KR20030055606A - 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치에 관한 것으로서, 가스공급원으로부터 반응가스가 유입되는 가스도입관, 공급된 가스의 유량을 조절하는 유량조절계, 가습된 가스를 연료전지의 본체로 공급하는 가스공급관, 연료전지 내부의 압력을 조절하는 후압조절계로 구성된 연료전지 운전용 가스공급장치에 있어서, 가스공급장치로부터의 가스가 유입되는 가스공급장치로부터의 가스가 유입되는 반응가스 공급관과 물이 유입되는 물공급관 및 연료전지로 반응가스를 공급하는 가스공급관이 연결되어 있는 가습기용기와, 상기 가습기용기에 설치되어 상기 반응가스 공급관을 통해 공급된 가스와 상기 물공급관을 통해 공급된 물을 분무장치를 사용하여 연료극 및 공기극에 가습된 반응기체를 공급할 수 있으며, 직접분사방식을 사용함으로써, 급격한 기체유량 증가에도 시간지연 없이 반응기체에 수분을 공급할 수 있고, 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 이중통로를 구비하여 가습기의 온도유지에 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 다중분사방식을 채택함으로써, 가습량의 조절이 가능하므로 가습에 필요한 물을 절약할 수 있을 뿐만아니라, 그로인해 작은 부피의 가습기가 가능한 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치에 관한 것이다.

Description

고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치{Humidifier for a polymer electrolyte fuel cell stack}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치에 관한 것으로서, 분무장치를 사용한 직접 분사식 가습기를 사용하여 연료극(anode) 및 공기극(cathode)에 가습된 반응기체를 공급할 수 있으며, 직접분사 방식을 취함으로써, 급격한 기체유량 증가에도 시간지연 없이 반응기체에 수분을 공급할 수 있고, 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 이중통로를 구비하여 가습기의 온도유지에 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 다중분사방식을 채택함으로써, 가습량의 조절이 가능하므로 가습에 필요한 물을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 이로인해 작은 부피의 가습기가 가능한 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 발전장치로서, 기존의 연소기관에 비해 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템에 이르기까지 그 적용범위가 매우 넓다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라서 알칼리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등이 있다.

그 중에서, 고분자 전해질 연료전지는 전해질이 고체로서, 전해질의 누출이 없고 낮은 온도에서 작동하며 유지 및 보수가 간편하다는 장점을 갖고 있기 때문에 자동차나 이동전원에 가장 적합한 장치이다.

고분자 전해질 연료전지는 수소 양이온을 이동시키는 고분자막을 전해질로사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위해 전해질막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다.

전해질막이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 연료전지의 운전이 불가능하므로 고분자 전해질 연료전지에서 가습공정은 필수적이라 할 수 있다.

고분자 전해질 연료전지의 특성은 제조기술 및 운전기술에 의해 크게 달라질 수 있는데, 연료전지의 온도, 반응가스의 유량, 압력 및 온도, 가습조건과 같은 운전변수는 가스공급장치에 의해 조절이 가능하다.

가스공급장치는 도 1에 도시한 바와 같은 구성을 갖고 있다.

즉, 반응가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스도입관(11)과, 공급된 가스의 유량을 조절하는 유량조절계(12)와, 가스를 가습시켜 주는 가습기(13)와, 가습된 가스를 연료전지(15)의 본체로 공급하는 가스공급관(14)과, 상기 연료전지(15) 내부에서 반응한 반응 기체를 배출하는 가스배출관(16)과, 연료전지(15) 내부의 가스압력을 조절하는 후압조절계(17)로 이루어진 구성을 갖는다.

이와 같은 구성을 가진 가스공급장치에 구비된 종래의 가습장치는 미국특허 제 5996976호에 공개된 바와 같이, 연료전지의 용량이 증가하면 공급할 가스와 가습할 물의 양이 증가하기 때문에 가습장치의 용량도 같이 커지게 되는 한편, 고분자 전해질 연료전지는 이동용 전원으로의 응용도 함께 고려되고 있기 때문에 부피증가는 전체적인 응용에 제한을 가져올 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 분무장치를 사용한 직접 분사식 가습기를 사용하여 연료극(anode) 및 공기극(cathode)에 가습된 반응기체를 공급할 수 있으며, 직접분사 방식을 취함으로써, 급격한 기체유량 증가에도 시간지연 없이 반응기체에 수분을 공급할 수 있고, 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 이중통로를 구비하여 가습기의 온도유지에 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 다중분사방식을 채택함으로써, 가습량의 조절이 가능하므로 가습에 필요한 물을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 이로인해 작은 부피의 가습기가 가능한 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 제공하는데 그 안출의 목적이 있다.

