KR20090097982A - 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20090097982A
KR20090097982A KR1020080023088A KR20080023088A KR20090097982A KR 20090097982 A KR20090097982 A KR 20090097982A KR 1020080023088 A KR1020080023088 A KR 1020080023088A KR 20080023088 A KR20080023088 A KR 20080023088A KR 20090097982 A KR20090097982 A KR 20090097982A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cooling water
fuel cell
humidifier
air
humidification
Prior art date
Application number
KR1020080023088A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100957365B1 (ko
Inventor
오승찬
고재준
김영민
김세훈
손익제
윤종진
이종현
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020080023088A priority Critical patent/KR100957365B1/ko
Publication of KR20090097982A publication Critical patent/KR20090097982A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100957365B1 publication Critical patent/KR100957365B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04134—Humidifying by coolants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온/가압 운전을 위해 연료전지 스택의 공기 출구측으로부터 배출되는 수증기를 포집할 수 있도록 가습기에 응축기 기능을 통합시킨 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택의 공기극에 가습 공기를 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 있어서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있도록, 상기 가습기의 소정 위치에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구; 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 연결하는 폐순환 냉각수라인; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 출구쪽에 설치되는 라디에이터와; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 입구쪽에 설치되는 물펌프; 로 구성된 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공한다.
연료전지, 가습기, 응축장치, 폐순환 냉각수라인, 수증기, 라디에이터

