KR20110027977A - 연료 전지용 가습 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치는, 연료 전지 스택으로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 막 가습기로 공급하며, 상기 막 가습기에서 상기 배출 공기에 의해 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하며, 습도가 낮아진 상태의 상기 배출 공기를 배출하고, 상기 배출 공기의 일부가 재순환하며 상기 배출 공기에 의해 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 막 가습기로 공급하는 구조로 이루어진다.
연료 전지, 가습, 막 가습기, 재순환

Description

연료 전지용 가습 장치 {HUMIDIFICATION SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택으로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 이용하여 연료 전지를 가습할 수 있도록 하는 연료 전지용 가습 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 전기 화학적인 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지 시스템은 그 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식과, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로 구분할 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 통상적으로 리포머(Reformer)라 불리우는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨 다.
여기서, 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류의 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.
그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 그 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응으로서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.
한편, 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 연료를 직접적으로 제공받아 그 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
이와 같은 연료 전지 시스템은 기본적으로 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택에 연료(개질 가스)를 공급하는 연료 공급부와, 연료 전지 스택에 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급부와, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 그 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
따라서 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
이 경우, 연료 전지 스택에서는 반응하고 남은 공기와 수분을 포함하고 있는 고온의 배출 공기를 배출하는 바, 이 배출 공기는 연료 전지 스택의 공급 공기에 비해 온도가 5~10도 가량 높고, 상대 습도가 거의 100%이므로 다량의 수증기를 함유하고 있다.
한편, 연료 전지 시스템에서는 원활한 화학 반응을 위해 가습 공기가 필요한데, 일 예로서 연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기와 외기인 건조 공기를 혼합하여 연료 전지 스택으로 공급하는 재순환(recycle) 방식의 가습이 이루어진다.
도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 종래 기술에 따른 연료 전지용 가습 장치는 공기 공급부(1)를 통해 공급되는 외기의 건조 공기를 제1 블로워(blower)(3)를 통해 강제 송풍하여 믹서(Mixer)(5)로 공급하고, 연료 전지 스택(9)의 출구로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 제2 블로워(7)를 통해 믹서(5)로 공급할 수 있는 구성으로 이루어진다.
따라서, 상기 가습 장치는 연료 전지 스택(9)에서 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시킴으로써 믹서(5)에서 배출 공기와 건조 공기 간의 수분 교환을 통해 건조 공기의 가습이 이루어지며, 그 믹서(5)에서 가습된 공기를 연료 전지 스택(9)에 공급한다.
도면에서 참조 부호 2는 공기 공급부(1)로부터 공급되는 공기를 필터링 하기 위한 에어 필터를 나타내고, 참조 부호 4는 연료 전지 스택(9)의 출구로부터 배출되는 배출 공기의 일부를 제2 블로워(7)로 공급하고 나머지를 대기 중으로 방출하기 위한 밸브를 나타낸다.
한편, 종래 기술에 따른 다른 예로서의 가습 장치는 중공사막이나 필름 형태의 막(당 업계에서는 통상적으로 "막 가습기" 라고 한다)을 이용하여 연료 전지 스택(9)으로부터 배출되는 배출 공기 중의 수분을 공급 공기와 교환시켜 가습하는 막 가습기 방식을 채용할 수도 있다.
여기서, 막 가습기는 연료 저지 스택(9)에서 고온으로 배출되는 배출 공기 중의 수분과 열을 중공사막의 막 표면을 통해 상온의 건조 공기에 공급함으로써 연료 전지 스택(9)의 가습과 온도 유지를 달성하게 된다.
연료 전지의 운전 성능에 가장 직접적인 영향을 미치는 요인 중 하나는 연료 전지의 핵심 구성 요소인 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)의 전해질막과 촉매층 내의 이오노머(ionomer)에 일정량 이상의 수분을 공급하여 함수율을 유지시킴으로써, 전해질막과 이오노머 자체가 보유하고 있는 이온 전도도의 최대 성능을 얻는 것이다.
이에, 상기한 가습 장치의 역할은 연료 전지 스택(9)에서 배출되는 배출 공기를 그 스택(9)으로 재순환시켜 연료 전지 스택(9)의 입구 공기(이하에서는 편의상 "공급 공기" 라고 한다)를 가습함으로써, 연료 전지 스택의 가습을 달성하는 것이다.
