KR20090019980A - Recovery and recycling apparatus for hydrogen in exhaust gas of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

A recovery and recycling apparatus of a fuel cell system for hydrogen in exhaust gas is provided to reduce the amount of wasted hydrogen, and to improve system efficiency and fuel efficiency by absorbing only hydrogen from the mixing gas flowing the inside of a hollow fiber membrane, to a fuel battery. A recovery and recycling apparatus of a fuel cell system for hydrogen in exhaust gas comprises a hydrogen exhaust pipe and a hydrogen separator(26). The hydrogen exhaust pipe is connected to the outlet of the fuel anode and ejects the mixing gas. The hydrogen separator is installed at the hydrogen exhaust pipe and separates the hydrogen from the mixing gas. The hydrogen separated from the hydrogen separator is resupplied to the fuel battery along the hydrogen recirculation line. The nitrogen and moisture in the mixing gas are exhausted are ejected through an exhaust valve.

Description

연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치{recovery and recycling apparatus for hydrogen in exhaust gas of fuel cell system}Recovery and recycling apparatus for hydrogen in exhaust gas of fuel cell system}

본 발명은 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지시스템에서 수소배기배관에 중공사막을 이용한 수소분리기를 설치하고, 수소의 분리 및 이동을 위한 차압을 발생시킴으로써, 배기가스 내의 수소를 분리할 수 있도록 한 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system, and more particularly, to install a hydrogen separator using a hollow fiber membrane in a hydrogen exhaust pipe in a fuel cell system, and to provide a differential pressure for separating and moving hydrogen. The present invention relates to an apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system in which hydrogen in exhaust gas can be separated.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다. In general, a fuel cell system is a type of power generation system that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electric energy largely, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. The system consists of a heat and water management system that removes the reaction heat from the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택(이하, 연료전지(17))은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)(10)와, 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성되어 있다.FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell stack, in which a fuel cell stack (hereinafter, fuel cell 17) has an electrode / catalyst layer having an electrode / catalyst layer attached to both sides of the membrane centered on an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Maintain airtightness and proper clamping pressure of MEA (Membrane Electrode Assembly) 10, Gas Diffusion Layer (GDL), which serves to distribute the reactors evenly and transfer the generated electricity. It consists of a gasket and a fastening mechanism, and a separator plate to which the reactor bodies and the cooling water move.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극(11)”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극(12)” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다. In the solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is supplied to an anode (also called “fuel electrode 11”), and oxygen (air) is a cathode (also called a cathode, “air electrode 12” or “oxygen electrode”). Is supplied.

연료전지 구동 시 수소는 수소탱크(13)으로부터 공급되고, 저압레귤레이터를 통해 압력을 조정한 후, 수소공급 솔레노이드밸브(14) 및 배관을 거쳐서 연료전지의 연료극(11)로 공급된다. When the fuel cell is driven, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 13, the pressure is regulated through the low pressure regulator, and then supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell via the hydrogen supply solenoid valve 14 and the pipe.

연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환 시키며, 이 과정은 배기밸브(15)를 닫은 상태에서 수소블로워(16)을 가동시키게 되면, 연료전지(17)내에서 미반응된 수소는 배관을 따라 이동하고 수소블로워(16)를 거쳐 연료 극(11)으로 들어가게 된다. The unreacted hydrogen is recycled to increase the utilization rate of hydrogen, which is a fuel. When the hydrogen blower 16 is operated with the exhaust valve 15 closed, the unreacted hydrogen in the fuel cell 17 It moves along the pipe and enters the fuel electrode 11 via a hydrogen blower 16.

공기는 대기로부터 공급되고 배관을 거쳐 공기블로워(18)에 공급되고, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관을 통해 연료전지(17)의 공기극(12)으로 공급되게 된다. Air is supplied from the atmosphere and supplied to the air blower 18 via a pipe, and the air blower is supplied to the cathode 12 of the fuel cell 17 by controlling the flow rate according to the condition.

연료극(11)의 수소(H2)는 애노드의 촉매에서 H+ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막을 통해 캐소드측으로 넘어가게 된다. 공기극에 존재하는 O2가 캐소드의 촉매에서 O-이온으로 변환되고, 상기 H+ 이온과 O-이온이 반응해서 H20로 변환되게 된다. Hydrogen (H 2 ) of the anode 11 is converted to H + ions and e − in the anode catalyst, and is passed to the cathode side through the electrolyte membrane. O 2 present in the cathode is converted into O − ions in the cathode catalyst, and the H + ions and O − ions react to convert to H 2 0.

공기극(12)은 공기극으로 공급된 공기 중 O2를 사용하게 되므로, 공기중의 산소 농도보다 낮은 산소농도상태(질소가 많음)가 되고, 이 공기는 공기배기배관을 통해 나가게 된다. Since the air electrode 12 uses O 2 in the air supplied to the air electrode, the air 12 is in an oxygen concentration state (high in nitrogen) lower than the oxygen concentration in the air, and the air exits through the air exhaust pipe.

