KR20030081943A - 연료전지의 가습 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습 시스템에 관한 것으로서, 내부 가습방식을 기본개념으로 하면서 1차 반응부 및 2차 반응부와 별도의 보조 흡기 매니폴드를 각각 구비하는 스택의 내부구조 개선을 통해 1차 반응한 공기의 높은 습도를 2차 반응에 활용하는 방법을 제공함으로써, 별도의 가습장치를 구비해야 하는 것과 관련한 비효율적인 측면을 개선할 수 있으며, MEA(Membrane Electrode Assembly) 전체적으로 균일한 습도 및 충분한 산소 농도의 조건을 유지하여 MEA의 내구성 저하를 최대한 방지하면서 그 효율을 최대한 높일 수 있고, 반응 후 생성되는 물의 발생을 최대한 억제하여 MEA의 내구성 저하에 영향을 미치지 않도록 한 것이다.

Description

연료전지의 가습 시스템{System for humidifying in fuel cell stack}

본 발명은 연료전지의 가습 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부 가습방식을 기본 개념으로 하면서 높은 습도를 갖는 1차 반응한 공기로부터 반응에필요로 하는 충분한 습도를 확보하여 2차 반응을 수행할 수 있는 방법을 제공함으로써, 종전과 같이 별도의 가습장치를 구비해야 하는 비용측면에서의 불리한 점을 배제할 수 있고, 가습장치의 배제로 인한 공간확보에 유리한 점이 있으며, MEA(Membrane Electrode Assembly) 전체에 균일한 습도 및 산소 농도를 가진 공기를 공급할 수 있는 연료전지의 가습 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 MEA를 사이에 두고 한편에는 수소를 유입시키고, 다른 한편에는 산소(혹은 공기)를 유입시키는 방식으로 되어 있다.

이때, 양극에서는 수소가 MEA 표면의 촉매의 작용으로 수소 양이온과 전자로 분해되며, 이때의 전자는 양극 플레이트를 통해 흘러가게 되고, 수소 양이온은 멤브레인을 통해서 음극 쪽으로 흘러가게 된다.

상기 멤브레인은 수소 양이온만 통과시키도록 제작된 것이다.

이렇게 흘러간 수소 양이온은 음극의 산소 음이온과 결합하여 물을 생성시키게 하고, 이때의 생성된 물은 출구쪽으로 배출된다.

전기를 생산하기 위해서는 수소 양이온이 멤브레인을 거쳐 음극쪽으로 이동을 하는 것이 필수적인데, 이를 위해서 멤브레인은 항상 촉촉히 젖어 있어야 하는 조건을 필요로 하게 된다.

가습을 해주는 방법은 크게 스택(stack) 내부 가습과 외부 가습이 있으며, 내부 가습은 스택에서 전기생산과 가습을 동시에 해줄 수 있어서 차량에 연료전지 시스템을 적용하는데 많은 잇점이 있다.

그러나, 외부 가습은 스택 외부에 또 다른 가습기를 설치해야 하는데, 이에들어가는 공간이나 비용 또한 거의 스택과 맞먹는 것이어서 가능한 내부 가습을 하는 것이 좋다.

이러한 잇점에도 불구하고 현재 외국 선진업체의 특허장벽에 막혀서 실제는 외부 가습을 하고 있는 실정이다.

도 1은 종래 가습 시스템의 일 구현예를 개략적으로 보여주고 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 공기는 가습기(10)를 거쳐 스택(20)으로 유입되고, 스택(20)에서 생성된 물은 응축기(30)를 통해 배출되고 일부는 가습기(10)로 보내지게 된다.

스택(20)으로는 반응을 위한 수소와 냉각을 위한 냉각수가 유입되고, 냉각수와 반응에 의해 생성된 물은 응축기(30)와 가습기(10)를 거쳐 배출된다.

