KR20140086217A - 연료전지 시스템의 가습장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 가습장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 운전조건에 따라 건조공기에 대한 막가습기에서의 가습량이 조절될 수 있도록 구성되어 연료전지 스택의 캐소드에서 발생할 수 있는 플러딩 현상을 효과적으로 방지할 수 있고, 성능 감소 및 캐소드의 국부적인 공기 공급 부족 현상 등 종래의 여러 문제점이 해결될 수 있는 연료전지 시스템의 가습장치에 관한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 가습장치{Humidification apparatus for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 가습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전조건에 따라 건조공기에 대한 막가습기에서의 가습량을 조절할 수 있는 연료전지 시스템의 가습장치에 관한 것이다.
연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 전극층인 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 고분자 연료전지의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지에 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 가습시킨다.
가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등의 여러 방법이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막가습기가 적용되고 있다. 막가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 막가습기를 이용하여 공기를 가습하는 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 외부의 건조공기를 공기블로워(1)로 강제 송풍하여 막가습기(10)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(20)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 습윤공기를 막가습기(10)에 통과시켜, 과포화 습윤공기와 건조공기 간의 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 가습공기를 연료전지 스택(20)에 공급한다.
통상의 막가습기는 중공사막(hollow fiber)을 이용한 기체-기체 막가습기(gas to gas membrane humidifier)로서, 이러한 막가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 가습이 충분히 가능하고, 막가습기를 통해 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 기체에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지 스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.
연료전지의 운전 중에 성능에 가장 직접적인 영향을 미치는 요인 중 하나는 연료전지의 핵심 구성요소인 막전극접합체의 전해질막과 촉매층 내의 이오노머(ionomer)에 일정량 이상의 수분을 공급하여 함수율을 유지시킴으로써 전해질막과 이오노머 자체가 보유하고 있는 이온전도도의 최대 성능을 얻는 것이다.
여기서, 막가습기의 역할은 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 기체에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 연료전지 스택으로 공급되는 상온의 건조한 반응기체에 공급함으로써 연료전지 스택의 가습과 온도 유지를 달성하는 것이다.
이하, 막가습기의 구조에 대해 상술하기로 한다.
도 2는 통상의 막가습기를 도시한 사시도이고, 도 3은 막가습기의 분해사시도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 막가습기(10)는 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 고정되어 구성된 막 모듈(11)과, 상기 막 모듈(11)의 케이스(11a) 양단부에 각각 조립되고 유입구(13a,13b)와 배출구(14a)가 각각 형성된 제1하우징(13) 및 제2하우징(14)을 주요 구성품으로 한다.
여기서, 막 모듈(11)의 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 다발 형태로 밀집되어 내장되며, 이때 중공사막(11c) 다발의 양쪽 단부가 포팅부(11b)에 의해 케이스(11a)의 각 단부 내측에 고정됨으로써 케이스 내에서 중공사막 다발의 위치가 고정된다.
한편, 상기와 같은 종래의 연료전지 가습장치가 가지는 문제점을 설명하면 다음과 같다.
연료전지의 저 전류영역에서는 충분한 가습이 필요하나, 고 출력영역 및 고 전류영역에서는 캐소드에서 생성되는 물의 양이 많으므로 캐소드에서의 물질전달 저항이 증가한다.
이는 플러딩(flooding)의 원인이 될 수 있으며, 많은 양의 물이 공기 공급을 막기 때문에 캐소드에서 공기 공급이 부족해지는 현상(starvation)이 발생하고, 결국 연료전지 촉매의 열화를 가속화시켜 연료전지의 내구성을 크게 저하시키게 된다.
이에 따라 고 출력, 고 전류영역에서는 오히려 가습량을 줄일 필요가 있는데, 종래의 막가습기는 저 전류영역과 고 전류영역에서 가습량의 차이가 크지 않고, 고 전류영역에서도 저 전류영역과 비슷한 수준인 RH=80% 이상의 가습 성능을 가지며, 막가습기 자체에서 연료전지의 운전부하에 따라 임의로 가습량을 조절하는 것이 불가하다.
