KR20100076774A

KR20100076774A - 연료전지 시스템용 가습기

Info

Publication number: KR20100076774A
Application number: KR1020080134938A
Authority: KR
Inventors: 김선화; 이재준; 오용민
Original assignee: 주식회사 포스코아이씨티
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-06
Also published as: KR101012155B1

Abstract

본 발명의 목적은 가습기에서의 연료와 물의 혼합 균일도를 향상시켜 연료 전지 시스템의 전체 시스템을 안정화할 수 있는 개량된 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 소정의 길이로 연장된 분배관; 상기 분배관에 일체로 결합되고 상기 분배관과 연통된 복수의 다관; 상기 분배관의 일측 벽을 관통하여 배치되고 상기 다관의 출구 측으로 물을 분사하는 물 공급관을 포함하고, 상기 다관 중 하나 이상은 분배관의 내측으로 연장된 연장관을 구비하며, 상기 연장관의 길이는 분배관의 연료 입구에 가까운 다관일수록 더 긴 연료전지용 가습기를 제공한다.

Description

연료전지 시스템용 가습기{Humidifier of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지로 공급되는 연료와 물이 균일하게 혼합되도록 하는 가습기에 관한 것이다.

연료전지는 전기를 생산해내는 스택(stack)과 스택에 적당한 공기와 연료를 공급해주는 각종 기계 장치들을 포함한다. 연료를 공급해주는 프로세스 중 천연가스와 물을 균일하게 혼합해주는 시스템이 있는데 이를 연료전지 시스템에서는 가습기라고 칭한다. 즉, 가습기의 역할은 연료와 물을 균일하게 섞어서 반응기에서 높은 성능으로 반응할 수 있게 하는 것이고, 이 가습기의 역할에 따라 연료전지의 성능이 크게 좌우된다.

도 1에는 종래의 가습기의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 가습기(10)는 상온의 연료와 물을 적절하게 혼합하기 위해 분배기(11)에 동일한 사이즈의 다관(13a, 13b, 13c)들이 용접 결합되어 있다. 그러나 분배관의 입구와 각 튜브간의 거리에 따라 압력 값이 다르게 분포되므로, 분배기 입구에 가까운 다관(13a)과 먼 다관에서의 혼합은 균일하지 않 게 될 수 있다. 다관 입구의 압력이 동일하지 않다면 다관 내 혼합가스의 입력조건이 달라져서 균일한 혼합이 이루어지지 않으므로 전체시스템의 나쁜 성능에 영향을 미칠 뿐 아니라 각기 다른 조건으로 장시간 사용으로 인해 각 다관간의 정비 및 보수의 조건 또한 달라지는 문제점이 있다. 이에 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안을 강구할 필요성이 제기된다.

본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 가습기에서의 연료와 물의 혼합 균일도를 향상시켜 연료 전지 시스템의 전체 시스템을 안정화할 수 있는 개량된 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

소정의 길이로 연장된 분배관;

상기 분배관에 일체로 결합되고 상기 분배관과 연통된 복수의 다관;

상기 분배관의 일측 벽을 관통하여 배치되고 상기 다관의 출구 측으로 물을 분사하는 물 공급관을 포함하고,

상기 다관 중 하나 이상은 분배관의 내측으로 연장된 연장관을 구비하며,

상기 연장관의 길이는 분배관의 연료 입구에 가까운 다관일수록 더 긴 연료전지용 가습기를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 다관 및 물 공급관은 등간격으로 설치될 수 있다.

여기서, 상기 물 공급관의 다관측 단부는 상기 분배관의 내부에서 분배관과 다관의 경계에까지 연장될 수 있다.

