KR100957365B1 - Humidification and condensation device for fuel cell system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온/가압 운전을 위해 연료전지 스택의 공기 출구측으로부터 배출되는 수증기를 포집할 수 있도록 가습기에 응축기 기능을 통합시킨 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidification and condensation apparatus of a fuel cell system. More particularly, the present invention relates to a humidifier and a condenser function to collect water vapor discharged from an air outlet side of a fuel cell stack for a high temperature / pressurization operation of the fuel cell stack. A humidification and condensation device for an integrated fuel cell system.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택의 공기극에 가습 공기를 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 있어서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있도록, 상기 가습기의 소정 위치에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구; 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 연결하는 폐순환 냉각수라인; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 출구쪽에 설치되는 라디에이터와; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 입구쪽에 설치되는 물펌프; 로 구성된 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공한다.To this end, the present invention is a humidification and condensation apparatus of a fuel cell system comprising a fuel cell stack and a humidifier for supplying humidified air to an air electrode of the fuel cell stack, wherein the cooling water is circulated in the humidifier and discharged from the air electrode. A coolant inlet and a coolant outlet formed at a predetermined position of the humidifier to collect water vapor; A closed circulation cooling water line connecting the cooling water inlet and the cooling water outlet; A radiator installed at a cooling water outlet side of the closed circulation cooling water line; A water pump installed at a cooling water inlet side of the closed circulation cooling water line; A humidification and condensation apparatus for a fuel cell system, characterized in that a condensation apparatus composed of a direct installation is provided directly to the humidifier.
연료전지, 가습기, 응축장치, 폐순환 냉각수라인, 수증기, 라디에이터 Fuel Cell, Humidifier, Condenser, Waste Circulation Cooling Water Line, Water Vapor, Radiator
Description
본 발명은 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온/가압 운전을 위해 연료전지 스택의 공기 출구측으로부터 배출되는 수증기를 포집할 수 있도록 가습기에 응축기 기능을 통합시킨 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다.A fuel cell, which is a main power supply source of a fuel cell system, is a device that generates electricity while generating water by receiving oxygen in the air and hydrogen as a fuel.
연료전지 스택으로 공급된 수소가 음극 전극(연료극)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극(공기극)으로 넘어가게 되며, 연이어 양극(공기극)에 공급된 산소는 외부도선을 통해 양극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.Hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the cathode electrode (fuel electrode), and the separated hydrogen ions are transferred to the anode (air electrode) through the electrolyte membrane, and subsequently oxygen supplied to the anode (air electrode) Generates electrical energy by combining with electrons entering the anode through an external conductor to generate water.
이때, 연료전지의 이론 전위는 1.23V이며, 반응식은 아래와 같다.At this time, the theoretical potential of the fuel cell is 1.23V, and the reaction equation is as follows.
연료극(Anode) : H2 → 2H+ + 2e-Anode: H 2 → 2H + + 2e-
공기극(Cathode) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2OCathode: 1/2 O 2 + 2H + + 2e- → H 2 O
또한, 연료전지 스택의 이론 전위 즉, 수소 내부에너지는 아래의 수학식 1로 표현된다.In addition, the theoretical potential of the fuel cell stack, that is, hydrogen internal energy is represented by
연료전지 스택의 이론 전위는 운전 압력, 가스 이용률 증가시 상승이 가능하고, 그리고 부하 증대시 전류 구간별 스택 성능 저하 원인은 촉매층, 멤브레인, 가스 확산층, 분리판 디자인 기술 등에 의존한다. The theoretical potential of the fuel cell stack can rise when the operating pressure and gas utilization increase, and the cause of the stack performance deterioration by the current section when the load increases is dependent on the catalyst layer, the membrane, the gas diffusion layer, and the separator design technology.
예를 들어, 타펠(Tafel)식으로 표현 가능한 도 10의 연료전지 특성 곡선에서 보듯이, 전류밀도가 증가함에 따라 분리판의 냉각면(유로)에서의 접촉저항이 증가하여 오믹(Ohmic) 분극(저항 손실)이 증가하는 경향을 보이게 되며, 이는 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성이 나빠지는 결과를 초래하게 된다.For example, as shown in the fuel cell characteristic curve of FIG. 10, which can be expressed by a Tafel equation, as the current density increases, the contact resistance on the cooling surface (euro) of the separator increases, resulting in ohmic polarization ( Resistance loss) tends to increase, resulting in poor output characteristics of the fuel cell or stack.