Description

연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치{Humidification and condensation device for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온/가압 운전을 위해 연료전지 스택의 공기 출구측으로부터 배출되는 수증기를 포집할 수 있도록 가습기에 응축기 기능을 통합시킨 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다.
연료전지 스택으로 공급된 수소가 음극 전극(연료극)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극(공기극)으로 넘어가게 되며, 연이어 양극(공기극)에 공급된 산소는 외부도선을 통해 양극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이때, 연료전지의 이론 전위는 1.23V이며, 반응식은 아래와 같다.
연료극(Anode) : H2 → 2H+ + 2e-
공기극(Cathode) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
또한, 연료전지 스택의 이론 전위 즉, 수소 내부에너지는 아래의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112008018113242-PAT00001
연료전지 스택의 이론 전위는 운전 압력, 가스 이용률 증가시 상승이 가능하고, 그리고 부하 증대시 전류 구간별 스택 성능 저하 원인은 촉매층, 멤브레인, 가스 확산층, 분리판 디자인 기술 등에 의존한다.
예를 들어, 타펠(Tafel)식으로 표현 가능한 도 10의 연료전지 특성 곡선에서 보듯이, 전류밀도가 증가함에 따라 분리판의 냉각면(유로)에서의 접촉저항이 증가하여 오믹(Ohmic) 분극(저항 손실)이 증가하는 경향을 보이게 되며, 이는 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성이 나빠지는 결과를 초래하게 된다.
참고로, 연료전지 전압은 아래와 같은 수학식 2로 표현된다.
Figure 112008018113242-PAT00002
E : 수소 내부에너지.
A, i0 : 교환 전류 밀도(평형상태에서의 전류 밀도)로서, 전극 설계/제조에 있어서 활성화 손실을 나타낸다.
in : 내부 전류로서, 전해질막 설계/제조에 있어서 연료손실을 나타낸다.
iL : 한계 전류 밀도로서, 분리판, 기체확산층 설계/제조에 있어서 농도구배손실을 나타낸다.
r : 전해질막, 분리판, 기체 확산층 설계/제조에 있어서 저항 손실을 나타낸다.
이러한 이론적 사실을 기반으로 하는 연료전지 차량에 있어서, 연료전지 스택의 출력 밀도 향상을 위해 필요한 기술로는 멤브레인과 촉매 재료 물성 향상, MEA의 반응 면적 증대, 운전 압력 및 운전 온도 증대, 가스 공급량 및 가습량 증대 등이 대표적이며, 그 중에서도 연료전지 스택의 운전 온도 증대를 위해서는 재료적인 측면에서 내구성 확보가 가능한 멤브레인 개발이 필요하고, 그리고 시스템 측면에서 빠른 운전 온도 상승 및 공급 가스 가습량 증대가 필수적이다.
그러나, 연료전지 전체 시스템 측면에서 운전 온도 상승시, 스택의 열관리는 유리하나 연료전지로부터 배출되는 배출가스의 온도 상승으로 인해 배출가스를 이용하는 가습기의 가습 측면에서는 불리하다.
즉, 연료전지 스택의 열관리 및 성능 향상을 위해서는 고온/가압 운전이 필요하지만, 고온 운전(85℃ 이상)시 배출가스 온도 상승(100℃ 부근)으로 공기 출구 측의 배출 수증기를 포집하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요하다.
이에, 고온 운전시, 가습기의 공급 물량 감소의 단점을 극복하기 위한 방법으로 운전 압력 상승을 통한 가습량 증대 기술이 가능하지만, 이 경우 운전 압력 상승을 위해 스택 출구측에 별도의 가압 장치가 필요하여 연료전지 차량의 공간적 제약이 따르는 단점이 있다.
또한, 고온 운전(80℃ 이상)시 연료전지로부터 배출되는 배출가스의 온도 상승으로 인하여, 가습기내의 재료(예를들어, 중공사막)에 대한 열화를 방지하고자 별도의 가습기 보호 기술이 필요한 단점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 대한민국 특허등록번호 제0644182호에는 스택 출구측에 별도의 응축기를 구성하고, 물탱크에 응축수를 포집한 후 가습기로 재공급하는 복잡한 구조의 연료 전지 파워 플랜트가 개시되어 있지만, 이 경우 스택의 운전 온도가 상승할수록 더욱 부피가 큰 응축시스템 구성을 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 공기극으로 가습공기를 공급하기 위한 가습기에 냉각수의 유입 및 배출구를 별도로 형성하고, 냉각수의 유입 및 배출구 간에는 라디에이터를 연결시켜, 가습기에 응축기 기능을 통합시킴으로써, 연료전지 스택의 공기 출구측에서 배출된 배출 수증기를 용이하게 포집할 수 있고, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있으며, 또한 가습기내 의 재료에 대한 열화를 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택의 공기극에 가습 공기를 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 있어서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있는 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 응축장치는: 상기 가습기의 소정 위치에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구; 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 연결하는 폐순환 냉각수라인; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 출구쪽에 설치되는 라디에이터와; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 입구쪽에 설치되는 물펌프; 로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 모터의 냉각수경로와 제어기의 냉각수경로가 더 연결되는 것을 특 징으로 한다.
