KR20120026809A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅵ)상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛과, ⅶ)상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부와, ⅷ)상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 배출 공기 온도를 낮출 수 있도록 한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료 전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료 전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.

연료 전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

또한, 연료 전지 시스템의 높은 효율과 내구성 및 운전 안정성을 위해 수소 및 공기 공급 가스의 압력(분압)과 습도, 그리고 시스템의 운전 온도 등을 적절히 제어해야 하는데, 상기 사항 중 공기 공급 가스의 가습은 운전 중 발생하는 연료전지 시스템 내의 생성수를 이용한다.

그리고 연료 전지의 연료극에 대한 가습 방법은 연료 전지 시스템의 운전 시, 전기화학 반응에 의해 공기극 영역에서 생성된 물이 연료극 영역으로 농도 차에 의해 일부 확산되는데, 도 2에서와 같이 수소 재순환 장치(140)를 통하여 재순환되는 수소가 상기와 같이 연료극으로 확산된 물을 함유하면서 수소 공급장치(130)를 통해 연료극 입구로 공급되는 건조 수소와 혼합되어, 연료극 입구측의 공급 수소가 가습되어 이루어진다.

반면에, 연료 전지의 공기극(Cathode)측 가습을 위해서 최고 유량을 적정 수준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기(120)가 포함되는 바, 상기 가습기(120)는 연료전지 스택(110)의 공기극 입출구 간에 장착되어 있다.

따라서, 연료전지 스택(110)의 공기극으로부터 배출되는 습윤기체 즉, 반응을 마친 가습공기는 가습기(120) 내로 유입되고, 이와 함께 공기 공급장치(116)에 의하여 외기로부터의 건조공기가 가습기(120) 내로 유입되는 바, 상기 반응을 마친 가습공기의 수분이 중공사막의 내부로 침투되는 동시에 중공사막의 내부를 흐르는 건조공기를 가습시키게 되고, 가습된 공기는 연료전지 스택(110)의 공기극으로 공급되어진다.

한편, 상기 연료전지 스택(110)에서는 배출라인(111)을 통해 물을 배출하는데, 그 물은 물 펌프(171)를 통해 라디에이터(173)로 공급되고, 그 라디에이터(173)에 의해 냉각된 냉각수는 냉각수라인(179)을 통해 연료전지 스택(110)으로 공급되면서 그 연료전지 스택(110)을 냉각시킨다.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지 시스템이 고출력으로 요구될 경우, 운전 온도의 상승에 따라 연료 전지의 공기극에서 배출되는 배출 공기의 온도가 높아지고, 이에 따라 배출 공기의 상대 습도가 저하되어 가습기(120)의 성능 저하를 초래한다. 이러한 가습기(120)의 성능 저하는 연료전지 스택(110)에 공급되는 공기의 상대 습도 저하를 초래하여 스택의 성능 및 내구성을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 종래 기술에서는 수소 공급장치(130)에서 공급되는 수소와 수소 재순환 장치(140)를 통하여 재순환되는 수소가 합쳐져서 연료전지 스택(110)으로 공급되는데, 이 때 연료전지 스택(110)에 공급되는 수소의 상대 습도는 포화 상태에 근접하는 온도는 매우 낮은 상태가 된다.

따라서, 연료전지의 연료극에 공급되는 수소의 온도를 높일 필요가 있는데, 이러한 상태에서는 연료극으로 공급되는 수소의 온도가 상승하고 상대 습도는 저하되면서 연료극의 입구가 드라이 아웃된다.

