KR101189245B1

KR101189245B1 - Fuel cell system and humidification device of the same

Info

Publication number: KR101189245B1
Application number: KR1020100118220A
Authority: KR
Inventors: 박정규; 김현준; 예창환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-10-09
Also published as: KR20120056599A

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습장치와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하고, 상기 가습장치는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되며 배출 공기와 공급 공기를 제공받아 이들의 수분 교환을 통해 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막을 포함하며, 상기 하우징에는 공급 공기를 도입하는 측의 중공사막 전단에 믹싱 공간부가 형성되고, 상기 믹싱 공간부는 연결라인을 통해 연료 전지 스택의 공기 배출단과 연결되며 그 믹싱 공간부에는 공급 공기와 배출 공기를 혼합하는 믹싱 팬이 장착된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a fuel cell system includes: (i) a stack made up of an assembly of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell, and (iv) discharged from the cathode. A humidification device in which humidification of supply air supplied from the air supply unit is performed through hot and humid discharge air, and i) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to a fuel electrode of the fuel cell, wherein the humidification device includes a housing and And a hollow fiber membrane disposed inside the housing and receiving the discharge air and the supply air to humidify the supply air by exchanging their moisture, and the housing includes a mixing space in front of the hollow fiber membrane on the side of the supply air. Is formed, and the mixing space is connected to the air outlet of the fuel cell stack through a connection line. That said mixing space portion, the mixing pan for mixing the supply air and exhaust air are mounted.

Description

FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습장치에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a humidifier for humidifying air supplied to a fuel cell.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료 전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.As is known, a fuel cell, which is a main power source of a fuel cell system, is an apparatus that generates electricity while receiving water by supplying oxygen in the air and hydrogen, which is a fuel, to generate electricity. High-purity hydrogen is supplied from a hydrogen storage tank. The anode is supplied during operation, and the air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using an air supply device such as an air blower.

이에, 연료 전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.Accordingly, hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions are transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the oxygen supplied to the cathode is external. It combines with the electrons that enter the cathode through the lead to produce water while generating water.

여기서, 연료 전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.In this case, the polymer electrolyte membrane applied to the fuel cell vehicle is sufficiently wetted with water, so the ion conductivity increases and the loss due to resistance decreases.However, if the supply of the reaction gas with a low relative humidity is continued, the polymer electrolyte membrane is dried up and is no longer used. Since it is impossible, the humidification of the gas to be supplied must be essentially performed in the polymer electrolyte membrane fuel cell.

이를 위해 종래 기술에서는 연료 전지의 공기극을 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다. 상기 가습기는 일 예로서 중공사막 타입으로 이루어지는 바, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치를 통해 공급되는 공급 공기를 중공사막으로서 수분 교환시킴으로써 공급 공기를 가습하고 그 가습된 공기를 연료 전지의 공기극으로 공급할 수 있다.To this end, the prior art includes a humidifier for humidifying the cathode of the fuel cell. The humidifier is formed of a hollow fiber membrane type as an example, and humidifies the supply air by exchanging moisture as a hollow fiber membrane between the hot and humid exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell and the supply air supplied through the air supply device. Air can be supplied to the cathode of the fuel cell.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 공급장치를 통해 공급되는 공급 공기를 가습기로 제공함에 따라, 가습기의 내부 형상에 따라 배압이 작용하여 고주파 소음 및 소비 전력이 상승하게 되고, 연료 전지 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보하지 못하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.However, in the related art, as the humidifier provides exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell and supply air supplied through the air supply device to the humidifier, back pressure acts according to the internal shape of the humidifier to increase high frequency noise and power consumption. In other words, there is a problem that the durability and stable output of the fuel cell stack cannot be secured.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 가습기로 공급되는 공급 공기의 상대 습도를 향상시켜 연료 전지 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있고, 가습기의 가습 효율을 향상시킬 수 있으며, 가습기의 배압으로 인한 소모 전력 및 소음을 감소시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치를 제공한다.Therefore, an exemplary embodiment of the present invention has been created to improve the above problems, to improve the relative humidity of the supply air supplied to the humidifier to secure the durability and stable output of the fuel cell stack, humidification of the humidifier The present invention provides a fuel cell system and a humidifier thereof capable of improving efficiency and reducing power consumption and noise due to back pressure of the humidifier.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습장치와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛을 포함하고, 상기 가습장치는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되며 배출 공기와 공급 공기를 제공받아 이들의 수분 교환을 통해 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막을 포함하며, 상기 하우징에는 공급 공기를 도입하는 측의 중공사막 전단에 믹싱 공간부가 형성되고, 상기 믹싱 공간부는 연결라인을 통해 연료 전지 스택의 공기 배출단과 연결되며 그 믹싱 공간부에는 공급 공기와 배출 공기를 혼합하는 믹싱 팬이 장착된다.To this end, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: (i) a stack made up of an assembly of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell, and iii) from the cathode. A humidification device in which humidification of supply air supplied from the air supply unit is performed through discharged high temperature and high humidity discharge air, and i) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell, wherein the humidifier includes: And a hollow fiber membrane disposed inside the housing and provided with exhaust air and supply air to humidify the supply air by exchanging water therebetween, and the housing is disposed at the front end of the hollow fiber membrane on the side from which the supply air is introduced. A mixing space portion is formed, and the mixing space portion discharges air from the fuel cell stack through a connection line. Is connected to the mixing space, the mixing unit to mix the supply air fan and the exhaust air is mounted.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the housing includes a first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, a second inlet for introducing supply air supplied through the air blower, and It may include a first discharge for discharging the humidified air humidified by the moisture exchange between the supply air and the discharge air, and a second discharge for discharging the discharge air from which the moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere. .

