KR20130083203A - 제습장치를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

제습장치를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에서 누설되는 수분을 제거하는 제습장치를 구비함으로써 안정성과 내구성을 향상시킨 연료전지 시스템에 관하여 개시한다.
본 발명은 연료가스와 산화가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택을 수용하는 밀폐공간을 형성하는 보호케이스; 및 상기 보호케이스 내부와 연통하게 설치되어 상기 보호케이스 내부의 기체를 흡기하여 수분을 제거하고 상기 보호케이스로 돌려 보내는 제습장치;를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

제습장치를 포함하는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING DEHUMIDIFIER}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에서 누설되는 수분을 제거하는 제습장치를 구비함으로써 안정성과 내구성을 향상시킨 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전지로 각광받고 있다.
이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 의해 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기중의 산소가 사용된다.
수소를 포함하는 연료가스와, 산소를 포함하는 산화가스를 연료전지 스택으로 공급하여 발전을 하게 된다.
연료전지 스택은 내부에서 전기화학반응으로 응축수가 발생하게 되며, 연료가스 및 산화가스를 가습하기 위한 가습수가 존재한다.
또한, 연료전지 스택은 투과성 재질인 멤브레인 막을 포함하는데, 멤브레인 막을 통해서 연료전지 스택 내부의 수분이 외부로 증발하기도 한다.
본 발명은 습기를 방출하는 연료전지 스택을 밀폐하고, 밀폐된 공간을 건조하게 유지될 수 있도록 함으로써, 연료전지 시스템의 내구성과 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지 스택으로 공급되는 산화가스나 연료가스를 냉매로 이용하는 제습장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료가스와 산화가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택을 수용하는 밀폐공간을 형성하는 보호케이스; 및 상기 보호케이스 내부와 연통하게 설치되어 상기 보호케이스 내부의 기체를 흡기하여 수분을 제거하고 상기 보호케이스로 돌려 보내는 제습장치;를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 보호케이스는 산화가스와 연료가스를 가습하는 가습기를 더 수용할 수 있다.
상기 보호케이스와 상기 제습장치는 보호케이스의 내부의 기체를 상기 제습장치로 이송하는 습기공급관과, 제습장치에서 제습된 공기를 보호케이스로 돌려 보내는 건기회송관으로 연결된다.
상기 제습장치는 상기 습기공급관과 상기 건기회송관 사이에 구비되는 응축챔버와, 상기 응축챔버 내부에 형성되어 상기 보호케이스 내부의 온도보다 낮은 온도를 유지하는 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 제습장치는 기체를 강제 압송하기 위한 송풍기를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기는 내부에 냉매가 소통되는 냉매관과, 상기 냉매관의 외주면에 형성되어 기체와의 접촉면적을 확보하는 냉각핀을 포함한다.
상기 냉매로는 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료가스 또는 산화가스를 이용하거나, 별도의 냉매싸이클을 통해 공급되는 것을 이용할 수 있다.
그리고, 상기 응축챔버는 하부에 형성되어 응축수를 저장하는 응축수 저장부와, 상기 응축수 저장부에 저장된 응축수를 배출하기 위한 배출밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제습장치는 상기 습기공급관과 상기 건기회송관의 사이에 배치되는 제습챔버와, 상기 제습챔버 내부에 설치되어 기체를 강제순환시키는 송풍기와, 상기 제습챔버 내부에 설치되는 제습필터를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제습필터를 가열하기 위한 히터와, 상기 제습필터에서 증발된 습기를 제습챔버의 외부로 배출하기 위한 배출팬과, 상기 배출팬의 작동시 개방되는 습기배출구를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 멤브레인에서 배출되는 습기가 다른 전장품들에 영향을 주지 못하도록 차단함으로써 연료전지 시스템의 내구성과 안정성을 향상시키는 효과를 가져온다.
도 1은 연료전지 스택의 적층구조를 나타낸 일부 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구조를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제1 실시예를 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제1 실시예의 수직 구조를 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제2 실시예를 나타낸 구성도,
도 6은 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제2 실시예의 제습필터 재생을 나타낸 구성도임.
이하 본 발명에 따른 제습장치를 포함하는 연료전지 시스템을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 연료전지 스택의 적층구조를 나타낸 일부 단면도이다.
연료전지 스택은, 멤브레인 막(10)과 분리판(20)이 적층되어 구성되는데, 멤브레인 막(10)의 양면에는 촉매층(12)이 형성되고, 분리판(20)에는 테두리를 따라 가스켓(22)이 형성되어 있다.
도시된 바와 같이, 멤브레인 막(10)의 양측에 분리판(20)이 적층되면 멤브레인 막(10)의 양면을 가스켓(22)이 가압하게 된다. 이 때 멤브레인 막(10)은 가스켓 외부로 노출되는 부분이 존재하게 된다.
멤브레인 막(10)에 존재하는 수분은 내부에서 확산을 통해 이동하게 되며, 가스켓(22) 외측으로 노출된 멤브레인 막(10)을 통해 수분이 연료전지 스택의 외부로 증발하게 된다.