참고로, 연료전지 전압은 아래와 같은 수학식 2로 표현된다.For reference, the fuel cell voltage is represented by Equation 2 below.
E : 수소 내부에너지.E is hydrogen internal energy.
A, i0 : 교환 전류 밀도(평형상태에서의 전류 밀도)로서, 전극 설계/제조에 있어서 활성화 손실을 나타낸다.A, i 0 : Exchange current density (current density at equilibrium), which indicates activation loss in electrode design / manufacturing.
in : 내부 전류로서, 전해질막 설계/제조에 있어서 연료손실을 나타낸다.i n : Internal current, representing fuel loss in electrolyte membrane design / manufacturing.
iL : 한계 전류 밀도로서, 분리판, 기체확산층 설계/제조에 있어서 농도구배손실을 나타낸다.i L : Limit current density, which indicates concentration gradient loss in the design and manufacture of the separator and gas diffusion layer.
r : 전해질막, 분리판, 기체 확산층 설계/제조에 있어서 저항 손실을 나타낸다.r: Resistance loss in electrolyte membrane, separator and gas diffusion layer design / manufacturing.
이러한 이론적 사실을 기반으로 하는 연료전지 차량에 있어서, 연료전지 스택의 출력 밀도 향상을 위해 필요한 기술로는 멤브레인과 촉매 재료 물성 향상, MEA의 반응 면적 증대, 운전 압력 및 운전 온도 증대, 가스 공급량 및 가습량 증대 등이 대표적이며, 그 중에서도 연료전지 스택의 운전 온도 증대를 위해서는 재료적인 측면에서 내구성 확보가 가능한 멤브레인 개발이 필요하고, 그리고 시스템 측면에서 빠른 운전 온도 상승 및 공급 가스 가습량 증대가 필수적이다.In the fuel cell vehicle based on this theoretical fact, the technologies required for improving the power density of the fuel cell stack include improvement of membrane and catalyst material properties, increase of reaction area of MEA, increase of operating pressure and operating temperature, gas supply and humidification amount. Increasing the operating temperature of the fuel cell stack requires the development of a membrane capable of securing durability in terms of materials, and the rapid operation temperature rise and the supply gas humidification in the system side are essential.
그러나, 연료전지 전체 시스템 측면에서 운전 온도 상승시, 스택의 열관리는 유리하나 연료전지로부터 배출되는 배출가스의 온도 상승으로 인해 배출가스를 이용하는 가습기의 가습 측면에서는 불리하다.However, when the operating temperature rises in terms of the entire fuel cell system, the thermal management of the stack is advantageous but disadvantageous in terms of humidification of the humidifier using the exhaust gas due to the rise in temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell.
즉, 연료전지 스택의 열관리 및 성능 향상을 위해서는 고온/가압 운전이 필요하지만, 고온 운전(85℃ 이상)시 배출가스 온도 상승(100℃ 부근)으로 공기 출구 측의 배출 수증기를 포집하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요하다.In other words, high temperature / pressurization operation is required for thermal management and performance improvement of the fuel cell stack. However, when the exhaust gas temperature is increased (near 100 ° C) during high temperature operation (85 ° C or higher), a separate trap for trapping exhaust water vapor at the air outlet side is used. A cooling system is needed.
이에, 고온 운전시, 가습기의 공급 물량 감소의 단점을 극복하기 위한 방법으로 운전 압력 상승을 통한 가습량 증대 기술이 가능하지만, 이 경우 운전 압력 상승을 위해 스택 출구측에 별도의 가압 장치가 필요하여 연료전지 차량의 공간적 제약이 따르는 단점이 있다.Therefore, in a high temperature operation, a method of increasing the humidification amount by increasing the operating pressure is possible as a method for overcoming the disadvantage of reducing the supply amount of the humidifier, but in this case, a separate pressurization device is required at the exit of the stack to increase the operating pressure. There is a disadvantage that comes with the spatial constraints of the battery vehicle.