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 상기 제2 유입부 측에 빈 공간으로서의 상기 믹싱 공간부를 형성할 수 있다.In the fuel cell system, the housing may form the mixing space portion as an empty space on the side of the second inlet portion.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 믹싱 팬의 회전 속도를 제어하는 팬 제어기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a fan controller that controls the rotational speed of the mixing fan.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급유닛이 공기 블로워로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the air supply unit may be configured as an air blower.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치는, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 통해 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 것으로서, ⅰ)상기 공기극과 상기 공기 블로워에 연결되는 하우징과, ⅱ)상기 하우징에 내장되는 중공사막으로서 이루어지는 막 모듈을 포함하며, 상기 하우징은 공급 공기를 도입하는 측의 중공사막 전단에 믹싱 공간부가 형성되고, 상기 믹싱 공간부는 연결라인을 통해 상기 공기극과 연결되며, 상기 믹싱 공간부에는 공급 공기와 배출 공기를 혼합하기 위한 믹싱 팬이 장착된다.In addition, the humidifier of the fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, the humidification of the supply air supplied through the air blower through the hot and humid exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, iii) the A housing connected to the air electrode and the air blower, and ii) a membrane module formed as a hollow fiber membrane embedded in the housing, wherein the housing has a mixing space portion formed at a front end of the hollow fiber membrane on the side from which the supply air is introduced, and the mixing The space portion is connected to the cathode via a connection line, and the mixing space portion is equipped with a mixing fan for mixing supply air and exhaust air.

상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하기 위한 제1 유입부와, 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하기 위한 제2 유입부와, 상기 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하기 위한 제1 배출부와, 상기 중공사막을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다.In the humidifier of the fuel cell system, the housing has a first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell, and a second inlet for introducing supply air supplied through the air blower. And a first discharge part for discharging humidified air that has been humidified by the water exchange between the supply air and the discharge air, and a second discharge part for discharging the discharge air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere. can do.

상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 제2 유입부 측의 상기 막 모듈 전단에 상기 믹싱 공간부를 형성할 수 있다.In the humidifier of the fuel cell system, the housing may form the mixing space portion in front of the membrane module on the side of the second inlet portion.

상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 믹싱 팬은 팬 제어기에 의해 회전 속도가 제어될 수 있다.In the humidifier of the fuel cell system, the mixing fan may be controlled in a rotational speed by a fan controller.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 스택으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 블로워를 통해 공급되는 공급 공기를 하우징의 믹싱 공간부에서 믹싱 팬을 통해 믹싱하며 이를 막 모듈로 공급할 수 있으므로, 공기 블로워를 통해 가습장치로 공급되는 공급 공기의 상대 습도를 향상시켜 스택의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the hot and humid exhaust air discharged from the stack and the supply air supplied through the air blower are mixed through the mixing fan in the mixing space of the housing and supplied to the membrane module. As a result, the relative humidity of the supply air supplied to the humidifier through the air blower may be improved to ensure durability and stable output of the stack.

