KR20080078142A

KR20080078142A - 연료전지용 가습장치

Info

Publication number: KR20080078142A
Application number: KR1020070017793A
Authority: KR
Inventors: 나일채
Original assignee: 주식회사 씨엔엘에너지
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-08-27
Also published as: KR100860115B1

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습장치로 공급되는 가스의 가습장치에 관한 것으로서, 급수장치에 연결되는 물 공급관과 가스 공급장치에 연결되는 가스 공급관을 설치하여 가열수단에 의해 가열하는 가열장치와; 상기 가열장치에서 물을 가열하여 발생되는 증기를 증기 입구로 주입받고, 상기 가열장치에서 가열된 가스를 가스 입구로 주입받아 가스에 증기가 혼합되어 가습된 가스를 가습 가스 배출관을 통해 연료전지 본체로 공급하는 증발기와; 상기 증발기 내의 가스 가습량이 설정된 가습량이 되도록 상기 가열장치 및 상기 증발기의 온도를 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되며, 이에 따라 가스와 물을 미리 예열시켜 증기와 가스를 증발기에 공급하여 가습하는 것으로써 가습량을 안정되게 조절할 수 있어서 연료전지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

연료전지, 가스, 온도, 가습, 가열, 예열, 증발기, 습도센서

Description

연료전지용 가습장치{a humidifier for a fuel cell}

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 가습장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 가습장치 구성을 보인 개략 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예를 보인 연료전지의 가습장치 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 물공급장치 10a : 물공급밸브

10b : 연결밸브 11 : 물공급관

20 : 가스공급장치 20a : 가스공급밸브

21 : 가스공급관 30 : 가열장치

31, 32 : 제1, 제2가열수단 33 : 보온재

34 : 외통 35 : 뚜껑부

35a : 보온재 40 : 증발기

40a : 가스 입구 40b : 증기 입구

41 : 내부 케이스 42 : 밴드히터

43 : 보온재 44 : 외부 케이스

45 : 격벽 46 : 습도센서

47 : 응축수 배수관 48 : 가습 가스 배출관

48a : 가스 배출관 48b : 라인히터

48c : 보온재 48d : 케이스

50 : 제어장치 61, 71 : 가스 연결관

62, 72 : 증기 연결관 70 : 이중관

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로, 특히 가스와 물을 미리 예열한 후 가스와 증기를 혼합하여 가습하도록 함으로써 원하는 가습량으로 안정되게 유지하여 가습된 가스를 연료전지에 공급할 수 있도록 한 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 발전장치로서, 고분자 전해질 연료전지는 수소 양이온을 이동시키는 고문자막을 전해질로 사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위하여 전해질 막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 전해질 막이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 연료전지의 운전이 불가능하므로, 고분자 전해질 연료 전지에서 가습공정은 필수적이라 할 수 있다.

연료전지의 가스 공급장치는, 반응가스가 가스 공급원으로부터 공급된 가스의 유량을 유량조절계에서 조절하여 가습기를 통해서 가습시켜 주고, 그 가습된 가 스를 연료전지의 본체로 공급하도록 되어 있다.

종래의 가습장치의 일예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같다.

가습기는, 가스 공급원으로부터 반응가스를 공급받는 가습기 가스공급관(13)과 공급받은 반응가스의 가습을 위해 물이 들어있는 가습병(20)내로 분산시키는 가스 분산기(21), 가습병(20)을 가열하는 가습병 가열기(22), 가습병(20) 내의 물의 양을 지시하는 수위 지시관(23), 가습병(20)에서 가습된 반응가스를 연료전지(16)에 공급하는 연료전지 가스 공급관(15) 및 연료전지 가스 공급관 보온재(24)로 이루어져 있다.

그러데, 상기와 같은 연료전지의 가습장치는 가습 장치내의 가습기 통 즉, 물을 가열하여 설정온도로 유지하도록 하고 있으나, 가습을 위한 조건은 물의 온도 뿐 아니라 가스 자체의 온도도 영향을 미친다는 사실이다. 가습장치에 공급되는 가스의 온도가 달라짐으로 인해 가습장치의 가습 온도를 정밀하게 조절한다고 하더라도 가습 정도가 달라지게 된다. 이에 따라 일정한 성능을 유지하기 어렵다는 단점이 있었다.

