KR20180063677A - 공기상태 조절장치와 이를 포함한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기상태 조절장치에 관한 것으로, 공기상태 조절장치는 연료전지 스택의 공기극에 공기를 제공하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기로부터 공기를 공급받기 위한 공기입구와, 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기출구와, 공기입구와 공기출구를 서로 연통하게 마련되는 내부공간을 구비하는 본체 및 본체의 내부공간에 구비되고, 유체가 내부의 중공을 따라 유동하는 복수 개의 튜브들을 포함하고, 공기입구를 통해 공급된 공기는 내부공간을 통과하는 중에, 튜브들의 중공을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각된다.

Description

공기상태 조절장치와 이를 포함한 연료전지 시스템{AIR CONDITION CONTROL APPARATUS AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 공기상태 조절장치와 이를 포함한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 또는 수소 연료에 저장된 화학 에너지를 공기와의 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 자동차 등에 이용되는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)는 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전된다. 연료전지 스택의 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.
연료전지 시스템에서는 고분자막을 전해질로 이용하여 수소이온을 이동시키는데, 이를 위해서는 고분자 전해질 막이 적당한 수분을 함유하고 있어야 한다. 따라서, 종래에는 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기에 물을 분사하는 가습기 등을 이용하였다.
또한, 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 이하에서 운전되기 때문에, 공기 압축기를 통해 공기극으로 공급되는 공기가, 100℃를 초과하는 경우, 공기를 냉각시킬 필요가 있다. 종래에는 공기 쿨러 등을 배치하여 공기를 냉각하였다.
그러나 자동차의 내부는 연료전지를 설치하기 위한 공간이 협소하여, 공기 쿨러, 가습기 등 별도 장치들을 추가로 설치하는 것은 제약이 있을 수 있다. 따라서, 공기 압축기를 통해 고압의 공기를 공급하면서, 냉각되고 가습된 공기를 공급할 수 있는 장치 및 이 장치를 포함하는 연료전지 시스템이 요구되는 실정이다.
본 발명의 일 과제는, 공기 압축기의 출구에서 배출된 고온 고압의 공기를 냉각시켜 공기극으로 공급할 수 있는 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 연료전지 스택의 공기극으로 가습된 공기를 제공할 수 있는 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
일 예에서, 공기상태 조절장치는, 연료전지 스택의 공기극에 공기를 제공하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기로부터 공기를 공급받기 위한 공기입구와, 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기출구와, 공기입구와 공기출구를 서로 연통하게 마련되는 내부공간을 구비하는 본체 및 본체의 내부공간에 구비되고, 유체가 내부의 중공을 따라 유동하는 복수 개의 튜브들을 포함하고, 공기입구를 통해 공급된 공기는 내부공간을 통과하는 중에, 튜브들의 중공을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각된다.
다른 예에서, 본체는, 튜브들로 유체가 공급되는 측에 형성되고, 튜브들과 통하여 튜브들로 유체를 분기시키되 내부공간과 구별되는 공간을 제공하는 입구 매니폴드와, 튜브들에서 유체가 배출되는 측에 형성되고, 튜브들과 통하여 튜브들로부터 배출된 유체를 수용하되 내부공간과 구별되는 공간을 제공하는 출구 매니폴드를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 공기상태 조절장치는, 입구 매니폴드의 일측에 구비되고, 압축 공기의 공급에 의해 압축 공기와 물을 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고, 압축 공기와 물은 이류체 노즐에 의해, 또는 입구 매니폴드의 공간에서 서로 혼합되어 유체를 형성할 수 있다.
또 다른 예에서, 본체는, 이류체 노즐에서 분사된 유체가 공기 압축기의 입구로 공급되어, 본체의 공기입구로 공급될 공기를 가습하기 위해, 출구 매니폴드에 형성되어 출구 매니폴드에서 공기 압축기의 입구로 통하는 유체출구를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 이류체 노즐은, 공기출구에 근접하게 입구 매니폴드의 일측에 구비되어, 공기입구를 통해 공급된 공기가 내부공간을 통과하는 방향에 반대되는 방향으로, 유체를 분사할 수 있다.
또 다른 예에서, 공기상태 조절장치는, 중공과 통하게 튜브들에 형성되고, 물은 통과하지 못하되 공기는 통과하는 복수 개의 미세구멍들을 더 포함하고, 본체의 내부공간을 통과하는 공기 중의 일부는 미세구멍들을 통해 튜브들의 중공으로 인입되어, 유체 중의 물의 기화를 위해 중공 내의 유체를 가열할 수 있다.
또 다른 예에서, 공기상태 조절장치는, 공기입구에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수가 공기출구에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수보다 많을 수 있다.
또 다른 예에서, 본체는, 출구 매니폴드에서 공기 압축기의 입구로 통하는 유체출구를 더 포함하고, 출구 매니폴드는, 유체출구로 갈수록 점차 내부체적이 증가할 수 있다.
