KR20110060048A - 연료전지용 가습장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 직경을 갖는 중공사막을 적절하게 혼용 배열하여, 가습기로 유입되는 건조공기의 흐름방향을 조절하여 건조공기에 대한 고른 가습이 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 공기블로워에 의하여 외기로부터 공급된 건조공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 가운데 부분에는 지름이 작은 중공사막을 배열하고, 연료전지 스택에서 배출된 습윤공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 외곽 부분에는 지름이 큰 중공사막을 배열시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.
연료전지, 가습장치, 중공사막, 지름, 수분, 공기

Description

연료전지용 가습장치{Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 직경을 갖는 중공사막을 적절하게 혼용 배열하여, 가습기로 유입되는 건조공기의 흐름방향을 조절하여 건조공기에 대한 고른 가습이 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 연료전지의 작동을 위해서는 연료전지 내의 전해질 가습이 필요한데, 이때의 가습장치로는 연료전지로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 가습 장치가 사용되고 있다.
특히, 연료전지에 사용되는 가습장치로서는 전력소비량이 적고, 설치 공간이 작은 컴팩트한 가습장치가 요구되며, 이러한 요구에 따른 가습장치로는 초음파 가습, 스팀 가습, 기화식 가습 등의 종류가 있지만 연료전지에 사용되는 가습장치로서는 중공사막을 이용한 것이 적합하게 사용되고 있다.
첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 공기공급 시스템은 막 가습기를 포함하는 바, 이 막 가습기(100: 가습장치)에는 외기로부터 블로워(202)에 의하여 건조공기가 공급되고, 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출된 배출가스가 통과하게 되며, 이때 배출가스에 함유된 수분이 막 가습기내의 중공사막을 통과하면서 공급된 건조공기가 가습되는 것이다.
첨부한 도 2는 중공사막 가습장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가습장치(100)는 하우징(101: housing)을 포함하고, 이 하우징(101)에는 건조공기(air)를 도입하는 제1유입구(102) 및 건조공기를 배출하는 제1유출구(103)가 형성되어 있고, 특히 상기 하우징(101)의 내부에는 중공사막 모듈(107)이 배치되어 있으며, 또한 상기 중공사막 모듈(107) 내부에는 다수의 중공사막(106)이 수납되어 있다.
이러한 구성을 갖는 중공사막을 이용한 가습장치의 동작을 살펴보면, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 상기 하우징(101)의 제2유입구(104)로부터 중공사막 모듈(107)의 내부로 공급되면, 그 내부의 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내측으로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기(air)는 그대로 중공사막(106) 외부로 이동하여 상기 하우징(101)의 제2유출구(105)를 통해 배출된다.
한편, 블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 상기 하우징(101)의 제1유입구(102)를 통해 공급되는데, 제1유입구(102)를 통해 공급되는 건조공기(air)는 중 공사막(106)의 내측을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동되는 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 제1유출구(103)를 통하여 연료전지 스택쪽으로 공급된다.
그러나, 도 2에서 보는 바와 같이 상기 중공사막 모듈(107)은 다수의 중공사막(106)이 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 제2유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 모듈의 내부로 침투하는데 어려움이 있고, 특히 습윤 공기(air)가 확산하는 속도도 대단히 느리기 때문에 더욱 큰 어려움이 있다.
이러한 이유로 인하여, 상기 하우징(101)에 수납되어 있는 중공사막 모듈(107)에 있어서, 중공사막 모듈(107)의 외측을 통과하는 습윤공기가 하우징(101) 내에서 도 2의 은선 박스로 나타낸 중공사막 모듈(107)의 중심부로 침투하지 못하고, 도 2의 화살표에 표시된 바와 같이 주로 가장자리로 흐르게 되어, 결국 습윤공기는 중공사막 모듈(107)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
따라서, 상기 중공사막 모듈(107)에서 모듈 중심부에 위치된 중공사막은 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이러한 이유로 인하여 가습 장치의 전체적인 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 가습 장치(100)의 경우, 제1유입구(102)를 통하여 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도 2에서 은선 박스로 표시된 부분)으로 많이 흐르기 때문에 전체적인 가습 장치의 효율이 더욱 떨어지게 되는 문 제점이 있다.
이러한 문제점은 도 3의 시뮬레이션 실험 결과에서 잘 볼 수 있다.
즉, 도 3에서 보는 바와 같이 건조공기의 대부분이 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.
