱크(240)로부터 공급되는 수소 가스가 수소 가스 라인에 흐를 수 있도록 하고, 수소 공급부(200)의 세척시에는 질소 탱크로부터 공급되는 질소 가스가 수소 가스 라인에 흐를 수 있도록 한다. 이러한 수소 라인 세척 밸브(242)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 선택적으로 동작된다.
수소 라인 세척 밸브(242)의 후단 수소 가스 라인상에는 수소 가습기(210)로 설정된 유량의 수소 가스를 공급하기 위한 유량 제어기(230)(MFC: Mass Flow Controller)가 구비된다. 한편, 유량 제어기(230)와 수소 라인 세척 밸브(242)의 사이에는 라인 레귤레이터 및 필터 등이 더 구비될 수 있다.
가습기는 수소 라인을 타고 공급된 수소 가스를 설정된 온도로 가습하여 검사부(100)에 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 내부가 중공되어 물이 수용되되 측벽에 히터 컨트롤러가 구비된 가습기 본체(211)와, 가습기 본체(211)의 상부에 연통되게 결합되어서 검사부(100)에 연결되는 파이프 형상의 가습 라인(212)을 포함한다.
가습기 본체(211)는 내부가 중공되게 밀폐형으로 형성되되, 하부로는 수소 라인과 급수 라인 및 수위 감지부(220)의 일단이 연통되게 결합되고, 상부로는 가습라인 및 수위 감지부(220)의 타단이 연통되게 결합된다. 이러한 가습기 본체(211)는 일정 수위 물이 채워져 있고, 외벽을 둘러싼 히터 컨트롤러에 의해 내부의 물이 데워지면, 하단으로부터 공급되는 수소 가스가 내부의 물을 통과하는 동안 가열되어 상단의 가습 라인(212)으로 배출되는 구조를 갖는다.
이때, 내부에 채워진 물은 통상 70도씨로 가열되므로, 수소 가스의 가습 과정이 진행될수록 증발하여 수위가 내려가게 되는데, 이러한 물의 수위를 일정 수준으로 유지시키기 위하여 가습기 본체(211)의 외측으로부터 가습기 본체(211)의 상단 및 하단에 연통되게 결합되는 파이프 형상의 수위 감지부(220)가 더 포함된다. 수위 감지부(220)는 가습기 본체(211)와 연통되게 구비되므로 가습기 본체(211) 내부의 물이 이동되어서 가습기 본체(211)와 동일한 수위를 형성하며, 수위의 하한선 및 상한선을 감지하기 위하여 서로 다른 높이에 수위 센서가 구비된다. 이러한 수위 센서는 수위 하한선을 감지하는 하부 센서(222)와, 수위 상한선을 감지하는 상부 센서(221)로 구분할 수 있으며, 가습기 본체(211)의 구동 중 물이 증발하여 수위가 내려가고, 하부 센서(222)에 수위가 감지되면 제어부로 하여금 급수부(400)를 구동하여 가습기 본체(211) 내부로 물을 공급할 수 있도록 한다. 이후 급수부(400)로부터 공급되는 물에 의해 수위가 상부 센서(221)에 감지될 정도로 상승하게 되면 급수부(400)의 구동을 중단하도록 제어부에 센싱 정보를 제공한다.
가습 라인(212)은 가습기 본체(211)의 상단에 연통되게 결합되되 가습기 본체(211) 내부의 물에 침수되지 않는 높이로 형성되어서, 가습기 본체(211)를 통과하며 데워진 수소 가스를 연료전지로 공급하는 역할을 한다. 이러한 가습 라인(212)은 연료전지에 수소 가스가 공급되는 도중 외부에 열을 빼앗겨 온도가 하강하지 않도록 보온용 히터를 더 포함할 수 있다. 보온용 히터는 통상 가습 라인(212) 외주연을 감싸는 열선과, 열선 외측에 결합되는 보온재를 포함하여 구성될 수 있으며, 가습기 본체(211)로부터 연료전지에 이르기까지의 가습 라인(212) 전체를 감쌀 수 있도록 구성된다. 가습 라인(212)은 수소 가스의 온도를 유지할 뿐 수소 가스의 온도 제어 기능은 없으며, 이를 위하여 가습기 본체(211) 내 물의 가열 온도와 동일한 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
산소 공급부(300)는, 연료전지에 산소 가스를 동일한 유량 및 동일한 온도로 지속적으로 공급하는 역할을 하며, 이를 위하여 검사부(100)에 산소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 산소 가습기(310)와, 산소 가습기(310)에 산소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기(330) 및 유량 제어기(330)에 산소 가스를 공급할 수 있도록 산소 가스가 저장된 산소 탱크(340)를 포함한다.