또 다른 예에서, 공기상태 조절장치는, 공기입구에 근접하게 내부공간에 구비되고, 공기 압축기로부터 공급된 공기를 분산시키는 복수 개의 분리판들을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 연료극과 공기극을 구비한 연료전지 스택, 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기 및 공기 압축기의 출구로부터 공기를 공급받아 공기극으로 공기를 공급하는 공기상태 조절장치를 포함하고, 공기상태 조절장치는, 공기 압축기의 출구로부터 공급된 공기가 통과하기 위한 내부공간을 구비하는 본체와, 본체의 내부공간에 구비되고, 유체가 내부의 중공을 따라 유동하는 복수 개의 튜브들을 포함하며, 공기 압축기의 출구로부터 공기상태 조절장치로 공급된 공기는, 내부공간을 통과하는 중에, 튜브들의 중공을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각된다.
또 다른 예에서, 본체는, 튜브들로 유체가 공급되는 측에 형성되고, 튜브들과 통하여 튜브들로 유체를 분기시키는 공간을 제공하는 입구 매니폴드와, 튜브들에서 유체가 배출되는 측에 형성되고, 튜브들과 통하여 튜브들로부터 배출된 유체를 수용하는 공간을 제공하는 출구 매니폴드를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 입구 매니폴드의 일측에 구비되며, 공기 압축기의 출구에서 바이패스된 공기의 공급에 의해, 물이 저장된 저장탱크로부터 물을 흡입하고, 공기와 물을 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고, 이류체 노즐에서 분사된 공기와 물이 입구 매니폴드의 공간에서 서로 혼합되어 형성된 유체는, 입구 매니폴드, 튜브들 및 출구 매니폴드를 순차적으로 통과할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 입구 매니폴드의 일측에 구비되며, 공기 압축기의 출구에서 바이패스된 공기와, 물이 저장된 저장탱크로부터 흡입된 물이 내부에서 혼합되어 형성된 유체를, 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고, 이류체 노즐에서 분사된 유체는, 입구 매니폴드, 튜브들 및 출구 매니폴드를 순차적으로 통과할 수 있다.
또 다른 예에서, 공기상태 조절장치는, 중공과 통하게 튜브들에 형성되고, 물은 통과하지 못하되 공기는 통과하는 복수 개의 미세구멍들을 더 포함하고, 본체의 내부공간을 통과하는 공기 중의 일부는, 미세구멍들을 통해 튜브들의 중공으로 인입되어, 입구 매니폴드에서 미 기화된, 유체 중의 물의 기화를 위해 중공 내의 유체를 가열할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 이류체 노즐에서 분사된 유체가, 입구 매니폴드, 튜브들 및 출구 매니폴드를 거쳐, 공기 압축기의 입구로 공급되어, 공기극으로 공급될 공기를 가습하기 위해, 출구 매니폴드에서 공기 압축기의 입구로 연결되는 회수배관을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 회수배관에 구비되어 회수배관을 개폐하고, 회수배관의 개폐에 따라 이류체 노즐의 작동을 결정하는 작동밸브를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 저장탱크에서 이류체 노즐로 물이 흡입되도록 저장탱크에서 이류체 노즐로 연결되는 흡입배관을 더 포함하며, 저장탱크는 공기극에서 배출된 배기가스 중의 물을 회수하여 저장할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 작동밸브가 회수배관을 폐쇄했을 때, 물이 이류체 노즐에서 저장탱크 측으로 흐르는 것을 방지하기 위해, 흡입배관에 마련되는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 작동밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 공기 압축기의 출구의 공기의 온도가 제1 기준온도 이상이거나, 또는 공기극에 공급되는 공기의 온도가 제2 기준온도 이상이면, 공기상태 조절장치에 의한 공기의 냉각을 위해 작동밸브를 개방할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 저장탱크의 수위가 기준 수위 이상일 때만, 작동밸브를 개방할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 공기 압축기의 출구의 공기의 온도와 공기극에 공급되는 공기의 온도의 차이 값과, 공기 압축기로 공급되는 공기의 유량에 기초하여 공기극으로 공급되는 공기의 필요 냉각량을 계산하고, 계산된 필요 냉각량에 기초하여 작동밸브의 개방 시간을 제어할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 공기 압축기의 작동 조건이 공기 압축기의 입구로 유입되는 유량 대비 압축기의 출구 압력과의 관계에서 서지 현상이 발생하는 조건에 해당되는 경우, 작동밸브를 개방할 수 있다.
본 발명에 의하면 공기상태 조절장치를 통과하는 공기가 튜브들을 유동하는 유체와 열교환하여 냉각되고, 냉각된 공기가 공기극으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 공기상태 조절장치의 튜브들을 유동하며 가습된 유체는 공기 압축기의 입구로 재순환되어, 공기극으로 가습된 공기가 공급될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기상태 조절장치의 내부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 공기 압축기의 입구로 유입되는 유량 대비 출구 압력의 관계에 대한 서지 곡선이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기상태 조절장치의 내부를 나타내는 사시도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 필터(100), 공기 압축기(200), 공기상태 조절장치(300) 및 스택(400)을 포함한다.