또한 고 전류영역에서는 공기의 공급유량이 증가함에 따라 압력강하가 커지며, 공기블로워의 부하를 가중시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 스택의 운전조건에 따라 건조공기에 대한 막가습기에서의 가습량이 조절될 수 있도록 구성되어 연료전지 스택의 캐소드에서 발생할 수 있는 플러딩 현상을 효과적으로 방지할 수 있고, 성능 감소 및 캐소드의 국부적인 공기 공급 부족 현상 등 종래의 여러 문제점이 해결될 수 있는 연료전지 시스템의 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전, 후단부에 각각 연료전지 스택의 캐소드로부터 배출된 습윤공기가 유입되는 습윤공기 유입구가 형성되고, 전, 후단부에 각각 중공사막 내부의 건조공기를 가습한 공기가 배출되는 공기 배출구가 형성된 막가습기와; 습윤공기의 공급을 위해 연료전지 스택의 캐소드 출구로부터 막가습기의 각 습윤공기 유입구로 연결되는 공기라인과; 가습을 마친 공기가 배출되도록 막가습기의 각 공기 배출구에 연결되는 배기라인과; 상기 공기라인에 설치되어 제1습윤공기 유입구와 제2습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 제어하는 유동제어밸브와; 상기 배기라인의 유로를 개폐하는 배기밸브와; 연료전지 스택의 운전조건에 따라 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 시스템의 가습장치를 제공한다.
여기서, 상기 공기라인은 분기되어 각 분기라인이 막가습기의 각 습윤공기 유입구로 연결되고, 상기 유동제어밸브는 공기라인의 분기부에 설치되어 각 분기라인으로의 유로를 선택적으로 개폐하거나 각 분기라인으로의 습윤공기 유량을 제어하도록 설치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전단부의 공기 배출구와 후단부의 공기 배출구에 연결된 배기라인이 하나의 라인으로 합관되고, 상기 배기밸브가 배기라인의 합관부에 설치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전단부의 공기 배출구와 후단부의 공기 배출구에 가습을 마친 공기가 배출되는 별도의 배기라인이 연결되고, 각 배기라인에 각각 별도의 배기밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 연료전지 스택의 출력에 따라 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하여, 막가습기 내부에서 중공사막 내부의 공기 흐름과 역방향으로 습윤공기가 통과하는 카운터-플로우(counter-flow)의 습윤공기 흐름량과, 중공사막 내부의 공기 흐름과 동일 방향으로 습윤공기가 통과하는 코-플로우(co-flow)의 습윤공기 흐름량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값 이하인 저 출력 및 저 전류영역인 경우, 막가습기 후단부에 형성된 습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 차단하면서 막가습기 전단부에 형성된 습윤공기 유입구로 유입된 습윤공기가 막가습기 내부에서 카운터-플로우의 방향으로만 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값을 초과하는 고 출력 및 고 전류영역인 경우, 연료전지 스택의 캐소드로부터 배출된 습윤공기가 막가습기 전단부와 후단부의 습윤공기 유입구 모두로 유입된 뒤 막가습기 내부를 카운터-플로우와 코-플로우의 양 방향으로 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 고 출력 및 고 전류영역에서 연료전지 스택의 출력이 높을수록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하여 코-플로우 방향의 습윤공기 흐름량을 증가시키도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값을 초과하는 고 출력 및 고 전류영역인 경우, 막가습기 전단부에 형성된 습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 차단하면서 막가습기 후단부에 형성된 습윤공기 유입구로 유입된 습윤공기가 막가습기 내부에서 코-플로우의 방향으로만 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습장치에 의하면, 연료전지 스택의 운전조건에 따라 밸브를 제어하여 막가습기 내부에서 카운터-플로우 및 코-플로우의 공기 흐름을 조절할 수 있는바, 건조공기에 대한 막가습기에서의 가습량을 최적으로 제어할 수 있는 이점이 있게 된다.
결국, 연료전지 스택의 캐소드에서 발생할 수 있는 플러딩 현상을 효과적으로 방지할 수 있고, 성능 감소 및 캐소드의 국부적인 공기 공급 부족 현상 등 종래의 여러 문제점이 해결될 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 막가습기를 이용해 공기를 가습하여 공급하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 2는 통상의 막가습기를 도시한 사시도이다.
도 3은 통상의 막가습기를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가습장치를 도시한 구성도이다.
