KR20100074835A - 연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 막가습기(30)를 우회하는 바이패스관(44)이 설치되고, 그 바이패스관(44)에 유량조절밸브(60)가 설치되며, 상기 바이패스관(44)의 후단과 스택(10)의 사이에 판형열교환기(90)가 설치된다.

따라서, 상기 막가습기(30)를 우회하는 유량을 조절하여 스택투입공기의 가습 정도를 적절히 조절할 수 있게 되고, 필요에 따라 건조한 공기를 투입하여 잉여수분을 제거할 수 있게 됨으로써 스택의 안정적인 출력을 확보하고, 열화된 성능을 회복하는 것이 가능해진다.

연료전지 스택 가습, 연료전지 가습 제어

Description

연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법{apparatus and method for humidification control of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 습도를 적절히 조절함으로써 전극의 플러딩(flooding) 현상을 방지하여 스택의 성능을 향상시킬 수 있도록 된 연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지의 스택은 다수의 셀이 적층되어 구성되며, 각 셀은 연료극과 전해질막 및 공기극으로 이루어진 막전극조합체(MEA)와 그 양측에 반응가스 유로를 형성하는 분리판으로 이루어진다.

상기 연료극(anode)측에는 보통 순수 수소가스 또는 수소리치가스가 공급되어 공기극(cathode)으로 공급되는 공기중의 산소와 전해질막을 통해 반응하게 된다.

한편, 상기 전해질막은 일정 수분을 함유하여야 이온전도성이 향상되어 활발한 수소이온의 이동이 발생되므로 전해질막에 필요 수분을 부여하기 위하여 상기 공기극측에 수증기를 포함한 공기를 공급하고 있다.

도 1은 종래 스택 가습 장치의 개략 구성도로서, 스택(1)과 블로어(2) 및 막가습기(3)로 이루어지며, 이들은 상호 공급관로(4a,4b)와 배출관로(5a,5b)로 연결되어 있다.

따라서, 블로어(2)에서 배출된 공기는 막가습기(3)를 통과하면서 이를 역방향으로 통과하는 스택(1)으로부터 배출된 고온다습한 공기와 물로부터 수분과 열을 전달받아 스택(1)으로 공급된다.

그런데, 상기 막가습기(3)를 통과하면서 공기는 대략 60~80℃로 적절히 가열되나, 가습이 지나치게 이루어져 상대습도가 100%가 넘는 상태(실험결과 상대습도 118% 수준으로 가습됨을 알 수 있었다.)로 공급이 이루어짐으로써 전극에 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 정상적인 이온 교환이 이루어지지 못함으로써 스택의 안정적인 출력을 확보할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 과도한 수분의 공급은 스택 내에 잉여수분을 발생시킴으로써 시간이 경과함에 따라 스택의 성능 열화를 유발하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스택의 공기극으로 공급되는 수분의 양을 적절히 조절할 수 있게 됨으로써 플러딩 현상을 방지하여 안정적인 스택 출력을 확보할 수 있게 되고, 잉여수분이 발생하지 않도록 함으로써 스택 성능의 열화를 방지할 수 있도록 된 연료전지 스택의 가습 제어 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가습 제어 장치는,

스택에 공기를 공급하는 블로어와;

상기 블로어와 스택 사이에 설치된 막가습기와;

상기 막가습기를 우회하는 바이패스관과;

상기 바이패스관의 후단 이후 부분과 상기 스택의 사이에 설치된 판형열교환기;

를 포함한다.

또한, 상기 바이패스관에 유량조절밸브가 설치된다.

