KR101655619B1 - 연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템 - Google Patents

연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 막 가습기에 관한 것으로 연료전지스택에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 연료전지스택으로 들어가는 건조공기를 가습 할 수 있게 습윤공기입구와 배기공기출구가 형성되고, 공기블로워에 연결되는 건조공기입구 및 연료전지스택에 연결되는 가습공기출구를 갖는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되어 건조공기입구와 가습공기출구를 연통하는 중공사막을 포함하여 이루어진 연료전지의 막 가습기에 있어서, 상기 건조공기입구에는 건조공기입구를 통해 유입되는 건조공기의 흐름을 조절하는 조절밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기를 제공하고, 이를 통해 연료전지차량의 시동상태에 따라 밸브플레이트의 개폐 각도를 조절하여 건조공기의 흐름을 조절하는 방법을 제공함으로써, dry 또는 flooding 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능 및 내구성을 극대화할 수 있으며, 가습기 건조공기입구의 위치를 자유롭게 변경할 수 있어 위치적인 자유도가 증가되는 효과를 기대할 수 있다.

Description

연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템{Membrane humidifier for fuel cell and Air flow system using the same}
본 발명은 연료전지의 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전자챠량과 연료전지스택 상태에 따라 건조공기를 선택적으로 가습 하여 최적 상태를 유지할 수 있는 연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 이를 연료전지스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 발생시키는 장치이다.
예를 들면, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지의 연료극으로 공급되고, 공기블로워와 같은 공기 공급장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극으로 공급되면, 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
여기서, 상기 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 결국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 사용할 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막으로 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.
즉, 연료전지의 성능향상을 위해서는 연료전지스택 내로 유입되는 공기의 가습이 필수적으로 요구된다.
이러한 요구에 따라 종래1(출원번호 : 2009-0026571)의 경우 도 1에 도시된 바와 ?이, 가습기 입구부(건조공기 도입부)에 gas distributor(240)를 설치하여 건조공기의 흐름을 균일하게 분산시켜 가습막 활용도를 향상시킬 수는 있지만, gas distributor(240)의 형상이 고정되며, 거기에 맞게 건조공기의 유동이 고정되어지기 때문에, 연료전지 시스템의 운전 상황에 따라 가변적으로 건조공기의 유동 흐름을 조절할 수 없으므로 가변적으로 가습을 제어할 수 없게 된다.
한편, 종래2(US2002-0164508)의 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 가습기 전단의 밸브와 바이패스유로가 배기유로로 연결되어 가습기 내부로 공급되는 공기량을 조절하는 기술이지만, 이 또한 연료전지 시스템의 운전상황에 따라 가변적으로 가습기로 공급되는 건조공기의 유동 방향을 조절할 수 없다.
따라서, 종래 가습기의 경우 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 그 구조상 건조공기가 중공사막 가운데 부분으로만 흐르고, 습윤공기는 중공사막 외곽으로만 흘러 가습기 효율이 저하되는 것을 아래 그림 1로 알 수 있다.
Figure 112014122435118-pat00001
[그림 1]
또한, 가습기의 경우 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 그 기능적 특성상, 가습기 내에서 응축 또는 고인 물이 존재하게 되며, 이 물이 겨울철 얼기 때문에, 그 만큼 가습기 내부 공기 유로가 좁아지게 되므로 압력상승으로 인한 공기블로워의 부담을 가중되며, 공기블로워 소모동력을 증가된다.
즉, 물이 얼면 부피 팽창으로 인하여 가습막에 손상이 발생하므로 이로 인해 연비 성능이 저하되는 문제가 있다.
또한, 연료전지스택에 공급되어지는 공기의 가습에 따라 성능 및 내구에 영향을 받는다.
