KR100653674B1 - 연료전지의 가스 습도 제어장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 가스 습도 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 입구 근방 제 2 위치에서의 온도에 상응하는 연료 가스의 습도를 설정하는 단계, 연료가스 가습부 배출구 근방 제 1 위치에서의 온도를 상기 제 2 위치의 온도보다 높은 목표 온도로 설정하고 상기 설정된 연료 가스의 습도를 상기 목표 온도에서의 습도로 환산하는 단계, 상기 제 1 위치의 온도를 상기 목표 온도로 유지하도록 제어하는 단계, 상기 제 1 위치의 습도를 상기 환산된 습도로 유지하도록 제어하는 단계; 및 상기 제 2 위치의 온도를 상기 설정 온도로 유지하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 연료가스 가습부에서 배출되는 가스의 온도를 연료전지 측의 온도보다 높은 목표 온도로 유지하여 연료가스의 습도를 낮춤으로써 가습된 가스가 연료전지로 이동되는 중에 응축이 발생되지 않아 연료 전지 내에서 요구되는 연료가스의 정확한 습도를 얻을 수 있고 보다 정확한 습도 센싱율을 제공할 수 있는 효과가 있다.
연료전지, 수소, 가습, 센서, 온도, 가열, 제어.
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 가스 습도 제어장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 가스 습도 제어방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
<주요 도면부호에 관한 설명>
10 : 연료가스 탱크 20 : 유량 조절부
30 : 연료가스 가습부 40 : 히터
50 : 습도 센서 60 : 제 1 온도센서
70 : 제 2 온도센서 90 : 제어부
100 : 연료 전지 110 : 제 1 온도 제어부
120 : 제 2 온도 제어부
본 발명은 연료전지의 가스 습도 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료가스 가습부에서 배출되는 가스의 온도를 연료전지 측의 온도보다 높은 목표 온도로 유지하여 연료가스의 습도를 낮춤으로써 가습된 가스가 연료전지로 이동되는 중에 응축이 발생되지 않아 연료 전지 내에서 요구되는 연료가스의 정확한 습도를 얻을 수 있고 보다 정확한 습도 센싱율을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래 화석 연료의 고갈 및 환경 오염 문제 등에 기인하여 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 환경 오염을 해결할 수 있는 무공해 대체 에너지 개발을 위한 노력이 활발하게 진행중이다.
특히 수소를 에너지원으로 하는 연료전지의 개발이 많은 관심을 모으고 있다. 수소는 대기중에서 쉽게 얻을 수 있고 산소와 반응하여 큰 에너지를 발생시키면서도 부산물로 물만을 생성시키기 때문에 에너지의 고갈문제와 환경오염문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로 떠오르고 있다.
수소를 연료로 사용하는 연료전지는 수소를 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환하는 장치로서, 수소 연료가 공급되면 촉매를 통해 수소로부터 전자가 분리되고 수소이온은 전해질막을 통하여 그리고 전자는 외부도선을 통하여 이동한 후 전해질막의 반대편에 연료로서 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물이 생성된다. 수소이온이 전해질막을 용이하게 통과할 수 있도록 하기 위해서 공급되는 수소 및 공기의 수분 조절이 필수적이며, 따라서 연료전지의 수소 및 공기 공급장치에는 공급 수소 및 공기의 습도 조절을 위한 가습장치가 필수적으로 구성되어 있다.
상기 가습장치는 버블형 가습장치로서 증류수통 속에 증류수 하방 수중으로 수소 및 공기를 공급하면 공급된 수소 및 공기가 버블 형태로 증류수 위쪽으로 올라오면서 가습되어 나오게 되는데 가습기 내부 온도와 압력에 따라서 습도가 결정된다.
그러나, 종래 가습장치의 경우 가습된 연료가스의 습도가 상당히 높은 값이므로 가습장치에서 연료전지로 이동하는 동안 가스가 응축되어 연결배관 내에 물방울이 발생되고 발생된 물방울이 연료전지측으로 유입되어 실제 연료전지로 유입되는 연료가스의 습도가 설정된 습도보다 높아져서 수소가스가 연료전지의 전해질막을 용이하게 통과하지 못하게 되어 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 응축을 없애기 위해 배관 라인의 온도를 과다하게 높일 경우 연료전지 입구단의 온도 제어가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료가스 가습부로부터 배출되는 연료가스의 온도를 연료전지 측의 온도보다 상당히 높은 목표온도로 유지하여 연료가스를 저습 상태로 둠으로써 응축을 최소화하여 보다 정밀한 연료가스의 습도 제어가 가능하도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 연료전지 입구 근방 제 2 위치에서의 온도에 상응하는 연료 가스의 습도를 설정하는 단계, 연료가스 가습부 배출구 근방 제 1 위치에서의 온도를 상기 제 2 위치의 온도보다 높은 목표 온도로 설정하고 상기 설정된 연료 가스의 습도를 상기 목표 온도에서의 습도로 환산하는 단계, 상기 제 1 위치의 온도를 상기 목표 온도로 유지하도록 제어하는 단계, 상기 제 1 위치의 습도를 상기 환산된 습도로 유지하도록 제어하는 단계 및 상기 제 2 위치의 온도를 상기 설정 온도로 유지하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스 습도 제어방법이 제공된다.
