KR102152207B1 - 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치 - Google Patents

습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급장치는, 건조공기를 공급하는 컴프레셔(compressor)와; 상기 건조공기를 제1경로와 제2경로로 분배하는 분배기와; 상기 제1경로의 건조공기에 대하여 가온 가습하여 습한공기를 공급하는 가습기와; 상기 제2경로의 건조공기와 상기 가습기로부터 공급되는 습한공기를 혼합하여, 원하는 습도를 가지는 공급공기로 하여 연료전지에 공급하는 혼합챔버를 구비한다.

Description

습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치{AIR SUPPLYING SYSTEM FOR A FUEL CELL}
본 발명은 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 건조공기와 습한공기를 혼합하여 습도를 조절함에 의해 저습도 및 고습도의 공기를 원활하게 공급할 수 있는 연료전지용 공기공급장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치로서 기존의 다른 에너지 변환 장치와는 달리 카르노 사이클(Carnot cycle)의 제한을 받지 않아 에너지 효율이 매우 높고, 공해 배출이 거의 없으며, 휴대폰이나 노트북 전원 공급 장치에서부터 자동차 동력원, 대규모 열 병합 발전 시스템에 이르기까지 그 적용 범위가 매우 넓어 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
연료전지는 연료극(anode)에 공급된 연료기체와 공기극(cathode)에 공급된 기체가 전극표면에서 각각 산화,환원 반응이 일어나고, 이 반응에 의해 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 따라 이동하고, 수소 이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 된다. 이처럼 연료전지는 이온을 전달하기 위한 전해질을 필요로 하는데, 주로 쓰이는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Carbonate Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)등으로 구분된다.
이중 고분자 전해질 연료전지는 전기적으로 절연체이며 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 작동온도가 낮아 시동시간이 짧고, 출력 밀도가 높고 효율이 좋으며, 주변장치가 간단하여 작은 부피로 제작이 가능하고, 공해 물질 배출이 거의 없기 때문에 대체 동력원으로 각광받고 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 고분자 전해질 막(polymer membrane)과 전극(anode, cathode) 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)으로 구성되어 있다. 고분자 막을 중심으로 양쪽에 다공성의 연료극과 공기극이 부착되어 있으며, 연료극에서는 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나는 구조이다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비해 낮은 온도에서 작동하며,시동 시간이 짧고 높은 전류밀도를 갖는다. 액상의 전해질을 쓰지 않기 때문에 부식 문제가 적고, 작동이 용이하며, 디자인이 간단하고 제작이 쉽다. 하지만 전극촉매로 백금(Pt)을 사용하기 때문에 제조비용이 높고, 촉매가 일산화탄소(CO)에 피독될 위험이 있으며, 전해질로 사용되는 고분자막의 비용 또한 높고, 운전중 고분자막의 수분함량 조절이 어려운 단점이 있다. 따라서 고분자 막의 수분조절과 고가의 Pt전극 촉매의 효율성을 최대화하고, 반응 속도를 향상시키기 위해서 전지의 온도 및 내부 압력을 균일하게 조절하여야만 한다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 온도, 압력 가습 특성 등에 의해서 성능 변화가 일어나는데, 온도에 의해서는 반응률, 물질전달, 전해질의 이온전도도, 셀(cell) 저항에 변화가 일어나게 되고, 압력에 의해서는 반응물의 분압, 가스의 용해성, 물질전달에 변화가 일어나게 된다.
특히, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 주로 과불소화 술폰산 고분자(perfluorinated sulfonic acid polymer)인 양성자(proton) 전도성 고분자 전해질 막으로 만들어지는데, 고분자 전해질막에서는 가습이 매우 중요하다.
기본적으로 고분자 전해질막은 수분함수량 증가에 따라 이온 전도도가 증가하게 되며, 특히 고분자 막의 양이온 전도성은 반응기체인 수소와 산소(공기)의 수분함유량에 따라 변화하며 연료전지의 성능을 결정짓는 중요한 역할을 한다.
이러한 고분자 전해질막은 수소이온만 선택적으로 투과(물분자 2~3개와 같이 이동)시키게 되는데, 고분자 전해질막이 건조하게 되면 수분함수량 감소에 따른 성능저하가 초래되며, 완전 건조시에는 반응이 일어나지 않는다. 한편, 대량의 수분 흡수시에는 약 50% 이상 중량이 증가하게 되고, 수분 과다시에는 물의 응축이 발생하게 되는데, 응축된 물은 다공성 전극을 막아 연료 공급을 차단하게 된다.