도 5는 막가습기에서 코-플로우(co-flow)와 카운터-플로우(counter-flow)의 가습 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가습장치를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가습장치를 도시한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가습장치는 중공사막(11c)을 통한 수분 전달 방식에 의해 건조공기를 가습하여 연료전지 스택(20)에 공급하는 막가습기(10)를 포함한다.
기본적으로 막가습기를 포함하는 가습장치에서는 외부의 건조공기를 미도시된 공기블로워로 강제 송풍하여 막가습기(10)에 통과시키고, 이때 연료전지 스택(20)의 캐소드 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 습윤공기를 막가습기(10)에 통과시켜, 습윤공기와 건조공기 간의 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하는바, 이를 통해 가습된 공기를 전기화학 반응의 산화제로서 연료전지 스택(20)의 캐소드 입구로 공급하게 된다.
여기서, 본 발명의 막가습기(10)는 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 고정되어 구성된 막 모듈(11)과, 상기 막 모듈(11)의 케이스(11a) 양단부에 각각 조립되는 제1하우징(13) 및 제2하우징(14)을 주요 구성품으로 한다.
또한 이러한 본 발명의 막가습기(10)에서는 연료전지 스택(20)의 캐소드 출구를 통해 배출된 습윤공기가 유입되는 2개의 습윤공기 유입구(15a,15b)를 가지며(종래의 경우 1개의 습윤공기 유입구를 가짐), 이와 더불어 공기블로워에 의해 송풍되는 건조공기가 유입되는 1개의 건조공기 유입구(16a)를 가진다.
여기서, 습윤공기가 유입되는 2개의 습윤공기 유입구(15a,15b)는 공기 가습을 위해 연료전지 스택(20)의 캐소드 출구로부터 배출된 습윤공기가 막가습기(10) 내부로 유입되도록 하기 위한 유입구로서, 막가습기(10)의 길이방향을 기준으로 하여 전, 후 양단부에 각각 1개씩의 습윤공기 유입구(15a,15b)가 구비된다.
이때, 막가습기(10)의 길이방향은 중공사막(11c)의 길이방향과 동일한 방향이 되며, 또한 건조공기 유입구(16a)를 통해 막가습기(10) 내부로 유입된 건조공기가 중공사막(11c) 내부를 통과하여 가습이 이루어지는 동안 이동하는 방향과 동일한 방향이 된다.
또한 본 발명의 막가습기(10)에서는 상기 습윤공기 유입구(15a,15b)를 통해 막가습기 내부로 유입된 뒤 건조공기와의 수분 교환을 마친 공기(수분이 제거된 공기)가 배출되는 2개의 공기 배출구(17a,17b)를 가지며(종래의 경우 1개의 공기 배출구를 가짐), 이와 더불어 수분 교환을 통해 가습된 가습공기가 배출되는 1개의 가습공기 배출구(16b)를 가진다.
여기서, 2개의 공기 배출구(17a,17b)는 막가습기(10) 내부에서 건조공기를 가습하여 수분이 제거된 공기가 막가습기(10) 외부로 배출되도록 하기 위한 배출구로서, 막가습기(10)의 길이방향을 기준으로 하여 전, 후 양단부에 각각 1개씩의 공기 배출구가 구비된다.
이러한 구성에서 건조공기 유입구(16a)와 가습공기 배출구(16b)는 종래의 막가습기에서와 마찬가지로 막가습기 양 끝단, 즉 제1하우징(13)과 제2하우징(14)의 끝단에 각각 형성되며, 이때 건조공기 유입구(16a)는 제1하우징(13)의 끝단에, 가습공기 배출구(16b)는 제2하우징(14)의 끝단에 형성된다.
또한 습윤공기 유입구(15a,15b)와 공기 배출구(17a,17b) 역시 종래의 막가습기에서와 마찬가지로 제1하우징(13)과 제2하우징(14)의 측면에 형성될 수 있고, 이때 1개의 습윤공기 유입구(15b)와 1개의 공기 배출구(17a)가 제1하우징(13)에, 나머지 1개의 습윤공기 유입구(15a)와 1개의 공기 배출구(17b)가 제2하우징(14)에 형성될 수 있다.
