KR20150072205A - 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료전지 시스템은 연료전지들이 적층된 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛, 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기로서 가습하는 가습기 그리고 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, 연료전지 스택으로부터 수소 배출라인을 통해 배출되는 응축수를 저장 및 배출하는 응축수 처리유닛을 포함하며, 응축수 처리유닛은 연료전지 스택의 공기 배출라인과 수소 배출라인을 연결하는 드레인 라인과, 드레인 라인에 설치되며 응축수를 저장하는 워터 트랩과, 드레인 라인과 공기 배출라인의 연결 지점에 설치되며 워터 트랩으로부터 배출된 응축수를 저장하는 워터 리저버를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택으로 유입되는 반응기체의 가습량을 조절할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지로 공기와 수소를 공급하여 그 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다.

예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 발전소 또는 공공 주택이나 공장 등에서 전력을 생산하며, 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

연료전지 시스템은 연료전지들이 적층된 스택과, 연료전지들의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치와, 연료전지들의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치를 구비하고 있다.

고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템은 연료전지 스택으로 공급되는 반응기체를 가습시키는 가습장치를 채용하고 있다.

가습장치는 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치로부터 공급되는 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급한다.

또한, 연료전지 시스템은 연료전지들의 연료극으로부터 배출되는 수소와 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 다시 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛을 구비하고 있다.

한편, 연료전지 스택에서는 연료극에 다량의 응축수가 잔존하는 플러딩(flooding) 현상이 발생할 수 있다. 이러한 플러딩 현상은 응축수에 의해 연료극으로의 수소 유입을 막아 연료전지들의 셀 전압을 떨어뜨릴 수 있다.

이에 연료전지 시스템에는 연료전지들의 연료극 내에 잔존하는 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출장치로서 워터 트랩과 드레인 밸브를 구비하고 있다.

워터 트랩은 연료극에서 배출된 응축수를 저장하며, 드레인 밸브는 워터 트랩 내부에 구비된 레벨 센서의 감지 신호에 따라 워터 트랩 내의 응축수를 선택적으로 배출할 수 있다.

여기서, 워터 트랩은 연료전지 스택의 수소 배출라인과 공기 배출라인을 연결하는 드레인 라인에 설치되며, 드레인 밸브를 통해 드레인 라인을 개방한 상태에서 응축수를 가습장치로 공급하고 있다.

그런데, 이와 같은 연료전지의 플러딩 조건에서는 워터 트랩의 응축수를 가습장치로 유입시키며 연료전지 스택으로 수분을 재 유입시킴에 따라 연료전지의 플러딩 현상에 의한 연료전지들의 셀 전압 저감을 더욱 악화시킬 수 있다.

한편, 연료전지 스택의 고출력 운전 시에는 그 연료전지 스택으로부터 고온 건조한 공기를 배출하며, 공기의 과급이나 고온 운전으로 인해 스택 내의 수분량이 부족한 드라이-아웃 현상이 발생할 수 있다. 이러한 드라이 아웃 현상은 공기극의 전기 저항을 증가시키며 이로 인해 셀 전압의 편차를 증가시킬 수 있다.

특히, 연료전지 스택의 고출력 운전 시 과급된 공기의 운동 모멘텀은 공기극에서 필요한 수분까지 배출시키게 되며, 고온 조건에서는 포화수증기량의 증가로 공급 공기의 상대습도를 떨어뜨리게 되어 연료전지 스택의 건조 현상을 유발시킬 수 있다.

상기에서와 같은 연료전지의 플러딩 및 드라이-아웃 조건에 대응하는 연료전지 스택의 습도 관리는 제어적인 방법을 통해 다양한 평가가 진행되고 있으며, 이러한 제어적인 방법은 별도의 부품 추가 없이 연료전지의 플러딩 및 드라이-아웃 조건의 개선이 가능하다는 잇점이 있다.

