KR20040028373A

KR20040028373A - 연료 전지 시스템용 가습장치

Info

Publication number: KR20040028373A
Application number: KR1020020059541A
Authority: KR
Inventors: 이기춘
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-03

Abstract

본 발명은 모세관 현상을 이용하여 물을 흡수하고 반응 기체로 증발시켜 막가습기의 효율과 가열식의 능동성 및 응답성을 확보할 수 있는 연료 전지 시스템용 가습장치에 관한 것이다. 본 발명은 연료 전지 시스템용 가습장치에 있어서, 다공성 재질로 형성되며, 일측면을 따라 지나가는 물을 모세관 현상을 이용하여 흡수하고, 흡수된 물을 타측면을 따라 지나가는 반응 기체로 증발시키는 다공체와; 상기 다공체의 타측면에 결합되어 상기 다공체로 흡수된 물의 증발열을 공급하는 전기 히터를 포함하여 구성한다.

Description

연료 전지 시스템용 가습장치{HUMIDITY DEVICE OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 연료 전지 시스템용 가습장치에 관한 것이다.

통상적으로, 100℃ 이하에서 작동하는 프로톤 교환막형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)에 사용되는 고분자 전해질은 물을 함유하고 있어야 한다.

이것은 프로톤 교환막형 연료 전지에 있어 가장 큰 장점이자 단점이다.

즉, 고분자 전해질의 성능을 크게 좌우하는 전해질 내에서의 프로톤 전도도는 고체 고분자 전해질 내 물의 함량에 비례하여 증가한다.

비록 고체상태로 있지만 고분자 전해질의 프로톤 전도도가 매우 커서 다른 전해질 종류의 연료 전지에 비해 저온에서도 출력밀도가 월등히 높다.

발전을 위해 전해질과 다공성 재질의의 전극으로 구성된 단위전지의 양단에는 연료 가스와 공기를 각각 흘려주어야 한다.

그런데 이 반응 기체 내의 물의 활동도가 전해질 내에 함유된 물의 활동도보다 작으면, 반응 기체가 전해질 내의 물을 빼앗아 가는 일이 생겨 전해질은 건조하게 된다.

이렇게 되면 전해질의 프로톤 전도도가 떨어져 전지 성능이 나빠지고 나아가 전지의 수명을 단축시키게 된다.

따라서 프로톤 교환막형 연료 전지를 최적의 상태에서 운전하려면 반응 기체가 적절히 가습되어 있어야 하며 이를 위해 반응 기체를 가습하는 장치가 필요하다.

지금까지 가습장치로는 물투과성이 있는 막을 사용한 가습장치, 물을 직접 가열하여 증발시키는 장치, 반응 기체를 물과 섞어주는 장치 및 이를 복합적으로 사용하는 장치들이 제안되어 왔다.

심지어는 이들 장치 또는 기구들이 연료 전지 스택 내에 구현된 것도 있다.

막을 사용하는 가습장치의 경우, 가습막에서 반응 기체로의 물의 자연 증발에 의해 반응 기체를 가습하는 것으로, 물의 증발을 위해 별도의 열에너지를 사용하지 않아 효율이 좋다.

그러나, 수동적 가습 원리이기 때문에 장치가 커지는 것과 빙점 이하에서 막이 얼 경우 막 내에 포함된 물의 동결로 인해 막의 기계적 강도가 취약해지는 단점이 있다.

빙결과 해동이 반복될 때 막이 깨질 가능성이 많다.

물을 직접 가열하여 반응 기체를 가습하는 장치의 경우, 물에 증발열을 다른 열원 즉, 전기 히터 또는 연료를 직접 태우는 버너를 사용하여 공급하기 때문에 반응 기체의 습도를 능동적으로 조절하는 장치라고 할 수 있다.

그러나, 물의 증발열이 매우 크기 때문에 많은 에너지가 필요하여 효율이 좋다고 할 수 없다.

물의 열용량이 매우 커서 열을 가습기에 많이 공급한다고 하더라도 응답성이 좋지 않다.

응답성을 크게 하기 위해서는 장치 내에서 열교환이 쉽게 일어나도록 해야 하는데 이는 장치가 복잡해지고 덩치가 커지는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 모세관 현상을 이용하여 물을 흡수하고 반응 기체로 증발시켜 막가습기의 효율과 가열식의 능동성 및 응답성을 확보할 수 있는 연료 전지 시스템용 가습장치를 제공하는데 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 가습장치의 구성을 도시한 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지 시스템용 가습장치에 있어서, 다공성 재질로 형성되며, 일측면을 따라 지나가는 물을 모세관 현상을 이용하여 흡수하고, 흡수된 물을 타측면을 따라 지나가는 반응 기체로 증발시키는 다공체와; 상기 다공체의 타측면에 결합되어 상기 다공체로 흡수된 물의 증발열을 공급하는 전기 히터를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 가습장치의 구성을 설명한다.