즉, 상기와 같이 가습기 통과 가스 토출관에서 온도 조절을 한다고 하더라도, 공급되는 가스의 유량이 일정 유량 이상일 경우 사용 기체의 온도가 균일하게 유지되는 것이 대단히 어려워 일정한 습도를 유지하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같이 가습장치의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 가스와 물을 미리 예열하고, 예열된 가스와 물을 끓여 발생된 증기를 증발기에 공급하여 가습시키도록 함으로써 가습량을 정확하게 조절할 수 있도록 한 연료전지용 가습장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스와 물을 예열할 때 물 공급관을 내측에 가스 공급관을 외측에 코일형으로 설치하고 가열수단 및 보온재를 설치하여 가열장치를 구성함으로서 열효율을 높이고, 원하는 온도로 안정되게 물 및 가스를 예열하여 공급하도록 함으로써 가습량 조절이 정확해지도록 하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 증발기에서 증기와 가스를 공급하여 가습시킬때 격벽을 상하면에 설치하여 가습 효율이 좋게 하고 습도센서를 격벽 뒤에 설치하여 직접 증기 입구에 노출되지 않도록 구성함으로써 습도 량을 정확하게 검출할 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

급수장치에 연결되는 물 공급관과 가스 공급장치에 연결되는 가스 공급관을 설치하여 가열수단에 의해 가열하는 가열장치와;

상기 가열장치에서 물을 가열하여 발생되는 증기를 증기 입구로 주입받고, 상기 가열장치에서 가열된 가스를 가스 입구로 주입받아 가스에 증기가 혼합되어 가습된 가스를 가습 가스 배출관을 통해 연료전지 본체로 공급하는 증발기와;

상기 증발기내의 가스 가습량이 설정된 가습량이 되도록 상기 가열장치 및 상기 증발기의 가열 온도를 제어하는 제어장치(50)로 구성하되,

상기 증발기는,

내부 케이스의 외측에 밴드히터가 설치되고, 그 밴드히터의 외측에 보온재 및 외부 케이스가 설치되며 상기 증기 입구와, 가스 입구 및 가습 가스 배출관이 설치되어 밀폐 용기를 이루는 증발기 몸체와;

상기 내부 케이스의 상하벽에 교대로 설치되되, 대향하는 타측 벽과 소정 간격 떨어지고, 바닥면에 설치되는 격벽에는 응축수 통과부가 형성되는 복수의 격벽과;

상기 격벽과 내부 케이스에 응축되는 물을 증발기의 외부로 배기하여 상기 가열장치의 물공급관측으로 귀환 시키는 응축수 배수관;

상기 증기 입구 및 가스 입구에 대해 적어도 1개 이상의 격벽으로 가려진 내측에 설치되는 습도 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 가열장치는,

물 공급장치로부터 물을 공급받도록 연결되고 코일형태로 배관이 권회된 물공급관과;

상기 물공급관의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제1가열수단과;

상기 가스 공급장치로부터 가스를 공급받도록 연결되어 코일형태로 권회되어 상기 제1가열수단의 외측에 설치되는 가스 공급관과;

상기 가스 공급관의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제2가열수단과;

상기 제2가열수단의 외측면 및 하면을 감싸는 보온재와;

상기 보온재의 외측에 설치되어 가열장치 전체를 보호하는 외통과;

상기 외통의 상부에 결합가능하고 보온재가 설치되며, 상기 가스공급관과 상기 물공급관의 출구가 관통하여 연결되는 뚜껑부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치의 구성을 보인 개략 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 급수장치(10)에 연결되는 물 공급관과 가스 공급장치(20)에 연결되는 가스 공급관을 설치하여 가열수단에 의해 가열하는 가열장치(30)와; 상기 가열장치(30)에서 물을 가열하여 발생되는 증기를 증기 입구(40b)로 주입받고, 상기 가열장치(30)에서 가열된 가스를 가스 입구(40a)로 주입받아 가스에 증기가 혼합되어 가습된 가스를 가습 가스 배출관(48)을 통해 연료전지 본체로 공급하는 증발기(40)와, 상기 증발기(40) 내의 가스 가습량이 설정된 가습량이 되도록 상기 가열장치(30) 및 상기 증발기(40)의 온도를 제어하는 제어장치(50)를 포함하여 구성된다.