이로 인하여 연료전지의 공기극 측에서 생성된 물이 백-디퓨전(back-diffusion)에 의해 연료극 측으로 넘어가 오히려 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 배출 공기의 수분 함량을 감소시켜 더욱더 가습기(120)의 가습 성능 저하를 초래하게 된다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지 스택에서 배출되는 고온 건조한 배출 공기의 온도를 낮추어 상대 습도를 향상시킴으로써 가습기의 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 수소 공급장치로부터 공급되는 건조 수소와 연료전지 스택에서 배출되는 배출 공기와의 열교환 및 수분 교환을 통해 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 온도 및 상대 습도를 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅵ)상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛과, ⅶ)상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부와, ⅷ)상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각유닛은 상기 스택으로부터 배출되는 물을 물 펌프를 통해 라디에이터로 공급하고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 열교환부로 공급할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각수라인에는 상기 스택과 제2 열교환부의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브로서의 개폐 밸브가 설치될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 스택으로 공급되는 공기와 수소의 온도 및 상대 습도를 제1 및 제2 열교환부를 통해 적절하게 유지하여 가습기의 성능 저하를 막고, 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 가습기에서 대기로 방출되는 공기의 온도를 더욱 더욱 낮출 수 있기 때문에, 높은 온도에서도 연료 전지 시스템의 물 균형을 만족시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지를 통한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(20)과, 가습기(30)와, 수소 공급유닛(40)과, 수소 재순환유닛(50)과, 냉각유닛(60)과, 제1 열교환부(70)와, 제2 열교환부(80)를 포함하여 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)은 고출력이 요구되는 경우, 스택(10)에서 배출되는 고온 건조한 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 높임과 동시에, 스택(10)으로 공급되는 수소의 온도 및 상대 습도를 높여 가습기(30)의 성능 저하를 막고, 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)을 구성 별로 설명하면, 상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 공기극 및 연료극이 배치되는 연료 전지들의 집합체 구조로서 이루어진다.

여기서, 상기 연료 전지의 공기극에서는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지의 연료극에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.

상기 공기 공급유닛(20)은 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극으로 공급할 수 있는 공기 블로워(21)를 포함할 수 있다.

상기 가습기(30)는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 공기극으로 공급하기 위한 것이다.

이러한 가습기(30)는 중공사막을 내장한 막 가습기로서 구비되는 바, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하고, 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하며, 그 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하고, 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출할 수 있는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 가습기(30)는 배출라인(31)을 통해 스택(10)의 공기 배출부(도면에 도시되지 않음)와 연결되며, 공기 공급라인을 통해 스택(10)과 공기 블로워(21)에 연결될 수 있다.

상기 수소 공급유닛(40)은 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극으로 공급할 수 있는 수소 탱크(41)를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 수소 탱크(41)는 수소 공급라인(43)을 통해 스택(10)의 수소 주입부(도면에 도시되지 않음)와 연결될 수 있다.

상기 수소 재순환유닛(50)은 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극으로 공급하기 위한 것이다.

이러한 수소 재순환유닛(50)은 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(51)와, 그 수소 블로워(51)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하는 믹서(53)와, 미반응한 수소를 대기 중으로 방출시키기 위한 퍼지 밸브(도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

상기 냉각유닛(60)은 스택(10)으로 냉각수를 공급하여 그 스택(10)을 냉각시키기 위한 것으로서, 스택(10)으로부터 배출되는 물을 물 펌프(61)를 통해 라디에이터(63)로 공급하고, 그 라디에이터(63)에 의해 냉각된 냉각수를 스택(10)과 뒤에서 더욱 설명될 제2 열교환부(80)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

이 경우, 상기 냉각유닛(60)은 냉각수라인(65)을 통해 스택(10)의 물 배출부(도면에 도시되지 않음)와 물 펌프(61)를 연결하며, 라디에이터(63)와 스택(10)의 냉각수 주입부(도면에 도시되지 않음)를 연결하고, 스택(10)의 냉각수 주입부와 물 배출부를 연결할 수 있다.

그리고, 상기 냉각수라인(65)에는 스택(10)의 냉각수 주입부와 물 배출부를 연결하는 연결 유로와 라디에이터(63)와 스택(10)의 냉각수 주입부(도면에 도시되지 않음)를 연결하는 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브(3-way valve)로서의 개폐 밸브(67)가 설치된다.

상기 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 상기한 연결 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제1 열교환부(70)는 스택(10)으로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기와, 수소 공급유닛(40)으로부터 공급되는 수소의 열교환 및 수분 교환을 통해 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 상승시키며, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키기 위한 것이다.