스택(400)은 연료극(미도시)과 공기극(미도시)을 구비한다. 연료극으로는 개질된 수소가 공급되고, 공기극으로는 공기(산소)가 공급되며, 스택(400)에서 일어나는 수소와 산소의 반응에 의해 전기가 생성된다
공기 압축기(200)는 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송한다. 외부에서 공기 압축기(200)의 입구로 공급된 공기는, 공기 압축기(200)에 의해 압축되어 스택(400)의 공기극으로 공급될 수 있다.
필터(100)는 공기 압축기(200)의 입구 전단에 마련되어, 공기 압축기(200)의 입구로 들어가는 공기에 포함된 이물질을 제거한다.
공기상태 조절장치(300)는 공기 압축기(200)와 스택(400) 사이에 마련되어, 공기 압축기(200)의 출구로부터 공기를 공급받아 공기극으로 공기를 공급한다. 공기상태 조절장치(300)를 통과한 공기는 냉각되고 가습되어 공기극으로 공급된다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 공기상태 조절장치(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
공기상태 조절장치(300)는 공기입구(310), 공기출구(390), 본체(350) 및 복수 개의 튜브들(360)을 포함한다.
공기입구(310)는 공기 압축기(200)로부터 공기를 공급받고, 공기출구(390)는 공기극으로 공기를 공급한다. 본체(350)는 공기입구(310)와 공기출구(390)를 서로 연통하게 마련되는 내부공간(355)을 구비한다. 즉, 공기 압축기(200)로부터 공기입구(310)를 통해 공급된 공기는 본체(350)의 내부공간(355)을 통과하여 공기출구(390)를 통해 공기극으로 공급된다.
복수 개의 튜브들(360)은 본체(350)의 내부공간(355)에 구비된다. 복수 개의 튜브들(360)은 도 3에 도시된 것과 같이, 공기입구(310)에서 공기출구(390) 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. 또한, 복수 개의 튜브들(360)은 이중으로 배열되어 내부공간(355)을 통과하는 공기와 튜브들(360)의 표면이 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있다.
복수 개의 튜브들(360)의 내부에는 중공(365)이 형성되어, 유체가 내부의 중공(365)을 따라 유동한다. 공기 압축기(200)의 출구로부터 공기상태 조절장치(300)로 공급된 공기는 내부공간(355)을 통과하는 중에, 튜브들(360)의 중공(365)을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각된다. 유체와 열교환하여 냉각된 공기가 공기극으로 공급됨으로써, 연료전지 시스템이 적정 온도(100℃ 이하)에서 작동될 수 있도록 한다.
공기상태 조절장치(300)는 복수 개의 분리판들(320)을 더 포함할 수 있다. 분리판들(320)은 공기입구(310)에 근접하게 내부공간(355)에 구비되고, 공기 압축기(200)로부터 공급된 공기를 분산시킬 수 있다. 분리판들(320)이 공기 압축기(200)로부터 공급된 공기를 분산시킴으로써, 본체(350)의 내부공간(355)을 통과하는 공기와, 복수 개의 튜브들(360)을 유동하는 유체가 보다 넓은 범위에서 접촉하게 하여, 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
본체(350)는 입구 매니폴드(330)와 출구 매니폴드(370)를 포함할 수 있다. 입구 매니폴드(330)는 복수 개의 튜브들(360)로 유체가 공급되는 측에 형성되어, 본체(350)의 내부공간(355)과 구별되는 공간(335)을 제공할 수 있다. 그리고 입구 매니폴드(330)는 복수 개의 튜브들(360)과 통하여 복수 개의 튜브들(360)로 유체를 분기시킬 수 있다. 출구 매니폴드(370)는 복수 개의 튜브들(360)로 유체가 배출되는 측에 형성될 수 있다. 출구 매니폴드(370)는 튜브들(360)과 통하여 튜브들(360)로부터 배출된 유체를 수용하되, 내부공간(355)과 구별되는 공간(375)을 제공할 수 있다.
한편, 복수 개의 튜브들(360)은, 본체(350)의 내부공간(355)과 입구 매니폴드(330)의 경계 및 본체(350)의 내부공간(355)과 출구 매니폴드(370)의 경계에 마련된 고정 플레이트(337, 377)에 결합되어 내부공간(355)에 고정될 수 있다.
공기상태 조절장치(300)는 입구 매니폴드(330)의 일측에 구비되어, 입구 매니폴드(330)로 공기와 물을 분사하는 이류체 노즐(380)을 더 포함할 수 있다. 이류체 노즐(380)은 공기와 물이 어디에서 혼합되는지에 따라 외부 혼합형 이류체 노즐과 내부 혼합형 이류체 노즐로 나뉠 수 있다. 도 1은 외부 혼합형 이류체 노즐이 이용된 연료전지 시스템을 도시하고 있다.
