KR20170130015A - 연료전지 스택용 가습장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 스택용 가습장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지 셀 어셈블리에서 배출되는 수분을 회수하여 가습을 수행하도록 구조가 개선된 연료전지 스택용 가습장치에 관한 것이다. 연료전지 스택용 가습장치는 연료전지 셀 어셈블리와, 엔드 플레이트와, 응축기, 및 연결관을 포함한다. 연료전지 셀 어셈블리는 전극막 접합체(MEA)와 분리판을 구비한다. 엔드 플레이트는 연료전지 셀 어셈블리의 양측에 각각 장착되며, 외부에서 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관과, 전극막 접합체와 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관과, 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관이 마련된다. 응축기는 엔드 플레이트의 수분 배출관에 배치되어 연료전지 셀 어셈블리로부터 배출된 수분을 응축 및 저장한다. 연결관은 응축기에 저장된 응축수를 연료전지 셀 어셈블리로 공급하도록 일단이 응축기에 연결되고, 타단이 엔드 플레이트의 수분 유입관에 연결된다. 그리고, 수분 유입관은 벤튜리관인 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택용 가습장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템{HUMIDFICATION DEVICE FOR FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 연료전지 셀 어셈블리에서 배출되는 수분을 회수하여 가습을 수행하도록 구조가 개선된 연료전지 스택용 가습장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 스택은 다수의 셀이 적층되어 구성되며, 각 셀은 애노드 전극과 전해질막 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와, 그 양측에 배치되어 반응가스 유로를 형성하는 엔드 플레이트로 이루어진다.
이러한 연료전지 스택의 성능을 향상시키는데 있어서, 가장 중요한 요인 중의 하나는 전극막 접합체(MEA)의 고분자 전해질막에 일정량 이상의 수분을 공급하는 것이다. 이는, 전해질막이 일정 수분을 함유하여야 이온전도성이 향상되어 활발한 수소이온의 이동이 발생하고, 만약 고분자 전해질막이 건조될 경우 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
통상적으로, 연료전지의 스택의 가습장치는 막 가습기나 중공사막 가습기 등을 이용하여 연료전지 스택으로 유입되는 수소와 공기를 가습한다.
그러나, 상기 가습장치는 연료전지 스택 외부에 막 가습기나 중공사막 가습기와 같은 가습기를 별도로 구비하여야만 하므로 연료전지 스택의 부피 및 무게가 증가하고, 제조원가가 상승하는 문제가 있었다.
공개특허공보 10-2012-0038564 (2012.04.24 공개)
본 발명의 과제는 외부에 별도의 가습장치를 필요로 하지 않아 연료전지 스택의 구성시 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 제조가격을 절감시킬 수 있도록 형성된 연료전지 스택용 가습장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 상기의 가습장치를 이용한 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택용 가습장치는 연료전지 셀 어셈블리에서 배출되는 수분을 회수하여 가습을 수행하도록 구조가 개선된 것으로, 연료전지 셀 어셈블리와, 엔드 플레이트와, 응축기, 및 연결관을 포함한다. 연료전지 셀 어셈블리는 전극막 접합체(MEA)와 분리판을 구비한다. 엔드 플레이트는 연료전지 셀 어셈블리의 양측에 각각 장착되며, 외부에서 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관과, 전극막 접합체와 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관과, 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관이 마련된다. 응축기는 엔드 플레이트의 수분 배출관에 배치되어 연료전지 셀 어셈블리로부터 배출된 수분을 응축 및 저장한다. 연결관은 응축기에 저장된 응축수를 연료전지 셀 어셈블리로 공급하도록 일단이 응축기에 연결되고, 타단이 엔드 플레이트의 수분 유입관에 연결된다. 그리고, 수분 유입관은 벤튜리관인 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 반응가스 공급유닛과, 연료전지 스택과, 응축기, 및 연결관을 포함한다. 공급유닛은 수소를 포함하는 반응가스를 공급한다. 연료전지 스택은 전극막 접합체(MEA)와 분리판을 구비한 연료전지 셀 어셈블리와, 연료전지 셀 어셈블리의 양측에 각각 장착되며, 반응가스 공급유닛으로부터 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관과, 전극막 접합체와 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관과, 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관이 마련된 엔드 플레이트를 구비한다. 응축기는 연료전지 스택의 수분 배출관에 배치되어 연료전지 셀 어셈블리로부터 배출된 수분을 응축 및 저장한다. 연결관은 응축기에 저장된 응축수를 연료전지 셀 어셈블리로 공급하도록 일단이 응축기에 연결되고, 타단이 연료전지 스택의 수분 유입관에 연결된다. 그리고, 수분 유입관은 벤튜리관인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 셀 어셈블리에서 배출되는 수분을 회수하여 가습하므로 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는다. 따라서, 연료전지 스택의 구성시 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 제조가격을 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 응축수가 벤튜리관을 통해 연료전지 셀 어셈블리에 자력으로 공급됨에 따라 무동력으로 가습장치를 구성할 수 있어 제조가격을 절감시킬 수 있으며, 가습효율이 향상된다.
