KR20030010125A - 고체 고분자형 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 반응에 필요한 기체들에 대하여 가습기를 통해 공급되는 기체들의 가습량을 제어하여 차량의 운전 조건에 맞는 최적의 효율을 얻을 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 에어와 수소 가스를 공급해 주는 공급 라인과, 이들 라인으로부터 에어와 수소 가스를 공급받아 가습시켜 주는 가습기와, 가습된 에어와 수소 가스를 PEMFC 스택에 제공하여 전기적 화학 반응을 일으키도록 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 2개의 공급 라인에는 PEMFC 스택에 각각 에어와 수소 가스를 공급할 수 있도록 바이패스관이 구성되고, 각 바이패스관에는 PEMFC 시스템의 출력에 상응하는 신호에 따라 개폐되도록 개폐수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고체 고분자형 연료 전지 시스템{Proton membrane exchange fuel cell system}

본 발명은 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막가습기에서 공급되는 흐름의 일부를 스택으로 바이패싱시켜 줌으로써, 성능의 향상은 물론 전체 중량의 감소와 함께 환경 친화적인 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차 등에 전원공급을 위해 고체고분자형 연료 전지(PEMFC: proton membrane exchange fuel cell)가 많이 사용되고 있다. 첨부도면 도 1에서는 이러한 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 일예를 보여주고 있다.

상기 연료 전지 시스템은 소정의 전압을 발생시켜 주는 셀을 원하는 전압을 얻기 위해 여러장을 겹친 PEMFC 스택(10)과, 수소 공급기(연료변환기 또는 수소 탱크)(21)를 통해 공급되는 수소 기체와 산화제로 사용되는 공기를 공급받아 가습시켜 상기 PEMFC 스택에 공급해 주는 가습기(humidifier)(20)로 이루어져 있다. 또한, 상기 연료 전지 시스템에는 PEMFC 스택(10) 내에서 반응후 생성된 물을 순환시켜 반응에 필요한 물로 대체하고 연료전지시스템의 운전 온도를 적절하게 조절하는 물 순환 장치(60)가 구비되어 있다.

이와 같이 이루어진 연료 전지 시스템은 수소 공급기(21)를 통해 연료로 사용되는 기체 상태의 수소를 가습기(20)에 제공하고, 이와 함께 압축기 또는 블로어(30)를 통해 에어를 함께 제공하게 된다. 또한, 상기 가습기(20)에는 PEMFC 스택(10)과 연결되어 가습을 위한 물공급과 연료전지시스템의 온도조절을 위한 물 순환 장치(60)를 통해 함께 제공된다.

상기 가습기(20)는 상술한 바와 같이 공급받은 에어와 수소를 충분하게 가습시킨 다음 PEMFC 스택(10)에 제공하게 된다. 상기 PEMFC 스택(10)에서는 아래와 같은 반응식을 통해 전기에너지와 반응부산물인 물 그리고 열을 생성하게 된다.

H₂+ 1/2O₂→H₂O + 열(H₂→2H⁺+ 2e^-, 2H⁺+1/2O₂+ 2e^-→H₂O

이러한 종래의 에너지 발생 장치는 수소가 수소이온과 전자로 분리되고 난 다음에 이 수소이온이 이동통로를 따라 원활하게 이동하기 위해서는 충분한 수분을 필요로 하게 되며 이를 위해 상술한 가습기가 구비되어 있다. 그러나, 종래의 에너지 발생 장치는 다음과 같은 문제가 발생하게 되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.

1) 이온교환막에 대해 충분한 가습이 이루어지지 않는 경우, 즉 가습기의 이온교환막의 표면에서 수분이 증발 등으로 이온 교환막 내의 수분함량이 감소하게 되고, 이러한 수분함량의 감소는 수소 이온의 이동을 저해시키게 되며 심한 경우 이 이온 교환막의 구조를 변형시켜 치명적인 손상을 일으키게 된다.

2) 이와 반대로, 상기 이온 교환막에 지나친 가습이 이루어지게 되면, 전기 화학 반응에서 촉매 작용을 하는 촉매층이 이 수분(또는 물)에 둘러싸이게 되고, 이는 촉매 작용이 제대로 이루어지지 않게 되어 PEMFC 반응이 떨어지게 되어 시스템 전체의 효율을 저하시키게 되는 문제가 발생하게 되었다.

3) 종래의 가습기를 이용한 에너지 발생 장치는 차량의 탑재된 상태에서 운전 조건이 연속부하에서 최대 효율을 얻을 수 있도록 제작되어 있기 때문에 차량이 최고 부하 상태에서 운행되는 경우 기체의 유량이 급속하게 늘어 나게 되고, 이는 상기 가습기의 내부에서 에어와 수소 기체 사이에서 큰 압력 차이를 발생시켜 압축기 또는 블로어의 기계적인 작용을 많이 요구하게 되었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명은 연료 전지 반응에 필요한 기체들에 대하여 가습기를 통해 공급되는 기체들의 가습량을 제어하여 차량의 운전 조건에 맞는 최적의 효율을 얻을 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 PEMFC 시스템의 구성을 나타내는 구성도,

