KR101694056B1 - 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101694056B1
KR101694056B1 KR1020150128183A KR20150128183A KR101694056B1 KR 101694056 B1 KR101694056 B1 KR 101694056B1 KR 1020150128183 A KR1020150128183 A KR 1020150128183A KR 20150128183 A KR20150128183 A KR 20150128183A KR 101694056 B1 KR101694056 B1 KR 101694056B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
air
humidifier
stack
hollow fiber
Prior art date
Application number
KR1020150128183A
Other languages
English (en)
Inventor
김현유
박정희
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020150128183A priority Critical patent/KR101694056B1/ko
Priority to US14/953,835 priority patent/US9917316B2/en
Priority to DE102015224591.8A priority patent/DE102015224591A1/de
Priority to CN201510923498.3A priority patent/CN106532085B/zh
Application granted granted Critical
Publication of KR101694056B1 publication Critical patent/KR101694056B1/ko
Priority to US15/920,424 priority patent/US10593972B2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04141Humidifying by water containing exhaust gases
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04149Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/04835Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/0485Humidity; Water content of the electrolyte
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 막가습기를 구성하는 중공사막의 내외측 간 수분 분압차를 조절하여 스택으로 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 스택의 고분자 전해질막의 가습정도에 따라 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 조절하여, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 최적으로 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법{Appratus and method for controlling humidification amount of membrane humidifier for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막가습기를 구성하는 중공사막의 내외측 간 수분 분압차를 조절하여 스택으로 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템의 작동을 위해서 연료전지 내의 전해질막 가습이 필요하며, 이를 위해 연료전지로부터 배출되는 습윤 기체의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 가습장치가 사용되고 있다.
상기 연료전지용 가습장치는 초음파 가습, 스팀 가습, 기화식 가습장치 등의 종류가 있지만, 연료전지에 사용되는 가습장치로서 중공사막을 이용한 막가습기가 적합하게 사용되고 있다.
여기서, 종래의 연료전지용 막가습기에 대한 구성 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 연료전지 시스템의 공기공급 시스템을 나타내고, 도 2는 공기공급 시스템에 포함된 종래의 막가습기 구조를 나타낸다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템과, 실질적으로 수소 및 공기를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(이하, 스택으로 약칭함) 등을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 연료공급 시스템으로부터 스택의 연료극에 수소가 공급되는 동시에 공기공급 시스템으로부터 연료전지 스택의 공기극에 산소가 공급됨으로써, 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
도 1에서 보듯이, 상기 공기공급 시스템은 스택(200)에 가습된 공기(산소)를 공급하기 위하여 막 가습기(100) 및 공기압축기(202)를 포함한다.
따라서, 상기 공기압축기(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)의 중공사막내로 공급되는 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 배출가스(습윤공기)가 막 가습기(100)를 통과하게 되고, 이때 배출가스에 함유된 수분이 중공사막내로 침투되어 건조공기가 가습된다.
첨부한 도 2를 참조하면, 종래의 막가습기(100)는 일끝단부에 공기압축기로부터 건조공기(air)가 유입되는 공급구(102)가 형성되고, 타끝단부에는 가습된 건조공기를 배출하는 배출구(103)가 형성된 하우징(101)을 포함한다.
또한, 상기 하우징(101)의 내부에는 다수의 중공사막(106)이 밀집된 중공사막 다발이 수납되는 바, 이 중공사막 다발의 양단부가 통상의 포팅(potting)재(108)에 의하여 포팅되어 수납된다.
또한, 상기 하우징(101)의 일측 둘레부에는 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 유입구(104)가 형성되고, 그 반대편 둘레부에는 수분이 제거된 습윤공기의 배출을 위한 유출구(105)가 형성된다.
따라서, 상기 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막(106)쪽으로 공급되면, 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 유출구(105)를 통해 배출된다.
이와 동시에, 공기압축기의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되는데, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내부을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 배출구(103)를 통하여 스택의 공기극으로 공급된다.