또한, 상기 유량조절밸브의 전단과 상기 블로어의 후단에 유량계가 각각 설치되고,

상기 막가습기와 판형열교환기의 후단에 열전대가 각각 설치된다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가습 제어 방법은,

막가습기 후단의 온도를 측정하고, 온도-포화수증기량 도표에서 포화수증기량을 구하며, 그 포화수증기량에 막가습기 후단의 상대습도(설정값)를 곱하고, 이에 막가습기 후단의 유량을 곱하여 막가습기 후단 흐름의 수증기량을 계산하는 막가습기 후단 수증기량 계산단계와;

외부온도에 따른 포화수증기량을 구하고, 그 포화수증기량에 바이패스관 내부의 상대습도(설정값)를 곱하고, 이에 바이패스관 통과유량을 곱하여 바이패스관 통과 흐름의 수증기량을 계산하는 바이패스관 수증기량 계산단계와;

상기 막가습기 후단 수증기량과 바이패스관 수증기량의 합을 스택으로 공급되는 흐름의 포화수증기량으로 나누어 스택으로 공급되는 흐름의 상대습도를 계산하는 스택투입공기 상대습도 계산단계와;

상기 스택투입공기 상대습도 계산단계에서 계산된 스택투입공기의 상대습도와 설정된 상대습도를 비교하여 계산값이 설정값보다 작으면 바이패스관에 설치된 유량제어밸브를 닫고, 계산값이 설정값보다 크면 상기 유량제어밸브를 여는 가습량 조절단계;

를 포함한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 막가습기를 우회하는 바이패스관이 설치되어 스택투입공기의 가습 정도를 조절할 수 있게 됨으로써 과도한 수분 공급으로 인한 플러딩 현상을 방지하여 스택의 출력을 안정적으로 확보 유지할 수 있 게 된다.

또한, 막가습기와 스택의 사이에 판형열교환기가 더 구비됨으로써 건조한 공기를 스택으로 공급할 수 있게 된다. 따라서, 스택 내 잉여수분 발생을 방지하여 스택 성능의 열화를 방지할 수 있게 되고, 잉여수분이 발생한 경우에도 이를 인위적으로 건조시킴으로써 스택의 발전 성능을 회복시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가습 제어 장치의 구성도로서, 스택(10)과 블로어(20)의 사이에 막가습기(30)가 설치된 것은 종래와 동일하다.

상기 구성에 있어서, 본 발명은 상기 막가습기(30)를 우회하는 바이패스관로(44)가 설치된 것에 그 특징이 있다.

또한, 상기 막가습기(30)과 스택(10)의 사이에서 상기 바이패스관로(44) 후단 이후 부분에 판형열교환기(90)가 설치된 것에 또 다른 특징이 있다.

각 구성부 사이는 공급관로(41,42,43)와 배출관로(51,52,53)들로 연결되어 있으며, 상기 바이패스관로(44)는 이 중 블로어(20)에서 막가습기(30)쪽으로의 공급관로(41)와 막가습기(30)에서 판형열교환기(90)쪽으로의 공급관로(42)를 연결한다.

따라서, 필요에 따라 상기 막가습기(30)를 통과하는 공기의 양을 조절함으로써 스택으로 공급되는 공기의 가습량을 조절할 수 있도록 되어 있다.

즉, 블로어(20)로부터 배출된 공기의 일부를 바이패스관로(44)를 통해 막가 습기(30)를 우회시킴으로써 스택(10)으로 공급되는 공기의 습도를 종래의 경우보다 낮출 수 있게 된다.

또한, 상기 판형열교환기(90)를 통과시켜 공기를 가열함으로써 온도 상승에 따라 상대습도가 낮아지도록 하여 스택(10)에 과도 수분이 공급되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 막가습기(30)를 우회하는 공기량을 최대로 하고, 그 공기가 관형열교환기를 통과하도록 함으로써 건조한 공기를 생성할 수 있으며, 이 공기를 스택(10)에 공급하여 잉여수분을 제거하여 스택의 성능을 회복시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 막가습기(30)를 우회하는 공기량을 적절히 조절하기 위하여 상기 바이패스관(44)에는 유량조절밸브(60)가 설치된다.

