KR20220127540A - 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20220127540A
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김경주
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Abstract

본 발명은 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 {Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it}
본 발명은 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
한편, 연료전지 시스템에서 압축기 또는 블로워로부터 발생하는 고온의 건조공기는 막가습기를 통해 연료전지 스택으로 유입된다. 이때, 고온의 건조공기는 연료전지 스택의 운전 조건에 적합하도록 에어쿨러와 같은 열교환 장치를 거쳐 열교환이 이루어진 후, 막가습기를 통해 가습되어 연료전지 스택에 공급된다.
현재는 이러한 열교환과 가습(수분 제어)을 위해 열교환 장치와 막가습기를 직렬로 배치하고 있는데, 이는 막가습기와 블로워 사이에 추가적인 에어쿨러의 설치가 필요하게 한다.
그러나, 에어쿨러는 부피 자체가 크기 때문에 패키지 적용에 불리하며, 블로워에 의해 압축된 공기의 압력 손실을 증가시키며, 냉각수 유로가 부가적으로 요구되어 설비가 복잡해고 소형화에 불리하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호 대한민국 공개특허 제10-2000-0108092호 대한민국 공개특허 제10-2000-0131631호 대한민국 공개특허 제10-2001-0001022호 대한민국 공개특허 제10-2001-0006122호 대한민국 공개특허 제10-2001-0006128호 대한민국 공개특허 제10-2001-0021217호 대한민국 공개특허 제10-2001-0026696호 대한민국 공개특허 제10-2001-0063366호
본 발명은 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는, 제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와, 상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 능동형 유량 조절부는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 열교환 모듈은, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,
외기를 공급받아서 압축하여 제1 유체를 발생시키는 공기 압축수단; 수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는, 제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와, 상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 능동형 유량 조절부는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 열교환 모듈은, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 6은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이다.
도 7은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 유량 조절부가 확대 도시된 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 유량 조절부의 동작 상태가 확대 도시된 단면도이다.
도 11은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이다.
도 12는 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 허니콤 방식의 열교환 모듈이다.
도 13은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 플레이트 방식의 열교환 모듈이다.
도 14는 도 11의 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 적용된 것이 예시된 도면이다.
도 15 내지 도 17는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예가 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)을 포함한다.
공기 압축수단(10)은 외기 공급유로(L1)로부터 외기를 공급받아서 압축하여 연료전지 막가습기(20)로 공급한다. 공기 압축수단(10)은, 공기 등의 유체를 압축하는 장치이며, 예를 들어 블로워(blower), 압축기(compressor) 등이 될 수 있다.
연료전지 막가습기(20)는 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기를 공급받는다. 또한, 연료전지 막가습기(20)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 배출가스를 공급받는다.
연료전지 막가습기(20)의 가습 모듈(200)에서는, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)와 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스가 수분 교환을 한다. 수분 교환 결과, 건조 공기는 수분을 함유한 채로 연료전지 스택(30)으로 공급된다.
운전 조건에 따라, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)는 가습 모듈(200)에서 가습되지 않고, 열교환 모듈(300)을 통과하면서 열만 교환하여 고온의 건조공기에서 저온의 건조공기가 된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 수분을 함유한 공기와 혼합되면서 연료전지 스택(30)으로 공급될 수 있다. 도면 부호 100은 하우징부이다.
연료전지 스택(30)은 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다. 단위 셀들은 막-전극 접합체와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 접합체의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성한다. 막-전극 접합체는 일면에 연료극을 형성하고, 다른 일면에 공기극을 형성하며, 이들 연료극과 공기극 사이에 전해질 막을 형성하는 구조로 이루어진다.
연료극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질 막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다. 그리고, 공기극은 연료극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 수소와 산소의 반응 결과 생긴 고습의 배출가스는 연료전지 스택(30)에서 연료전기 막가습기(20)로 공급된다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수분 교환을 위한 하나의 하우징부(100) 내에 가습 모듈(200)과 열교환을 위한 열교환 모듈(300)이 병렬 방식으로 일체화되어 연료전지 시스템을 간소화시키고, 연료전지 시스템의 크기를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 2 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이며, 도 6은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이고, 도 7은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 단면도이다.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)는, 하우징부(100)와 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)과 능동형 유량 조절부(400)를 포함한다.
하우징부(100)는 막가습기(20)의 외형을 이룬다. 하우징부(100)는 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다.
하우징 몸체(110)는 격벽(150)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300)이 각각 배치된다.
하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폭 방향 단면 형상이 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.
