KR102328480B1 - 연료전지용 가습 안정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습 안정화 장치에 관한 것으로서, 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부와 연결되고, 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스를 사이클론 방식으로 회전시켜, 액적은 저부에 저장시키고, 가습된 가스는 상측으로 배기시키는 사이클론 안정화부를 포함하며, 상기 사이클론 안정화부는 저부에 저장된 물을 순환 공급하고, 내부에 히터를 구비하여 상기 가습된 가스의 습도 및 온도를 조절하여, 상기 연료전지의 스택으로 가습 안정화된 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 본 발명은 사이클론 안정화부를 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, 사이클론 안정화부를 도입한 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, 사이클론 안정화부를 도입한 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 연결되고, 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스를 사이클론 방식으로 회전시켜, 액적은 저부에 저장시키고, 가습된 가스는 상측으로 배기시키는 사이클론 안정화부를 포함하며, 상기 사이클론 안정화부는 저부에 저장된 물을 순환 공급하고, 내부에 히터를 구비하여 상기 가습된 가스의 습도 및 온도를 조절하여, 상기 연료전지의 스택으로 가습 안정화된 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 사이클론 안정화부는, 하측으로 갈수록 수평 단면적이 좁아지는 형태로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 사이클론 안정화부는, 일측으로 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스가 유입되는 가스유입구가 형성되고, 상측부에 가습 안정화된 가스가 배기되는 가스배기구가 형성되고, 하측부에 사이클론 회전 후 발생되는 수분을 배출하는 수분배출구가 형성되고, 상기 수분배출구로부터 배출된 수분이 재공급되는 수분유입구를 포함하는 하우징과, 상기 하우징 내부에 위치되며, 상기 가습 안정화된 가스의 온도를 조절하기 위한 히터를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히터 외주부에는, 상기 히터를 감싸는 파이프가 더 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 가습기 장치와 사이클론 안정화부, 그리고 사이클론 안정화부와 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, 사이클론 방식의 가습 안정화 장치로 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 사이클론 안정화부를 도입하는 것으로, 가습기 장치에서 가습된 수소 또는 공기는 사이클론 안정화부에 공급되어, 가습된 수소 또는 공기의 습도 및 온도를 조절하여, 상대습도의 조절이 용이하도록 한다.

이와 같이 사이클론 안정화부를 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 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 가습 안정화 장치는, 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부(100)와 연결되고, 상기 배기부(100)로부터 공급된 가습된 가스를 사이클론 방식으로 회전시켜, 액적은 저부에 저장시키고, 가습된 가스는 상측으로 배기시키는 사이클론 안정화부(200)를 포함하며, 상기 사이클론 안정화부(200)는 저부에 저장된 물을 순환 공급하고, 내부에 히터(220)를 구비하여 상기 가습된 가스의 습도 및 온도를 조절하여, 상기 연료전지의 스택으로 가습 안정화된 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치를 기술적 요지로 한다.

본 발명에 따른 사이클론 안정화부(200)는 하측으로 갈수록 수평 단면적이 좁아지는 형태로 형성되어 물 입자의 수집이 용이하도록 하면서, 내부에 히터(220)를 포함하여 온도의 조절이 용이하도록 한 것이다.

구체적으로는, 일측으로 상기 배기부(100)로부터 공급된 가습된 가스가 유입되는 가스유입구(211)가 형성되고, 상측부에 가습 안정화된 가스가 배기되는 가스배기구(212)가 형성되고, 하측부에 사이클론 회전 후 발생되는 수분을 배출하는 수분배출구(213)가 형성되고, 상기 수분배출구(213)로부터 배출된 수분이 재공급되는 수분유입구(214)를 포함하는 하우징(210)과, 상기 하우징(210) 내부에 위치되며, 상기 가습 안정화된 가스의 온도를 조절하기 위한 히터(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 사이클론 안정화부(200) 상측으로 온도 및 습도가 조절된 수소 또는 공기가 배기(분무)되도록 가스배기구(212)가 형성되어 연료전지 스택에 공급되도록 한다.

이와 같이, 상기 가스유입구(211) 및 수분유입구(214)를 통해 유입된 가습된 가스 및 수분을 회전시켜, 액적은 저부에 저장시키고, 가습된 가스는 상측으로 배기되게 되며, 상기 하우징(210) 저부에 저장된 물은 순환공급되어 상기 수분유입구(214)를 통해 유입되게 된다.

즉, 가습기 장치에서 공급된 가습된 가스는 상기 가스유입구(211)를 통해, 물은 상기 수분유입구(214)를 통해 상기 사이클론 안정화부(200)에 투입되고, 투입될 때 압력에 의해 상기 가습된 가스는 상기 하우징(210) 내부에서 회전을 하게 되면서, 이 과정에서 수분과 가습된 가스는 혼합되어 가습되게 된다.