한편, 상기 공기극(12)에서 질소와 수증기가 전해질막을 통해 연료극(11)으로 이동하여 연료극에는 수소, 질소 및 수증기 등의 혼합 가스가 지나게 되고, 지나친 질소 농도는 수소의 반응성을 떨어뜨려 시스템 효율이 저하되므로, 배기밸브(15)를 작동하여 연료극의 수소 농도를 적절하게 유지하고 질소와 기타 물질의 농도를 낮추기 위해 시스템 부하에 따라 연료공급라인의 주기적인 퍼징을 한다.Meanwhile, in the cathode 12, nitrogen and water vapor move to the anode 11 through the electrolyte membrane, and a mixed gas such as hydrogen, nitrogen, and water vapor passes through the anode, and the excessive nitrogen concentration decreases the reactivity of hydrogen, thereby improving system efficiency. Since it is lowered, the exhaust valve 15 is operated to periodically purge the fuel supply line according to the system load in order to properly maintain the hydrogen concentration of the anode and to lower the concentration of nitrogen and other substances.

이때, PC(19) 등과 같은 제어부가 연료극(11)에서 질소 및 기타 물질의 농도를 감지한 센서로부터 감지신호를 입력받아 배기밸브(15)의 개폐시간 및 작동을 제어한다.At this time, the control unit such as the PC (19) receives the detection signal from the sensor for detecting the concentration of nitrogen and other substances in the anode 11 to control the opening and closing time and operation of the exhaust valve (15).

그러나, 상기 연료극에서 배기되는 가스의 양과 물질은 배기밸브의 개폐시간과 주기에 의해서 제어되므로, 시스템 운전에 사용되는 수소가 배기되는 가스에 많이 포함되어 있어 시스템 효율이 많이 저하되는 문제점이 있다.However, since the amount and the substance of the gas exhausted from the fuel electrode are controlled by the opening and closing time and the cycle of the exhaust valve, a large amount of hydrogen used in the system operation is included in the exhaust gas, thereby reducing the system efficiency.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 중공사막이 장착된 수소분리기를 수소배기배관에 설치하고, 수소재순환배관의 상대적으로 낮은 압력에 의해 중공사막의 내부를 흐르는 혼합가스로부터 수소를 흡입하여 연료전지로 재순환시킴으로써, 시스템의 효율을 향상시킬 수 있고, 대기로 버려지는 수소의 양을 줄일 수 있어 안전에도 기여할 수 있도록 한 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and the hydrogen separator equipped with the hollow fiber membrane is installed in the hydrogen exhaust pipe, and hydrogen is discharged from the mixed gas flowing inside the hollow fiber membrane by the relatively low pressure of the hydrogen recycle pipe. By inhaling and recirculating the fuel cell, it is possible to improve the efficiency of the system and to reduce the amount of hydrogen that is thrown into the atmosphere, thereby providing a hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system that contributes to safety. There is a purpose.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 있어서,The present invention for achieving the above object in the hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system,

연료극의 출구 측에 연결되어 혼합가스를 배출하는 수소배기배관; 및 상기 수소배기배관에 설치되어 혼합가스에서 수소를 분리하는 수소분리기;를 포함하여 구성되고, 상기 수소분리기에서 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되고, 혼합가스 중 질소 및 수증기는 배기밸브를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.A hydrogen exhaust pipe connected to the outlet side of the anode to discharge the mixed gas; And a hydrogen separator installed in the hydrogen exhaust pipe to separate hydrogen from the mixed gas, wherein the hydrogen separated from the hydrogen separator is supplied to the fuel cell along a hydrogen recycle line, and nitrogen and water vapor in the mixed gas. Characterized in that is discharged through the exhaust valve.

바람직한 구현예로서, 상기 수소분리기는 혼합가스 유입구, 배기가스 배출구 및 수소배출구가 세방향으로 형성된 하우징; 및 중공부가 혼합가스 유입구에서 배기가스 배출구 방향으로 형성되도록 상기 하우징의 내부에 설치된 수소분리막;을 포함하고, 상기 배기가스 배출구는 유입구의 반대측에 형성되고, 상기 수소배출구는 유입구 및 배기가스 배출구의 수직방향으로 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 혼합가스에서 수소가 수소분리막을 통해 확산되어 수소배출구로 배출되고, 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되며, 배기가스 배출구를 통해 분리된 질소 및 수증기가 배기밸브로 배출되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the hydrogen separator comprises a housing in which the mixed gas inlet, the exhaust gas outlet and the hydrogen outlet are formed in three directions; And a hydrogen separation membrane installed inside the housing such that the hollow part is formed in the direction of the exhaust gas outlet from the mixed gas inlet, wherein the exhaust gas outlet is formed on the opposite side of the inlet, and the hydrogen outlet is vertical to the inlet and the exhaust gas outlet. It is formed in the direction, the hydrogen from the mixed gas introduced through the inlet is diffused through the hydrogen separation membrane and discharged to the hydrogen outlet, the separated hydrogen is supplied back to the fuel cell along the hydrogen recycle line, separated through the exhaust gas outlet Characterized in that the nitrogen and water vapor is discharged to the exhaust valve.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 수소배출구가 수소재순환라인에 설치된 수소블로워와 연결되어, 수소의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the hydrogen outlet is connected to a hydrogen blower installed in the hydrogen recycle line, it characterized in that to promote the movement of hydrogen.