도 2는 종래의 PEMFC 시스템의 구성을 나타내는 구성도,

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : PEMFC 스택 20 : 가습기

21 : 수소 공급기 30 : 공기공급기

40, 50 : 공급라인 41, 51 : 분기관

42, 52 : 개폐수단 60 : 물 순환 장치

이를 실현하기 위한 본 발명은, 에어와 수소 가스를 공급해 주는 공급 라인과, 이들 라인으로부터 에어와 수소 가스를 공급받아 가습시켜 주는 가습기와, 가습된 에어와 수소 가스를 PEMFC 스택에 제공하여 전기적 화학 반응을 일으키도록 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 2개의 공급 라인에는 PEMFC 스택에 각각 에어와 수소 가스를 공급할 수 있도록 바이패스관이 구성되고, 각 바이패스관에는 PEMFC 시스템의 출력에 상응하는 신호에 따라 개폐되도록 개폐수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 개폐수단은 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개폐수단은 스텝모터로 구동되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개폐수단은 PEMFC 스택으로 유입되는 에어 및 수소량을 검출하는 검출센서와, 이 검출센서의 검출값에 따라 개폐되는 압력 안전 밸브인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1은 본 발명에 따르는 PEMFC 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다. 여기서, 종래의 구성과 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 그대로 사용한다.

본 발명은 종래의 PEMFC 시스템에 있어서, 수소 가스와 압축된 에어를 가습시켜 주기 위해 제공되는 물이 운행 조건에 따라 달라지는 부하의 상태에 따라 적절하게 제공해 주도록 구성되어 있다.

이를 좀 더 상세하게 설명하면, 첨부도면 도 1에서 도시한 바와 같이, 상기 에어와 수소 가스가 가습기(20)에 제공되고 여기에는 상기 PEMFC 스택(10)에서 화학반응 등으로 발생된 물이 순환되도록 구성되어 있다. 이때 사용되는 물은 막가습기에서 공급되는 수분과 상기 PEMFC 스택(10)에서 화학반응으로 생성된 물을 물순환 장치(60)를 이용해서 회수하여 사용하게 되는데, 상기 PEMFC 시스템이 연속부하에서 최대 부하로 부하 변동이 발생시 상술한 바와 같이 공급되는 물의 양이 과다하게 되어 출력이 떨어지게 된다.

이에 본 발명에서는 상기 PEMFC 시스템의 부하 변동이 발생시 막가습기의 용량을 연속 부하 상태로 설정해 줌으로써, 물이 과다하게 생성되어 순환되는 것을 막아 주고 그 크기를 줄일 수 있도록 한 것이다.

이를 실현하기 위해, 본 발명은 상기 가습기(20)에 연결되어 에어와 수소 가스를 공급해 주는 각 공급라인(40,50)으로부터 각각 PEMFC 스택(10)에 연결되도록 각각 분기관(41,51)을 구성하고, 각 분기관(41,51)에는 각각 개폐수단(42,52)이 구비되어 있다. 여기서, 상기 각 개폐수단(42,52)은 PEMFC 시스템의 출력을 제어하는 FCU(fuel cell control unit)(미도시됨)에 의해 제어를 받게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 FCU는 수분의 함량의 과다하여 발생되는 이온교환막의 압력 차이를 검출하거나, 또는 PEMFC 시스템의 부하를 연속부하에서 최대 부하로 변경하는 것을 검출하여 상기 개폐수단(42,52)를 개폐시켜 에어와 수소기체의 일부를 PEMFC 스택(10)으로 바이패스시켜 줄 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 개폐수단(42,52)은 통상의 기술로 제작되는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것도 가능하며, 스텝모터 등으로 작동되는 솔레노이드 밸브를 사용하여 개폐를 제어하더라도 상관이 없다. 이 뿐만 아니라 상기 개폐수단(42,52)은 가습된 에어 및 수소가스의 량이 PEMFC 스택(10)으로 입력될 때의 압력을 검출하는 검출센서와, 이 검출센서의 압력차이에 의해 개폐되는 압력 안전 밸브로 구성하여 사용하는 것도 가능하다.

따라서, 상기 가습기(20) 내에서 가습되는 에어 및 수소가스는 PEMFC 시스템의 부하 변동이 발생하게 되면 가습되지 않은 에어 및 수소가스의 일부가 직접 PEMFC 스택(10)으로 바이패스되게 된다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 막가습기를 통해 공급되는 연료인 수소와 에어에 포함된 산화제인 산소를 함유한 각 공급라인으로부터 PEMFC 스택으로 일부를 바이패스시킬 수 있도록 구성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.

1) 분기관에 설치된 개폐수단의 제어로 가습량 제어가 이루어지게 되어 간단한 구성으로 전체 PEMFC 시스템의 요구 부하를 최적의 상태로 제어하는 것이 가능하게 된다.

2) 가습판의 수량을 줄여 전체 중량을 감소시킬 수 있게 된다.

3) 수소 생산에 따른 이산화탄소의 발생량을 최소화할 수 있게 되어 자연 친화적인 시스템을 제조할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 에어와 수소 가스를 공급해 주는 공급 라인과, 이들 라인으로부터 에어와 수소 가스를 공급받아 가습시켜 주는 가습기와, 가습된 에어와 수소 가스를 PEMFC 스택에 제공하여 전기적 화학 반응을 일으키도록 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 있어서,

   상기 2개의 공급 라인에는 PEMFC 스택에 각각 에어와 수소 가스를 공급할 수 있도록 바이패스관이 구성되고, 각 바이패스관에는 PEMFC 시스템의 출력에 상응하는 신호에 따라 개폐되도록 개폐수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 개폐수단은 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 개폐수단은 스텝모터로 구동되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 개폐수단은 PEMFC 스택으로 유입되는 에어 및 수소량을 검출하는 검출센서와, 이 검출센서의 검출값에 따라 개폐되는 압력 안전 밸브인 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.