KR20030042640A - System for Heating and Moisturing Air Entering into Cathode in Fuel Cell Stack - Google Patents
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Abstract
Description
발명의 분야Field of invention
본 발명은 연료전지스택에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 연료전지스택의 캐소드(cathode)에서 방출되는 가스를 이용하여 캐소드에서 산화제로 사용되는 산소를 공급하기 위하여 캐소드로 유입되는 공기를 가습 또는 가열하기 위한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack. More specifically, the present invention relates to a system for humidifying or heating air entering the cathode to supply oxygen used as an oxidant at the cathode by using a gas emitted from the cathode of the fuel cell stack.
발명의 배경Background of the Invention
연료전지에는 연료기체인 수소가 애노드(anode)로 공급되고 산화제인 산소가 캐소드(cathode)로 공급되어, 이 수소와 산소로부터 전자를 분리시키는 이온화를 촉진하기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하는 일종의 가습장치가 사용된다.The fuel cell is supplied with hydrogen as the fuel gas to the anode and oxygen as the oxidant to the cathode to supply water to the hydrogen and oxygen to promote ionization to separate electrons from the hydrogen and oxygen. Humidifiers are used.
이제까지 사용되고 있는 연료전지용 가습장치로는 내압용기에 물을 채운 후기체를 디퓨저(diffuser)에 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 방식과 고분자 분리막을 이용하여 기체의 유동층에 수분을 공급하는 박막가습 방식과, 연료전지 반응에 필요한 수분량을 계산하여 슬레노이드 밸브를 통하여 기체 유입관에 직접 수분을 공급하는 직접분사(direct injection) 방식이 있다. 그러나, 이제까지의 버블러 방식은 대형이기 때문에 에너지가 많이 소모되고, 박막가습 방식은 수분공급량을 제어하기가 어렵고, 직접 분사 방식은 수분공급량을 제어하기 어렵고 수분입자를 미세하게 하기가 어려운 결점을 내포하고 있다.As a humidifier for fuel cells that has been used up to now, a thin film for supplying water to a fluidized bed of a gas by using a bubbler method and a polymer membrane to supply moisture by passing a late body filled with water into a pressure vessel through a diffuser. There is a humidification method and a direct injection method of supplying water directly to a gas inlet pipe through a slenoid valve by calculating a water content required for a fuel cell reaction. However, the bubbler method up to now has a large energy consumption due to its large size, and the thin film humidification method has difficulty in controlling the water supply amount, and the direct injection method has difficulty in controlling the water supply amount and making the water particles fine. Doing.
대한민국 특허출원 제1999-63739호(1999. 12. 28출원)에는 물저장부, 스폰지, 다수개의 홀이 형성된 플레이트, 및 다공성막으로 이루어지고 연료전지의 캐소드 및 애노드 라인에 각각 장착할 수 있는 연료전지용 가습장치가 개시되어 있다. 이 가습장치는 캐소드에서 방출되는 기체를 이용하여 캐소드로 유입되는 공기를 가열하거나 가습하는 장치가 아니다.Korean Patent Application No. 1999-63739 (filed Dec. 28, 1999) consists of a water storage unit, a sponge, a plate having a plurality of holes, and a porous membrane, which can be mounted on the cathode and anode lines of a fuel cell, respectively. A humidifier for batteries is disclosed. This humidifier is not a device for heating or humidifying the air entering the cathode by using the gas discharged from the cathode.
본 발명의 목적은 연료전지스택의 캐소드에서 방출되는 기체를 회수하여, 상기 방출기체가 갖는 에너지와 수분을 재활용할 수 있는 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습 시스템을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a system for heating and humidifying air in a cathode capable of recovering gas discharged from the cathode of a fuel cell stack and reusing energy and moisture of the discharge gas.
본 발명의 다른 목적은 캐소드에서 방출되는 기체를 회수하여 캐소드로 유입되는 공기를 가열 및 가습함으로써 연료전지 시스템의 성능을 향상시키기 위한 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a system for heating and humidifying air at a cathode for improving the performance of a fuel cell system by recovering gas discharged from the cathode to heat and humidify the air flowing into the cathode.
본 발명의 또 다른 목적은 캐소드에서 방출되는 기체를 회수하여 캐소드로 유입되는 공기를 효율적으로 가열 및 가습할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is still another object of the present invention to provide a system capable of efficiently heating and humidifying air flowing into the cathode by recovering gas discharged from the cathode.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described in detail below.