이하, 본 명세서에서는 2개의 습윤공기 유입구(15a,15b) 중 막가습기(10)의 전단부에 형성된 습윤공기 유입구(15a)를 제1습윤공기 유입구라 칭하기로 하고, 막가습기(10)의 후단부에 형성된 습윤공기 유입구(15b)를 제2습윤공기 유입구라 칭하기로 한다.
또한 2개의 공기 배출구(17a,17b) 중 막가습기(10)의 후단부에 형성된 공기 배출구(17a)를 제1공기 배출구라 칭하기로 하고, 막가습기(10)의 전단부에 형성된 공기 배출구(17b)를 제2공기 배출구라 칭하기로 한다.
도 4의 종단면도에 나타낸 바와 같이, 제1습윤공기 유입구(15a)와 제1공기 배출구(17a)는 막가습기(10)의 전단부와 후단부에 각각 형성되므로 도면상 서로 대각선 방향으로 위치되며, 또한 제2습윤공기 유입구(15b)와 제2공기 배출구(17b)는 막가습기의 후단부와 전단부에 각각 형성되므로 이 역시 도면상 서로 대각선 방향으로 위치된다.
한편, 2개의 습윤공기 유입구(15a,15b)에는 연료전지 스택(20)의 캐소드 출구로부터 연결된 공기라인(31)이 연결되는데, 이때 공기라인(31)은 분기되어 각 분기라인(31a,31b)이 각각의 습윤공기 유입구(15a,15b)로 연결된다.
또한 공기라인(31)의 분기부에는 두 분기라인(31a,31b)을 통해 막가습기(10)로 공급되는 습윤공기의 흐름을 제어하기 위한 전자식 3-웨이 밸브(32)가 설치되며, 이 전자식 3-웨이 밸브(32)는 미도시된 제어기의 제어신호에 따라 구동이 제어되는 밸브로서, 기본적으로 제어시에 두 분기라인(31a,31b)을 통해 배분되어 제1습윤공기 유입구(15a)와 제2습윤공기 유입구(15b)로 공급되는 습윤공기의 양을 조절할 수 있도록 구비된다.
이와 더불어 상기 3-웨이 밸브(32)는 제어기의 제어신호에 따라 2개의 습윤공기 유입구(15a,15b) 중 선택된 어느 하나에만 습윤공기가 공급될 수 있도록 유로를 변경하는 것이 가능하며, 이 경우 분기된 두 분기라인(31a,31b)으로의 유로 중 어느 하나의 유로를 선택적으로 개방하게 된다.
또한 2개의 공기 배출구(17a,17b)에 각각 배기라인(33a,33b)이 연결되고, 양측의 배기라인(33a,33b)이 하나의 라인으로 합관되어, 두 공기 배출구(17a,17b)를 통해 배출되는 공기가 합관된 라인을 통해 최종 배출될 수 있도록 되어 있다.
또한 각 공기 배출구(17a,17b)에 연결된 양측의 배기라인(33a,33b)이 합관되는 합관부에는 제어기의 제어신호에 따라 개폐 구동이 제어되는 전자식 3-웨이 밸브(34)가 설치된다.
이하, 본 명세서에서 공기라인(31)의 분기부에 설치된 3-웨이 밸브(32)를 유동제어밸브라 칭하기로 하며, 배기라인(33a,33b)의 합관부에 설치된 3-웨이 밸브(34)를 배기밸브라 칭하기로 한다.
여기서, 유동제어밸브(32)는 공기라인(31)의 분기부에 설치되어 각 분기라인(31a,31b)으로의 유로를 선택적으로 개폐하거나 각 분기라인(31a,31b)으로의 습윤공기 유량을 제어하도록 설치되는 전자식 3-웨이 밸브가 된다.
또한 배기밸브(34)는 전, 후단부 양측의 두 배기라인(34a,34b) 중 어느 하나를 선택적으로 개방하거나 두 배기라인(34a,34b)의 배출량이 조절될 수 있도록 개폐상태가 제어되는 3-웨이 밸브가 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가습장치의 구성에 대해 상술하였는바, 작동상태에 대해 설명하면 다음과 같다.