또한, 고온 운전(80℃ 이상)시 연료전지로부터 배출되는 배출가스의 온도 상승으로 인하여, 가습기내의 재료(예를들어, 중공사막)에 대한 열화를 방지하고자 별도의 가습기 보호 기술이 필요한 단점이 있다.In addition, due to a rise in the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell during high temperature operation (over 80 ° C), there is a disadvantage that a separate humidifier protection technology is required to prevent deterioration of the material (for example, hollow fiber membrane) in the humidifier. .
이러한 점을 감안하여, 대한민국 특허등록번호 제0644182호에는 스택 출구측에 별도의 응축기를 구성하고, 물탱크에 응축수를 포집한 후 가습기로 재공급하는 복잡한 구조의 연료 전지 파워 플랜트가 개시되어 있지만, 이 경우 스택의 운전 온도가 상승할수록 더욱 부피가 큰 응축시스템 구성을 필요로 하는 단점이 있다.In view of this, Korean Patent Registration No. 0644182 discloses a fuel cell power plant having a complicated structure in which a separate condenser is formed at the stack exit side, the condensate is collected in the water tank, and re-supplied to the humidifier. In this case, as the operating temperature of the stack increases, there is a disadvantage that a larger volumetric condensation system configuration is required.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 공기극으로 가습공기를 공급하기 위한 가습기에 냉각수의 유입 및 배출구를 별도로 형성하고, 냉각수의 유입 및 배출구 간에는 라디에이터를 연결시켜, 가습기에 응축기 기능을 통합시킴으로써, 연료전지 스택의 공기 출구측에서 배출된 배출 수증기를 용이하게 포집할 수 있고, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있으며, 또한 가습기내 의 재료에 대한 열화를 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, as a separate inlet and outlet of the cooling water to the humidifier for supplying humidification air to the air electrode, by connecting a radiator between the inlet and outlet of the cooling water, condenser function to the humidifier By integrating, it is possible to easily collect the exhaust water vapor discharged from the air outlet side of the fuel cell stack, to increase the operating pressure of the fuel cell stack, and to prevent the deterioration of the material in the humidifier. Its purpose is to provide a humidification and condensation device for a battery system.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택의 공기극에 가습 공기를 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 있어서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있는 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치를 제공한다.The present invention for achieving the above object is a humidification and condensation apparatus of a fuel cell system comprising a fuel cell stack and a humidifier for supplying humidified air to the cathode of the fuel cell stack, wherein the cooling water is circulated in the humidifier. A humidification and condensation apparatus for a fuel cell system is provided, in which a condenser that collects water vapor discharged from an air electrode is directly installed in the humidifier.
바람직한 일 구현예로서, 상기 응축장치는: 상기 가습기의 소정 위치에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구; 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 연결하는 폐순환 냉각수라인; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 출구쪽에 설치되는 라디에이터와; 상기 폐순환 냉각수라인에서 냉각수 입구쪽에 설치되는 물펌프; 로 구성된 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the condenser includes: a coolant inlet and a coolant outlet formed at a predetermined position of the humidifier; A closed circulation cooling water line connecting the cooling water inlet and the cooling water outlet; A radiator installed at a cooling water outlet side of the closed circulation cooling water line; A water pump installed at a cooling water inlet side of the closed circulation cooling water line; Characterized in that consisting of.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment, a thermostat is mounted between the water pump and the coolant inlet section of the waste circulation cooling water line, and a bypass line is connected from the outlet of the thermostat to the section between the radiator and the radiator outlet of the waste circulation cooling water line. It is done.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 폐순환 냉각수라인의 물펌프와 냉각수 입구 사이구간에 모터의 냉각수경로와 제어기의 냉각수경로가 더 연결되는 것을 특 징으로 한다.In another preferred embodiment, the cooling water path of the motor and the cooling water path of the controller are further connected between the water pump and the cooling water inlet of the closed circulation cooling water line.
또한, 상기 폐순환 냉각수라인의 모터와 냉각수 입구 사이구간에 써모스탯이 장착되고, 이 써모스탯의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인의 냉각수 출구와 라디에이터 사이구간까지 바이패스 라인이 연결된 것을 특징으로 한다.In addition, the thermostat is mounted between the motor and the coolant inlet section of the waste circulation cooling water line, characterized in that the bypass line is connected to the section between the radiator and the cooling water outlet of the waste circulation cooling water line.