그런데, 종래 기술에 따른 연료 전지용 가습 장치는 연료 전지 스택(9)의 전기 화학적인 반응 시, 공기 중의 산소가 소모되므로 배출 공기 중의 산소 몰분율이 연료 전지 스택(9)으로 공급되는 공급 공기 보다 낮아지게 된다.
따라서, 상기와 같이 연료 전지 스택(9)으로부터 배출되는 배출 공기의 일부 가 연료 전지 스택(9)으로 재순환될 때, 공급 공기 중의 산소 몰분율은 낮아지게 된다.
이렇게 공급 공기의 산소 몰분율이 낮아지는 것은 연료 전지 스택(9)에서 반응하는 공기의 산소 농도가 낮아지는 것을 의미하며, 그 농도의 손실에 의해 연료 전지 스택(9)의 성능을 떨어뜨리는 요인으로서 작용하게 된다.
이로써, 종래 기술에 따른 재순환 방식의 연료 전지용 가습 장치는 연료 전지의 가습을 위하여 연료 전지 스택(9)에서 배출되는 배출 공기의 재순환율을 높이는 데는 한계가 따른다.
즉, 상기와 같이 연료 전지 스택(9)에서 배출되는 배출 공기의 재순환 만을 통해서는 산소 몰분율의 감소, 산소 당량비의 감소로 인해 막 가습기를 사용하는 연료 전지의 성능을 유지하기가 어렵다는 것이다.
또한, 종래 기술에 따른 재순환 방식의 연료 전지용 가습 장치는 공급 공기를 믹서(5)로 공급하는 제1 블로워(3)와, 연료 전지 스택(9)의 출구로부터 배출되는 배출 공기를 믹서(5)로 공급하는 제2 블로워(7)를 구비하므로, 전체 장치 및 더 나아가 연료 전지 시스템의 전체 구조를 복잡하게 만든다는 문제점도 내포하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료 전지의 가습을 위해 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출 공기의 막 가습과, 배출 공기의 재순환을 통한 재순환 가습을 동시에 적용 가능한 연료 전지 가습 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치는, 연료 전지 스택으로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 막 가습기로 공급하며, 상기 막 가습기에서 상기 배출 공기에 의해 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하며, 습도가 낮아진 상태의 상기 배출 공기를 배출하고, 상기 배출 공기의 일부가 재순환하며 상기 배출 공기에 의해 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 막 가습기로 공급하는 구조로 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습 장치는, ⅰ)연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 공기 공급원으로부터 공급되는 공급 공기를 가습하는 재순환 가습유닛과, ⅱ)상기 재순환 가습유닛과 연결되게 구성되고, 상기 배출 공기의 나머지를 제공받아 상기 재순환 가습유닛으로부터 공급되는 가습 공기를 중공사막을 통해 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 막 가습기를 포함한다.
상기 연료 전지용 가습 장치는, 상기 재순환 가습유닛 및 상기 막 가습기로 공급되는 상기 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 재순환 가습유닛은 상기 공급 공기와 상기 배출 공기를 혼합하기 위한 믹서와, 상기 믹서에서 혼합된 가습 공기를 상기 막 가습기로 강제 송풍하기 위한 블로워를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 막 가습기는 상기 블로워와 상기 연료 전지 스택의 공기 주입부에 연결되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 조절 밸브는 상기 연료 전지 스택의 공기 배출부와 상기 믹서를 연결하는 제1 연결 라인에 설치되며, 제2 연결라인을 통해 상기 막 가습기와 연결되는 3-웨이 밸브로서 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습 장치는, ⅰ)연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기의 전량을 제공받아 공기 공급원으로부터 공급되는 공급 공기를 중공사막을 통해 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 막 가습기와, ⅱ)상기 막 가습기와 연결되게 구성되고, 상기 막 가습기를 통과하며 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 상기 공급 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 막 가습기로 공급하는 재순환 가습유닛을 포함한다.