아울러, 상기와 같이 벤튜리관을 통해 응축수가 연료전지 셀 어셈블리로 공급됨에 따라 전극막 접합체의 전해질막이 마르지 않고 일정 수분을 함유할 수 있게 되므로, 이온전도성이 향상되어 연료전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 가습장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택용 가습장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 가습장치의 개략도다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택용 가습장치(100)는 연료전지 셀 어셈블리(110)와, 엔드 플레이트(120)와, 응축기(130), 및 연결관(140)을 포함한다.
연료전지 셀 어셈블리(110)는 반응가스의 산화 반응 및 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 전극막 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 111)와, 분리판(112)을 구비한다. 여기서, 반응가스는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 전극막 접합체(111)는 일측에 애노드 전극이 형성되고, 타측에 캐소드 전극이 형성될 수 있다. 그리고, 이들 두 전극 사이에 전해질막이 형성될 수 있다. 여기서, 애노드 전극은 반응가스에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성한다.
분리판(112)은 반응가스 및 산소를 전극막 접합체(111)로 분산 및 공급하며, 전극막 접합체(111)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 연결한다.
엔드 플레이트(120)는 연료전지 셀 어셈블리(110)의 양측에 각각 장착되어 연료전지 셀 어셈블리(110)를 지지한다. 여기서, 엔드 플레이트(120)는 볼트와 같은 체결수단을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)에 체결될 수 있다.
엔드 플레이트(120)에는 외부에서 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관(123)과, 전극막 접합체(111)와 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관(122)과, 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관(121)이 마련될 수 있다.
즉, 엔드 플레이트(120)의 공급관(123)을 통해 반응가스가 유입되면, 전극막 접합체(111)의 캐소드 전극과 반응가스의 환원반응에 의해 수분이 발생하게 된다. 그러면, 수분 배출관(122)을 통해 수분이 엔드 플레이트(120) 외부로 배출되고, 배출된 수분은 후술되는 연결관(140) 및 수분 유입관(121)을 통해 다시 엔드 플레이트(120) 내부로 유입되는 것이다.
응축기(130)는 엔드 플레이트(120)의 수분 배출관(122)에 배치되어 연료전지 셀 어셈블리(110)로부터 배출된 수분을 응축 및 저장한다.
연결관(140)은 응축기(130)에 저장된 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급하도록 일단이 응축기(130)에 연결되고, 타단이 엔드 플레이트(120)의 수분 유입관(121)에 연결될 수 있다. 이때, 연결관(140)에 펌프를 설치하여 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급할 수도 있으나, 수분 유입관(121)을 벤튜리관(Venturi tube)으로 형성하여 별도의 공급장치 없이 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 연결관(140)은 타단이 벤튜리관의 목 부분에 연결될 수 있다. 즉, 연결관(140)의 유입부와 배출부 간에 압력 차를 주어 응축수를 공기의 흐름방향으로 배출시키는 것이다.
보다 구체적으로, 연결관(140)의 양단이 응축기(130)와 벤튜리관의 목 부분에 각각 연결됨에 따라, 연결관(140)과 벤튜리관이 만나는 지점에서 유로가 축소되어 유속이 증가하고, 이러한 유속 증가는 베르누이 방정식에 의해 알 수 있는 바와 같이 압력강하를 발생시킨다.