도 1은 물을 모세관 현상으로 이동시킬 수 있는 다공성 재질의 다공체(110)와 박막형 전기 히터(120)가 결합된 가습기 원리를 도시한 것이며, 도 2는 튜브 형태의 가습기 원리를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예는 다공체(110)(매트릭스 ; Matrix), 전기 히터(120)를 포함하여 구성한다.

다공체(110)는 다공성 재질로 형성되며, 일측면을 따라 지나가는 물을 모세관 현상을 이용하여 흡수하고, 흡수된 물을 타측면을 따라 지나가는 반응 기체로 증발시킨다.

다공체(110)는 판형상으로 형성할 수 있으며, 원통형의 튜브형상으로 형성할 수 있다.

다공체(110) 내부에는 물이 지나가는 일측면과 반응 기체가 지나가는 타측면을 상호 연결하는 적어도 한 개 이상의 물 통로(112)(Channel)가 형성된다.

전기 히터(120)는 다공체(110)의 타측면에 결합되어 다공체(110)로 흡수된물의 증발열을 공급하는 기능을 한다.

전기 히터(120)는 반응 기체가 지나가는 다공체(110)의 타측면에 박막으로 코팅하여 결합한다.

전기 히터(120)는 정특성(PTC ; Positive Temperature Coefficient) 소재로 구성할 수 있으며, 저항 발열체 소재로 구성할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 모세관 현상을 이용하여 물을 흡수하고 반응 기체로 증발시킬 수 있는 다공성 재질의 다공체(110)에 박막형 전기 히터(120)를 코팅하여 물의 증발열을 공급할 수 있는 장치로 막가습기의 효율과 가열식의 능동성 및 응답성을 확보한 가습장치이다.

또한, 연료 전지 장치의 운전을 정지할 때 전기 히터(120)를 이용해 물 통로(112) 내에 있는 물을 제거하여 빙점 이하에서도 가습장치를 안전하게 보관할 수 있는 장치이다.

본 발명의 실시예는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 다공성 재질의 금속 또는 세라믹스 또는 플라스틱, 또는 이들의 복합재로 된 판 또는 튜브의 양쪽 표면에 물과 반응 기체가 지나가게 하는 구조로 되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 다공체(110)가 판형상으로 형성된 경우에는 판의 일측면을 따라 유로가 형성되어 있어 물이 흐르게 하고 타측면을 따라 반응 기체가 지나가는 유로가 형성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 다공체(110)가 튜브 형상으로 형성되는 경우에는 튜브의 안쪽에 물이 지나가고 바깥쪽에 반응 기체가 지나가게 할 수 있다.

또한, 튜브의 경우에는 튜브의 안쪽에 반응 기체가 지나가고 바깥쪽에는 물이 지나가게 할 수 있다.

튜브의 경우 반응 기체에 물이 잘 증발될 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 면적이 더 넓은 바깥쪽에 반응 기체가 흐르게 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템 규모에 맞추어 판을 적층하거나 다수개의 튜브를 사용하여 반응 기체에 물이 충분히 공급되게 할 수 있다.

판 또는 튜브를 제작하는 공정에서 개기공의 기공률을 조절하여 물 통로(112)의 크기를 조절할 수 있다.

따라서, 단위 면적당 물의 흡수 속도를 조절할 수 있다.

일반적으로 이러한 공정으로는, 다공체(110)를 구성하는 재료의 분말과 제조 공정 중에 태우거나 녹여내어 기공을 구성할 수 있는 재료의 분말을 섞어서 성형하여 원하는 부품을 만든다.

또한, 치밀한 다공체(110)를 만든 다음에 레이저 가공이나 부식 등의 방법으로 미세 기공을 만드는 것일 수 있다.

이렇게 만든 다공체(110) 위에 정특성(PTC ; Positive Temperature Coefficient) 소재나 저항 발열체 소재를 코팅하여 박막의 전기 히터(120)를 만든다.

박막의 전기 히터(120)는 반응 기체가 지나가는 쪽의 다공체(110) 표면에 입히도록 한다.

박막의 두께는 수~수십 마이크로미터가 되고 다공성이면서도 다공체(110)의표면 방향으로는 서로 연결된 구조가 되게 하여, 다공체(110)를 통해 물 통로(112)로 올라온 물이 잘 통과하면서도 전기가 잘 통하여 발열될 수 있게 한다.

