KR101755907B1 - System of preventing water condensation in fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택으로 제공되는 냉각수의 냉각을 위한 라디에이터의 방열량을 증가시켜 라디에이터의 방열 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 냉각 시스템이 개시된다. 상기 연료전지 냉각 시스템은, 연료전지 스택용 냉각수의 열을 방출하기 위한 라디에이터 및 상기 라디에이터의 표면에 고압공기와 물을 혼합하여 분사하는 이류체 분사 노즐을 포함하는 분사부를 포함한다.Disclosed is a fuel cell cooling system capable of increasing the heat radiation amount of the radiator for cooling the cooling water provided in the fuel cell stack, thereby improving the heat radiation performance of the radiator. The fuel cell cooling system includes a radiator for radiating the heat of the cooling water for the fuel cell stack and an injector including an air atomizing nozzle for mixing and spraying high pressure air and water on the surface of the radiator.

Figure R1020150168780
Figure R1020150168780

Description

연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템{SYSTEM OF PREVENTING WATER CONDENSATION IN FUEL CELL STACK}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell stack moisture condensation prevention system,

본 발명은 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 인클로저를 가열하여 연료전지 스택에서 발생하는 열과 인클로저 외부의 온도차에 의해 인클로저 내부 공간에서 발생하는 수분 응축을 방지할 수 있는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack moisture condensation prevention system, and more particularly, to a fuel cell stack moisture condensation prevention system which is capable of heating an enclosure of a fuel cell stack to prevent condensation generated in a space inside the enclosure due to heat generated in the fuel cell stack and a temperature difference outside the enclosure To a fuel cell stack moisture condensation prevention system that can be used for a fuel cell stack.

일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제(산소)를 공급하기 위해 공기를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.Generally, a fuel cell system is a kind of power generation system that converts the chemical energy of a fuel directly into electric energy. The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack for generating electrical energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, a fuel cell stack for supplying air to the fuel cell stack to supply oxidant (oxygen) An air supply device, and a heat and water management device for removing reaction heat from the fuel cell stack to the outside of the system and controlling the operating temperature of the fuel cell stack. With this configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 셀이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 셀은 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리 (MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치한다. 그리고 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다. 또한, 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드와 대면하는 막-전극 어셈블리의 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치한다. 그리고 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다. 그리고 스택의 양단에는 엔드 플레이트가 위치하여 적층된 셀의 구조를 잡아준다.In a fuel cell stack applied to a fuel cell vehicle, unit cells are arranged in series. Each unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) located at the innermost part thereof. The membrane-electrode assembly is composed of an electrolyte membrane capable of moving hydrogen ions (Proton) and a catalyst layer coated on both sides of the electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react with each other, that is, a cathode and an anode. In addition, a gas diffusion layer (GDL) is located outside the membrane-electrode assembly (MEA), that is, at the outer portion of the membrane-electrode assembly facing the cathode and the anode. A separator having a flow field is disposed outside the gas diffusion layer to supply fuel and air to the cathode and the anode, and to discharge the water generated by the reaction. At both ends of the stack, an end plate is positioned to hold the laminated cell structure.

연료전지 스택은 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소가 공급되는 전극에서는 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 공기가 공급되는 전극에서는 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응이 일어난다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다. 즉, 수소는 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.In the fuel cell stack, hydrogen and oxygen are ionized by a chemical reaction by the respective catalyst layers, so that an oxidation reaction in which hydrogen ions and electrons are generated at an electrode to which hydrogen is supplied and oxygen ions to hydrogen ions And a reduction reaction in which water is produced occurs. Generally, as the electrode catalyst used in a fuel cell, a catalyst containing a platinum catalyst and a cocatalyst (Ru, Co, Cu, etc.) is mainly used in a catalyst support composed of a carbon material. That is, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as an "oxidation electrode") and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a "reduction electrode"). Therefore, the hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (Proton, H +) and electrons (Electron, e) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Of these, only hydrogen ions (Proton, H +) selectively pass through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, and are transferred to the cathode. At the same time, electrons (e, e) are transferred to the cathode through the gas diffusion layer, which is a conductor, and the separator.

캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이 때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 물 이외에 열도 부수적으로 발생하게 된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator plate combine with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate water. Due to the movement of hydrogen ions occurring at this time, a current is generated by the flow of electrons through the external conductor, and besides the water, the heat is incidentally generated.

한편, 일반적으로 상기 고전압이 형성되는 스택을 물리적으로 보호하기 위해 인클로저로 연료전지 스택을 하우징을 한다. 하지만 인클로저의 틈새로 수분이 유입되거나, 연료전지 스택의 발열 반응으로 인한 인클로저 내/외기 온도 차에 의해 수분이 응축되거나, 연료전지 스택 운전시 연료전지 스택에서 일부 수분이 유출됨으로 인하여, 인클로저 내부 연료전지 스택 부품 부식 및 절연 저항 저하 등의 문제가 발생한다.On the other hand, the fuel cell stack is housed in an enclosure in order to physically protect the stack in which the high voltage is formed. However, due to water infiltration into the gaps in the enclosure, condensation of water due to the temperature difference between the inside / outside air of the enclosure due to the exothermic reaction of the fuel cell stack, and some water leakage from the fuel cell stack during operation of the fuel cell stack, Problems such as corrosion of parts of the battery stack and lowering of insulation resistance occur.

