KR20020032874A - 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 연료전지의 애노드와 캐소드 라인을 하나의 가습기로 일체화하여 소형화함과 동시에 연료전지반응에 의한 반응생성수의 양을 고려하여 가습량을 최적화함으로써, 기존 대형 가습장치들과 비교하여 동등 이상의 성능을 발현하도록 하고, 하나의 모듈형태로 구성되고 별도의 부가장치가 없어서 탈부착이 자유로우며, 동일한 부품이 사용되는 것을 최소화하여 원가를 절감시킬 수 있는 연료전지용 가습장치를 제공하고자 한 것이다.
또한, 연료전지스택의 냉각수를 이용하여 가습하므로 운전온도의 변화에 따른 가습량이 자동으로 조절되도록 하여 제어장치가 필요치 않도록 구성된 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치를 제공하고자 한 것이다.
Description
본 발명은 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 애노드와 캐소드 라인을 하나의 가습기로 일체화하여 소형화함과 동시에 연료전지반응에 의한 반응생성수의 양을 고려하여 가습량을 최적화한 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
이러한 연료전지의 애노드로 연료기체인 수소가 공급되고 캐소드로 산화제인 산소가 공급되는 바, 상기 수소와 산소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위한 가습장치가 연료전지의 애노드와 캐소드에 각각 장착된다.
상기 연료전지는 작동온도, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cel)와, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)와, 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분된다.
차량의 구동 에너지원으로서의 연료전지는 작동온도가 100℃ 이하의 저온이며 효율이 우수한 고체고분자 연료전지가 개발중이거나 개발완료된 상태이며, 그성능 향상을 위한 많은 노력을 기울이고 있다.
상기 고체고분자 연료전지는 전해질로서 양이온교환막을 사용하는데 이러한 양이온교환막에서 연료전지반응을 일으키기 위해서는 수분의 공급이 필수적이다.
이는 수소가 애노드에서 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 양이온교환막을 통과하여 캐소드의 촉매로 이동되며, 캐소드에서는 공기중의 산소와 수소이온과 외부도선을 통과하여 온 전자와 반응하여 물을 생성하게 된다.
이때, 양이온교환막에서 수소이온의 이동에 관계하는 것은 양이온교환막을 구성하는 고분자물질의 SO3H- 기이며, 이러한 것의 이동량을 좌우하는 것은 양이온교환막 내의 수분의 존재량이다.
따라서, 고체고분자 연료전지의 성능에 대한 양이온교환막 내에 수분의 양을 적정한 수준으로 유지시킬 수 있는 가습의 역할은 매우 크다고 할 수 있다.
이러한 가습을 위한 장치로는 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 디퓨저(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler)형식과, 고분자분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 막가습 형식과, 연료전지반응에 필요한 공급수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접분사(direct injection) 형식이 있다.
그러나, 상기와 같은 버블러 형식은 대형의 장치가 수소 및 공기 라인에 별도로 부착되어야 하며, 가습량조절 및 온도조절에 필요한 히터 등의 부가장치가 요구되는 문제점이 있었다.
또한, 직접분사 형식은 연료전지스택의 출력에 필요한 정확한 수분공급량의 제어가 어려우며, 고압의 분사노즐 및 솔레노이드 밸브를 작동시키기 위한 별도의 전원장치 등이 부착되어야 한다.