또한, 본 실시예에서는 차량의 출력 구간에 따라 믹싱 팬을 능동적으로 제어함으로써 스택의 가습 효율을 향상시킬 수 있으며, 공기 블로워의 소비 전력 감소에 따른 연비를 향상시킬 수 있다.In addition, in this embodiment, the humidifying efficiency of the stack can be improved by actively controlling the mixing fan according to the output section of the vehicle, and the fuel efficiency can be improved by reducing the power consumption of the air blower.

또한, 본 실시예에서는 차량의 아이들 스톱 시 가습장치의 내부 습도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 아이들 스톱 해제 시 건조한 공기의 유입을 최소화시켜 스택의 열화 방지 및 내구성 향상을 도모할 수 있다.In addition, in the present embodiment, by keeping the internal humidity of the humidifier at the idle stop of the vehicle constant, it is possible to minimize the inflow of dry air when the idle stop is released, thereby preventing stack degradation and improving durability.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a view schematically illustrating a humidifying apparatus of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the operation of the humidifier of the fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료로서의 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.Referring to the drawings, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is composed of a type of power generation system that generates electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen as fuel and air as oxidant.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습장치(50)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.The fuel cell system 100 according to the present embodiment basically includes a stack 10, an air supply unit 30, a humidifier 50, a hydrogen supply unit 70, and a hydrogen recycle unit 90. ), Including the following.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.The stack 10 has an aggregate structure of fuel cells 17 in which an air electrode 13 and a fuel electrode 15 are disposed on both sides thereof with a membrane-electrode assembly 11 (MEA) interposed therebetween.

여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지(17)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다. 이 경우 상기 연료 전지(17)가 고출력인 경우, 공기극(13)에서는 고온 건조한 공기가 배출될 수도 있다.Here, the air electrode 13 of the fuel cell 17 discharges hot and humid wet air (hereinafter referred to as "exhaust air" for convenience), and the fuel electrode 17 of the fuel cell 17 serves as unreacted hydrogen. Discharge hot and humid hydrogen. In this case, when the fuel cell 17 has a high output, hot air may be discharged from the cathode 13.

상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 건조 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.The air supply unit 30 is for supplying air to the cathode 13 of the fuel cell 17. The air supply unit 30 sucks dry air (hereinafter referred to as "supply air" for convenience) in the atmosphere and supplies the air to the cathode ( 13) may include an air blower (31) which can be supplied.

본 실시예에서, 상기 가습장치(50)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 이용하여, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.In the present embodiment, the humidifier 50 is humidified of the supply air supplied from the air blower 31 by using the hot and humid exhaust air discharged from the cathode 13 of the fuel cell 17. It is for supplying humidified air to the air electrode 13.

이와 같은 본 실시예에 따른 상기 가습장치(50)의 구성은 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.Such a configuration of the humidifier 50 according to the present embodiment will be described in more detail later with reference to FIG. 2.

상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함할 수 있다.In the above, the hydrogen supply unit 70 is for supplying hydrogen to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17. The hydrogen tank 71 may store hydrogen gas and supply the hydrogen gas to the fuel electrode 15. It may include.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.The hydrogen recirculation unit 90 mixes hot humidified hydrogen discharged from the fuel electrode 15 of the fuel cell 17 and dry hydrogen supplied from the hydrogen tank 71 to convert the humidified mixed hydrogen into the fuel electrode 15. ) To supply.

여기서, 상기 수소 재순환유닛(90)은 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(91)와, 그 수소 블로워(91)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하는 믹서(93)와, 미반응한 수소를 대기 중으로 방출시키기 위한 퍼지 밸브(95)를 포함할 수 있다.Here, the hydrogen recirculation unit 90 includes a hydrogen blower 91 for sucking high temperature and high humidity hydrogen discharged from the anode 15, and a high temperature and high humidity hydrogen and hydrogen tank sucked through the hydrogen blower 91. Mixer 93 for mixing the dry hydrogen supplied from the (), and a purge valve 95 for releasing unreacted hydrogen into the atmosphere.

