KR101755887B1 - 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치 - Google Patents

연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101755887B1
KR101755887B1 KR1020150161389A KR20150161389A KR101755887B1 KR 101755887 B1 KR101755887 B1 KR 101755887B1 KR 1020150161389 A KR1020150161389 A KR 1020150161389A KR 20150161389 A KR20150161389 A KR 20150161389A KR 101755887 B1 KR101755887 B1 KR 101755887B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
discharge
fuel cell
hydrogen
inlet
catalytic
Prior art date
Application number
KR1020150161389A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170057931A (ko
Inventor
한수동
정명주
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020150161389A priority Critical patent/KR101755887B1/ko
Publication of KR20170057931A publication Critical patent/KR20170057931A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101755887B1 publication Critical patent/KR101755887B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매형 수소 희석장치는 차량의 연료전지에서 배출되는 수소의 농도를 희석시키는 촉매형 수소 희석장치로서, 일측에 유입구가 형성된 환형관 형상의 바디부; 및 일측이 상기 바디부의 타측에 연결되고, 타측에 상기 유입구에 연통되는 배출구가 형성되며, 외주면을 따라 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 배출되는 복수의 배출공이 형성된 배출부;를 포함한다.

Description

연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치{CATALYST TYPE HYDROGEN DILUTOR FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에서 배출되는 가스 중 수소의 농도를 감소시켜 배출시키되, 가스의 유량을 일정하게 구배하여 반응열을 효과적로 방출할 수 있는 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치를 제공한다.
일반적으로, 환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은 연료인 수소화 산화제인 산소를 반응기체로 하여 이들의 전기화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시켜 차량의 동력원으로 사용한다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택(10)의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
수소공급장치는 연료극(20)와 레귤레이터(30) 및 이젝터(40)를 포함하고, 공기공급장치는 공기 블로워(60) 및 가습기(50) 등을 포함하여 구성되고 열 및 물관리 시스템은 물탱크, 라디에이터 등을 포함하여 구성된다.
이에, 수소공급장치의 연료극(20)로부터 공급되는 수소는 레귤레이터(30)와 이젝터를 거쳐 연료전지 스택의 연료극(12, 애노드, anode)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기 블로워(60)를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(11, 캐소드, Cathode)로 공급한다.
연료전지 스택(10)의 연료극(12) 및 공기극(11)에 각각 수소 및 산소가 공급되면, 연료극(12)에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다.
분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극(11)인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극(12)에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다.
구체적으로 연료극(12)에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극(11)에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료전지 스택(10)의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
이때, 배기되는 수소는 최대한 공기와 희석시켜 배출시키도록 그 농도를 법으로 규제하고 있으며, 세계기술기준(Global Techmical Regulatiom, GTR)에서 제시한 수소 배출 농도는 평균 4% 최대 8% 미만으로 제한하고있다.
종래, 수소의 농도를 낮추기 위해, 공기 배기시 압력의 차이에 따른 공기의 흐름을 이용하여 외기를 끌어들여 강제 희석시키는 방법과 방사 방향과 길이방향으로 분할된 구조를 이용하여 미세 기공을 형성한 촉매형 수소 희석장치 등을 이용한 기술 등이 개발되었다.
그러나 촉매형 수소 희석장치는 반응 효율성이 낮으며, 긴 길이의 미세 유로 구조로 인하여 일부 영역에 차압이 증가하여 내부에 반응열이 축적됨에 따라 내부에 고온이 형성되어 폭음 등을 유발하는 문제점을 가지고 있었다.
공개특허공보 제10-2013-0028258(2013. 03. 19.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스의 흐름을 원활히 하면서 유량을 균등하게 분배하여 배출시킬 수 있는 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치를 제공한다.
또한, 반응열 축적 및 소음 발생을 최소화할 수 있는 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치는 차량의 연료전지에서 배출되는 수소의 농도를 희석시키는 촉매형 수소 희석장치로서, 일측에 유입구가 형성된 환형관 형상의 바디부; 및 일측이 상기 바디부의 타측에 연결되고, 타측에 상기 유입구에 연통되는 배출구가 형성되며, 외주면을 따라 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 배출되는 복수의 배출공이 형성된 배출부;를 포함한다.
상기 배출부는, 양단이 개구된 튜브 형상으로 형성된 복수의 배출유로가 상기 배출구를 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 배출층이 적층되어 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 배출부는, 복수의 상기 배출유로를 결합시키는 복수의 고정로프;를 더 포함할 수 있고, 상기 배출유로와 고정로프는 평직(平織) 구조로 결합되는 것이 바람직하다.