위와 같은 가습 시스템은 가습을 위한 가습기 및 가습수 회수를 위한 응축기와 이것들을 위한 부대설비, 즉 튜브, 피팅 등을 필요로 하므로, 하중이나 공간이 증가하는 단점과 순수한 물이 존재하게 되므로 물이 어는 문제점이 있다.

도 2는 종래 가습 시스템의 다른 구현예를 개략적으로 보여주고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 배기가스 순환라인(40)을 통해 배기가스의 포화공기 일부가 공기와 함께 혼합된 후, 스택(20)으로 유입된다.

위와 같은 가습 시스템은 별도의 가습기나 응축기를 배제할 수 있는 잇점은 있으나, 산소의 농도가 떨어지는 공기가 들어감에 따라 충분한 출력을 기대할 수 없는 단점이 있고, 또 포화공기가 유입되는 초기에는 반응에 필요한 어느 정도의 산소 농도를 유지하여 활발한 반응을 기대할 수 있지만, 반응 후기로 갈수록 산소농도가 급격히 줄어들면서 반응이 부진하게 되는 등 멤브레인 전체에 걸쳐 균일한 습도 및 산소 농도의 유지가 어려워 멤브레인의 내구성 저하를 가속화시키는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 내부 가습방식을 기본 개념으로 하면서 1차 반응부 및 2차 반응부와 별도의 보조 흡기 매니폴드를 각각 구비하는 스택의 내부구조 개선을 통해 1차 반응한 공기의 높은 습도를 2차 반응에 활용하는 방법을 제공함으로써, 별도의 가습장치를 구비해야 하는 것과 관련한 비효율적인 측면을 개선할 수 있으며, MEA(Membrane Electrode Assembly) 전체적으로 균일한 습도 및 충분한 산소 농도의 조건을 유지하여 MEA의 내구성 저하를 최대한 방지하면서 그 효율을 최대한 높일 수 있고, 반응 후 생성되는 물의 발생을 최대한 억제하여 MEA의 내구성 저하에 영향을 미치지 않도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스택 내부의 반응부를 1차 반응부와 2차 반응부로 조성하고, 스택으로 유입되는 공기는 별도의 보조 흡기 매니폴드를 통해 유입되게 하는 동시에 일부의 공기는 공기 순환라인을 거쳐 스택 흡기 매니폴드를 통하여 1차 반응부로 유입되게 함으로써, 일부 순환되는 공기는 1차 반응부에서 반응하여 습도가 높아진 상태로 보조 흡기 매니폴드로 유입된 나머지의 공기와 서로 혼합되게 하고, 이렇게 혼합된 공기를 2차 반응부에서 반응할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보조 흡기 매니폴드를 통해 스택 내부로 유입되는 공기 중에서 1차 반응을 위해 20∼85% 정도의 공기량을 스택 흡기 매니폴드로 보낼 수 있도록 한 연료전지의 가습 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 연료전지의 가습 시스템에 대한 일 구현예를 보여주는 개략도

도 2는 종래 연료전지의 가습 시스템에 대한 다른 구현예를 보여주는 개략도

도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 가습 시스템에 대한 바람직한 구현예를 보여주는 개략도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 가습기 20 : 스택

30 : 응축기 40 : 배기가스 순환라인

50 : 스택 흡기 매니폴드 60 : 보조 흡기 매니폴드

70 : 스택 배기 매니폴드 80 : 공기 순환라인

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시한 바와 같이, 공기의 유입을 위한 스택 흡기 매니폴드(50)와 공기의 배출을 위한 스택 배기 매니폴드(70)를 포함하고 있으며, 냉각수 유입 및 배출이 가능하고 공기와 수소의 유입 및 배출이 가능한 스택(20)에 있어서, 스택(20)의 반응부를 1차 반응부와 2차 반응부로 구분하여 조성하고, 스택(20)의 내부로 반응을 위한 공기를 최초로 유입할 수 있는 수단으로는 보조 흡기 매니폴드(60)를 구비한다.