제1도는 본 발명에 따른 캐소드에서의 공기의 가열 및 가열 시스템을 개략적으로 도시하는 구성도이다.1 is a schematic view showing a heating system and heating system of air in a cathode according to the present invention.
제2도는 본 발명에 따른 가습막 교환기의 공기 흐름을 나타낸 개략적인 도면이다.2 is a schematic diagram showing the air flow of the humidification membrane exchanger according to the present invention.
제3도는 본 발명에 따른 가습막 교환기의 내부를 개략적으로 도시한 사시도이다.3 is a perspective view schematically showing the interior of the humidification membrane exchanger according to the present invention.
제4도는 본 발명에 따른 가습막 교환기의 내부를 설치되는 멤브레인 유닛(membrane unit)을 도시한 사시도이다.4 is a perspective view showing a membrane unit installed inside the humidification membrane exchanger according to the present invention.
* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *Brief description of the main symbols in the drawing
1: 가습막 교환기 2: 스플리터(splitter)1: humidifier exchanger 2: splitter
3: 연료전지스택 11: 배출가스입구3: fuel cell stack 11: exhaust gas inlet
12: 배출가구출구 13: 공기입구12: outlet furniture outlet 13: air inlet
14: 공기출구 15: 내부공간14: air outlet 15: interior space
16: 내부칸막이 17, 18, 19, 20: 구멍16: inner partition 17, 18, 19, 20: hole
30: 멤브레인 유닛 31: 멤브레인30: membrane unit 31: membrane
32: 지지대32: support
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명에 따른 연료전지스택의 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습 시스템은 캐소드에서 방출되는 기체를 가습막 교환기(1)에 통과시키고, 캐소드로 유입되는 공기도 상기 가습막 교환기로 통과시켜, 상기 공기가 상기 방출기체에 의하여 열교환되어 가열되고 가습되는 시스템에 관한 것으로, 상기 가습막 교환기는 멤브레인(31)과 복수개의 지지대(32)로 이루어진 멤브레인 유닛(30)이 서로 90도로 교차되면서 복수 개로 적층되는 구조를 갖는다.The air heating and humidifying system at the cathode of the fuel cell stack according to the present invention passes the gas discharged from the cathode to the humidification membrane exchanger 1, and also the air flowing into the cathode is passed to the humidification membrane exchanger, thereby providing the air. Relates to a system in which heat is exchanged by the discharge gas to be heated and humidified. The humidification membrane exchanger is formed by stacking a plurality of membrane units 30 formed of a membrane 31 and a plurality of supports 32 while crossing each other by 90 degrees. Has a structure.
상기 캐소드에서 방출되는 기체가 가습막 교환기로 유입되기 전에 기체에 함유된 액상의 물을 분리하기 위하여 스플리터(splitter: 2)가 더 설치될 수도 있다.A splitter 2 may be further installed to separate the liquid water contained in the gas before the gas discharged from the cathode flows into the humidification membrane exchanger.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the contents of the present invention.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명Detailed Description of the Invention
본 발명의 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습 시스템은 연료전지스택의 캐소드로부터 방출되는 기체를 이용하여 캐소드로 유입되는 공기를 가열 및 가습하기 위한 시스템이다. 연료전지스택의 캐소드에서 방출되는 기체는 전지의 화학반응에 의하여 가열된 고온의 기체로서, 산소, 공기, 스팀, 고온의 물 등을 함유한다. 이러한 고온의 방출기체는 이제까지 재활용되지 못하고 그대로 외부로 배출되어 왔다. 또한, 연료전지스택의 캐소드로 산화제의 역할을 하기 위한 산소가 공급되어야 하는데, 주로 공기가 공급된다. 이 때, 공기는 연료전지스택에서 가열되어야 전지의 화학반응을 촉진할 수 있다. 따라서, 미리 가열된 공기를 캐소드로 유입시킨다면, 연료의 효율은 높아지게 된다.The heating and humidifying system of air in the cathode of the present invention is a system for heating and humidifying air entering the cathode by using the gas emitted from the cathode of the fuel cell stack. The gas emitted from the cathode of the fuel cell stack is a high temperature gas heated by the chemical reaction of the cell and contains oxygen, air, steam, high temperature water, and the like. These high-temperature emitters have not been recycled so far and have been discharged to the outside. In addition, oxygen to serve as an oxidant must be supplied to the cathode of the fuel cell stack, mainly air. At this time, the air must be heated in the fuel cell stack to promote the chemical reaction of the cell. Therefore, when the air heated beforehand is introduced into the cathode, the efficiency of the fuel becomes high.