도 7을 참조하면, 가습 모듈(200)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(131)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(132)가 형성되어 있다. 상기에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 보다 구체적으로 제1 유체는 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기이고, 제2 유체는 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스일 수 있다.
열교환 모듈(300)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142)가 형성된다. 열교환 모듈(300)에 의한 냉각 방식은, 공냉식 또는 수냉식일 수 있으며, 냉각매체는 외부에서 공급된 공기 또는 물일 수 있다.
하우징 캡(120)은 하우징 몸체(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120)에는 제1 유체 유입구(121) 및 제1 유체 유출구(122)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121)가 형성된 하우징 캡(120)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 능동형 유량 조절부(400)가 형성된다. 또한, 격벽(150)이 하우징 캡(120) 측으로 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽(123, 도 15 내지 도 17 참조)을 포함할 수 있다. 설계에 따라 격벽(150)과 캡 격벽(123)은 각각 별도로 형성되거나 또는 일체로 형성될 수 있다. 능동형 유량 조절부(400)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 캡 격벽(123)에 의해 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 가이드될 수 있다. 능동형 유량 조절부(400)에 대해서는 도 8 내지 도 10을 참조하여 후술한다.
제1 유체 유입구(121)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 가습 모듈(200) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 열교환 모듈(300) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 유입될 수 있다.
가습 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(H)이 수용된 중공사막 다발이 배치될 수 있다. 또는, 도 3에 예시된 바와 같이, 복수의 중공사막이 수용된 복수의 카트리지(C)가 배치될 수 있다. 중공사막(H)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질, 폴리이미드(polyimide) 재질, 폴리설폰(polysulfone) 재질, 폴리에스테르설폰(polyether sulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다. 중공사막(H)은 수분 교환의 정도 차이는 있으나, 대체적으로 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분을 교환하는 기능을 수행한다.
가습 모듈(200)로 유입된 제1 유체는 중공사막의 내부 관로를 통과하고 가습 모듈(200) 외부로 유출된 후, 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다.
가습 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(H)들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(미도시)가 형성된다. 이로써, 가습 모듈(200)은 양단부가 포팅부에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하여 능동형 유량 조절부(400)에 대해 설명한다. 도 8은 능동형 유량 조절부(400)가 확대 도시된 단면도이다.
도 8을 참조하면, 능동형 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 출력상태에 따라 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입되는 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. 능동형 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절한다.
구체적으로, 능동형 유량 조절부(400)는 제1 유체 유입구(121)의 내벽에 형성되는 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420)를 포함한다. 음의 열팽창부재(410)과 양의 열팽창부재(420)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 반원 형상의 링으로 제1 유체 유입구(121)의 내벽에 부착 형성될 수 있다.
음의 열팽창부재(410)는 제1 온도 범위에서 팽창하고, 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함할 수 있다. 음의 열팽창부재(410)는 저온에서는 팽창하고 고온에서는 수축할 수 있다.
대부분의 물질은 온도가 상승하면 열 팽창에 따라 길이나 부피가 증가하지만, 이와 반대로 음의 열팽창 물질은 온도가 상승하면 수축하는 성질이 있다. 이러한 음의 열팽창 물질은, 비스무트(Bi)를 포함하는 물질일 수 있다.
구체적으로, 음의 열팽창 물질은 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 물질일 수 있다. 보다 구체적으로 Bi0.95La0.05NiO3(비스무트·란탄 니켈 산화물)일 수 있다. Bi0.95La0.05NiO3는 온도 상승 1℃ 당 100만 분의 82(-82Х10-6/℃)라는 음의 열 팽창을 나타낸다.
또한, 구체적으로, 음의 열팽창 물질은 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 물질일 수 있다. 보다 구체적으로 '페로브스카이트'라는 구조를 가진 산화물 BiNi1-xFexO3(비스무트·니켈·철 산화물)일 수 있다. BiNi1-xFexO3는 실온 부근의 온도 영역에서 온도 상승 1℃ 당 100만 분의 187(-187Х10-6/℃이라는 음의 열 팽창을 나타낸다. 따라서, Bi0.95La0.05NiO3에 비해 절반의 양으로도 실질적으로 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
양의 열팽창부재(420)는 제1 온도 범위에서 수축하고, 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 팽창하는 열팽창 물질을 포함할 수 있다. 즉, 양의 열팽창부재(420)는 저온에서는 수축하고 고온에서는 팽창하는 열팽창 물질을 포함할 수 있다.