또한, 상기 폐순환 냉각수라인의 모터와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 스택의 공기극에서 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인과, 이 공기배출라인과 연결되는 상기 가습기의 배출공기 유입구에 적용되는 배관의 크기를 연료전지 스택의 고온 가압 운전 조건에 맞는 크기로 채택한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
1) 연료전지 스택의 공기극과 연결되어 있는 가습기에 응축장치(냉각장치)를 직접 설치함으로써, 연료전지 스택의 고온 운전시, 스택 가스 출구측으로부터 배출되는 배출 가스 중의 수증기 포집량을 증대시킬 수 있다.
2) 가습기에 설치된 응축장치의 일구성인 폐순환 냉각수라인에 모터 및 제어기의 냉각수경로를 연결시킴으로써, 모터 및 제어기에 대한 냉각 성능 향상 및 차량의 공간 활용도를 증대시킬수 있다.
3) 연료전지 차량 운행시 발생 가능한 공급 공기의 열적 사이클(thermal cycle)로부터 MEA의 열화 가능성을 감소시킬 수 있다.
4) 연료전지 스택의 고온 운전 시스템 적용시 부하 변동에 따른 배출공기의 열적 사이클로부터 가습기내의 중공사막에 대한 열화를 방지하여 가습기의 내구성을 향상시킬 수 있다.
5) 연료전지 스택 입출구단과, 이와 연결되는 가습기의 연결 부위 배관에 대한 직경 크기를 조절하여, 연료전지 스택의 운전 압력 상승이 가능하고, 가압 운전을 위해 스택 공기 출구측의 별도로 설치되는 가압 시스템을 배제시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 연료전지 시스템의 공기공급시스템 및 그 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하고 재순환시키는 연료공급 및 재순환 시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 공기공급시스템은 도 9에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(14)과, 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인(16)과, 공기극(12)으로 가습공기를 공급하기 위한 가습기(20)와, 가습 기(20)내에 가습될 새로운 외부 공기를 공급하는 블로워(18) 등을 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 상기 공기배출라인(16)으로부터 물을 함유한 습식공기가 가습기(20)로 유입되는 동시에 공기블로워(18)로부터 흡입되어 가습기(20)를 통과하는 외부공기(건식공기)를 가습시키고, 가습된 공기는 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공급된다.
그러나, 대면적 연료전지 스택의 고온 운전(냉각수 입구 온도 85℃)시, 연료전지 스택의 공기극(12)으로부터 배출되는 배출가스 온도는 고출력 구간에서는 약 100℃까지 상승하여, 그 결과 배출가스(가습기로 들어가는 습식공기)가 수증기 상태가 되어 가습기(20)로 들어가게 되고, 이에 수증기 상태의 배출가스는 가습기(20)내에 오래 머물지 못하고 배기공기와 함께 외부로 쉽게 배출되어 가습기(20)내로 유입되는 건식공기를 충분히 수화시키지 못하는 단점이 있다.
이에, 상기 배출가스에 포함된 수증기를 포집하여 가습기로 공급하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요하다.
특히, 연료전지 스택의 열관리 및 성능 향상을 위해서는 고온/가압 운전이 필요하고, 이러한 고온 운전(85℃ 이상)시 배출가스 온도 상승(100℃ 부근)이 뒤따르게 되며, 따라서 연료전지 스택의 공기 출구측의 배출 수증기를 포집하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요한 것이다.
또한, 고온 운전(80℃ 이상)시, 배출 수증기에 의하여 가습기 재료의 열화가 발생될 수 있는 바, 이에 가습기 재료의 열화를 방지하기 위해 별도의 가습기 보호 기술이 요구된다.
물론, 첨부한 도 9에 도시된 바와 같이 상기 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 수증기 포함의 배출가스를 가습기(20)의 전단부에 독립적으로 배치된 응축기을 통하여 우선 응축시킨 후, 가습기(20)로 통과시켜 대기로 배출하는 과정으로 가습기(20)의 배출 가스 포집 물량을 증대시킬 수 있지만, 이 경우에는 연료전지 스택(10)과 가습기(20) 사이에 별도의 응축기(22)를 설치하여야 하므로, 차량 내의 공간을 많이 차지하여 공간적인 제약이 크게 작용하는 단점이 있다.