도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지용 가스공급장치의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 나타내는 사시도

도 3은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 나타내는 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가스도입관12 : 유량조절계

13 : 가습기14 : 가스공급관

15 : 연료전지16 : 가스배출관

17 : 후압조절계18 : 반응가스 공급관

19 : 물공급관20 : 분무장치

21 : 가습기용기22 : 이중통로

23 : 냉각수관

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치는 가스도입관(11)을 통하여 공급된 반응가스는 유량조절계(12)를 통하여 필요로 하는 유량을 공급받고, 가습기(13)를 통해 수분을 공급받으며, 가습된 반응가스는 가스공급관(14)을 통해 연료전지(15)에 공급되는 한편, 상기 연료전지(15) 내부에서 반응한 후에 배출되는 기체는 가스배출관(16)을 통해 연료전지(15) 내부의 운전 압력을 조절하는 기능을 가지는 후압조절계(17)를 거쳐 외부로 배출되도록 구성된 연료전지 운전용 가스공급장치에 있어서, 가스공급장치로부터의 가스가 유입되는 전면부의 반응가스공급관(18) 및 물이 유입되는 물공급관(19) 과 연료전지(15)로 반응가스를 공급하는 후면부의 가스공급관(14)이 연결되어 있는 가습기용기(21)와, 상기 가습기용기(21)에 설치되어 상기 반응가스 공급관(18)을 통해 공급된 가스와 상기 물공급관(19)을 통해 공급된 물을 미세하게 분사하는 분무장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 가습기용기(21)의 양측 외벽에는 가습된 반응가스를 가열하도록 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 냉각수관(23)이 설치된 이중통로(22)가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 분무장치(20)는 가습량의 조절이 가능하도록 2개 이상의 다중 분사방식인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지용 가스공급장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 의한 가습장치는 연료전지 운전용 가스공급장치의 일부로서 연료전지에 공급되는 가스라인에 설치되며 연료극(anode)과 공기극(cathode)측에 각각 설치된다.

도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치를 나타내는사시도로서 도 2전체가 도 1의 가습기에 해당하고, 가습을 위한 분무장치(20)가 2개 이상 설치되어 있는 경우로서 유량 조절계(12)를 통하여 연료전지 운전에 필요한 반응기체가 반응가스 공급관(18)을 통해 분무장치(20)에 공급되고, 가습에 사용될 물은 가습용 물공급관(19)을 통해 분무장치(20)에서 가습기용기(21)안으로 미세한 분무형태로 함께 분사되어 가습이 이루어지고, 가습된 반응기체는 가스공급관(14)을 통해 연료전지(15)에 공급되어 운전이 이루어진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 가습기용기(21)에 설치된 2개 이상의 분무장치(20)로 반응기체가 공급되는 가스공급관(14)과, 가습에 필요한 물이 공급되는 물공급관(19)으로 구성되며, 가습용 물이 분무되는 가습기용기(21)의 양측 외벽에는 연료전지 냉각수가 흐르는 냉각수관(23)이 설치된 이중통로(22)가 구비되어 가습기(13)의 온도를 연료전지(15)와 같은 온도로 유지하도록 되어 있다.

반응가스와 물은 분무장치(20)를 통과하면서 가습기용기(21)로 미세하게 분사되어 가습이 이루어지게 된다.

반응가스와 물이 분사되면서 발생하는 온도강하는 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 이중통로(22)로부터 열교환이 이루어져 상쇄되게 된다.

한편, 상기 가습기(13)에 반응가스와 물이 동시에 작동하는 분무장치(20)의 수를 2개 이상으로 함에 따라 가습량이 조절가능하게 되어 고분자 전해질 연료전지로 공급되는 반응가스의 습도와 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.

또한, 상기 분무장치(20)의 일부 고장시, 가습장치의 운전을 중단하지 않고, 다른 분무장치(20)를 이용하여 계속해서 운전할 수 있도록 되어 있다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치는 연료전지의 반응가스 공급라인에 설치하고, 직접분사방식의 가습 방법을 사용하며, 분사장치를 2개 이상 사용하는 다중 분사방식을 사용함으로써, 가습량의 조절이 가능하므로 가습에 필요한 물을 절약할 수 있는 한편, 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 이중통로를 구비하여 가습기의 온도유지에 필요한 추가 에너지를 절감할 수 있고, 연료전지의 용량에 비해 작은 부피의 가습기로 연료전지 운전에 필요한 가습량을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 가스도입관(11)을 통하여 공급된 반응가스는 유량조절계(12)를 통하여 필요로 하는 유량을 공급받고, 가습기(13)를 통해 수분을 공급받으며, 가습된 반응가스는 가스공급관(14)을 통해 연료전지(15)에 공급되는 한편, 상기 연료전지(15) 내부에서 반응한 후에 배출되는 기체는 가스배출관(16)을 통해 연료전지(15) 내부의 운전 압력을 조절하는 기능을 가지는 후압조절계(17)를 거쳐 외부로 배출되도록 구성된 연료전지 운전용 가스공급장치에 있어서, 가스공급장치로부터의 가스가 유입되는 전면부의 반응가스 공급관(18) 및 물이 유입되는 물공급관(19) 과 연료전지(15)로 반응가스를 공급하는 후면부의 가스공급관(14)이 연결되어 있는 가습기용기(21)와, 상기 가습기용기(21)에 설치되어 상기 반응가스 공급관(18)을 통해 공급된 가스와 상기 물공급관(19)을 통해 공급된 물을 미세하게 분사하는 분무장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가습기용기(21)의 양측 외벽에는 가습된 반응가스를 가열하도록 고온의 연료전지 냉각수가 흐르는 냉각수관(23)이 설치된 이중통로(22)가 구비된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 분무장치(20)는 가습량의 조절이 가능하도록 2개 이상의 다중 분사방식인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 스택용 가습장치.