상술한 바와 같은 스택(10), 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(90)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the stack 10, the air supply unit 30, the hydrogen supply unit 70, and the hydrogen recycle unit 90 as described above are well known in the art, a more detailed description of the configuration will be given herein. It will be omitted.

도면에서 미설명된 참조 부호 99는 연료 전지(17)의 연료극(15)에서 생성된 응축수를 포집 및 배출하기 위한 워터 트랩을 나타낸다.Reference numeral 99, which is not described in the drawing, represents a water trap for collecting and discharging condensate generated at the anode 15 of the fuel cell 17.

상기에서와 같은 본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 공기 블로워(31)를 통해 가습장치(50)로 공급되는 공급 공기의 상대 습도를 향상시켜 스택(10)의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있으며, 가습장치(50)의 가습 효율을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 공기 블로워(31)의 소모 전력 절감 및 소음 개선을 통한 연비 절감을 도모할 수 있는 구조로서 이루어진다. The fuel cell system 100 according to the present exemplary embodiment as described above improves the relative humidity of the supply air supplied to the humidifier 50 through the air blower 31 to provide durability and stable output of the stack 10. It can be secured, it is possible to improve the humidification efficiency of the humidification device 50, and thus it is made as a structure that can reduce the fuel consumption by reducing power consumption and noise of the air blower (31).

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 하기에서와 같은 가습장치(50)를 구성하는 바, 이러한 가습장치(50)를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.To this end, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention constitutes a humidifier 50 as described below, and the humidifier 50 will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a view schematically illustrating a humidifying apparatus of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 가습장치(50)는 기본적으로 하우징(51)과, 그 하우징(51)에 내장되는 막 모듈(55)을 포함하여 구성된다.1 and 2, the humidifier 50 of the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention basically includes a housing 51 and a membrane module embedded in the housing 51. 55).

상기에서, 하우징(51)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 도입하는 제1 유입부(53a)와, 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)와, 그 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하기 위한 제2 배출부(53d)를 형성하고 있다.In the housing 51, the first inlet 53a for introducing hot and humid exhaust air discharged from the cathode 13 of the fuel cell 17 and the supply air supplied through the air blower 31 are provided. Water is removed through the second inlet 53b to be introduced, the first outlet 53c for discharging humidified air through which moisture is exchanged between the supply air and the discharged air, and the membrane module 55. A second discharge portion 53d for discharging the discharged air into the atmosphere is formed.

즉, 상기 제1 유입부(53a)는 제1 라인(54a)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결되며, 제2 유입부(53b)는 제2 라인(54b)을 통해 공기 블로워(31)와 연결되고, 제1 배출부(53c)는 제3 라인(54c)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결될 수 있다.That is, the first inlet 53a is connected to the cathode 13 of the fuel cell 17 through the first line 54a, and the second inlet 53b is air via the second line 54b. The blower 31 may be connected, and the first discharge part 53c may be connected to the cathode 13 of the fuel cell 17 through the third line 54c.

여기서, 상기 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출되는 배출 공기는 소정의 습기와 열을 포함하고 있다.Here, the discharged air discharged into the atmosphere through the second discharge part 53d includes predetermined moisture and heat.

상기 막 모듈(55)은 하우징(51)의 내부에 내장되며, 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막(56)으로서 구비될 수 있다.The membrane module 55 is embedded in the housing 51 and may be provided as a hollow fiber membrane 56 in which humidification of the supply air is performed as moisture exchange between the supply air and the exhaust air.

본 실시예에서, 상기 가습장치(50)의 하우징(51)에는 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)에 빈 공간으로서의 믹싱 공간부(61)가 형성된다.In the present embodiment, the mixing space 61 as an empty space is formed in the housing 51 of the humidifier 50 in the second inlet 53b for introducing the supply air supplied through the air blower 31. do.

