KR102328445B1 - 연료전지용 가습 안정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 습도 조절 장치에 관한 것으로서,연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 상기 가습된 가스를 공급하는 가습챔버의 배기부와 연결되며, 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스가 이동하는 중공부가 형성되고, 수분교환을 통해 상기 가습된 가스에 수분을 공급하여 습도를 조절하는 멤브레인형 가습기를 포함하며, 상기 멤브레인형 가습기를 통해 습도가 안정화된 가스는 상기 연료전지의 스택으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 본 발명은 멤브레인형 가습기를 가습 안정화 장치에 활용함으로써, 상대습도 조절이 용이하여 목표 온도에 따른 목표 습도 또는 목표 습도에 따른 목표 온도의 설정이 용이한 이점이 있다.

Description

연료전지용 가습 안정화 장치{Humidity stabilized Apparatus for Fuel Cell System}
본 발명은 연료전지의 가습 안정화 장치에 관한 것으로서, 멤브레인형 가습기가 도입된 연료전지용 가습 안정화 장치에 관한 것이다.
기존의 화석연료를 태움으로써 생기는 배기가스에 의한 환경 오염 문제와 화석연료 고갈에 의한 에너지 위기 등에 대처하기 위하여 무공해 대체에너지 개발을 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다.
특히 무공해 대체에너지로서의 수소 연료의 사용은 지구상에 존재하는 무한한 자원의 활용으로써 그 의미가 있으며, 수소 연료를 사용하는 연료전지는 수소에너지 응용기술의 핵심이다.
이러한 수소 연료를 사용하는 연료전지는 연료인 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지용 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 블로워와 같은 공기 공급장치를 통해 대기 중의 공기가 연료전지용 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.
연료전지용 스택의 연료극으로 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리되며, 수소 이온은 연료극과 공기극 사이의 전해질막을 통해 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 공기극으로 이동한다. 연료저지용 스택의 공기극으로 공급된 산소가 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
여기에서 연료전지용 스택의 전해질막은 일반적으로 고분자막으로 이루어져 수소 이온이 통과하려면 고분자막이 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 즉, 고분자 전해질막이 충분히 젖어 있을수록 수소 이온이 연료극으로부터 공기극으로 더 잘 전달될 수 있다.
따라서, 전해질막에 적절한 수분을 지속적으로 공급하여 연료전지의 발전 효율 저하를 방지하고, 열화에 따른 전해질막의 손상을 방지하기 위해 연료전지의 수소 및 공기 공급장치에는 공급해주는 수소 및 공기의 습도를 조절하기 위한 가습기장치가 필수적으로 구성되어 있다.
이러한 가습기 장치의 경우 상대습도의 조절이 필요하며, 기존에는 도 1에 도시한 바와 같이 가습기 장치와 열교환기를 조절하여 상대습도를 조절하였다.
그러나, 이 경우 온도 및 습도의 조절이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 목표 온도에 따른 목표 습도 또는 목표 습도에 따른 목표 온도의 설정이 용이하지 않은 문제점이 있다.
또한 기존 가습기 장치의 경우 열교환기를 통과 후 응축수가 생성될 수 있는데, 이를 제거하기 위한 별도의 트랩이 필요하게 되며, 물을 낭비하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 멤브레인형 가습기가 도입된 연료전지용 가습 안정화 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부와 연결되며, 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스가 이동하는 중공부가 형성되고, 수분교환을 통해 상기 가습된 가스에 수분을 공급하여 습도를 조절하는 멤브레인형 가습기를 포함하며, 상기 멤브레인형 가습기를 통해 습도가 안정화된 가스는 상기 연료전지의 스택으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 멤브레인형 가습기는, 가습챔버 내부에 포함되며, 가스가 이동하는 중공부가 형성된 복수개의 멤브레인 튜브와, 상기 멤브레인 튜브를 에워싸는 하우징과, 상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브에서 수분 교환 후 남은 물을 배출시키는 배수부와, 상기 하우징의 타측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브로 수분 교환을 위한 물을 공급시키는 입수부가 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 멤브레인 튜브는, 단일 벽 튜브(single wall tube) 또는 다중 벽 튜브(muiti wall tube)를 사용하거나, 상기 단일 벽 튜브(single wall tube) 및 다중 벽 튜브(muiti wall tube)를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가습챔버와 멤브레인형 가습기, 그리고 상기 멤브레인형 가습기와 스택을 연결하는 배관에는 라인히터부가 설치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 라인히터부는, 상기 배관 외주면을 감은 열전도체 필름과, 상기 열전도체 필름 외주면을 일정한 유격을 두고 감은 라인히터와, 상기 배관, 열전도체 필름 및 라인히터를 에워싸는 보온재를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 멤브레인형 가습기를 가습 안정화 장치에 활용함으로써, 상대습도 조절이 용이하여 목표 온도에 따른 목표 습도 또는 목표 습도에 따른 목표 온도의 설정이 용이한 효과가 있다.