그러나, 이러한 제어적인 방법은 연료전지의 플러딩 조건에서 히터를 작동시키거나 추가적인 수소 퍼지 및 공기 공급을 실시하고, 드라이-아웃 조건에서 강제 냉각, 강제 부하 및 공기 가압 등의 실시에 따른 추가적인 전력 및 연료의 사용으로 연비를 저하시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들은 제어적인 방법으로 연료전지의 플러딩 및 드라이-아웃 조건을 이용하지 않고, 응축수 배출장치의 구조를 개선하여 연료전지 스택으로 유입되는 반응기체의 가습량을 조절할 수 있도록 한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지들이 적층된 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛, 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기로서 가습하는 가습기 그리고 상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, 상기 연료전지 스택으로부터 수소 배출라인을 통해 배출되는 응축수를 저장 및 배출하는 응축수 처리유닛을 포함하며, 상기 응축수 처리유닛은 상기 연료전지 스택의 공기 배출라인과 상기 수소 배출라인을 연결하는 드레인 라인과, 상기 드레인 라인에 설치되며 상기 응축수를 저장하는 워터 트랩과, 상기 드레인 라인과 공기 배출라인의 연결 지점에 설치되며 상기 워터 트랩으로부터 배출된 응축수를 저장하는 워터 리저버를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상기 연료전지의 플러딩 조건에서 응축수를 일부 저장할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상기 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 응축수를 상기 공기 배출라인을 통해 상기 가습기로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상기 공기 배출라인의 하측에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 드레인 라인은 상기 워터 리저버의 측면 중앙에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상기 공기 배출라인의 일부 섹션과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상부면에 개방부를 형성하고, 상기 개방부는 상기 공기 배출라인의 일부 섹션과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버의 내부에는 다공체가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 다공체는 SUS 소재의 다공성 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버의 내부에는 상기 다공체와 별개로 일정 영역의 응축수 저장공간이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 응축수 저장공간은 상기 워터 리저버의 내부에서 상기 드레인 라인의 연결 측에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 드레인 라인에는 상기 워터 트랩에 수용된 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 공기 공급유닛, 가습기 그리고 수소 공급유닛을 포함하는 것으로서, 상기 연료전지 스택의 공기 배출 측과 상기 연료전지 스택의 수소 배출 측을 연결하는 드레인 라인과, 상기 드레인 라인에 설치되며, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩과, 상기 연료전지 스택의 공기 배출 측과 상기 드레인 라인의 연결 지점에 설치되며 상기 워터 트랩으로부터 배출된 응축수를 임시 저장하는 워터 리저버를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 드레인 라인은 상기 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소 배출라인과, 상기 연료전지 스택과 가습기를 연결하는 공기 배출라인에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버는 상기 드레인 라인과 공기 배출라인을 연결하는 연결 지점에서 상기 공기 배출라인의 하측에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 드레인 라인은 상기 연결 지점에서 상기 워터 리저버의 측면 중앙에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 워터 리저버의 내부 공간에는 다공체가 설치되며, 상기 다공체는 상기 드레인 라인의 연결 반대측 공간에 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 연료전지의 플러딩 조건에서 워터 리저버를 통해 가습기로 유입되는 수분을 최소화하여 연료전지 스택으로 유입되는 공기의 가습량을 줄일 수 있으므로, 연료전지의 플러딩 현상에 의한 연료전지들의 셀 전압 저감 및 촉매 유실량을 최소화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 워터 리저버를 통해 연료전지 스택으로 유입되는 공기의 가습량을 증대시킬 수 있으므로, 연료전지의 드라이-아웃에 의한 연료전지들의 셀 전압의 편차를 줄일 수 있고, 멤브레인의 열화를 개선할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 워터 리저버를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

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.

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.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 예를 들면 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 연료전지 시스템(100)에 사용되는 연료를 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)로 정의할 수 있으며, 산화제를 공기로 정의할 수 있다.

이러한 연료전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료전지 스택(10), 공기 공급유닛(20), 수소 공급유닛(30), 가습기(40) 그리고 수소 재순환유닛(50)을 포함하고 있다.

연료전지 스택(10)은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진다. 연료전지 스택(10)은 수소 공급유닛(30)으로부터 공급되는 수소를 공급받고 공기 공급유닛(20)으로부터 공기를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

공기 공급유닛(20)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급하는 공기 압축기 또는 공기 블로워를 포함하고, 수소 공급유닛(30)은 수소를 가스 형태로 압축 저장하며 연료전지 스택(10)의 연료극으로 공급하는 수소탱크를 포함할 수 있다.