음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 하나는 팽창/수축하고 나머지는 그와 반대로 수축/팽창하면서, 밸브 등의 추가 기구없이도 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절할 수 있다. 이에 대해, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 9 및 도 10은 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태가 확대 도시된 단면도이다. 도 9는 고출력 환경에서의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태를 보여주고, 도 10은 저출력 환경에서의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태를 보여준다. 한편, 도 8은 저출력과 고출력 사이의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태일 수 있다.
연료전지 스택(30)의 출력이 대체적으로 40kW 미만인 경우, 저출력 환경이라 할 수 있다. 저출력 환경에서는 블로워(10)에서 상대적으로 저온의 건조가스가 공급된다. 여기서, 저온은 대략 50℃ 미만의 제1 온도 범위일 수 있다.
또한, 연료전지 스택(30)의 출력이 대체적으로 40kW 이상인 경우, 고출력 환경이라 할 수 있다. 고출력 환경에서는 블로워(10)에서 상대적으로 고온의 건조가스가 공급된다. 여기서, 고온은 대략 50 ~ 150℃ 범위로 제1 온도 범위 보다 큰 제2 온도 범위일 수 있다.
도 9의 고출력 환경에서 상대적으로 고온의 건조가스가 공급된다. 고온의 건조가스에 의해 음의 열팽창부재(410)의 직경은 L10에서 L11로 수축하고, 양의 열팽창부재(420)의 직경은 L20에서 L21로 팽창하게 된다. 이에 따라, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 가습 모듈(200) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 가습 모듈(200)로 유입하게 된다. (도 15 참조)
도 10의 저출력 환경에서는 상대적으로 저온의 건조가스가 공급된다. 저온의 건조가스에 의해 음의 열팽창부재(410)의 직경은 L10에서 L12로 팽창하고, 양의 열팽창부재(420)의 직경은 L20에서 L22로 수축하게 된다. 이에 따라, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 열교환 모듈(300) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다. (도 16 참조)
이러한 능동형 유량 조절부(400)는 제1 유체 유량 조절을 위한 밸브나 제1 유체의 유량을 센싱하기 위한 센서, 그리고, 밸브의 동작을 제어하기 위한 제어부를 구비하지 않고도, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 능동적으로 제1 유체가 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)에 고르게 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한 쪽으로 많이 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한쪽에는 흐르지 않도록 조절하여 유량을 조절할 수도 있다.
다음, 도 11 내지 도 13을 참조하여 열교환 모듈(300)에 대해 설명한다. 도 11은 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이고, 도 12는 허니콤 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이며, 도 13은 플레이트 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이다.
도 11에 도시된 쉘앤튜브(Shell & Tube) 방식의 열교환 모듈은, 내부에 튜브 다발이 수용된 쉘로 구성되며, 하나의 유체가 튜브를 통해 흐르고 다른 유체가 쉘을 통해 흐르면 두 유체 사이에서 열이 전달되어 교환되는 방식이다. 튜브 번들은 평평한 튜브, 세로로 핀 모양의 튜브 등 여러 종류의 튜브로 구성될 수 있다.
제1 유체(공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기)의 적어도 일부가 튜브를 통해 흐르면(직선 화살표로 표시), 냉각매체 유입구(141)를 통해 유입된 냉각매체는 쉘 내부를 흐르면서(곡선 화살표로 표시) 튜브와 접촉하면서 제1 유체를 냉각시킨 후, 냉각매체 유출구(142)를 통해 외부로 유출된다.
도 12에 도시된 허니콤(Honeycomb) 방식의 열교환 모듈은, 세라믹 재질의벌집 형태로 구현된 열교환기로 제1 유체(Air로 표시)가 벌집형 관로 내부를 흐르면, 냉각매체(water로 표시)가 관로와 교차하는 방향으로 공급되어 제1 유체를 냉각하는 방식이다.
도 13에 도시된 플레이트 방식의 열교환 모듈(Plate heat exchanger)의 전열판은 양각 형태의 스테인리스판으로 되어 있고, 각각의 전열판들은 헤링본 패턴(herringbone pattern)의 방향을 위아래로 엇갈리게 번갈아 배치함으로써 유체가 전열판에 고르게 분배되어 난류를 형성하면서 열원측과 수축이 향류 유동을 하면서 열을 교환한다.
전술한 바와 같은 열교환 모듈(300)로 유입된 제1 유체는 열교환 모듈(300)을 구성하는 열교환장치의 내부를 통과하고 열교환 모듈(300) 외부로 유출된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다. 상기 도 11 내지 도 13의 열교환 모듈은 설명을 위한 예시일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14에는 도 11의 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 본 발명의 연료전지 막가습기에 적용된 것이 예시되어 있다.