또한, 상기 공급관로(41)의 블로어(20) 후단과 상기 바이패스관(44)의 유량조절밸브(60) 전단에 유량계(71,72)가 설치되고, 상기 공급관로(42)의 막가습기(30) 후단과 상기 공급관로(43)의 판형열교환기(90) 후단에 열전대(81,82)가 설치된다.

상기의 장치를 이용하여 다음과 같은 가습 제어 방법을 실시할 수 있다.

상기 가습 제어 장치를 통과하는 공기의 흐름은 다음의 3가지로 구분될 수 있다.

제1흐름은 막가습기(30)를 통과하는 흐름이고, 제2흐름은 바이패스관(44)을 통과하여 막가습기(30)를 우회하는 흐름이며, 제3흐름은 상기 제1흐름과 제2흐름이 합쳐져 스택(10)으로 공급되는 흐름이다.

본 발명에 의해 제어되어야 하는 습도는 제3흐름 즉, 스택(10)으로 투입되는 공기의 습도이다.

그런데, 전술한 바와 같이 상기 막가습기(30)를 통과한 공기의 상대습도는 100%가 넘기 때문에 수분량을 직접 측정하는 습도센서를 사용할 경우 센서가 액체 상태의 물에 노출되어 파손되거나 오작동 하므로 습도센서를 사용하는 것은 부적절하다.

따라서, 본 발명은 제3흐름에서의 상대습도를 계산하여 설정된 적정 상대습도와 비교하여 그 대소 관계에 따라 상기 유량제어밸브(60)의 개도량을 조절하는 방법을 사용한다.

상기 제3흐름에서의 상대습도는, 상기 열전대(81,82)를 이용하여 온도를 측정하고 그 온도에서의 포화수증기량을 이용하여 제1흐름과 제2흐름의 수증기량을 구함으로써 계산할 수 있다.

먼저, 제1흐름(막가습기 통과흐름)의 수증기량을 계산한다.

이는 상기 열전대(81)로 그 지점의 온도를 측정하고 온도-포화수증기량 도표로부터 그 온도에서의 포화수증기량을 구한다.

상기 포화수증기량을 그 지점의 상대습도(선행 실험을 통해 상기 막가습기를 통과한 공기의 상대습도는 118%임을 알아내었다.)와 곱하고, 그 값에 제1흐름의 유량을 곱하여, 제1흐름의 수증기량을 계산한다. 제1흐름의 유량은 유량계 71과 72의 측정값이 차이다.

즉, (제1흐름의 온도에 따른 포화수증기량ㅧ제1흐름의 상대습도(=1.18))ㅧ(제1흐름의 유량)으로 제1흐름의 수증기량을 계산할 수 있다.(막가습기 후단 수증기량 계산단계(S1))

이어, 같은 방식으로 제2흐름(바이패스관 통과흐름)의 수증기량을 계산한다.

상기 제2흐름을 구성하는 공기는 블로어(20)를 통해 공급된 외부 공기 그대로의 상태이므로 온도는 그 때의 외부온도로 하고, 그 온도값에 따른 포화수증기량을 온도-포화수증기량 도표에서 구한다.

그리고, 그 때의 상대습도는 국내 연평균 상대습도인 50%로 가정한다.

따라서, 제2흐름의 수증기량은, (제2흐름의 온도에 따른 포화수증기량ㅧ제2흐름의 상대습도(=0.5))ㅧ(제2흐름의 유량)이다. 이때 제2흐름의 유량은 바이패스관(44)에 설치된 유량계(72)의 측정값이다.(바이패스관 수증기량 계산단계(S2))

이어, 제3흐름의 상대습도를 계산한다.

이는 제1흐름과 제2흐름을 통해 유입되는 수증기량과 제3흐름의 그 유량에서의 포화수증기량의 비로써 알 수 있다.