더욱 구체적으로, 일반적인 연료전지 스택 구조에서 공기의 흐름은 모터, 컴프레서, 블로워 등 강제 순환 방식 혹은 압력 차이를 이용하여 순환하는 비강제 순환 방식으로 구동된다. 이에 연료전지 스택 인클로저의 의도되지 않은 틈새 혹은 의도한 홀 등을 통하여 공기 및 수분이 인클로저 내부로 유입되고, 유입된 공기 및 수분은 인클로저 내부를 순환한 후 인클로저 외부의 배출된다. 그리고 일부 연료전지 스택에서 수분이 배출될 수 있다.More specifically, in a typical fuel cell stack structure, the flow of air is driven by a forced circulation system such as a motor, a compressor, a blower, or a non-forced circulation system circulating using a pressure difference. Therefore, air and water are introduced into the enclosure through unintended gaps or intentional holes of the fuel cell stack enclosure, and the introduced air and moisture circulate inside the enclosure and then are discharged outside the enclosure. And water may be drained from some fuel cell stacks.

하지만, 외부에서 인클로저 내부로 유입되는 수분은 연료전지 스택 주변의 대기 상태에 관한 것으로 별도 제어기가 힘들고, 인클로저 외부로 배출되는 수분은 연료전지 시스템에 마련된 벤틸레이션의 기능에 따라 달라지는 값으로 어느 정도 한계가 있다. 연료전지 스택에서 배출되는 수분은 연료전지의 설계상태에 따른 것으로 그 양을 쉽게 감소시키는 것은 불가능하다.However, the moisture that flows into the enclosure from the outside relates to the standby state around the fuel cell stack. It is difficult to separate the controller and the moisture discharged to the outside of the enclosure varies depending on the function of the ventilation provided in the fuel cell system. . The moisture discharged from the fuel cell stack depends on the design state of the fuel cell, and it is impossible to easily reduce the amount thereof.

따라서, 연료전지 시스템에 구비된 벤틸레이션 구조만 이용하여 연료전지 스택이 배치되는 인클로저 내부의 수분을 완전히 제거하기 어렵기 때문에, 연료전지 스택의 인클로저 내부의 잔존 수분은 인클로저를 감싸는 공기와 인클로저 표면의 온도 차이로 인하여 수분 응결이 발생하게 된다. 즉, 인클로저 내부 이슬점이 인클로저 외부의 표면 온도보다 크기 때문에 인클로저 내부에는 수분 응결로 인해 물이 생성된다.Therefore, since it is difficult to completely remove the moisture inside the enclosure in which the fuel cell stack is disposed using only the ventilation structure provided in the fuel cell system, the remaining moisture inside the enclosure of the fuel cell stack can be removed from the air surrounding the enclosure and the surface of the enclosure Moisture condensation occurs due to the temperature difference. That is, because the dew point inside the enclosure is greater than the surface temperature outside the enclosure, water builds up inside the enclosure due to condensation.

이러한 현상은 인클로저 뿐만 아니라 연료전지 스택을 구성하는 모든 부품에 일어날 수 있는 내용으로 부품의 부식, 고전압단과 차체간의 절연저항 저하를 초래 할 수 있다. This phenomenon may occur not only in the enclosure but also in all the components constituting the fuel cell stack, which may cause corrosion of the components, lowering the insulation resistance between the high voltage terminal and the vehicle body.

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.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KR 10-2011-0023224 AKR 10-2011-0023224 A KR 10-2009-0057773 AKR 10-2009-0057773 A

이에 본 발명은, 스택 인클로저를 운전상태에 따라 가열함으로써 인클로저 표면의 온도를 인클로저 내부의 이슬점 보다 높은 온도로 유지되게 함으로써 인클로저 내부에서 발생하는 수분 응축을 방지할 수 있는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Accordingly, the present invention provides a fuel cell stack moisture condensation prevention system capable of preventing moisture condensation occurring in the enclosure by heating the stack enclosure according to the operating state to maintain the temperature of the enclosure surface at a temperature higher than the dew point inside the enclosure To provide a solution to the problem.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,According to an aspect of the present invention,

연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성된 인클로저;An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on a surface thereof;

물을 가열하여 온수를 생성하고, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기; 및A heat exchanger for generating hot water by heating the water and providing the generated hot water to the hot water circulation space; And

상기 인클로저의 표면 온도 및 상기 인클로저의 외부 온도에 기반하여 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;A control unit for controlling the operation of the heat exchanger based on a surface temperature of the enclosure and an external temperature of the enclosure;

를 포함하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템을 제공한다.The fuel cell stack moisture condensation prevention system.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열교환기는 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소와 산소를 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 물을 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the heat exchanger may generate heat by reacting oxygen and oxygen, which are unreacted fuel discharged from the anode of the fuel cell stack, and heat the water using the generated heat.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller may control whether the hydrogen is supplied to the heat exchanger by controlling a purge valve or a drain valve for discharging the hydrogen to the outside.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 퍼지 밸브 및 드레인 밸브는 3-웨이 밸브로 구현되며, 상기 제어부는 상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여, 상기 수소를 외부로 배출하거나 상기 열교환기로 공급할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the purge valve and the drain valve are implemented as a three-way valve, and the control unit controls the purge valve or the drain valve to discharge the hydrogen to the outside or supply the hydrogen to the heat exchanger.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열교환기는 상기 연료전지 스택의 캐소드에서 배출되는 공기를 제공받고 상기 수소와 상기 공기 중의 산소를 반응시켜 열을 발생시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, the heat exchanger may be provided with air discharged from the cathode of the fuel cell stack, and generate heat by reacting the hydrogen with oxygen in the air.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 물은 상기 연료전지 스택용 냉각수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the water may be cooling water for the fuel cell stack.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인클로저는 내부 공간으로 공기를 공급받고 배출하기 위한 공기 흡기구 및 공기 배기구를 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the enclosure may have an air intake port and an air exhaust port for supplying and discharging air into the internal space.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공기 흡기구에는 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 컴프레서로부터 공기가 제공되고, 상기 공기 배기구에서 배출되는 공기는 상기 컴프레서로 다시 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the air intake port is provided with air from a compressor that supplies air to the cathode of the fuel cell stack, and air exhausted from the air exhaust port may be introduced back into the compressor.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열교환기는, 물이 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며, 상기 열교환 구조물은, 상기 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로 하는 다공성 구조물로 구현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with the periphery of a pipe through which water flows, and the heat exchange structure is a porous structure made of a catalyst that promotes the reaction of hydrogen and oxygen Can be implemented.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열교환기는, 물이 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며, 상기 열교환 구조물은, 상기 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 다공 구조 내에 포함하는 열전도성 소재로 제작된 다공성 구조물로 구현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with the periphery of the pipe through which water flows, and the heat exchange structure includes a heat transfer structure including a catalyst for promoting the reaction of hydrogen and oxygen in the porous structure It can be realized as a porous structure made of a conductive material.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열교환기는, 물이 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며, 상기 열교환 구조물은, 상기 배관의 표면에 부착된 열전도층 및 상기 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로하여 상기 열전도층의 표면에 증착된 촉매층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with the periphery of the pipe through which water flows, and the heat exchange structure includes a heat conduction layer attached to the surface of the pipe, And a catalyst layer deposited on the surface of the thermally conductive layer using a catalyst as a material.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 상기 인클로저의 표면 온도가 사전 설정된 임계 온도 이상인 경우, 상기 열교환기의 작동을 중단하도록 제어할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the control section can control to stop the operation of the heat exchanger when the surface temperature of the enclosure is equal to or higher than a predetermined threshold temperature.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,According to another aspect of the present invention,