따라서, 고분자 전해질 연료전지의 성능 향상을 위해서는 전기화학반응에서의 반응 메카니즘 규명뿐만 아니라 전지 작동의 최적조건을 위한 온도, 가습 조건에 대한 연구가 이루어져야 하며, 이를 위해서는 고분자 전해질 연료전지로 공급되는 공기의 온도 및 습도를 원하는 대로 자유롭게 제어할 수 있어야 한다. 특히 공급되는 공기의 습도 조절은 필수적이다.
종래의 경우에는 연료전지에 공급되는 공기의 습도조절을 위해 단순히 가습기를 이용하였다. 이러한 가습기는 버블형 가습기로서 증류수통 속에 증류수 아래쪽 수중으로 수소 및 공기를 공급하면 공급된 수소 및 공기가 버블형태로서 증류수 위쪽으로 올라오면서 가습되면서 나오게 되는데 증류수통의 위쪽부분에서 가습기 내부 온도와 압력에 따라 공기의 습도가 결정되는 구조를 가지고 있다.
그러나 이러한 습도조절방법은 외부의 열원으로 가습기 내부의 온도를 조절하여 기화되는 수분의 양을 조절하여야 함으로 그 조절 속도가 느려 상대습도의 조절이 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0624196호(2006.09.07.)
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지에 공급되는 공기의 습도를 쉽고 빠르게 조절가능하고 10%이하의 저습도에서 100%에 가까운 고습도까지 자유롭고 다양하게 조절가능한 연료전지용 공기공급장치를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급장치는, 건조공기를 공급하는 컴프레셔(compressor)와; 상기 건조공기를 제1경로와 제2경로로 분배하는 분배기와; 상기 제1경로의 건조공기에 대하여 가온 가습하여 습한공기를 공급하는 가습기와; 상기 제2경로의 건조공기와 상기 가습기로부터 공급되는 습한공기를 혼합하여, 원하는 습도를 가지는 공급공기로 하여 연료전지에 공급하는 혼합챔버를 구비한다.
상기 가습기에는 내부에 수용된 물을 가열하기 위한 히터와, 내부에 수용된 물의 온도 측정을 위한 온도센서를 구비할 수 있다.
상기 혼합챔버는 내부로 유입된 공기를 가열하기 위한 히터와. 내부로 유입된 공기의 온도 측정을 위한 온도센서와, 내부로 유입된 공기의 습도측정을 위한 습도센서와, 내부로 유입된 공기의 압력 측정을 위한 압력센서를 구비할 수 있다.
상기 공기공급장치는, 상기 분배기와 상기 가습기 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제1조절밸브와; 상기 분배기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제2조절밸브와; 상기 가습기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제3조절밸브를 구비하고, 상기 습도센서를 통해 측정되는 상기 혼합챔버 내의 공기의 습도에 대응하여, 상기 제1조절밸브, 상기 제2조절밸브 및 상기 제3조절밸브를 조절하여 상기 혼합챔버로 유입되는 습한공기 및 건조공기의 양을 조절함에 의해, 원하는 습도의 공기가 상기 연료전지에 공급되도록 할 수 있다.
상기 공기공급장치는, 상기 혼합챔버 내의 공기가 원하는 습도로 유지되는 상태에서, 공기에 포함된 수분이 응축되지 않도록 상기 혼합챔버 내의 온도 및 압력을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지에 공급되는 공기의 습도를 제1경로의 습한공기와 제2경로의 건조공기를 혼합하여 조절함에 의해 쉽고 빠르게 습도조절이 가능하고 10%이하의 저습도에서 100%에 가까운 고습도까지 자유롭고 다양하게 습도를 조절가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 단위셀 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 블록도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 단위셀 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질 연료전지는 수소를 연료전지의 한 전극으로 공급하고 다른 반대편 전극에는 공기를 지속적으로 공급하게 되면, 한 전극(애노드)에서 수소기체는 산화반응이 일어나 전자를 잃고. 다른 전극(캐소드)에서 공기에 포함된 산소기체는 환원반응이 일어나게 된다. 애노드 측에서 발생된 전자는 반대편의 전극(캐소드)으로 연결되어 있는 외부회로를 통해 이동하게 되어 전류가 발생된다. 그리고 캐소드에서는 전해질을 통해 이동한 수소와 회로를 통해 이동한 전자를 얻어 산소가 환원반응을 하게 된다. 여기서 수소와 산소가 만나 반응하여 부산물로 물(H20)이 생성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 공기공급장치(100)는 상술한 연료전지의 캐소드 측에 공기를 공급하기 위한 장치로서,컴프레셔(compressor)(110), 분배기(120), 가습기(130), 혼합챔버(140)를 구비한다. 추가적으로, 드라이어(112), 공기필터(114), 및 각종 센서들과 히터들을 구비할 수 있다.