상기 배출부는, 복수의 상기 배출층이 서로 인접하는 상기 배출층의 배출유로가 서로 엇갈리도록 적층되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유입구의 직경은 상기 배출구의 직경보다 크게 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 배출부는, 상기 배출구 방향으로 갈수록 상기 배출공의 갯수가 증가되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가스가 유입되는 유입구의 직경이 배출구의 직경보다 크게 형성함으로써, 가스의 흐름을 원활히 하고 가스 유량을 균등하게 분배시킬 수 있어 일부 영역에 반응열이 축적되는 것을 방지함으로써, 손상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 인접하는 배출층의 배출유로가 서고 엇갈리게 적층됨으로써, 반응열의 방출을 원활히 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복수의 배출유로와 고정로프가 평직형상으로 결함됨으로써, 우수한 내구성을 확보하여 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 보여주는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매형 수소 희석장치를 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매형 수소 희석장치의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부를 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출유로와 고정로프의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 보여주는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매형 수소 희석장치를 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매형 수소 희석장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부를 보여주는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출유로와 고정로프의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일단에 유체로 수소가 포함된 가스가 유입되는 유입구(110)가 형성된 환형관 형상의 바디부(100)와 일측이 바디부(100)의 타단에 결합되고 타측에 가스가 배출되는 배출구(210)가 형성된 배출부(200)로 구성된다.
배출부(200)의 외주면에는 수소 반응시 발생되는 열과 가스가 방출되는 복수의 배출공(221)이 형성된다.
이때, 유입구(110)의 직경은 배출구(210)의 직경보다 크게 형성되며, 배출부(200)의 유입구와 배출구(210)를 연결하여 배출부(200)의 유입구로 유입된 유체(이하, 가스라 함.)가 이동되는 배출부(200)의 가스유로는 배출부(200)의 유입구에서 배출부(200)의 배출구(210)로 갈수록 점차 그 직경이 증가되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부(200)는 배출구(210) 방향으로 갈수록 그 외주면으로 통공되는 배출공(221)의 갯수가 증가되도록 형성될 수 있다. 즉, 유입구(110)에서 배출구(210)방향으로 갈수록 배출층에 구비되는 배출유로(220)의 갯수를 증가시켜 형성할 수 있다.
이에, 종래의 수소 희석장치에서 가스유로의 직경이 미세하고 유로의 직경이 길어 가스 흐름이 원활하지 못하고 일부 영역에서 차압이 증가되는 문제점을 해결하여, 가스의 흐름 방향으로 배출부(200)의 가스유로의 직경이 점차 증가되어 가스의 흐름을 원활히 하여 내부 일부 영역에 차압이 증가되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배출부(200)의 길이방향으로 일정량의 가스를 배출시킴으로써, 일부 영역에 가스가 정체되어 반응열이 축적되는 것을 최소화하여 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 배출부(200)의 배출구(210)의 직경은 배출부(200)의 유입구의 직경에 비하여 크게 형성되는 것이 바람직하나, 배출부(200)의 유입구 및 배출부(200)의 배출구(210)의 직경은 통과되는 가스의 유량에 따라 선택적으로 증감할 수 있다.
배출부(200)는 가스 및 열이 배출되는 복수의 배출유로(220)가 배출구(210)를 중심으로 적층된 복수의 배출층이 차례로 적층되어 형성된다.
배출유로(220)는 미세한 직경을 갖는 튜브 형상으로 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 가스와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 수소 희석 효율을 향상시키면서, 수소의 반응열 방출 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출부(200)는 복수의 배출유로(220)를 결합하여 배출층이 형성되도록 배출유로(220)를 결합시키는 복수의 고정로프(230)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 배출유로(220)와 고정로프(230)는 서로 번갈아 교차되는 평직(平織) 구조로 결합되는 것이 바람직한데, 그 이유는 배출유로(220)와 고정로프(230)의 결합력을 향상시켜 제조된 배출층의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한, 고정로프(230)는 내열성이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직한데 그 이유는 수소가 반응하는 과정에서 발생되는 반응열에 의하여 변형 또는 손상이 발생되지 않아야 하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출부(200)는 상기와 같이 제조된 복수의 배출층이 적층되어 형성되는데, 그 외주면의 복수의 배출공(221)이 나선구조(spiral type)를 형성할 수 있도록 적층되는 것이 바람직하다.
즉, 인접하는 배출층 적층시 배출공(221)을 형성하는 배출유로(220)가 서로 엇갈리도록 적층시키는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 배출유로(220)를 일렬로 배치되도록 배출층을 적층시켜 배출부(200)를 형성한 경우에 비하여 배출유로(220)를 엇갈리게 형성하여 배출공(221)이 나선구조를 형성하도록 배출층을 적층하여 배출부(200)를 형성한 경우 열방출 효과를 향상시킬 수 있기 때문이다.
이에, 내부에 반응열이 축적되는 것을 최소화함으로써, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 연료전지 스택 11: 공기극
12: 연료극 20: 수소탱크
30: 레귤레이터 40: 이젝터
50: 가습기 60: 공기 블로워
100: 바디부 110: 유입구
200: 배출부 210: 배출구
220: 배출유로 221: 배출공
230: 고정로프