여기서, 상기 제 1 위치의 목표온도는 상기 제 2 위치의 설정온도보다 10 ~ 30 ℃ 높은 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일측면에 따르면, 연료가스를 가습시켜 상기 연료가스의 습도를 원하는 습도로 유지하는 연료가스 가습부, 상기 연료가스 가습부로 유입되는 연료가스의 유량을 조절하는 유량 조절부, 연료전지 입구 근방 제 2 위치의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서, 상기 연료가스 가습부 배출구 근방의 제 1 위치의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서, 상기 제 1 위치의 습도를 검출하는 습도센서, 상기 제 1 위치 부근의 온도를 승온 또는 감온시키는 제 1 온도 제어부, 상기 제 2 위치 부근의 온도를 승온 또는 감온시키는 제 2 온도 제어부 및 상기 제 1 위치의 온도가 상기 제 2 온도 센서로부터 검출된 제 2 위치의 온도보다 일정 온도 이상 높은 목표온도로 유지되도록 상기 제 1 및 제 2 온도 제어부를 제어하고, 상기 제 2 위 치에서의 습도를 상기 제 1 위치에서의 목표온도에 상응하는 습도로 환산하여 제 1 위치의 습도를 환산된 습도로 유지하도록 상기 유량 조절부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스 습도 제어장치가 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 가스 습도 제어장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 가스 습도 제어장치는 습도 센서(50), 제 1 및 제 2 온도 센서(60, 70), 제 1 및 제 2 온도 제어부(110, 120) 및 제어부(90)를 포함하여 구성된다.
가스 습도 제어장치의 전단에는 수소 등의 연료가스를 공급하는 연료가스 탱크(10), 연료가스 탱크(10)로부터 유입되는 연료가스의 유량을 조절하는 유량 조절부(20), 연료가스 탱크(10)로부터 유입된 건조상태의 연료가스를 가습시켜 원하는 습도를 유지하는 연료가스 가습부(30) 및 연료가스 가습부(30)에 들어있는 물을 가열하여 연료가스의 습도를 높이기 위한 히터(40)가 위치되고, 가스 습도 제어장치의 후단에는 가습된 연료가스를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지(100)가 위치한다.
습도 센서(50)는 상기 제 1 위치에서의 연료가스의 습도를 측정하기 위한 것 이다.
제 1 온도 센서(60)는 연료가스 가습부(30)의 배출구 근방 제 1 위치(P1)에 설치되어 연료가스 가습부(30)에서 가습된 연료가스의 온도를 검출하고, 제 2 온도 센서(70)는 상기 연료 전지(100) 입구 근방의 제 2 위치(P2)의 온도를 검출하여 제 2 위치(P2)의 온도가 연료 전지(100)의 온도와 동일한 온도로 유지되도록 한다.
제 1 온도 제어부(110)는 제어부(90)의 제어신호에 따라 제 1 위치(P1) 부근(A단)의 온도를 승온 또는 감온시키고, 제 2 온도 제어부(120)는 제어부(90)의 제어신호에 따라 제 2 위치(P2) 부근(B단)의 온도를 승온 또는 감온시키는 것으로서, 제 1 및 제 2 온도 제어부(110, 120)로는 열선을 이용한 히터 등이 이용될 수 있다.
제어부(90)는 상기 제 1 위치(P1)의 온도가 제 2 온도 센서(60)로부터 검출된 제 2 위치(P1)의 온도보다 10 ~ 30℃ 정도 높은 목표온도로 유지되도록 제 1 및 제 2 온도 제어부(110, 120)를 제어하고, 제 1 위치(P1)에서의 습도를 제 2 위치(P2)에서의 목표온도에 상응하는 습도로 환산하여 제 2 위치(P2)의 습도를 환산된 습도로 유지하도록 유량 조절부(20)를 제어한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 습도 제어장치의 동작을 설명하면, 배관라인을 연료가스 가습부 측의 제 1 위치(P1)를 포함하는 A단과 연료전지 측의 제 2 위치(P2)를 포함하는 B단의 2단으로 구성하여 A단의 온도를 B단의 온도보다 10℃ 이상 높은 온도에서 운전하여 동일한 수증기량에서 온도를 상승시킴으로써 습도를 낮추어 수증기가 응축되지 않도록 하고 B단에서는 A측에서 설정된 고온의 연료가스 및 수증기를 연료전지(100)의 온도에 맞게 냉각 또는 가열시켜 연료가스의 정확한 습도 제어가 가능하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 가스 습도 제어방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 우선, 연료전지(100) 입구 근방 제 2 위치(P2)의 온도가 연료전지(100)의 온도로 설정된 후(S200), 설정된 온도에서 연료 가스의 습도가 설정된다(S210).