상기 제1 열교환부(70)는 위에서 언급한 바 있는 배출라인(31)에 설치되며, 수소 공급유닛(40)의 수소 공급라인(43)에 연결되게 구성될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제2 열교환부(80)는 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기와, 냉각유닛(60)을 통해 순환되는 냉각수의 열교환을 통해 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 향상시키기 위한 것이다.

이러한 제2 열교환부(80)는 상기 배출라인(31)에 설치되며, 위에서 언급한 바 있는 냉각수라인(65)과 연결되게 구성될 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)의 연료 전지를 통한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료 전지의 공기극에서는 미반응 공기로서의 고온 건조한 배출 공기를 배출한다.

여기서, 수소 공급유닛(40)을 통해 스택(10)으로 수소가 공급되는데, 그 수소는 제1 열교환부(70)를 통과하며 수소 재순환유닛(50)을 통해 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 믹싱되면서 연료극으로 공급된다.

그리고, 공기 블로워(21)를 통해 공급 공기를 가습기(30)로 공급하며, 스택(10)으로부터 배출되는 물을 물 펌프(61)를 통해 라디에이터(63)로 공급하고, 그 라디에이터(63)에 의해 냉각된 냉각수를 스택(10)으로 공급한다.

이 경우, 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)에 의해 제어되며 스택(10)의 물 주입부와 라디에이터(63)를 연결하는 연결 유로를 개방하고, 제2 열교환부(80)로 연결되는 연결 유로를 폐쇄한 상태에 있다.

상기한 과정에서, 배출 공기는 배출라인(31)을 통해 가습기(30)로 공급되는데, 이 과정에서 제1 열교환부(70)를 통해 수소 공급유닛(40)으로부터 공급되는 수소와 열교환 및 수분 교환이 이루어지면서 온도가 낮아지게 되고, 상대 습도는 높아지게 된다.

또한, 수소 공급유닛(40)을 통해 스택(10)으로 공급되는 수소는 제1 열교환부(70)를 통해 배출 공기와 열교환 및 수분 교환이 이루어지면서 온도 및 상대 습도가 상승하게 된다.

이 후, 상기 배출 공기는 가습기(30)로 공급되면서 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기와 수분 교환이 이루어진다. 이렇게 가습된 공기는 연료 전지의 공기극으로 공급된다.

한편, 본 실시예에서는 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기가 제2 열교환부(80)로 공급될 수 있는데, 이 과정에 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)에 의해 제어되며 제2 열교환부(80)로 연결되는 연결 유로를 개방한다.

그러면, 냉각수는 냉각수라인(65)을 통하여 제2 열교환부(80)로 공급됨에 따라, 상기 배출 공기는 제2 열교환부(80)를 통해 냉각수와 열교환이 이루어지면서 온도가 낮아지게 되고, 상대 습도는 높아지게 된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)으로 공급되는 공기와 수소의 온도 및 상대 습도를 제1 및 제2 열교환부(70, 80)를 통해 적절하게 유지하여 가습기(30)의 성능 저하를 막고, 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 가습기(30)에서 대기로 방출되는 공기의 온도를 더욱 더욱 낮출 수 있기 때문에, 높은 온도에서도 연료 전지 시스템의 물 균형을 만족시킬 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 운전 온도에서 물 균형을 이룰 수 있고, 운전 온도를 높일 수 있어 방열 성능도 증가시킬 수 있다.

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.

10... 스택 20... 공기 공급유닛
21... 공기 블로워 30... 가습기
31... 배출라인 40... 수소 공급유닛
41... 수소 탱크 43... 수소 공급라인
50... 수소 재순환유닛 51... 수소 블로워
53... 믹서 60... 냉각유닛
61... 물 펌프 63... 라디에이터
65... 냉각수라인 67... 개폐 밸브
70... 제1 열교환부 80... 제2 열교환부

Claims (3)

1. 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택;
   상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
   상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기;
   상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛; 및
   상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛;
   상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛;
   상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부; 및
   상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부
   를 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 냉각유닛은,
   상기 스택으로부터 배출되는 물을 물 펌프를 통해 라디에이터로 공급하고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 열교환부로 공급하는 연료 전지 시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 냉각수라인에는 상기 스택과 제2 열교환부의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브로서의 개폐 밸브가 설치되는 연료 전지 시스템.

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