다시 말해서, 제1유입구(102)를 통하여 유입되는 건조공기는 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도 2에서 은선 박스 표시 부분)으로 주로 흐르고, 제2유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤공기는 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분으로 흐르다 보니, 결국 가습 장치의 가습 효율이 떨어지는 문제점이 발생하고 있다.
이러한 문제점은 특히 건조공기의 유량이 클 때, 즉 연료전지 스택에서 고출력을 낼 때 더 큰 영향을 미친다.
종래 가습장치가 갖는 또 다른 문제점을 중공사막 및 그 배열 구조에서 찾아볼 수 있다.
가습장치 즉, 막 가습기의 경우 차량용으로 적용할 수 있는 장점에도 불구하고, 사용 가능한 중공사막 재질의 가격이 매우 고가이기 때문에, 가격적인 측면에 있어서 문제가 있다.
대개, 연료전지 시스템의 저전류 영역에서는 충분한 가습을 요하고, 고출력 및 고전류 영역에서는 캐소드에서 가습을 요하지 않을 정도로 많은 양의 물이 생성되는 바, 그럼에도 불구하고 현재의 가습장치는 저전류 영역과 고전류 영역에서의 가습량에 차이를 두지 않고 가동되며, 특히 중공사막을 나피온 재질만으로 적용한 경우 고전류 영역에서도 RH=80% 이상의 가습성능을 발휘하고 있다.
또한, 현재의 막 가습기에는 동일 직경을 갖는 다수의 중공사막이 다발로 묶여진 방식으로 내설되는 바, 이 중공사막은 나피온(Nafion)이라는 물질을 주로 사용하고 있기 때문에 가격 절감 측면에 있어서 한계가 있다.
연료전지 시스템의 고전류 영역에 있어서 많은 양의 물이 생성됨과 함께 가습장치의 가습 성능이 발휘됨에 따라, 고전류 영역에서 캐소드 물질전달 저항의 증가와 더불어 플러딩(flooding)이 발생될 수 있고, 이로 인해 국부적인 캐소드 열화(starvation)을 일으켜, 결국 연료전지 촉매 열화를 가속시켜 연료전지 내구성을 감소시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기존 가습장치가 갖는 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 중공사막 모듈내에 배치되는 중공사막 다발을 중앙부에는 작은 지름의 것을 배열하고, 외곽쪽에는 큰 지름의 것을 배열하여, 건조공기에 대한 고른 가습 성능을 발휘할 수 있고, 스택에서의 플러딩 현상 및 공기 블로워의 부하 가중 등의 문제점 등을 해결할 수 있도록 한 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중공사막 모듈 및 그 내부에 배치되 는 중공사막 다발을 포함하는 연료전지용 가습장치에 있어서, 상기 중공사막 다발을 구성하는 각각의 중공사막을 서로 다른 지름을 갖는 것으로 채택하여, 상기 중공사막 모듈의 내부에 혼용된 상태로 배열시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 공기블로워에 의하여 외기로부터 공급된 건조공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 가운데 부분에는 지름이 작은 중공사막을 배열하고, 연료전지 스택에서 배출된 습윤공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 외곽 부분에는 지름이 큰 중공사막을 배열시킨 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 중공사막 모듈의 가장 중심부에는 가장 작은 지름을 갖는 제1중공사막 다발이 배열되고, 가장 외곽부에는 가장 큰 지름을 갖는 제3중공사막 다발을 배열되며, 제1 및 제3중공사막 다발의 사이에는 중간 지름을 갖는 제2중공사막 다발이 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
연료전지 가습장치용 중공사막 다발의 배열에 있어서, 중공사막 다발의 가운데 부분에는 가습 성능이 좋으면서 수분에 의하여 팽창되는 특성의 제1중공사막을 배열하고, 중공사막 다발의 외곽부분에는 제1중공사막에 비해 가습 성능이 조금 떨어지고 수분에 의하여 팽창되지 않는 제2중공사막을 배열함으로써, 종래의 가습장 치와 동등한 가습성능을 발휘하면서도 가습장치내의 압력 강하량 증가 및 블로워의 부하가 가중되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연료전지 스택 자체적으로 물이 많이 생성되는 고출력 영역에서 플러딩 현상이 발생되는 것을 방지시키는데 기여할 수 있다.