연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성된 인클로저;An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on a surface thereof;

상기 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 통해 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소를 제공받고, 상기 수소와 산소를 반응시켜 상기 연료전지 스택용 냉각수를 가열하여 온수를 생성하며, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기; 및The hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack through a purge valve or a drain valve for discharging the hydrogen to the outside, and the hydrogen and oxygen are reacted to heat the cooling water for the fuel cell stack, A heat exchanger for generating the hot water to the hot water circulation space; And

상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 결정함으로써 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;A control unit for controlling the operation of the heat exchanger by controlling the purge valve or the drain valve to determine whether the hydrogen is supplied to the heat exchanger;

를 포함하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템을 제공한다.The fuel cell stack moisture condensation prevention system.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,According to another aspect of the present invention,

연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성되며, 내부 공간으로 공기를 공급받고 배출하기 위한 공기 흡기구 및 공기 배기구를 갖는 인클로저; An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on the surface thereof and having an air intake port and an air exhaust port for supplying and discharging air into the inner space;

상기 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 통해 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소를 제공받고, 상기 수소와 산소를 반응시켜 상기 연료전지 스택용 냉각수를 가열하여 온수를 생성하며, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기;The hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack through a purge valve or a drain valve for discharging the hydrogen to the outside, and the hydrogen and oxygen are reacted to heat the cooling water for the fuel cell stack, A heat exchanger for generating the hot water to the hot water circulation space;

상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 결정함으로써 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;를 포함하며,And a control unit controlling the operation of the heat exchanger by controlling the purge valve or the drain valve to determine whether or not to supply hydrogen to the heat exchanger,

상기 공기 흡기구에는 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 컴프레서로부터 공기가 제공되고, 상기 공기 배기구에서 배출되는 공기는 상기 컴프레서로 다시 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템을 제공한다.Wherein the air intake port is provided with air from a compressor that supplies air to the cathode of the fuel cell stack and air discharged from the air exhaust port is introduced into the compressor again. .

상술한 바와 수단을 갖는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템에 따르면, 인클로저 표면 온도를 상승시켜 이슬점 온도 보다 높은 수준으로 유지함으로써 수분 응축을 방지할 수 있다. 이를 통해 인클로저 내부의 수분 응축으로 부품 표면 및 부품 사이 수분에 의한 수막이 형성을 방지함으로써 전기 절연 저항 저하 및 부품 부식을 예방할 수 있다. According to the fuel cell stack moisture condensation prevention system having the above-described means, the enclosure surface temperature can be raised and maintained at a level higher than the dew point temperature, thereby preventing moisture condensation. This prevents condensation inside the enclosure and prevents water film formation due to moisture between parts surface and components, thereby preventing electrical insulation resistance degradation and corrosion of parts.

상기 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은, 연료전지 스택의 발전에 사용된 후 배출되는 미반응 수소를 소모하게 함으로써 배출되는 수소의 양을 현저하게 저감시킬 수 있다. 이로써, 수소의 정체로 인한 폭발 위험성이 현저히 감소되는 등, 수소 안전성이 현저하게 향상된다.The fuel cell stack moisture condensation prevention system can consume unreacted hydrogen discharged after being used for power generation of the fuel cell stack, thereby significantly reducing the amount of hydrogen discharged. As a result, the risk of explosion due to stagnation of hydrogen is remarkably reduced, and the hydrogen safety is remarkably improved.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템의 열교환기 내부 구조의 다양한 예를 도시한 도면이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are views showing various examples of the internal structure of a heat exchanger of the fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a fuel cell stack moisture condensation prevention system according to various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은, 크게 인클로저(110)와, 열교환기(120) 및 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention may be largely configured to include an enclosure 110, a heat exchanger 120, and a control unit 130.

인클로저(110)는 연료전지 스택(10)을 하우징하는 요소로서, 본 발명의 일 실시형태에서는 특히 그 표면에 온수 유통 공간(S)가 형성될 수 있다. The enclosure 110 is an element for housing the fuel cell stack 10, and in one embodiment of the present invention, in particular, a hot water flow space S can be formed on the surface thereof.