또한, 상기 연료전지 스택의 공기극에서 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인과, 이 공기배출라인과 연결되는 상기 가습기의 배출공기 유입구에 적용되는 배관의 크기를 연료전지 스택의 고온 가압 운전 조건에 맞는 크기로 채택한 것을 특징으로 한다.In addition, the size of the pipe to be applied to the air discharge line for exhausting the reaction air from the cathode of the fuel cell stack and the exhaust air inlet of the humidifier connected to the air discharge line to the hot pressurized operating conditions of the fuel cell stack Characterized by the size adopted.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.Through the above problem solving means, the present invention can provide the following effects.
1) 연료전지 스택의 공기극과 연결되어 있는 가습기에 응축장치(냉각장치)를 직접 설치함으로써, 연료전지 스택의 고온 운전시, 스택 가스 출구측으로부터 배출되는 배출 가스 중의 수증기 포집량을 증대시킬 수 있다.1) By directly installing a condenser (cooler) in the humidifier connected to the cathode of the fuel cell stack, it is possible to increase the amount of water vapor trapped in the exhaust gas discharged from the stack gas outlet side during the high temperature operation of the fuel cell stack. .
2) 가습기에 설치된 응축장치의 일구성인 폐순환 냉각수라인에 모터 및 제어기의 냉각수경로를 연결시킴으로써, 모터 및 제어기에 대한 냉각 성능 향상 및 차량의 공간 활용도를 증대시킬수 있다.2) By connecting the cooling water path of the motor and the controller to the closed circulation cooling water line, which is one component of the condenser installed in the humidifier, it is possible to improve the cooling performance of the motor and the controller and increase the space utilization of the vehicle.
3) 연료전지 차량 운행시 발생 가능한 공급 공기의 열적 사이클(thermal cycle)로부터 MEA의 열화 가능성을 감소시킬 수 있다.3) It is possible to reduce the possibility of MEA deterioration from the thermal cycle of the supply air which may occur when driving a fuel cell vehicle.
4) 연료전지 스택의 고온 운전 시스템 적용시 부하 변동에 따른 배출공기의 열적 사이클로부터 가습기내의 중공사막에 대한 열화를 방지하여 가습기의 내구성을 향상시킬 수 있다.4) It is possible to improve the durability of the humidifier by preventing the deterioration of the hollow fiber membrane in the humidifier from the thermal cycle of the exhaust air due to the load fluctuation when applying the high temperature operation system of the fuel cell stack.
5) 연료전지 스택 입출구단과, 이와 연결되는 가습기의 연결 부위 배관에 대한 직경 크기를 조절하여, 연료전지 스택의 운전 압력 상승이 가능하고, 가압 운전을 위해 스택 공기 출구측의 별도로 설치되는 가압 시스템을 배제시킬 수 있다.5) By adjusting the diameter size of the fuel cell stack inlet / outlet and the connecting pipe of the humidifier connected thereto, it is possible to increase the operating pressure of the fuel cell stack, and separately install a pressurization system on the side of the stack air outlet for pressurized operation. Can be excluded.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 연료전지 시스템의 공기공급시스템 및 그 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.In order to help understanding of the present invention, the air supply system of the fuel cell system and its operation will be described below.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하고 재순환시키는 연료공급 및 재순환 시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply and recirculation system that supplies and recycles fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and supplies oxygen in the air, which is an oxidant necessary for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. It includes an air supply system, a heat and water management system for controlling the operating temperature of the fuel cell stack, and the like.
상기 공기공급시스템은 도 9에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(14)과, 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인(16)과, 공기극(12)으로 가습공기를 공급하기 위한 가습기(20)와, 가습 기(20)내에 가습될 새로운 외부 공기를 공급하는 블로워(18) 등을 포함하여 구성되어 있다.As shown in FIG. 9, the air supply system includes an
따라서, 상기 공기배출라인(16)으로부터 물을 함유한 습식공기가 가습기(20)로 유입되는 동시에 공기블로워(18)로부터 흡입되어 가습기(20)를 통과하는 외부공기(건식공기)를 가습시키고, 가습된 공기는 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공급된다.Therefore, the wet air containing water from the
그러나, 대면적 연료전지 스택의 고온 운전(냉각수 입구 온도 85℃)시, 연료전지 스택의 공기극(12)으로부터 배출되는 배출가스 온도는 고출력 구간에서는 약 100℃까지 상승하여, 그 결과 배출가스(가습기로 들어가는 습식공기)가 수증기 상태가 되어 가습기(20)로 들어가게 되고, 이에 수증기 상태의 배출가스는 가습기(20)내에 오래 머물지 못하고 배기공기와 함께 외부로 쉽게 배출되어 가습기(20)내로 유입되는 건식공기를 충분히 수화시키지 못하는 단점이 있다.However, during high temperature operation of the large-area fuel cell stack (
이에, 상기 배출가스에 포함된 수증기를 포집하여 가습기로 공급하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요하다.Therefore, a separate cooling system for collecting the water vapor contained in the exhaust gas and supplying it to the humidifier is required.
