KR100740600B1 - 연료전지용 가습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 물공급관과 가스공급관을 통해 가습기통 내부에 물을 공급하고 가스를 공급하여 가습된 가스를 가스 토출관을 통하여 연료전지로 토출하도록 구성되고, 가스인입부에 가스밸브를 설치하여 가스밸브에 의해 가스공급관을 통해서 가습기통에 가스가 공급되게 함과 아울러 상기 가스 토출관에 직접 공급되게 하여 가습/무가습 운전이 가능하도록 하는 가습장치에 있어서, 가습기통의 외벽에 밴드히터를 설치하고, 그 외부에 단열재를 설치하며, 가스 토출관에는 라인히터와 보온재를 설치하여 보온 유지를 할 수 있도록 구성하고, 가습기 통 상부에 연결되는 가스 토출관에 차단 밸브를 설치하여 완전 무가습 운전이 가능하도록 하고, 하부에는 내부 플랜지와 착탈 가능한 다리를 설치하여 외부 환경과 무관하게 정온 유지가 가능하고, 설치면적을 축소시킬 수 있다.

연료전지, 가습기, 가습, 무가습, 물공급, 플랜지

Description

연료전지용 가습장치{A humidifier of a fuel cell}

도 1은 종래 연료전지용 가습 장치 단면도

도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 가습 장치 구성을 보인 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

111 : 가습기 통 111a : 테프론 코팅막

112 : 밴드 히터 112a : 온도조절기

113 : 단열재 114 : 내부 플랜지

115 : 다리 121 : 물공급관

121a : 물 유입구 121b : 물조절 밸브

123 : 액위계 131 : 가스 인입부

132 : 가스 조절밸브 133 : 가스 공급관

141 : 가스 토출관 142 : 보온재

143 : 라인히터 143a : 라인온도 조절기

144 : 라인 온도검출기 145 : 차단 밸브

151 : 온도검출기

본 발명은 연료전지용 가스 공급기의 가습장치에 관한 것으로, 특히 구조적으로 간단하면서도 가스공급을 필요로 하며 필요조건에 따라서 고압, 고온, 가습상태를 안정적으로 조절할 수 있도록 한 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 발전장치로서, 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템에 이르기까지 그 적용범위가 매우 넓다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라서 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체 전해질형, 고분자 전해질형 등이 있다.

그 중에서, 고분자 전해질 연료전지는 전해질이 고체로서 전해질의 누출이 없고 낮은 온도에서 작동하며 유지 및 보수가 간편하다는 장점을 갖고 있기 때문에 자동차나 이동 전원에 가장 접합한 장치이다. 고분자 전해질 연료전지는 수소 양이온을 이동시키는 고문자막을 전해질로 사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위하여 전해질막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 전해질막이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 연료전지의 운전이 불가능하므로, 고분자 전해질 연료 전지에서 가습공정은 필수적이라 할 수 있다.

연료전지의 가스 공급장치는, 반응가스가 가스 공급원으로부터 공급된 가스의 유량을 유량조절계에서 조절하여 가습기를 통해서 가습시켜 주고, 그 가습된 가 스를 연료전지의 본체로 공급하도록 되어 있다.

종래의 가습장치의 일예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같다.

가습기는, 가스 공급원으로부터 반응가스를 공급받는 가습기 가스공급관(13)과 공급받은 반응가스의 가습을 위해 물이 들어있는 가습병(20)내로 분산시키는 가스 분산기(21), 가습병(20)을 가열하는 가습병 가열기(22), 가습병(20) 내의 물의 양을 지시하는 수위 지시관(23), 가습병(20)에서 가습된 반응가스를 연료전지(16)에 공급하는 연료전지 가스 공급관(15) 및 연료전지 가스 공급관 보온재(24)로 이루어져 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 가습기는 연료전지에 공급되는 반응가스의 가습 상태를 조절하는 장치가 없음으로 인해 항상 가습병에서 반응가스를 가습시킨 후에 연료전지에 공급하기 때문에 가습에 필요한 물을 빈번하게 보충하여야 한다.