가습기(40)는 연료전지 스택(10)의 공기극으로부터 배출되는 공기를 이용하여 공기 공급유닛(20)으로부터 공급되는 공기를 막-가습하는 막-가습장치를 포함할 수 있다. 이러한 가습기(40)는 공기 공급라인(11) 및 공기 배출라인(12)을 통해 연료전지 스택(10)과 연결될 수 있다.

수소 재순환유닛(50)은 연료전지 스택(10)의 연료극으로부터 배출되는 수소를 다시 연료극으로 재순환시키기 위한 것으로, 연료전지 스택(10)으로부터 수소 배출라인(13)을 통해 배출되는 수소와, 수소 공급유닛(30)으로부터 공급되는 수소를 이젝터 등을 통해 혼합하여 연료전지 스택(10)의 연료극으로 공급할 수 있다.

도면에서 미 설명된 참조 부호 60은 연료극의 수소를 퍼지시키기 위해 수소 배출라인(13)과 공기 배출라인(12)을 연결하는 퍼지라인(61) 및 그 퍼지라인(61)에 설치되는 퍼지 밸브(63)를 포함하는 퍼지유닛을 나타낸다.

그 외에 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10)으로부터 수소 배출라인(13)을 통해 배출되는 응축수를 저장 및 배출하는 응축수 처리유닛(70)을 포함하고 있다.

응축수 처리유닛(70)은 기본적으로 위에서 언급한 바 있는 공기 배출라인(12)과 수소 배출라인(13)을 연결하는 드레인 라인(71)과, 드레인 라인(71)에 설치되는 워터 트랩(73) 및 드레인 밸브(75)를 포함한다.

여기서, 워터 트랩(73)은 연료전지 스택(10)의 연료극에서 배출된 응축수를 저장하며, 드레인 밸브(75)는 워터 트랩(73) 내부에 구비된 레벨 센서(도면에 도시되지 않음)의 감지 신호에 따라 그 워터 트랩(73) 내의 응축수를 선택적으로 배출할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료전지의 플러딩 및 드라이-아웃 조건을 제어적인 방법으로서 개선하지 않고, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 가습량을 간단한 구성으로 조절할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 응축수를 저장 및 배출하는 응축수 처리유닛(70)의 구조를 변경하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 가습도를 조절할 수 있는 연료전지 시스템(100)을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 워터 리저버(80)를 더 포함하는 응축수 처리유닛(70)을 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 워터 리저버(80)는 워터 트랩(73)으로부터 배출된 응축수를 임시 저장하는 버퍼 탱크로서, 드레인 라인(71)과 공기 배출라인(12)의 연결 지점에 설치된다.

워터 리저버(80)는 연료전지의 플러딩 조건에서 응축수를 일부 저장하고, 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 응축수를 공기 배출라인(12)을 통해 가습기(40)로 공급할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 워터 리저버를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 워터 리저버(80)는 응축수를 저장하는 탱크 바디(81)를 포함한다.

탱크 바디(81)는 워터 트랩(73)으로부터 배출된 응축수를 유입시키기 위한 유입구(83)를 형성하고 있으며, 그 유입구(83)에는 드레인 라인(71)이 연결된다. 이 때 유입구(83)는 탱크 바디(81)의 측면 중앙에 형성될 수 있다.

이러한 탱크 바디(81)는 드레인 라인(71)과 공기 배출라인(12)의 연결 지점에서 공기 배출라인(12)의 일부 섹션(구간)과 연결되는 바, 그 공기 배출라인(12)의 하측에 배치된다.

여기서, 탱크 바디(81)는 이의 상부면이 일부 개방되고 나머지 부분이 폐쇄된 내부 공간을 형성하고 있다. 즉, 탱크 바디(81)의 상부면에는 개방부(85)를 형성하고 있으며, 그 개방부(85)는 공기 배출라인(12)의 일부 섹션과 연결될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서 탱크 바디(81)의 내부에는 응축수를 흡수하며, 그 응축수를 개방부(85)를 통해 공기 배출라인(12)으로 증발시킬 수 있는 다공체(87)가 설치된다.