특히, 연료전지 스택의 열관리 및 성능 향상을 위해서는 고온/가압 운전이 필요하고, 이러한 고온 운전(85℃ 이상)시 배출가스 온도 상승(100℃ 부근)이 뒤따르게 되며, 따라서 연료전지 스택의 공기 출구측의 배출 수증기를 포집하기 위한 별도의 냉각 시스템이 필요한 것이다.In particular, high temperature / pressurization operation is required for thermal management and performance improvement of the fuel cell stack, and the exhaust gas temperature rise (near 100 ° C) is followed during such high temperature operation (85 ° C. or higher), and thus the air outlet of the fuel cell stack There is a need for a separate cooling system to capture the side vapors of the discharge.
또한, 고온 운전(80℃ 이상)시, 배출 수증기에 의하여 가습기 재료의 열화가 발생될 수 있는 바, 이에 가습기 재료의 열화를 방지하기 위해 별도의 가습기 보호 기술이 요구된다.In addition, deterioration of the humidifier material may occur due to discharge steam during high temperature operation (above 80 ° C.), and thus a separate humidifier protection technology is required to prevent deterioration of the humidifier material.
물론, 첨부한 도 9에 도시된 바와 같이 상기 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 수증기 포함의 배출가스를 가습기(20)의 전단부에 독립적으로 배치된 응축기을 통하여 우선 응축시킨 후, 가습기(20)로 통과시켜 대기로 배출하는 과정으로 가습기(20)의 배출 가스 포집 물량을 증대시킬 수 있지만, 이 경우에는 연료전지 스택(10)과 가습기(20) 사이에 별도의 응축기(22)를 설치하여야 하므로, 차량 내의 공간을 많이 차지하여 공간적인 제약이 크게 작용하는 단점이 있다.Of course, as shown in the accompanying FIG. 9, after first condensing the discharge gas including water vapor discharged from the
이와 같은 점을 감안하여, 본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출된 배출가스의 수증기 포집을 극대화하기 위해 가습기에 직접 응축기 기능을 통합시킨 점에 주안점이 있다.In view of this, the present invention is focused on the integration of the direct condenser function in the humidifier in order to maximize the vapor capture of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.
다시 말해서, 상기 가습기내에 냉각수를 순환시켜서 상기 공기극에서 배출된 수증기를 포집할 수 있는 응축장치를 상기 가습기에 직접 설치시킨 점을 특징으로 한다.In other words, a condenser that directly circulates the cooling water in the humidifier and collects the water vapor discharged from the cathode may be installed directly in the humidifier.
따라서, 연료전지 스택에서 배출되는 수증기 포집을 위해 가습기 자체에 냉각 시스템을 구성하여 수증기 포집 물량을 확보할 수 있고, 또한 가습기 자체에 구성된 냉각 시스템을 모터 및 제어기의 냉각 시스템과 연결시켜 공용화시킬 수 있으며, 따라서, 차량의 공간 활용도를 크게 증대시킬 수 있다.Therefore, a cooling system can be configured in the humidifier itself to collect steam discharged from the fuel cell stack to secure the water vapor collection quantity, and the cooling system configured in the humidifier itself can be connected to the cooling system of the motor and controller. Therefore, the space utilization of the vehicle can be greatly increased.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.Here, each embodiment of the humidification and condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention will be described.
제1실시예First embodiment
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제1실시예를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a first embodiment of a humidification and condensation apparatus of a fuel cell system according to the present invention.