제1도는 본 발명에 따른 캐소드에서 나오는 기체를 이용하여 캐소드로 들어가는 공기를 가열하고 가습하기 위한 시스템의 개략적인 구성도이다. 제1도에는 캐소드에서 나오는 기체 중에 함유된 스팀의 일부와 액상의 물을 분리해내기 위한 스플리터(2)가 도시되어 있지만, 이 스플리터는 반드시 필요한 설비가 아니다. 즉, 스플리터가 없는 시스템에서는 연료전지스택(3)으로부터 나온 기체가 곧바로 가습막 교환기(1)로 유입된다. 기체가 소량의 액상의 물을 함유하고 있더라도 가습막 교환기의 작동에 영향을 미치지 않기 때문에 아무런 문제가 없다.1 is a schematic diagram of a system for heating and humidifying air entering a cathode by using a gas exiting the cathode according to the present invention. Although FIG. 1 shows a splitter 2 for separating a part of steam contained in a gas from a cathode and liquid water, this splitter is not a necessary equipment. That is, in the system without a splitter, gas from the fuel cell stack 3 flows directly into the humidification membrane exchanger 1. Even if the gas contains a small amount of liquid water, there is no problem because it does not affect the operation of the humidifier.
가습막 교환기(1)에서는 캐소드로부터 나온 기체와 캐소드로 유입되는 공기가 거의 90도로 교차하면서 통과하여 수분을 함유한 고온의 기체로부터 수분과 열이 공기로 유입되어, 공기가 가습 및 가열된다. 제2도는 본 발명에 따른 가습막교환기의 공기 흐름을 나타낸 도면이고, 제3도는 그 내부를 도시한 사시도이다. 캐소드로부터 나온 기체는 배출가스입구(11)를 통하여 가습막 교환기(1)의 내부공간(15)으로 유입되고 다시 배출가스출구(12)로 배출된다. 공기는 공기입구(13)를 통하여 가습막 교환기의 내부공간으로 유입되고 다시 공기출구(14)로 배출되어 연료전지스택(1)으로 유입된다.In the humidification membrane exchanger 1, the gas from the cathode and the air flowing into the cathode cross each other by approximately 90 degrees, and moisture and heat are introduced into the air from the hot gas containing the moisture, so that the air is humidified and heated. 2 is a view showing the air flow of the humidification membrane exchanger according to the present invention, Figure 3 is a perspective view showing the inside thereof. The gas from the cathode flows into the internal space 15 of the humidification membrane exchanger 1 through the exhaust gas inlet 11 and is discharged back to the exhaust gas outlet 12. Air is introduced into the internal space of the humidification membrane exchanger through the air inlet 13 and is discharged to the air outlet 14 and flows into the fuel cell stack 1.
제3도에 도시된 바와 같이, 가습막 교환기의 내부에는 내부공간(15)이 형성되도록 4면체의 내부칸막이(16)가 형성되고, 각각의 내부칸막이에는 기체와 공기가 통과할 수 있도록 구멍(17, 18, 19, 20)이 형성된다.As shown in FIG. 3, an inner partition 16 of a tetrahedron is formed in the humidifier membrane exchanger so that an inner space 15 is formed, and holes are formed in each inner partition so that gas and air can pass therethrough. 17, 18, 19, 20) are formed.
가습막 교환기의 내부공간(15)에는 제4도에 도시된 멤브레인 유닛(30)이 90도로 교차되어 적층된다. 멤브레인 유닛(30)에는 멤브레인(31) 위에 일정 높이와 폭을 갖는 지지대(32)가 복수개 결합되어, 공기 또는 기체가 유동할 수 있도록 복수개의 채널이 형성된다.In the inner space 15 of the humidification membrane exchanger, the membrane unit 30 shown in FIG. The membrane unit 30 is coupled to a plurality of supports 32 having a predetermined height and width on the membrane 31, a plurality of channels are formed so that air or gas can flow.
