KR101755916B1 - 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 수소 출구 배관 상에 설치되는 애노드 매니폴드 내의 유로를 스택 운전조건에 맞게 가변시켜주는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 셀의 중요한 발전체인 전극막의 최적 성능 발현을 위한 적정한 가습 환경 유지를 위하여, 연료전지 스택의 수소 출구 배관과 애노드 매니폴드 간의 연결부위에 유로를 조절할 수 있는 밸브를 적용함으로써, 스택 애노드 습도 및 공급 수소 가습량을 적절히 조절할 수 있고, 그 결과 Flooding 현상 및 Drying 현상 개선은 물론 연료전지 성능을 증대시킬 수 있는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치{Flow path adjusting device of anode manifold for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 수소 출구 배관 상에 설치되는 애노드 매니폴드 내의 유로를 스택 운전조건에 맞게 가변시켜주는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다.
이러한 연료전지에서는 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료극(Anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워와 같은 공기 공급장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 공기극(Cathode)으로 공급된다.
이에, 연료전지로 공급된 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 계속해서 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이와 같이, 연료전지 내에서의 원활한 화학반응을 위해서는 수소나 공기의 적절한 습도, 응축수의 적절한 양 등을 유지해야 한다.
도 1에서는 일반적인 연료전지 시스템의 레이아웃을 보여준다.
연료전지 스택(10)의 발전 가운데 발생하는 응축수와 는 수소 출구 배관(11)을 통해 애노드 매니폴드(12)로 배출되는 한편, 이렇게 배출된 응축수 중 일부는 애노드 매니폴드(12) 하단의 워터트랩(13)에 저장되어(중력에 의한 응축수 이동) 드레인 밸브(14)를 통해 배출되고, 일부는 재순환 배관(15)을 통해 연료전지 스택(10)으로 유입된다.
여기서, 미설명 부호 16은 수소 입구 배관, 17은 이젝터, 18은 퍼지 밸브, 19는 가습기, 20은 공기블로워, 21은 배기관을 각각 나타낸다.
한편, 연료전지 응축수 과량 조건(Flooding 조건)에서, 응축수가 전극막으로의 연료 접근을 막아 셀 전압이 떨어지는 현상이 발생한다.
이때, 가스 유동에 의해 스택 외부로 배출된 응축수 일부는 수소 출구 배관→재순환 배관→이젝터→수소 입구 배관을 통해 스택으로 재유입되며, 이는 플러링 조건을 더욱 악화시키는 요인이 된다.
그리고, 연료전지 건조 조건(Drying 조건)에서는 전극막의 전기 저항 증가로 셀 전압이 떨어지는 현상이 발생한다.
일반적으로 공기 과급(고출력, 고 SR)이나 고온 운전 조건에서 이러한 현상이 나타나며, 추가적으로 가습이 필요하다.
여기서, 과급된 공기의 큰 운동 모멘텀은 전극막에서 필요한 수분까지 배출시키게 되며, 고온 조건에서는 포화수증기량 증가로 공급가스의 상대습도(RH)를 떨어뜨리게 되어 스택 건조 현상을 초래한다(40℃, RH 50% 공기가 80℃ 스택에 공급되었을 때 공기 RH가 최대 4% 까지 떨어진다).
이와 같이, 연료전지 시스템의 전반적인 성능 유지 및 향상을 위해서 적절한 연료전지 스택의 습도관리에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되어 있는 추세이다.
한국 등록특허공보 10-0836371호 한국 공개특허공보 10-2010-0025026호
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 셀의 중요한 발전체인 전극막의 최적 성능 발현을 위한 적정한 가습 환경 유지를 위하여, 연료전지 스택의 수소 출구 배관과 애노드 매니폴드 간의 연결부위에 유로를 조절할 수 있는 밸브를 적용함으로써, 스택 애노드 습도 및 공급 수소 가습량을 적절히 조절할 수 있고, 그 결과 Flooding 현상 및 Drying 현상 개선은 물론 연료전지 성능을 증대시킬 수 있는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치는 연료전지 스택의 애노드 매니폴드와 연결되는 수소 출구 배관 내의 후단부에 회전가능한 구조의 밸브를 설치하고, 상기 밸브의 각도 조절을 이용하여 애노드 압력과 응축수 방향을 가변시킴으로써 스택으로 공급되는 수소가 적절한 습도를 갖도록 조절할 수 있도록 하는 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 애노드 매니폴드는 밸브를 가지면서 매니폴드 전단부에 연결되는 수소 출구 배관과, 매니폴드 후단부 상단측에 연결되는 재순환 배관과, 매니폴드 후단부 하단측에 연결되는 드레인 배관을 포함할 수 있다.