이류체 노즐(380)은 압축 공기의 공급에 의해 물을 흡입하여 공기와 물을 함께 분사할 수 있다. 보다 구체적으로 이류체 노즐(380)에 압축 공기가 공급되어 분사되면, 이류체 노즐(380)의 내부에는 순간적으로 압력 강하가 발생할 수 있다. 압력 강하에 의해 이류체 노즐(380) 외부의 압력이 이류체 노즐(380) 내부의 압력보다 커지면 외부의 물이 이류체 노즐(380)로 흡입되어 공기와 함께 입구 매니폴드(330)로 분사될 수 있다. 이때, 압축 공기는 공기 압축기(200)의 출구에서 바이패스된 공기가 이용될 수 있고, 물은 물이 저장된 저장탱크(500)로부터 흡입될 수 있다. 저장탱크(500)에 저장된 물은 공기극에서 배출된 배기가스 중의 물을 회수하여 저장된 것일 수 있다. 즉, 공기극에서 배출된 배기가스는 저장탱크(500)를 거쳐 배기되며, 저장탱크(500)에는 배기가스 중의 물이 회수되어 저장될 수 있다.
도 2는 내부 혼합형 이류체 노즐이 이용된 연료전지 시스템을 도시하고 있다. 연료전지 시스템은 저장탱크(500)의 물을 이류체 노즐(380)로 공급하기 위한 펌프(550)를 더 포함할 수 있다. 공기 압축기(200)의 출구에서 바이패스된 공기와, 펌프(550)에 의해 흡입된 저장탱크(500)의 물은 이류체 노즐(380)의 내부에서 혼합되어 유체를 형성할 수 있다. 혼합된 유체는 입구 매니폴드(330)의 공간으로 분사될 수 있다. 내부 혼합형 이류체 노즐을 이용하는 경우, 이류체 노즐(380)로 공급되는 공기의 양에 맞춰, 펌프(550)를 통해 이류체 노즐(380)로 공급되는 물의 양을 조절하기 용이할 수 있다.
이류체 노즐(380)에 의해 입구 매니폴드(330)의 공간으로 분사된 물과 공기는 서로 혼합되어 복수 개의 튜브들(360)로 공급되는 유체를 형성할 수 있다.
형성된 유체는 입구 매니폴드(330), 복수 개의 튜브들(360) 및 출구 매니폴드(370)를 순차적으로 통과할 수 있다. 입구 매니폴드(330)의 공간에서 물은 고압 고온의 공기에 의해 기화될 수 있다. 그러나 입구 매니폴드(330)의 공간에서는 공기의 온도가 낮아지거나, 공기의 유량이 부족하게 되어 상대 습도가 쉽게 100%에 도달할 수 있다. 따라서 물은 모두 기화되지 못할 수 있다. 즉, 입구 매니폴드(330)의 공간에는 압축 공기, 물, 물이 기화되어 형성된 수증기가 존재할 수 있다. 공기, 미 기화된 물 및 수증기는 복수 개의 튜브들(360)로 흘러들어갈 수 있다.
복수 개의 튜브들(360)로 흘러들어온 유체와 본체(350)의 내부공간(355)을 통과하는 공기 사이에 열교환이 이루어져, 유체 중의 물을 기화되고, 내부공간(355)을 통과하는 공기는 냉각될 수 있다. 이때 보다 확실한 열교환을 위해, 복수 개의 튜브들(360)에는 튜브들(360)의 중공(365)과 통하는 미세구멍들(366)이 형성되어 있을 수 있다. 미세구멍들(366)은 물은 통과하지 못하되, 공기는 통과할 수 있는 크기 또는 소재로 형성될 수 있다. 본체(350)의 내부공간(355)을 통과하는 공기 중의 일부는, 미세구멍들(366)을 통해 복수 개의 튜브들(360)의 중공(365)으로 인입될 수 있다. 인입된 공기는 입구 매니폴드(330)에서 미 기화된 물의 기화를 위해, 중공(365) 내의 유체를 가열할 수 있다.
이때, 공기 압축기(200)의 출구로부터 이류체 노즐(380)로 공급된 공기와 미세구멍들(366)을 통해 튜브들(360)의 중공(365)으로 인입된 공기의 총 엔탈피량은, 이류체 노즐(380)로 흡입된 물의 잠열보다 크거나, 적어도 같도록 제어될 필요가 있다. 즉, 이류체 노즐(380)로 흡입된 물은 입구 매니폴드(330) 및 복수 개의 튜브들(360)의 중공(365) 내에서 모두 기화되도록 제어될 필요가 있다. 공기 압축기(200)의 입구로 물이 유입되면 압축기 블레이드가 손상되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 공기의 총 엔탈피량과 물의 총 잠열을 제어할 수 있는 인자로는, 미세구멍들(366)의 크기, 개수, 이류체 노즐(380)의 개수(분사되는 물과 공기의 양), 이류체 노즐(380)의 분사 위치 등이 있을 수 있다. 다양한 실험 및 계측을 통해, 공기 압축기(200)의 출구로부터 이류체 노즐(380)로 공급된 공기와 미세구멍들(366)을 통해 튜브들(360)의 중공(365)으로 인입된 공기의 총 엔탈피량이, 이류체 노즐(380)로 흡입된 물의 잠열 이상이 되도록 상기 인자들을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 미세구멍들(366)의 개수와 관련하여, 공기입구(310)에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수는, 공기출구(390)에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수보다 많을 수 있다. 또는, 미세구멍들(366)의 크기와 관련하여, 공기입구(310)에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 크기는, 공기출구(390)에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 크기보다 클 수 있다. 내부공간(355)을 통과하는 공기는 공기입구(310)에서 공기출구(390)로 가면서 유체와 열교환이 이루어지기 때문에, 공기입구(310)에는 공기출구(390)에 비해 상대적으로 고온인 공기가 통과할 수 있다. 따라서, 공기입구(310)에 근접하게 배치된 튜브들의 중공으로 많은 양의 고온 공기가 인입되는 것이 바람직할 수 있다.