즉, 상기 믹싱 공간부(61)는 하우징(51) 내부의 제2 유입부(53b) 측에서 중공사막(56)의 전단부에 형성될 수 있다.That is, the mixing space 61 may be formed at the front end portion of the hollow fiber membrane 56 at the side of the second inflow portion 53b inside the housing 51.

여기서, 상기 믹싱 공간부(61)는 별도의 연결라인(63)을 통해 스택(10)의 배출 공기 배출단(19) 즉, 공기극(13)과 연결될 수 있다. Here, the mixing space 61 may be connected to the exhaust air discharge end 19 of the stack 10, that is, the cathode 13, through a separate connection line 63.

상기 연결라인(63)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 하우징(51)의 믹싱 공간부(61)로 도입하는 관로로서 이루어지며, 그 믹싱 공간부(61)에는 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기가 도입된다.The connection line 63 is formed as a conduit for introducing hot and humid exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cell 17 into the mixing space 61 of the housing 51, and the mixing space portion ( 61, feed air supplied through the air blower 31 is introduced.

그리고, 본 실시예에서는 하우징(51)의 상기 믹싱 공간부(61)에 믹싱 팬(65)이 장착될 수 있다.In the present embodiment, a mixing fan 65 may be mounted in the mixing space 61 of the housing 51.

이 경우 상기 믹싱 팬(65)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 연결라인(63)을 통해 믹싱 공간부(61)로 도입되는 배출 공기와 공기 블로워(31)를 통해 믹싱 공간부(61)로 도입되는 공급 공기를 믹싱하기 위한 것이다.In this case, the mixing fan 65 may include a mixing space part through the air blower 31 and the discharged air introduced into the mixing space part 61 from the air electrode 13 of the fuel cell 17 through the connection line 63. 61) for mixing the supply air to be introduced.

상기 믹싱 팬(65)은 공기 블로워(31)를 통해 믹싱 공간부(61)로 도입되는 공급 공기의 압력에 의해 회전할 수 있으며, 별도의 구동장치(66)를 통해 구동될 수 있다.The mixing fan 65 may rotate by the pressure of the supply air introduced into the mixing space 61 through the air blower 31, and may be driven by a separate driving device 66.

한편, 상기 믹싱 팬(65)이 구동장치(66)에 의해 구동되는 경우, 그 믹싱 팬(65)은 팬 제어기(67)에 의해 회전 속도가 제어될 수 있다. 팬 제어기(67)는 가습장치(50) 입출구단의 온도 센서(도면에 도시되지 않음)를 통해 공급 공기의 스택(10) 내 유입 속도를 최적으로 제어할 수 있다. On the other hand, when the mixing fan 65 is driven by the drive device 66, the mixing fan 65 may be controlled in the rotation speed by the fan controller 67. The fan controller 67 may optimally control the inflow rate of the supply air in the stack 10 through the temperature sensor (not shown) of the humidifying device 50 inlet and outlet.

예를 들면, 차량의 저출력 구간 및 아이들 스톱 구간에서 믹싱 팬(65)은 팬 제어기(67)에 의해 정속 rpm을 유지하도록 제어되고, 고출력 구간(가속, 추월, 고속 운행)에서는 팬 제어기(67)에 의해 스택 출력에 따른 최적 습도 유지를 위한 rpm으로 제어될 수 있다.For example, the mixing fan 65 is controlled to maintain the constant speed rpm by the fan controller 67 in the low power section and the idle stop section of the vehicle, and the fan controller 67 in the high output section (acceleration, overtaking, high speed driving). It can be controlled by the rpm for maintaining the optimum humidity according to the stack output.

그리고, 상기 믹싱 팬(65)은 언급한 바 있는 연결라인(63)을 통해 믹싱 공간부(61)로 유입되는 배출 공기에 대응하여 일정 곡률을 지니는데, 이는 외부 공급 공기의 역류를 방지하기 위함이다.In addition, the mixing fan 65 has a predetermined curvature corresponding to the exhaust air flowing into the mixing space 61 through the connection line 63 mentioned above, in order to prevent a reverse flow of external supply air. to be.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 연료 전지(17)를 통한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 미반응 공기로서의 고온 다습한 배출 공기를 배출한다.Therefore, according to the fuel cell system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, in the process of generating electrical energy as an electrochemical reaction of hydrogen and air through the fuel cell 17, The cathode 13 of the fuel cell 17 discharges high-temperature, humid discharged air as unreacted air.