또한, 중공사막 다발 배열에 있어서, 제1중공사막만을 고가의 나피온 재질로 적용하고, 제2중공사막은 저가의 폴리에테르이미드polyetherimide) 또는 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone)을 적용하여, 가격적인 측면에서 유리한 가습장치를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치내의 중공사막 배열 구조와, 종래의 가습장치내의 중공사막 배열 구조를 비교하여 나타낸 개략도이다.
전술한 바와 같이, 연료전지용 가습장치는 그 내부에 중공사막 모듈이 내설되고, 이 중공사막 모듈내에는 다수의 중공사막이 다발 형태로 배치되어 있는 바, 블로워에 의하여 외부로부터 공급된 건조공기의 경우는 상기 중공사막 다발의 가운데 부분으로 주로 흐르고, 연료전지 스택에서 배출된 습윤공기의 경우는 상기 중공사막 다발의 외곽 부분을 따라 주로 흐르는 것으로 밝혀지고 있다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명은 중공사막 배열에 있어서 서로 다른 직경을 갖는 중공사막을 적절하게 혼용 배열하여 가습기로 유입되는 건조공기에 대한 가습성능을 향상시키면서 종래에 수반된 각종 문제점을 해결하고자 한 것이다.
이에, 본 발명은 지름이 서로 다른 다수의 고분자 중공사막을 연료전지용 가습장치인 막 가습기내에 혼용 배열하되, 중심부에서 외곽부로 갈수록 점차 큰 직경의 중공사막을 배열한 점에 특징이 있다.
다시 말해서, 지름이 서로 다른 다수의 고분자 중공사막을 연료전지용 가습장치인 막 가습기내에 혼용 배열하되, 외곽부에서 중심부로 갈수록 점차 작은 직경의 중공사막을 배열한다.
도 4를 참조하면, 종래의 막 가습기는 중공사막 모듈(10) 내에 지름이 동일한 중공사막 다발이 배열되고, 이 중공사막 다발을 통한 수분교환을 통하여 공기 가습이 이루어진다.
이에, 전술한 바와 같이 종래의 가습장치내로 유입되는 건조공기는 중공사막 모듈의 중앙부에 배열된 중공사막의 내부를 흐르고, 습윤공기는 중공사막 모듈의 가장자리 부분에 배열된 중공사막의 외부에 공급되다 보니, 결국 습윤공기가 건조공기를 가습시키는 가습 장치의 가습 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이와 달리, 본 발명의 가습장치는 중공사막 모듈(10)내에 지름이 서로 다른 중공사막을 혼용 배열하되, 중공사막 모듈의 중심부에서 외곽부로 갈수록 점차 큰 직경의 중공사막을 배열한다.
그 일례로서 도 4에서 보듯이, 중공사막 모듈(10)의 가장 중심부에는 가장 작은 지름을 갖는 제1중공사막(11) 다발을 배열하고, 가장 외곽부에는 가장 큰 지 름을 갖는 제3중공사막(13) 다발을 배열하며, 제1 및 제3중공사막(11,13) 다발의 사이에는 중간 지름을 갖는 제2중공사막(12) 다발을 배열한다.
따라서, 공기블로워에 의하여 흡입되어 가습장치내로 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 모듈(10)의 중앙부에 배열된 제1중공사막(11)쪽으로 흐르게 되지만, 제1중공사막(11)의 지름이 작기 때문에 건조공기가 제1중공사막(11)내로 들어가는 양이 작아질 수 밖에 없고, 동시에 제1중공사막(11)내로 들어가지 못한 건조공기는 그 유입되는 흐름 압력에 의하여 자연스럽게 외곽쪽으로 퍼지면서 보다 큰 직경을 갖는 제2 및 제3중공사막(12,13)내로 들어가게 된다.
이렇게, 건조공기가 중심부에 배열된 제1중공사막(11)으로 들어가되, 기존과 같이 집중적으로 몰리며 들어가지 않고, 중공사막 모듈의 외곽쪽에 순차 배열되는 제2중공사막(12)과 제3중공사막(13)내로도 원할하게 들어가게 됨에 따라, 전체 중공사막 모듈에 대한 건조공기 분배가 균일하게 이루어질 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택으로부터 가습장치의 중공사막 모듈로 유입된 배출가스 즉, 많은 양의 습윤공기가 중공사막 다발의 외곽쪽으로 흐르게 되는 바, 중공사막 모듈(10)의 최외곽으로부터 공급되는 습윤공기가 제3중공사막(13) 또는 제2중공사막(12)의 내부로 원할하게 확산됨과 동시에 제1중공사막(11) 뿐만아니라 제3중공사막(13) 및 제2중공사막(12)내를 흐르는 건조공기에 충분한 수분을 제공하여, 결국 스택으로 공급되는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 중공사막 모듈의 외곽쪽에 배열된 제3중공사막(13)의 경우, 그 지름이 크기 때문에 서로간의 간격인 공극이 커질 수 밖에 없고, 이러한 공극 사이로 습윤 공기가 원할하게 들어가서 중공사막 내부로 용이하게 확산되므로, 제1중공사막(11) 뿐만아니라 제3중공사막(13) 및 제2중공사막(12)내를 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율이 향상될수 있다.