또한 본 발명은 응축수 제거용 트랩이 필요하지 않아 장치가 간단하며, 가습된 물의 낭비를 방지하는 효과가 있다.
도 1 - 기존의 연료전지용 가습 안정화 장치에 대한 모식도.
도 2 및 도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 모식도.
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따른 라인히터부에 대한 모식도.
본 발명은 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 기존의 열교환기 대신에 가습기 장치와 연결되는 멤브레인형 가습기를 도입하는 것을 특징으로 한다.
가습기 장치에서 가습된 수소 또는 공기는 다시 멤브레인형 가습기에 공급되어, 가습된 수소 또는 공기의 습도 및 온도를 조절하여, 상대습도의 조절이 용이하도록 한다.
이와 같이 멤브레인형 가습기를 활용함으로써, 상대습도의 조절이 용이할 뿐만 아니라, 응축수 제거를 위한 트랩이 불필요하고, 이에 의해 트랩에 수집되는 물의 낭비를 방지하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 라인히터부(300)에 대한 모식도이다.
도시된 바와 같이 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부(100)와 연결되며, 상기 배기부(100)로부터 공급된 가습된 가스가 이동하는 중공부가 형성되고, 수분교환을 통해 상기 가습된 가스에 수분을 공급하여 습도를 조절하는 멤브레인형 가습기(200)를 포함하며, 상기 멤브레인형 가습기(200)를 통해 습도가 안정화된 가스는 상기 연료전지의 스택으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용될 수 있는 멤브레인형 가습기(200)는 공지된 형태의 멤브레인 가습기 뿐만 아니라, 본 발명의 바람직한 실시예로 다음과 같은 멤브레인형 가습기(200)가 사용될 수 있다.
멤브레인 튜브(220)를 내부에 포함하는 멤브레인형 가습기(200)를 활용하고, 상기 멤브레인형 가습기(200)를 가습챔버(210) 내부에 배치함으로써, 멤브레인 튜브(220) 외부와 내부 압력이 조절되게 되어, 멤브레인 튜브(220)의 내구성을 향상시키게 된다.
구체적으로는, 상기 멤브레인형 가습기(200)는, 가습챔버(210) 내부에 포함되는 것으로, 가스가 이동하는 중공부가 형성된 복수개의 멤브레인 튜브(220)와, 상기 멤브레인 튜브(220)를 에워싸는 하우징(230)과, 상기 하우징(230)의 일측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브(220)에서 수분 교환 후 남은 물을 배출시키는 배수부(240)와, 상기 하우징(230)의 타측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브(220)로 수분 교환을 위한 물을 공급시키는 입수부(250)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 멤브레인형 가습기(200)는, 상기 가습챔버(210) 내부에 직렬 또는 병렬로 복수개 배치되도록 하여 분사력 증가에 따른 가습효율을 개선시킬 수도 있다.
즉, 상기 멤브레인형 가습기(200)는 하우징(230) 내부에 중공부가 형성된 복수개의 멤브레인 튜브(220)가 형성되고, 상기 하우징(230) 일측에는 상기 멤브레인 튜브(220)에서 수분 교환 후 남은 물을 배출시키는 배수부(240)가 형성되고, 타측에는 상기 멤브레인 튜브(220)로 수분 교환을 위한 물을 공급시키기 위한 입수부(250)가 형성된 것이다.
또한, 상기 멤브레인 튜브(220)는, 연료전지의 스팩이나 용량, 용도, 적용 환경 등으로 고려하여 단일벽 튜브(single wall tube) 또는 다중벽 튜브(muiti wall tube)를 사용하거나, 상기 단일벽 튜브(single wall tube) 및 다중벽 튜브(muiti wall tube)를 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 하우징(230)은 가습챔버(210) 내부에 고정되는 것으로서, 멤브레인 튜브(220)에 의해 유로가 생성되도록 가습챔버(210) 내벽에 고정되어 형성된다. 가습 용량에 따라 상기 하우징(230)은 가습챔버(210) 내벽에 직접적으로 고정되거나, 상기 하우징(230) 상단부에 결합된 프레임(260)에 의해 상기 가습챔버(210) 내벽에 고정될 수 있다.
상기 프레임(260)에 의해 가습챔버(210) 내부에 가습용량을 확보할 수 있는 공간부를 조절할 수 있도록 하면서, 상기 하우징(230)을 상기 가습챔버(210) 내부에 고정시키게 된다.