한편, 상기 막가습기의 가습 원리를 첨부한 도 3을 참조로 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
스택으로부터 반응을 마치고 배출된 습윤공기가 중공사막(106)의 외곽으로 공급되는 동시에 중공사막(106)의 내부에 공기압축기로부터 공급된 건조공기(외기)가 흐르는 상태에서 습윤공기에 함유된 물이 중공사막(106)을 통과하여 내부의 건조공기를 가습하되, 중공사막(106)을 통해 습윤공기의 수분이 통과하는 원리는 중공사막(106)의 내외부(도 3에 ①,②로 지시됨)간의 유체(수분) 분압차를 기전력으로 하여 수분 전달이 이루어지는데 있다.
이와 같은 연료전지용 막가습기의 중공사막을 통한 수분 전달 성능을 최적화시키기 위한 여러가지 방안이 연구 중에 있다.
본 발명은 막가습기의 중공사막을 통한 수분 전달 성능을 극대화시키기 위하여 안출한 것으로서, 스택의 고분자 전해질막의 가습정도에 따라 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 조절하여, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 최적으로 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 공기를 압축하여 막가습기로 공급하는 공기압축기와, 공기압축기로부터의 공기를 가습하여 스택에 공급하는 막가습기를 포함하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치에 있어서, 상기 스택으로부터 막가습기의 중공사막 외측으로 흐르는 습윤공기의 압력을 조절하도록 막가습기의 유출구에 압력조절밸브를 장착하고, 상기 공기압축기로부터 막가습기의 중공사막 내측으로 흐르는 공기 압력을 조절하도록 스택의 입구에 제1공기차단밸브를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 스택의 출구에서 막가습기의 유입구로 연결되는 습윤공기 배출라인에 제2공기차단밸브가 더 장착된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 막가습기 조절 장치는 상기 압력조절밸브와 공기차단밸브의 개도를 결정하기 위하여 스택의 습도를 측정하는 습도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: ⅰ) 스택의 습도를 측정하는 단계와; ⅱ) 측정된 습도가 기준치 이상이면 스택으로부터 막가습기로 공급되는 습윤 공기량을 감소시키거나 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 압력만을 증가시키는 단계와; ⅲ) 측정된 습도가 기준치 이하이면 스택으로부터 막가습기로 습윤공기가 공급되는 동시에 습윤공기가 배출되는 막가습기의 유출구를 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 및 외측 압력 모두를 증가시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법을 제공한다.
상기 ⅱ) 단계는: 스택의 입구에 장착된 제1공기차단밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하거나, 스택의 출구와 막가습기의 유입구 간을 연결하는 습윤공기 배출라인에 장착된 제2공기차단밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅱ) 단계에 의거, 막가습기의 중공사막 내측 압력만을 증가시키면, 중공사막 내외측 간의 수분 분압차가 감소되어 중공사막 내측을 흐르는 건조공기의 가습량이 감소 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅲ) 단계는: 스택으로부터 막가습기로 습윤공기가 공급되는 상태에서 막가습기의 유출구에 장착된 압력조절밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅲ) 단계에 의거, 막가습기의 중공사막 내측 및 외측 압력 모두를 증가시키면, 중공사막 내외측 간의 수분 분압차가 증가되어 중공사막 내측을 흐르는 건조공기의 가습량이 증가 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 스택의 고분자 전해질막 습도가 기준치 이하로 건조한 상태이면, 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 증가시켜서, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 증가시킬 수 있다.
둘째, 스택의 고분자 전해질막이 습도가 기준치 이상으로 습한 상태이면, 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 감소시켜서, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 감소시킬 수 있다.
이렇게 스택의 고분자 전해질막의 가습정도에 따라 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 조절하여, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 최적으로 조절할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 공기공급 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 연료전지용 막가습기 구조를 나타낸 개략적 단면도,
도 3은 막가습기의 중공사막 가습 원리를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치를 나타낸 구성도,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치의 작동 흐름을 도시한 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4에서 보듯이, 연료전지용 공기공급 시스템은 스택(200)에 가습된 공기(산소)를 공급하기 위하여 막 가습기(100) 및 공기압축기(202)를 포함한다.
상기 공기압축기(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)의 중공사막내로 공급되는 동시에 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 배출가스(습윤공기)가 막 가습기(100)를 통과하게 되고, 이때 배출가스에 함유된 수분이 중공사막 내로 침투되어 건조공기가 가습된다.