한편, 연료전지용 막 가습기에 채택되는 중공사막의 경우, 그 지름이 클수록 확산되어 받아들이는 습윤공기 양이 많아져야 하기 때문에 가습 성능이 다소 떨어질 수 있지만, 스택으로부터 가습기로 유입되는 습윤공기는 중공사막 모듈(10)의 가장 외곽쪽을 따라 주로 흐르면서 가장 바깥쪽의 제3중공사막(13)에 먼저 접촉하게 되어 충분한 가습공기를 제공하게 되므로, 중공사막 모듈(10)의 외곽에 제3중공사막(13)과 같이 큰 지름의 것을 배치하여도 가습량 부족에 의한 가습 성능 저하 현상을 용이하게 방지할 수 있고, 결국 전체 중공사막내의 건조공기에 대하여 균일한 가습성능을 유지할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 저출력/고출력 영역에 있어서 동일한 가습 조건으로 인하여 연료전지 스택 자체적으로 물이 많이 생성되는 고출력 영역의 경우, 스택에서의 플러딩(flooding) 현상으로 인한 촉매의 열화 현상을 유발하여, 연료전지 스택의 내구성을 떨어뜨리는 문제점이 있었지만, 본 발명의 중공사막 모듈을 적용한 경우에는 제1중공사막(11) 뿐만아니라 제3중공사막(13) 및 제2중공사막(12)내를 흐르는 건조공기가 고르게 가습되는 등 전체 중공사막내의 건조공기가 고르게 가습되기 때문에 기존과 같이 물이 발생될 정도로 가습된 공기가 스택으로 공급되지 않게 되고, 결국 연료전지 스택의 자체적으로 물이 많이 생성되는 고출력 영역에서의 플러딩 현상을 방지하는데 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 지름이 서로 다른 중공사막의 혼용 비율을 적절히 조절하여 가습기에 걸리는 공기유입 압력 강하량을 감소시키는 동시에 그에 따른 공기블로워의 부하를 낮출 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 공기 공급 시스템을 설명하는 개략도,
도 2는 연료전지용 가습장치의 구성 및 동작을 설명하는 개략도,
도 3은 종래의 연료전지용 가습장치에서 발생되는 문제점을 설명하는 시뮬레이션 실험 결과 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 가습장치의 중공사막 배열 구조와, 종래의 중공사막 배열 구조를 비교하여 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 중공사막 모듈 11 : 제1중공사막
12 : 제2중공사막 13 : 제3중공사막
100 : 가습장치 101 : 하우징
102 : 제1유입구 103 : 제1유출구
104 : 제2유입구 105 : 제2유출구
106 : 중공사막 107 : 중공사막 모듈
200 : 연료전지 스택 202 : 공기블로워

Claims (3)

  1. 중공사막 모듈 및 그 내부에 배치되는 중공사막 다발을 포함하는 연료전지용 가습장치에 있어서,
    상기 중공사막 다발을 구성하는 각각의 중공사막을 서로 다른 지름을 갖는 것으로 채택하여, 상기 중공사막 모듈의 내부에 혼용된 상태로 배열시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기블로워에 의하여 외기로부터 공급된 건조공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 가운데 부분에는 지름이 작은 중공사막을 배열하고, 연료전지 스택에서 배출된 습윤공기가 주로 흐르는 상기 중공사막 다발의 외곽 부분에는 지름이 큰 중공사막을 배열시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 모듈의 가장 중심부에는 가장 작은 지름을 갖는 제1중공사막 다발이 배열되고, 가장 외곽부에는 가장 큰 지름을 갖는 제3중공사막 다발을 배열되며, 제1 및 제3중공사막 다발의 사이에는 중간 지름을 갖는 제2중공사막 다발이 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
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