상기 보조 흡기 매니폴드(60)와 스택 흡기 매니폴드(50)는 공기 순환라인(80)으로 연결되어 보조 흡기 매니폴드(60)로 유입되는 공기의 일부, 예를 들면 총 유입되는 100%의 양 중에서 대략 20∼85% 정도의 양이 스택 흡기 매니폴드(50)측으로 보내질 수 있게 된다.

스택(20)의 내부에 조성되는 반응부는 보조 흡기 매니폴드(60)로부터 일부 보내지는 공기를 반응시키기 위한 1차 반응부와, 이렇게 1차 반응한 공기와 보조 흡기 매니폴드(60)로부터 공급되는 나머지 전량의 공기를 혼합한 상태에서 반응시키기 위한 2차 반응부로 이루어져 있다.

따라서, 스택에 공급되는 공기를 보조 흡기 매니폴드를 통해 유입되게 하고, 일부는 공기 순환라인을 거쳐 스택 흡기 매니폴드를 통하여 1차 반응부에서 반응하게 하는 한편, 1차 반응부에서 반응한 공기와 보조 흡기 매니폴드 내의 나머지 공기를 혼합시켜 2차 반응부에서 반응하게 한 후, 대기 중으로 방출한다.

1차 반응부에서 반응하는 공기는 반응이 진행됨에 따라 산소 농도는 감소하게 되고 습도는 증가하게 되므로, 보조 흡기 매니폴드 내의 공기와 1차 반응한 공기가 혼합되면, 혼합된 공기는 습도는 증가하고 산소 농도는 새로운 공기, 즉 보조 흡기 매니폴드 내의 공기로 인해 증가하게 된다.

그러나, 전체적으로 보면 산소 농도의 감소율이 적게 되므로, 성능에는 거의 변화가 없게 되고, 습도 또한 적절하게 유지되므로, 습도가 낮아서 반응부 입구에서 발생하게 되는 드라이 아웃(Dry-out) 현상을 방지할 수 있게 되고, 반응부 출구에서 발생하게 되는 플로딩(Flooding) 현상, 즉 물이 많이 생기는 현상 또한 줄일 수 있게 된다.

이와 같이, 스택 내에서의 공기 반응이 1차 반응과 2차 반응으로 이루어지게 하고, 1차 반응시 충분한 습기를 함유한 포화공기를 2차 반응시 활용함으로써, 스택의 전체 반응구간에 걸쳐 균일한 습도를 유지할 수 있는 동시에 반응초기 및 반응말기의 산소 농도를 일정하게 유지할 수 있으므로, 종전과 같이 별도의 가습수단을 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 이와 관련한 부대설비를 줄일 수 있고, 레이아웃상의 잇점이 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 스택의 내부구조 개선을 통하여 1차 반응한 공기의 높은 습도를 2차 반응에 활용하는 방법을 포함하는 연료전지의 가습 시스템을 제공함으로써, 별도의 가습장치를 구비해야 하는 것과 관련한 하중의 증가, 공간의 증가 등과 같은 비효율적인 측면을 개선할 수 있는 장점이 있으며, MEA 전체적으로 균일한 습도 및 충분한 산소 농도의 조건을 유지하여 MEA의 내구성 저하를 최대한 방지하면서 그 효율을 최대한 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 스택 내부의 반응부를 1차 반응부와 2차 반응부로 조성하고, 스택으로 유입되는 공기는 별도의 보조 흡기 매니폴드를 통해 유입되게 하는 동시에 일부의 공기는 공기 순환라인을 거쳐 스택 흡기 매니폴드를 통하여 1차 반응부로 유입되게 함으로써, 일부 순환되는 공기는 1차 반응부에서 반응하여 습도가 높아진 상태로 보조 흡기 매니폴드로 유입된 나머지의 공기와 서로 혼합되게 하고, 이렇게 혼합된 공기를 2차 반응부에서 반응할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 흡기 매니폴드를 통해 스택 내부로 유입되는 공기 중에서 1차 반응을 위해 20∼85% 정도의 공기량을 스택 흡기 매니폴드로 보낼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습 시스템.