다음으로, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명한다.
도 15는 가습 모듈(200)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 가습기 기능만 구현한 예이다. 도 15는 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 고온이므로, 음의 열팽창부재(410)는 수축하고 양의 열팽창부재(420)는 팽창한다. 그 결과, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 가습 모듈(200) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 가습 모듈(200)로 유입하게 된다. 즉, 능동형 유량 조절부(400)는 가습 모듈(200) 측의 유로를 개방하고 열교환 모듈(300) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 가습 모듈(200) 내부에 있는 중공사막들 내부로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체는 제2 유체 유입구(131)를 통해 유입된 제2 유체와 수분 교환을 한다.
도 16은 열교환 모듈(300)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 열교환기 기능만 구현한 예이다. 도 16은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 저온이므로, 음의 열팽창부재(410)는 팽창하고 양의 열팽창부재(420)는 수축하게 된다. 그 결과, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 열교환 모듈(300) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다. 즉, 능동형 유량 조절부(400)는 열교환 모듈(300) 측의 유로를 개방하고 가습 모듈(200) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체와 제2 유체의 수분 교환은 이루어지지 않고, 제1 유체와 냉각매체 간의 열교환만 발생한다. 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량 등을 조절하여 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 온도를 원하는 대로 조절할 수 있다.
도 17은 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 제1 유체가 유입되도록 하여 가습 및 열교환 기능을 구현한 예이다. 도 17은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력과 고출력 사이인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 저온과 고온 사이의 온도이므로, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420)는 어느 정도 평형을 이루게 된다. 그 결과, 음의 열팽창부재(410)와 양의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 어느 한 방향으로 편향하지 않고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다.
공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)의 적어도 일부는 가습 모듈(200)로, 나머지는 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체는 혼합된 상태로 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되며, 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량을 조절하여 혼합 상태의 제1 유체의 온도를 조절할 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 가습 상태 및 온도를 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.
다음으로, 도 18을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예를 설명한다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)과, 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함한다.
본 실시예의 연료전지 시스템은 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함하는 점에서 전술한 일 실시예와 상이할 뿐, 다른 구성은 동일하므로 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 연료전지 시스템은 공기 압축수단(10)의 전방 상류측에 설치된 외기 공급유로(L1)으로부터 분기하여 열교환 모듈(300)의 냉각매체 유입구(141)와 연결되는 바이패스 유로(L2)를 포함한다. 외기 공급유로(L1)에는 바이패스되는 유량을 조절하는 바이패스 밸브(V)가 형성된다.
전술한 일 실시예의 연료전지 시스템에서, 열교환 모듈(300)은 외부에서 공급되는 냉각매체를 이용하여 제1 유체를 냉각시킨다. 이 경우, 이 냉각매체를 공급하기 위해 별도의 냉각매체 저장수단을 구비하여야 하며, 이로 인해, 시스템의 간소화 및 소형화에 제한이 있을 수 있다.
본 실시예에서는 공기 압축수단(10)으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스 유로(L2)를 통해 열교환 모듈(300)로 공급하여 제1 유체를 냉각시킨다. 따라서, 공냉식 열교환기인 경우, 냉각매체 공급을 위한 별도의 냉각매체 저장수단을 구비할 필요가 없게 되어 더욱 더 간소화/소형화된 연료전지 시스템을 구축할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : 공기 압축수단 20 : 연료전지 막가습기
30 : 연료전지 스택
100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 200 : 가습 모듈
300 : 열교환 모듈 400 : 능동형 유량 조절부
410 : 음의 열팽창부재 420 : 양의 열팽창부재
L1 : 외기 공급유로 L2 : 바이패스 유로

Claims (14)

  1. 격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부;
    상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈;
    상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및,
    연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는,
    제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와,
    상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
    비스무트(Bi)를 포함하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
    비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 능동형 유량 조절부는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환 모듈은,
    쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈인 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
    상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 막가습기.
  8. 외기를 공급받아서 압축하여 제1 유체를 발생시키는 공기 압축수단;
    수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택;
    상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는,
    제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와,
    상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
    비스무트(Bi)를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
    비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 능동형 유량 조절부는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 열교환 모듈은,
    쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈인 연료전지 시스템.
  14. 청구항 8 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
    상기 냉각매체 유입구는 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 시스템.
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