상기 증발기(40)는, 내부 케이스(41)의 외측에 밴드히터(42)가 설치되고, 그 밴드히터(42)의 외측에 보온재(43) 및 외부 케이스(44)가 설치되며, 상기 증기 입구(40b)와, 가스 입구(40a) 및 가습 가스 배출관(48)이 설치되어 밀폐 용기를 이루 는 증발기 몸체와; 상기 내부 케이스(41)의 상하벽에 교대로 설치되되, 대향하는 타측 벽과 소정 간격 떨어지고, 바닥면에 설치되는 격벽에는 응축수 통과부가 형성되는 복수의 격벽(45)과; 상기 격벽(45)과 내부 케이스(41)에 응축되는 물을 증발기(40)의 외부로 배기하여 상기 가열장치(30)의 물공급관측으로 귀환 시키는 응축수 배수관(47)과; 상기 증기 입구(40b) 및 가스 입구(40a)에 대해 적어도 1개 이상의 격벽으로 가려진 내측에 설치되는 습도 센서(46)를 포함하여 구성된다.

상기 가열장치(30)는, 물 공급장치(10)로부터 물을 공급받도록 연결되고 코일형태로 배관이 권회된 물공급관(11)과; 상기 물공급관(11)의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제1가열수단(31)과; 상기 가스 공급장치(20)로부터 가스를 공급받도록 연결되고 코일형태로 권회되어 상기 제1가열수단(31)의 외측에 설치되는 가스 공급관(21)과; 상기 가스 공급관(21)의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제2가열수단(32)과; 상기 제2가열수단(32)의 외측면 및 하면을 감싸는 보온재(34)와; 상기 보온재(34)의 외측에 설치되어 가열장치 전체를 보호하는 외통(34)과; 상기 외통(34)의 상부에 결합가능하고 보온재(35a)가 설치되며, 상기 가스공급관(21)과 상기 물공급관(11)의 출구가 관통하여 연결되는 뚜껑부(35)를 포함하여 구성된다. 여기서 상기 제1,제2가열수단(31)(32)은 밴드 히터를 사용한다.

상기 증발기(40)의 응축수 배수관(67)은 상기 급수장치(10)에에 연결된 물공급관(11)의 입구측에 연결되어 물을 귀환시킨다. 도면 부호 10a는 물 공급 밸브이며, 10B는 응축수 귀환을 위한 연결밸브이다.

상기 증발기(40)에서 가습된 가스가 배출되어 연료전지 본체로 공급하는 가 스 배출관(48)은, 가스 배관(48a)의 둘레에 라인 히터(48b)가 설치되고, 그 라인히터(48b)의 외측에 보온재(48c) 및 보호 케이스(48d)가 설치되어 구성된다.

그리고, 상기 가열장치(30)에서 상기 증발기(40)로 가스와 증기를 연결하는 가스 연결관(61)과 증기 연결관(62)에도 상기 가습 가스 배출관(48)과 마찬가지로 라인히터와 보온재를 설치하여 온도 유지가 이루어지도록 구성된다.

상기 제어장치(50)는, 상기 증발기(40)에 설치된 습도센서(46)로부터 가스에 포함되는 습도를 검출하고, 설정된 가습량이 되도록 증발기(40)의 밴드히터(42)와, 상기 가열장치(30)의 제1,제2가열수단(31)(32)을 제어하여 온도를 조절하며, 아울러 가스 배출관(48)의 라인히터(48b)도 설정온도로 제어하도록 구성되고, 조작수단 및 온도와 습도를 표시하는 표시부와, 각 히터의 구동상태 표시부 등을 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치는, 물과 가스를 미리 가열하여 증발기에 공급함으로써 안정된 가습량을 유지할 수 있도록 하는 것이다.