이와 같은 점을 감안하여, 본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출된 배출가스의 수증기 포집을 극대화하기 위해 가습기에 직접 응축기 기능을 통합시킨 점에 주안점이 있다.
다시 말해서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있는 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 점을 특징으로 한다.
따라서, 연료전지 스택에서 배출되는 수증기 포집을 위해 가습기 자체에 냉각 시스템을 구성하여 수증기 포집 물량을 확보할 수 있고, 또한 가습기 자체에 구성된 냉각 시스템을 모터 및 제어기의 냉각 시스템과 연결시켜 공용화시킬 수 있으며, 따라서, 차량의 공간 활용도를 크게 증대시킬 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제1실시예
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제1실시예를 나타내는 구성도이다.
상기 가습기(20)의 소정 위치에 냉각수 입구(24) 및 냉각수 출구(26)가 형성되고, 이 냉각수 입구(24) 및 냉각수 출구(26)를 폐순환 냉각수라인(30)으로 연결시킨다.
또한, 상기 폐순환 냉각수라인(30)에 라디에이터(28) 및 물펌프(32)가 나란히 장착되는 바, 상기 라디에이터(28)는 냉각수 출구(26)쪽에 인접 설치되고, 상기 물펌프(32)는 냉각수 입구(24)쪽에 인접 설치된다.
이때, 첨부한 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 가습기(20)는 사각 하우징, 또는 원통형 하우징 형태로 만들어질 수 있는 바, 상기 가습기(20)의 일측에는 공기블로워(18)로부터 유입되는 새로운 외부 공기(건식공기)가 유입되는 공기입구(34)가 형성되어 있고, 그 반대측에는 가습된 외부공기가 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공급되도록 한 공기출구(36)가 형성되어 있으며, 또한 상기 가습기(20)에는 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로부터 배출된 배출공기(가스)의 유입구(38)가 형성되어 있고, 그 반대편에는 배기구(40)가 형성되어 있다.
따라서, 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로부터 배출가스, 즉 수증기를 갖는 배출공기가 가습기(20)에 형성된 배출가스 유입구(38)를 통해 가습기(20)내로 유입되고, 동시에 냉각수(증류수와 부동액)가 상기 물펌프(32)의 구동으로 라디에이터(28)로부터 냉각수 입구(24)를 통해 가습기(20)내로 공급된다.
이에 따라, 상기 수증기가 냉각수의 냉각 작용으로 인하여 물로 포집되고, 동시에 가습기(20)내의 중공사막(42)에 대한 수화가 더욱 용이하게 이루어지게 되어, 상기 공기블로워(18)에 의하여 유입된 건식공기에 대한 가습효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
제2실시예
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제2실시예는 제1실시예의 구성을 동일하게 포함하고, 상기 폐순환 냉각수라인(30)에 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 더 설치한 점에 특징이 있다.
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 물펌프(32)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 써모스탯(46)이 장착되고, 이 써모스탯(46)의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 냉각수 출구(26)와 라디에이터(28) 사이구간까지 바이패스 라인(44)이 연결된다.
이렇게 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 설치한 이유는, 연료전지 차량의 운행 초기 및 냉시동시 공기 블로워를 통과한 공기를 이용하여 가습기의 온도 상승을 도모하기 위함이다.
다시 말해서, 연료전지 차량의 운전 초기에는 공기블로워(18)로부터 유입되는 공기의 온도가 연료전지 스택(10)의 온도보다 높기 때문에, 공기블로워(18)를 통과한 공기를 이용하여 가습기(20)의 온도를 상승시킬 수 있다.
따라서, 상기 가습기(20)의 온도 상승을 위하여 냉각수를 가습기(20)로 공급되지 않도록 하는 것이 바람직하며, 이에 가습기(20)의 설정 온도 범위 이하에서 상기 써모스탯(46)이 열리게 되어 냉각수는 바이패스 라인(44)을 통해 가습기(20)를 거치지 않고 라디에이터(28)쪽으로 흐르게 된다.
제3실시예
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제3실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제3실시예는 제1실시예의 구성을 동일하게 포함하고, 단지 연료전지 시스템에 포함되는 모터 및 제어기(연료전지 차량의 실질적인 구동을 위한 구동모터와, 그 제어기)를 함께 냉각시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 물펌프(32)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 모터(48)의 냉각수경로와 제어기(50)의 냉각수경로를 더 연결시킨다.
따라서, 상기 물펌프(32)의 구동으로 냉각수가 라디에이터(28)로부터 모터(48) 및 제어기(50)의 냉각수경로로 공급되어, 모터(48) 및 제어기(50)에 대한 냉각 작용을 한 후, 가습기(20)내로 순환된다.