산소 탱크(340)는 산소 가스가 압축 저장되어 있는 통상의 기밀 용기로서, 배출단에 파이프라인이 연장되어 있고, 그 초입 부분에 산소 가스의 공급 여부를 결정할 수 있는 산소 가스 개폐 밸브(341)가 구비되어 있다. 이러한 산소 가스 개폐 밸브(341)의 후단에는 질소 탱크의 질소 가스 라인과 결합되는 삼방 밸브 형식의 산소 라인 세척 밸브(342)가 구비되어서, 연료전지의 성능 평가 중에는 산소 탱크(340)로부터 공급되는 산소 가스가 산소 가스 라인에 흐를 수 있도록 하고, 산소 공급부(300)의 세척시에는 질소 탱크로부터 공급되는 질소 가스가 산소 가스 라인에 흐를 수 있도록 한다. 이러한 산소 라인 세척 밸브(342)는 제어부의 제어에 따라 선택적으로 동작된다.
한편, 산소 가스는 일상의 공기와 같은 일반 공기를 사용해도 연료전지의 성능 평가에 크게 무리가 없으며, 따라서 산소 탱크(340)가 아닌 압축 공기 탱크(340)를 설치하여 압축 공기 개폐 밸브(341)를 개폐 하여 압축 공기를 공급할 수도 있다. 또한 경우에 따라 삼방밸브로서 산소 탱크(340) 및 압축 공기 탱크(340)를 결합하여 선택적으로 산소 가스 또는 압축 공기를 사용할 수 있다.
이하에서는, 용어의 혼동을 방지하기 위하여 압축 공기를 배제하고 산소 탱크(340)로부터 공급되는 산소 가스에 관하여 서술할 것이나, 본 발명의 전반에 걸쳐 산소 가스는 일반 공기와 병행 사용할 수 있음을 숙지하여야 한다.
산소 라인 세척 밸브(342)의 후단 산소 가스 라인상에는 산소 가습기(310)로 설정된 유량의 산소 가스를 공급하기 위한 유량 제어기(330)가 구비된다. 한편, 유량 제어기(330)와 산소 라인 세척 밸브(342)의 사이에는 라인 레귤레이터 및 필터 등이 더 구비될 수 있다.
가습기는 산소 라인을 타고 공급된 산소 가스를 설정된 온도로 가습하여 검사부(100)에 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 내부가 중공되어 물이 수용되되 측벽에 히터 컨트롤러가 구비된 가습기 본체(311)와, 가습기 본체(311)의 상부에 연통되게 결합되어서 검사부(100)에 연결되는 파이프 형상의 가습 라인(312)을 포함한다.
가습기 본체(311)는 내부가 중공되게 밀폐형으로 형성되되, 하부로는 산소 라인과 급수 라인 및 수위 감지부(320)의 일단이 연통되게 결합되고, 상부로는 가습라인 및 수위 감지부(320)의 타단이 연통되게 결합된다. 이러한 가습기 본체(311)는 일정 수위 물이 채워져 있고, 외벽을 둘러싼 히터 컨트롤러에 의해 내부의 물이 데워지면, 하단으로부터 공급되는 산소 가스가 내부의 물을 통과하는 동안 가열되어 상단의 가습 라인(312)으로 배출되는 구조를 갖는다.