이때, 이류체 노즐(380)은 공기출구(390)에 근접하게 입구 매니폴드(330)의 일측에 구비되어, 공기입구(310)를 통해 공급된 공기가 내부공간(355)을 통과하는 방향에 반대되는 방향으로 유체를 분사할 수 있다. 이류체 노즐(380)의 속성 상, 이류체 노즐(380)로부터 분사되는 유체의 압력이 강해, 이류체 노즐(380)에서 멀리 위치하는, 즉 공기입구(310)에 근접하게 위치하는 튜브들로 많은 양의 유체가 유입될 수 있다. 상대적으로 고온인 공기가 많은 양의 유체가 유동하는 튜브들의 중공으로 인입되게 함으로써, 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
입구 매니폴드(330), 복수 개의 튜브들(360)을 유동하면서 물은 기화되고, 공기와 수증기는 출구 매니폴드(370)로 수용될 수 있다. 그리고 본체(350)는 출구 매니폴드(370)에 형성되어 공기 압축기(200)의 입구로 통하는 유체출구(378)를 더 포함할 수 있다. 한편, 출구 매니폴드(370)는 유체출구(378)로 갈수록 점차 내부체적이 증가하도록 형성될 수 있다. 따라서 유체출구(378)에서 먼 측에 있는 공기와 수증기가 확산되기 용이할 수 있다.
연료전지 시스템은 출구 매니폴드(370)에서 공기 압축기(200)의 입구로 연결되는 회수배관(10)을 더 포함할 수 있다. 이류체 노즐(380)에서 분사된 유체(바람직하게는 공기와 수증기)는 입구 매니폴드(330), 튜브들(360), 출구 매니폴드(370) 및 회수배관(10)을 거쳐 공기 압축기(200)의 입구로 공급될 수 있다. 유체는 수증기를 포함하고 있기 때문에, 유체가 유체출구(378), 회수배관(10)을 통해 공기 압축기(200)의 입구로 공급되면, 본체(350)의 공기입구(310)로 공급될 공기를 가습할 수 있다. 따라서 연료전지의 스택(400)에는 공기 압축기(200)의 입구에서 가습되고, 본체(350)의 내부공간(355)에서 냉각된 공기가 공급될 수 있다. 공기 쿨러와 가습기를 사용하지 않고, 공기상태 조절장치(300) 하나만을 이용하여 냉각 및 가습된 공기를 공기극에 공급할 수 있다.
연료전지 시스템은 작동밸브(15)를 더 포함할 수 있다. 작동밸브(15)는 회수배관(10)에 구비되어 회수배관(10)을 개폐할 수 있다. 회수배관(10)의 개폐에 따라 이류체 노즐(380)의 작동이 결정될 수 있다. 즉, 작동밸브(15)를 열어 회수배관(10)을 개방하면 이류체 노즐(380)의 분사가 작동되고, 작동밸브(15)를 잠궈 회수배관(10)을 폐쇄하면 이류체 노즐(380)의 분사가 정지될 수 있다.
도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 이해의 편의를 위해 공기 압축기(200)의 출구의 압력을 P1, 입구 매니폴드(330)의 공간(355)의 압력을 P2, 출구 매니폴드(370)의 공간(375)의 압력을 P3라고 한다.
먼저 작동밸브(15)를 열어 회수배관(10)이 개방되면, 각 압력은 P1>P2>P3가 된다. 따라서 공기 압축기(200), 이류체 노즐(380), 입구 매니폴드(330), 본체(350)의 내부공간(355), 출구 매니폴드(370) 및 회수배관(10)을 차례로 통과하는 공기의 흐름이 발생할 수 있다. 따라서 이류체 노즐(380)에서 압축 공기가 분사되고, 전술한 바와 같이 저장탱크(500)로부터 물이 펌핑되어 이류체 노즐(380)로 흡입될 수 있다. 즉 이류체 노즐(380)이 작동되며 공기상태 조절장치(300)를 통과하는 공기에 대한 냉각과 가습이 이루어질 수 있다.