또한, 막가습 형식은 가습기 중 중공사막을 이용한 경우 연료전지반응량이 증가하여 전극막(Membrane Electrode Assembly)에 생성되는 수분의 양이 많아지고, 공급되는 기체의 양이 증가할 경우 가습장치에서 공급되는 수분의 양을 저하시킬 방법이 없어서 플러딩(flooding)현상이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 애노드와 캐소드 라인을 하나의 가습기로 일체화하여 소형화함과 동시에 연료전지반응에 의한 반응생성수의 양을 고려하여 가습량을 최적화할 수 있는 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제 1 체결판12 : 제 2 체결판
14a : 수소 유입구14b : 물 유입구
14c : 공기 유입구16a : 수소 배출구
16b : 물 배출구16c : 공기 배출구
20 : 제 1 분리판30 : 제 2 분리판
40 : 제 3 분리판50 : 물 유로판
60 : 이온교환막
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치는 내측의 면에 수소 유로가 형성되어 수소의 공급이 이루어지는 제 1 분리판(20)과, 내측의 면에 공기 유로가 형성되어 공기의 공급이 이루어지는 제 3 분리판(40)과, 상기 제 1 분리판(20)과 상기 제 3 분리판(40) 내측으로 위치하고 수소 유로와 공기 유로가 양면에 별도로 형성된 제 2 분리판(30)과, 상기 각 분리판(20, 30, 40) 사이에 위치하고 물 유로가 양면가공되어 양면 모두에서 물의 공급이 이루어지는 물 유로판(50)과, 상기 각 물 유로판(50) 양면으로 상기 각 분리판(20, 30, 40)과의 사이에 위치하는 이온교환막(60)과, 상기와 같이 적층된 상태의 구성품(20, 30, 40, 50, 60) 양측으로 외측에 위치하고 각 유로를 통과하는 공기와 수소와 물의 기밀유지를 위해 내측의 상기 구성품(20, 30, 40, 50, 60)들을 가압체결하는 체결판(10, 12)으로 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 양측 체결판(10, 12) 중 어느 한 체결판의 일측과 타측에 수소와 물과 공기의 공급 및 배출을 위한 각각 별도의 유입구(14a, 14b, 14c) 및 배출구(16a, 16b, 16c)가 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 물 유입구(14b)에는 연료전지스택의 열에 의해 온도 상승된 냉각수가 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 분리판(20, 30, 40)에 형성된 기체의 유로와 상기 물 유로판(50)에 형성된 물 유로는 이온교환막(60)을 사이에 두고 밀착될 수 있도록 일치된 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 이온교환막(60)은 물 입자가 통과되어 각 분리판(20, 30, 40)의 해당 유로 내 수소와 공기에 가습되도록 함습특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이다.
이에 도시한 바와 같이, 각 이온교환막(60)은 각 물 유로판(50) 양면으로 각 분리판(20, 30, 40)과의 사이에 위치하게 된다.
중앙의 제 2 분리판(30)은 양면가공되되 연료가스인 수소와 산화제인 공기가 각각 별도로 이동될 수 있도록 수소 유로와 공기 유로가 일면과 그 타면에 각각 형성되어 있다.
제 1 분리판(20)과 상기 제 2 분리판(30) 사이, 상기 제 2 분리판(30)과 제 3 분리판(40) 사이의 각 물 유로판(50)에는 양면가공을 통해 양면 모두에서 물의 공급이 가능하도록 물 유입구(12b)로부터 이어지는 물 유로가 형성되어 있다.
상기 제 1 분리판(20)에는 단면가공되어 수소 유입구(12a)를 통해 유입되는 수소만이 지날 수 있도록 수소 유로가 형성되어 있다.
상기 제 3 분리판(40)에는 역시 단면가공되어 공기 유입구(12c)를 통해 유입되는 공기만이 지날 수 있도록 공기 유로가 형성되어 있다.
상기 제 1 분리판(20)과 상기 제 3 분리판(40)에 대하여 물 유로판(50) 반대측 즉, 상기 제 1 분리판(20)과 제 3 분리판(40)의 외측에는 제 1 체결판(10)과 제 2 체결판(12)이 각각 위치하게 되는데, 상기 체결판(10, 12)은 모든 구성품들이 안정된 위치에 장착됨과 동시에 공기와 수소와 물의 기밀유지를 위한 가압체결의 역할을 수행하게 된다.
상기 각 물 유로판(50)과 상기 각 분리판(20, 30, 40)에 형성된 물과 수소와 공기 유로는 각각 물 배출구(16b)와 수소 배출구(16a)와 공기 배출구(16c)와 이어져 물과 수소와 공기를 배출하게 된다.
상기의 수소와 물과 공기의 유입구(14a, 14b, 14c) 및 배출구(16a, 16b, 16c)는 제 2 체결판(12)에 형성되고, 상기 수소와 물과 공기는 상기 각각의 유입구(14a, 14b, 14c)를 통해 유입되어 각 분리판(20, 30, 40)에 형성된 해당 유로로 분배될 수 있도록 각각의 매니폴드를 거치게 된다.
상기 물과 수소와 공기는 해당 유로를 거쳐 다시 별도의 매니폴더를 통해 각각의 배출구(16a, 16b, 16c)로 배출되게 된다.
수소 및 공기가 흐르게 되는 각 분리판(20, 30, 40)의 해당 유로와 물이 흐르게 되는 물 유로판(50)의 유로는 일치된 형상을 가지도록 형성되어 수소와 물, 공기와 물이 각각 이온교환막(60)을 사이에 두고 밀착되게 된다.
이로써, 소정의 온도상태인 물의 입자가 이온교환막(60)을 통과하여 증발되면서 수소 및 공기에 가습되게 되는 것이다.