상기 연료 전지용 가습 장치는, 상기 막 가습기로부터 습도가 낮아진 상태로 배출되고, 상기 재순환 가습유닛으로 일부 공급되며, 나머지가 대기 중으로 방출되는 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 재순환 가습유닛은 상기 공기 공급원에 의해 연료 전지 스택으로 공급되는 상기 공급 공기와 상기 막 가습기로부터 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기를 혼합하는 믹서와, 상기 믹서에서 혼합된 가습 공기를 상기 막 가습기로 강제 송풍하기 위한 블로워를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 막 가습기는 상기 블로워와 상기 연료 전지 스택의 공기 주입부에 연결되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지용 가습 장치에 있어서, 상기 조절 밸브는 상기 막 가습기와 대기를 연결하는 제1 연결라인에 설치되며, 제2 연결라인을 통해 상기 믹서와 연결되는 3-웨이 밸브로서 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환 가습유닛을 통해 재순환하여 공급 공기의 가습이 이루어지고, 배출 공기의 나머지를 막 가습기로 공급하여 재순환 가습유닛을 통해 가습된 공기의 막 가습이 이루어질 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 배출 공기의 재순환 가습과 막 가습이 동시에 이루어지므로, 기존의 막 가습기 만을 사용하는 연료 전지 시스템의 가습량 이상을 만족시킬 수 있고, 막 가습기의 용량 및 크기를 줄일 수 있기 때문에 공기의 압력 강하가 감소하여 블로워의 풍량이 증대시킬 수 있다.
이로 인해, 본 실시예에서는 한정된 소모 전력으로 더욱 많은 양의 공기를 연료 전지 스택으로 공급할 수 있고, 연료 전지 스택 내에 수분이 쌓여 유발되는 플러딩(flooding) 문제를 줄일 수 있으며, 산소 공급량도 늘려 농도 손실에 의한 전압 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 기존의 막 가습기 만을 사용하여 연료 전지 시스템의 운전 조건에 따라 가습량을 조절하지 못했던 종래 기술과 달리, 재순환 가습유닛에 대한 배출 공기의 재순환율을 조절함으로써 연료 전지 시스템의 운전 조건에 따라 가습량을 조절할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 재순환 가습유닛에서 공급 공기와 배출 공기가 블로워 전단의 믹서에서 믹싱되기 때문에, 두 개의 블로워를 사용하는 종래 기술과 달리, 단일의 블로워 만을 사용하므로 전체 장치의 구성을 단순화시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(100)는 연료 및 산화제의 전기적인 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템에 구성된다.
여기서, 연료는 상기 연료 전지 시스템이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.
그리고, 연료는 상기 연료 전지 시스템이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.
이러한 연료 전지용 가습 장치(100)는 연료 전지 스택(10)을 구성하는 연료 전지(당 업계에서는 통상적으로 "단위 셀" 이라고 한다)의 전기 화학적인 반응이 원활하게 이루어질 수 있게 수분이 포함된 가습 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 것이다.
즉, 상기 연료 전지용 가습 장치(100)는 연료 전지 스택(10)으로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 이용하여 공기 공급원(20)을 통해 공급되는 외기의 공급 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습 장치(100)는 연료 전지의 가습을 위해 막 가습과, 배출 공기의 재순환 가습을 동시에 적용한 복합 가 습 시스템으로서 구성된다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치(100)는 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환하고, 나머지를 막 가습할 수 있는 재순환 가습유닛(30), 및 막 가습기(70)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서, 상기 재순환 가습유닛(30)은 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 공기 공급원(20)으로부터 공급되는 공급 공기를 가습하기 위한 것이다.
이러한 재순환 가습유닛(30)은 공기 공급원(20)을 통해 공급되는 공급 공기와 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 일부를 혼합하기 위한 믹서(40)를 포함한다.
상기 믹서(40)는 수분이 포함된 배출 공기와 외기인 공급 공기 간의 수분 교환을 통해 그 공급 공기의 가습이 이루어지는 것으로서, 제1 연결라인(41)을 통해 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)와 연결되게 설치되며, 별도의 관로를 통해 공기 공급원(20)과 연결된다.
그리고, 상기 재순환 가습유닛(30)은 믹서(40)에서 혼합된 배출 공기와 공급 공기의 가습 공기를 뒤에서 더욱 설명하는 막 가습기(70)로 강제 송풍하기 위한 블로워(50)를 더욱 포함하고 있다.
여기서, 상기 블로워(50)는 별도의 관로를 통해 믹서(40)와 막 가습기(70)에 연결되게 설치된다.
도면에서, 미설명된 참조 부호 60은 공기 공급원(20)을 통해 공급되는 공급 공기 중의 이물질을 필터링 하기 위한 에어 필터를 나타낸다.
본 실시예에서, 상기 막 가습기(70)는 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 나머지를 제공받아 재순환 가습유닛(30)으로부터 공급되는 가습 공기를 막 가습하여 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 것이다.