온수 유통 공간(S)은 인클로저(110)의 표면에 마련되어, 외부로부터 공급된 온수가 저장되거나 흐르게 하여 인클로저(110)의 표면 온도를 상승시킬 수 있도록 마련된 공간이다. 예를 들어, 온수 인클로저(110)의 각 면은 상호 이격된 두 개의 플레이트로 이루어진 이중 구조로서 두 플레이트 사이에 공간이 형성될 수 있으며, 각 면에 형성된 공간들이 상호 연결되어 온수 유입구(111)에서 공급된 온수가 인클로저(110)의 전면에 유통되게 할 수 있다. 온수 유통 공간(S)으로 유입된 온수는 온수 유출구(113)을 통해 온수 유통 공간(S) 외부로 배출될 수 있다.The hot water circulation space S is provided on the surface of the enclosure 110 and is provided to increase the temperature of the surface of the enclosure 110 by storing or flowing hot water supplied from the outside. For example, each surface of the hot water enclosure 110 may have a double structure consisting of two plates spaced apart from each other, and a space may be formed between the two plates. The spaces formed on the respective surfaces are mutually connected to each other through the hot water inlet 111 So that the supplied hot water can be circulated to the front surface of the enclosure 110. The hot water flowing into the hot water circulation space S can be discharged to the outside of the hot water circulation space S through the hot water outlet 113. [

필요에 따라서는 온수 유출구(113)나 그에 연결된 온수 유출 배관 상에 별도의 밸브를 마련하여 온수 유통 공간(S) 내에 온수가 일정시간 저장된 상태로 유지되게 할 수도 있다.A separate valve may be provided on the hot water outlet 113 or the hot water outlet pipe connected thereto to maintain the hot water in the hot water circulation space S for a predetermined time.

열교환기(120)는 전술한 인클로저(110)의 온수 유통 공간(S)으로 유입되는 물을 가열하여 온수를 생성하는 요소이다. 즉, 열교환기(120)는 온수 유통 공간(S)에 공급될 목적으로 제공되는 물을 열교환에 의해 가열하여 물의 온도를 상승시키기 위해 마련된 것이다.The heat exchanger 120 is an element for generating hot water by heating the water flowing into the hot water circulation space S of the enclosure 110 described above. That is, the heat exchanger 120 is provided to heat the water provided for the purpose of supplying the hot water circulation space S by heat exchange to raise the temperature of the water.

본 발명의 일 실시형태에서, 열교환기(120)는 연료전지 스택(10)의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소와 산소를 반응시켜 물을 생성하는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 물을 가열할 수 있다. 즉, 열교환기(120)는 수소와 산소가 서로 반응할 수 있는 구조를 내부에 포함할 수 있다. 수소와 산소를 반응시키기 위한 상세한 열교환기(120)의 구조는 후술하기로 한다.In an embodiment of the present invention, the heat exchanger 120 heats the water using heat generated in the process of reacting hydrogen and oxygen, which are unreacted fuel discharged from the anode of the fuel cell stack 10, can do. That is, the heat exchanger 120 may include therein a structure in which hydrogen and oxygen can react with each other. The structure of the detailed heat exchanger 120 for reacting hydrogen and oxygen will be described later.

열교환기(120) 내의 반응을 위해 제공되는 산소는 연료전지 시스템의 공기 공급장치로부터 공기를 공급받음으로써 제공될 수 있다. 연료전지 스택(10)의 발전을 위해 컴프레서(21)를 통해 압축되고 가습기(23)에 의해 습도가 조절된 공기가 연료전지 스택(10)의 캐소드로 공급되며, 반응 후 남은 공기는 다시 연료전지 스택(10)에서 배출된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 열교환기(120)는 연료전지 스택(10)에서 배출되는 공기를 제공받아 그에 포함된 산소를 수소와 반응시킬 수 있다.The oxygen provided for the reaction in the heat exchanger 120 may be provided by receiving air from the air supply of the fuel cell system. The air that has been compressed through the compressor 21 and regulated in humidity by the humidifier 23 is supplied to the cathode of the fuel cell stack 10 for power generation of the fuel cell stack 10, And is discharged from the stack 10. In an embodiment of the present invention, the heat exchanger 120 may be provided with air discharged from the fuel cell stack 10 to react the oxygen contained therein with hydrogen.

또한, 열교환기(120)에서 가열되는 물은 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 장치에서 사용되는 냉각수가 될 수 있다. 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 발전 과정에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 냉각수가 제공된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)으로 제공되는 냉각수는 냉각수 탱크(31)에 저장되며 냉각수 펌프(33)에 의해 순환된다. 이 과정에서, 순환하는 냉각수의 온도 또는 연료전지 스택의 온도에 따라 냉각수 자체의 온도를 낮춰줄 필요가 있는 경우, 3-웨이 밸브(35)에 냉각수가 라디에이터(37)를 통과하여 라디에이터(37)의 방열 작용에 의해 냉각수 온도를 낮출 수 있다. 이와 같은, 연료전지 스택(10) 냉각을 위한 냉각수를 별도의 배관을 통해 열교환기(120)가 제공받아 가열한 후, 인클로저(10)의 온수 유통 공간(S)으로 제공할 수 있다.Further, the water heated in the heat exchanger 120 may be cooling water used in the heat and water management apparatus of the fuel cell system. Cooling water is provided to cool the heat generated in the fuel cell system during the development of the fuel cell stack. 1, the cooling water provided in the fuel cell stack 10 is stored in the cooling water tank 31 and circulated by the cooling water pump 33. [ In this process, when it is necessary to lower the temperature of the cooling water itself according to the temperature of the circulating cooling water or the temperature of the fuel cell stack, the cooling water is passed through the radiator 37 to the 3-way valve 35, The cooling water temperature can be lowered by the radiating action of the cooling water. The cooling water for cooling the fuel cell stack 10 may be supplied to the hot water circulation space S of the enclosure 10 after the heat exchanger 120 is provided with heating through another pipe.