그리고, 개폐식 마개가 구비된 가습병을 사용하기 때문에 가습병에 반응가스의 가습을 위한 물을 보충 할 경우 연료전지 운전을 중지한 후 가습병의 마개를 열고 물을 보충해야 하며, 가습병 마개를 여는 동안 연료극에 수소가 공급되기 때문에 퍼지(purge)과정이 필수적으로 따르게 된다.

또한, 가습병에서 가습된 반응가스의 온도와 연료전지 가스 공급관의 온도 차이로 인하여 가습된 반응가스에 포함되어 있는 수증기가 응축되어 그 양이 감소하고, 이로 인해 반응가스의 가습이 불충분하여 고분자 전해질의 이온 전도도가 감소하여 연료전지의 성능이 감소하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 이러한 기존 가습기의 문제점들을 해결하기 위하여 운전 중에도 수시로 물 보충을 할 수 있도록 하였으며, 수압차로 공급을 하게하여 운전 중 에도 가스공급 상태의 영향이 없도록 하고, 가습기 전체 및 상부와 이어지는 라인 부분을 외부케이스를 가지고 있는 단열재로 감싸며 히터를 직접 접촉하게 하여 가습기통과 라인의 독립적인 가열과 동시에 단열재 보호 및 보온효과를 최고로 높여 응축이 일어나지 않도록 한 연료전지용 가습장치를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명에 의한 연료전지용 가습 장치는, 가습기 내부 및 가스의 원활한 수분 접촉을 위해 내부에 설치한 버블러를 테플론으로 코팅처리 하여 반영구적인 수명을 가지도록 하였다.

또한, 본 발명은 분리 가능한 다리를 설치하여 내장형과 외장형으로 모두 사용 할 수 있으며 플랜지형으로 사용할 경우보다 동일한 용적에서 57% 정도의 면적만을 차지하게 하여 공간을 절약할 수 있도록 하여 경제적인 모델이 되게 하였다.

또한, 본 발명은, 내부플랜지 구조로 설계하여 결합이 용이하게 하였으며 밀봉 효과 및 구조적으로 단순화하여 제품결함 부위를 최소로 줄였다.

또한, 본 발명은, 가습기 상부에 추가로 차단밸브를 설치하여 기존 무가습 조건이 가습기 내부에서 올라오는 수분의 영향을 받은 것에 비교하여 가습기 통에서 올라오는 수분을 밸브로 차단함으로서 완전 무가습 조건을 만들 수 있도록 하였다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

가습기통의 외벽에 밴드 히터를 설치하고, 그 밴드히터를 포함하는 가습기통 외부에 단열재를 설치하며, 물공급 밸브를 통해 물공급관을 가습기통 내에 연결하고, 가스 인입부에 가스 조절밸브를 설치하고, 그 가스 조절밸브에서 가습기 통으로 가스 공급관을 연결함과 아울러 가스 조절밸브에서 가습기 통의 상부에 연결되는 가스 토출관에 연결하며, 가스 토출관에 라인히터를 설치하고, 그 라인히터를 포함하여 가스 토출관을 감싸도록 보온재를 설치하고, 상기 물공급관과 가습기 통 상부의 가스 토출관 사이에 액위계를 설치하며, 가습기 통의 상부 가스 토출관에 차단 밸브를 설치하여 구성됨에 특징이 있다.

또한, 본 발명은 가습기통의 내벽에 테프론 코팅막을 형성하며, 가습기통 하부에 외측으로 돌출되지 않는 내부 플랜지를 설치하고, 착탈 가능하게 다리를 설치하여 구성됨에 특징이 있다.