또한, 상기 수소배출구는 수소공급라인에 설치된 이젝터와 연결되고, 상기 이젝터가 수소탱크로부터 공급되는 가스를 이용하여 진공압을 만들어 상기 수소가 수소분리막을 통해 수소배출구로의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen outlet is connected to the ejector installed in the hydrogen supply line, the ejector is characterized in that the vacuum pressure by using the gas supplied from the hydrogen tank to promote the movement of the hydrogen to the hydrogen outlet through the hydrogen separation membrane do.

또한, 상기 수소배출구에는 진공펌프가 설치되고, 상기 진공펌프에 의해 진공압을 만들어 상기 수소가 수소분리막을 통해 수소배출구로의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen discharge port is provided with a vacuum pump, it characterized in that the vacuum pump by the vacuum pump to promote the movement of the hydrogen to the hydrogen discharge port through the hydrogen separation membrane.

본 발명의 다른 측면은 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 있어서,Another aspect of the present invention in the hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system,

연료극의 출구 측에 연결되어 혼합가스를 배출하는 수소배기배관; 및 상기 수소배기배관에 설치되어 혼합가스에서 질소 및 수증기를 분리하는 질소분리기;를 포함하여 구성되고, 상기 질소분리기에서 분리된 질소 및 수증기는 배기밸브를 통해 배출되고, 혼합가스 중 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되는 것을 특징으로 한다.A hydrogen exhaust pipe connected to the outlet side of the anode to discharge the mixed gas; And a nitrogen separator installed in the hydrogen exhaust pipe to separate nitrogen and water vapor from the mixed gas, wherein the nitrogen and steam separated from the nitrogen separator are discharged through an exhaust valve, and hydrogen in the mixed gas is hydrogen recycled. The fuel cell is re-supplied along the line.

바람직한 구현예로서, 상기 질소분리기는 혼합가스 유입구, 수소배출구 및 배기가스 배출구가 세방향으로 형성된 하우징; 및 중공부가 혼합가스 유입구에서 수소배출구 방향으로 형성되도록 상기 하우징의 내부에 설치된 질소분리막;을 포함하고, 상기 수소배출구는 유입구의 반대측에 형성되고, 상기 배기가스 배출구는 유입구 및 수소배출구의 수직방향으로 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 혼합가스에서 질소 및 수증기가 질소분리막을 통해 확산되어 배기가스 배출구로 배출되고, 분리된 질소 및 수증기는 배기밸브로 배출되고, 수소배출구를 통해 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the nitrogen separator comprises a housing in which the mixed gas inlet, the hydrogen outlet and the exhaust gas outlet are formed in three directions; And a nitrogen separation membrane installed inside the housing such that the hollow part is formed in the direction of the hydrogen discharge port at the mixed gas inlet port, wherein the hydrogen discharge port is formed on the opposite side of the inlet port, and the exhaust gas outlet port is in the vertical direction of the inlet port and the hydrogen outlet port. It is formed, the nitrogen and water vapor from the mixed gas introduced through the inlet is diffused through the nitrogen separation membrane is discharged to the exhaust gas outlet, the separated nitrogen and water vapor is discharged to the exhaust valve, the hydrogen separated through the hydrogen outlet is hydrogen The fuel cell is re-supplied along the recirculation line.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 수소배출구가 수소재순환라인에 설치된 수소블로워와 연결되어, 수소의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the hydrogen outlet is connected to a hydrogen blower installed in the hydrogen recycle line, it characterized in that to promote the movement of hydrogen.

특히, 상기 수소분리막 또는 질소분리막은 튜브형태의 중공사막 또는 평막인 것을 특징으로 한다.In particular, the hydrogen separation membrane or nitrogen separation membrane is characterized in that the tubular hollow fiber membrane or flat membrane.

또한, 상기 수소분리막 또는 질소분리막의 내층 또는 외층에 표면처리가 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, it characterized in that the surface treatment is performed on the inner layer or the outer layer of the hydrogen separation membrane or nitrogen separation membrane.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 의하면, 수소재순환배관의 상대적으로 낮은 압력에 의해 중공사막의 내부를 흐르는 혼합가스로부터 수소만을 흡입하여 연료전지로 재순환시킴으로써, 대기로 버려지는 수소를 재활용하여 시스템 효율 및 연비를 향상시키고, 시스템 안전에도 기여할 수 있다.As described above, according to the hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell by sucking only hydrogen from the mixed gas flowing inside the hollow fiber membrane by the relatively low pressure of the hydrogen recycle pipe By recycling the waste gas into the atmosphere, hydrogen that is thrown into the atmosphere can be recycled to improve system efficiency and fuel economy, and contribute to system safety.