이러한 압력강하에 의해 벤튜리관 내의 압력은 대기압보다 작아지게 된다. 그리고, 연결관(140) 내에는 대기압이 작용하고 있기 때문에 연결관(140)과 벤튜리관 내부에는 소정의 압력차가 발생하게 되고, 응축기(130)에 저장된 응축수는 압력차에 의해 연결관(140)을 통과하여 벤튜리관 측으로 배출된다.
이에 따라, 응축수는 벤튜리관을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급된다. 이때, 벤튜리관의 목 부분에서 압력이 급격히 낮아지므로 응축수는 미립화되어 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급될 수 있다.
이처럼 응축수가 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급됨에 따라 전극막 접합체(111)의 전해질막이 마르지 않고 일정 수분을 함유할 수 있게 되므로, 이온전도성이 향상되어 연료전지 스택의 효율이 향상된다.
또한, 응축수가 벤튜리관을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)에 자력으로 공급됨에 따라, 무동력으로 가습장치를 구성할 수 있어 제조가격을 절감시킬 수 있으며, 가습효율이 향상된다.
한편, 응축기(130)는 내부에 저장된 응축수의 높이를 감지하는 수위센서와, 수위센서에 의해 측정된 응축수의 높이가 미리 정해진 값 이상이면 응축수를 연결관(140)으로 배출하는 펌프를 포함할 수 있다. 이에 따라, 반응가스가 연결관(140) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어 연결관(140) 내부로 응축수만 유입될 수 있게 된다.
응축기(130) 내부에 수위센서 및 펌프를 장착하는 방법 이외에도, 연결관(140)의 직경을 작게 하여 기체의 유입을 최소화할 수 있다. 여기서, 연결관(140)의 직경은 10 ~ 50mm로 형성되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택용 가습장치(100)는 연료전지 셀 어셈블리(110)에서 배출되는 수분을 회수하여 가습하므로 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는다. 따라서, 연료전지 스택의 구성시 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 제조가격을 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 응축수가 벤튜리관을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)에 자력으로 공급됨에 따라 무동력으로 가습장치를 구성할 수 있어 제조가격을 절감시킬 수 있으며, 가습효율이 향상된다.
아울러, 상기와 같이 벤튜리관을 통해 응축수가 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급됨에 따라 전극막 접합체(111)의 전해질막이 마르지 않고 일정 수분을 함유할 수 있게 되므로, 이온전도성이 향상되어 연료전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(200)은 반응가스 공급유닛(150)과, 연료전지 스택과, 응축기(130), 및 연결관(140)을 포함한다.
반응가스 공급유닛(150)은 수소를 포함하는 반응가스를 공급한다. 보다 구체적으로, 반응가스 공급유닛(150)은 연료펌프를 통해 수소를 포함하는 반응가스를 후술되는 연료전지 스택으로 직접 공급할 수 있다.
연료전지 스택은 연료전지 셀 어셈블리(110)와, 엔드 플레이트(120)를 구비한다.
연료전지 셀 어셈블리(110)는 반응가스의 산화 반응 및 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 전극막 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 111)와, 분리판(112)을 구비한다.
보다 구체적으로, 전극막 접합체(111)는 일측에 애노드 전극이 형성되고, 타측에 캐소드 전극이 형성될 수 있다. 그리고, 이들 두 전극 사이에 전해질막이 형성될 수 있다. 여기서, 애노드 전극은 반응가스에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성한다.
분리판(112)은 반응가스 및 산소를 전극막 접합체(111)로 분산 및 공급하며, 전극막 접합체(111)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 연결한다.
엔드 플레이트(120)는 연료전지 셀 어셈블리(110)의 양측에 각각 장착되어 연료전지 셀 어셈블리(110)를 지지한다. 여기서, 엔드 플레이트(120)는 볼트와 같은 체결수단을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)에 체결될 수 있다.
엔드 플레이트(120)에는 외부에서 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관(123)과, 전극막 접합체(111)와 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관(122)과, 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관(121)이 마련될 수 있다.