예를 들어, 모터 및 제어기내의 냉각수 온도가 약 65℃ 부근으로 유지된다고 가정하고, 연료전지 스택의 운전 온도를 약 85℃로 가정하면, 이 경우 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 상대습도는 약 45% 수준 이상으로 유지가 가능하다.
제4실시예
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제4실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제4실시예는 제3실시예의 구성과 동일하고, 단지 제2실시예와 같이 폐순환 냉각수라인에 바이패스 라인과 써모스탯을 설치한 점에 특징이 있다.
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 모터(48)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 써모스탯(46)이 장착되고, 이 써모스탯(46)의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 냉각수 출구(26)와 라디에이터(28) 사이구간까지 바이패스 라인(44)이 연결된다.
이렇게 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 설치한 이유는, 제2실시예에서 설명된 바와 같이 연료전지 차량의 운행 초기 및 냉시동시 공기블로워(18)를 통과한 공기를 이용하여 가습기(20)의 온도 상승을 도모하기 위함이다.
따라서, 상기 가습기(20)의 설정 온도 범위 이하에서 상기 써모스탯(46)이 열리게 되어 냉각수는 바이패스 라인(44)을 통해 가습기(20)를 거치지 않고 라디에이터(28)쪽으로 흐르게 되어, 가습기의 온도 상승을 도모할 수 있다.
이와 같은 실시예에 설명된 바와 같이, 가습기에 응축 기능을 부여함으로써, 도 8의 그래프에 나타낸 연료전지 스택의 고온 가압 운전 조건시에도 가습량 증대가 가능하고, 상대적으로 낮은 가습 조건에서도 안정적인 운전이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 고출력 구간에서 공기 블로워의 rpm 증가로 인하여, 외부로부터 공급되는 공기의 온도가 약 100℃ 부근으로 급격히 상승하는 경우, 공기가 가습기를 통과하더라도 가습기내로 공급되는 냉각수에 의하여 일정한 온도를 항상 유지하게 되어, 결국 공급 공기의 온도 변화로 인한 열적 사이클(thermal cycle) 및 RH 사이클(RH cycle)로 인한 전극막(MEA)의 열화 가능성을 감소시킬 수 있다.
대면적 연료전지 스택의 고온 운전(냉각수 입구 온도 85℃)시, 부하 변동에 따라 스택 입출구 온도차가 약 0~10℃ 이상 발생하고, 그 결과 막 가습기의 경우 80℃ 이상의 고온 및 부하 변동에 따른 열적 사이클(thermal cycle) 조건에 노출되고, 특히 나피온 막 가습기의 경우 열적 사이클 및 고온 노출시 열화 발생 가능성이 높지만, 본 발명에서는 가습기내로 냉각수를 순환 공급시킴으로써, 연료전지 스택으로부터 배출되는 고온의 배출가스로부터 가습기를 보호하여 내구성을 확보할 수 있다.
한편, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 위해서는 스택 출구측에 별도의 가압 장치가 필요하다.
수소의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 레귤레이터 및 재순환 블로워의 사양 변경으로 적용이 가능하지만, 공기의 경우 연료전지 스택의 공기 출구측에 가압을 위한 별도의 시스템이 필요하다.
이에, 본 발명에서는 연료전지 스택(10)에서 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인(16)과, 이 공기배출라인(16)과 연결되는 상기 가습기(20)의 배출공기 유입구(38)에 적용되는 배관의 크기를 조절함으로써, 특히 도 7에 도시된 바와 같 이 배출공기 유입구(38)와 하나의 모듈을 이루며 연결된 다기관(52)의 직경을 조절함으로써, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택의 고온 가압 운전 시스템 적용시, 상기 공기배출라인(16)과, 상기 가습기(20)의 배출공기 유입구(38)와, 다기관(52)의 직경을 작게 조절하면, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제1실시예를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제3실시예를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제4실시예를 나타내는 구성도,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 대한 구조를 설명하는 개략도,
도 8은 연료전지 스택의 운전 가능 영역을 설명하는 그래프,
도 9는 종래의 연료전지 시스템의 가습기와 응축기가 별도로 설치된 것을 설명하는 구성도,
도 10은 연료전지 특성 곡선을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 12 : 공기극
14 : 공기공급라인 16 : 공기배출라인
18 : 공기블로워 20 : 가습기
22 : 응축기 24 : 냉각수 입구
26 : 냉각수 출구 28 : 라디에이터
30 : 폐순환 냉각수라인 32 : 물펌프
34 : 공기입구 36 : 공기출구
38 : 배출공기 유입구 40 : 배기구
42 : 중공사막 44 : 바이패스 라인
46 : 써모스탯 48 : 모터
50 : 제어기 52 : 다기관
54 : 모듈