이러한 현상은 멤브레인 막을 사용하는 판형 가습기에도 동일하게 발생한다.
멤브레인 막을 통해서 배출된 습기는 연료전지 스택 주변을 다습한 환경으로 만들고, 이로 인해 내부 부품의 부식이나 전기적인 누전이 발생할 우려가 높아진다.
이렇게 연료전지 스택 외부로 배출된 수분은 연료전지의 금속류 부품을 부식시켜 내구성을 약화시키며, 전장품에 누전 발생 확률을 높여 동작의 안정성을 저해하는 원인이 된다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구조를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료가스와 산화가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택(50)과, 내부에 연료전지 스택(50)을 수용하고 밀폐공간을 형성함으로써 연료전지 스택(50)에서 증발되는 수분의 확산을 차단하는 보호케이스(100)와, 보호케이스(100) 내부와 연통하게 설치되어 상기 보호케이스(100) 내부의 다습한 기체를 흡기하여 수분을 제거한 후 건조 기체를 상기 보호케이스(100)로 돌려 보내는 제습장치(200)를 포함한다.
상기 보호케이스(100)는 연료전지 스택(50)과 함께 가습기(60, 70)를 수용할 수도 있다. 가습기(60, 70)는 연료전지 스택(50)으로 공급되는 산화가스 또는 연료가스에 수분을 공급하기 위한 장치로, 가습기(60, 70)의 형태(특히 판형가습기의 경우 분리판과 멤브레인 막이 적층되는 구조를 가짐)에 따라서 연료전지 스택과 동일하게 멤브레인을 통해서 수분이 증발될 수 있는데, 이 경우 연료전지 스택(50)과 함께 가습기(60, 70)도 보호케이스(100) 내부에 수용되는 것이 바람직하다.
보호케이스(100)와 제습장치(200)는 습기공급관(250) 및 건기회송관(260)으로 서로 연결된다. 습기공급관(250)을 통해서는 보호케이스(100) 내부의 기체가 제습장치(200)로 보내지며, 건기회송관(260)을 통해서 제습장치(200)에서 수분이 제거된 기체가 보호케이스(100)로 보내진다.
제습장치는 여러가지 형태로 구성될 수 있는데, 제 1 실시예는 열교환기를 이용하여 수증기를 응축시켜 수분을 제거하는 타입이고, 제 2 실시예는 제습필터를 이용하여 수증기를 흡착시켜 수분을 제거하는 타입이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제1 실시예를 나타낸 구성도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 제습장치(300)는 습기공급관(250)과, 상기 건기회송관(260) 사이에 구비되는 응축챔버(310)와, 기체를 강제 압송하여 기체의 흐름을 발생시키기 위한 송풍기(320)와, 응축챔버(310) 내부에 형성되어 보호케이스 내부의 온도보다 낮은 온도를 유지하는 열교환기(340)를 포함한다.
도시한 실시예의 경우 열교환기(340)의 전단에 송풍기(320)가 구비되어 있으나, 송풍기(320)는 열교환기(340)의 후단에 구비될 수도 있고, 전후단에 모두 구비될 수도 있다. 또한, 송풍기는 연료전지 스택을 수용하는 보호케이스 내부에 구비될 수도 있다. 다시말해, 송풍기(320)는 제습장치(300)의 내부에 구성되어 있을 수도 있고, 송풍기(320)는 제습장치(300)의 외부에 독립적으로 구비될 수도 있다.
열교환기(340)는 기체를 냉각시킴으로써 수증기를 응축하기 위한 것으로, 내부에 냉매가 소통되는 냉매관(342)과, 상기 냉매관(342)의 외주면에 형성되어 기체와의 접촉면적을 확보하는 냉각핀(344)을 포함한다.
이 때, 열교환기(340)에 공급되는 냉매는 별도의 냉매싸이클을 통해 공급될 수 있다.
다른 방식으로는, 연료전지 스택에 공급되는 연료가스 또는 산화가스를 냉매관(342)으로 소통시켜 냉매로 활용할 수 있다.
특히, 연료전지 스택에 산화가스로 산소가 공급되는 경우에는, 기체 산소를 냉매로 활용할 수 있다. 산화가스로 산소가 사용되는 경우 액체 산소를 기화시켜 공급하게 되는데, 액체에서 기화된 산소는 온도가 충분히 낮아 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
별도의 냉매 싸이클에서 공급되는 냉매를 사용하지 않고, 연료전지 스택에 공급되는 산화가스나 연료가스를 냉매로 활용하게 되면, 운전 비용을 절감하고 장비를 간소화할 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제1 실시예의 수직 구조를 나타낸 구성도이다.
제 1 실시예와 같이 수중기를 응축시켜 제거하는 경우, 응축수를 저장하고 배출해야 지속적인 수분제거가 가능하다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 응축챔버(310)는 열교환기(340)의 하부에 응축수 저장부(315)를 형성하고, 응축수 저장부(315)에 저장된 응축수를 외부로 배출할 수 있는 배출밸브(317)를 구비하는 것이 바람직하다.