즉, 공급되는 공기에 수분이 부족할 경우, 공급되는 공기에 수분이 너무 많을 경우, 각각 dry 또는 flooding 현상이 발생하게 되며, 이는 스택의 성능 및 내구에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서, 적절한 수분을 스택에 공급해 주는 것이 스택의 성능 및 내구에 있어서 매우 중요하며, 이를 위해서는 필수적으로 가변적으로 가습을 제어할 수 있어야만 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 연료전지스택에 공급되는 공기의 적정 수분을 가변적으로 제어함으로써, dry 또는 flooding 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능 및 내구성을 극대화하는 연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템을 제공는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지스택에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 연료전지스택으로 들어가는 건조공기를 가습 할 수 있게 습윤공기입구와 배기공기출구가 형성되고, 공기블로워에 연결되는 건조공기입구 및 연료전지스택에 연결되는 가습공기출구를 갖는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되어 건조공기입구와 가습공기출구를 연통하는 중공사막을 포함하여 이루어진 연료전지의 막 가습기에 있어서, 상기 건조공기입구에는 건조공기입구를 통해 유입되는 건조공기의 흐름을 조절하는 조절밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기를 제공한다.
여기서, 상기 조절밸브는 상기 건조공기입구를 통해 내부로 유입되는 건조공기의 흐름방향을 유도할 수 있게 회동 개폐되는 밸브플레이트와; 상기 건조공기입구의 외측에 구비되어 사용자의 조작 또는 제어기의 신호에 따라 상기 밸브플레이트의 개폐 각도를 조절하는 조절구를 구성함과 아울러, 연료전지차량의 시동상태에 따라 밸브플레이트의 개폐 각도 조절에 따른 공기 흐름을 조절하여 연료전지스택의 성능을 최적화할 수 있는 연료전지의 막 가습기를 이용한 공기흐름 시스템을 제공한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, dry 또는 flooding 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능 및 내구성을 극대화하는 효과가 있다.
또한, 가습기 건조공기입구의 위치를 자유롭게 변경할 수 있어 위치적인 자유도가 증가되는 장점이 있다.
도 1 내지 도 2는 은 종래 연료전지용 가습기의 구성도.
도 3의 (a), (b)는 종래 연료전지용 가습기의 작동상태 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 구성도.
도 5의 (a), (b), (c), (d)은 본 발명에 따른 연료정지용 가습기의 작동상태 예시도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 연료전지의 막 가습기(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 막 가습기(200)의 건조공기입구(211)에 조절밸브(300)를 적용하여, 이 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)의 각도 조절을 통해 건조공기의 유동 흐름을 조절하게 된다.
즉, 연료전지 시스템의 연료전지스택(400)에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 연료전지스택(400)으로 들어가는 건조공기를 가습 할 수 있게 습윤공기입구(215)와 배기공기출구(217)가 형성되고, 공기블로워(100)에 연결되는 건조공기입구(211) 및 연료전지스택(400)에 연결되는 가습공기출구(213)를 갖는 케이스(210)와, 상기 케이스(210)의 내부에 설치되어 건조공기입구(211)와 가습공기출구(213)를 연통하는 중공사막(220)을 포함하여 이루어진 연료전지의 막 가습기(200)를 기본적으로 구성한다.
이때, 상기 건조공기입구(211)에는 건조공기입구(211)를 통해 유입되는 건조공기의 흐름을 조절하는 조절밸브(300)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 조절밸브(300)는 상기 건조공기입구(211)를 통해 내부로 유입되는 건조공기의 흐름방향을 유도할 수 있게 회동 개폐되는 밸브플레이트(310)를 형성하고,
상기 건조공기입구(211)의 외측에 구비되어 사용자의 조작 또는 제어기의 신호에 따라 상기 밸브플레이트(310)의 개폐 각도를 조절하는 조절구(미도시)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 밸브플레이트(310)는 건조공기의 흐름방향을 하측으로 유동할 수 있게 상,하 회동 개폐되도록 상기 건조공기입구(211)의 힌지 결합될 수 있다.
따라서, 밸브플레이트(310) 조절을 통해 건조공기의 유동 흐름을 습윤공기가 주로 흐르는 외곽으로 유도하여 종래에 비해 가습성능의 향상을 도모하고, 밸브플레이트(310) 조절을 통해 한 부분으로만 건조공기 유동 흐름을 조절할 수 있으며, 이를 통해 가습 효율을 조절할 수 있다.
