KR20030018079A - 연료전지 스택의 수소 가습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 수소 가습장치에 관한 것으로서, 외부의 수소 탱크로부터 수소 공급라인이 연결되는 연료전지 스택의 수소 유입부측 소정 위치에 설치된 물 분사가 가능한 인젝터와, 연료전지 스택 내 소정 위치에 설치된 습도센서와, 이 습도센서로부터 입력된 신호에 따라 인젝터의 작동신호를 출력해주는 제어기를 포함하여 이루어진 연료전지 스택의 수소 가습장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 연료전지 스택 내부를 통과한 수소의 습도상태에 따라 수소를 가습시켜주는 인젝터의 물 분사량이 조절될 수 있으므로 능동적인 습도조절이 가능하고, 수소 공급라인 상에 설치되던 종래의 가습장치에 대비하여 설치공간 및 중량, 제조비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택의 수소 가습장치{Apparatus for humidifying hydrogen in fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 수소 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부의 수소 탱크로부터 수소 공급라인이 연결되는 연료전지 스택의 수소 유입부측 소정 위치에 설치된 물 분사가 가능한 인젝터와, 연료전지 스택 내 소정 위치에 설치된 습도센서와, 이 습도센서로부터 입력된 신호에 따라 인젝터의 작동신호를 출력해주는 제어기를 포함하여 이루어진 연료전지 스택의 수소 가습장치를 제공함으로써, 수소 공급라인 상에 설치되던 종래의 가습장치에 대비하여 설치공간 및 중량, 제조비용을 크게 줄일 수 있는 연료전지 스택의 수소 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택은 연료를 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.

이러한 연료전지 스택(fuel cell stack)(1)은, 첨부한 도 2a에 도시한 바와 같이, 양 단부에 배치되는 엔드 플레이트(end plate)(12,14)와, 이 엔드 플레이트(12,14) 사이에 배치되는 연료 전지 셀 어셈블리(20)와, 이 연료 전지 셀 어셈블리(20)의 기밀 및 가압력 유지를 위한 소정의 체결구조(30)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 연료전지 셀 어셈블리(20)는 전기를 생산하는 단위전지(22)가 적층된 구조로 되어 있고, 상기 각 단위전지(22)는 가스확산층(24)과 분리판(25)과 전극막(26) 등으로 구성된다.

통상, 연료전지 스택(1)에서는, 다수개의 단위전지(22)가 적층된 구조의 연료전지 셀 어셈블리(20)로 연료기체인 수소, 산화제인 산소, 냉각을 위한 냉각수를 공급 및 배출시키기 위하여, 도 2a와 2b에 도시한 바와 같이, 엔드 플레이트(12)에 각각의 공급(42) 및 배출포트(44)가 구비되는 바, 이 공급(42) 및 배출포트(44)는 각각 상기 연료전지 셀 어셈블리(20)의 수소 및 산소, 냉각수의 각 입구통로(43) 및 출구통로(45)와 연통된다.

여기서, 상기 각 단위전지(22)는 엔드 플레이트(12)의 공급포트(42)와 연료전지 셀 어셈블리(20)의 해당 입구통로(43)를 통해 수소 및 산소, 냉각수를 각각 분배받게 되고, 각 단위전지(22)에서 전기를 발생시킨 수소 및 산소, 냉각수는 연료전지 셀 어셈블리(20)의 해당 출구통로(45)와 엔드 플레이트(12)의 배출포트(44)를 통해 외부로 배출된다.

특히, 상기와 같이 이루어진 연료전지 스택(1)에서는 수소로부터 전자를 분리시켜 이온화가 촉진될 수 있도록 주입되는 수소에 수분을 공급해주는 수소의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

이를 좀더 상세히 설명하면, 각 단위전지의 분리판에 형성시킨 수소 유로를 통과하는 수소가 전극막(MEA:Membrane Electrode Assembly) 표면에서 수소 양이온과 전자로 분해되고, 이후 수소 양이온이 상기 전극막을 통해 이웃한 분리판에 형성시킨 동일 패턴의 산소 유로쪽으로 흘러 산소의 음이온과 결합하도록 되어 있는 바, 수소 양이온이 산소 유로쪽으로 이동할 때에는 물 분자를 가지고서 이동되므로, 전극막의 적절한 습도를 맞춰주기 위해서는 각 단위전지의 수소 유로를 통과하는 수소가 항상 일정하게 가습된 상태이어야 하는 것이다.

통상, 수소 가습을 위한 가습장치(3)는, 첨부한 도 3에 도시한 바와 같이, 외부의 수소 탱크(5)에서 연료전지 스택(1)으로 연결되는 수소 공급라인(7) 상에 별도 설치되는 바, 종래에는 복잡한 구조의 가습장치(3)가 연료전지 스택(1) 외부에 설치됨으로 해서, 연료전지 스택(1) 구성시, 그 설치공간 및 비용이 크게 드는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 외부의 수소 탱크로부터 수소 공급라인이 연결되는 연료전지 스택의 수소 유입부측 소정 위치에 설치된 물 분사가 가능한 인젝터와, 연료전지 스택 내 소정 위치에 설치된 습도센서와, 이 습도센서로부터 입력된 신호에 따라 인젝터의 작동신호를 출력해주는 제어기를 포함하여 이루어진 연료전지 스택의 수소 가습장치를 제공함으로써, 수소 공급라인 상에 설치되던 종래의 가습장치에 대비하여 설치공간 및 중량, 제조비용을 크게 줄일 수 있는 연료전지 스택의 수소 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소 가습장치의 구성을 개략적으로 도시한 장치구성도,

도 2a와 도 2b는 각각 일반적인 연료전지 스택의 단면도 및 평면도,

도 3은 종래의 가습장치가 설치되는 연료전지 스택의 수소 공급라인을 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 스택5 : 수소 탱크

7 : 수소 공급라인12, 14 : 엔드 플레이트

20 : 연료전지 셀 어셈블리22 : 단위전지

25 : 분리판26 : 전극막

42 : 공급포트43 : 입구통로

44 : 배출포트45 : 출구통로

52 : 믹싱 챔버54 : 인젝터

55 : 개폐밸브56 : 습도센서

58 : 제어기

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 외부로부터 소정의 공급라인(7)을 통해 수소가 유입되는 연료전지 스택(1)의 수소 유입부측 소정 위치에 설치되어 내부에 수소가 통과하도록 된 믹싱 챔버(52)와; 외부의 물 공급수단(53)으로부터 공급된 물을 상기 믹싱 챔버(52) 내로 분사할 수 있게 노즐출구(54a)가 상기 믹싱 챔버(52) 내에 위치되도록 설치된 인젝터(54)와; 연료전지 스택(1) 내부에서 수소가 통과하게 되는 소정 위치에 설치되어 수소의 습도상태에 따른 소정의 신호를 출력시켜주는 습도센서(56)와; 이 습도센서(56)로부터 출력된 습도신호를 입력받아 상기 인젝터(54)로부터 분사되는 물의 양을 조절해주는 제어기(58);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제어기(58)는 입력된 습도신호에 따라 상기 인젝터(54) 내부에 설치된 개폐밸브(55)의 개/폐시기를 조절함으로써 물 분사량을 조절하게 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인젝터(54)는 상기 믹싱 챔버(52)를 통과하는 수소 유속에 의해 노즐출구(54a) 주변에 발생된 부압에 의해 내부의 물이 상기 믹싱 챔버(52) 내로 흡입 분사되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 수소 가습장치의 구성을 개략적으로 도시한장치구성도로서, 연료전지 스택(1)의 배출포트(44)에 연결되는 배출라인은 생략하여 도시되었다.

통상, 연료전지 스택(1)은 외부의 수소 탱크(5)로부터 수소 공급라인(7)을 통해 연결되어 있는 바, 본 발명에서는 연료전지 스택(1)에서 수소 공급라인(7)이 연결되는 수소 유입부측 소정 위치에 이 수소 유입부 내로 물 분사가 가능하도록 인젝터(54)가 설치된다.

즉, 본 발명에 의한 수소의 가습은 상기 인젝터(54)로부터 분사되는 조절된 양의 물이 연료전지 스택(1)으로 유입되는 수소와 혼합되면서 이루어는 것이다.

이를 위하여, 상기 연료전지 스택(1)의 수소 유입부측에는 믹싱 챔버(mixing chamber)(52)가 설치되고, 이 믹싱 챔버(52) 내에 노즐출구(54a)가 위치되도록 인젝터(54)가 설치되며, 이 인젝터(54)에는 물이 공급될 수 있도록 물 공급수단(53)이 연결된다.

여기서, 상기 물 공급수단(53)은 냉각수를 공급하는 물 탱크로 실시될 수 있다.

상기 믹싱 챔버(52)는 수소 탱크(5)로부터 바로 공급된 상대적으로 건조한 수소가 연료전지 스택(1)으로 유입되기 전 통과하도록 설치된 것으로서, 이 믹싱 챔버(52)를 통과한 수소가 엔드 플레이트(12)의 수소 공급포트(42)를 통해 연료전지 셀 어셈블리(20)로 유입되게 된다.

즉, 믹싱 챔버(52)를 통과하는 수소가 본 발명의 인젝터(54)에 의해 분사된 물과 혼합되어 가습된 후 연료전지 스택(1)으로 유입되는 것이다.

상기 인젝터(54)는 제어기(58)로부터 출력된 전기적 신호에 따라 분사되는 물의 양이 조절될 수 있도록 되어 있다.

상기 인젝터(54)는, 그 실시예로서, 노즐출구(54a)에 개폐밸브(55)가 설치된 것으로서, 이 개폐밸브(55)가 제어기(58)로부터 출력된 전기적 신호에 따라 노즐출구(54a)를 선택적으로 개/폐하게 된다.