이때의 수소 출구 배관은 재순환 배관의 높이보다는 낮고 드레인 배관의 높이보다는 높은 위치에 연결되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 수소 출구 배관 내의 후단부에 설치되는 밸브는 배관 후단부에 형성되는 확관부 상에 위치될 수 있고, 이러한 밸브는 수소 출구 배관에서 확관부가 시작되는 높이에 위치될 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브는 플러딩 운전조건 시 수소 출구 배관의 유로 확관을 위하여 아래쪽으로 젖힘 동작될 수 있고, 건조 운전조건 시 수소 출구 배관의 유로 축관을 위하여 윗쪽으로 젖힘 동작될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치는 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 시스템 성능 증대의 효과가 있다.
Flooding 및 Drying 조건에서 성능을 개선할 수 있으며, 3% 이상의 성능 향상을 기대할 수 있다.
밸브 사용에 따른 기생 전력 손실(밸브 작동 시 저전류 활용으로 소모 전력이 작다)이 작아 전체적인 시스템 성능을 증가시킬 수 있다.
둘째, 시스템 내구성 증대의 효과가 있다.
Flooding 및 Drying 조건 개선으로 셀 내구 성능을 향상시킬 수 있다.
Flooding 개선으로 Flooding에 의한 촉매 유실량을 줄일 수 있다.
Drying 개선으로 멤브레인 열화를 개선할 수 있다.
셋째, 시스템 효율성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
고온 조건(저습)으로의 운전영역 확대 가능으로 냉각 효율을 개선할 수 있다(라디에이터 크기 축소 가능).
현재 개발 추진 중인 Flooding/Drying 제어를 위한 운전조건 변경(가압, SR 증대 등) 시 발생하는 추가적인 전력 및 연료 사용이 거의 없이 개선이 가능하므로 시스템 효율/연비 개선이 가능하다(기존에는 수소 추가 공급으로 애노드 가압함).
도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 레이아웃을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치의 설치 위치를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 실제 애노드 매니폴드에 적용한 예를 나타내는 개략도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치의 작동상태를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치의 설치 위치를 나타내는 개략도이다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 애노드 매니폴드 유로 조절장치는 애노드 매니폴드와 연결되는 수소 출구 배관의 후단에 밸브를 적용하고, 상기 밸브의 각도 조절로 애노드 압력과 응축수 방향을 변화시켜 운전조건에 따라 애노드 스택이 적절한 습도를 갖도록 조절할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위하여, 연료전지 스택(10)의 애노드 매니폴드(12)와 연결되는 수소 출구 배관(11) 내의 후단부에 밸브(22)가 배치되고, 이때의 밸브(22)은 후단의 힌지(23)를 이용하여 회전가능한 구조로 배관측에 지지되는 구조로 설치된다.
일 예로서, 상기 수소 출구 배관(11)의 후단부, 즉 애노드 매니폴드(12)와 연결되는 부위에는 수소 출구 배관(11)의 직경에 비해 상대적으로 큰 직경을 이루며 확장된 확관부(24)가 형성되고, 이렇게 형성되는 확관부(24) 상에 밸브(22)가 위치될 수 있게 된다.