즉, 막 가습기(70)는 상기 배출 공기 중에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 재순환 가습유닛(30)으로부터 공급되는 가습 공기에 제공하여 가습하고, 이렇게 가습된 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 것이다.
이러한 막 가습기(70)는 별도의 관로를 통해 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)와 재순환 가습유닛(30)의 블로워(50)에 연결되게 설치되며, 제2 연결라인(71)을 통해 제1 연결라인(41)과 연결된다.
여기서, 상기 막 가습기(70)는 하우징(72)의 내부에 중공사막(73)을 구비하는 구조로서 이루어진다.
이 경우, 상기 막 가습기(70)는 재순환 가습유닛(30)의 블로워(50)와 연결되며 믹서(40)에서 혼합된 배출 공기와 공급 공기의 가습 공기(본 실시예에서는 편의상 "1차 가습 공기"로 정의할 수 있다)를 도입하는 제1 유입부(74)와, 제2 연결라인(71)을 통해 제1 연결라인(41)과 연결되며 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)로부터 배출되는 배출 공기의 나머지를 도입하는 제2 유입부(75)를 형성하고 있다.
그리고, 막 가습기(70)는 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)와 연결되며 제1 유입부(74)를 통해 중공사막(73)으로 유입된 상기 1차 가습 공기와 제2 유입부(75)를 통해 중공사막(73)으로 유입된 배출 공기의 수분 교환을 통해 막 가습이 이루어진 가습 공기(본 실시예에서는 편의상 "2차 가습 공기"로 정의할 수 있다)를 배출하기 위한 제1 유출부(76)를 형성하고 있다.
또한, 상기 막 가습기(70)는 중공사막(73)을 통과하며 습도가 낮아진 상태의 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 유출부(77)를 형성하고 있다.
한편, 본 실시예에서는 재순환 가습유닛(30)의 믹서(40), 및 막 가습기(70)로 공급되는 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브(80)를 더욱 포함하고 있다.
상기 조절 밸브(80)는 위에서 언급한 바 있는 제1 연결라인(41) 상에 설치되며, 제2 연결라인(71)을 통해 막 가습기(70)의 제2 유입부(75)와 연결되는 3-웨이 밸브(81)로서 이루어진다.
즉, 상기 조절 밸브(80)는 밸브의 개도를 제어함으로써 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되며 재순환 가습유닛(30)의 믹서(40)로 공급되는 배출 공기의 양과, 막 가습기(70)로 공급되는 배출 공기의 양을 조절할 수 있다.
이러한 조절 밸브(80)는 당 업계에서 널리 사용되는 통상적인 구조의 3-웨이 밸브(81)로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(100)의 작동을 하기의 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 우선 연료 전지 스택(10)에서는 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키며, 반응 부산물로서 수분을 포함하고 있는 고온의 배출 공기(당 업계에서는 "미반응 공기" 라고도 한다)를 공기 배출부(11)를 통해 배출한다.
이 과정에서, 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 일부는 제1 연결라인(41)을 통해 재순환 가습유닛(30)의 믹서(40)로 공급된다.
그리고, 공기 공급원(20)은 외기인 공급 공기를 흡입하여 믹서(40)로 공급한다.
여기서, 상기 믹서(40)로 공급되는 배출 공기의 양은 조절 밸브(80)의 개도를 제어함으로써 조절할 수 있다.
따라서, 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 일부와 공기 공급원(20)을 통해 제공되는 공급 공기가 믹서(40)에서 혼합됨으로, 그 믹서(40)에서는 수분이 포함된 배출 공기와 외기인 공급 공기 간의 수분 교환을 통해 그 공급 공기의 가습이 이루어진다.
이렇게 믹서(40)에서 가습된 공기(1차 가습 공기)는 블로워(50)를 통해 막 가습기(70)로 강제 송풍되는데, 막 가습기(70)의 제1 유입부(74)를 통해 중공사 막(73)으로 유입된다.
한편, 상기에서와 같은 과정을 거치는 동안, 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 나머지는 제1 연결라인(41)에서 제2 연결라인(71)을 통해 막 가습기(70)로 공급된다.
여기서, 상기 막 가습기(70)로 공급되는 배출 공기의 양은 조절 밸브(80)의 개도를 제어함으로써 조절할 수 있으며, 그 배출 공기는 막 가습기(70)의 제2 유입부(75)를 통해 중공사막(73)으로 유입된다.