상기 컴프레셔(110)는 압축된 건조공기를 상기 분배기(120)에 공급한다. 상기 컴프레셔(100)에서 공급되는 압축된 건조공기는 상기 드라이어(112)에서 수분을 제거하고, 상기 공기필터(114)를 통해 이물질을 제거하여 상기 분배기(120)에 공급되게 된다.
상기 분배기(120)는 상기 컴프레셔(110)에서 공급된 건조공기를 제1경로와 제2경로로 분배한다. 상기 분배기(120)는 상기 제1경로와 제2경로로 공급되는 건조공기의 유량을 조절하는 질량유량조절기(MFC)로 구성될 수 있다.
상기 가습기(130)는 상기 제1경로의 건조공기에 대하여 가온 가습하여 습한공기(Wet air)를 상기 혼합챔버(140) 공급하기 위한 것이다. 상기 가습기(130)는 상기 제1경로의 건조공기에 수분을 가온 가습하고, 제1습도센서(HS1)를 통해 상대습도를 제어하여 상기 혼합챔버(140)로 공급하게 된다. 상기 가습기(130)는 그 내부의 하부에는 순수한 물 즉, 증류수가 저장되고, 저장된 증류수는 가열되는 온도와 내부의 압력에 맞추어 미세한 수증기로 기화하여 건조공기에 포함됨에 의해 습한공기(Wet air)가 된다. 상기 가습기(130)의 내부 상부에는 증발된 수분 중에 포함된 물방울을 걸러내지 위한 매쉬망(미도시)이 설치될 수 있으며, 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센서(TC1)가 설치되어 있다. 그리고 상기 가습기(130) 내부의 물을 가열하기 위한 히터(미도시)가 설치되어 있으며, 상기 히터는 상기 온도센서(TC1)에서 감지된 온도에 따라 그 구동이 제어된다. 이외에 다른 구조는 통상의 기술자에게 잘 알려진 가습기 구조와 동일하다.
상기 혼합챔버(140)는 상기 제2경로의 건조공기(Dry air)와 상기 가습기(130)로부터 공급되는 습한공기(Wet air)를 혼합하여, 원하는 습도를 가지는 공급공기로 하여 연료전지에 공급하게 된다. 상기 혼합챔버(140)는 내부로 유입된 공기를 가열하기 위한 히터(미도시)와. 내부로 유입된 공기의 온도 측정을 위한 온도센서(TC3)와, 내부로 유입된 공기의 습도측정을 위한 제2습도센서(HS2)와, 내부로 유입된 공기의 압력 측정을 위한 압력센서(PS)를 구비한다. 상기 혼합챔버(140)에서는 연료전지에서 필요로 하는 온도와 습도를 가지도록 공기를 상기 제2경로의 건조공기(Dry air)와 상기 가습기(130)로부터 공급되는 습한공기(Wet air)를 혼합하여 원하는 습도와 온도의 공기를 연료전지에 공급하게 된다. 특히 제1경로의 건조공기를 혼합함에 의해 저습도(약 10%)에서 고습도(약 100%)까지 원하는 습도의 공기를 연료전지에 공급하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 상기 혼합챔버(140)는 상기 혼합챔버(140) 내의 공기가 원하는 습도로 유지되는 상태에서, 공기에 포함된 수분이 응축되지 않도록 상기 혼합챔버(140) 내의 온도 및 압력이 조절되게 된다. 이는 상기 공기공급장치(100)에 구비되어 전반적인 동작을 제어하는 별도의 컨트롤러(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
추가적으로, 상기 분배기(120)와 상기 가습기(130) 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제1조절밸브(V1)와, 상기 분배기(120)와 상기 혼합챔버(140) 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제2조절밸브(V2)와, 상기 가습기(130)와 상기 혼합챔버(140) 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제3조절밸브(V3)가 구비될 수 있으며, 상기 습도센서(HS1,HS2)를 통해 측정되는 상기 혼합챔버(140) 또는 상기 가습기(130) 내의 공기의 습도에 대응하여, 상기 제1조절밸브(V1), 상기 제2조절밸브(V2) 및 상기 제3조절밸브(V3)를 조절하여 상기 혼합챔버(140)로 유입되는 습한공기 및 건조공기의 유입양을 조절함에 의해, 원하는 습도의 공기가 상기 연료전지에 공급되도록 할 수 있다. 여기서 상기 제1조절밸브(V1)는 상기 제1습도센서(HS1)에 대응하여 상기 가습기(130)로 유입되는 공기의 유입양을 조절하도록 동작하고, 상기 제2조절밸브(V2) 및 상기 제3조절밸브(V3)는 상기 제2습도센서(HS2)에 대응하여 상기 혼합챔버(140)로 유입되는 습한공기 및 건조공기의 유입양을 조절하도록 제어될 수 있다.