이때, 상기 밸브(22)는 수소 출구 배관(11)에서 확관부(24)가 시작되는 높이, 즉 수소 출구 배관(11)과 이 배관에서 아래쪽으로 형성되는 확관부(24) 간의 경계를 이루는 높이에 그 후단부의 힌지(23)를 지지점으로 하여 위치될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 밸브(22)는 액추에이터(미도시)의 작동 시 힌지(23)를 축으로 회전되면서 확관부(24)가 있는 아래쪽으로 경사지게 젖힘 동작되거나, 수소 출구 배관(11)의 상측 벽면을 향하는 윗쪽으로 경사지게 젖힘 동작될 수 있게 되고, 결국 이러한 밸브(22)의 경사각도 변화에 따라 수소 출구 배관(11)의 후단 배관이 확관되거나 축관될 수 있게 된다.
여기서, 상기 밸브는 모터 등의 액추에이터를 이용하여 작동시킬 수 있으며, 이러한 액추에이터를 이용한 밸브 작동 구조, 제어수단에 의한 출력 제어로 액추에이터를 가동시키는 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 구조나 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
그리고, 상기 애노드 매니폴드(12)의 전단부, 즉 응축수가 유입되는 쪽에 해당하는 전단부에는 밸브(22)가 설치되어 있는 수소 출구 배관(11)의 후단부가 연결되어 통하게 된다.
이와 더불어, 매니폴드 후단부(응축수가 나가는 쪽의 후단부) 상단측에는 재순환 배관(15)이 연결되어 통하게 되는 동시에 매니폴드 후단부 하단측에는 드레인 밸브(18)가 설치되어 있는 드레인 배관(14)이 연결되어 통하게 된다.
이때의 드레인 배관(14)은 애노드 매니폴드(12)의 하부에 통하는 구조로 설치되어 있는 워터트랩(13)측에서 연장되는 구조로 설치될 수 있게 된다.
예를 들면, 응축수의 원활한 외부 배출을 위해 애노드 매니폴드(12)와 연결되는 배관 중 재순환 배관(15)은 매니폴드 상단, 드레인 배관(14)을 가지는 워터트랩(13)은 매니폴드 하단에 위치될 수 있게 된다.
또한, 상기 애노드 매니폴드(12)의 후단부에는 상단측 재순환 배관(15)과 하단측 드레인 배관(14) 사이에 위치되는 퍼지 배관이 연결되고, 이때의 퍼지 배관에는 퍼지 밸브(18)가 설치될 수 있게 된다.
특히, 상기 애노드 매니폴드(12)의 전단부 수소 출구 배관(11)의 경우, 그 설치높이는 후단부 상단측의 재순환 배관(15)의 높이보다는 낮고 또 드레인 배관(15)의 높이보다는 높은 위치에 설정될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 수소 출구 배관(11)에 있는 밸브(22)의 하향 젖힘 동작 시 응축수가 이보다 아래쪽에 위치되어 있는 드레인 배관(15)측으로 자연스럽게 유도될 수 있게 되고, 밸브(22)의 상향 젖힘 동작 시 응축수나 수소가 이보다 윗쪽에 위치되어 있는 재순환 배관(15)측으로 자연스럽게 유도될 수 있게 된다.
그리고, 상기 밸브(22)는 시스템 운전 조건에 따라, 즉 플러딩 운전조건이나 건조 운전조건에 따라 각각 다른 젖힘 동작 특성을 보이게 되는데, 예를 들면 플러딩 운전조건의 경우에는 아래쪽으로 젖힘 동작되면서 수소 출구 배관(11)의 단부 배관 유로를 확관시켜줄 수 있게 되고, 건조 운전조건의 경우에는 윗쪽으로 젖힘 동작되면서 수소 출구 배관(11)의 단부 배관 유로를 축관시켜줄 수 있게 된다.
여기서, 상기 밸브의 상향 젖힘 또는 하향 젖힘 동작을 위하여 제어수단이 플러딩 운전조건이나 건조 운전조건을 판단하는 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치를 실제 애노드 매니폴드에 적용한 예를 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 현재 차량에 적용되는 애노드 매니폴드의 형태를 보여준다.
연료전지 스택의 상단 및 하단 모듈 구성인 경우, 애노드 매니폴드(12)에 연결되는 수소 출구 배관(11)도 상단 및 하단 2개소에 구비된다.