여기서, 상기 막가습기(100)의 유출구(105)쪽에 압력조절밸브(130)가 장착된다.
좀 더 상세하게는, 상기 막가습기(100)의 유출구(105)는 중공사막 내의 건조공기를 가습시킨 후의 습윤공기가 빠져나가는 출구로서, 이 출구에 압력조절밸브(130)가 장착된다.
상기 압력조절밸브(130)는 막 가습기(100)내에서의 습윤공기 압력 즉, 스택으로부터 막가습기(100)의 중공사막 외측으로 흐르는 습윤공기의 압력을 조절하는 역할을 한다.
이에, 상기 압력조절밸브(130)가 닫힘 제어되면 습윤공기가 유출구(105)를 통하여 빠져나가지 못하게 되므로 막 가습기(100)내에서의 습윤공기 압력이 증가하게 되고, 반면 압력조절밸브(130)가 열림 제어되면 막 가습기(100)내에서의 습윤공기 압력이 감소 조절된다.
또한, 상기 스택(200)의 입구에는 제1공기차단밸브(110)가 장착되고, 스택(200)의 출구에서 막가습기(100)의 유입구(104)로 연결되는 습윤공기 배출라인(140)에는 제2공기차단밸브(120)가 장착된다.
상기 제1 및 제2공기차단밸브(110,120)는 공기압축기(202)로부터 막가습기(100)의 중공사막 내측으로 흐르는 공기 압력을 조절하는 역할을 한다.
이에, 상기 제1공기차단밸브(110)가 닫힘 제어되면 막가습기(100)의 중공사막 내측에서 스택(200)으로 흐르던 공기(가습된 건조공기)가 차단되므로, 중공사막 내측을 흐르던 건조공기 압력이 증가하게 된다.
또한, 상기 제2공기차단밸브(110)가 닫힘 제어되면 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 공기(습윤공기)가 막가습기(100)쪽으로 공급되지 않게 되므로, 막가습기(100)의 중공사막 내측을 통해 스택(200)으로 공급되던 공기(가습된 건조공기)의 흐름도 지연되어, 결국 중공사막 내측을 흐르던 공기 압력이 증가하게 된다.
한편, 상기 스택(200)에는 스택내의 전해질막 습도를 측정하는 습도센서(미도시됨)가 장착되는 바, 이 습도센서의 습도 측정값에 따라 압력조절밸브(130)와 제1 및 제2공기차단밸브(110,120)의 개도가 결정된다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치의 작동 흐름을 도시한 구성도이고, 도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 상기 습도센서에서 스택의 습도를 측정한다(S101).
이때, 스택의 습도는 스택의 일 구성인 고분자 전해질막의 습윤상태를 측정하는 것이다.
다음으로, 측정된 습도가 기준치 이상이면 스택내 고분자 전해질막이 습한 상태로 판정하여(S102), 스택(200)의 입구에 장착된 제1공기차단밸브(110)의 개도를 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어한다(S103).
이때, 상기 제1공기차단밸브(110)의 개도가 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어되면, 상기 공기압축기(202)로부터 막가습기(100)를 경유하여 스택(200)으로 공급되는 공기량이 감소 또는 차단된다.
상기 제1공기차단밸브(110)가 닫힘 제어된 경우, 첨부한 도 5에 굵은실선으로 지시된 바와 같이 공기압축기(202)로부터 막가습기(100)의 중공사막 내측을 경유하여 스택(200)으로 공급되던 공기가 스택 입구에서 차단되는 상태가 되므로, 막가습기(100)의 중공사막 내측을 흐르던 공기 압력이 증가하게 된다.
위와 같이 상기 제1공기차단밸브(110)가 개도 감소 또는 닫힘 제어되어 상기 막가습기의 중공사막 내측 압력(도 3에 ①로 지시된 중공사막 내측의 건조공기 압력)만이 증가하면, 중공사막(106)의 내측과 외측 간의 수분 분압차가 감소하게 되어, 중공사막(106) 외측으로 공급되는 습윤공기가 중공사막(106) 내측으로 원활하게 침투하지 않게 되므로, 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 감소 조절된다.
이렇게 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 감소 조절되면, 막가습기로부터 스택으로 가습도가 떨어진 건조공기가 공급되므로 스택의 습도(고분자 전해질막의 습윤상태)가 낮아지게 된다.