여기서, 상기 다관 중 상기 분배관의 입구에서 가장 멀리 위치하는 다관을 제외한 모든 다관이 연장관을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 각 튜브간의 입력을 동일하게 하여 균일한 혼합연료를 생성해 낼 수 있으며, 나아가 시스템의 성능을 안정화시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 연료와 물이 좀 더 균일하게 섞이게 하기 위해 종래의 분배관의 위치에 따라 다른 압력으로 공급되는 것을 구조변경을 통해 균일하게 연료를 공급할 수 있게 한다. 도 1의 다관들의 출구에서의 압력은 배관길이 L에 따라 그 값이 달라진다. 이것은 베르누이 방정식에 의해 수식화가 가능하다. 하지만 종래의 분배기 기술에는 이런 압력 차를 고려하지 않고 제작 설계되어 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 분배관(11), 복수의 다관(131, 132, 133), 복수의 물 공급관(12a, 12b, 12c) 및 연장관(131a, 132a)을 포함한다. 상기 분배관(11)은 소정 길이로 연장된 도관으로 연료 가스를 다관(131, 132, 133)들에 통해 분배하는 기능을 한다. 상기 다관(131, 132, 133)은 상기 분배관(11)에 일체로 결합되고 상기 분배관(11)과 연통되도록 결합된다. 통상 용접에 의해 상기 다관(131, 132, 133)들과 상기 분배관(11)이 결합된다. 상기 물 공급관(12a, 12b, 12c)은 상기 분배관(11)의 일측 벽을 관통하여 배치되고 상기 다관(131, 132, 133)의 출구 측으로 물을 분사한다. 상기 다관(131, 132, 133) 중 하나 이상은 분배관(11)의 내측으로 연장된 연장관(131a, 132a)을 구비한다. 상기 연장관(131a, 132a)의 길이는 분배관(11)의 연료 입구에 가까운 다관일수록 더 길다. 즉, 도면에 도시된 것과 같이 l₁이 l₂에 비해 더 길다. 상기 연장관의 길이는 이후에 설명되는 방식에 의해 계산될 수 있다.

상기 다관(131, 132, 133) 및 물 공급관(12a, 12b, 12c)은 등간격으로 설치되는 것이 연장관(131a, 132a)의 길이를 계산함에 있어서 편리하고, 다관 내부에서 혼합되기 시작하는 연료 가스와 물이 각각의 다관으로부터 배출된 이후에서는 서로 혼합될 수 있기 때문에 그 간격이 등간격인 것이 전체적인 균일한 혼합을 위해 바람직하다.

상기 물 공급관(12a, 12b, 12c)의 다관측 단부는 도면에 도시된 것과 같이 상기 분배관의 내부에서 분배관과 다관의 경계에까지 연장되어 있고, 결과적으로 상기 다관 내에서 연료 가스와 물이 혼합되기 시작한다.

상기 다관(131, 132, 133) 중 상기 분배관(11)의 입구에서 가장 멀리 위치하는 다관(133)을 제외한 모든 다관(131, 132)이 연장관(131a, 132a)을 구비하도록 하는 것이 압력 손실을 최소화할 수 있어 바람직하다.

이하에서는 이상의 구성을 가지는 연료전지용 가습기의 구성에서 연장관이 필요한 이유와 그 길이를 계산하는 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2에서 분배관의 길이(L)에 따른 다관 내부에서의 압력차는 압력손실을 고 려한 베르누이 방정식에 의해 그 값을 수식화 할 수 있다. 수식으로 표현하면 다음과 같다.

[수학식 1]

h_f = ∑〔f * L/d * V²/ 2g〕

f: 관마찰 손실 계수

L: 관 길이 (m)

g: 중력가속도 (9.8 m/sec²)

V: 해당 관 내의 평균유속 (m/sec)

d: 관 내경 (m)

여기서, *는 곱셈 기호로 사용된다. 이하 같다.

L에 따른 압력차를 분배기에 용접되어 연결되어 있는 각 튜브의 길이(l₁, l₂)를 분배기 내부까지 연장하여 결과적으로 다관들의 길이를 각기 다르게 함으로써 압력 분포를 균일하게 한다. 다관 내부에서 연료와 물이 만날 때의 압력 조건을 동일하게 하기 위해, 압력강하 값은 다관의 길이에 기인하는 것으로부터 길이를 계산하여 적용한다.

혼합 전 연료분배관의 입구에서 각 튜브간의 거리가 달라서 입력조건이 다름에도 불구하고 동일한 사이즈와 동일한 입구의 구조로 연료를 섞어 공급하는 종래의 가습기와는 달리, 입구의 배관에 통로의 길이를 각기 다르게 변경하여 각 튜브의 압력설계를 다르게 할 수 있게 한다.