여기서, 상기 고온 다습한 배출 공기는 제1 연결라인(54a)을 통해 가습장치(50)에 있어 하우징(51) 내부의 막 모듈(55)로 유입되고, 대기 중의 공기는 공기 공급유닛(30)의 공기 블로워(31)를 통해 흡입되면서 제2 연결라인(54b)을 통해 막 모듈(55)로 공급된다.Here, the hot and humid discharge air is introduced into the membrane module 55 inside the housing 51 in the humidifier 50 through the first connection line 54a, and the air in the air is supplied to the air supply unit 30. It is sucked through the air blower 31 is supplied to the membrane module 55 through the second connection line (54b).

그러면, 하우징(51)의 내부에서는 막 모듈(55)에 의한 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지게 되며, 그 가습된 공기는 제3 연결라인(54c)을 통해 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급된다.Then, the inside of the housing 51 is humidified of the supply air as a water exchange between the supply air and the exhaust air by the membrane module 55, the humidified air is fuel cell through the third connection line (54c) It is supplied to the air electrode 13 of (17).

그리고, 상기 하우징(51)의 내부에서 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기 즉, 소정의 습기와 열을 포함한 배출 공기는 그 하우징(51)의 제2 배출부(53d)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.In addition, the exhaust air from which moisture is removed from the inside of the housing 51 through the membrane module 55, that is, the exhaust air including predetermined moisture and heat, is passed through the second outlet 53d of the housing 51. May be released into the atmosphere.

상기 과정에서, 본 실시예에서는 도 3에서와 같이 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기가 연결라인(63)을 통해 하우징(51)의 믹싱 공간부(61)로 도입되고, 공급 공기가 공기 블로워(31)를 통해 믹싱 공간부(61)에 도입되는 바, 이러한 배출 공기와 공급 공기는 믹싱 공간부(61)에서 믹싱 팬(65)에 의해 믹싱되며 막 모듈(55)로 공급된다.In the above process, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the hot and humid exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cell 17 is connected to the mixing space 61 of the housing 51 through the connection line 63. The supply air is introduced into the mixing space 61 through the air blower 31, and this exhaust air and the supply air are mixed by the mixing fan 65 in the mixing space 61 and the membrane module Supplied to (55).

여기서, 상기 믹싱 팬(65)은 공기 블로워(31)를 통해 믹싱 공간부(61)로 도입되는 공급 공기의 압력에 의해 회전이 이루어지나, 더욱 바람직하게는 구동장치(66)를 통하여 구동될 수 있다.Here, the mixing fan 65 is rotated by the pressure of the supply air introduced into the mixing space 61 through the air blower 31, but more preferably can be driven through the drive device 66. have.

이 경우, 상기 믹싱 팬(65)은 차량의 저출력 구간 및 아이들 스톱 구간에서 팬 제어기(67)에 의해 정속 rpm을 유지하도록 제어되고, 고출력 구간(가속, 추월, 고속 운행)에서는 팬 제어기(67)에 의해 스택 출력에 따른 최적 습도 유지를 위한 rpm으로 제어되면서 능동적으로 최적 습도를 제어할 수 있다. In this case, the mixing fan 65 is controlled to maintain the constant speed rpm by the fan controller 67 in the low output section and the idle stop section of the vehicle, and the fan controller 67 in the high output section (acceleration, overtaking, high speed driving). By controlling the rpm to maintain the optimum humidity according to the stack output it is possible to actively control the optimum humidity.

따라서 본 실시예에서는 스택(10)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 블로워(31)를 통해 공급되는 공급 공기를 하우징(51)의 믹싱 공간부(61)에서 믹싱 팬(65)을 통해 믹싱하며 이를 막 모듈(55)로 공급할 수 있으므로, 공기 블로워(31)를 통해 가습장치(50)로 공급되는 공급 공기의 상대 습도를 향상시켜 스택(10)의 내구 및 안정적인 출력을 확보할 수 있게 된다.Therefore, in this embodiment, the hot and humid exhaust air discharged from the stack 10 and the supply air supplied through the air blower 31 are mixed through the mixing fan 65 in the mixing space 61 of the housing 51. And it can be supplied to the membrane module 55, it is possible to secure the durability and stable output of the stack 10 by improving the relative humidity of the supply air supplied to the humidifier 50 through the air blower (31) .