이때, 내부에 채워진 물은 통상 70도씨로 가열되므로, 산소 가스의 가습 과정이 진행될수록 증발하여 수위가 내려가게 되는데, 이러한 물의 수위를 일정 수준으로 유지시키기 위하여 가습기 본체(311)의 외측으로부터 가습기 본체(311)의 상단 및 하단에 연통되게 결합되는 파이프 형상의 수위 감지부(320)가 더 포함된다. 수위 감지부(320)는 가습기 본체(311)와 연통되게 구비되므로 가습기 본체(311) 내부의 물이 이동되어서 가습기 본체(311)와 동일한 수위를 형성하며, 수위의 하한선 및 상한선을 감지하기 위하여 서로 다른 높이에 수위 센서가 구비된다. 이러한 수위 센서는 수위 하한선을 감지하는 하부 센서(322)와, 수위 상한선을 감지하는 상부 센서(321)로 구분할 수 있으며, 가습기 본체(311)의 구동 중 물이 증발하여 수위가 내려가고, 하부 센서(322)에 수위가 감지되면 제어부로 하여금 급수부(400)를 구동하여 가습기 본체(311) 내부로 물을 공급할 수 있도록 한다. 이후 급수부(400)로부터 공급되는 물에 의해 수위가 상부 센서(321)에 감지될 정도로 상승하게 되면 급수부(400)의 구동을 중단하도록 제어부에 센싱 정보를 제공한다.
가습 라인(312)은 가습기 본체(311)의 상단에 연통되게 결합되되 가습기 본체(311) 내부의 물에 침수되지 않는 높이로 형성되어서, 가습기 본체(311)를 통과하며 데워진 산소 가스를 연료전지로 공급하는 역할을 한다. 이러한 가습 라인(312)은 연료전지에 산소 가스가 공급되는 도중 외부에 열을 빼앗겨 온도가 하강하지 않도록 보온용 히터를 더 포함할 수 있다. 보온용 히터는 통상 가습 라인(312) 외주연을 감싸는 열선과, 열선 외측에 결합되는 보온재를 포함하여 구성될 수 있으며, 가습기 본체(311)로부터 연료전지에 이르기까지의 가습 라인(312) 전체를 감쌀 수 있도록 구성된다. 가습 라인(312)은 산소 가스의 온도를 유지할 뿐 산소 가스의 온도 제어 기능은 없으며, 이를 위하여 가습기 본체(311) 내 물의 가열 온도와 동일한 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
급수부(400)는 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310) 내부의 물이 설정된 범위 내에 있도록 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310)에 물을 공급하는 역할을 하며, 이를 위하여 외부로부터 공급된 물이 수용되는 물탱크(410) 및 물탱크(410)의 물을 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310)로 공급하는 워터펌프(420)를 포함한다.
물탱크(410)는 상부에 질소 탱크로부터 질소를 공급받을 수 있도록 질소 라인이 연통 결합되며, 초과된 질소 가스를 배출하기 위한 배출구가 연통 형성된다. 물탱크(410)의 일측으로는 외부로부터 물을 공급받을 수 있도록 물 공급 라인이 연통 결합되며, 물 공급 라인에는 외부의 물을 물탱크(410)에 공급하기 위한 펌프가 더 포함될 수 있다.
이러한 물탱크(410)에서 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310)에 공급되는 물은 증류수 등의 초순수물인 것이 바람직하며, 물 이외의 다른 성분이 섞여 수소 가스 또는 산소 가스와 반응하는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 물탱크(410)의 물이 수소 가습기(210)에 공급될 때 산소가 물 속에 녹아든 채 공급될 수 있는데, 수소 가습기(210)를 통해 연료전지에 공급된 산소는 연료전지 내부의 반응에 방해가 되므로 산소가 공급되지 않도록 하는 것이 중요하며, 이를 위하여 물탱크(410)의 상부로부터 질소 가스를 충분히 공급함으로써 물탱크의 여분 공간을 질소로 채워 산소가 물에 포함되지 않도록 하여 공급할 수 있다. 이때, 초과 공급된 질소 가스는 상부의 배출구를 통해 배출되도록 하며, 배출구에는 질소 가스가 일정 압력 이상일 경우에만 배출될 수 있도록 체크밸브가 구비된다.
워터펌프(420)는 물탱크(410)로부터 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310)에 공급되는 물의 유량을 제어하여 수소 가습기(210) 또는 산소 가습기(310) 내부의 온도 변화가 크게 일어나지 않도록 하는 역할을 한다.