다공체(87)는 상기한 바와 같은 고유한 기능을 만족하기 위해 SUS 소재의 다공성 물질로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 다공체(87)는 탱크 바디(81)의 내부 공간에서 드레인 라인(71)의 연결 반대측 공간 즉, 유입구(83)의 반대측 공간에 설치될 수 있다. 이에 탱크 바디(81)의 내부에는 다공체(87)와 별개로 드레인 라인(71)의 연결 측인 유입구(83) 측에 응축수를 저장하는 일정 영역의 응축수 저장공간(89)을 형성하고 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 작동을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 운전 시, 공기 공급유닛(20)을 통해 공기를 연료전지 스택(10)으로 공급하고, 수소 공급유닛(30)을 통해 수소를 연료전지 스택(10)으로 공급한다.

그러면, 연료전지 스택(10)에서는 연료전지들에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키며, 연료전지들의 공기극으로부터 공기 배출라인(12)을 통해 고온 다습한 공기를 배출하고, 연료전지들의 연료극으로부터 수분을 포함하고 있는 수소를 수소 배출라인(13)을 통해 배출하게 된다.

여기서, 연료전지들의 연료극에서는 반응하고 남은 수소를 배출하는데, 그 수소는 수소 재순환유닛(50)을 통해 수소 공급유닛(30)으로부터 공급되는 수소와 함께 다시 연료극으로 재순환될 수 있다.

이 과정에 본 발명의 실시예에서는 연료전지들의 연료극에 축적된 응축수를 수소 배출라인(13)을 통해 배출하는데, 그 응축수는 응축수 처리유닛(70)의 드레인 라인(71)을 통해 워터 트랩(73)에 포집된다.

그리고, 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기는 공기 배출라인(12)을 통해 가습기(40)로 공급되는 바, 그 가습기(40)는 공기 공급유닛(20)으로부터 공급되는 공급 공기를 배출 공기로서 가습하고 그 가습 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급한다.

한편, 상기한 바와 같은 워터 트랩(73)으로 기 설정된 레벨의 응축수가 저장되면, 본 발명의 실시예에서는 드레인 밸브(75)를 통해 워터 트랩(73) 내의 응축수를 배출한다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 그 워터 트랩(73)으로부터 배출된 응축수를 드레인 라인(71)을 통해 워터 리저버(80)의 탱크 바디(81) 내부에 저장할 수 있다.

여기서, 워터 리저버(80)의 탱크 바디(81) 내부로 유입되는 응축수는 응축수 저장공간(89)에 일시적으로 저장되며, 다공체(87)에 흡수된다. 즉, 응축수 저장공간(89)에 수용된 응축수는 다공체(87)의 다공성 물질과 그 응축수 간 표면장력에 의해 다공체(87)의 하부로 흡수되면서 상부 측으로 이동하게 된다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(10)의 초기 시동 또는 저온 운전에 따른 연료전지의 플러딩 조건에서, 상술한 바와 같이 워터 트랩(73)으로부터 배출된 응축수를 탱크 바디(81)의 내부에서 다공체(87)를 통해 임시적으로 저장할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기한 연료전지의 플러딩 조건에서, 워터 리저버(80)에 응축수를 임시 저장함에 따라, 공기 배출라인(12)을 통해 가습기(40)로 유입되는 응축수를 최소화할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 연료전지의 플러딩 조건에서 가습기(40)로 유입되는 수분을 최소화하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 가습량을 줄일 수 있으므로, 연료전지의 플러딩 현상에 의한 연료전지들의 셀 전압 저감 및 촉매 유실량을 최소화시킬 수 있다.

또 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(10)의 고출력 운전 시, 그 연료전지 스택(10)으로부터 고온 건조한 공기를 공기 배출라인(12)을 통해 배출하며, 공기의 과급이나 고온 운전으로 인해 스택 내의 수분량이 부족한 드라이-아웃 현상이 발생할 수 있다.

상기한 바와 같은 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 본 발명의 실시예에서는 도 4에서와 같이, 고온 건조한 공기를 연료전지 스택(10)으로부터 배출함에 따라, 위에서 언급한 바와 같이 워터 리저버(80)의 내부 공간에서 다공체(87)에 흡수된 응축수를 증발시킬 수 있다.