작동밸브(15)를 잠궈 회수배관(10)이 폐쇄되면, 각 압력은 P1=P2=P3가 된다. 따라서 공기 압축기(200)의 출구, 이류체 노즐(380), 입구 매니폴드(330), 본체(350)의 내부공간(355), 출구 매니폴드(370) 및 회수배관(10)을 차례로 통과하는 공기의 흐름은 발생하지 않는다. 따라서 이류체 노즐(380) 역시 작동을 정지하게 되고, 공기상태 조절장치(300)를 통과하는 공기에 대한 냉각과 가습도 이루어지지 않는다.
이때, 연료전지 시스템은 저장탱크(500)에서 이류체 노즐(380)로 연결되는 흡입배관(20)과, 흡입배관(20)에 마련된 체크밸브(25)를 더 포함할 수 있다. 저장탱크(500)에서 이류체 노즐(380)로 흡입되는 물은 흡입배관(20)을 통해 유동하는데, 작동밸브(15)가 회수배관(10)을 폐쇄하면, 물이 이류체 노즐(380)에서 저장탱크(500) 측으로 흐를 수 있다. 체크밸브(25)는 물이 저장탱크(500)에서 이류체 노즐(380) 측으로만 흐를 수 있도록 하여, 작동밸브(15)가 잠겨 회수배관(10)이 폐쇄되더라도 물이 저장탱크(500)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
연료전지 시스템은 작동밸브(15)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도가 제1 기준온도 이상이면 작동밸브(15)를 개방할 수 있다. 제1 기준온도란, 공기 압축기(200)의 출구로 배출된 공기의 온도가 너무 높아 공기극으로 공급되었을 때 연료전지의 작동에 문제를 야기할 것으로 실험적으로 파악된 온도를 말한다. 즉 공기상태 조절장치(300)에 의해 냉각이 필요하다고 판단된 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도를 의미한다.
또한, 제어부는 공기극에 공급되는 공기의 온도가 제2 기준온도 이상이면 작동밸브(15)를 개방할 수 있다. 제2 기준온도는 공기극에 공급되면 스택(400)에 문제를 야기할 수 있다고 실험적으로 파악된 온도를 말한다.
결국 제어부는, 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도가 제1 기준온도 미만이고, 또한 공기극에 공급되는 공기의 온도가 제2 기준온도 미만인 경우에만 작동밸브(15)를 잠그도록 제어할 수 있다.
연료전지 시스템은 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도를 측정하기 위한 제1 온도 측정 기구(미도시)와, 공기극에 공급되는 공기의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 측정 기구(미도시)를 포함할 수 있다.
그리고 제어부는, 저장탱크(500)의 수위가 기준 수위 이상일 때만 작동밸브(15)를 개방할 수 있다. 공기극으로 공급되는 공기의 냉각 및 가습이 필요하더라도, 저장탱크(500)에 충분한 양의 물이 저장되어 있지 않으면, 작동밸브(15)가 개방되어도 냉각 및 가습은 이루어질 수 없다. 따라서, 제어부는 저장탱크(500)에 기준 수위 이상의 물이 저장되어 있지 않으면, 저장탱크(500)에 물을 충전할 것으로 경고할 수 있고, 저장탱크(500)에 물이 기준 수위 이상으로 저장되면 작동밸브(15)가 개방되도록 제어할 수 있다.
작동밸브(15)가 개방되는 조건에 해당되는 경우, 제어부는 작동밸브(15)를 어느 정도의 시간 동안 개방할지 계산하여 작동밸브(15)를 개방할 수 있다. 보다 구체적으로, 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도와 공기극에 공급되는 공기의 온도의 차이 값, 공기 압축기(200)의 출구의 공기의 온도와 제1 기준온도의 차이 값, 공기극에 공급되는 공기의 온도와 제2 기준온도의 차이 값 및 공기 압축기(200)로 공급되는 공기의 유량에 기초하여, 공기극으로 공급되는 공기의 필요 냉각량을 계산할 수 있다. 그리고 계산된 필요 냉각량에 기초하여, 얼마만큼의 시간 동안 작동밸브(15)를 개방하면 필요 냉각량만큼 공기가 냉각되는지 계산하고, 계산된 시간 동안 작동밸브(15)를 개방하도록 제어할 수 있다. 필요 이상의 물 분사와 냉각은 압축 공기의 손실이므로, 최적의 작동 시간을 계산함으로써 회수배관(10)을 통해 순환되는 공기의 양을 최소화할 수 있다.