이 과정을 살펴보면, 가습기 본체(211, 311)의 외측으로 구비되는 수위 감지부(220, 320)의 하부 센서(222, 322)에 수위가 하한선에 도달된 것이 감지되면 이러한 수위 감지 신호를 제어부에 전송하고, 제어부는 워터펌프(420)를 구동하여 물탱크(410) 내의 물이 가습기 본체(211, 311)로 이동될 수 있도록 한다. 이때, 많은 양의 물이 빠른 시간동안 공급되면 가습기 본체(211, 311) 내부의 물의 온도 변동폭이 크게 되고, 이 시간동안 가습기 본체(211, 311)를 통과하여 연료전지로 공급되는 수소 또는 산소는 설정된 온도 조건을 만족하지 못하여 연료전지의 정확한 성능 평가가 어렵게 된다. 따라서, 워터펌프(420)는 가습기 본체(211, 311) 내부의 물의 온도 변화가 ±0.2도씨 이내로 이루어지도록 물을 소량으로 공급하는 것이 바람직하다. 이렇게 공급된 물로 인해 가습기 본체(211, 311)의 수위가 상승하게 되어 수위 감지부(220, 320)의 상부 센서(221, 321)에 수위가 상한선에 도달된 것으로 감지되면, 수위 감지부(220, 320)는 이를 제어부에 전송하고, 제어부로 하여금 워터펌프(420)의 구동을 중단시킬 수 있도록 한다.
한편, 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)를 장시간 구동하게 되면 가습기 본체(211, 311) 내부에 물이끼 등 이물질이 침착되고, 이로 인해 가열 효율 및 각 가스의 순도가 떨어지게 된다. 따라서, 일정 시간 가동된 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)는 성능 유지를 위해 세척 작업을 실시해야 한다.
이러한 세척 작업을 좀 더 상세히 설명하면, 가습기 본체(211, 311) 내부에 침착된 이물질을 외부로 배출하기 위하여 설정된 횟수만큼 가습기 본체(211, 311) 내에 물을 가득 채웠다가 배출하는 작업을 수 회 반복한다. 이를 위하여 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)의 가습기 본체(211, 311) 하단에는 물의 배출을 위한 배출구가 더 포함되며, 연료전지로부터 가습 라인(212, 312)을 분리하여 노폐물이 연료전지 내부로 유입되지 않도록 한다.
물의 채움과 배출이 반복된 후 전체 라인과 가습기 본체(211, 311)의 온도를 설정값만큼 올린다. 이때 설정되는 온도는 약 150도씨 정도인 것이 바람직하다.
전체 라인과 가습기 본체(211, 311)의 온도가 오르면, 질소 탱크의 질소 공급 개폐 밸브를 개방하고, 수소 라인 세척 밸브(242) 및 산소 라인 세척 밸브(342)를 질소 탱크 방향으로 전환하여 질소 가스가 수소 라인 및 산소 라인으로 공급되도록 한다. 이때 유량 제어기(230, 330)를 통해 질소의 유량을 조절해가면서 설정된 시간인 약 5분동안 질소 가스를 전체 라인에 흘려보낸다. 이 과정에서 각 라인에 침착된 노폐물이 외부로 배출될 수 있게 된다.
이후, 가습기 본체(211, 311) 내에 물을 채웠다 배출하는 과정에서부터 질소 가스의 공급 과정까지를 설정된 횟수만큼 수 회 반복하여 실시하게 되면 세척 작업이 완료되게 된다.
한편, 연료전지를 거쳐 연료전지의 후단으로 배출되는 수소 가스 및 산소 가스는 별도의 수소 가스 배출부(500) 및 산소 가스 배출부(600)를 통과하며 수분과 가스를 분리하여 외부로 배출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
수소 가스 배출부(500)는 기액분리기(510)를 포함하여, 기액분리기(510)는 하단에 물의 배출을 위한 밸브가 구비되고, 상단에 수소 가스의 배출을 위한 배출관이 구비되며, 측면으로는 상하단을 연통하여 결합되는 수위 감지기가 구비되어서 일정 수위 이상에서는 하단의 밸브를 개방하여 물이 외부로 넘치지 않도록 한다.
산소 가스 배출부(600) 역시 기액분리기(610)를 포함하여, 기액분리기(610)는 하단에 물의 배출을 위한 밸브가 구비되고, 상단에 산소 가스의 배출을 위한 배출관이 구비되며, 측면으로는 상하단을 연통하여 결합되는 수위 감지기가 구비되어서 일정 수위 이상에서는 하단의 밸브를 개방하여 물이 외부로 넘치지 않도록 한다.
상술한 구성의 본 발명은, 수소 가습기(210), 산소 가습기(310) 및 유량 제어기(230, 330)를 통해 일정 온도와 일정 유량의 수소 가스 및 산소 가스가 연료전지에 공급되므로, 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 급수부(400)에서 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)에 물을 공급할 때, 온도의 변화가 거의 없어 연료전지의 검사 조건이 가변되지 않아 정확한 연료전지의 성능 평가가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 급수부(400)에서 산소의 비율을 최소화하여 수소 공급부(200)에 공급하므로, 산소에 의한 성능 평가 저하의 우려가 없는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 가압과 드레인을 이용한 세척 방법을 이용함으로써, 수소 가습기(210) 및 산소 가습기(310)를 수소 공급부(200) 및 산소 공급부(300)에서 탈거하지 않고 세척이 가능하여 세척시 발생될 수 있는 고장율을 최소화 할 수 있고, 가동 시간에 따라 자동적으로 세척이 진행되므로 항시 일정 수준의 성능이 유지되는 효과가 있다.
100 : 검사부 200 : 수소 공급부
210 : 수소 가습기 300 : 산소 공급부
310 : 산소 가습기 400 : 급수부
210 : 수소 가습기 300 : 산소 공급부
310 : 산소 가습기 400 : 급수부
Claims (6)
- 수소 가스 및 산소 가스를 공급받아 반응하는 연료전지의 전기량을 측정하여 상기 연료전지의 성능을 평가하는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치에 있어서,
상기 연료전지가 장착되어 상기 연료전지와 전기적으로 연결되는 검사부와;
상기 검사부에 상기 수소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 수소 가습기와, 상기 수소 가습기에 상기 수소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 수소 가스를 공급할 수 있도록 상기 수소 가스가 저장된 수소 탱크를 포함하여 구성되는 수소 공급부와;
상기 검사부에 상기 산소 가스를 설정된 온도로 가습하여 공급하는 산소 가습기와, 상기 산소 가습기에 상기 산소 가스를 설정된 유량으로 제어하여 제공하는 유량 제어기 및 상기 유량 제어기에 상기 산소 가스를 공급할 수 있도록 상기 산소 가스가 저장된 산소 탱크를 포함하여 구성되는 산소 공급부; 및
상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기 내부의 물이 설정된 범위 내에 있도록 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 물을 공급하는 급수부;
를 포함하되,
상기 급수부는 물탱크를 포함하고, 상기 물탱크는 일측에 질소 탱크와 결합된 질소 라인이 연통되어 상기 질소 탱크로부터 질소를 공급받아 상기 물 속에 산소가 유입되지 못하도록 하며, 상기 물탱크의 일측에는 체크 밸브가 구비된 배출구가 연통 결합되어 초과 공급된 질소가 배출되도록 하고,
상기 수소 가습부 및 상기 산소 가습부는, 상기 물탱크로부터 물이 공급되어 내부가 가득 채워진 후 하단에 구비된 배출구를 통해 배출되고, 내부의 물이 배출된 후 내부가 설정 온도까지 가열되는 과정이 수회 반복되어 세척이 실시되는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기는 외측으로부터 연통되게 결합되어서 내부 수위와 연동되게 수위가 형성되는 파이프 형상의 수위 감지부가 더 포함되고, 상기 수위 감지부는 설정된 서로 다른 높이에 각각 구비되어 상기 수위의 상한선 및 하한선을 감지하는 수위 센서를 포함하며,
상기 급수부는 상기 수위 감지부의 상기 수위 센서가 하한선 또는 상한선을 감지함에 따라 상기 수소 가습기 또는 상기 산소 가습기에 상기 물을 공급 또는 차단하도록 하는 연료전지 성능 평가 장치의 항온 항압 가스 공급 장치. - 삭제
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