급수장치(10)에서 공급되는 물이 물공급관(11)으로 공급되고, 가스 공급장치(20)에서 공급되는 가스가 가스 공급관(21)으로 공급되며, 제1,제2가열수단(31)(32)을 구동시켜 가열을 시작한다. 제1,제2가열수단은 밴드 히트를 사용하며, 도면에는 도시되지 않았으나 각기 온도센서가 설치되어 가열온도를 제어하도록 구성된다. 여기서, 물 공급관(11)과 가스 공급관(21)은 코일형으로 권회시킴으로써 가열수단에 의해 가열되는 면적을 높임으로써 가열 효과를 높이는 것이며, 물 공급관(11)을 내측에 설치하고 가스 공급관(21)을 외측에 설치함으로서 물의 온도 변화 가 적게 하면서 열효율을 높여 증기로 증발기(40)측에 공급하게 된다.

이와 같이 가열장치(30)의 물공급관(11)과 가스 공급관(21)에 물과 가스가 공급되고, 가열이 시작되어 적정 온도 이상이 되면, 증발기(40)의 가스 입구(40a)와 증기 입구(40b)로 가스와 증기를 공급하게 된다. 또한, 외측에 전체를 보온재(33)로 감싸서 보온유지를 함으로써 열효율을 높임과 아울러 가스와 물(증기)의 온도 변화를 줄이고, 안정된 온도로 유지되게 한다.

그리고, 상기 가열장치(30)에서 상기 증발기(40)로 가스와 증기를 연결하는 가스 연결관(61)과 증기 연결관(62)에도 라인히터와 보온재를 설치하여 온도 유지가 이루어지도록 구성된다.

이어서, 증발기(40)에 가열된 가스와 증기가 공급되면, 가스와 증기가 혼합되면서 가습된 가스가 증발기의 가습 가스 배출관(48)을 통해서 연료전지 본체로 공급된다.

이때 증발기(40)에도 밴드히터(42)가 설치되어 가열되고, 도면에 도시되지는 않았으나 온도센서에 의해 가열온도가 제어되면서 보온재(43)에 의해 외부 보온으로 온도 유지를 한다.

상기 증발기(40)의 내부에 설치되는 격벽(45)은, 상하면에 각각 교대로 설치되고, 타측면과는 일정간격 떨어지게 설치된다. 그러므로, 증기와 가스가 격벽(45)에 부딪치면서 격벽을 통과하고, 가스 및 증기의 경로가 위아래로 변하면서 흐르게 되고, 증기가 격벽(45) 및 증발기의 내측 케이스(41)의 벽면에 부딪혀서 응축되고, 응축수는 응축수 배수관(47)으로 배수되어 다시 물공급관(11)으로 유입된다.

상기 증발기(40)의 격벽(45)은 막힌 판 형으로도 구성될 수 있으나, 가스와 증기가 부딪히면서 통과되는 망사형 구조로 구성될 수도 있다.

그리고 습도 센서(46)는 증기 입구(40B)에서 직접 증기에 노출되지 않도록 적어도 1개의 격벽(45)을 지난 위치에 설치되어 가습량을 좀더 정확히 검출할 수 있는구조로 설치된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 연료전지의 가습장치구성도이다.

상기 가열장치(30)와 상기 증발기(40) 상이에 연결되는 가스 연결관(71)과 증기 연결관(72)을 이중관(70)으로 구성하여 보온 유지를 하면서 공급하도록 구성된다.

여기서, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 가스 연결관(71) 및 증기 연결관(72)과 상기 이중관(70)의 외측에도 라인히터와 보온재를 설치하여 온도 유지를 할 수 있도록 더 포함시켜 구성된다.