도 4는 공기 압축기(200)의 입구로 유입되는 유량 대비 출구 압력의 관계에 대한 서지 곡선이다. 서지 현상이란, 공기 압축기(200)에서 공기의 역류가 발생하는 현상을 말하고, 서지 곡선이란 서지 현상이 발생하는 경계 조건을 나타내는 곡선을 의미한다. 도 4에서 X축은 공기 압축기의 입구로 공급되는 공기의 유량을 나타내고, Y축은 공기 압축기의 출구 압력을 나타낸다. 도 4에서 서지 라인의 좌측은 서지 영역으로(A지점 참조), 유량과 압력이 서지 영역에 해당하는 값을 가지는 경우, 공기 압축기의 작동 시 서지 현상이 발생할 우려가 있음을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공기 압축기(200)의 출구에서 A지점과 같이 높은 압력을 갖도록 공기 압축기(200)를 작동시키고 싶은 경우라도, 유량이 부족하면 서지 영역에 해당되어 압축기의 정상적인 운전이 불가능하다. 따라서 유량의 증가가 필요한데, 제어부는 공기 압축기(200)의 작동 조건이 서지 현상이 발생하는 조건에 해당되는 경우, 작동밸브(15)를 개방하여 공기 압축기(200)의 입구에 공급되는 공기의 유량을 증가시킬 수 있다. 작동밸브(15)가 열려 회수배관(10)을 통해 재순환된 공기가 공기 압축기(200)의 입구로 들어오면, 공기 압축기(200)의 유량이 증가하고, 서지 현상이 발생하지 않는 정상적인 조건(B지점 참조)에서 고압축비를 갖는 공기 압축기(200)의 작동이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 회수배관
15: 작동밸브
20: 흡입배관
25: 체크밸브
100: 필터
200: 공기 압축기
300: 공기상태 조절장치
310: 공기입구
320: 분리판들
330: 입구 매니폴드
335: 입구 매니폴드의 공간
337: 고정 플레이트
350: 본체
360: 튜브들
365: 중공
366: 미세구멍들
370: 출구 매니폴드
375: 출구 매니폴드의 공간
377: 고정 플레이트
378: 유체출구
380: 이류체 노즐
390: 공기출구
400: 스택
500: 저장탱크
550: 펌프

Claims (22)

  1. 연료전지 스택의 공기극에 공기를 제공하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기로부터 공기를 공급받기 위한 공기입구와, 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기출구와, 상기 공기입구와 공기출구를 서로 연통하게 마련되는 내부공간을 구비하는 본체; 및
    상기 본체의 내부공간에 구비되고, 유체가 내부의 중공을 따라 유동하는 복수 개의 튜브들을 포함하고,
    상기 공기입구를 통해 공급된 공기는 상기 내부공간을 통과하는 중에, 상기 튜브들의 중공을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각되는 공기상태 조절장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체는, 상기 튜브들로 상기 유체가 공급되는 측에 형성되고, 상기 튜브들과 통하여 상기 튜브들로 상기 유체를 분기시키되 상기 내부공간과 구별되는 공간을 제공하는 입구 매니폴드와, 상기 튜브들에서 상기 유체가 배출되는 측에 형성되고, 상기 튜브들과 통하여 상기 튜브들로부터 배출된 유체를 수용하되 상기 내부공간과 구별되는 공간을 제공하는 출구 매니폴드를 포함하는 공기상태 조절장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 입구 매니폴드의 일측에 구비되고, 압축 공기의 공급에 의해 상기 압축 공기와 물을 상기 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고,
    상기 압축 공기와 물은 상기 이류체 노즐에 의해, 또는 상기 입구 매니폴드의 공간에서 서로 혼합되어 상기 유체를 형성하는 공기상태 조절장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 본체는, 상기 이류체 노즐에서 분사된 유체가 상기 공기 압축기의 입구로 공급되어, 상기 본체의 공기입구로 공급될 공기를 가습하기 위해, 상기 출구 매니폴드에 형성되어 상기 출구 매니폴드에서 상기 공기 압축기의 입구로 통하는 유체출구를 더 포함하는 공기상태 조절장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 이류체 노즐은, 상기 공기출구에 근접하게 상기 입구 매니폴드의 일측에 구비되어, 상기 공기입구를 통해 공급된 공기가 상기 내부공간을 통과하는 방향에 반대되는 방향으로, 상기 유체를 분사하는 공기상태 조절장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 중공과 통하게 상기 튜브들에 형성되고, 물은 통과하지 못하되 공기는 통과하는 복수 개의 미세구멍들을 더 포함하고,
    상기 본체의 내부공간을 통과하는 공기 중의 일부는 상기 미세구멍들을 통해 상기 튜브들의 중공으로 인입되어, 상기 유체 중의 물의 기화를 위해 상기 중공 내의 상기 유체를 가열하는 공기상태 조절장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공기입구에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수는 상기 공기출구에 근접하게 배치된 튜브들에 형성된 미세구멍들의 개수보다 많은 공기상태 조절장치.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 본체는, 상기 출구 매니폴드에서 상기 공기 압축기의 입구로 통하는 유체출구를 더 포함하고,
    상기 출구 매니폴드는, 상기 유체출구로 갈수록 점차 내부체적이 증가하는 공기상태 조절장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기입구에 근접하게 상기 내부공간에 구비되고, 상기 공기 압축기로부터 공급된 공기를 분산시키는 복수 개의 분리판들을 더 포함하는 공기상태 조절장치.