상기 가습기(20)의 소정 위치에 냉각수 입구(24) 및 냉각수 출구(26)가 형성되고, 이 냉각수 입구(24) 및 냉각수 출구(26)를 폐순환 냉각수라인(30)으로 연결시킨다.The cooling
또한, 상기 폐순환 냉각수라인(30)에 라디에이터(28) 및 물펌프(32)가 나란히 장착되는 바, 상기 라디에이터(28)는 냉각수 출구(26)쪽에 인접 설치되고, 상기 물펌프(32)는 냉각수 입구(24)쪽에 인접 설치된다.In addition, the
이때, 첨부한 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 가습기(20)는 사각 하우징, 또는 원통형 하우징 형태로 만들어질 수 있는 바, 상기 가습기(20)의 일측에는 공기블로워(18)로부터 유입되는 새로운 외부 공기(건식공기)가 유입되는 공기입구(34)가 형성되어 있고, 그 반대측에는 가습된 외부공기가 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로 공급되도록 한 공기출구(36)가 형성되어 있으며, 또한 상기 가습기(20)에는 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로부터 배출된 배출공기(가스)의 유입구(38)가 형성되어 있고, 그 반대편에는 배기구(40)가 형성되어 있다.At this time, as shown in Figures 5 to 7 attached, the
따라서, 상기 연료전지 스택(10)의 공기극(12)으로부터 배출가스, 즉 수증기를 갖는 배출공기가 가습기(20)에 형성된 배출가스 유입구(38)를 통해 가습기(20)내로 유입되고, 동시에 냉각수(증류수와 부동액)가 상기 물펌프(32)의 구동으로 라디에이터(28)로부터 냉각수 입구(24)를 통해 가습기(20)내로 공급된다.Accordingly, the exhaust gas, that is, the discharge air having water vapor, from the
이에 따라, 상기 수증기가 냉각수의 냉각 작용으로 인하여 물로 포집되고, 동시에 가습기(20)내의 중공사막(42)에 대한 수화가 더욱 용이하게 이루어지게 되어, 상기 공기블로워(18)에 의하여 유입된 건식공기에 대한 가습효과를 더욱 증대시킬 수 있다.Accordingly, the water vapor is collected by the water due to the cooling action of the cooling water, and at the same time, the hydration of the
제2실시예Second embodiment
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a second embodiment of the humidification / condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention.
본 발명의 제2실시예는 제1실시예의 구성을 동일하게 포함하고, 상기 폐순환 냉각수라인(30)에 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 더 설치한 점에 특징이 있다.The second embodiment of the present invention includes the same configuration as the first embodiment, and is characterized in that the
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 물펌프(32)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 써모스탯(46)이 장착되고, 이 써모스탯(46)의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 냉각수 출구(26)와 라디에이터(28) 사이구간까지 바이패스 라인(44)이 연결된다.That is, the
이렇게 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 설치한 이유는, 연료전지 차량의 운행 초기 및 냉시동시 공기 블로워를 통과한 공기를 이용하여 가습기의 온도 상승을 도모하기 위함이다.The reason why the
다시 말해서, 연료전지 차량의 운전 초기에는 공기블로워(18)로부터 유입되는 공기의 온도가 연료전지 스택(10)의 온도보다 높기 때문에, 공기블로워(18)를 통과한 공기를 이용하여 가습기(20)의 온도를 상승시킬 수 있다.In other words, since the temperature of the air flowing from the
따라서, 상기 가습기(20)의 온도 상승을 위하여 냉각수를 가습기(20)로 공급되지 않도록 하는 것이 바람직하며, 이에 가습기(20)의 설정 온도 범위 이하에서 상기 써모스탯(46)이 열리게 되어 냉각수는 바이패스 라인(44)을 통해 가습기(20)를 거치지 않고 라디에이터(28)쪽으로 흐르게 된다.Therefore, it is preferable that the cooling water is not supplied to the
제3실시예Third embodiment
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제3실시예를 나타내는 구성도이다.3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the humidification and condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention.
본 발명의 제3실시예는 제1실시예의 구성을 동일하게 포함하고, 단지 연료전지 시스템에 포함되는 모터 및 제어기(연료전지 차량의 실질적인 구동을 위한 구동모터와, 그 제어기)를 함께 냉각시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.The third embodiment of the present invention includes the configuration of the first embodiment in the same way, and can only cool the motor and the controller (the driving motor for the actual driving of the fuel cell vehicle and the controller thereof) included in the fuel cell system. One point is to make sure.