또한, 본 실시예에서는 차량의 출력 구간에 따라 믹싱 팬(65)을 능동적으로 제어함으로써 스택(10)의 가습 효율을 향상시킬 수 있으며, 공기 블로워(31)의 소비 전력 감소에 따른 연비를 향상시킬 수 있다.In addition, in the present embodiment, the humidifying efficiency of the stack 10 may be improved by actively controlling the mixing fan 65 according to the output period of the vehicle, and the fuel efficiency may be improved by reducing the power consumption of the air blower 31. Can be.

또한, 본 실시예에서는 차량의 아이들 스톱 시 가습장치(50)의 내부 습도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 아이들 스톱 해제 시 건조한 공기의 유입을 최소화시켜 스택의 열화 방지 및 내구성 향상을 도모할 수 있다.In addition, in the present embodiment, by keeping the internal humidity of the humidifier 50 at the idle stop of the vehicle constant, it is possible to minimize the inflow of dry air when the idle stop is released, thereby preventing stack degradation and improving durability.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 스택 31... 공기 블로워
50... 가습장치 51... 하우징
55... 막 모듈 56... 중공사막
61... 믹싱 공간부 63... 연결라인
65... 믹싱 팬 67... 팬 제어기
70... 수소 공급유닛 90... 수소 재순환유닛10 ... Stack 31 ... Air Blowers
50 ... Humidifier 51 ... Housing
55 ... Membrane Module 56 ... Hollow Fiber Membrane
61 ... mixing space 63 ... connection line
65 ... Mixing Fan 67 ... Fan Control
70 ... hydrogen supply unit 90 ... hydrogen recycle unit

Claims

A stack formed as an assembly of fuel cells;
An air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell;
A humidifier in which humidification of supply air supplied from the air supply unit is performed through high temperature and high humidity discharge air discharged from the air electrode; And
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell,
The humidifier includes a housing and a hollow fiber membrane disposed inside the housing and provided with exhaust air and supply air to humidify the supply air by exchanging their moisture.
In the housing, a mixing space is formed at the front end of the hollow fiber membrane on the side of introducing the supply air, and the mixing space is connected to the air discharge end of the fuel cell stack through a connection line, and the mixing space is configured to mix supply air and exhaust air. Fuel cell system with mixing fan.

The method according to claim 1,
The housing includes:
A first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell;
A second inlet for introducing supply air supplied through the air blower;
A first discharge part for discharging humidified air in which humidification is performed through water exchange between the supply air and the discharge air;
A second discharge part for discharging the discharged air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere
Fuel cell system comprising a.

The method of claim 2,
The housing includes:
And a mixing space portion as an empty space on the side of the second inflow portion.

The method according to claim 1,
And a fan controller for controlling the rotational speed of the mixing fan.

The method according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell system in which the air supply unit is configured as an air blower.

A humidifier of a fuel cell system in which humidification of supply air supplied through an air blower is performed through high temperature and high humidity discharge air discharged from an air electrode of a fuel cell.
A housing connected to the air electrode and the air blower; And
A membrane module formed as a hollow fiber membrane embedded in the housing,
The housing has a mixing space portion formed in front of the hollow fiber membrane on the side of introducing the supply air, the mixing space portion is connected to the air electrode through a connecting line, and the mixing space portion is a mixing fan for mixing supply air and exhaust air Humidifier of the fuel cell system is mounted.

The method of claim 6,
The housing includes:
A first inlet for introducing exhaust air discharged from the cathode of the fuel cell;
A second inlet for introducing supply air supplied through the air blower;
A first discharge part for discharging humidified air in which humidification is performed through water exchange between the supply air and the discharge air;
And a second discharge part for discharging the discharge air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane to the atmosphere.
And a humidifying device for forming the mixing space in front of the membrane module on the second inlet side.

The method of claim 6,
The mixing fan is a humidifier of a fuel cell system in which the rotational speed is controlled by a fan controller.