상기 이온교환막(60)은 고분자 전해질로서 일정한 기계적 강도를 가지도록 제작된다.
고체고분자 연료전지에서 연료전지반응에 필요한 수분의 양은 연료전지반응량에 따라 결정된다.
반응량이 증가하면 필요한 수분의 양이 증가되는 것이다.
그러나, 캐소드에서는 연료전지반응의 부산물로서 수분이 생성되므로 캐소드에 생성되는 수분의 양을 고려한 피가습기체에 대한 수분공급량의 고려가 필요하다.
이때, 많은 양의 연료전지반응이 필요되는 경우, 이온교환막(60)의 함습특성즉, 기체의 일정 유량까지는 이온교환막(60)을 통과하여 증발되는 수분의 양이 직선적으로 증가되나 일정 유량 이상에서는 증발되는 수분의 양이 점진적으로 감소되는 점을 활용하여, 지나친 수분 공급으로 연료전지반응시 생성되는 수분의 양이 급격히 증가됨으로써 반응촉매를 수분이 감싸 촉매의 반응면적을 저하시키고 이로써 성능을 저하시키게 되는 플러딩 현상을 방지할 수 있게 된다.
상기 가습장치에 공급되는 물은 연료전지스택의 냉각수로서 연료전지반응의 부산물이 열에 의해 소정의 온도로 가열된 이차증류수이며, 가습장치를 무동력으로 승온시켜 가습량을 증가시킬 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이, 공급되는 기체들은 각각의 분리판(20, 30, 40)에 별도의 유로를 통해 이동되게 되고, 상기의 기체 유로가 물 유로판의 물 유로와 일치된 형상이므로 상기 기체들이 서로 만날 수 있는 곳은 물 유로판(50)에 형성된 물 유로에 한정되어 물의 이동에 따라 기밀이 누설된 기체들은 물에 용해된 상태로 외부에 배출되게 된다.
이는 수소와 산소가 접촉하여 일으킬 수 있는 연소반응에 의한 폭발사고를 방지할 수 있게 한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 기존 대형 가습장치들과 비교하여 동등 이상의 성능을 발현하도록 하고, 하나의 모듈형태로 구성되고 별도의 부가장치가 없어서 탈부착이 자유로우며, 동일한 부품이 사용되는 것을 최소화하여 원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지스택의 냉각수를 이용하여 가습하므로 운전온도의 변화에 따른 가습량이 자동으로 조절되도록 하여 제어장치가 필요치 않게 된다.
Claims (5)
- 내측의 면에 수소 유로가 형성되어 수소의 공급이 이루어지는 제 1 분리판(20)과, 내측의 면에 공기 유로가 형성되어 공기의 공급이 이루어지는 제 3 분리판(40)과, 상기 제 1 분리판(20)과 상기 제 3 분리판(40) 내측으로 위치하고 수소 유로와 공기 유로가 양면에 별도로 형성된 제 2 분리판(30)과, 상기 각 분리판(20, 30, 40) 사이에 위치하고 물 유로가 양면가공되어 양면 모두에서 물의 공급이 이루어지는 물 유로판(50)과, 상기 각 물 유로판(50) 양면으로 상기 각 분리판(20, 30, 40)과의 사이에 위치하는 이온교환막(60)과, 상기와 같이 적층된 상태의 구성품(20, 30, 40, 50, 60) 양측으로 외측에 위치하고 각 유로를 통과하는 공기와 수소와 물의 기밀유지를 위해 내측의 상기 구성품(20, 30, 40, 50, 60)들을 가압체결하는 체결판(10, 12)으로 구성된 것을 특징으로 하는 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치
- 제 1 항에 있어서, 상기 양측 체결판(10, 12) 중 어느 한 체결판의 일측과 타측에 수소와 물과 공기의 공급 및 배출을 위한 각각 별도의 유입구(14a, 14b, 14c) 및 배출구(16a, 16b, 16c)가 형성된 것을 특징으로 하는 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 물 유입구(14b)에는 연료전지스택의 열에 의해 온도 상승된 냉각수가 공급되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각 분리판(20, 30, 40)에 형성된 기체의 유로와 상기 물 유로판(50)에 형성된 물 유로는 이온교환막(60)을 사이에 두고 밀착될 수 있도록 일치된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이온격막을 이용한 연료전지용 가습장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 이온교환막(60)은 물 입자가 통과되어 각 분리판(20, 30, 40)의 해당 유로 내 수소와 공기에 가습되도록 함습특성을 갖는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치.
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2000
- 2000-10-27 KR KR1020000063591A patent/KR20020032874A/ko not_active Application Discontinuation
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