다공체(110) 소재가 전도성이 있는 경우에는 박막 발열체와 다공체(110) 사이에 역시 박막의 부도체를 코팅하는 공정이 필요하다.

이 부도체는 역시 다공성이어서 물이 잘 통과하도록 한다.

가습량이 많이 필요 없는 경우에는 일반 막가습기와 마찬가지로 반응 기체로의 자연 증발만으로도 가습이 되며, 가습량이 많이 필요한 경우에는 박막 발열체의 전기를 가하여 가열되게 하여 열에 의해 물의 증발을 촉진하게 할 수 있다.

박막 발열체에 의해 다공체(110)가 너무 뜨거워지면 다공체(110) 내의 물 통로(112)에 포함된 물이 증발되어 물을 빨아드리는 모세관 현상이 억제될 수 있어 가습 효과가 떨어진다.

그러므로, 다공체(110)의 물이 지나가는 쪽에 물을 순환시키거나 박막 발열체에 펄스식으로 전기를 가하여, 다공체(110) 전체의 온도가 물의 끓는점 이상으로 올라가지 않도록 조절할 수 있다.

연료 전지 시스템의 운전을 정지하는 경우에는 가습기에서 물을 제거한 다음에 박막 발열체에 계속 전기를 가하여 미세관 속의 물을 모두 제거하여, 시스템 동결시에도 물의 팽창에 의해 가습기가 파열되는 것을 막는다.

가습기에서 빼낸 물은 별도의 물통에 보관하여 시동시 다시 녹여 가습기로 보낸다.

박막 발열체는 또한 시동시 열원으로도 사용할 수 있어 전체 시스템 냉각수와 열교환하여 시스템의 냉시동성을 개선하는데 쓰일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 가습장치는 물의 모세관 현상에 의한 이동 및 증발을 이용하여 가습 효율을 증가할 수 있고, 박막형 전기 히터로 물의 증발을 촉진할 수 있어 가습 속도를 증가할 수 있다.

따라서, 가습기의 열효율 및 응답성을 증대할 수 있으며, 나아가 반응 기체를 적절히 가습함으로써 연료 전지 스택의 성능을 보장하고 수명을 늘리게 할 수 있다.

또한, 프로톤 교환막형 연료 전지의 단점인 동결 문제 및 냉시동성을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 반응 기체의 가습이 필요한 연료 전지 시스템에서는 필수적이며 동결 및 냉시동성을 확보하여 연료 전지 차량의 기술적 한계를 보완할 수 있는 장치로 연료 전지 차량의 실용화에 기여할 수 있다.

또한, 가습장치와 전기 히터를 하나의 다공성 재질의 다공체에 구현하였고, 다공성 재질의 다공체 및 박막 전기 히터 코팅을 연속 공정으로 소화할 수 있어 공정을 단순화 할 수 있다.

또한, 가습 및 박막 전기 히터를 일체화하였기에 부품이 단순하다.

또한, 정특성(PTC) 소자를 사용할 경우에는 온도를 자율적으로 조절할 수 있기 때문에 온도 조절이 필요 없다.

또한, 기존의 가습기에 비해 효율 및 응답성이 크기 때문에 더 작게 더 가볍게 제작할 수 있다.

또한, 연속 공정으로 제조할 있는 가습판 또는 튜브, 여러 기능을 하나의 시스템에 구현하였으므로 원가가 줄어든다.

또한, 일반 금속이 세라믹스 소재로 제조할 수 있어 재활용이 가능하고 염가로 제작할 수 있기에 그만큼 제조를 위한 이산화탄소 배출량이 적다.

더욱이, 연료 전지 차량의 실용화에 기여할 수 있기 때문에 부품 자체가 환경 친화적 목적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims

연료 전지 시스템용 가습장치에 있어서,

다공성 재질로 형성되며, 일측면을 따라 지나가는 물을 모세관 현상을 이용하여 흡수하고, 흡수된 물을 타측면을 따라 지나가는 반응 기체로 증발시키는 다공체와;

상기 다공체의 타측면에 결합되어 상기 다공체로 흡수된 물의 증발열을 공급하는 전기 히터를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제1항에 있어서, 상기 다공체는 판형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제1항에 있어서, 상기 다공체는 원통형의 튜브형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 다공체 내부에는 물이 지나가는 일측면과 반응 기체가 지나가는 타측면을 상호 연결하는 적어도 한 개 이상의 물 통로(Channel)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제1항에 있어서, 상기 전기 히터는 반응 기체가 지나가는 상기 다공체의 타측면에 박막으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제5항에 있어서, 상기 전기 히터는 정특성(PTC ; Positive Temperature Coefficient) 소재로 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.
제5항에 있어서, 상기 전기 히터는 저항 발열체 소재로 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 가습장치.