수냉식 연료 전지 시스템에서 물 분리기의 역할

수냉식의 복잡한 구조 내에서 수소 연료 전지 시스템수소 순환 루프는 효율적이고 안전한 작동을 보장하는 중요한 하위 시스템입니다. 이 루프의 핵심 구성 요소는 응축수 분리기 또는 녹아웃 포트라고도 하는 수분 분리기입니다. 이 장치의 존재는 처음에는 역설적으로 보일 수 있습니다. 액체 수분을 엄격하게 관리해야 하는 시스템에 왜 가스 흐름의 수분을 처리하는 전용 장치가 필요한 것일까요? 이를 이해하려면 수소 측의 수분 공급원, 잠재적 위험, 그리고 시스템 작동에 내재된 동적 균형 메커니즘을 면밀히 살펴봐야 합니다. 연료 전지의 핵심 반응은 수소와 산소가 결합하여 물, 전기, 열을 생성하는 것입니다. 이 물은 주로 공기극, 즉 공기 측에서 생성됩니다.

그러나 물 분자는 원래 위치에만 머무르지 않습니다. 세포의 "심장"인 양성자 교환막(PEM)은 양성자를 효과적으로 전도하기 위해 충분한 수화를 유지해야 합니다. 이러한 특성은 양날의 검과 같습니다. 좋은 양성자 전도도를 위해서는 충분한 막 수화가 필수적이지만, 막을 가로지르는 물의 농도(또는 수분 활성도) 차이는 강력한 추진력을 생성합니다. 이로 인해 물 분자는 음극에서 막을 통과하여 양극(수소 측)으로 다시 확산되는데, 이를 "물 역확산"이라고 합니다. 이러한 역투과 현상은 양극 반응이 격렬하여 많은 양의 물이 생성되고, 양극의 수소 흐름은 재순환으로 인해 상대적으로 건조해질 때 특히 중요합니다. 따라서 "건조"해야 할 수소 루프에 예상치 못한 수분이 발생하게 됩니다.

또한, PEM의 최적 수화 수준을 유지하기 위해 스택으로 유입되는 수소는 적절한 가습이 필요한 경우가 많습니다. 특히 시스템 시동 시, 외부 가습은 건조 수소가 멤브레인을 탈수시키는 것을 방지하기 위한 일반적인 방법입니다. 이 가습 과정을 통해 유입된 수증기는 흐름 중 수소 흐름의 온도 변화에 따라 액체 물로 응축될 수도 있습니다. 따라서 수소 측의 수분은 주로 두 가지 원인, 즉 캐소드에서 역확산된 물과 유입 가스 가습을 통해 유입된 수증기에서 발생합니다. 따뜻하고 습한 재순환 수소가 배관, 밸브, 그리고 재순환 펌프의 차가운 부분을 통과할 때, 수증기는 미세한 물방울로 응축되어 "혼입수"라고 알려진 것을 형성할 수 있습니다. 이러한 액체 물이 수소 루프 내에 축적되면 일련의 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 가장 즉각적인 위험은 "플러딩"입니다. 수소 흐름 채널은 매우 좁기 때문에 액체 물이 개별 셀 또는 여러 셀의 흐름장을 막아 반응을 위해 수소가 촉매층으로 효과적으로 확산되는 것을 방해할 수 있습니다. 국소적 수소 결핍은 해당 영역에서 급격한 전압 강하를 일으키고 심지어 세포 역전(역분극)으로 이어질 수도 있습니다.

이는 불안정한 출력뿐만 아니라 촉매와 탄소 지지체에 돌이킬 수 없는 부식 손상을 유발하여 스택의 수명을 크게 단축시킵니다. 둘째, 이러한 물방울은 파이프와 밸브의 금속 부품 부식을 가속화할 수 있습니다. 고속 작동에 의존하는 수소 재순환 펌프의 경우, 물방울 충돌로 인해 "워터해머" 현상이 발생하여 임펠러가 심각하게 손상되고 펌프가 고착되거나 고장날 수 있으며, 이는 전체 시스템 신뢰성에 심각한 위협이 될 수 있습니다. 이러한 맥락에서 물 분리기는 "청소기" 역할을 하는 중요한 역할을 합니다.

일반적으로 수소 순환 루프 내, 특히 스택 배출구와 재순환 펌프 입구 사이의 중요한 지점에 전략적으로 배치됩니다. 작동 원리는 일반적으로 원심력 또는 관성력 분리 원리에 기반합니다. 물방울을 함유한 습한 수소 가스가 분리기 챔버에 특정 속도로 접선 방향으로 유입되면 소용돌이 흐름이 생성됩니다. 무거운 물방울은 원심력에 의해 벽에 부딪혀 바깥쪽으로 튕겨 나가고, 합쳐지면서 운동 에너지를 잃고 더 큰 물방울을 형성하여 결국 중력에 의해 분리기 바닥으로 배출됩니다. "건조된" 수소 가스는 중앙 배출구를 통해 배출되어 펌프에 의해 스택 입구로 다시 재순환됩니다. 바닥에 축적된 액체 물은 자동 또는 간헐적으로 제어되는 배수 밸브를 통해 시스템에서 주기적으로 배출됩니다. 따라서 수분 분리기는 불필요한 설계 요소가 아니라 연료 전지 내부의 복잡한 물 관리 문제를 해결하는 지능적이고 필수적인 솔루션입니다.

이 부품은 물 분자의 광범위한 특성을 인지하고 역확산 및 가습으로 인해 발생하는 추가 수분을 사전에 관리하여 수소 순환 루프가 "습하지만 넘치지 않는" 최적의 상태를 유지하도록 합니다. 이 부품은 재순환 펌프를 보호하고 각 셀에 걸쳐 균일한 수소 분배를 보장하여 궁극적으로 연료 전지 시스템의 높은 효율, 신뢰성 및 장기 내구성을 달성하는 데 중요한 기반을 형성합니다. 비록 여러 부품 중 하나일 뿐이지만, 수분 분리기는 수소 측의 섬세한 "수분 균형"을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.