제어부(130)는 열교환기(120)의 동작을 제어하기 위한 것으로, 인클로저(110)의 표면을 가열할 조건을 판단하고 해당 조건이 충족되는 경우 열교환기(120)의 동작이 이루어지게 할 수 있다.The control unit 130 is for controlling the operation of the heat exchanger 120. The control unit 130 may determine a condition for heating the surface of the enclosure 110 and allow the operation of the heat exchanger 120 to be performed when the condition is satisfied .

예를 들어, 제어부(130)는 인클로저(110)의 표면 온도(T1)와 인클로저(110)의 외부 온도(T2)를 입력받고 그 크기를 비교하여 열교환기(120)의 동작 여부를 결정할 수 있다. 인클로저(110)의 표면 온도(T1)가 외부 온도(T2)보다 큰 경우에는 인클로저(110)의 표면에 응축이 일어나지 않는 조건이므로 열교환기(120)가 작동되지 않도록 제어부(130)가 제어할 수 있다. For example, the controller 130 may receive the surface temperature T1 of the enclosure 110 and the external temperature T2 of the enclosure 110, compare the sizes thereof, and determine whether the heat exchanger 120 operates . If the surface temperature T1 of the enclosure 110 is larger than the external temperature T2, the condenser does not condense on the surface of the enclosure 110, so that the control unit 130 can control the heat exchanger 120 have.

반면, 인클로저(110)의 표면 온도(T1)가 외부 온도(T2)보다 작은 경우(작거나 같은 경우), 인클로저(110)의 표면에서 응축이 일어날 수 있는 가능성이 높으므로 열교환기(110)가 작동하도록 제어부(130) 제어할 수 있다.On the other hand, if the surface temperature T1 of the enclosure 110 is less than (or equal to) the outside temperature T2, the possibility of condensation on the surface of the enclosure 110 is high and the heat exchanger 110 It is possible to control the control unit 130 to operate.

또한, 인클로저(110)의 표면 온도가 사전 설정된 임계 온도(예를 들어, 섭씨 100도) 이상인 경우, 주변 부품에 악영향을 줄 수 있으므로 시스템 안정성을 도모하기 위해 제어부(130)는 열교환기(120)가 작동되지 않도록 제어할 수 있다.In addition, when the surface temperature of the enclosure 110 is higher than a predetermined threshold temperature (for example, 100 degrees centigrade), the control unit 130 may control the heat exchanger 120, Can not be operated.

제어부(130)에 의한 열교환기(120)의 작동 제어는 열교환기(120)에서의 반응을 위해 제공되는 비반응 수소를 공급/차단하는 방식으로 구현될 수 있다. 연료전지 시스템의 연료 공급 장치는 연료전지 스택(10)의 애노드에서 배출되는 비반응 수소를 저장하는 수소 리저버(41)와, 연료전지 스택(10)에서 수소 리저버(41) 사이에 마련되어 연료전지 스택(10)의 애노드에서 배출되는 비반응 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브(43)와 수소 리저버(41)에 저장된 수소를 외부로 배출하기 위한 드레인 밸브(45)를 포함한다. 제어부(130)는 인클로저(110)의 표면을 가열할 조건이 충족되는 경우, 퍼지 밸브(43) 또는 드레인 밸브(45)를 제어하여 열교환기(120)로 비반응 수소가 제공되게 함으로써 열교환기(120)가 작동되게 할 수 있다. 또한, 클로저(110)의 표면을 가열할 조건이 충족되지 않는 경우, 제어부(130)는 퍼지 밸브(43) 또는 드레인 밸브(45)를 제어하여 열교환기(120)로 비반응 수소의 공급을 차단하고 비반응 수소를 외부로 배출되게 할 수 있다. 이러한 제어부(130)의 제어를 구현하기 위해, 퍼지 밸브(43) 및 드레인 밸브(45)는 열교환기(120)와 외부를 선택하여 수소를 제공할 수 있는 3-웨이 밸브로 구현될 수 있다.The control of the operation of the heat exchanger 120 by the controller 130 may be implemented in a manner of supplying / blocking the unreacted hydrogen provided for the reaction in the heat exchanger 120. The fuel supply system of the fuel cell system includes a hydrogen reservoir 41 for storing unreacted hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack 10 and a hydrogen reservoir 41 provided between the hydrogen reservoir 41 in the fuel cell stack 10, A purge valve 43 for discharging unreacted hydrogen discharged from the anode of the hydrogen storage tank 10 to the outside, and a drain valve 45 for discharging hydrogen stored in the hydrogen reservoir 41 to the outside. The control unit 130 controls the purge valve 43 or the drain valve 45 to supply unreacted hydrogen to the heat exchanger 120 when the condition for heating the surface of the enclosure 110 is satisfied, 120 may be activated. When the condition for heating the surface of the closure 110 is not satisfied, the control unit 130 controls the purge valve 43 or the drain valve 45 to shut off the supply of the unreacted hydrogen to the heat exchanger 120 And the unreacted hydrogen can be discharged to the outside. The purge valve 43 and the drain valve 45 may be implemented as a three-way valve that can provide heat by selecting the heat exchanger 120 and the outside in order to implement the control of the controller 130.

한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 인클로저(110) 내부 수분 응축 예방 및 환기를 위하여, 인클로저(110)는 그 내부 공간으로 공기를 공급받기 위한 공기 흡기구(115) 및 공급받은 공기를 배출하기 위한 공기 배기구(117)를 가질 수 있다. 인클로저(110) 내부의 환기를 위해 공급되는 공기는 연료전지 시스템의 공기 공급 장치로부터 제공될 수 있다. 즉, 공기 흡기구(115)에는 연료전지 스택(10)의 캐소드로 공기를 공급하는 컴프레서(21)로부터 공기가 제공되고, 공기 배기구(117)에서 배출되는 공기는 컴프레서(21)로 다시 유입되게 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in order to prevent moisture condensation inside the enclosure 110 and to ventilate the enclosure 110, the enclosure 110 includes an air inlet 115 for receiving air into the internal space thereof, And may have an air vent 117. Air to be supplied for ventilation inside the enclosure 110 may be provided from the air supply device of the fuel cell system. That is, air is supplied from the compressor 21 that supplies air to the cathode of the fuel cell stack 10, and air discharged from the air exhaust port 117 flows into the compressor 21 .