즉, 종래의 gas distributor나 바이패스라인을 적용할 필요 없이 기존의 시스템에서 가변적으로 연료전지스택 상태에 맞게 가습을 조절할 수 있음을 의미한다.
또한, 밸브플레이트(310) 조절을 통해 건조공기 유동 흐름을 케이스(210)의 하단에 고인 응축수(C) 측으로 유도함으로서, 막 가습기(200) 내 응축수(C)를 제거할수 있다.
그리고 이를 통해 응축수(C)를 가습에 이용할 수 있기에(가습기 내에서 gas to gas 가습방식 / water to gas 가습방식을 동시에 사용) 가습성능 향상 또한 가능하다.
또한, 응축된 물이 얼 경우, 중공사막을 손상시키는 종래의 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 적용을 통해 막 가습기(200)의 성능 향상은 종래 막 가습기에 비해 중공사막(220)의 가닥수를 줄일 수 있다.
즉, 막 가습기(200)의 성능 향상을 통하여 중공사막(220)의 사용량을 줄일 수 있으며, 이를 통하여 종래 막 가습기 대비 가격 및 규모를 축소할 수 있으며, 이는 패키지 측면에서 매우 유리하다.
또한, 기존 공기차단밸브를 가습기와 일체화 할 수 있으므로, 이 또한 패키지 측면에 있어서 유리하다.
또한, 패키지를 구성하다 보면, 가습기의 건조공기 입구부가 반드시 중심이 맞지 않더라도 용이하게 적용할 수 있으며, 밸브플레이트(310) 조절을 통해 해결이 가능하므로 건조공기입구(211)의 형상에 따른 자유도가 증가된다.
상기와 같이, 구성된 본 발명에 대하여 첨부된 도 6을 참조하여 구체적으로 건조공기의 흐름을 조절하는 방법에 대해 설명한다.
<건조공기의 유입이 완전히 차단된 경우>
도 5의 (a)에 의하면, 연료전지차량의 시동이 OFF일 경우 연료전지스택(400)의 내구성을 확보할 수 있게 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 닫아 건조공기의 유입을 차단하여, 상기 밸브플레이트(310)가 건조공기의 유입을 차단하여 시동이 OFF된 상태에서 공급되는 공기를 차단할 수 있다.
<밸브가 15% 부분적으로 열렸을(open) 경우>
도 5의 (b)에 의하면, 연료전지차량의 FPS워터트랩(500)에서 응축수(C)를 배출하여 케이스(210)에 축적된 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 부분적으로 15% 까지 개방함에 따라 하측방향으로 건조공기를 유도하여 케이스(210)에 고인 응축수(C)와의 접촉을 높여 중공사막(220)을 따라 가습공기출구(213)를 통해 연료전지스택(400)으로 공급된다.
따라서, 응측수(C)가 얼 경우 중공사막(220)이 손상되는 것을 미리 방지하기 위해 건조공기를 유도하여 응측수(C)를 빠르게 증발시키고 초기 연료전지스택(400)에 가습공기를 충분히 공급할 수 있다.
배기공기출구(217)를 통해 배출하여 상기 밸브플레이트(310)의 부분적으로 회동하여 케이스(210)의 하측에 고인 응축수(C)의 방향으로 건조공기를 보내 이 건조공기가 응축수(C)를 머금고 배기공기출구(217)를 통해 불출됨에 따라 응축수(C)의 배출을 빠르게 함으로써, 동절기 막 가습기(200)의 동파를 방지할 수 있다.
<밸브가 50% 부분적으로 열렸을(open) 경우>
도 5의 (c)에 의하면, 연료전지스택(400)이 FLOODING인 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 부분적으로 50% 까지 개방함에 따라 하측방향으로 건조공기를 유도하여 중공사막(220)을 부분적으로 사용하여 가습성능을 조절하여 연료전지스택(400)의 FLOODING상태의 조건에서 중공사막(220)의 다발 중 일부만을 사용하여 가습하게 되므로 가습량을 적절히 줄여 상대적으로 연료전지스택(400) 측에 건조공기가 유입되게 하여 연료전지스택(400)의 적정 수분을 유지할 수 있게 된다.