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 물펌프(32)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 모터(48)의 냉각수경로와 제어기(50)의 냉각수경로를 더 연결시킨다.That is, the cooling water path of the
따라서, 상기 물펌프(32)의 구동으로 냉각수가 라디에이터(28)로부터 모터(48) 및 제어기(50)의 냉각수경로로 공급되어, 모터(48) 및 제어기(50)에 대한 냉각 작용을 한 후, 가습기(20)내로 순환된다.Therefore, the coolant is supplied from the
예를 들어, 모터 및 제어기내의 냉각수 온도가 약 65℃ 부근으로 유지된다고 가정하고, 연료전지 스택의 운전 온도를 약 85℃로 가정하면, 이 경우 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 상대습도는 약 45% 수준 이상으로 유지가 가능하다.For example, assuming that the coolant temperature in the motor and the controller is maintained at about 65 ° C, and the operating temperature of the fuel cell stack is about 85 ° C, in this case, the relative humidity of the air supplied to the fuel cell stack is about 45 ° C. Can be maintained above the% level.
제4실시예Fourth embodiment
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제4실시예를 나타내는 구성도이다.4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the humidification / condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention.
본 발명의 제4실시예는 제3실시예의 구성과 동일하고, 단지 제2실시예와 같이 폐순환 냉각수라인에 바이패스 라인과 써모스탯을 설치한 점에 특징이 있다.The fourth embodiment of the present invention is the same as the configuration of the third embodiment, and is characterized in that the bypass line and the thermostat are installed in the waste circulation cooling water line as in the second embodiment.
즉, 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 모터(48)와 냉각수 입구(24) 사이구간에 써모스탯(46)이 장착되고, 이 써모스탯(46)의 출구로부터 상기 폐순환 냉각수라인(30) 구간중 냉각수 출구(26)와 라디에이터(28) 사이구간까지 바이패스 라인(44)이 연결된다.That is, the
이렇게 바이패스 라인(44)과 써모스탯(46)을 설치한 이유는, 제2실시예에서 설명된 바와 같이 연료전지 차량의 운행 초기 및 냉시동시 공기블로워(18)를 통과한 공기를 이용하여 가습기(20)의 온도 상승을 도모하기 위함이다.The
따라서, 상기 가습기(20)의 설정 온도 범위 이하에서 상기 써모스탯(46)이 열리게 되어 냉각수는 바이패스 라인(44)을 통해 가습기(20)를 거치지 않고 라디에이터(28)쪽으로 흐르게 되어, 가습기의 온도 상승을 도모할 수 있다.Therefore, the
이와 같은 실시예에 설명된 바와 같이, 가습기에 응축 기능을 부여함으로써, 도 8의 그래프에 나타낸 연료전지 스택의 고온 가압 운전 조건시에도 가습량 증대가 가능하고, 상대적으로 낮은 가습 조건에서도 안정적인 운전이 가능하다.As described in this embodiment, by providing a condensation function to the humidifier, it is possible to increase the amount of humidification even under high temperature and pressurized operating conditions of the fuel cell stack shown in the graph of FIG. 8, and to allow stable operation even at a relatively low humidification condition. Do.
또한, 본 발명에 따르면 고출력 구간에서 공기 블로워의 rpm 증가로 인하여, 외부로부터 공급되는 공기의 온도가 약 100℃ 부근으로 급격히 상승하는 경우, 공기가 가습기를 통과하더라도 가습기내로 공급되는 냉각수에 의하여 일정한 온도를 항상 유지하게 되어, 결국 공급 공기의 온도 변화로 인한 열적 사이클(thermal cycle) 및 RH 사이클(RH cycle)로 인한 전극막(MEA)의 열화 가능성을 감소시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, when the temperature of the air supplied from the outside rapidly increases to about 100 ° C due to the increase of the rpm of the air blower in the high output section, even if the air passes through the humidifier, the constant temperature is supplied by the cooling water supplied into the humidifier. It is possible to always maintain the temperature, thereby reducing the possibility of deterioration of the electrode film (MEA) due to the thermal cycle (RH cycle) and the RH cycle (thermal cycle) due to the temperature change of the supply air.