그리고, 상기 애노드 매니폴드(12)에 연결되는 상단 수소 출구 배관(11)의 단부와 하단 수소 출구 배관(11)의 단부에도 확관부(24)와 함께 밸브(22)가 각각 구비된다.
이에 따라, 플러딩 운전조건의 경우, 밸브(22)의 하향 젖힘 동작에 따라 응축수는 워터트랩이 있는 아래쪽으로, 수소는 재순환 배관(15)이 있는 윗쪽으로 유도될 수 있게 되는 한편, 건조 운전조건의 경우, 밸브(22)의 상향 젖힘 동작에 따라 응축수와 수소는 재순환 밸관(15)이 있는 윗쪽으로 모두 유도될 수 있게 된다.
여기서, 수소 출구 배관의 확관 형태의 배관 구조는 상하단 동일한 배관 유로 단면적을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 적절한 밸브 길이 및 확관부의 높이는 스택과 매니폴드 설계 및 사용 운전조건 등에 맞게 적절히 설정(튜닝)하여 적용하는 것이 바람직하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 매니폴드 유로 조절장치의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 플러딩 운전조건에서는 수소 출구 배관(11)의 후단 유로가 하부로 확관되도록 밸브(22)의 위치를 조절한다(밸브 하향 젖힘 상태).
이에 따라, 애노드 스택 압력을 감소시켜 스택 습도를 낮추고(압력↓ → 수증기 분압↓ → RH↓), 응축수 유동을 워터트랩(13)이 있는 방향으로 향하게 하여 종래 대비 응축수가 원활히 배출되게 함으로써, 공급 수소의 습도를 낮출 수 있게 되고, 이를 통해 스택 내 플러딩 발생을 억제할 수 있게 된다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 건조 운전조건에서는 수소 출구 배관(11)의 후단 유로가 상부로 축관되도록 밸브(22)의 위치를 조절한다(밸브 상향 젖힘 상태).
이에 따라, 애노드 스택 압력을 증가시켜 스택 습도를 증가시키고(압력↑ → 수증기 분압↑ → RH↑), 응축수 유동을 재순환 배관(15)이 있는 방향으로 향하게 하여 종래 대비 응축수(Vapor 형태)가 스택으로 더 많이 공급되게 함으로써, 공급 수소의 습도를 높일 수 있게 되고, 이를 통해 스택 내 건조 발생을 억제할 수 있게 된다.
10 : 연료전지 스택
11,11a,11b : 수소 출구 배관
12 : 애노드 매니폴드
13 : 워터트랩
14 : 드레인 밸브
15 : 재순환 배관
16 : 수소 입구 배관
17 : 이젝터
18 : 퍼지 밸브
19 : 가습기
20 : 공기블로워
21 : 배기관
22 : 밸브
23 : 힌지
24 : 확관부

Claims (7)

  1. 연료전지 스택의 애노드 매니폴드와 연결되는 수소 출구 배관 내의 후단부에 회전가능한 구조의 밸브를 설치하고, 상기 밸브의 각도 조절을 이용하여 애노드 압력과 응축수 방향을 가변시킴으로써 스택으로 공급되는 수소가 적절한 습도를 갖도록 조절할 수 있도록 하되,
    상기 수소 출구 배관 내의 후단부에 설치되는 밸브는 배관 후단부에 형성되는 확관부 상에 위치되되, 수소 출구 배관에서 확관부가 시작되는 높이에 각도 조절 가능하게 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 매니폴드는 밸브를 가지면서 매니폴드 전단부에 연결되는 수소 출구 배관과, 매니폴드 후단부 상단측에 연결되는 재순환 배관과, 매니폴드 후단부 하단측에 연결되는 드레인 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 애노드 매니폴드의 수소 출구 배관은 재순환 배관의 높이보다는 낮고 드레인 배관의 높이보다는 높은 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는 플러딩 운전조건 시 수소 출구 배관의 유로 확관을 위하여 아래쪽으로 젖힘 동작되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는 건조 운전조건 시 수소 출구 배관의 유로 축관을 위하여 윗쪽으로 젖힘 동작되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치.
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