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템의 열교환기 내부 구조의 다양한 예를 도시한 도면이다.2 to 4 are views showing various examples of the internal structure of a heat exchanger of the fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention.

전술한 바와 같이, 열교환기(120)은 그 내부에 열교환을 통해 물을 가열할 수 있는 구조를 마련한다.As described above, the heat exchanger 120 has a structure in which water can be heated through heat exchange.

일례로, 도 2에 도시된 것과 같이, 열교환기(120)는 가열하고자 하는 물(냉각수)가 흐르는 배관(121)과 배관(121) 주변에서 배관(121)과 접촉하도록 배치된 열교환 구조물(123)을 포함할 수 있다. 도 2의 예에서, 열교환 구조물(123)은 수소와 산소의 화학 반응시켜 반응열을 발생시키기 위한 구조물로서, 수소와 산소의 화학 반응을 촉진하는 촉매를 소재로 제작된 다공성 구조물일 수 있다. 여기서 다공성 구조물을 구성하는 촉매 재료는 Pt, Ur, Ir 등과 같은 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.2, the heat exchanger 120 includes a pipe 121 through which water (cooling water) to be heated flows and a heat exchange structure 123 ). In the example of FIG. 2, the heat exchange structure 123 is a structure for generating a reaction heat by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and may be a porous structure made of a catalyst promoting a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Here, the catalyst material constituting the porous structure may include at least one of materials such as Pt, Ur, Ir and the like.

전술한 바와 같이, 인클로저(110)의 표면을 가열할 조건이 충족되면 제어부(130)가 퍼지 밸브(43) 또는 드레인 밸브(45)를 제어하여 수소를 열교환기(120) 내로 제공되게 한다. 이어, 열교환기(120) 내부로 공급된 수소는 연료전지 스택(10)에서 배출된 공기와 만나 혼류를 형성하게 되고, 혼합된 수소와 공기는 다공성의 열교환 구조물(123)을 통과하면서 하기 식에 의한 발열반응이 발생한다.The control unit 130 controls the purge valve 43 or the drain valve 45 to supply hydrogen into the heat exchanger 120 as described above when the condition for heating the surface of the enclosure 110 is satisfied. Then, the hydrogen supplied into the heat exchanger 120 is mixed with the air discharged from the fuel cell stack 10 to form a mixed flow, and the mixed hydrogen and air pass through the porous heat exchange structure 123, An exothermic reaction occurs.

[식][expression]

Figure 112015116807924-pat00001
Figure 112015116807924-pat00001

상기 식에 의해 발생된 열은 전도성과 열내구성이 좋은 배관(121)(예를 들어, Si, SiC 등의 세라믹 재질)과 접촉하는 영역에서 열교환 작용을 통해 내관(121) 내 물의 온도를 상승시킨다.The heat generated by the above formula raises the temperature of water in the inner tube 121 through a heat exchange action in a region in contact with the pipe 121 (for example, a ceramic material such as Si or SiC) having good conductivity and thermal durability .

다른 예로, 도 3은 열교환 구조물이 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매(126)를 다공 구조 내에 포함하는 열전도성 소재로 제작된 다공성 구조물(125)로 구현될 수 있다. 도 3의 예에서, 다공성 구조물(125)은 Al2O3와 같은 소재로 제작될 수 있으며, 촉매는 도 2에서 설명한 바와 같이, Pt, Ur, Ir 등과 같은 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.As another example, FIG. 3 can be implemented with a porous structure 125 made of a thermally conductive material that includes a catalyst 126 that promotes the reaction of hydrogen with oxygen in a porous structure. In the example of FIG. 3, the porous structure 125 may be made of a material such as Al 2 O 3, and the catalyst may include at least one of materials such as Pt, Ur, Ir, etc., .

또 다른 예로, 도 4는 열교환 구조물이, 배관(121)의 표면에 부착된 열전도층(127) 및 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로하여 열전도층(127)의 표면에 증착된 촉매층(128)을 포함하는 구조로 구현된 예를 도시한다. 열전도층(17)의 소재는 Al2O3와 같은 소재가 될 수 있으며, 촉매층는 도 2에서 설명한 바와 같이, Pt, Ur, Ir 등과 같은 소재 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 증착될 수 있다.4 shows a structure in which a heat exchange structure is formed by a heat conduction layer 127 attached to the surface of a pipe 121 and a catalyst layer 127 deposited on the surface of the heat conduction layer 127 using a catalyst promoting the reaction between hydrogen and oxygen as a material. (128). ≪ / RTI > The material of the heat conduction layer 17 may be the same material as Al 2 O 3 and the catalyst layer may be deposited as a material containing at least one of materials such as Pt, Ur, Ir, etc. as described in FIG.

도 3 및 도 4에서 이루어지는 발열 반응 및 열교환 작용은 도 2와 실질적으로 동일하므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.The exothermic reaction and the heat exchanging operation in FIGS. 3 and 4 are substantially the same as those in FIG. 2, and a duplicate description will be omitted.

전술한 것과 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.The fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention as described above has the following effects.