또한, 상기 프레임(260) 일측(가습챔버의 가스유입구 측)으로 상기 가습챔버(210)는 밀폐되도록 하여 상기 중공부의 멤브레인 튜브(220)에 의해서만 유로가 생성되도록 하여, 멤브레인형 가습기(200) 내외부 압력 조절이 용이하도록 한다.
그리고 본 발명에 따른 가습챔버(210)는 상기 멤브레인형 가습기(200)를 내부에 포함하며, 일측에는 상기 멤브레인형 가습기(200)에 가습된 가스를 공급하는 가스유입구가 형성되고, 타측에는 상기 멤브레인형 가습기(200)를 통해 가습이 조절된 가스를 배기하는 가습챔버(210)의 배기구가 형성된다.
구체적으로는 가습챔버(210) 내부에 멤브레인형 가습기(200)가 배치되며, 상기 가스유입구를 통해 공급된 가습된 가스(공기 또는 산소)는 상기 멤브레인형 가습기(200)의 멤브레인 튜브(220)의 중공부를 통해 이동되며, 상기 입수부(250)를 통해 공급된 수분과 상기 가습된 가스의 수분 교환을 통해 중공부 내부의 가스는 다시 한번 가습이 조절되어 습도가 조절되도록 한다. 가습된 가스는 상기 배기구를 통해 연료전지 스택 등으로 공급되게 된다.
여기에서, 상기 가습챔버(210) 내부의 압력에 따라 상기 멤브레인형 가습기(200)의 입수부(250)를 통해 공급되는 수분의 양이 조절되어 상기 멤브레인형 가습기(하우징)(200) 내부의 멤브레인 튜브(220) 외부의 압력이 조절되게 된다.
일반적으로 종래의 멤브레인 튜브(220)를 이용한 가습 장치의 경우, 멤브레인 튜브(220) 내부의 압력과 외부의 압력 차이에 의해 멤브레인 튜브(220)가 파손되는 문제점이 있으나, 본 발명은 가습챔버(210) 내부에 멤브레인형 가습기(200)를 배치하고, 중공부가 형성된 멤브레인 튜브(220)가 가스의 유로를 형성하도록 하여, 멤브레인 튜브(220)의 내부와 외부의 압력을 동일하게 만들어 줌으로써 해결한 것이다.
본 발명에 따르면, 가습챔버(210) 내부에 멤브레인형 가습기(200)가 포함되어 있으며, 멤브레인 튜브(220)의 내부는 가습챔버(210)와 오픈된 상태로 항상 동일한 압력을 유지하게 되므로, 본 발명에서는 하우징(230) 내부 멤브레인 튜브(220) 외부와 가습챔버(210)의 압력을 동일하게 만드는 것이다.
이와 같이 가습챔버(210) 내부에 멤브레인형 가습기(200)가 포함되어 있으며, 가습챔버(210)의 가스유입구를 통해 유입된 가스에 의해 가습챔버(210) 내부의 압력이 증가하면 상기 가습챔버(210) 내부의 수압이 높아진 만큼 상기 멤브레인형 가습기(200)의 배수부(240)를 통해 물이 상기 하우징(230) 내부 멤브레인 튜브(220) 외부로 이동하게 된다. 이를 통해 상기 가습챔버(210) 내부의 압력 변화에 따라 가습챔버(210) 내부의 압력과 하우징(230) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
즉, 상기 가습챔버(210) 내부의 압력 변화에 따라 상기 멤브레인형 가습기(200)의 입수부(250)를 통해 공급되는 수분의 양이 조절되어 상기 멤브레인형 가습기(200) 내부의 멤브레인 튜브(220) 외부의 압력이 조절되게 된다.
여기에서, 상기 가습챔버(210)는 상기 멤브레인형 가습기(200)의 수분 교환 후 남은 수분을 저장하는 저수부가 형성되고, 상기 가습챔버(210)의 일측에 배출부가 구비되어 상기 저수부에 저장된 물을 이동시켜 상기 멤브레인형 가습기(200)의 입수부(250)를 통해 공급하게 된다.
여기에서 상기 저수부에 저장된 물을 이동시키고자 할때 물을 펌핑하여 이동시킬 수도 있으며, 이는 공급되는 가습된 가스의 량, 조절하고자 하는 상대습도에 따라, 압력의 조절 범위에 따라 적용할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인형 가습기는 가습챔버의 저수부에 함침되는 구조로 형성될 수 있으며, 이에 의해 상기 멤브레인형 가습기 내부의 멤브레인 튜브 외부의 압력이 조절되도록 할 수 있다.
또한, 상기 저수부에 저장된 물을 멤브레인형 가습기(200)로 공급하는 배관에 히터가 구비되어, 온도를 조절하여 물을 공급함으로써 수소 또는 공기의 온도 및 습도 조절이 용이하게 이루어지도록 한다.