또한, 배기부분의 적절한 공간은 소음기 역할을 할 수 있고, 배기되는 수소를 용이하게 희석시킬 수 있고, 밸브의 개폐제어의 강건성도 향상시킬 수 있다.In addition, the appropriate space of the exhaust portion can act as a silencer, can easily dilute the exhausted hydrogen, it can also improve the robustness of the opening and closing control of the valve.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 설명하기 위한 구성도이다.2 to 8 are diagrams for explaining the hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system according to the present invention.

전술한 바와 같이, 연료전지 차량에서 주동력원은 연료전지(17)에 공급된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 발생되는 전기에너지이다.As described above, in the fuel cell vehicle, the main power source is electric energy generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell 17.

상기 수소는 일반 차량에서 연료에 해당되고, 수소가 반응하지 않고 수소배기배관(20)을 통해 대기로 버려짐은 곧 연료가 차량 외부로 낭비되는 것이고, 에너지 효율 및 안전에도 밀접한 관련이 있다.The hydrogen corresponds to the fuel in a general vehicle, and the hydrogen is not reacted and is dumped to the atmosphere through the hydrogen exhaust pipe 20, and the fuel is wasted to the outside of the vehicle, and is closely related to energy efficiency and safety.

따라서, 상기 버려지는 수소를 재활용함으로써, 에너지 효율 및 안전성을 향상시킬 수 있다.Therefore, by recycling the discarded hydrogen, energy efficiency and safety can be improved.

본 발명은 중공사막(23)을 통해 혼합가스로부터 수소를 흡입하여 연료전지(17)로 재순환시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.The present invention focuses on allowing hydrogen to be sucked from the mixed gas through the hollow fiber membrane 23 and recycled to the fuel cell 17.

본 발명의 일실시예에 따른 수소 회수 및 재활용장치는 중공사막(23)을 이용하여 연료전지(17)의 연료극(11)에서 배기되는 가스 중 수소만을 분리해 내는 장치이다.The hydrogen recovery and recycling apparatus according to an embodiment of the present invention is a device for separating only hydrogen from the gas exhausted from the anode 11 of the fuel cell 17 using the hollow fiber membrane 23.

상기 연료극(11)은 수소탱크(13)로부터 수소를 공급받기도 하지만, 확산에 의해 공기극(12)의 질소 및 수증기 등이 전해질막을 통해 넘어오기도 한다.The anode 11 may receive hydrogen from the hydrogen tank 13, but nitrogen and water vapor of the cathode 12 may pass through the electrolyte membrane by diffusion.

연료극(11)에는 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되지 않고 잔류한 수소 외에도 질소 및 수증기가 더 포함되어 있다.The fuel electrode 11 further includes nitrogen and water vapor in addition to hydrogen remaining without being separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst.

상기 연료극(11)에는 미반응된 수소를 재활용하기 위해 수소배기배관(20)에서 분기된 수소재순환배관(21)과, 연료극(11)의 수소농도를 적절하게 유지하고 질소와 기타 물질의 농도를 낮추기 위해 시스템 부하에 따라 연료공급라인의 주기적인 퍼징을 하는 배기밸브(15)가 연결되어 있다.The anode 11 maintains the hydrogen recycle pipe 21 branched from the hydrogen exhaust pipe 20 and the hydrogen concentration of the fuel electrode 11 in order to recycle unreacted hydrogen, and maintains the concentration of nitrogen and other substances. In order to reduce the exhaust valve 15 is connected to the periodic purging of the fuel supply line according to the system load.

상기 수소재순환배관(21)에는 수소가스의 압력을 상승시켜 스택 입구로 수소를 재순환시키는 수소블로워(16)가 설치되고, 스택 입구로 보내진 혼합가스는 순수 수소가스와 섞여서 스택입구로 공급되게 된다.The hydrogen recirculation pipe 21 is provided with a hydrogen blower 16 for increasing hydrogen pressure to recycle hydrogen to the stack inlet, and the mixed gas sent to the stack inlet is mixed with pure hydrogen gas and supplied to the stack inlet.

상기 배기밸브(15)는 연료공급배관(22) 내의 수소 농도를 관리하기 위해 시스템 제어기의 명령에 따라 개폐하는 밸브로서, 배기 밸브(15) 후단에 오리피스를 다는 경우도 있고, 배기시에 소음이 발생한다. 그리고, 배기되는 가스는 희석장치를 통해 수소 농도 5% 이하로 관리된다.The exhaust valve 15 is a valve that opens and closes according to a command of a system controller to manage the hydrogen concentration in the fuel supply pipe 22. In some cases, an orifice is provided at the rear end of the exhaust valve 15. Occurs. In addition, the exhaust gas is managed at a hydrogen concentration of 5% or less through a dilution device.