상기 인젝터(54)로 공급된 물은 개폐밸브가 열려 있는 동안에는 상기 믹싱 챔버(52)를 통과하는 수소 유속에 의해 노즐출구(54a) 주변에 발생된 부압에 의해 상기 믹싱 챔버(52) 내로 흡입 분사되도록 되어 있는 것이다.

여기서, 상기 제어기(58)는 연료전지 스택(1) 내에 설치된 습도센서(56)로부터 소정의 습도신호를 입력받아, 이 입력신호에 따른 상기 인젝터(54)의 작동신호를 출력하도록 되어 있고, 상기 개폐밸브(55)의 개/폐시기(인젝터의 물 분사시기)를 조절함으로써, 인젝터(54)를 통해 분사되는 물의 분사량을 조절하게 된다.

즉, 상기 제어기(58)가 연료전지 스택(1)을 통과한 수소의 습도상태에 따라 인젝터(54)의 개폐밸브(55)가 열려 있는 시간을 조절함으로써, 인젝터(54)를 통해 분사되는 물 분사량이 조절될 수 있도록 된 것이며, 이와 같이 수소에 더해지는 물 분사량이 조절됨으로써, 연료전지 스택(1) 내로 유입되는 수소의 습도가 조절될 수 있도록 된 것이다.

또한, 상기 제어기(58)는 개폐밸브(55)의 개/폐시기를 조절함에 있어서, 그 예로서, 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation)방식을 이용하여 개폐밸브의 개/폐시기를 조절할 수 있고, 이는 공지된 바 있다.

상기 습도센서(56)는 연료전지 스택(1) 내부에서 수소가 통과하게 되는 소정 위치에 설치되어 수소의 습도상태를 검출하고, 이 검출된 습도상태에 따라 소정의 신호를 상기 제어기(58)에 입력한다.

여기서, 상기 습도센서(56)가 설치되는 위치는 각 단위전지(22)를 통과한 수소가 모아지도록 된 연료전지 셀 어셈블리(20)의 수소 출구통로(45) 일측으로 하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의해 수소의 가습이 이루어지는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 외부의 수소 탱크(5)로부터 수소 공급라인(7)을 통해 연료전지 스택(1)으로 수소가 공급되면, 습도센서(56)가 연료전지 스택(1)을 통과한 수소의 습도상태를 검출하여, 이를 제어기(58)에 입력하게 된다.

상기 제어기(58)는 습도센서(56)로부터 입력된 습도신호에 따라 인젝터(54) 내부에 설치된 개폐밸브(55)의 개/폐시기를 조절하는 바, 이 개폐밸브(55)가 열리게 되면 인젝터(54)는 물 분사가 가능한 상태가 된다.

이때, 믹싱 챔버(52) 내에는 연료전지 스택(1)으로 빠르게 유입되는 수소에 의해 인젝터(54)의 노즐출구(54a) 주변으로 부압이 형성되는 바, 상기 개폐밸브(55)가 열리게 되면서 이 부압에 의해 인젝터(54)의 노즐출구(54a)로부터 물이 분사될 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 상기 인젝터를 통해 믹싱 챔버 내로 제어기에 의해 조절된 양의 물이 분사되도록 함으로써, 이 믹싱 챔버를 통과하여 연료전지 스택으로 유입되는 수소가 물과 혼합, 가습될 수 있게 되는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 수소 가습장치에 의하면, 연료전지 스택 내부를 통과한 수소의 습도상태에 따라 수소를 가습시켜주는 인젝터의 물 분사량이 조절될 수 있으므로 능동적인 습도조절이 가능하고, 믹싱 챔버와, 이 믹싱 챔버 내 설치되는 인젝터와, 제어기의 설치공간만이 필요되므로 수소 공급라인 상에 설치되던 종래의 가습장치에 대비하여 설치공간 및 중량, 제조비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 외부로부터 소정의 공급라인(7)을 통해 수소가 유입되는 연료전지 스택(1)의 수소 유입부측 소정 위치에 설치되어 내부에 수소가 통과하도록 된 믹싱 챔버(52)와;

   외부의 물 공급수단(53)으로부터 공급된 물을 상기 믹싱 챔버(52) 내로 분사할 수 있게 노즐출구(54a)가 상기 믹싱 챔버(52) 내에 위치되도록 설치된 인젝터(54)와;

   연료전지 스택(1) 내부에서 수소가 통과하게 되는 소정 위치에 설치되어 수소의 습도상태에 따른 소정의 신호를 출력시켜주는 습도센서(56)와;

   이 습도센서(56)로부터 출력된 습도신호를 입력받아 상기 인젝터(54)로부터 분사되는 물의 양을 조절해주는 제어기(58);

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수소 가습장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기(58)는 입력된 습도신호에 따라 상기 인젝터(54) 내부에 설치된 개폐밸브(55)의 개/폐시기를 조절함으로써 물 분사량을 조절하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수소 가습장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인젝터(54)는 상기 믹싱 챔버(52)를 통과하는 수소 유속에 의해 노즐출구(54a) 주변에 발생된 부압에 의해 내부의 물이 상기 믹싱 챔버(52) 내로 흡입 분사되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수소 가습장치.