따라서, 막 가습기(70)에서는 중공사막(73)을 통해 상기 1차 가습 공기와 배출 공기의 수분 교환에 따른 가습이 이루어지며, 그 가습 공기(2차 가습 공기)는 막 가습기(70)의 제1 유출부(76)를 통해 배출되며, 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)를 통해 연료 전지로 공급된다.
그리고, 상기 막 가습기(70)에서 중공사막(73)을 통과하며 습도가 낮아진 상태의 배출 공기는 제2 유출부(77)를 통해 유출되며 대기 중으로 방출된다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(100)는 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환 가습유닛(30)을 통해 재순환하여 공급 공기의 가습이 이루어지고, 배출 공기의 나머지를 막 가습기(70)로 공급하여 재순환 가습유닛(30)을 통해 가습된 공기의 막 가습이 이루어질 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기를 그대로 재순환에 사용함으로서 배출 공기의 재순환에 의한 가습 효과가 크고, 막 가습기(70)에 열과 수분을 제공하는 배출 공기의 유량이 줄어들기 때문에 그 막 가습기(70)의 가습량은 줄어들게 된다.
이로써, 본 실시예에서는 막 가습기(70)의 용량 및 크기를 줄일 수 있게 되고, 나머지 가습량을 배출 공기의 재순환을 통해 만족할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 배출 공기의 재순환 가습과 막 가습이 동시에 이루어지므로, 기존의 막 가습기 만을 사용하는 연료 전지 시스템의 가습량 이상을 만족시킬 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 막 가습기(70)의 용량 및 크기를 줄임으로써 공기의 압력 강하가 감소하여 블로워(50)의 풍량이 증가하게 된다.
이는 공기 공급을 위한 기설정된 소모전력으로 더욱 더 많은 양의 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있게 하며, 연료 전지 스택(10) 내에 수분이 쌓여 유발되는 플러딩(flooding) 문제를 줄여 주고, 산소 공급량도 늘려 농도 손실에 의한 전압 손실을 줄일 수 있게 한다.
즉, 블로워(50)의 풍량이 증가함은 배출 공기의 재순환 시에 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 산소 몰분율이 감소하고, 산소 당량비(stoichiometric ratio)가 감소함으로써 나타나는 농도 전압 손실을 줄여 주는 요인으로서 작용하게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 기존의 막 가습기 만을 사용하여 연료 전지 시스템의 운전 조건에 따라 가습량을 조절하지 못했던 종래 기술과 달리, 조절 밸브(80)를 통해 재순환 가습유닛(30)에 대한 배출 공기의 재순환율을 조절함으로써 연료 전지 시스템의 운전 조건에 따라 가습량을 조절할 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는 재순환 가습유닛(30)에서 공급 공기와 배출 공기가 블로워(50) 전단의 믹서(40)에서 믹싱되기 때문에, 두 개의 블로워를 사용하는 종래 기술과 달리, 단일의 블로워(50) 만을 사용하므로 전체 장치의 구성을 단순화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(200)는 전기 실시예의 구성을 기본으로 하면서 막 가습기(130)와 재순환 가습유닛(140)의 배열을 달리할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 막 가습기(130)는 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 전량을 제공받아 공기 공급원(20)으로부터 공급되는 공급 공기를 중공사막(131)을 통해 가습하고, 그 가습된 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 막 가습기(130)의 제2 유입부(135)는 관로를 통해 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)와 연결되고, 막 가습기(130)의 제1 유출부(136)는 관로를 통해 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)와 연결된다.
본 실시예에서, 상기 재순환 가습유닛(140)은 막 가습기(130)를 통과하며 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 공기 공급원(20)으로부터 공급되는 공급 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 막 가습기(130)로 공급 할 수 있는 구조로 이루어진다.
상기 재순환 가습유닛(140)은 막 가습기(130)와 연결되게 구성되는 바, 공기 공급원(20)을 통해 공급되는 공급 공기와 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)를 통해 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부를 혼합하기 위한 믹서(150)를 포함한다.
상기 믹서(150)는 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)를 통해 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부와 외기인 공급 공기 간의 수분 교환을 통해 그 공급 공기의 가습이 이루어지는 것으로서, 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)와 대기를 연결하는 제1 연결라인(151), 및 제1 연결라인(151)에 연결되는 제2 연결라인(152)을 통하여 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)와 연결되게 구성된다.