선택적으로, 상기와 같이 측정된 습도가 기준치 이상이면 스택내 고분자 전해질막이 습한 상태로 판정하여(S102), 스택(200)의 입구에 장착된 제1공기차단밸브(110)는 열어둔 채 스택(200)의 출구에 장착된 제2공기차단밸브(120)의 개도를 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어한다(S103).
다시 말해서, 상기 스택(200)의 출구와 막가습기(100)의 유입구 간을 연결하는 습윤공기 배출라인(140)에 장착된 제2공기차단밸브(120)의 개도를 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어한다.
상기 제2공기차단밸브(120)가 개도 감소 또는 닫힘 제어된 경우에도 첨부한 도 6에 굵은실선으로 지시된 바와 같이 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 공기(습윤공기)가 막가습기(100)쪽으로 공급되지 않게 차단되므로, 막가습기(100)의 중공사막 내측을 통해 스택(200)으로 공급되던 공기(가습된 건조공기)의 흐름도 지연되어, 중공사막 내측을 흐르던 공기 압력이 증가하게 된다.
마찬가지로, 상기 제2공기차단밸브(120)가 개도 감소 또는 닫힘 제어되어 막가습기의 중공사막 내측 압력(도 3에 ①로 지시된 중공사막 내측의 건조공기 압력)만이 증가하면, 중공사막(106)의 내측과 외측 간의 수분 분압차가 감소하게 되어, 중공사막(106) 외측으로 공급되는 습윤공기가 중공사막(106) 내측으로 원활하게 침투하지 않게 되므로, 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 감소 조절된다.
이렇게 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 감소 조절되면, 막가습기로부터 스택으로 가습도가 떨어진 건조공기가 공급되므로 스택의 습도(고분자 전해질막의 습윤상태)가 낮아지게 된다.
한편, 상기와 같이 측정된 습도가 기준치 이하이면 스택내 고분자 전해질막이 건조한 상태로 판정하여(S104), 상기 제1 및 제2공기차단밸브(110,120)는 열어둔 채, 막가습기의 개도를 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어한다(S105).
다시 말해서, 측정된 습도가 기준치 이하이면 제1 및 제2공기차단밸브(110,120)는 열어둔 상태에서 스택(200)으로부터 막가습기(100)로 습윤공기가 공급되고, 동시에 막가습기(100)의 유출구(105)에 장착된 압력조절밸브(130)의 개도를 일시적으로 감소 또는 닫힘 제어한다.
이에, 습윤공기가 배출되는 막가습기(100)의 유출구(105)가 차단되는 상태가 되므로, 막가습기(100)의 중공사막 내측 뿐만 아니라 중공사막 외측 압력이 증가하게 된다.
상기 압력조절밸브(130)가 개도 감소 또는 닫힘 제어된 경우 첨부한 도 7에 굵은실선으로 지시된 바와 같이, 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 공기(습윤공기)가 막가습기(100)의 중공사막 외측으로 원활하게 공급된 후, 가습을 마친 다음 유출구(105)로 배출되지 않게 되므로, 중공사막 외측 압력이 증가하게 된다.
위와 같이 상기 압력조절밸브(130)가 개도 감소 또는 닫힘 제어되어 상기 막가습기의 중공사막 외측 압력(도 3에 ②로 지시된 중공사막 외측의 습윤공기 압력)이 증가하면, 중공사막(106)의 내측과 외측 간의 수분 분압차가 증가하게 되어, 중공사막(106) 외측으로 공급되는 습윤공기가 중공사막(106) 내측으로 원활하게 침투하게 되므로, 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 증가 조절된다.
이렇게 중공사막 내측의 건조공기에 대한 막가습기의 가습량이 증가 조절되면, 막가습기로부터 스택으로 가습도가 증대된 건조공기가 공급되므로 스택의 습도(고분자 전해질막의 습윤상태)가 높아지게 된다.
이상에서 본 바와 같이, 스택의 고분자 전해질막의 가습정도에 따라 중공사막의 내외부간의 수분 분압차를 조절하여, 스택에 공급되는 공기에 대한 막가습기의 가습량을 최적으로 조절할 수 있다.