이와 같이 멤브레인형 가습기(200)를 가습 안정화 장치에 활용함으로써, 상대습도 조절이 용이하며, 정밀한 온도 및 습도의 제어를 구현할 수 있다. 또한 본 발명은 응축수 제거용 트랩이 필요하지 않아 장치가 간단하며, 가습된 물의 낭비를 방지하게 된다.
또한 본 발명에 따른 가습챔버(210)와 멤브레인형 가습기(200), 그리고 상기 멤브레인형 가습기(200)와 스택을 연결하는 배관에는 라인히터부(300)가 더 구비되어, 수소 또는 공기의 온도 및 습도의 조절이 용이하게 이루어지도록 한다.
구체적으로 상기 라인히터부(300)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 배관 외주면을 감은 열전도체 필름(310)과, 상기 열전도체 필름(310) 외주면을 일정한 유격을 두고 감은 라인히터(320)와, 상기 배관, 열전도체 필름(310) 및 라인히터(320)를 에워싸는 보온재(330)를 포함한다.
상기 라인히터부(300)는 열손실을 최소화하고, 가습된 가스가 온전히 스택으로 전달되기 위한 것으로, 배관에 라인히터(320)를 감게 된다. 상기 라인히터(320)는 발열체로 배관에 감을 시에 유격이 발생하게 되므로, 직접 접촉되지 않는 부분은 라인히터(320)로부터 열전달이 느릴 수 밖에 없다.
따라서, 배관에 먼저 열전도체 필름(310)을 감고, 그 위에 라인히터(320)를 감게 되면 상기 라인히터(320)의 유격이 있더라도 열전도가 용이하여 라인히터(320)가 직접 접촉되지 않는 부분까지 열전달이 신속하게 이루어지게 된다.
본 발명은 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 멤브레인형 가습기를 가습 안정화 장치에 활용함으로써, 상대습도 조절이 용이하여 목표 온도에 따른 목표 습도 또는 목표 습도에 따른 목표 온도의 설정이 용이하며, 또한 본 발명은 응축수 제거용 트랩이 필요하지 않아 장치가 간단하며, 가습된 물의 낭비를 방지할 수 있다.
100 : 배기부
200 : 멤브레인형 가습기 210 : 가습챔버
220 : 멤브레인 튜브 230 : 하우징
240 : 배수부 250 : 입수부
260 : 프레임 300 : 라인히터부
310 : 열전도체 필름 320 : 라인히터
330 : 보온재

Claims (5)

  1. 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서,
    상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부와 연결되며,
    상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스가 이동하는 중공부가 형성되고, 수분교환을 통해 상기 가습된 가스에 수분을 공급하여 습도를 조절하는 멤브레인형 가습기를 포함하고,
    상기 멤브레인형 가습기는,
    가습챔버 내부에 포함되며,
    가스가 이동하는 중공부가 형성된 복수개의 멤브레인 튜브;
    상기 멤브레인 튜브를 에워싸는 하우징;
    상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브에서 수분 교환 후 남은 물을 배출시키는 배수부;
    상기 하우징의 타측에 형성되며, 상기 멤브레인 튜브로 수분 교환을 위한 물을 공급시키는 입수부;가 형성되며,
    상기 가습챔버 내부에 가습용량을 확보할 수 있는 공간부를 조절할 수 있도록 하면서, 상기 하우징을 상기 가습챔버 내부에 고정시키는 프레임을 포함하고,
    상기 멤브레인형 가습기를 통해 습도가 안정화된 가스는 상기 연료전지의 스택으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 멤브레인 튜브는,
    단일 벽 튜브(single wall tube) 또는 다중 벽 튜브(muiti wall tube)를 사용하거나,
    상기 단일 벽 튜브(single wall tube) 및 다중 벽 튜브(muiti wall tube)를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가습챔버와 멤브레인형 가습기, 그리고 상기 멤브레인형 가습기와 스택을 연결하는 배관에는 라인히터부가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 라인히터부는,
    상기 배관 외주면을 감은 열전도체 필름;
    상기 열전도체 필름 외주면을 일정한 유격을 두고 감은 라인히터;
    상기 배관, 열전도체 필름 및 라인히터를 에워싸는 보온재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004363027A (ja) * 2003-06-06 2004-12-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池の加湿方法および燃料電池システム
KR100828095B1 (ko) * 2007-02-22 2008-05-08 주식회사 씨엔엘에너지 연료전지용 가스 가습장치
KR101359894B1 (ko) * 2012-09-19 2014-02-07 지승일 배관히터와 그 제조방법

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