여기에서, 상기 가습기 장치에서 공급된 가습된 가스의 유속이 작으면 상기 하우징(210)의 폭을 좁게 설계할 수 있고, 상기 가습된 가스의 유속이 크면 상기 하우징(210)의 폭을 넓게 설계할 수 있다. 예컨대, 상기 하우징(210)의 폭이 크면 원심력이 세지게 되어, 사이클론 필터링이 더 잘 이루어지므로, 적당한 원심력이 발생되도록 상기 하우징(210)의 폭을 설계하여야 한다.

또한, 상기 하우징(210)의 길이는 상기 가습된 가스의 유속과 가습 용량 등을 고려하여 형성하며, 너무 짧게 되면 사이클론 필터링이 잘 이루어지지 않으므로, 가습 조건 및 용량 등을 고려하여 설계한다.

상기 하우징(210)은 이중쟈켓 구조로 형성되어 내부의 온도가 잘 유지되도록 하고, 내벽면에 소수성 코팅을 도입하여 액적이 상기 하우징(210) 벽면에 머물러 있지 않고, 잘 털어지도록 하여 가습 제어가 효율적으로 이루어지도록 한다.

이와 같이 상기 하우징(210)으로 투입되어 사이클론 방식으로 회전된 가습된 가스 중 입자가 큰 액적의 경우는 회전 중 상기 하우징(210) 벽면과 충돌하여 아래층으로 떨어지고, 최종적으로 미세한 입자 크기의 온도 및 습도가 제어된 가습된 가스만이 분무되어 상기 가스배기구(212)를 통해 연료전지의 스택에 공급되게 된다.

또한, 상기 히터(220)는 상기 하우징(210) 내부의 가스배기구(212)에 인접 형성되어, 배기되는 가습된 가스의 온도를 조절할 수 있도록 하여, 열교환이 이루어지도록 하여 상대습도의 조절이 용이하도록 한다.

또한, 상기 히터(220) 외주부에는 상기 히터(220)를 감싸는 파이프(230)가 더 형성되게 되며, 상기 파이프(230)의 출구는 상기 하우징(210)의 가스배기구(212)가 되어, 상기 파이프(230)를 따라 가습 안정화된 가스가 배기되게 된다.

상기 파이프(230)는 가습 안정화된 가스가 안정적인 습도 및 온도를 유지한 채로 배기될 수 있도록 유로를 제공하는 역할을 하면서, 히터(220)를 감싸도록 형성되어 외부와 차단된 상태에서 열교환이 이루어질 수 있도록 하여, 정밀한 습도 및 온도의 제어가 용이하게 된다. 또한, 상기 파이프(230)는 상기 가습된 가스 및 공급된 수분의 회전이 용이하도록 한다.

또한, 상기 파이프(230)는 자바라 형태로 형성되어 길이 조절이 가능하도록 하여, 열교환 정도를 조절할 수 있도록 할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 가습기 장치와 사이클론 안정화부(200), 그리고 사이클론 안정화부(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.

이와 같이 본 발명은 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서, 사이클론 방식의 가습 안정화 장치로 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 : 사이클론 안정화부 210 : 하우징
211 : 가스유입구 212 : 가스배기구
213 : 수분배출구 214 : 수분유입구
220 : 히터 230 : 파이프
300 : 라인히터부 310 : 열전도체 필름
320 : 라인히터 330 : 보온재

Claims (6)

1. 연료전지의 스택으로 공급되는 가습된 가스의 습도를 안정화시키기 위한 연료전지용 가습 안정화 장치에 있어서,
   상기 가습된 가스를 공급하는 가습기 장치의 배기부와 연결되고,
   상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스를 사이클론 방식으로 회전시켜, 액적은 저부에 저장시키고, 가습된 가스는 상측으로 배기시키는 사이클론 안정화부를 포함하고,
   상기 사이클론 안정화부는 저부에 저장된 물을 순환 공급하고, 내부에 히터를 구비하여 상기 가습된 가스의 습도 및 온도를 조절하여, 상기 연료전지의 스택으로 가습 안정화된 가스를 공급하며,
   상기 사이클론 안정화부는,
   일측으로 상기 배기부로부터 공급된 가습된 가스가 유입되는 가스유입구가 형성되고, 상측부에 가습 안정화된 가스가 배기되는 가스배기구가 형성되고, 하측부에 사이클론 회전 후 발생되는 수분을 배출하는 수분배출구가 형성되고, 상기 수분배출구로부터 배출된 수분이 재공급되는 수분유입구를 포함하는 하우징;
   상기 하우징 내부에 위치되며, 상기 가습 안정화된 가스의 온도를 조절하기 위한 히터;를 포함하고,
   상기 히터 외주부에는, 상기 히터를 감싸는 파이프가 더 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 사이클론 안정화부는,
   하측으로 갈수록 수평 단면적이 좁아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 가습기 장치와 사이클론 안정화부, 그리고 사이클론 안정화부와 스택을 연결하는 배관에는 라인히터부가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 안정화 장치.
6. 제 5항에 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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