100 : 막가습기
101 : 하우징
102 : 공급구
103 : 배출구
104 : 유입구
105 : 유출구
106 : 중공사막
108 : 포팅재
110 : 제1공기차단밸브
120 : 제2공기차단밸브
130 : 압력조절밸브
140 : 습윤공기 배출라인
200 : 스택
202 : 공기압축기

Claims (8)

  1. 공기를 압축하여 막가습기로 공급하는 공기압축기와, 공기압축기로부터의 공기를 가습하여 스택에 공급하는 막가습기를 포함하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치에 있어서,
    상기 스택으로부터 막가습기의 중공사막 외측으로 흐르는 습윤공기의 압력을 조절하도록 막가습기의 유출구에 압력조절밸브를 장착하고, 상기 공기압축기로부터 막가습기의 중공사막 내측으로 흐르는 공기 압력을 조절하도록 스택의 입구에 제1공기차단밸브를 장착하여,
    스택의 습도가 기준치 이상이면 스택으로부터 막가습기로 공급되는 습윤 공기량을 감소시키거나 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 압력만을 증가시키고,
    스택의 습도가 기준치 이하이면 스택으로부터 막가습기로 습윤공기가 공급되는 동시에 습윤공기가 배출되는 막가습기의 유출구를 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 및 외측 압력 모두를 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택의 출구에서 막가습기의 유입구로 연결되는 습윤공기 배출라인에 제2공기차단밸브가 더 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력조절밸브와 공기차단밸브의 개도를 결정하기 위하여 스택의 습도를 측정하는 습도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치.
  4. ⅰ) 스택의 습도를 측정하는 단계와;
    ⅱ) 측정된 습도가 기준치 이상이면 스택으로부터 막가습기로 공급되는 습윤 공기량을 감소시키거나 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 압력만을 증가시키는 단계와;
    ⅲ) 측정된 습도가 기준치 이하이면 스택으로부터 막가습기로 습윤공기가 공급되는 동시에 습윤공기가 배출되는 막가습기의 유출구를 차단하여, 막가습기의 중공사막 내측 및 외측 압력 모두를 증가시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계는:
    스택의 입구에 장착된 제1공기차단밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하거나, 스택의 출구와 막가습기의 유입구 간을 연결하는 습윤공기 배출라인에 장착된 제2공기차단밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 막가습기의 중공사막 내측 압력만을 증가시키면, 중공사막 내외측 간의 수분 분압차가 감소되어 중공사막 내측을 흐르는 건조공기의 가습량이 감소 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계는:
    스택으로부터 막가습기로 습윤공기가 공급되는 상태에서 막가습기의 유출구에 장착된 압력조절밸브의 개도를 감소 또는 닫힘 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 막가습기의 중공사막 내측 및 외측 압력 모두를 증가시키면, 중공사막 내외측 간의 수분 분압차가 증가되어 중공사막 내측을 흐르는 건조공기의 가습량이 증가 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기 가습량 조절 방법.