이 경우, 상기 믹서(150)는 별도의 관로를 통해 공기 공급원(20)과 연결된다.
그리고, 상기 재순환 가습유닛(140)은 믹서(150)에서 혼합된 배출 공기와 공급 공기의 가습 공기를 막 가습기(130)로 강제 송풍하기 위한 블로워(160)를 더욱 포함하고 있다.
여기서, 상기 블로워(160)는 별도의 관로를 통해 믹서(150)와 막 가습기(130)의 제1 유입부(134)에 연결된다.
도면에서, 미설명된 참조 부호 170은 공기 공급원(20)을 통해 공급되는 공급 공기 중의 이물질을 필터링 하기 위한 에어 필터를 나타낸다.
한편, 본 실시예에서는 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)를 통해 습도가 낮 아진 상태로 배출되고, 재순환 가습유닛(140)의 믹서(150)로 일부 공급되며, 나머지가 대기 중으로 방출되는 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브(180)를 더욱 포함하고 있다.
상기 조절 밸브(180)는 위에서 언급한 바 있는 제1 연결라인(151) 상에 설치되며, 제2 연결라인(152)을 통해 믹서(150)와 연결되는 3-웨이 밸브(181)로서 이루어진다.
즉, 상기 조절 밸브(180)는 밸브의 개도를 제어함으로써 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)를 통해 습도가 낮아진 상태로 배출되며, 재순환 가습유닛(140)의 믹서(150)로 일부 공급되고, 나머지가 대기 중으로 방출되는 배출 공기의 양을 조절할 수 있다.
이러한 조절 밸브(180)는 당 업계에서 널리 사용되는 통상적인 구조의 3-웨이 밸브(181)로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(200)의 작동을 하기의 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 우선 연료 전지 스택(10)에서는 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키며, 반응 부산물로서 수분을 포함하고 있는 고 온의 배출 공기를 공기 배출부(11)를 통해 배출한다.
이 과정에서, 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)를 통해 배출되는 배출 공기의 전량은 막 가습기(130)의 제2 유입부(135)를 통해 중공사막(131)으로 유입된다.
그리고, 공기 공급원(20)은 외기인 공급 공기를 흡입하여 믹서(150)로 공급하고, 본 장치(100)의 초기 작동 시 상기 믹서(150)로 공급된 공급 공기는 블로워(160)를 통해 막 가습기(130)로 강제 송풍되는데, 막 가습기(130)의 제1 유입부(134)를 통해 중공사막(131)으로 유입된다.
따라서, 상기 막 가습기(130)에서는 중공사막(131)을 통해 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환에 따른 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기는 막 가습기(130)의 제1 유출부(136)를 통해 배출되며, 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)를 통해 연료 전지로 공급된다.
그리고, 상기 막 가습기(130)에서 중공사막(131)을 통과하며 습도가 낮아진 상태의 배출 공기는 제2 유출부(137)를 통해 유출된다.
한편, 상기에서와 같이 본 장치(100)의 초기 작동 과정을 거치는 동안, 막 가습기(130)의 제2 유출부(137)를 통해 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기는 제1 연결라인(151)을 통해 유동하는데, 그 배출 공기의 일부는 제2 연결라인(152)을 통해 재순환 가습유닛(140)의 믹서(150)로 공급되고, 나머지는 제1 연결라인(151)을 통해 대기 중으로 방출된다.
여기서, 상기 믹서(150)로 공급되거나 대기 중으로 방출되는 배출 공기의 양 은 조절 밸브(180)의 개도를 제어함으로써 조절할 수 있다.
따라서, 상기 믹서(150)로 공급되는 상기 배출 공기의 일부는 공기 공급원(20)으로부터 그 믹서(150)로 공급되는 공급 공기와 혼합됨으로, 그 믹서(150)에서는 수분이 포함된 배출 공기와 외기인 공급 공기 간의 수분 교환을 통해 그 공급 공기의 가습이 이루어진다.
이렇게 믹서(150)에서 가습된 공기는 블로워(160)를 통해 막 가습기(130)로 송풍되는데, 막 가습기(130)의 제1 유입부(134)를 통해 중공사막(131)로 유입된다.
이로써, 상기 막 가습기(130)에서는 믹서(150)에서 가습된 가습 공기와, 연료 전지 스택(10)의 공기 배출부(11)로부터 막 가습기(130)의 제2 유입부(135)를 통해 공급되는 배출 공기가 중공사막(131)을 통과하며 수분 교환에 따른 막 가습이 이루어진다.