여기서, 본 발명의 일실시예는 연료극(11) 출구에 연결된 수소배기배관(20)에 중공사막(23)을 장착한다.Here, in one embodiment of the present invention, the hollow fiber membrane 23 is mounted on the hydrogen exhaust pipe 20 connected to the outlet of the anode 11.

상기 중공사막(23)을 이용하여 연료극(11) 출구로부터 배출되는 혼합가스에서 수소를 분리한다.Hydrogen is separated from the mixed gas discharged from the anode 11 outlet using the hollow fiber membrane 23.

일반적인 기체의 이동은 압력차에 의한 방법과 농도차에 의한 방법으로 이루 어진다. 중공사막(23)을 이용한 기체 분리는 농도차이에 의한 확산방법을 주로 사용하며, 물질의 이동을 촉진시키기 위해 막 사이에 차압을 만들어 준다.In general, the movement of gases consists of a method of pressure difference and a method of concentration difference. Gas separation using the hollow fiber membrane 23 mainly uses a diffusion method based on a difference in concentration, and creates a differential pressure between the membranes in order to promote the movement of materials.

상기 중공사막(23)은 혼합 가스에서 일부 특수 기체만을 분리할 수 있는 막으로 가스의 분자 크기나 확산 속도의 차이로 특정 가스를 분리해 낼 수 있는 막이다. 막의 형태는 가운데에 중공부가 있는 튜브 형태의 중공사막과 평판 형태의 평막을 적용할 수 있다.The hollow fiber membrane 23 is a membrane capable of separating only some special gases from the mixed gas, and is a membrane capable of separating a specific gas due to a difference in molecular size or diffusion rate of the gas. The shape of the membrane may be applied to the hollow fiber membrane in the form of a tube with a hollow in the middle and the flat membrane in the form of a plate.

또한, 막의 흡수공(pore) 크기와 표면처리를 통해 원하는 가스나 물질을 분리할 수 있고, 흡수공 크기에 따라 정밀여과(MF) 막, 한외여과(UF)막 등의 이름으로 불리운다.In addition, the desired gas or material can be separated through the pore size and surface treatment of the membrane, and according to the size of the absorbent pore, it is called a name such as a microfiltration (MF) membrane or an ultrafiltration (UF) membrane.

상기 중공사막(23)은 도 3에 도시한 바와 같이 수 십 나노미터 ~ 수백 나노미터의 미세한 구멍(24)으로 이루어지며, 막을 통과하는 속도는 물질의 분자 크기와 막의 구멍의 크기에 따라 다양하다.As shown in FIG. 3, the hollow fiber membrane 23 is made of fine pores 24 of several tens of nanometers to several hundred nanometers, and the speed of passage through the membrane varies according to the molecular size of the material and the size of the pores of the membrane. .

본 발명에서는 매우 작은 크기의 수소분자가 다른 가스(질소나 수증기)보다 훨씬 빠르게 이동하기 때문에 혼합 가스에서 수소를 수소재순환라인에 재공급할 수 있다.In the present invention, since hydrogen molecules of very small size move much faster than other gases (nitrogen or water vapor), hydrogen can be supplied to the hydrogen recycle line in the mixed gas.

상기 막을 통해 수소의 이동효율을 향상시키기 위해 막의 내층 또는 외층에 적절한 표면처리를 할 수 있다. 예를 들면 친수성 코팅(중합)이나 소수성 코팅(중합)을 한다. 이때, 삼투압에 의해 물질 이동시에 매우 큰 차이가 발생한다.Through the membrane, an appropriate surface treatment may be applied to the inner layer or the outer layer of the membrane to improve the transfer efficiency of hydrogen. For example, hydrophilic coating (polymerization) or hydrophobic coating (polymerization) is performed. At this time, a very large difference occurs during mass transfer due to the osmotic pressure.

본 발명은 중공사막(23)을 통한 수소가스의 이동을 촉진시키기 위해 수소공급용 솔레노이드밸브(14) 앞에 설치된 이젝터(25) 또는 수소분리기(26)의 수소출구 측에 설치된 진공펌프(27)를 제공한다.The present invention provides a vacuum pump 27 installed at the hydrogen outlet side of the ejector 25 or the hydrogen separator 26 installed in front of the hydrogen supply solenoid valve 14 to promote the movement of hydrogen gas through the hollow fiber membrane (23). to provide.