  10. 연료극과 공기극을 구비한 연료전지 스택;
    상기 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기; 및
    상기 공기 압축기의 출구로부터 공기를 공급받아 상기 공기극으로 상기 공기를 공급하는 공기상태 조절장치를 포함하고,
    상기 공기상태 조절장치는, 상기 공기 압축기의 출구로부터 공급된 공기가 통과하기 위한 내부공간을 구비하는 본체와, 상기 본체의 내부공간에 구비되고, 유체가 내부의 중공을 따라 유동하는 복수 개의 튜브들을 포함하며,
    상기 공기 압축기의 출구로부터 상기 공기상태 조절장치로 공급된 공기는, 상기 내부공간을 통과하는 중에, 상기 튜브들의 중공을 따라 유동하는 유체와 열교환하여 냉각되는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 본체는, 상기 튜브들로 상기 유체가 공급되는 측에 형성되고, 상기 튜브들과 통하여 상기 튜브들로 상기 유체를 분기시키는 공간을 제공하는 입구 매니폴드와, 상기 튜브들에서 상기 유체가 배출되는 측에 형성되고, 상기 튜브들과 통하여 상기 튜브들로부터 배출된 유체를 수용하는 공간을 제공하는 출구 매니폴드를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 입구 매니폴드의 일측에 구비되며, 상기 공기 압축기의 출구에서 바이패스된 공기의 공급에 의해, 물이 저장된 저장탱크로부터 상기 물을 흡입하고, 상기 공기와 물을 상기 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고,
    상기 이류체 노즐에서 분사된 상기 공기와 상기 물이 상기 입구 매니폴드의 공간에서 서로 혼합되어 형성된 상기 유체는, 상기 입구 매니폴드, 상기 튜브들 및 상기 출구 매니폴드를 순차적으로 통과하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 입구 매니폴드의 일측에 구비되며, 상기 공기 압축기의 출구에서 바이패스된 공기와, 물이 저장된 저장탱크로부터 흡입된 상기 물이 내부에서 혼합되어 형성된 상기 유체를, 상기 입구 매니폴드의 공간으로 분사하기 위한 이류체 노즐을 더 포함하고,
    상기 이류체 노즐에서 분사된 상기 유체는, 상기 입구 매니폴드, 상기 튜브들 및 상기 출구 매니폴드를 순차적으로 통과하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 공기상태 조절장치는, 상기 중공과 통하게 상기 튜브들에 형성되고, 물은 통과하지 못하되 공기는 통과하는 복수 개의 미세구멍들을 더 포함하고,
    상기 본체의 내부공간을 통과하는 공기 중의 일부는, 상기 미세구멍들을 통해 상기 튜브들의 중공으로 인입되어, 상기 입구 매니폴드에서 미 기화된, 상기 유체 중의 상기 물의 기화를 위해 상기 중공 내의 상기 유체를 가열하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 이류체 노즐에서 분사된 상기 유체가, 상기 입구 매니폴드, 상기 튜브들 및 상기 출구 매니폴드를 거쳐, 상기 공기 압축기의 입구로 공급되어, 상기 공기극으로 공급될 공기를 가습하기 위해, 상기 출구 매니폴드에서 상기 공기 압축기의 입구로 연결되는 회수배관을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 회수배관에 구비되어 상기 회수배관을 개폐하고, 상기 회수배관의 개폐에 따라 상기 이류체 노즐의 작동을 결정하는 작동밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 저장탱크에서 상기 이류체 노즐로 상기 물이 흡입되도록 상기 저장탱크에서 상기 이류체 노즐로 연결되는 흡입배관을 더 포함하며,
    상기 저장탱크는 상기 공기극에서 배출된 배기가스 중의 물을 회수하여 저장하는 연료전지 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 작동밸브가 상기 회수배관을 폐쇄했을 때, 상기 물이 상기 이류체 노즐에서 상기 저장탱크 측으로 흐르는 것을 방지하기 위해, 상기 흡입배관에 마련되는 체크밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 작동밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 공기 압축기의 출구의 공기의 온도가 제1 기준온도 이상이거나, 또는 상기 공기극에 공급되는 공기의 온도가 제2 기준온도 이상이면, 상기 공기상태 조절장치에 의한 공기의 냉각을 위해 상기 작동밸브를 개방하는 연료전지 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 저장탱크의 수위가 기준 수위 이상일 때만, 상기 작동밸브를 개방하는 연료전지 시스템.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공기 압축기의 출구의 공기의 온도와 상기 공기극에 공급되는 공기의 온도의 차이 값과, 상기 공기 압축기로 공급되는 공기의 유량에 기초하여 상기 공기극으로 공급되는 공기의 필요 냉각량을 계산하고, 상기 계산된 필요 냉각량에 기초하여 상기 작동밸브의 개방 시간을 제어하는 연료전지 시스템.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공기 압축기의 작동 조건이 상기 공기 압축기의 입구로 유입되는 유량 대비 상기 압축기의 출구 압력과의 관계에서 서지 현상이 발생하는 조건에 해당되는 경우, 상기 작동밸브를 개방하는 연료전지 시스템.
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