이와 같이 이중관(70)으로 구성하여 가스와 증기를 증발기(40)측으로 공급하는 것은, 가열장치(30)에서의 가스 및 증기 온도와 증발기에(40)에서 가스 및 증기 온도가 안정되게 유지될 수 있도록 이동 경로상에서 온도를 유지하기 위한 구조이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 가습장치는, 가열장치를 이용하여 물을 증기로 끓이고, 가스를 적정온도가 되도록 가열하여 공급 하고, 증발기에 증기와 가스를 공급하여 가습량을 조절하는 것으로서, 적정 가습량을 인정되게 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 증발기의 구조에서 격벽을 상하면에 교대로 설치함으로써 증기가 그대로 배출관으로 나가는 것을 방지하고, 가스에 적절하게 혼합되어 가습될 수 있도록 하며, 습도센서를 격벽 되에 설치하여 증기입구에 직접 노출되지 않게 함으로써 습도량을 비교적 정확히 검출할 수 있는 효과가 있다.

Claims

연료전지의 가습장치에 있어서,

급수장치(10)에 연결되는 물 공급관과 가스 공급장치(20)에 연결되는 가스 공급관을 설치하여 가열수단에 의해 가열하는 가열장치(30)와;

상기 가열장치(30)에서 물을 가열하여 발생되는 증기를 증기 입구(40b)로 주입받고, 상기 가열장치(30)에서 가열된 가스를 가스 입구(40a)로 주입받아 가스에 증기가 혼합되어 가습된 가스를 가습 가스 배출관(48)을 통해 연료전지 본체로 공급하는 증발기(40)와,

상기 증발기(40) 내의 가스 가습량이 설정된 가습량이 되도록 상기 가열장치(30) 및 상기 증발기(40)의 온도를 제어하는 제어장치(50)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 1 항에 있어서, 상기 증발기(40)는,

내부 케이스(41)의 외측에 밴드히터(42)가 설치되고, 그 밴드히터(42)의 외측에 보온재(43) 및 외부 케이스(44)가 설치되며, 상기 증기 입구(40b)와, 가스 입구(40a) 및 가습 가스 배출관(48)이 설치되어 밀폐 용기를 이루는 증발기 몸체와;

상기 내부 케이스(41)의 상하벽에 교대로 설치되되, 대향하는 타측 벽과 소정 간격 떨어지고, 바닥면에 설치되는 격벽에는 응축수 통과부가 형성되는 복수의 격벽(45)과;

상기 격벽(45)과 내부 케이스(41)에 응축되는 물을 증발기(40)의 외부로 배기하여 상기 가열장치(30)의 물공급관측으로 귀환 시키는 응축수 배수관(47)과;

상기 증기 입구(40b) 및 가스 입구(40a)에 대해 적어도 1개 이상의 격벽으로 가려진 내측에 설치되는 습도 센서(46)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 2 항에 있어서,

상기 증발기(40)의 응축수 배수관(67)은 상기 급수장치(10)에에 연결된 물공급관(11)의 입구측에 연결밸브(10B)를 통해 연결되어 물을 귀환시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 2 항에 있어서, 상기 증발기(40)에서 가습된 가스가 배출되어 연료전지 본체로 공급하는 가스 배출관(48)은,

가스 배관(48a)의 둘레에 라인 히터(48b)가 설치되고, 그 라인히터(48b)의 외측에 보온재(48c) 및 보호 케이스(48d)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 2 항에 있어서, 상기 가열장치(30)에서 상기 증발기(40)로 가스와 증기를 연결하는 가스 연결관(61)과 증기 연결관(62)는,

연결관들의 외측에 라인히터와 보온재가 더 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가열장치(30)는,

물 공급장치(10)로부터 물을 공급받도록 연결되고 코일형태로 배관이 권회된 물공급관(11)과;

상기 물공급관(11)의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제1가열수단(31)과;

상기 가스 공급장치(20)로부터 가스를 공급받도록 연결되고 코일형태로 권회되어 상기 제1가열수단(31)의 외측에 설치되는 가스 공급관(21)과;

상기 가스 공급관(21)의 외측을 감싸도록 설치되어 가열하는 제2가열수단(32)과;

상기 제2가열수단(32)의 외측면 및 하면을 감싸는 보온재(34)와;

상기 보온재(34)의 외측에 설치되어 가열장치 전체를 보호하는 외통(34)과;

상기 외통(34)의 상부에 결합가능하고 보온재(35a)가 설치되며, 상기 가스공급관(21)과 상기 물공급관(11)의 출구가 관통하여 연결되는 뚜껑부(35)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.