상기 분배기(120)와 상기 혼합챔버(140) 사이를 연결하는 공급배관, 상기 가습기(130)와 상기 혼합챔버(140) 사이를 연결하는 공급배관 및 상기 혼합챔버(140)와 연료전지 사이를 연결하는 공급배관 각각에는 라인히터(미도시)가 설치되어 있다. 상기 라인히터는 공기 공급배관의 온도가 일정하게 유지되게 하기 위한 수단으로서 공급배관의 온도가 일정하게 유지되게 함으로서 연료전지에 공급되는 공기의 습도 및 온도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 공기공급장치(100)의 작용은 다음과 같다.
컴프레셔(110)를 통해 압축된 건조공기는 드라이어(112) 및 공기필터(114)를 통해 이물질과 습도가 제거되어 상기 분배기(120)로 공급된다. 상기 분배기(120)는 제1경로와 제2경로로 건조공기를 분배하고 유량을 조절하면서 제1경로와 제2경로로 건조공기를 공급하게 된다.
제1경로로 공급된 건조공기는 상기 가습기(130)로 공급되고 상기 가습기에서는 설정된 온도에 따라 작동하는 히터에 의해 온도가 상승하고 가열된 물속을 통과하는 과정에서 상대습도는 100% 가까이 상승하게 된다. 상기 가습기(130)를 통과하면서 가열 가습된 습한공기는 라인을 통과하여 상기 혼합챔버(140)로 이동하게 된다.
한편, 상기 제2경로로 공급된 건조공기는 상기 혼합챔버(140)로 바로 이동하게 된다.
상기 혼합챔버(140)에서는 상기 제2경로의 건조공기(Dry air)와 상기 가습기(130)로부터 공급되는 습한공기(Wet air)를 혼합하여, 원하는 습도를 가지는 공급공기로 하여 연료전지에 공급하게 된다. 상기 혼합챔버(140)에서는 공기의 습도를 높이고자 하는 경우에는 상기 제1경로를 통한 습한공기의 유입양을 늘리고, 공기의 습도를 낮추고자 하는 경우는 제2경로를 통한 건조공기의 유입량을 늘려 연료전지에 공급되는 공기의 습도를 자유롭게 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지에 공급되는 공기의 습도를 제1경로의 습한공기와 제2경로의 건조공기를 혼합하여 조절함에 의해 쉽고 빠르게 습도조절이 가능하고 10%이하의 저습도에서 100%에 가까운 고습도까지 자유롭고 다양하게 습도를 조절가능한 효과가 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
110 : 컴프레셔 120 : 분배기
130 : 가습기 140 : 혼합챔버

Claims (5)

  1. 연료전지용 공기공급장치에 있어서:
    건조공기를 공급하는 컴프레셔(compressor)와;
    상기 건조공기를 제1경로와 제2경로로 분배하는 분배기와;
    상기 제1경로의 건조공기에 대하여 가온 가습하여 습한공기를 공급하는 가습기와;
    상기 제2경로의 건조공기와 상기 가습기로부터 공급되는 습한공기를 혼합하여, 원하는 습도를 가지는 공급공기로 하여 연료전지에 공급하는 혼합챔버와;
    상기 분배기와 상기 가습기 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제1조절밸브와;
    상기 분배기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제2조절밸브와;
    상기 가습기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관에 설치되는 제3조절밸브를 구비하고,
    습도센서를 통해 측정되는 상기 혼합챔버 내의 공기의 습도에 대응하여, 상기 제1조절밸브, 상기 제2조절밸브 및 상기 제3조절밸브를 조절하여 상기 혼합챔버로 유입되는 습한공기 및 건조공기의 양을 조절함에 의해, 원하는 습도의 공기가 상기 연료전지에 공급되도록 하고,
    상기 가습기에는 내부에 수용된 물을 가열하기 위한 히터와, 내부에 수용된 물의 온도 측정을 위한 온도센서를 구비하고,
    상기 혼합챔버는 내부로 유입된 공기를 가열하기 위한 히터와. 내부로 유입된 공기의 온도 측정을 위한 온도센서와, 내부로 유입된 공기의 습도측정을 위한 습도센서와, 내부로 유입된 공기의 압력 측정을 위한 압력센서를 구비하고,
    상기 분배기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관, 상기 가습기와 상기 혼합챔버 사이를 연결하는 공급배관 및 상기 혼합챔버와 연료전지 사이를 연결하는 공급배관 각각에는 라인히터가 설치됨을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기공급장치는, 상기 혼합챔버 내의 공기가 원하는 습도로 유지되는 상태에서, 공기에 포함된 수분이 응축되지 않도록 상기 혼합챔버 내의 온도 및 압력을 조절함을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.
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