그리고, 상기 가스 공급관은 가습기 통 내부에 인출되어 단부에 버블러를 설치함에 특징이 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 가습장치 구성을 보인 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이,

물을 채우고 연료전지용 가스를 투입하여 가습된 가스를 연료 전지측으로 공급하기 위한 가습기 통(111)과, 그 가습기 통(111)의 상부에 연통되어 연료전지로 가습된 가스를 공급하기 위한 가스 토출관(141)과; 그 가스 토출관(141)에 설치되어 무가습 운전시 가습기 통(111)으로부터 수분이 유입되지 않도록 차단하기 위한 차단 밸브(145)와; 가스 인입부(131)로부터 유입되는 가스를 가스 조절밸브(132)를 통해서 상기 가스 토출관(141)과 상기 가습기 통(111)의 하측 내부로 분배하여 공급하는 가스 공급관(133)과; 증류수 인입부(121a)로부터 유입된 물을 물 조절밸브(121b)를 통해서 상기 가습기 통(111)의 내부로 공급하는 물공급관(121)과; 그 물공급관(121)과 상기 가스 토출관(141)에 양단이 연통되어 상기 가습기 통(111)내부의 수위를 확인할 수 있도록 하기 위한 액위계(123)와; 상기 가습기 통(111)의 외측벽에 설치되고 온도 조절기(112a)에 의해 제어되는 밴드 히터(112)와; 그 밴드 히터(112)의 외측 및 가습기 통(111)의 상하부를 감싸는 단열재(113)와; 상기 밴드 히터(112)의 구동을 제어할 수 있도록 상기 가습기 통(111) 내부의 온도를 측정하여 상기 온도조절기(112a)에 입력하는 온도 측정기(151)와; 상기 가스 토출관(141)의 둘레에 설치되어 적정온도가 유지되도록 라인 온도조절기(143a)에 의해 제어되는 라인 히터(143)와; 상기 라인 히터(143)의 구동을 제어할 수 있도록 상기 가스 토출관(141)의 라인 온도를 측정하여 상기 라인 온도조절기(143a)에 입력하는 라인 온도 검출기(144)와; 상기 라인히터(143)가 설치된 상기 가스 토출관(141)의 둘레를 감싸고 설치되는 보온재(142)와; 상기 가습기 통(111)의 하부에 설치되는 플랜지(114) 및 그 플랜지 하면에 설치되는 다리(115)를 포함하여 구성된다.

한편, 본 발명에 의한 가습기 통(111)는, 내벽에 테프론 코팅막(111a)이 형성되어 있고, 상기 가스공급관(133)의 단부가 가습기 통(111)의 내부에 인출되어 버블러(122)가 설치되어 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명은, 가스 인입부(131)로 가스가 유입되면, 가스 조절밸브(132)에 의해 가스 토출관(141)측과 가스 공급관(133)측으로 분배되어 가습량 또는 무가습 운전등을 조절할 수 있게 되며, 가스 공급관(133)을 통해서 가스가 가습기 통(111) 내부에 공급되면, 물공급관을 통해서 공급되는 물에 의해 가습되어 가스 토출관(141)을 통해서 연료전지 본체에 공급된다.

본 발명에 의한 연료전지용 가습장치는, 가습기 통(111)의 외벽에 밴드 히터(112)가 설치되고 그 밴드 히터(112)의 전원 입력부에는 온도조절기(112a)가 설치되고, 그 온도조절기(112a)는 가습기 통(111) 내부의 온도를 측정하는 온도측정기(151)의 검출온도에 의거하여 설정온도 또는 운전자가 조절한 제어온도가 되도록 상기 밴드히터(112)의 구동을 제어하여 가습기 통(111)내부의 온도를 조절한다. 가습기 통(111)의 외벽에는 밴드 히터(112)를 감싸고서 상하부까지 감싸는 세라믹 단열재(113)를 설치하여 보온을 유지하도록 구성된다.