제1습윤공기 유입구(15a)와 제2습윤공기 유입구(15b)를 통해 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 습윤공기가 막가습기(10) 내부로 유입되면, 이 습윤공기는 막가습기(10) 내부에서 중공사막(11c) 외표면과 접촉하면서 통과하여 공기 배출구(17a,17b)로 최종 배출된다.
또한 건조공기 유입구(16a)를 통해 유입된 공기는 종래와 마찬가지로 중공사막(11c) 내부를 통과하여 가습공기 배출구(16b)를 통해 배출된 뒤 연료전지 스택(20)의 캐소드 입구로 공급되며, 이때 건조공기는 중공사막(11c) 외부를 지나는 습윤공기와의 수분 교환을 통해 가습된 뒤 연료전지 스택(20)의 캐소드로 공급된다.
또한 제1습윤공기 유입구(15a)를 통해 유입된 습윤공기는 막가습기(10) 내부에서 중공사막 내 가습이 이루어지는 공기의 흐름 방향과 역방향으로 흐른 뒤 제1공기 배출구(17a)로 배출되며, 이와 같이 가습이 이루어지는 공기의 흐름 방향과 역방향으로 흐르는 공기의 흐름을 카운터-플로우(counter-flow)라 한다.
중공사막(11c) 내부를 통과하여 가습이 이루어지는 공기는 막가습기(10)에서 전방으로 이동하므로, 카운터 플로우의 공기는 막가습기(10) 내부에서 후방으로 이동하여 통과하는 공기가 된다.
반면, 제2습윤공기 유입구(15b)를 통해 유입된 습윤공기는 막가습기(10) 내부에서 중공사막(11c) 내 가습이 이루어지는 공기의 흐름 방향과 동일 방향으로 흐른 뒤 제2공기 배출구(17b)로 배출되며, 이와 같이 가습이 이루어지는 공기의 흐름 방향과 동일 방향으로 흐르는 공기의 흐름을 코-플로우(co-flow)라 한다.
이때, 코-플로우의 공기는 막가습기(10) 내부에서 전방으로 이동하여 통과하는 공기가 된다.
알려진 바와 같이, 막가습기(10)의 경우 막을 통해 열과 수분의 전달이 이루어지는데, 이를 통해 건조공기의 가습이 이루어지고, 더불어 습윤공기의 열이 건조공기로 전달되는바, 열 전달 측면에 있어서는 일반 열교환기와 동일한 원리가 적용된다.
또한 종래의 경우 효율이 좋은 카운터-플로우가 적용되는데, 카운터-플로우와 코-플로우의 두 가지 흐름 중에 카운터-플로우인 경우 상대적으로 가습 성능이 좋으며, 이는 도 5에 나타낸 바와 같다.
도 5는 코-플로우(co-flow)와 카운터-플로우(counter-flow)의 가습 성능을 비교하여 나타낸 도면으로, 막가습기 내에서 가습되는 공기의 흐름 방향과 역방향으로 습윤공기가 통과하는 카운터-플로우에서 동일 방향으로 습윤공기가 통과하는 코-플로우에 비해 가습량이 많고 가습 성능이 우수함을 보여주고 있다.
이 점을 고려하여, 본 발명에서는 상기한 구성에 의해 연료전지 스택(20)의 운전조건에 따라 카운터-플로우와 코-플로우가 적절히 조절되어 연료전지 스택에 알맞은 가습량이 제어될 수 있도록 한다.
즉, 본 발명의 가습장치에서는 제어기가 연료전지 스택(20)의 운전조건, 즉 연료전지 스택의 출력(전류 출력)에 따라 유동제어밸브(32)의 구동을 제어함으로써, 제1습윤공기 유입구(15a)와 제2습윤공기 유입구(15b)를 통해 유입되는 공기의 유량을 조절하고, 이를 통해 막가습기(10)의 가습량을 최적으로 제어하는 것이 가능해지는 것이다.
좀더 상세히 설명하면, 연료전지 스택(20)의 출력(전류 출력)이 미리 설정된 기준값 이하인 저 출력 및 저 전류영역에서는 유동제어밸브(32)의 개폐상태를 제어하여 제1습윤공기 유입구(15a)를 통해서만 습윤공기가 공급되도록 하고, 이에 막가습기(10) 내부에서 카운터-플로우의 습윤공기 흐름이 발생하도록 하는바, 카운터-플로우의 습윤공기 흐름 상태에서 건조공기 유입구(16a)를 통해 유입된 건조공기의 가습이 이루어지도록 한다.