즉, 엔드 플레이트(120)의 공급관(123)을 통해 반응가스가 유입되면, 전극막 접합체(111)의 캐소드 전극과 반응가스의 환원반응에 의해 수분이 발생하게 된다. 그러면, 수분 배출관(122)을 통해 수분이 엔드 플레이트(120) 외부로 배출되고, 배출된 수분은 후술되는 연결관(140) 및 수분 유입관(121)을 통해 다시 엔드 플레이트(120) 내부로 유입되는 것이다.
응축기(130)는 연료전지 스택의 수분 배출관(122)에 배치되어 연료전지 셀 어셈블리(110)로부터 배출된 수분을 응축 및 저장한다.
연결관(140)은 응축기(130)에 저장된 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급하도록 일단이 응축기(130)에 연결되고, 타단이 연료전지 스택의 수분 유입관(121)에 연결될 수 있다.
이때, 연결관(140)에 펌프를 설치하여 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급할 수도 있으나, 수분 유입관(121)을 벤튜리관(Venturi tube)으로 형성하여 별도의 공급장치 없이 응축수를 연료전지 셀 어셈블리(110)로 공급하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 연결관(140)은 타단이 벤튜리관의 목 부분에 연결될 수 있다. 즉, 연결관(140)의 유입부와 배출부 간에 압력 차를 주어 응축수를 공기의 흐름방향으로 배출시키는 것이다.
이처럼 응축수가 벤튜리관을 통해 연료전지 셀 어셈블리(110)에 자력으로 공급됨에 따라 무동력으로 가습장치를 구성할 수 있어 제조가격을 절감시킬 수 있으며, 가습효율이 향상된다.
또한, 연료전지 스택에서 배출되는 수분을 회수하여 가습하므로 별도의 가습장치를 필요로 하지 않아 연료전지 시스템의 구성시 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 제조가격을 절감시킬 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110.. 연료전지 셀 어셈블리
111.. 전극막 접합체
112.. 분리판
120.. 엔드 플레이트
121.. 수분 유입관
122.. 수분 배출관
130.. 응축기
140.. 연결관
150.. 반응가스 공급유닛

Claims (6)

  1. 전극막 접합체(MEA)와 분리판을 구비한 연료전지 셀 어셈블리;
    상기 연료전지 셀 어셈블리의 양측에 각각 장착되며, 외부에서 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관과, 상기 전극막 접합체와 상기 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관과, 상기 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관이 마련된 엔드 플레이트;
    상기 엔드 플레이트의 수분 배출관에 배치되어 상기 연료전지 셀 어셈블리로부터 배출된 수분을 응축 및 저장하는 응축기; 및
    상기 응축기에 저장된 응축수를 상기 연료전지 셀 어셈블리로 공급하도록 일단이 상기 응축기에 연결되고, 타단이 상기 엔드 플레이트의 수분 유입관에 연결된 연결관;을 포함하며,
    상기 수분 유입관은 벤튜리관인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가습장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결관은 타단이 상기 벤튜리관의 목 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가습장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응축기는 내부에 저장된 응축수의 높이를 감지하는 수위센서와, 상기 수위센서에 의해 측정된 응축수의 높이가 미리 정해진 값 이상이면 응축수를 상기 연결관으로 배출하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가습장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결관의 직경은 10 ~ 50mm인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가습장치.
  5. 수소를 포함하는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛;
    전극막 접합체(MEA)와 분리판을 구비한 연료전지 셀 어셈블리와, 상기 연료전지 셀 어셈블리의 양측에 각각 장착되며, 상기 반응가스 공급유닛으로부터 반응가스를 공급받는 반응가스 공급관과, 상기 전극막 접합체와 상기 반응가스의 환원반응에 의해 발생된 수분이 배출되는 수분 배출관과, 상기 배출된 수분이 유입되는 수분 유입관이 마련된 엔드 플레이트를 구비한 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 수분 배출관에 배치되어 상기 연료전지 셀 어셈블리로부터 배출된 수분을 응축 및 저장하는 응축기; 및
    상기 응축기에 저장된 응축수를 상기 연료전지 셀 어셈블리로 공급하도록 일단이 상기 응축기에 연결되고, 타단이 상기 연료전지 스택의 수분 유입관에 연결된 연결관;을 포함하며,
    상기 수분 유입관은 벤튜리관인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연결관은 타단이 상기 벤튜리관의 목 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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