기체가 열교환기(340)에 의하여 냉각되면, 열교환기(340)의 표면에는 응축수가 맺히게 되고, 응축수는 중력에 의하여 하부로 흐르게 된다. 따라서, 열교환기(340) 하부에 응축수를 수용할 수 있는 공간인 응축수 저장부(315)를 형성하여, 응축수를 저장할 수 있다.
응축수 저장부(315)의 하단에는 응축수를 배출할 수 있는 배출밸브(317)가 구비된다. 배출밸브(317)는 일정 시간 간격으로 개방되도록 제어되거나, 응축수 저장부(315)에 별도의 수위센서를 구비하여, 응축수가 일정 수위에 도달하면 배출밸브(317)가 개방되도록 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제2 실시예를 나타낸 구성도이다.
제 2 실시예에 따른 제습장치(400)는 습기를 흡착하여 제거하는 제습필터를 이용하여 수분을 제거하는 것으로, 습기공급관(250)과 건기회송관(260)의 사이에 배치되는 제습챔버(410)와, 제습챔버 내부에 설치되어 기체를 강제순환시키는 송풍기(420)와, 제습챔버(410) 내부에 설치되어 기체에 포함된 수증기를 흡착하는 제습필터(440)를 포함한다.
송풍기(420)는 제 1 실시예의 송풍기와 동일한 역할을 수행하는 것으로 중복 설명은 생략한다.
제습필터(440)는 제올라이트, 실리카겔과 같이 수분을 흡착하는 물질을 이용하는 것으로, 망체를 이용하여 수분흡착 물질을 판상형으로 구성할 수 있다.
제습필터(440)에 의한 수분흡착은 응축수로 배출되는 것이 아니라, 제습 물질이 습기를 흡착하여 제거하는 것으로, 제습물질을 지속적으로 재생하지 않으면 연속적인 습기 제거가 곤란하다.
제습물질에 가열된 건조 공기를 공급하게 되면, 제습물질은 습기를 배출하게 된다.
본 발명은 제습필터(440)의 재생을 위하여, 제습필터(440)를 가열하기 위한 히터(450)와, 상기 제습필터(440)에서 배출된 습기를 외부로 배출하기 위한 배출팬(460)과, 상기 배출팬(460)의 작동시 개방되는 습기배출구(470)를 포함한다.
도 6은 본 발명의 연료전지 시스템 제습장치의 제2 실시예의 제습필터 재생을 나타낸 구성도이다.
제습필터(440) 재생시에는 히터(450)와, 배출팬(460)이 동작하고, 습기배출구(470)가 개방된다. 히터(450)를 작동하여 제습필터(440)를 가열하고, 배출팬(460)을 작동하여 제습필터(440)를 통과한 공기가 배출팬에 의하여 습기배출구(470)를 통하여 제습챔버(410)의 외부로 배출시킨다.
이러한 제습필터(440)의 재생은 일정 시간 간격으로 이루어지거나, 연료전지 운전 정지시에 이루어질 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
50 : 연료전지 스택 100 : 보호케이스
200, 300, 400 : 제습장치 250 : 습기공급관
260 : 건기회송관 310 : 응축챔버
320, 420 : 송풍기 340 : 열교환기
410 : 제습챔버 440 : 제습필터
450 : 히터 460 : 배출팬
470 : 습기배출구

Claims (11)

  1. 연료가스와 산화가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택을 수용하는 밀폐공간을 형성하는 보호케이스; 및
    상기 보호케이스 내부와 연통하게 설치되어 상기 보호케이스 내부의 기체를 흡기하여 수분을 제거하고 상기 보호케이스로 돌려 보내는 제습장치;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호케이스는
    산화가스와 연료가스를 가습하는 가습기를 더 수용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호케이스와 상기 제습장치는
    보호케이스의 내부의 기체를 상기 제습장치로 이송하는 습기공급관과,
    제습장치에서 제습된 공기를 보호케이스로 돌려 보내는 건기회송관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제습장치는
    상기 습기공급관과 상기 건기회송관 사이에 구비되는 응축챔버와,
    상기 응축챔버 내부에 형성되어 상기 보호케이스 내부의 온도보다 낮은 온도를 유지하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제습장치는 기체를 강제 압송하기 위한 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환기는
    내부에 냉매가 소통되는 냉매관과,
    상기 냉매관의 외주면에 형성되어 기체와의 접촉면적을 확보하는 냉각핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉매는
    상기 연료전지 스택에 공급되는 연료가스 또는 산화가스인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉매는
    별도의 냉매싸이클을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 응축챔버는
    하부에 형성되어 응축수를 저장하는 응축수 저장부와,
    상기 응축수 저장부에 저장된 응축수를 배출하기 위한 배출밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제습장치는
    상기 습기공급관과 상기 건기회송관의 사이에 배치되는 제습챔버와,
    상기 제습챔버 내부에 설치되어 기체를 강제순환시키는 송풍기와,
    상기 제습챔버 내부에 설치되는 제습필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제습장치는
    상기 제습필터를 가열하기 위한 히터와,
    상기 제습필터에서 증발된 습기를 제습챔버의 외부로 배출하기 위한 배출팬과,
    상기 배출팬의 작동시 개방되는 습기배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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