그리고, 상기 가습된 공기는 막 가습기(130)의 제1 유출부(136)를 통해 배출되며, 연료 전지 스택(10)의 공기 주입부(13)를 통해 연료 전지로 공급되고, 막 가습기(130)에서 제2 유입부(135)를 통해 중공사막(73)을 통과하며 습도가 낮아진 상태의 배출 공기는 전술한 바 같은 과정을 통하여 재순환 된다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치(200)는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 배출 공기의 잔량을 막 가습기(130)의 열 및 수증기 공급원으로서 공급하고, 막 가습기(130)에서 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환하여 공급 공기를 가습하게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 배출 공기의 전량을 막 가습기(130)에 공급하기 때문에 그 막 가습기(130)의 가습 효과가 크고, 막 가습기(130)의 막 가습과는 독립적으로 습도가 낮아진 상태의 배출 공기를 재순환하기 때문에 배출 공기의 재순환율에 의한 가습량 조절이 용이하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 가습 장치(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 가습 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (11)

  1. 연료 전지 스택으로부터 수분을 함유한 상태로 배출되는 고온의 배출 공기를 막 가습기로 공급하며,
    상기 막 가습기에서 상기 배출 공기에 의해 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하며, 습도가 낮아진 상태의 상기 배출 공기를 배출하고,
    상기 배출 공기의 일부가 재순환하며 상기 배출 공기에 의해 상기 공급 공기의 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 상기 막 가습기로 공급하는 연료 전지용 가습 장치.
  2. 연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 공기 공급원으로부터 공급되는 공급 공기를 가습하는 재순환 가습유닛; 및
    상기 재순환 가습유닛과 연결되게 구성되고, 상기 배출 공기의 나머지를 제공받아 상기 재순환 가습유닛으로부터 공급되는 가습 공기를 중공사막을 통해 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 막 가습기
    를 포함하여 이루어지는 연료 전지용 가습 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 재순환 가습유닛 및 상기 막 가습기로 공급되는 상기 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브를 더욱 포함하는 연료 전지용 가습 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 재순환 가습유닛은,
    상기 공급 공기와 상기 배출 공기를 혼합하기 위한 믹서와, 상기 믹서에서 혼합된 가습 공기를 상기 막 가습기로 강제 송풍하기 위한 블로워를 포함하는 연료 전지용 가습 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 막 가습기는,
    상기 블로워와 상기 연료 전지 스택의 공기 주입부에 연결되게 설치되는 연료 전지용 가습 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 조절 밸브는,
    상기 연료 전지 스택의 공기 배출부와 상기 믹서를 연결하는 제1 연결 라인에 설치되며, 제2 연결라인을 통해 상기 막 가습기와 연결되는 3-웨이 밸브로서 이루어지는 연료 전지용 가습 장치.
  7. 연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기의 전량을 제공받아 공기 공급원으로 부터 공급되는 공급 공기를 중공사막을 통해 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 막 가습기; 및
    상기 막 가습기와 연결되게 구성되고, 상기 막 가습기를 통과하며 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기의 일부를 재순환시키며 상기 공급 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 상기 막 가습기로 공급하는 재순환 가습유닛
    을 포함하여 이루어지는 연료 전지용 가습 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 막 가습기로부터 습도가 낮아진 상태로 배출되고, 상기 재순환 가습유닛으로 일부 공급되며, 나머지가 대기 중으로 방출되는 배출 공기의 양을 조절하기 위한 조절 밸브를 더욱 포함하는 연료 전지용 가습 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 재순환 가습유닛은,
    상기 공기 공급원에 의해 연료 전지 스택으로 공급되는 상기 공급 공기와 상기 막 가습기로부터 습도가 낮아진 상태로 배출되는 배출 공기를 혼합하는 믹서와,
    상기 믹서에서 혼합된 가습 공기를 상기 막 가습기로 강제 송풍하기 위한 블로워
    를 포함하는 연료 전지용 가습 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 막 가습기는,
    상기 블로워와 상기 연료 전지 스택의 공기 주입부에 연결되게 설치되는 연료 전지용 가습 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 조절 밸브는,
    상기 막 가습기와 대기를 연결하는 제1 연결라인에 설치되며, 제2 연결라인을 통해 상기 믹서와 연결되는 3-웨이 밸브로서 이루어지는 연료 전지용 가습 장치.
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