제 2 위치(P2)에서의 온도 및 연료가스의 습도가 설정되면 연료가스 가습부 배출구 근방 제 1 위치(P1)에서의 온도를 제 2 위치(P2)의 온도보다 10 ~ 30℃ 높은 목표 온도로 설정되고(S220), 상기 설정된 연료 가스의 습도가 목표 온도에서의 습도로 환산된다(S230).
제 1 위치(P1)의 목표 온도 및 습도가 산출되면, 제어부(90)는 제 1 온도 센서(60)에서 수신되는 온도 검출 신호에 기초하여 제 1 위치(P1)의 온도를 목표 온도로 유지하도록 제 1 온도 제어부(110)를 제어한다(S240).
그 다음, 제어부(90)는 습도 센서(50)에서 수신되는 습도 검출 신호에 기초하여 제 1 위치(P1)의 습도가 상기 환산된 습도를 유지하도록 유량 제어부(20)를 제어한다(S250). 즉, 제어부(90)는 유량 제어부(20)를 제어함으로써 연료가스 가습부(30)로 유입되는 연료가스의 유량을 조절하여 목표온도로 유지된 상태에서 원하는 습도를 얻을 수 있다.
최종적으로, 제어부(90)는 제 2 온도 센서(70)로부터 수신되는 온도 검출 신호에 기초하여 제 2 위치(P2)의 온도를 설정된 온도로 유지하도록 제 2 온도 제어부(120)를 제어한다(S260).
상기 실시예에서 연료전지의 습도 조절 방법을 한정하여 설명하였으나 본 발명은 이에 국한되지 않고 정밀한 습도 제어가 요구되는 각종 습도 조절장치에 모두 적용 가능함은 당연한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 연료가스 가습부에서 배출되는 가스의 온도를 연료전지 측의 온도보다 높은 목표 온도로 유지하여 연료가스의 습도를 낮춤으로써 가습된 가스가 연료전지로 이동되는 중에 응축이 발생되지 않아 연료 전지 내에서 요구되는 연료가스의 정확한 습도를 얻을 수 있고 보다 정확한 습도 센싱율을 제공할 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
Claims (3)
- 연료전지 입구 근방 제 2 위치에서의 온도에 상응하는 연료 가스의 습도를 설정하는 단계;연료가스 가습부 배출구 근방 제 1 위치에서의 온도를 상기 제 2 위치의 온도보다 높은 목표 온도로 설정하고 상기 설정된 연료 가스의 습도를 상기 목표 온도에서의 습도로 환산하는 단계;상기 제 1 위치의 온도를 상기 목표 온도로 유지하도록 제어하는 단계;상기 제 1 위치의 습도를 상기 환산된 습도로 유지하도록 제어하는 단계; 및상기 제 2 위치의 온도를 상기 설정 온도로 유지하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스 습도 제어방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 위치의 목표온도는 상기 제 2 위치의 설정온도보다 10 ~ 30 ℃ 높은 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스 습도 제어방법.
- 연료가스를 가습시켜 상기 연료가스의 습도를 원하는 습도로 유지하는 연료가스 가습부;상기 연료가스 가습부로 유입되는 연료가스의 유량을 조절하는 유량 조절부;연료전지 입구 근방 제 2 위치의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서;상기 연료가스 가습부 배출구 근방의 제 1 위치의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서;상기 제 1 위치의 습도를 검출하는 습도센서;상기 제 1 위치 부근의 온도를 승온 또는 감온시키는 제 1 온도 제어부;상기 제 2 위치 부근의 온도를 승온 또는 감온시키는 제 2 온도 제어부; 및상기 제 1 위치의 온도가 상기 제 2 온도 센서로부터 검출된 제 2 위치의 온도보다 일정 온도 이상 높은 목표온도로 유지되도록 상기 제 1 및 제 2 온도 제어부를 제어하고, 상기 제 2 위치에서의 습도를 상기 제 1 위치에서의 목표온도에 상응하는 습도로 환산하여 제 1 위치의 습도를 환산된 습도로 유지하도록 상기 유량 조절부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스 습도 제어장치.
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