상기 제1흐름과 제2흐름의 수증기량은 위에서 구한 바와 같고, 제3흐름의 그 유량에서의 포화수증기량은 열전대(82)를 통해 측정된 제3흐름의 온도에 따른 포화수증기량에 제3흐름의 유량(유량계 71의 측정값)을 곱한 값이다.

즉, (제3흐름의 온도에 따른 포화수증기량)ㅧ(제3흐름의 유량)이다.

따라서, 제3흐름의 상대습도는,

(제1흐름의 수증기량 + 제2흐름의 수증기량)/(제3흐름의 온도에 따른 포화수 증기량)ㅧ(제3흐름의 유량)이다.(스택투입공기 상대습도 계산단계(S3))

상기와 같은 과정을 거쳐 구해진 제3흐름의 상대습도와 설정된 상대습도(스택으로 공급되는 공기의 적정 상대습도는 80%이다.)를 비교하여, 계산된 상대습도가 설정값보다 작으면 제3흐름중의 수증기량을 증대시키기 위해 상기 유량제어밸브(60)을 닫고, 반대로 계산값이 설정값보다 크면 수증기량을 감소시키기 위해 상기 유량제어밸브(60)를 개방하는 제어를 실시한다.(가습량 조절단계(S4))

상기 제어 방법에 의해 스택으로 항상 적절한 수분을 포함한 공기가 공급될 수 있으므로 전극의 플러딩 현상이 방지되어 스택의 출력을 안정적으로 확보할 수 있게 되고, 잉여수분의 발생을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 가습 장치의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가습 제어 장치의 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 20 : 블로어

30 : 막가습기 41,42,43 : 공급관로

44 : 바이패스관 51,52,53 : 배출관로

60 : 유량조절밸브 71,72 : 유량계

81,82 : 열전대

Claims (5)

1. 스택에 공기를 공급하는 블로어와;

   상기 블로어와 스택 사이에 설치된 막가습기와;

   상기 막가습기를 우회하는 바이패스관과;

   상기 바이패스관의 후단 이후 부분과 상기 스택의 사이에 설치된 판형열교환기;

   를 포함하는 연료전지 스택의 가습 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 바이패스관에 유량조절밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가습 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 유량조절밸브의 전단과 상기 블로어의 후단에 유량계가 각각 설치되고,

   상기 막가습기와 판형열교환기의 후단에 열전대가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가습 제어 장치.
4. 막가습기 후단의 온도를 측정하고, 온도-포화수증기량 도표에서 포화수증기량을 구하며, 그 포화수증기량에 막가습기 후단의 상대습도(설정값)를 곱하고, 이 에 막가습기 후단의 유량을 곱하여 막가습기 후단 흐름의 수증기량을 계산하는 막가습기 후단 수증기량 계산단계와;

   외부온도에 따른 포화수증기량을 구하고, 그 포화수증기량에 바이패스관 내부의 상대습도(설정값)를 곱하고, 이에 바이패스관 통과유량을 곱하여 바이패스관 통과 흐름의 수증기량을 계산하는 바이패스관 수증기량 계산단계와;

   상기 막가습기 후단 수증기량과 바이패스관 수증기량의 합을 스택으로 공급되는 흐름의 포화수증기량으로 나누어 스택으로 공급되는 흐름의 상대습도를 계산하는 스택투입공기 상대습도 계산단계와;

   상기 스택투입공기 상대습도 계산단계에서 계산된 스택투입공기의 상대습도와 설정된 상대습도를 비교하여 계산값이 설정값보다 작으면 바이패스관에 설치된 유량제어밸브를 닫고, 계산값이 설정값보다 크면 상기 유량제어밸브를 여는 가습량 조절단계;

   를 포함하는 연료전지 스택의 가습 제어 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 막가습기 후단의 상대습도는 선행 실험을 통해 산출된 118%이고, 상기 바이패스관 내부의 상대습도는 연평균 상대습도인 50%로 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가습 제어 방법.

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