Claims (6)

  1. 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택의 공기극에 가습 공기를 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 있어서,
    상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있는 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축장치는:
    상기 가습기의 소정 위치에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구;
    상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 연결하는 폐순환 냉각수라인;
    상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 출구쪽에 설치되는 라디에이터와;
    상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 입구쪽에 설치되는 물펌프;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장 착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 모터의 냉각수경로와 제어기의 냉각수경로가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
  5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 폐순환 냉각수라인의 모터와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 공기극에서 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인과, 이 공기배출라인과 연결되는 상기 가습기의 배출공기 유입구에 적용되는 배 관의 크기를 연료전지 스택의 고온 가압 운전 조건에 맞는 크기로 채택한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치.
KR1020080023088A 2008-03-13 2008-03-13 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치 KR100957365B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080023088A KR100957365B1 (ko) 2008-03-13 2008-03-13 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080023088A KR100957365B1 (ko) 2008-03-13 2008-03-13 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090097982A true KR20090097982A (ko) 2009-09-17
KR100957365B1 KR100957365B1 (ko) 2010-05-12

Family

ID=41357116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080023088A KR100957365B1 (ko) 2008-03-13 2008-03-13 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100957365B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101300092B1 (ko) * 2011-03-31 2013-08-30 충남대학교산학협력단 연료전지용 공기공급장치 및 이를 포함하는 연료전지시스템
US9923216B2 (en) 2015-11-20 2018-03-20 Hyundai Motor Company Humidifier for fuel cell
KR20200021314A (ko) * 2018-08-20 2020-02-28 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR20230023377A (ko) * 2021-08-10 2023-02-17 테라릭스 주식회사 공기압축기를 이용한 연료전지시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030018921A (ko) * 2001-08-31 2003-03-06 현대자동차주식회사 차량용 연료전지 시스템
KR20030054925A (ko) * 2001-12-26 2003-07-02 현대자동차주식회사 가습관을 이용한 연료전지 시스템
KR100534698B1 (ko) * 2003-07-11 2005-12-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템
JP4109667B2 (ja) 2004-11-24 2008-07-02 本田技研工業株式会社 加湿装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101300092B1 (ko) * 2011-03-31 2013-08-30 충남대학교산학협력단 연료전지용 공기공급장치 및 이를 포함하는 연료전지시스템
US9923216B2 (en) 2015-11-20 2018-03-20 Hyundai Motor Company Humidifier for fuel cell
KR20200021314A (ko) * 2018-08-20 2020-02-28 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
US10804550B2 (en) 2018-08-20 2020-10-13 Hyundai Motor Company Humidifier for fuel cell
KR20230023377A (ko) * 2021-08-10 2023-02-17 테라릭스 주식회사 공기압축기를 이용한 연료전지시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR100957365B1 (ko) 2010-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8216736B2 (en) Fuel cell system using evaporative cooling method
CN101227005B (zh) 用于快速加热的热集成燃料电池加湿器
KR101610392B1 (ko) 연료전지 시스템의 제어 방법
US7267900B2 (en) Fuel cell system
JP2009176422A (ja) 燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法
JP5324522B2 (ja) 燃料電池システム
JP2003017104A (ja) 燃料電池システム
US10263266B2 (en) Evaporative cooling type fuel cell system and cooling control method for the same
RU2332753C2 (ru) Терморегулирование в электрохимических топливных элементах
KR101795245B1 (ko) 연료전지 스택의 제어 장치 및 그 방법
JP4917005B2 (ja) 水除去、凍結耐久性、パージエネルギー効率及び停止／始動サイクルに起因した電圧劣化の改善
JP2013258111A (ja) 燃料電池システム
US8697298B2 (en) Fuel cell system with heater
KR100957365B1 (ko) 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치
JP2004311277A (ja) 燃料電池システム
KR20120009631A (ko) 공급가스 조절이 가능한 연료전지 시스템
KR101610063B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101481176B1 (ko) 연료전지용 공기분리장치
JP2009110684A (ja) 燃料電池システム
JP2008053144A (ja) 燃料電池システム
KR101394732B1 (ko) 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템
JP2005116256A (ja) 燃料電池コージェネレーションシステム
KR101134378B1 (ko) 가습성능 및 운전온도 향상을 위한 연료전지 시스템
US7919209B2 (en) System stability and performance improvement with anode heat exchanger plumbing and re-circulation rate
KR20040028680A (ko) 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130430

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140430

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150430

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180427

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190429

Year of fee payment: 10