대면적 연료전지 스택의 고온 운전(냉각수 입구 온도 85℃)시, 부하 변동에 따라 스택 입출구 온도차가 약 0~10℃ 이상 발생하고, 그 결과 막 가습기의 경우 80℃ 이상의 고온 및 부하 변동에 따른 열적 사이클(thermal cycle) 조건에 노출되고, 특히 나피온 막 가습기의 경우 열적 사이클 및 고온 노출시 열화 발생 가능성이 높지만, 본 발명에서는 가습기내로 냉각수를 순환 공급시킴으로써, 연료전지 스택으로부터 배출되는 고온의 배출가스로부터 가습기를 보호하여 내구성을 확보할 수 있다.In the high temperature operation of the large-area fuel cell stack (
한편, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 위해서는 스택 출구측에 별도의 가압 장치가 필요하다.On the other hand, in order to increase the operating pressure of the fuel cell stack, a separate pressurization device is required on the stack exit side.
수소의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 레귤레이터 및 재순환 블로워의 사양 변경으로 적용이 가능하지만, 공기의 경우 연료전지 스택의 공기 출구측에 가압을 위한 별도의 시스템이 필요하다.In the case of hydrogen, it is possible to apply to the specification change of the regulator and the recirculation blower as shown in FIG. 9, but in the case of air, a separate system for pressurization is required on the air outlet side of the fuel cell stack.
이에, 본 발명에서는 연료전지 스택(10)에서 반응을 마친 공기가 배출되는 공기배출라인(16)과, 이 공기배출라인(16)과 연결되는 상기 가습기(20)의 배출공기 유입구(38)에 적용되는 배관의 크기를 조절함으로써, 특히 도 7에 도시된 바와 같 이 배출공기 유입구(38)와 하나의 모듈을 이루며 연결된 다기관(52)의 직경을 조절함으로써, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있다.Accordingly, in the present invention, the
예를 들어, 연료전지 스택의 고온 가압 운전 시스템 적용시, 상기 공기배출라인(16)과, 상기 가습기(20)의 배출공기 유입구(38)와, 다기관(52)의 직경을 작게 조절하면, 연료전지 스택의 운전 압력 상승을 도모할 수 있다.For example, when the high temperature pressurized operation system of the fuel cell stack is applied, the diameter of the
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제1실시예를 나타내는 구성도,1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a humidification / condensation apparatus of a fuel cell system according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도,2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the humidification / condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제3실시예를 나타내는 구성도,3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the humidification / condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치의 제4실시예를 나타내는 구성도,4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the humidification / condensation apparatus of the fuel cell system according to the present invention;
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가습ㆍ응축 장치에 대한 구조를 설명하는 개략도,5 to 7 are schematic views illustrating a structure of a humidification / condensation device of a fuel cell system according to the present invention;
도 8은 연료전지 스택의 운전 가능 영역을 설명하는 그래프,8 is a graph illustrating an operable region of a fuel cell stack;
도 9는 종래의 연료전지 시스템의 가습기와 응축기가 별도로 설치된 것을 설명하는 구성도,9 is a configuration diagram illustrating that a humidifier and a condenser of a conventional fuel cell system are separately installed;
도 10은 연료전지 특성 곡선을 나타내는 그래프.10 is a graph showing a fuel cell characteristic curve.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 연료전지 스택 12 : 공기극10 fuel cell stack 12 air cathode
14 : 공기공급라인 16 : 공기배출라인14: air supply line 16: air discharge line
18 : 공기블로워 20 : 가습기18: air blower 20: humidifier
22 : 응축기 24 : 냉각수 입구22
26 : 냉각수 출구 28 : 라디에이터26: cooling water outlet 28: radiator
30 : 폐순환 냉각수라인 32 : 물펌프30: closed circulation cooling water line 32: water pump
34 : 공기입구 36 : 공기출구34: air inlet 36: air outlet
38 : 배출공기 유입구 40 : 배기구38: exhaust air inlet 40: exhaust
42 : 중공사막 44 : 바이패스 라인42: hollow fiber membrane 44: bypass line
46 : 써모스탯 48 : 모터46: thermostat 48: motor
50 : 제어기 52 : 다기관50
54 : 모듈54: module
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