상기 이젝터(25)는 도 5에 도시한 바와 같이 수소탱크(13)로부터 공급되는 고압의 수소가스를 이용하여 진공압을 만들어 중공사막(23)의 미세한 구멍(24)을 통해 필요한 유체 즉 수소를 끌어 들여서 수소탱크의 수소가스와 혼합되게 하여 연료전지(17)로 재공급한다. 이때, 이젝터(25)는 수소블로워(16)의 역할을 대신할 수 있다.As shown in FIG. 5, the ejector 25 generates a vacuum pressure by using a high pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 13 to supply the necessary fluid, ie, hydrogen, through the fine holes 24 of the hollow fiber membrane 23. It is drawn in and mixed with the hydrogen gas of the hydrogen tank, and is supplied to the fuel cell 17 again. In this case, the ejector 25 may take the role of the hydrogen blower 16.

상기 진공펌프(27)는 도 6에 도시한 바와 같이 중공사막(23)을 통해 혼합가스 내에서 수소 흡입력을 촉진하기 위한 진공압을 만드는 역할을 하고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 알려진 것이라면 제한되지 않고 채택될 수 있다.The vacuum pump 27 serves to create a vacuum pressure for promoting hydrogen suction in the mixed gas through the hollow fiber membrane 23, as shown in Figure 6, to those skilled in the art Any known one can be adopted without limitation.

본 발명에 따른 수소분리기(26)는 이젝터(25) 또는 진공펌프(27)의 진공압을 이용하여 수소재순환라인과 별도로 중공사막(23)의 미세한 구멍(24)을 통해 혼합가스에서 수소를 분리하여 연료전지(17)에 재공급할 수도 있고, 수소블로워(16)를 이용하여 도 8에 도시한 바와 같이 질소와 수증기가 시스템(고압측)과 퍼지되는 부분(저압)의 차압에 의해 중공사막의 미세한 구멍을 통과하여 배기될 수 있다.The hydrogen separator 26 according to the present invention separates hydrogen from the mixed gas through the fine holes 24 of the hollow fiber membrane 23 separately from the hydrogen recycle line by using the vacuum pressure of the ejector 25 or the vacuum pump 27. To the fuel cell 17, and by using a hydrogen blower 16, as shown in FIG. 8, the pressure of the hollow fiber membrane is reduced by the differential pressure between the system (high pressure side) and the part (low pressure) where the water vapor is purged. It can be exhausted through the fine holes.

즉, 상기 수소분리기(26)에 의해 중공사막(23)의 미세한 구멍으로 분리되는 기체는 수소이고, 도 7에 도시한 질소분리기(36)에 의해 중공사막(23)의 미세한 구멍(24)으로 분리되는 기체는 질소 및 수증기이다.That is, the gas separated into the fine pores of the hollow fiber membrane 23 by the hydrogen separator 26 is hydrogen, and the gas is separated into the fine pores 24 of the hollow fiber membrane 23 by the nitrogen separator 36 shown in FIG. 7. The gases to be separated are nitrogen and water vapor.

상기 질소분리기(36)에서 중공사막(23)을 통해 분리된 저압의 질소 및 수증기는 배기밸브(15)를 통해 대기로 배출되고, 중공사막(23)의 출구단을 통해 고압의 수소가 수소블로워(16) 측으로 이동하게 된다.The nitrogen and water vapor of the low pressure separated through the hollow fiber membrane 23 in the nitrogen separator 36 is discharged to the atmosphere through the exhaust valve 15, and the hydrogen of the high pressure is discharged through the outlet of the hollow fiber membrane 23. It moves to (16) side.

이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 수소 회수 및 재활용장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operating state of the hydrogen recovery and recycling apparatus according to the present invention by such a configuration as follows.

본 발명에 따른 수소분리기(26)에 의하면, 가장 작은 분자크기를 갖는 수소가 막을 통과하는 속도가 가장 빠르므로, 이젝터(25) 및 진공펌프(27)의 진공압에 의해 중공사막(23)의 미세한 구멍(24)으로 흡입된 수소가 수소재순환라인을 거쳐 연료전지(17)로 재공급되게 되며, 질소와 수증기는 진행방향으로 배기밸브(15)를 통해 대기로 배출된다.According to the hydrogen separator 26 according to the present invention, since the hydrogen having the smallest molecular size passes through the membrane at the fastest rate, the hollow fiber membrane 23 is removed by the vacuum pressure of the ejector 25 and the vacuum pump 27. Hydrogen sucked into the fine holes 24 is resupplied to the fuel cell 17 through the hydrogen recirculation line, and nitrogen and water vapor are discharged to the atmosphere through the exhaust valve 15 in the advancing direction.

본 발명에 따른 질소분리기(36)에 의하면, 가장 작은 분자크기를 갖는 수소가 수소블로워(16)에 의해 고압으로 수소재순환라인을 거쳐 연료전지(17)로 재공급되게 되고, 질소와 수증기는 재순환라인과 퍼지되는 부분의 차압에 의해 중공사(23)막의 미세한 구멍(24)을 통과하여 저압의 배기밸브(15)로 배출되게 된다.According to the nitrogen separator 36 according to the present invention, hydrogen having the smallest molecular size is supplied to the fuel cell 17 through a hydrogen recycle line at high pressure by a hydrogen blower 16, and nitrogen and water vapor are recycled. The differential pressure between the line and the part to be purged passes through the minute hole 24 of the hollow fiber 23 membrane and is discharged to the low pressure exhaust valve 15.