멤브레인(31)은 열전달이 용이하고 스팀이 통과하기 용이한 가공성막으로 통상 한외여과막(Ultrafiltration membrane), 역삼투압막(Reverse Osmosis membrane), 탄화수소계막(Hydrocarbon membrane), 퍼플루오로술폰산막 (Perfluorosulfonic Acid membrane) 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 지지대(32)는 합성수지를 원료로 하여 제조되는데, PP, PE, PET, 나일론 등의 수지가 바람직하게 사용될 수 있다.The membrane 31 is a processable membrane that is easy to transfer heat and easy to pass steam, and is usually an ultrafiltration membrane, a reverse osmosis membrane, a hydrocarbon membrane, a perfluorosulfonic acid membrane, or a perfluorosulfonic acid membrane. membrane) and the like can be preferably used. In addition, the support 32 is made of a synthetic resin as a raw material, a resin such as PP, PE, PET, nylon may be preferably used.
상기 복수개의 멤브레인 유닛(30)은 가습막 교환기의 내부공간(15)에 90도로 교차하면서 적층된다. 통상 10∼50장의 멤브레인 유닛이 적층될 수 있지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The plurality of membrane units 30 are stacked while intersecting 90 degrees with the inner space 15 of the humidification membrane exchanger. Typically 10 to 50 membrane units can be stacked, but is not necessarily limited thereto.
멤브레인 유닛(30)이 서로 90도로 교차하면서 적층되기 때문에, 공기와 기체는 서로 다른 방향으로 형성된 채널을 따라 유동한다. 그러나, 인접하고 있는 채널과 멤브레인(31)에 의하여 접하고 있기 때문에, 공기와 기체가 서로 다른 채널을 따라 서로 다른 방향으로 유동할지라도, 멤브레인을 통하여 열이 전달되고, 수분이 이동하게 된다. 따라서, 캐소드로부터 방출된 수분을 함유하고 있는 고온의 기체는 공기의 온도를 높여주고, 또한 수분을 공기에게 공급하게 된다. 이렇게 하여 가열 및 가습된 공기는 연료전지스택(1)으로 들어가 효율적으로 사용된다.Since the membrane units 30 are stacked while crossing each other at 90 degrees, air and gas flow along channels formed in different directions. However, because they are in contact with adjacent channels by the membrane 31, even if air and gas flow in different directions along different channels, heat is transferred through the membrane and moisture is transferred. Therefore, the hot gas containing the moisture released from the cathode raises the temperature of the air and also supplies the moisture to the air. Air heated and humidified in this way enters the fuel cell stack 1 and is used efficiently.
제1도와 같이, 스플리터(2)를 설치하여 연료전지스택(3)으로부터 나온 기체가 가습막 교환기(1)로 유입되기 전에 이를 통과하도록 할 수도 있다. 이 때, 스플리터는 기체로부터 액상의 고온의 물을 제거하는 역할을 한다. 고온의 물이 제거되면, 기체는 고온의 산소, 스팀, 공기 등으로 이루어지고, 이 기체가 가습막 교환기로 유입되어 공기를 가열 및 가습하게 된다. 스플리터에서 분리된 물은 외부로 방출되거나 열교환기(도시되지 않음)에서 폐열을 회수할 수도 있다.As shown in FIG. 1, a splitter 2 may be provided to allow gas from the fuel cell stack 3 to pass through before entering the humidification membrane exchanger 1. At this time, the splitter serves to remove the liquid high temperature water from the gas. When hot water is removed, the gas consists of hot oxygen, steam, air, and the like, which is introduced into the humidification membrane exchanger to heat and humidify the air. The water separated in the splitter may be discharged outside or recover waste heat in a heat exchanger (not shown).
본 발명은 연료전지스택의 캐소드에서 방출되는 기체를 회수하여, 상기 방출기체가 갖는 에너지와 수분을 재활용함으로써 캐소드로 유입되는 공기를 효율적으로 가열 및 가습하고, 연료전지 시스템의 성능을 향상시킨 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.The present invention recovers the gas discharged from the cathode of the fuel cell stack, recycles the energy and moisture of the discharge gas, efficiently heats and humidifies the air flowing into the cathode, and improves the performance of the fuel cell system. Has the effect of providing a heating and humidifying system of air.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |