KR20080046861A

KR20080046861A - 연료전지차량용 가습장치

Info

Publication number: KR20080046861A
Application number: KR1020060116438A
Authority: KR
Inventors: 함성규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-05-28

Abstract

본 발명은 연료전지차량용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 개발에 있어서 스택으로의 효율적인 물 관리를 통해 연료전지 차량의 성능을 향상시키고, 스택의 정상적인 작동을 위해 필요한 수분을 효율적으로 공급해 줄 수 있도록 한 연료전지차량용 가습장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 수소과 가습된 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생하는 스택(연료전지)와; 상기 스택의 출구에서 생성된 고온 다습의 공기와 물을 받아 냉각시켜 물을 생성하는 에어 쿨러와; 상기 에어 쿨러에서 생성된 물을 저장하는 물탱크와; 상기 물탱크에 저장된 물과 외부로부터 공기를 흡입하여 상기 스택의 입구에 재공급하는 가습수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 가습장치를 제공한다.

스택, 카뷰레터, 에어쿨러, 에어블로워, 유량제어

Description

연료전지차량용 가습장치{Humidifier for fuel cell vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지차량용 가습장치의 일실시예를 나타내는 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지차량의 공기공급계 흐름을 나타내는 블럭도이고,

도 4는 종래기술에 따른 보론 연료전지의 구성을 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

50 : 스택 51 : 카뷰레터

52 : 에어쿨러 53 : 물탱크

54 : 물공급파이프 55 : 유량제어밸브

56 : 에어필터 57 : 에어블로워

본 발명은 연료전지차량용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 개발에 있어서 스택으로의 효율적인 물 관리를 통해 연료전지 차량의 성능을 향상시키고, 스택의 정상적인 작동을 위해 필요한 수분을 효율적으로 공급해 줄 수 있도록 한 연료전지차량용 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(Fuel Cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 양극(Anode)과 음극(Cathode)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH 3 OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂ )만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.

종래 BFC의 개략적인 구성이 도 4에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하 면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(2)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(3)가 구비되어 있는데, 그 연 료탱크(3)와 발전기(2)의 양극에는 연료공급라인(4)과 연료회수라인(5)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(4)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(6)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(2)의 음극에는 공기공급라인(7)과 공기배출라인(8)이 설치되어 있고, 상기 공기공급라인(7)에는 공기를 필터링하는 필터(9), 공기를 송풍하기 위한 에어 컴프레서(10) 및 공기를 가습하기 위한 가습기(11)가 차례로 설치되어 있으며, 상기 가습기(11)는 물탱크(12)에 물공급라인(13)으로 연결되어 밸브(14)의 조정에 의해 물이 보충될 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 발전기(2)의 일측에는 발전시 발전기(2)에서 발생되는 열로 발전기(2)가 가열되는 것을 방지하기 위해 냉각팬(15)이 설치되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(6)에서 연료탱크(3)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 펌핑하여 연료공급라인(4)을 통하여 발전기(2)의 양극에 공급함과 동시에 에어컴프레서(10)를 동작시켜서 공기공급라인(7)을 통하여 발전기(2)의 음극으로 공기가 공급되어지는데, 그와 같이 공급되는 공기는 필터(9)에서 필터링되고 가습기(11)에서 적정습도로 가습된 상태로 공급이 되어 진다.

상기와 같이 발전기(2)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기는 발전기(2)의 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

BH₄ ^- + 2O₂ →2H₂O + BO₂ E₀ = 1.64 V이다.

상기와 같이 발전기(2)에서 발전이 이루어질때는 열이 발생되는데, 그와 같이 열이 80℃ 이상이 되면 발전기(2)의 전해질 막이 손상되기 때문에 항상 80℃이하가 되도록 냉각팬(15)에서 냉각을 하게 된다.

상기 연료전지 차량의 가습기는 에어블로워에서 공급해주는 공기를 스택(연료전지) 내부에서 반응을 일으키고 나온 고온다습한 공기와 혼합하여 가습시킨 후, 다시 스택으로 밀어 넣어 주는 구조로 이루어져 있다.

이때, 상기 가습기는 스택의 하부와 서브프레임의 상부에 설치되게 된다.

그러나, 상기 가습기는 스택의 하부와 서브프레임의 상부에 많은 공간을 차지하게 되므로, 차량의 제작성과 정비성이 떨어지며 구조가 복잡한 단점이 있다.

또한, 상기 가습기는 공기 양에 따라서 수분의 양을 조절할 수 없고, 에어볼로워에서 흡입하는 흡입공기와 스택에서 반응을 마치고 외부로 배출되는 공기가 만나서 가습하는 형태이므로, 흡입공기와 배출공기의 마찰로 부하가 발생기고, 이로인해 스택과 에어블로워의 출력이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래 차량의 공간상 큰 비중을 차지하는 가습기를 삭제하고, 스택의 출구에서 가습된 공기를 냉각하여 얻은 물을 물탱크에 저장하고, 카뷰레터를 이용하여 물탱크로부터 물을 공급받아 공기와 함께 스택에 공급함으로써, 공기의 양에 따라 수분량을 조절할 수 있고, 구조가 간단하고 공간 확보가 용이하도록 한 연료전지차량용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지차량용 가습장치에 있어서,

수소과 가습된 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생하는 스택(연료전지)와; 상기 스택의 출구에서 생성된 고온 다습의 공기와 물을 받아 냉각시켜 물을 생성하는 에어 쿨러와; 상기 에어 쿨러에서 생성된 물을 저장하는 물탱크와; 상기 물탱크에 저장된 물과 외부로부터 공기를 흡입하여 상기 스택의 입구에 재공급하는 가습수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 에어 쿨러는 "U"자형 파이프 구조로 이루어지고, 상기 스택에서 생성된 수분을 함유한 수증기가 상기 "U"자형 파이프를 통과하면서 차가운 외부 공기와 만나 공기 내의 포화수증기량이 감소하여 "U"자형 파이프의 단부에 물이 생성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 가습수단은 내부에 에어 블로워를 구비하여 외부의 공기를 흡입하고, 상기 공기의 압력차에 의해 물탱크에 저장된 물을 흡입하 여 상기 스택에 가습된 공기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 카뷰레터의 하부에는 상기 물탱크로부터 물을 흡입하기 위한 물공급파이프가 설치되고, 상기 물공급파이프에는 공기의 흡입량에 따라 물의 양을 조절할 수 있는 유량제어밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지차량용 가습장치의 일실시예를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지차량의 공기공급계 흐름을 나타내는 블럭도이다.

본 발명은 연료전지차량의 공기공급계에 관한 것이고, 종래의 연료전지차량에 사용되는 가습기를 삭제하고, 카뷰레터(51)를 이용하여 스택(50)에 가습된 공기를 공급하도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명은 전기화학적 반응에 의해 전력을 생산하는 스택(50)과, 상기 스택(50)에 가습된 공기를 공급하는 카뷰레터(51)와, 상기 스택(50)에서 생성된 물과 공기를 냉각하는 에어쿨러(52)와, 상기 에어쿨러(52)에서 생성된 물을 저장하는 물탱크(53)를 포함하여 구성된다.

상기 스택(50)은 연료전지를 말하는 것으로서, 연료인 수소와 공기중의 산소를 공급받아 다음 반응식과 같은 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산한다.

즉, 양극(애노드)에서는 수소가 수소이온과 전자로 분리되는 산화반응이 일어나고, 음극(캐소드)에서는 산소가 수소이온과 전자를 전달받아 물과 열을 발생하는 환원반응이 일어난다. 이때, 생성되는 전자의 이동으로 전기가 발생한다.

H₂ + ½O₂ → H₂O

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Anode : 2H₂ → 4H+ + 4e-

Cathode : 4H⁺ + O₂ + 4e- → 2H₂O

상기 반응식 1에서 알 수 있듯이 전자 2개당 1몰의 물을 얻을 수 있다.

이때, 상기 Pe는 전력량이고, Ve는 전압(V)이고, F는 __이다.

물 1 몰의 질량은 18.02 * 10^-3 kg/mole 이다.

다시 쓰면,

이렇게 나온 식을 적용해 보면

1KW의 연료전지에 1시간 동안 한 셀당 0.6V (실제 평균량) 이고, 대응되는 효율은 47% ref 라고 하면

이다.

차량의 속도가 80km/h 라고 하면 모터에서 요구하는 전력량이 약 15KW 이다.

따라서 이에 해당하는 물 생산량 = 0.00234 Kg/s 이다.

물의 밀도는 1.0 g/cm³ 이므로 2.34cm³ /s 이다.

10분 운행을 했을 경우에는 600 * 2.34 = 1404 cm³ 가 된다.

상기 물의 양은 1.4 L (10분 운행)이므로 충분한 물의 양이다.(40km/h 일 경우에도 0.7L 이므로 충분하다)

본 발명에서 사용된 수식과 데이터는 Fuel Cell System Explained (James Larminie, Andrew Dicks-JOHN WILEY & SONS, LTD)과 실제 연료전지 차량에서 확인한 내용이다.

상기 스택(50)에서 생성된 물과 고온 다습의 공기는 에어쿨러(52)에 보내어지게 되는데, 상기 에어쿨러(52)는 외부의 차가운 공기와 접촉하는 "U"자형 파이프이고, 상기 고온 다습의 공기가 "U"자형 냉각용 파이프를 통과하면서 공기가 냉각된다.

이때, 상기 공기의 온도가 하강하면서 포화 수증기량이 감소하여 "U"자형 파이프 끝단에 물이 생성된다.

상기 에어쿨러(52)에서 생성된 물은 다시 중력에 의해 물탱크(53)로 보내어지고, 물탱크(53)에 저장된 물은 카뷰레터(51)로 이동하게 된다.

상기 카뷰레터(51)는 스택(50)에 가습된 공기를 공급하는 역할을 하고, 물탱크(53)에 저장된 물을 흡입하기 위해 카뷰레터(51) 하부에는 물공급파이프(54)가 설치되어 있고, 물공급파이프(54)에는 유량제어밸브(55)가 설치되어 있다.

또한, 상기 카뷰레터(51)에는 에어필터(56) 및 에어블로워(57)가 연결되어, 에어블로워(57)가 외부의 공기를 흡입하여 에어필터(56)에 의해 필터링한 다음, 카뷰레터(51)에 필터링된 공기를 공급하고, 카뷰레터(51) 내부의 공기압력차에 의해 상기 물을 카뷰레터(51) 내부로 흡입할 수 있게 되고, 상기 공기흡입량에 따라 물의 양을 조절할 수 있다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 연료전지차량용 가습장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

연료전지의 공기공급계에서 물의 흐름을 살펴보면, 스택(50)에서 발생된 물과 고온다습한 공기는 에어쿨러(52)에서 냉각되어 물이 생성되고, 이 물은 물탱크(53)에 곧바로 저장되고, 카뷰레터(51)에서 물탱크(53)의 물을 흡입하여 공기와 혼합되게 된다.

이와 같은 과정을 1 사이클로 하여 반복해서 이루어진다.

따라서, 상기 스택(50)에서 발생된 고온다습한 공기로부터 물을 분리시켜 이를 물탱크(53)에 저장한 다음, 카뷰레터(51)를 이용하여 가습된 공기를 스택(50)에 공급함으로써, 공기의 양에 따라 공기에 포함되는 수분량을 조절할 수 있고, 공기간의 마찰로 인한 압력을 줄임으로써 에어블로워(57)의 출력을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래의 가습기를 삭제함으로써, 구조가 간단하고 공간확보가 용이하며 이로인해 정비성이 향상되는 장점이 있고, 부품제작이 용이하여 원가를 절감할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지차량용 가습장치에 의하면, 스택에서 발생된 고온다습한 공기로부터 물을 분리시켜 이를 물탱크에 저장한 다음, 카뷰레터를 이용하여 가습된 공기를 스택에 공급함으로써, 공기의 양에 따라 공기에 포함되는 수분량을 조절할 수 있고, 공기간의 마찰로 인한 압력을 줄임으로써 에어블로워의 출력을 향상시킬 수 있다.

Claims

연료전지차량용 가습장치에 있어서,

수소과 가습된 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생하는 스택(50)(연료전지)와;

상기 스택(50)의 출구에서 생성된 고온 다습의 공기와 물을 받아 냉각시켜 물을 생성하는 에어쿨러(52)와;

상기 에어쿨러(52)에서 생성된 물을 저장하는 물탱크(53)와;

상기 물탱크(53)에 저장된 물과 외부로부터 공기를 흡입하여 상기 스택(50)의 입구에 재공급하는 가습수단;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 가습장치.
청구항 1에 있어서,

상기 에어쿨러(52)는 "U"자형 파이프 구조로 이루어지고, 상기 스택(50)에서 생성된 수분을 함유한 수증기가 상기 "U"자형 파이프를 통과하면서 차가운 외부 공기와 만나 공기 내의 포화수증기량이 감소하여 "U"자형 파이프의 단부에 물이 생성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 가습장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 가습수단은 외부의 공기를 흡입하고, 상기 공기의 압력차에 의해 물탱크(53)에 저장된 물을 흡입하여 상기 스택(50)에 가습된 공기를 공급하는 카뷰레터(51)인 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 가습장치.
청구항 3에 있어서,

상기 카뷰레터(51)의 하부에는 상기 물탱크(53)로부터 물을 흡입하기 위한 물공급파이프(54)가 설치되고, 상기 물공급파이프(54)에는 공기의 흡입량에 따라 물의 양을 조절할 수 있는 유량제어밸브(55)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 가습장치.