KR1020150128183A 2015-09-10 2015-09-10 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법 KR101694056B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150128183A KR101694056B1 (ko) 2015-09-10 2015-09-10 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법
US14/953,835 US9917316B2 (en) 2015-09-10 2015-11-30 Apparatus and method for controlling humidification amount of membrane humidifier for fuel cell
DE102015224591.8A DE102015224591A1 (de) 2015-09-10 2015-12-08 Vorrichtung und Verfahren zum Regeln eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle
CN201510923498.3A CN106532085B (zh) 2015-09-10 2015-12-14 用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备和方法
US15/920,424 US10593972B2 (en) 2015-09-10 2018-03-13 Apparatus and method for controlling humidification amount of membrane humidifier for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150128183A KR101694056B1 (ko) 2015-09-10 2015-09-10 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101694056B1 true KR101694056B1 (ko) 2017-01-06

Family

ID=57832309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150128183A KR101694056B1 (ko) 2015-09-10 2015-09-10 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9917316B2 (ko)
KR (1) KR101694056B1 (ko)
CN (1) CN106532085B (ko)
DE (1) DE102015224591A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022146068A1 (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108568193B (zh) * 2017-06-22 2021-03-26 北京航空航天大学 基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合***和方法
CN107702214B (zh) * 2017-09-30 2020-09-18 青岛海尔空调电子有限公司 除湿***、空调器及除湿控制方法
CN107676873B (zh) * 2017-09-30 2021-02-12 青岛海尔空调电子有限公司 新风***及新风加湿控制方法
CN107575942B (zh) * 2017-09-30 2020-09-18 青岛海尔空调电子有限公司 新风***及新风除湿控制方法
CN107655110B (zh) * 2017-09-30 2021-01-05 青岛海尔空调电子有限公司 加湿***、空调器及其加湿控制方法
CN109921063A (zh) * 2017-12-13 2019-06-21 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池空气增湿***、燃料电池***及车辆
CN111740133A (zh) * 2019-03-25 2020-10-02 长城汽车股份有限公司 加湿器模块、空气供应***及燃料电池车辆
CA3157147C (en) * 2019-11-29 2024-01-16 Kolon Industries, Inc. Fuel cell humidifier
CN114361525B (zh) * 2021-12-15 2024-06-11 武汉理工大学 燃料电池增湿***及控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008243755A (ja) * 2007-03-29 2008-10-09 Toyota Motor Corp 加湿モジュール、加湿制御装置、及び燃料電池システム
JP2013258111A (ja) * 2012-06-14 2013-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3724332B2 (ja) 2000-05-23 2005-12-07 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US6953635B2 (en) * 2000-10-04 2005-10-11 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Humidifier for fuel cell
JP4806139B2 (ja) * 2001-07-05 2011-11-02 本田技研工業株式会社 燃料電池の加湿システム
JP5002884B2 (ja) 2003-07-02 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 固体高分子型燃料電池システム
JP2005032613A (ja) * 2003-07-07 2005-02-03 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR20040101100A (ko) 2004-09-21 2004-12-02 김지영 황토게르마늄수(지장수)를 이용한 감태차음료 그 제조방법
JP4752258B2 (ja) 2004-12-08 2011-08-17 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR101028030B1 (ko) * 2007-09-06 2011-04-13 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008243755A (ja) * 2007-03-29 2008-10-09 Toyota Motor Corp 加湿モジュール、加湿制御装置、及び燃料電池システム
JP2013258111A (ja) * 2012-06-14 2013-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022146068A1 (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US20180269500A1 (en) 2018-09-20
CN106532085A (zh) 2017-03-22
US20170077530A1 (en) 2017-03-16
US9917316B2 (en) 2018-03-13
CN106532085B (zh) 2021-01-19
DE102015224591A1 (de) 2017-03-16
US10593972B2 (en) 2020-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101694056B1 (ko) 연료전지용 막가습기 가습량 조절 장치 및 방법
KR101459455B1 (ko) 연료전지의 가습 장치 및 방법
KR101655619B1 (ko) 연료전지의 막 가습기 및 이를 이용한 공기흐름 시스템
JP3681467B2 (ja) 燃料電池発電装置およびその運転方法
KR20200055345A (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법
JP2007093192A (ja) 加湿器、および、この加湿器を備える燃料電池システム
JP4028320B2 (ja) 燃料循環式燃料電池システム
US20090269632A1 (en) Apparatus and method for moisturizing a gas flow flowing to a fuel cell
KR20150072205A (ko) 연료전지 시스템
KR20190055602A (ko) 연료전지 막가습기
JP2007095450A (ja) 燃料電池システム
JP4864228B2 (ja) 燃料電池の運転停止方法
JP2011222176A (ja) 燃料電池システム
JP2007294359A (ja) 燃料電池システム
KR101013848B1 (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치
KR100986385B1 (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법
JP4645063B2 (ja) 燃料電池システム
JP4742522B2 (ja) 燃料電池システム
JP4027756B2 (ja) 燃料電池用気体加湿システムにおける高分子膜の加湿方法及びその燃料電池用気体加湿システム
KR102485326B1 (ko) 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
JP2010192292A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
KR100737017B1 (ko) 연료전지스택 가습장치
JP4675605B2 (ja) 燃料電池の酸化剤供給装置
JP4886161B2 (ja) 燃料電池システム
JP2005032613A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191210

Year of fee payment: 4