즉, 적합한 다관의 길이는 다음의 베르누이 방정식을 통해 계산이 가능하다. 유선에 흐르는 유체흐름에 따른 물리량의 관계를 나타낸 베르누이 방정식으로 살펴보면 다음과 같다.

[수학식 2]

P₁/γ₁ + V₁ ²/2g + Z₁ = P₂/γ₂ + V₂ ²/2g + Z₂ + h_l

P: 압력 (kgf/m² 또는 N/m³)

V: 유속 (m/sec)

g: 중력가속도 (보통 9.8 m/sec²)

Z: 고도(기준면으로 부터의 높이 m)

γ: 유체의 비중량 (kgf/m³ 또는 N/m³)

첨자 1, 2: 상류 및 하류의 측정위치(배관 입, 출구 또는 임의의 2지점)

h_l : 손실수두 (m)

위의 식에서 A와 B지점의 압력이 P₁, P₂이고, 배관이 수평이고, 직경이 동일한 배관에서는 Z₁= Z₂, V₁= V₂이므로 베르누이 방정식은 다음 식으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

(P₁-P₂)/γ = h_l

여기서 손실수두(h_l)는 배관의 크기(직경), 내부 표면상태(조도), 배관의 계통(System) 및 연결 상태 등 여러 가지 요인에 의하여 결정되는 값이며, 이것을 의미 있게 표현하기 위해 다시 두 개의 항으로 분류하면 다음과 같다.

[수학식 4]

h_l = h_f + h_b

첫 번째 항에서 마찰손실수두(h_f)는 관 내부에서 유동마찰에 의한 손실수두를 말하며 다음 식으로 산출 할 수 있다.

[수학식 5]

h_f = ∑〔f * L/d * V²/ 2g〕

f: 관마찰 손실 계수 (도표 또는 경험식으로 구함)

L: 관 길이 (m)

g: 중력가속도 (9.8 m/sec²)

V: 해당 관 내의 평균유속 (m/sec)

d: 관 내경 (m)

두 번째 항에서 부차적 손실수두(h_b)는 관 입구의 형상, 배관 부품의 종류와 이음매 등 관의 연결 상태에 의하여 부차적으로 발생하는 저항손실수두이다.

[수학식 6]

h_b = ∑〔k * V²/2g〕

k: 부차적 저항손실 계수

여기서 마찰손실수두에서 손실은 배관의 길이에 비례함을 볼 수 있다. 즉, 배관의 위치에 따라 압력 값이 달라지며, 각 위치에 동일한 압력을 유지하기 위해 서는 손실되는 압력을 보상하거나 혹은 손실되지 않은 부위의 압력을 임의의 계산 가능한 압력으로 손실을 줄 수 있다. 압력도 배관의 길이에 대한 함수로서 계산이 가능하다. 즉, 또 다른 배관을 길이를 조정함으로 위치에 따른 압력 차를 줄일 수 있다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 가습기의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 100: 연료전지용 가습기

11: 분배관

12a, 12b, 12c: 물 공급관

13a, 13b, 13c, 131, 132, 133: 다관

14: 연료 흐름

131a, 132a: 연장관

Claims

소정의 길이로 연장된 분배관;

상기 분배관에 일체로 결합되고 상기 분배관과 연통된 복수의 다관;

상기 분배관의 일측 벽을 관통하여 배치되고 상기 다관의 출구 측으로 물을 분사하는 물 공급관을 포함하고,

상기 다관 중 하나 이상은 분배관의 내측으로 연장된 연장관을 구비하며,

상기 연장관의 길이는 분배관의 연료 입구에 가까운 다관일수록 더 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,

상기 다관 및 물 공급관은 등간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,

상기 물 공급관의 다관측 단부는 상기 분배관의 내부에서 분배관과 다관의 경계에까지 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,

상기 다관 중 상기 분배관의 입구에서 가장 멀리 위치하는 다관을 제외한 모 든 다관이 연장관을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.