Claims (6)

  1. 차량의 연료전지에서 배출되는 수소의 농도를 희석시키는 촉매형 수소 희석장치로서,
    일측에 유입구가 형성된 환형관 형상의 바디부; 및
    일측이 상기 바디부의 타측에 연결되고, 타측에 상기 유입구에 연통되는 배출구가 형성되며, 외주면을 따라 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 배출되는 복수의 배출공이 형성되되, 상기 배출구 방향으로 갈수록 상기 배출공의 갯수가 증가되도록 형성된 배출부;를 포함하는, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출부는,
    양단이 개구된 튜브 형상으로 형성된 복수의 배출유로가 상기 배출구를 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 배출층이 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배출부는,
    복수의 상기 배출유로를 결합시키는 복수의 고정로프;를 더 포함하며,
    상기 배출유로와 고정로프는 평직(平織) 구조로 결합된 것을 특징으로 하는, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출부는,
    복수의 배출층이 서로 인접하는 배출층의 배출유로가 서로 엇갈리도록 적층되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입구의 직경은 상기 배출구의 직경보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치.
  6. 삭제
KR1020150161389A 2015-11-17 2015-11-17 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치 KR101755887B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150161389A KR101755887B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150161389A KR101755887B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170057931A KR20170057931A (ko) 2017-05-26
KR101755887B1 true KR101755887B1 (ko) 2017-07-20

Family

ID=59052248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150161389A KR101755887B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101755887B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100351573B1 (ko) * 1994-04-11 2003-03-26 스캄비아 인두스트리알 디벨롭멘츠 악티엔게젤샤프트 배기가스의촉매처리용촉매변환기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100351573B1 (ko) * 1994-04-11 2003-03-26 스캄비아 인두스트리알 디벨롭멘츠 악티엔게젤샤프트 배기가스의촉매처리용촉매변환기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170057931A (ko) 2017-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7022430B2 (en) Compact fuel cell with improved fluid supply
KR101664035B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
US11108059B2 (en) Bipolar plate having a variable width of the reaction gas channels in the inlet region of the active region, fuel-cell stack and fuel-cell system having bipolar plates of this type, as well as a vehicle
JP2009170209A (ja) 燃料電池システム
US20120100410A1 (en) Fuel cell separator
JP4872252B2 (ja) 燃料電池
JP4672989B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2009037759A (ja) 燃料電池
KR101986409B1 (ko) 수분 교환기 및 그를 포함하는 연료 전지 장치
KR101755887B1 (ko) 연료전지 차량용 촉매형 수소 희석장치
JP2006216293A (ja) 燃料電池システム
JP4186762B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
JP4453426B2 (ja) 燃料電池
JP5000089B2 (ja) 燃料電池装置
US9005836B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
JP2009110838A (ja) 燃料電池用セパレータ
JP5176829B2 (ja) 燃料電池
JP2011085309A (ja) 加湿用モジュール
JP2006172759A (ja) 燃料電池
JP2009140888A (ja) 燃料電池およびそれに用いる分配マニホールド
JP2010034005A (ja) 燃料電池
JP2005050551A (ja) 固体高分子形燃料電池用セパレータ
JP2009181918A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP5653873B2 (ja) 燃料電池
JP5141474B2 (ja) 燃料電池および燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant