KR100654330B1 - 증발식 연료전지 가습기 - Google Patents

증발식 연료전지 가습기 Download PDF

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KR100654330B1
KR100654330B1 KR1020050129087A KR20050129087A KR100654330B1 KR 100654330 B1 KR100654330 B1 KR 100654330B1 KR 1020050129087 A KR1020050129087 A KR 1020050129087A KR 20050129087 A KR20050129087 A KR 20050129087A KR 100654330 B1 KR100654330 B1 KR 100654330B1
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김회웅
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이윤표
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 증발식 연료전지 가습기에 관한 것으로, 고분자 막을 구비한 연료전지스택을 포함하는 연료전지 시스템에 사용되는 가습기로서, 상기 연료전지스택으로부터 배출된 고온의 가스가 유입되는 응축 채널과; 상기 연료전지스택에 공급할 공급가스가 유입되는 증발 채널과; 상기 응축 채널과 상기 증발 채널 사이를 구획하는 격벽과; 상기 응축 채널에서 응축된 응축수를 상기 증발 채널에 뿌려주는 분배기를 포함하여, 외부로부터 물을 공급하지 않더라도 습하면서도 승온된 공급가스를 연료전지스택의 고분자막에 공급할 수 있도록 하는 연료전지 가습기를 제공한다.
연료전지, 고분자막, 응축 채널, 증발 채널

Description

증발식 연료전지 가습기{EVAPORATIVE HUMIDIFIER FOR FUEL CELL SYSTEM}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발식 연료전지 가습기의 작동 원리를 설명하기 위한 개략도
도2는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 외관을 도시한 사시도
도3은 도1의 증발식 연료전지 가습기의 증발 채널과 응축 채널의 한 쌍만의 일부 구성을 도시한 사시도
도4는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 증발 채널의 유동을 도시한 도면
도5는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 응축 채널의 유동을 도시한 도면
도6은 도1의 수조를 도시한 도면
도7은 또 다른 형태의 수조를 도시한 도면
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증발식 연료전지 가습기의 외관을 도시한 사시도
도9는 도8의 상측에서 바라본 사시도
도10은 도8의 증발 채널과 응축 채널의 형태를 도시한 사시도
도11은 도1 및 도10의 분배기의 구성을 도시한 사시도
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1: 연료전지 가습기 20: 증발 채널부
21: 증발 채널 핀(fin) 21a: 루버(louver)
22: 공급가스 유입구 23: 공급가스 유출구
30: 응축 채널부 31: 응축 채널 핀(fin)
31a: 루버(louver) 32: 배출가스 유입구
33: 배출가스 유출구 40: 케이스
41: 격벽 42,43: 경사턱
44: 칸막이 50: 펌프
60: 분배기 61: 배관
본 발명은 증발식 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배출가스가 통과하면서 수증기가 응축되어 물이 생성되는 응축 채널과, 가스 또는 연료와 같은 피가습 가스가 통과하면서 물을 증발시켜 가습되는 증발 채널이 금속 분리판을 사이에 두고 서로 이웃하여 접촉하도록 구성된 증발식 연료전지 가습기에 관한 것이다.
대체 에너지의 한 종류인 연료전지는 오염물질이 발생하지 않는 무공해 에너지원으로 각광을 받고 있다. 그 중에서 고체 고분자 연료전지는 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동이 가능하며 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 따른 빠른 응답 특성을 가지고 있으므로, 자동차, 이동 통신 장비, 의료 장비 등의 다양한 분야에 널리 적 용되고 있다.
이와 같은 고체 고분자 연료전지는 연료전지스택 내의 고분자막의 양극(兩極)에 각각 산소와 수소를 공급하는 것에 의하여 전기를 발생시킨다. 즉, 이 고체 고분자 연료전지의 연료전지스택의 양극(陽極, anode)측에는 연료가스인 수소(H2)를 공급하고, 연료전지스택의 음극(陰極, cathode)측에는 산소(O2)를 공급하며, 양극과 음극 사이에는 수소 양이온(H+)만 통과시킬 수 있는 고분자 막(membrane)이 배열된다. 이 고분자 막을 통하여, 양극 측으로부터 음극측으로 수소 양이온(H+)이 통과하고, 전하(e-)는 분리되어 양극으로부터 음극으로 전류가 흐르는 전기 에너지를 발생시킨 후, 음극 측의 산소(O2)와 고분자 막을 통과한 수소 양이온(H+)이 반응하면서 물(H2O)과 열을 생성하게 된다.
이와 같은 연료전지가 원활하게 작동하기 위해서는 고분자 막을 적절한 정도로 수분을 머금도록 유지시키는 것이 필요하다. 이는, 수분이 부족하면 수소 이온의 전도도가 떨어지며 막의 수축을 일으키는 반면에, 수분이 과다하면 전극에 과잉현상이 발생하여 전극 반응 속도가 저하되기 때문이다. 따라서 고분자 막의 수분이 적절히 유지되도록 연료전지스택에 공급하는 가스에 습기를 머금도록 하는 가습기의 역할이 매우 중요하다.
상기한 가습기의 방식으로는 초음파 진동을 사용하는 초음파 방식과 가열에 의한 기화를 사용하는 버블러 방식, 멤브레인을 사용하는 막 가습방식 등이 있다. 이러한 종래의 가습 방식들은 다음과 같은 여러 문제점을 갖는다.
첫째로, 초음파 방식의 가습기는 초음파 진동에 의해 방출된 물 입자가 충분히 작지 않으므로, 가습이 제대로 이루어지지 않고, 액적이 공급관 내부 표면에 부착되는 경우가 발생하여, 일정하고 정확한 가습이 이루어지기 어렵다.
둘째로, 버블러 방식의 가습기는 기화를 위한 가열 시스템과 가열 에너지 공급이 부가적으로 필요하게 되고, 분사 방식 역시 물 분사를 위해 고압으로 압축할 수 있는 부가 시스템과 부가적인 에너지를 필요로 한다.
셋째로, 멤브레인을 사용한 막 가습방식은 수증기 투과성 막을 사용하여 배기가스의 수분을 연료가스나 가스에 공급하여 가습하는 방식으로서, 부가적인 에너지는 필요로 하지 않지만, 충분한 가습을 위해서는 막의 표면적이 매우 넓어야 하기 때문에 대부분 투과성 막으로 직경 1 mm정도의 가는 관을 제작하고, 관다발을 묶어 원통-관형 열물질교환기로 제작한다. 그러나, 막 자체가 매우 고가이며 가공이 어렵기 때문에 대량생산에 부적합하며 가습기의 가격이 상승하는 요인이 된다. 더욱이, 그 구조가 매우 복잡하여 피가습가스의 유동에 심한 압력 손실이 발생하게 되는 문제점도 가지고 있다.
최근에는, 미국특허공보 제190,513호, 제 6,779,351호, 제6,871,844호를 통해 개시된 바와 같이, 부가적인 에너지가 필요 없을 뿐만 아니라, 저렴하고 구조가 간단한 친수성 표면에서의 증발을 이용한 가습방법도 사용된다.
그러나, 미국특허공보 제190,513호를 통해 개시된 가습방식은 가습에 필요한 물의 공급을 위하여 응축기를 따로 필요로 하므로 전체의 크기가 비대해지는 문제점을 갖는다.
또한, 미국특허공보 제6,779,351호에 개시된 방법은 핀(fin)을 포함하지 않는 형태로 구성됨에 따라 열과 물질을 충분히 전달하기 위해서는 채널의 간격이 매우 좁아질 수밖에 없다. 그런데, 피가습가스가 구멍을 통해 증발 채널로 유입되기 때문에, 압력 강하량이 매우 클 뿐만 아니라, 증발 채널 내에서의 물 퍼짐이 제대로 이루어지지 않아 효율적인 가습이 곤란한 한계를 갖는다.
미국특허공보 제6,871,844호의 경우에는, 증발 채널을 불규칙하게 구성하고 있는 흡습 투과성의 물질에 의하여, 피가습가스의 압력 강하가 심하고, 응축 채널의 응축수가 주로 핀표면에서 생성되기 때문에, 핀 기저부인 판에 배치한 구멍을 통하여 응축수가 매우 제한적으로 이동할 수 밖에 없으며, 대부분의 응축수는 증발 채널로 공급되지 못한 채 핀표면을 따라 흘러내려 응축 채널 하부에 모이게 된다. 또한, 증발 채널 내 공급가스 압력이 응축 채널 내 배출가스 압력보다 클 경우, 물전달 유로를 통한 물전달이 전혀 이루어지지 않으며, 오히려 증발 채널로부터 응축 채널쪽으로 피가습가스의 누설이 발생할 수 있는 한계를 갖는다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 연료전지스택으로부터 배출된 고온의 가스를 이용하여 응축수를 생성하고, 생성된 응축수를 연료전지스택에 공급되는 연료가스에 혼합되도록 함으로써, 별도로 물을 공급받지 않더라도 연료전지스택 내의 고분자막이 소정의 습도를 갖도록 유지시킬 수 있는 가습기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 응축수를 생성하는 응축 채널과, 응축 채널과 열교환하면서 연료가스에 습기를 머금게 하는 증발 채널과, 응축 채널과 증발 채널 사이의 격벽을 모두 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성함으로써, 보다 저렴하고 용이한 공정에 의하여 가습기를 제조할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 응축 채널과 증발 채널로부터 흘러내리는 응축수에 의하여 응축 채널과 증발 채널을 통과하는 가스의 압력 강하를 최소화시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 고분자 막을 구비한 연료전지스택을 포함하는 연료전지 시스템에 사용되는 가습기로서, 상기 연료전지스택으로부터 배출된 고온 고습의 배출 가스가 유입되는 응축 채널과; 상기 연료전지스택에 공급할 공급가스가 유입되는 증발 채널과; 상기 응축 채널과 상기 증발 채널 사이를 구획하는 격벽과; 상기 응축 채널에서 응축된 응축수를 상기 증발 채널에 뿌려주는 분배기를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기를 제공한다.
이는, 연료전지스택으로부터 배출되어 응축 채널을 통과하는 고온 고습의 배출 가스는 증발 채널을 통과하는 저온저습의 공급가스에 의하여 냉각되어 수증기 응축이 발생하며, 이와 동시에 증발 채널에서는 배출가스로부터 전달된 열에 의하여 분배기로부터 공급되는 응축수의 증발이 일어나는 동시에 가열되어, 증발 채널 을 통과하는 공급가스는 가습기에 의하여 고온 고습 상태가 되어 연료전지스택의 고분자막에 습기를 전달할 수 있도록 하기 위함이다. 이를 통해, 구조가 간단하고 제작이 용이하여 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 응축 채널과 증발 채널 사이의 내부적인 열전달 및 응축 증발에 의하여 외부로부터의 물이나 증발에너지 공급이 없더라도 우수한 가습 성능을 구현할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 증발식 연료전지 가습기는, 응축 채널과 증발 채널에서의 열전달 및 응축 증발 효과를 향상시키고 소형화하기 위하여, 응축 채널과 증발 채널에 핀이 삽입되고 브레이징(brazing) 공정 등에 의해 일체형으로 제작된다. 증발 채널의 핀의 표면은 물 증발을 향상시키기 위하여 미세 다공 구조의 친수성 표면 처리되며, 응축 채널의 핀의 표면은 응축수의 배출이 용이하도록 친수성 처리된다.
상기 응축 채널, 상기 증발 채널 및 상기 격벽은 모두 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성되어, 양산 공정에 의하여 저렴하면서도 용이하게 제조될 수 있도록 한다.
상기 응축 채널의 저부에는 응축 채널로부터의 얻어지는 응축수를 담는 수조가 형성되어, 수조에 담겨진 응축수를 증발 채널의 분배기에 공급하는 것이 용이해진다. 이 때, 수조의 깊이는 연료전지의 운전 중에 발생할 수 있는 양 채널 사이의 압력차를 고려하여 결정된다.
한편, 상기 수조는 응축 채널의 저부에만 형성되는 것이 아니라, 상기 증발 채널의 저부에까지 폭 방향으로 연장 형성되어, 분배기로부터 뿌려지는 응축수 중에 증발하지 않은 응축수를 수거하여 다시 분배기에 의하여 증발 채널에 뿌려지도 록 한다.
상기 증발 채널의 저부와 상기 응축 채널의 저부 사이의 상기 수조에 칸막이가 형성되어, 응축 채널과 증발 채널 사이에 응축수는 서로 이동 가능하지만, 응축 채널의 가스와 증발 채널의 공급가스가 서로 섞이는 것을 방지한다. 이 때, 응축 채널에서 응축되어 상기 수조에 담겨진 응축수가 상기 칸막이를 가로질러 유동할 수 있도록, 상기 칸막이가 상기 수조의 바닥면으로부터 소정거리 이격되게 설치되거나, 상기 칸막이에 관통공이 형성된다.
상대적으로 고온의 가스가 응축 채널에 유입되므로, 응축 채널과 증발 채널 사이의 열교환 효율을 높이기 위하여, 상기 응축 채널의 가스 유입구는 상기 응축 채널의 가스 유출구의 하측에 형성된다. 그리고, 상대적으로 저온의 가스가 증발 채널에 유입되므로, 상기 증발 채널의 공급가스 유입구는 상기 증발 채널의 공급가스 유출구의 상측에 형성된다.
한편, 상기 응축 채널의 가스 유입구의 하부에는 응축 채널을 감싸는 케이스의 일면으로부터 연장된 경사턱이 형성된다. 이를 통해, 가습기가 어느정도 기울어지더라도 경사턱에 의해 수조에 담겨진 응축수가 응축 채널의 가스 유입구의 밖으로 넘치는 것을 방지할 수 있게 된다. 이 때, 경사턱이 형성되지 아니한 영역에서는 응축 채널에서 응축된 응축수가 낙하하거나 응축 채널의 벽면을 따라 흘러내려 수조에 모이고, 경사턱이 형성된 영역에서는 응축 채널에서 응축된 응축수가 경사턱의 상면에 떨어져 경사턱의 경사면을 타고 흘러내려 수조에 모이게 된다.
마찬가지로, 상기 증발 채널의 공급가스 유출구의 하부에는 증발 채널을 감 싸는 케이스의 일면으로부터 연장된 경사턱이 형성된다. 이를 통해, 가습기가 어느정도 기울어지더라도 경사턱에 의해 수조에 담겨진 응축수가 증발 채널의 가스 유출구의 밖으로 넘치는 것을 방지할 수 있게 된다. 이 때, 경사턱이 형성되지 아니한 영역에서는 분배기로부터 공급되는 응축수 중에 증발하지 않은 응축수를 수조에 모이도록 하고, 경사턱이 형성된 영역에서는 분배기로부터 공급되는 응축수가 경사턱의 상면에 떨어져 경사턱의 경사면을 타고 흘러내려 수조에 모이게 된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다. 또한 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발식 연료전지 가습기의 작동 원리를 설명하기 위한 개략도, 도2는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 외관을 도시한 사시도, 도3은 도1의 증발식 연료전지 가습기의 증발 채널과 응축 채널의 한 쌍만의 일부 (유입구, 유출구가 형성된 부분을 제외한) 구성을 도시한 사시도, 도4는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 증발 채널의 유동을 도시한 도면, 도5는 도1의 증발식 연료전지 가습기의 응축 채널의 유동을 도시한 도면, 도6은 도1의 수조를 도시한 도면, 도7은 또 다른 형태의 수조를 도시한 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발식 연료전지 가습기(1)는 연료전지스택에 공급할 저온 저습의 공급가스가 유입되는 증발 채널(20) 과, 연료전지스택으로부터 배출된 고온 고습의 배출가스가 유입되는 응축 채널(30)과, 증발채널(20)과 응축 채널(30)의 외형을 감싸는 케이스(40)와, 케이스(40) 내에서 증발 채널(20)과 응축 채널(30)을 구획하는 격벽(41)과, 응축 채널(30)에서 고온 고습의 가스와 증발 채널(20)에서의 저온 저습의 가스가 격벽(41)을 통하여 열교환되어 응축 채널(30)에서 응축된 응축수(61)를 담는 수조(80)와, 수조(80)에 담겨진 응축수를 증발 채널(20)의 내부로 공급하는 분배기(60)와, 수조(80)로부터 분배기(60)에 배관(61)을 통하여 펌핑하는 펌프(50)를 포함하여 구성된다.
도5에 도시된 바와 같이, 상기 증발 채널(20)은 저온의 공급가스와 응축 채널(30) 내의 고온 고습의 가스와의 열교환을 촉진시키기 위하여 절곡되어 일면으로 돌출 형성된 다수의 루버(21a)를 구비하고 알루미늄 재질로 구불구불하게 형성된 열전달 핀(21)과, 저온의 공급가스가 유입되는 공급가스 유입공(22)과, 분배기(60)로부터 공급된 응축수가 격벽(41)과 열교환되어 증발 채널(20) 내에서 증발하면 증발된 수증기를 머금고 연료전지스택으로 배출되는 공급가스 유출공(23)을 구비한다.
도4에 도시된 바와 같이, 상기 응축 채널(30)은 연료전지스택으로부터 배출된 고온 고습의 배출가스와 증발 채널(20)의 저온의 공급가스와의 열교환을 촉진시키기 위하여 절곡되어 일면으로 돌출 형성된 다수의 루버(31a)를 구비한 알루미늄 재질로 구불구불하게 형성된 열전달 핀(31)과, 배출가스가 유입되는 배출가스 유입공(32)과, 증발채널(20)의 찬 공급가스와 열교환되어 배출가스 내의 수분을 응축시킨 배출가스를 유출시키는 배출가스 유출공(33)을 구비한다.
이 때, 증발 채널(20)과 응축 채널(30)의 열전달 핀(21,31)의 표면에는 본 발명자가 고안하여 개시된 대한민국 공개특허공보 제2004-5108호의 젖음성 향상을 위한 습표면 열교환기의 표면처리방법에 따라 미세 다공 구조의 친수성 표면처리된다. 이를 통해, 증발 채널(20)의 열전달 핀(21) 표면은 젖음성이 향상되어 물증발이 보다 원활하게 이루어지며, 응축 채널(30)의 열전달 핀(31)에서는 응축수가 액적을 생성하지 않고 수조(80)로 원활히 흘러내린다.
상기 케이스(40)는 한 쌍의 증발 채널(20)과 응축 채널(30)만을 감싸도록 형성될 수도 있으며, 복수의 쌍의 증발 채널(20)과 응축 채널(30)을 감싸도록 형성될 수도 있다. 그리고, 케이스(40)는, 양 채널(20,30)의 열교환을 촉진시키도록 증발 채널(20)과 응축 채널(30)의 사이에 알루미늄 재질로 형성된 격벽(41)과, 공급가스 유출공(23)의 바로 하측에 수조(80)내의 물넘침을 방지하도록 케이스(40)의 내벽으로부터 돌출형성된 경사턱(42)과, 가습기가 흔들리거나 기울여지더라도 수조(80)내의 응축수가 넘쳐 외부로 흘러내리는 것을 방지하기 위하여 배출가스 유입공(32)의 바로 하측의 케이스(40)의 내벽으로부터 돌출 형성된 경사턱(43)과, 도6에 도시된 바와 같이 격벽(41)으로부터 연장되어 케이스(40)의 바닥면(40a)으로부터 소정거리(d) 이격되도록 형성되어, 가습기(1)의 내부에서 공급가스와 배출가스가 혼합되는 것을 방지하는 칸막이(44)를 구비한다.
여기서, 경사턱(42, 43)은 증발 채널(20)이나 응축 채널(30)로부터 흘러내린 응축수를 다시 수조로 흘러내리도록 경사턱의 상면에 경사면이 형성된다.
한편, 도7에 도시된 바와 같이, 칸막이(44)는 바닥면(40a)에까지 연장되고 증발 채널(20)의 저부와 응축 채널(30)의 저부가 서로 연통시키는 관통공(43a)이 형성될 수도 있다.
또한, 증발 채널(20)의 열전달 핀(21)과, 응축 채널(30)의 열전달 핀(31)과, 케이스(40)는 모두 알루미늄 재질로 형성되어, 이들을 블레이징 접합으로 조립되도록 함으로써 양산 제작이 용이해진다.
이하, 본 발명의 일 실시예(1)의 작동 원리를 상술한다.
연료전지스택으로부터 배출된 고온 고습의 배출가스는 응축 채널(30)의 배출가스 유입구(32)를 통해 도면 부호 32a로 표시된 방향으로 유입된다. 이와 동시에, 연료전지스택으로 공급할 공급가스는 증발 채널(20)의 공급가스 유입구(22)를 통해 도면 부호 22a로 표시된 방향으로 유입된다.
이 때, 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 고온 고습의 배출가스는 응축 채널(30)을 통과하는 중에 증발 채널(20)의 저온 저습의 공급가스와 격벽(41)을 사이에 두고 열교환을 하게 되어 냉각된다. 따라서, 응축 채널(30) 내에서는 배출가스의 응축이 발생되어 응축수가 열전달 핀(31)을 따라 흘러내려 수조(80)로 모이게 된다. 이와 동시에, 증발 채널(20)에서는 응축 채널(30)의 배출가스로부터 전달된 열에 의하여 분배기(60)의 분배공(60a)으로부터 뿌려지는 응축수(25)가 가열됨과 동시에 증발이 일어나, 증발 채널(20)을 통과하는 공급가스는 고온 고습 상태가 되어 공급가스 유출구(23)로 배출되어 연료전지스택에 공급된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에(2) 따르면, 도8 내지 도10에 도시된 바와 같이, 전술한 일 실시예(1)와 달리 증발 채널(20)과 응축 채널(30)이 대향류의 형태 뿐만 아니라 직교류의 형태로 구성된 증발식 연료전지 가습기를 제공한다.
도8 내지 도10에 도시된 바와 같이, 응축 채널(230)로 유입되는 고온 고습의 배출가스와 증발 채널(220)로 유입되는 저온저습의 공급가스는 모두 가습기(2)의 상측에 형성된 유입공(222, 232)을 통하여 유입되고, 증발 채널(220)과 응축 채널(230) 사이의 격벽(241)에 의하여 열교환이 이루어진다. 전술한 일 실시예(1)와 마찬가지로 각각의 채널(220,230)에는 열전달 핀(221,231)이 형성되고, 이들 채널(220,230)로부터 배출되는 가스의 유출공(미도시)이 형성된다.
그 밖의 구성과 작동 원리는 전술한 일 실시예(1)와 동일 또는 유사하며, 전술한 일 실시예(1)의 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일상당 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 구성과 작용을 통하여, 본 발명에 따른 증발식 연료전지 가습기는 외부로부터 물을 공급하지 않더라도 연료전지스택에 습하면서도 승온된 공급가스를 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 증발 채널과 응축 채널의 열전달 핀에 다공 구조의 친수성 코팅이 되어 있어, 증발 채널에서의 증발을 촉진시키고 동시에 응축 채널에서의 물의 흘러내림도 촉진시킬 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에 따른 증발식 연료전지 가습기는 응축수를 생성하기 위한 부가적인 응축기를 필요로 하지 않고, 유입되는 공급가스와의 열교환을 통하여 별도의 동력이 소요되지 않고 응축 채널에서 응축수를 생성하므로, 매우 저렴하게 제조된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명 의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절히 변경 가능한 것이다.
즉, 본 발명의 실시예에서와는 달리 배출가스 유입구(32)는 배출가스 유출구(33)에 비하여 상측에 형성될 수도 있으며, 공급가스 유입구(22)는 공급가스 유출구(23)에 비하여 하측에 형성될 수도 있고, 동일한 높이로 형성될 수도 있다. 또한, 증발 채널과 응축 채널의 형태는 상호 열교환이 일어날 수 있는 격벽이 형성되면 충분하므로, 증발 채널과 응축 채널 내에서 공급가스와 배출가스를 어떠한 형태로 유동시킬 것인지에 대하여 당해 기술 분야의 당업자가 변경 가능한 범위도 본 발명의 범주에 속하는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 고분자 막을 구비한 연료전지스택을 포함하는 연료전지 시스템에 사용되는 가습기로서, 상기 연료전지스택으로부터 배출된 고온의 가스가 유입되는 응축 채널과; 상기 연료전지스택에 공급할 공급가스가 유입되는 증발 채널과; 상기 응축 채널과 상기 증발 채널 사이를 구획하는 격벽과; 상기 응축 채널에서 응축된 응축수를 상기 증발 채널에 뿌려주는 분배기를 포함하여, 외부로부터 물을 공급하지 않더라도 습하면서도 승온된 공급가스를 연료전지스택의 고분자막에 공급할 수 있도록 하는 연료전지 가습기를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 증발식 연료전지 가습기는 증발 채널과 응축 채널의 열전달 핀에 다공 구조의 친수성 코팅이 형성되어, 증발 채널에서의 증발을 촉진시킬 뿐만 아니라 응축 채널에서의 물의 흘러내림도 촉진시킨다.
그리고, 본 발명은, 응축수를 생성하기 위한 부가적인 응축기를 필요로 하지 않고, 유입되는 공급가스와의 열교환을 통하여 별도의 동력이 소요되지 않고 응축 채널에서 응축수를 생성하므로 매우 저렴하게 제조 가능한 증발식 연료전지 가습기를 제공한다.
이뿐만 아니라, 본 발명은 모든 구성 부품이 알루미늄으로 제작되므로, 각 구성 부품을 절삭 및 절곡 가공, 표면 코팅을 행한 후에 블레이징 접합만으로 제조하는 것이 가능하여 양산성이 매우 우수한 증발식 연료전지 가습기를 제공한다.

Claims (11)

  1. 고분자 막을 구비한 연료전지스택을 포함하는 연료전지 시스템에 사용되는 가습기로서,
    상기 연료전지스택으로부터 배출된 고온의 가스가 유입되는 응축 채널과;
    상기 연료전지스택에 공급할 공급가스가 유입되는 증발 채널과;
    상기 응축 채널과 상기 증발 채널 사이를 구획하는 격벽과;
    상기 응축 채널에서 응축된 응축수를 상기 증발 채널에 뿌려주는 분배기를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축 채널과 상기 증발 채널에는 열전달 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 응축 채널과 상기 증발 채널의 표면은 미세 다공 구조의 친수성 처리된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 응축 채널과 상기 증발 채널과 상기 격벽은 모두 금속 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축 채널의 저부에는 응축되는 물을 담는 수조가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 수조는 상기 증발 채널의 저부까지 폭 방향으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 증발 채널의 저부와 상기 응축 채널의 저부 사이의 상기 수조에 칸막이가 형성되고;
    응축 채널에서 응축되어 상기 수조에 담겨진 응축수가 상기 칸막이를 가로질러 유동할 수 있도록, 상기 칸막이가 상기 수조의 바닥면으로부터 소정거리 이격되게 설치되거나, 상기 칸막이에 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축 채널의 가스 유입구는 상기 응축 채널의 가스 유출구의 하측에 형 성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 응축 채널의 저부에는 수조가 형성되고,
    상기 응축 채널의 가스 유입구의 하부에 폭 방향으로 연장 형성된 경사턱을 더 포함하여, 상기 응축 채널의 가스 유입구 밖으로 응축수가 넘치는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  10. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발 채널의 공급가스 유입구는 상기 증발 채널의 공급가스 유출구의 상측에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 증발 채널의 저부에는 수조가 형성되고,
    상기 증발 채널의 공급가스 유출구의 하부에 폭 방향으로 연장 형성된 경사턱을 더 포함하여, 상기 증발 채널의 가스 유출구 밖으로 응축수가 넘치는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가습기.
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