이때, 건조공기의 가습량은 상대적으로 많으며, 충분한 가습이 이루어진 공기가 막가습기(10)의 가습공기 배출구(16b)를 통해 배출되어 연료전지 스택(20)의 캐소드로 공급되게 된다.
또한 건조공기로 열 및 수분을 전달한 공기는 제어기의 제어신호에 따라 배기밸브(34)가 개방된 상태에서 제1공기 배출구(17a) 및 배기라인(33a)을 통해 배출된다.
반면, 유량이 많은 고 전류영역, 즉 연료전지 스택의 출력이 기준값을 초과하는 고 출력 및 고 전류영역에서는 제1습윤공기 유입구(15a)와 제2습윤공기 유입구(15b) 모두를 통해 막가습기(10) 내부로 습윤공기가 유입될 수 있도록 유동제어밸브(32)의 개폐상태가 제어된다.
이에 막가습기(10) 내부에서 카운터-플로우와 코-플로우의 습윤공기 흐름이 함께 발생하며, 이를 통해 막가습기(10)에 의한 가습량을 상대적으로 줄일 수 있게 된다.
이러한 고 출력 및 고 전류영역인 경우에서 제어기는 연료전지 스택(20)의 출력이 높을수록 코-플로우 방향의 습윤공기 흐름량이 증가될 수 있게 유동제어밸브(32)와 배기밸브(34)의 개폐상태를 제어하도록 설정될 수도 있다.
또는 고 출력 및 고 전류영역에서 제2습윤공기 유입구(15b)로만 습윤공기가 유입될 수 있게, 즉 막가습기(10) 내부에서 습윤공기가 코-플로우의 방향으로만 통과할 수 있게 제어기가 유동제어밸브(32)와 배기밸브(34)의 개폐상태를 제어하도록 설정될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 가습장치에서는 연료전지 스택(20)의 운전조건에 따라 건조공기에 대한 막가습기(10)에서의 가습량을 조절하는 것이 가능하며, 특히 고 출력 및 고 전류영역에서 막가습기(10)에서의 가습량을 상대적으로 줄일 수 있다.
또한 상기와 같이 밸브 제어를 통해 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 공기의 흐름을 조절할 수 있으므로 고 유량에서 막가습기(10)의 배압을 줄임과 동시에 공기불로워의 부하를 줄일 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가습장치를 도시한 구성도로서, 이는 제1공기 배출구(17a)와 제2공기 배출구(17b)에 각각 별도의 배기라인(33a,33b)을 설치하되, 각 배기라인(33a,33b)에 각각 제어기의 제어신호에 따라 개폐상태가 제어되는 별도의 배기밸브(34a,34b)를 설치한 실시예를 나타내고 있다.
도 6의 실시예에서 제1공기 배출구(17a)에 연결된 배기라인(33a)의 배기밸브(34a)를 제1배기밸브라 칭하기로 하며, 더불어 제2공기 배출구(17b)에 연결된 배기라인(33b)의 배기밸브(34b)를 제2배기밸브라 칭하기로 한다.
도시된 실시예에서는 저 출력 및 저 전류영역에서 제1배기밸브(34a)를 개방한 상태에서 제2배기밸브(34b)를 차단하고, 동시에 스택으로부터 배출되는 습윤공기가 막가습기(10)의 제1습윤공기 유입구(15a)로만 유입되도록 유동제어밸브(32)의 개폐상태를 제어한다.
이 경우, 습윤공기가 카운터-플로우의 공기 흐름 상태로 막가습기(10) 내부를 통과하게 되며, 이 상태로 건조공기의 가습량을 상대적으로 늘려 스택(20)에 공급되는 공기의 충분한 가습이 이루어지도록 한다.
반면, 고 출력 및 고 전류영역에서는 제1배기밸브(34a)를 차단한 상태에서 제2배기밸브(34b)를 개방하고, 동시에 스택(20)으로부터 배출되는 습윤공기가 막가습기(10)의 제2습윤공기 유입구(15b)로만 유입되도록 유동제어밸브(32)의 개폐상태를 제어한다.
이 경우, 습윤공기가 코-플로우의 공기 흐름 상태로 막가습기(10) 내부를 통과하게 되며, 이 상태로 건조공기의 가습량을 상대적으로 줄이게 되는바, 막가습기(10)에서의 공기 가습량을 연료전지 스택(20)의 운전조건에 따라 조절하는 것이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 막 가습기 11 : 막 모듈
11a : 케이스 11b : 포팅부
11c : 중공사막 13 : 제1하우징
14 : 제2하우징 15a : 제1습윤공기 유입구
15b : 제2습윤공기 유입구 16a : 건조공기 유입구
16b : 가습공기 배출구 17a : 제1공기 배출구
17b : 제2공기 배출구 20 : 연료전지 스택
31 : 공기라인 31a, 31b : 분기라인
32 : 유동제어밸브 33a, 33b : 배기라인
34 : 배기밸브 34a : 제1배기밸브
34b : 제2배기밸브

Claims (9)

  1. 전, 후단부에 각각 연료전지 스택의 캐소드로부터 배출된 습윤공기가 유입되는 습윤공기 유입구가 형성되고, 전, 후단부에 각각 중공사막 내부의 건조공기를 가습한 공기가 배출되는 공기 배출구가 형성된 막가습기와;
    습윤공기의 공급을 위해 연료전지 스택의 캐소드 출구로부터 막가습기의 각 습윤공기 유입구로 연결되는 공기라인과;
    가습을 마친 공기가 배출되도록 막가습기의 각 공기 배출구에 연결되는 배기라인과;
    상기 공기라인에 설치되어 제1습윤공기 유입구와 제2습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 제어하는 유동제어밸브와;
    상기 배기라인의 유로를 개폐하는 배기밸브와;
    연료전지 스택의 운전조건에 따라 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 제어기;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기라인은 분기되어 각 분기라인이 막가습기의 각 습윤공기 유입구로 연결되고, 상기 유동제어밸브는 공기라인의 분기부에 설치되어 각 분기라인으로의 유로를 선택적으로 개폐하거나 각 분기라인으로의 습윤공기 유량을 제어하도록 설치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전단부의 공기 배출구와 후단부의 공기 배출구에 연결된 배기라인이 하나의 라인으로 합관되고, 상기 배기밸브가 배기라인의 합관부에 설치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전단부의 공기 배출구와 후단부의 공기 배출구에 가습을 마친 공기가 배출되는 별도의 배기라인이 연결되고, 각 배기라인에 각각 별도의 배기밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지 스택의 출력에 따라 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하여, 막가습기 내부에서 중공사막 내부의 공기 흐름과 역방향으로 습윤공기가 통과하는 카운터-플로우(counter-flow)의 습윤공기 흐름량과, 중공사막 내부의 공기 흐름과 동일 방향으로 습윤공기가 통과하는 코-플로우(co-flow)의 습윤공기 흐름량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값 이하인 저 출력 및 저 전류영역인 경우, 막가습기 후단부에 형성된 습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 차단하면서 막가습기 전단부에 형성된 습윤공기 유입구로 유입된 습윤공기가 막가습기 내부에서 카운터-플로우의 방향으로만 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값을 초과하는 고 출력 및 고 전류영역인 경우, 연료전지 스택의 캐소드로부터 배출된 습윤공기가 막가습기 전단부와 후단부의 습윤공기 유입구 모두로 유입된 뒤 막가습기 내부를 카운터-플로우와 코-플로우의 양 방향으로 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는 고 출력 및 고 전류영역에서 연료전지 스택의 출력이 높을수록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하여 코-플로우 방향의 습윤공기 흐름량을 증가시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지 스택의 출력이 기준값을 초과하는 고 출력 및 고 전류영역인 경우, 막가습기 전단부에 형성된 습윤공기 유입구로의 습윤공기 유입을 차단하면서 막가습기 후단부에 형성된 습윤공기 유입구로 유입된 습윤공기가 막가습기 내부에서 코-플로우의 방향으로만 통과하도록 상기 유동제어밸브와 배기밸브의 개폐상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습장치.
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