<밸브가 100% 완전히 열렸을(open) 경우>
도 5의 (d)에 의하면, 최소 7시간에서 24시간 이상 방치된 연료전지차량에 시동을 ON하여 출발하는 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 100% 까지 개방함에 따라 최대 가습성능을 확보하여 일반적인 막 가습기(200)의 형태를 유지하게 되며, 전체적으로 건조공기입구(211)와 가습공기출구(213)의 유량이 동일하다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전상황에 따라 가변적으로 건조공기의 유동 흐름을 조절하여 연료전지스택의 상태에 맞게 가습을 조절할 수 있다.
또한, 가변적인 건조공기의 유동 흐름 변경을 통해, 막 가습기(200)의 성능 개선 및 기존 문제점을 해결할 수 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 공기블로워
200: 막가습기
210: 케이스
211: 건조공기입구
213: 가습공기출구
215: 습윤공기입구
217: 배기공기출구
220: 중공사막
300: 조절밸브
310: 밸브플레이트
400: 연료전지스택
500: FPS워터트랩
C : 응축수

Claims (7)

  1. 연료전지스택(400)에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 연료전지스택으로 들어가는 건조공기를 가습 할 수 있게 습윤공기입구(215)와 배기공기출구(217)가 형성되고, 공기블로워(100)에 연결되는 건조공기입구(211) 및 연료전지스택(400)에 연결되는 가습공기출구(213)를 갖는 케이스(210)와, 상기 케이스(210)의 내부에 설치되어 건조공기입구(211)와 가습공기출구(213)를 연통하는 중공사막(220)을 포함하여 이루어진 연료전지의 막 가습기(200)에 있어서,
    상기 건조공기입구(211)에는 건조공기입구(211)를 통해 유입되는 건조공기의 흐름을 조절하는 조절밸브(300)가 구비되고,
    상기 조절밸브(300)는 건조공기입구(211)의 내측에 힌지 결합되어 상기 건조공기입구(211)를 통해 유입되는 건조공기의 흐름방향을 유도할 수 있게 회동 개폐되는 밸브플레이트(310)를 포함하며,
    상기 밸브플레이트(310)의 개폐 각도 조절에 의해 건조공기의 흐름방향을 하측으로 유도할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1의 구성을 통해 연료전지차량의 시동이 OFF일 경우 연료전지스택(400)의 내구성을 확보할 수 있게 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 닫아 건조공기의 유입을 차단하는 연료전지의 막 가습기를 이용한 공기흐름 시스템.
  5. 청구항 1의 구성을 통해 연료전지차량의 FPS워터트랩(500)에서 응축수(C)를 배출하여 케이스(210)에 축적된 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 부분적으로 15% 까지 개방함에 따라 케이스(210)의 하측방향으로 건조공기를 유도하여 케이스(210)의 바닥에 고인 응축수(C)와 접촉시켜 중공사막(220)을 따라 가습공기출구(213)를 통해 연료전지스택(400)으로 배출함에 따라 응측수(C)를 빠르게 증발시키고 초기 연료전지스택(400)에 가습공기를 충분히 공급하는 연료전지의 막 가습기를 이용한 공기흐름 시스템.
  6. 청구항 1의 구성을 통해 연료전지스택이 FLOODING인 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 부분적으로 50% 까지 개방함에 따라 하측방향으로 건조공기를 유도하여 중공사막(220)을 부분적으로 사용하여 가습성능을 조절하는 연료전지의 막 가습기를 이용한 공기흐름 시스템.
  7. 청구항 1의 구성을 통해 최소 7시간에서 24시간 이상 방치된 연료전지차량에 시동을 ON하여 출발하는 경우 상기 조절밸브(300)의 밸브플레이트(310)를 100% 까지 개방함에 따라 최대 가습성능을 확보하는 연료전지의 막 가습기를 이용한 공기흐름 시스템.
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