본 발명에 따른 수소 회수 및 재활용 장치는 연료전지 차량 외에도 모든 연료전지시스템에 적용될 수 있다.The hydrogen recovery and recycling apparatus according to the present invention can be applied to all fuel cell systems in addition to fuel cell vehicles.

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.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 차량의 수소공급시스템을 나타내는 구성도이고,1 is a block diagram showing a hydrogen supply system of a fuel cell vehicle according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 중공사막의 수소 회수 방법 및 원리를 설명하기 위한 단면도이고,2 is a cross-sectional view for explaining a hydrogen recovery method and principle of the hollow fiber membrane according to the present invention,

도 3은 도 2에서 중공사막의 단층사진이고,Figure 3 is a tomographic picture of the hollow fiber membrane in Figure 2,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 나타내는 구성도이고,4 is a block diagram showing a hydrogen recovery and recycling apparatus in the exhaust gas of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 나타내는 구성도이고,5 is a block diagram showing an apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 나타내는 구성도이고,6 is a block diagram showing an apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치를 나타내는 구성도이고,7 is a block diagram showing an apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention;

도 8은 도 7에서 질소분리기의 작동상태를 나타내는 도면이다.8 is a view showing an operating state of the nitrogen separator in FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : MEA 11 : 연료극10: MEA 11: fuel electrode

12 : 공기극 13 : 수소탱크12 air cathode 13 hydrogen tank

14 : 수소공급용 솔레노이드밸브14: Solenoid valve for hydrogen supply

15 : 배기밸브 16 : 수소블로워15: exhaust valve 16: hydrogen blower

17 : 연료전지 18 : 공기블로워17 fuel cell 18 air blower

19 : PC 20 : 수소배기배관19: PC 20: hydrogen exhaust piping

21 : 수소재순환배관 22 : 수소공급배관21: hydrogen recycle piping 22: hydrogen supply piping

23 : 중공사막 24 : 미세한 구멍23: hollow fiber membrane 24: fine holes

25 : 이젝터 26 : 수소분리기25: ejector 26: hydrogen separator

27 : 진공펌프 36 : 질소분리기27: vacuum pump 36: nitrogen separator

Claims (10)