먼저, 종래의 경우, 연료전지 스택 운전 및 정차 상태에서, 인클로저 내부의 수분 응축으로 부품 표면 및 부품 사이 수분에 의한 수막이 형성될 수 있다. 이런 경우, 특히 고전압이 형성되는 연료전지 스택에서는 전기 절연 저항 저하가 발생될 수 있다. 전기 절연 저항 저하시 운전자, 탑승자 및 정비공의 안전에 위협을 줄 수 있기 때문에 그 관리가 중요하다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은, 인클로저 표면 온도를 상승시켜 이슬점 온도 보다 높은 수준으로 유지함으로써 수분 응축을 방지할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템의 공기 공급용 컴프레서로부터 고온의 공기를 인클로저 내부에 유입함으로써 인클로저 내부를 더욱 건조한 분위기로 조성함으로써 수분에 의한 전기 절연 저항 저하를 방지할 수 있다. First, in the conventional case, in the fuel cell stack operation and the stationary state, water condensation inside the enclosure can form a water film due to moisture between components surface and components. In such a case, particularly in a fuel cell stack in which a high voltage is formed, a decrease in electrical insulation resistance may occur. It is important to control the electrical insulation resistance because it can threaten the safety of driver, passenger and mechanic. The fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention can prevent moisture condensation by raising the enclosure surface temperature and keeping it at a level higher than the dew point temperature. Further, by introducing high-temperature air from the air supply compressor of the fuel cell system into the inside of the enclosure, the inside of the enclosure is formed into a more dry atmosphere, so that a decrease in electrical insulation resistance due to moisture can be prevented.

다음으로, 종래의 경우, 연료전지 스택 운전 및 정차상태에서 인클로저 내부의 수분 응축으로 부품 부식이 발생할 수 있다. 특히, 연료전지 스택과 같이 습도가 가변적인 경우, 예상을 벗어나는 가혹한 상황일 초래될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은 인클로저 표면 온도를 상승시켜 이슬점 온도 보다 높은 수준으로 유지함으로써 수분 응축을 방지할 수 있다. 또한 공기 블로워의 고온의 공기를 인클로저 내부에 유입함으로써 스택 인클로저 내부를 보다 건조한 분위기로 조성함으로써 수분에 의한 부식 저감이 가능하다.Next, in the conventional case, corrosion of parts may occur due to moisture condensation inside the enclosure during fuel cell stack operation and stationary state. In particular, if the humidity is variable, such as in a fuel cell stack, it can result in a harsh situation beyond expectations. The fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention can prevent moisture condensation by raising the enclosure surface temperature and keeping it at a level higher than the dew point temperature. In addition, by introducing the hot air of the air blower into the inside of the enclosure, the interior of the stack enclosure is formed into a more dry atmosphere, thereby reducing corrosion by moisture.

다음으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은, 연료전지 스택의 발전에 사용된 후 배출되는 미반응 수소를 소모하게 함으로써 배출되는 수소의 양을 현저하게 저감시킬 수 있다. 특히, 폐쇄된 장소에서 연료전지 차량의 운전이 이루어지는 경우 수소 배출에 의한 위험성이 항시 존재하게 되는데, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은 배출되는 수소가 거의 존재하지 않는 상태가 되게 할 수 있으므로 수소의 정체, 폭발 위험성 등을 현저히 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템은, 운전시 수소 안전성에도 크게 기여할 수 있다.Next, the fuel cell stack moisture condensation prevention system according to one embodiment of the present invention can remarkably reduce the amount of hydrogen discharged by consuming unreacted hydrogen discharged after being used for power generation of the fuel cell stack . In particular, when the operation of the fuel cell vehicle is performed in a closed place, there is always a danger due to the hydrogen discharge. In the fuel cell stack moisture condensation prevention system according to an embodiment of the present invention, So that the stagnation of hydrogen, the danger of explosion, and the like can be remarkably reduced. That is, the fuel cell stack moisture condensation prevention system according to one embodiment of the present invention can contribute to hydrogen safety at the time of operation.

본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as hereinafter claimed It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

10: 연료전지 스택 110: 인클로저
111: 온수 유입구 113: 온수 유출구
115: 공기 흡기구 117: 공기 배기구
120: 열교환기 130: 제어부10: Fuel cell stack 110: Enclosure
111: hot water inlet 113: hot water outlet
115: air inlet 117: air outlet
120: heat exchanger 130:

Claims (14)