이에, 다공체(87)에서 증발된 수분은 탱크 바디(81)의 개방부(85)를 통해 공기 배출라인(12)으로 유입되고, 그 공기 배출라인(12)을 통해 배출되는 고온 건조한 공기와 함께 가습기(40)로 유입될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 워터 리저버(80)를 통해 수분을 가습기(40)로 공급하고, 그 가습기(40)를 통해 적정량의 수분을 포함한 공기를 공기 공급라인(11)을 통해 연료전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 가습량을 증대시킬 수 있으므로, 연료전지의 드라이-아웃에 의한 연료전지들의 셀 전압의 편차를 줄일 수 있고, 멤브레인의 열화를 개선할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 제어적인 방법을 적용하지 않고, 응축수 처리유닛(70)의 구조를 개선함으로써 연료전지의 플러딩 및 드라이-아웃 조건에서 연료전지 성능을 향상시킬 수 있으므로, 추가적으로 전력과 연료를 사용할 필요가 없고, 이로 인해 차량의 연비를 개선할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 연료전지 스택 11... 공기 공급라인
12... 공기 배출라인 13... 수소 배출라인
20... 공기 공급유닛 30... 수소 공급유닛
40... 가습기 50... 수소 재순환유닛
60... 퍼지유닛 61... 퍼지라인
63... 퍼지 밸브 70... 응축수 처리유닛
71... 드레인 라인 73... 워터 트랩
75... 드레인 밸브 80... 워터 리저버
81... 탱크 바디 83... 유입구
85... 개방부 87... 다공체
89... 응축수 저장공간

Claims (14)

1. 연료전지들이 적층된 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛, 상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기로서 가습하는 가습기 그리고 상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
   상기 연료전지 스택으로부터 수소 배출라인을 통해 배출되는 응축수를 저장 및 배출하는 응축수 처리유닛을 포함하며,
   상기 응축수 처리유닛은,
   상기 연료전지 스택의 공기 배출라인과 상기 수소 배출라인을 연결하는 드레인 라인;
   상기 드레인 라인에 설치되며 상기 응축수를 저장하는 워터 트랩; 및
   상기 드레인 라인과 공기 배출라인의 연결 지점에 설치되며, 상기 워터 트랩으로부터 배출된 응축수를 저장하는 워터 리저버를 포함하는 연료전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 워터 리저버는,
   상기 연료전지의 플러딩 조건에서 응축수를 일부 저장하고,
   상기 연료전지의 드라이-아웃 조건에서 응축수를 상기 공기 배출라인을 통해 상기 가습기로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 워터 리저버는 상기 공기 배출라인의 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 드레인 라인은 상기 워터 리저버의 측면 중앙에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 워터 리저버는 상기 공기 배출라인의 일부 섹션과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 워터 리저버는 상부면에 개방부를 형성하고, 그 개방부는 상기 공기 배출라인의 일부 섹션과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 워터 리저버의 내부에는 다공체가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 다공체는 SUS 소재의 다공성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 워터 리저버의 내부에는 상기 다공체와 별개로 일정 영역의 응축수 저장공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 드레인 라인은 상기 워터 리저버의 측면 중앙에 연결되며,
    상기 응축수 저장공간은 상기 워터 리저버의 내부에서 상기 드레인 라인의 연결 측에 형성되는 것을 특징으로 연료전지 시스템.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 드레인 라인에는 상기 워터 트랩에 수용된 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
12. 연료전지 스택, 공기 공급유닛, 가습기 그리고 수소 공급유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 공기 배출 측과 상기 연료전지 스택의 수소 배출 측을 연결하는 드레인 라인;
    상기 드레인 라인에 설치되며, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩; 및
    상기 연료전지 스택의 공기 배출 측과 상기 드레인 라인의 연결 지점에 설치되며, 상기 워터 트랩으로부터 배출된 응축수를 임시 저장하는 워터 리저버
    를 포함하는 연료전지 시스템.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 드레인 라인은 상기 연료전지 스택으로부터 수소를 배출하는 수소 배출라인과, 상기 연료전지 스택과 가습기를 연결하는 공기 배출라인에 연결되며,
    상기 워터 리저버는 상기 드레인 라인과 공기 배출라인을 연결하는 연결 지점에서 상기 공기 배출라인의 하측에 배치되며,
    상기 드레인 라인은 상기 연결 지점에서 상기 워터 리저버의 측면 중앙에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 워터 리저버의 내부 공간에는 다공체가 설치되며,
    상기 다공체는 상기 드레인 라인의 연결 반대측 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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