연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 있어서,In the hydrogen recovery and recycling device in the exhaust gas of the fuel cell system, 연료극의 출구 측에 연결되어 혼합가스를 배출하는 수소배기배관; 및 A hydrogen exhaust pipe connected to the outlet side of the anode to discharge the mixed gas; And 상기 수소배기배관에 설치되어 혼합가스에서 수소를 분리하는 수소분리기;A hydrogen separator installed at the hydrogen exhaust pipe to separate hydrogen from the mixed gas; 를 포함하여 구성되고, 상기 수소분리기에서 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되고, 혼합가스 중 질소 및 수증기는 배기밸브를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.And hydrogen separated from the hydrogen separator is resupplied to the fuel cell along a hydrogen recycle line, and nitrogen and water vapor in the mixed gas are discharged through an exhaust valve. Hydrogen recovery and recycling device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수소분리기는 혼합가스 유입구, 배기가스 배출구 및 수소배출구가 세방향으로 형성된 하우징; 및The hydrogen separator comprises a housing in which the mixed gas inlet, the exhaust gas outlet, and the hydrogen outlet are formed in three directions; And 중공부가 혼합가스 유입구에서 배기가스 배출구 방향으로 형성되도록 상기 하우징의 내부에 설치된 수소분리막;A hydrogen separation membrane installed inside the housing such that the hollow part is formed in the direction of the exhaust gas outlet from the mixed gas inlet; 을 포함하고, 상기 배기가스 배출구는 유입구의 반대측에 형성되고, 상기 수소배출구는 유입구 및 배기가스 배출구의 수직방향으로 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 혼합가스에서 수소가 수소분리막을 통해 확산되어 수소배출구로 배출되고, 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되며, 배기가스 배 출구를 통해 분리된 질소 및 수증기가 배기밸브로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.It includes, the exhaust gas outlet is formed on the opposite side of the inlet, the hydrogen outlet is formed in the vertical direction of the inlet and exhaust gas outlet, the hydrogen in the mixed gas introduced through the inlet is diffused through the hydrogen separation membrane Hydrogen in the exhaust gas of the fuel cell system, characterized in that discharged to the discharge port, the separated hydrogen is re-supplied to the fuel cell along the hydrogen recycle line, and the separated nitrogen and water vapor is discharged to the exhaust valve through the exhaust gas outlet. Recovery and recycling unit. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 수소배출구가 수소재순환라인에 설치된 수소블로워와 연결되어, 수소의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.The hydrogen discharge port is connected to the hydrogen blower installed in the hydrogen recycle line, hydrogen recovery and recycling apparatus of the exhaust gas of the fuel cell system, characterized in that to promote the movement of hydrogen. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 수소배출구는 수소공급라인에 설치된 이젝터와 연결되고, 상기 이젝터가 수소탱크로부터 공급되는 가스를 이용하여 진공압을 만들어 상기 수소가 수소분리막을 통해 수소배출구로의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.The hydrogen outlet is connected to the ejector installed in the hydrogen supply line, the ejector is fuel by using a gas supplied from the hydrogen tank to create a vacuum pressure to promote the movement of the hydrogen to the hydrogen outlet through the hydrogen separation membrane A device for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a battery system. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 수소배출구에는 진공펌프가 설치되고, 상기 진공펌프에 의해 진공압을 만들어 상기 수소가 수소분리막을 통해 수소배출구로의 이동을 촉진하는 것을 특징 으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.A vacuum pump is installed at the hydrogen discharge port, and a vacuum pressure is generated by the vacuum pump to promote the movement of the hydrogen to the hydrogen discharge port through the hydrogen separation membrane, thereby recovering and recycling the hydrogen in the exhaust gas of the fuel cell system. . 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치에 있어서,In the hydrogen recovery and recycling device in the exhaust gas of the fuel cell system, 연료극의 출구 측에 연결되어 혼합가스를 배출하는 수소배기배관; 및 A hydrogen exhaust pipe connected to the outlet side of the anode to discharge the mixed gas; And 상기 수소배기배관에 설치되어 혼합가스에서 질소 및 수증기를 분리하는 질소분리기;A nitrogen separator installed in the hydrogen exhaust pipe to separate nitrogen and steam from the mixed gas; 를 포함하여 구성되고, 상기 질소분리기에서 분리된 질소 및 수증기는 배기밸브를 통해 배출되고, 혼합가스 중 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.And nitrogen, which is separated from the nitrogen separator, is discharged through an exhaust valve, and hydrogen in the mixed gas is resupplied to the fuel cell along a hydrogen recycle line. Hydrogen recovery and recycling device. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 질소분리기는 혼합가스 유입구, 수소배출구 및 배기가스 배출구가 세방향으로 형성된 하우징; 및The nitrogen separator comprises a housing in which the mixed gas inlet, the hydrogen outlet and the exhaust gas outlet are formed in three directions; And 중공부가 혼합가스 유입구에서 수소배출구 방향으로 형성되도록 상기 하우징의 내부에 설치된 질소분리막;A nitrogen separation membrane installed inside the housing such that the hollow part is formed in the direction of the hydrogen outlet at the mixed gas inlet; 을 포함하고, 상기 수소배출구는 유입구의 반대측에 형성되고, 상기 배기가스 배출구는 유입구 및 수소배출구의 수직방향으로 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 혼합가스에서 질소 및 수증기가 질소분리막을 통해 확산되어 배기가스 배출구로 배출되고, 분리된 질소 및 수증기는 배기밸브로 배출되고, 수소배출구를 통해 분리된 수소는 수소재순환라인을 따라 연료전지에 재공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.It includes, the hydrogen outlet is formed on the opposite side of the inlet, the exhaust gas outlet is formed in the vertical direction of the inlet and the hydrogen outlet, nitrogen and water vapor from the mixed gas introduced through the inlet is diffused through the nitrogen separation membrane Hydrogen in the exhaust gas of the fuel cell system, characterized in that discharged to the exhaust gas outlet, the separated nitrogen and water vapor is discharged to the exhaust valve, the hydrogen separated through the hydrogen outlet is re-supplied to the fuel cell along the hydrogen recycle line Recovery and recycling unit. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7, 상기 수소배출구가 수소재순환라인에 설치된 수소블로워와 연결되어, 수소의 이동을 촉진하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.The hydrogen discharge port is connected to the hydrogen blower installed in the hydrogen recycle line, hydrogen recovery and recycling apparatus of the exhaust gas of the fuel cell system, characterized in that to promote the movement of hydrogen. 청구항 2 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 2 to 8, 상기 수소분리막 또는 질소분리막은 튜브형태의 중공사막 또는 평막인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.The hydrogen separation membrane or nitrogen separation membrane is a hydrogen recovery and recycling apparatus of the exhaust gas of the fuel cell system, characterized in that the tubular hollow fiber membrane or flat membrane. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9, 상기 수소분리막 또는 질소분리막의 내층 또는 외층에 표면처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기가스 내 수소 회수 및 재활용 장치.An apparatus for recovering and recycling hydrogen in exhaust gas of a fuel cell system, characterized in that surface treatment is performed on an inner layer or an outer layer of the hydrogen separation membrane or nitrogen separation membrane.
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