연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성된 인클로저;
물을 가열하여 온수를 생성하고, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기; 및
상기 인클로저의 표면 온도 및 상기 인클로저의 외부 온도에 기반하여 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 열교환기는, 물이 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며,
상기 열교환 구조물은,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로 하는 다공성 구조물이거나,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 다공 구조 내에 포함하는 열전도성 소재로 제작된 다공성 구조물이거나,
상기 배관의 표면에 부착된 열전도층 및 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로하여 상기 열전도층의 표면에 증착된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on a surface thereof;
A heat exchanger for generating hot water by heating the water and providing the generated hot water to the hot water circulation space; And
And a control unit for controlling the operation of the heat exchanger based on a surface temperature of the enclosure and an external temperature of the enclosure,
Wherein the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with a periphery of a pipe through which water flows,
Wherein the heat exchange structure comprises:
A porous structure made of a catalyst promoting the reaction of hydrogen and oxygen,
A porous structure made of a thermally conductive material containing a catalyst promoting the reaction between hydrogen and oxygen in the porous structure,
And a catalyst layer deposited on the surface of the heat conduction layer using a catalyst for promoting a reaction between hydrogen and oxygen, and a catalyst layer deposited on the surface of the pipe. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환기는 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소와 산소를 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanger reacts hydrogen and oxygen, which are unreacted fuel discharged from an anode of the fuel cell stack, to generate heat, and the water is heated using the generated heat. 청구항 2에 있어서,
상기 제어부는, 상기 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method of claim 2,
Wherein the control unit controls the purge valve or the drain valve for discharging the hydrogen to the outside to control whether the hydrogen is supplied to the heat exchanger. 제3항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 및 드레인 밸브는 3-웨이 밸브로 구현되며, 상기 제어부는 상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여, 상기 수소를 외부로 배출하거나 상기 열교환기로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.4. The apparatus of claim 3, wherein the purge valve and the drain valve are implemented as a three-way valve, and the control unit controls the purge valve or the drain valve to discharge the hydrogen to the outside or supply the hydrogen to the heat exchanger Fuel cell stack moisture condensation prevention system. 청구항 2에 있어서,
상기 열교환기는 상기 연료전지 스택의 캐소드에서 배출되는 공기를 제공받고 상기 수소와 상기 공기 중의 산소를 반응시켜 열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method of claim 2,
Wherein the heat exchanger is provided with air exhausted from a cathode of the fuel cell stack and generates heat by reacting the hydrogen with oxygen in the air. 청구항 1에 있어서,
상기 물은 상기 연료전지 스택용 냉각수인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the water is cooling water for the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
상기 인클로저는 내부 공간으로 공기를 공급받고 배출하기 위한 공기 흡기구 및 공기 배기구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the enclosure has an air intake port and an air exhaust port for supplying and discharging air into the internal space. 청구항 7에 있어서,
상기 공기 흡기구에는 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 컴프레서로부터 공기가 제공되고, 상기 공기 배기구에서 배출되는 공기는 상기 컴프레서로 다시 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method of claim 7,
Wherein the air intake port is provided with air from a compressor that supplies air to the cathode of the fuel cell stack, and air discharged from the air exhaust port flows back into the compressor. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 인클로저의 표면 온도가 사전 설정된 임계 온도 이상인 경우, 상기 열교환기의 작동을 중단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls to stop the operation of the heat exchanger when the surface temperature of the enclosure is equal to or higher than a predetermined threshold temperature. 연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성된 인클로저;
상기 연료전지 스택으로부터 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 통해 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소를 제공받고, 상기 수소와 산소를 반응시켜 상기 연료전지 스택용 냉각수를 가열하여 온수를 생성하며, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기; 및
상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 결정함으로써 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 열교환기는, 상기 냉각수가 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며,
상기 열교환 구조물은,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로 하는 다공성 구조물이거나,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 다공 구조 내에 포함하는 열전도성 소재로 제작된 다공성 구조물이거나,
상기 배관의 표면에 부착된 열전도층 및 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로하여 상기 열전도층의 표면에 증착된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on a surface thereof;
Wherein the fuel cell stack is provided with hydrogen which is unreacted fuel discharged from the anode of the fuel cell stack through a purge valve or a drain valve for discharging hydrogen from the fuel cell stack to the outside, A heat exchanger for generating hot water by heating the hot water and providing the generated hot water to the hot water circulation space; And
And a control unit controlling the operation of the heat exchanger by controlling the purge valve or the drain valve to determine whether or not to supply hydrogen to the heat exchanger,
Wherein the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with a periphery of the pipe through which the cooling water flows,
Wherein the heat exchange structure comprises:
A porous structure made of a catalyst promoting the reaction of hydrogen and oxygen,
A porous structure made of a thermally conductive material containing a catalyst promoting the reaction between hydrogen and oxygen in the porous structure,
And a catalyst layer deposited on the surface of the thermally conductive layer, the catalyst layer promoting a reaction between hydrogen and oxygen, and a thermal conductive layer adhered to the surface of the pipe. 연료전지 스택을 하우징하며, 온수 유통 공간이 표면에 형성되며, 내부 공간으로 공기를 공급받고 배출하기 위한 공기 흡기구 및 공기 배기구를 갖는 인클로저;
상기 연료전지 스택으로부터 수소를 외부로 배출하기 위한 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 통해 상기 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 수소를 제공받고, 상기 수소와 산소를 반응시켜 상기 연료전지 스택용 냉각수를 가열하여 온수를 생성하며, 생성된 상기 온수를 상기 온수 유통 공간으로 제공하는 열교환기; 및
상기 퍼지 밸브 또는 드레인 밸브를 제어하여 상기 열교환기로 수소 공급 여부를 결정함으로써 상기 열교환기의 작동 여부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 공기 흡기구에는 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 컴프레서로부터 공기가 제공되고, 상기 공기 배기구에서 배출되는 공기는 상기 컴프레서로 다시 유입되며,
상기 열교환기는, 상기 냉각수가 흐르는 배관 주변과 접촉하여 배치된 열교환 구조물을 포함하며,
상기 열교환 구조물은,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로 하는 다공성 구조물이거나,
수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 다공 구조 내에 포함하는 열전도성 소재로 제작된 다공성 구조물이거나,
상기 배관의 표면에 부착된 열전도층 및 수소와 산소의 반응을 촉진하는 촉매를 소재로하여 상기 열전도층의 표면에 증착된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템.An enclosure housing the fuel cell stack and having a hot water flow space formed on the surface thereof and having an air intake port and an air exhaust port for supplying and discharging air into the inner space;
Wherein the fuel cell stack is provided with hydrogen as unreacted fuel discharged from the anode of the fuel cell stack through a purge valve or a drain valve for discharging hydrogen from the fuel cell stack to the outside, A heat exchanger for generating hot water by heating the hot water and providing the generated hot water to the hot water circulation space; And
And a control unit controlling the operation of the heat exchanger by controlling the purge valve or the drain valve to determine whether or not to supply hydrogen to the heat exchanger,
The air intake port is provided with air from a compressor that supplies air to the cathode of the fuel cell stack, and air discharged from the air exhaust port flows back into the compressor,
Wherein the heat exchanger includes a heat exchange structure disposed in contact with a periphery of the pipe through which the cooling water flows,
Wherein the heat exchange structure comprises:
A porous structure made of a catalyst promoting the reaction of hydrogen and oxygen,
A porous structure made of a thermally conductive material containing a catalyst promoting the reaction between hydrogen and oxygen in the porous structure,
And a catalyst layer deposited on the surface of the heat conduction layer using a catalyst for promoting a reaction between hydrogen and oxygen, and a catalyst layer deposited on the surface of the pipe.
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