또한, 가스 토출관(141)에도 라인히터(143)가 설치되고, 그 외측을 보온재(142)로 감싸서 보온 유지하도록 구성되고, 라인온도 검출기(144)의 온도 검출치에 의거하여 라인 온도조절기(143a)가 라인히터(143)를 제어하여 온도를 설정온도 또는 운전 온도로 조절하며, 보온재(142)가 외벽을 감싸고서 보온하도록 구성된다.

따라서, 가습기 통(111)은 세라믹 단열재로, 상부와 이어지는 가스 토출관(141)은 보온재로 감싸며, 각각 히터를 직접 접촉하게 하여 가습기 통(111)과 가스 토출관(141) 라인의 독립적인 가열과 동시에 단열재 및 보온재로 보온효과를 최고 로 높여 응축이 일어나지 않게된다.

그리고, 본 발명에 의한 가습기 통(111)의 내벽은, 테프론으로 코팅(111a) 처리하여 반영구적인 수명을 가지도록 하였고, 버블러를 설치하여 가스와 수분의 원활한 접촉이 이루어지도록 하였다.

또한 분리 가능한 다리(115)를 설치하여 내장형과 외장형으로 모두 사용할 수 있도록 하였으며, 플랜지(114)가 가습기통(111)의 하면에만 일치되게 설치되어 구성되므로써, 플랜지형으로 사용할 경우보다 동일한 용적에서 57% 정도의 면적만을 차지하게 하여 공간을 절약할 수 있도록 하여 경제적인 모델이 되게 하였다.

그리고, 증류수 인입부(121a)로부터 물이 인입되어 밸브(121b)를 통해서 물공급관(121)으로 가습기 통(111)의 내부로 공급된다. 액위계(123)는, 상기 밸브(121b)의 후단과 상기 가스 토출관(141) 사이에 연통되어 가습기 통(111)과 평행하게 수직으로 설치되므로 가습기 통(111)내부의 수위가 액위계(123)에서 동일하게 확인 검측할 수 있도록 구성된다.

따라서, 운전중에 수시로 물 보충을 할 수 있으며, 증류수 인입부(121a)를 통해서 수압차로 물을 공급할 수 있도록 함으로써 운전중에도 가스 공급 상태에 영향이 없게 된다.

그리고, 내부 플랜지 구조로 설계하여 결합이 용이하게 하였으며, 밀봉 효과 및 구조적 단순화에 의해 제품 결함부위를 최소로 줄였고, 가습기 상부에 수분 차단밸브(145)를 설치하여 기존 무가습 조건이 가습기 내부로 올라오는 수분의 영향을 받는 것을 비교하여 가습기 하부에서 올라오는 수분을 밸브로 차단함으로써 완 전 무가습 조건을 만들 수 있도록 하였다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지용 가습장치는, 운전중에도 수시로 물공급이 가능하고, 가습기 전체 및 가스 토출관에 외부 케이스를 가지는 단열재로 감싸고 히터를 직접 접촉하게 함으로써 보온유지와 정온 조절이 용이하고, 응축이 일어나지 않게 되는 효과가 있다. 또한, 가스 토출관에 밸브를 설치하여 무가습 운전시에 가습기 통으로부터 올라오는 수분을 차단함으로써 완전 무가습 운전이 가능한 효과가 있다. 또한, 착탈 가능한 다리를 설치하여 내외장형으로 선택이 가능하고, 내부 플랜지를 구성함으로써 밀봉 효과 및 구조적 단순화와 아울러 설치 면적 차지를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 가습기 통의 측하방에 물공급관과 가스 공급관이 연결되고 상부에 가스 토출관이 연결되며, 가스 인입부로부터 공급되는 가스가 가스 조절밸브에 의해 상기 가스 공급관을 통해 가습기통에 공급되거나 상기 가스토출관에 직접 공급되도록 구성되는 연료전지용 가습장치에 있어서,

   상기 가습기 통의 외벽을 감싸도록 설치되어 온도조절기의 제어에 의해 설정된 온도가 유지되도록 가습기통 내부를 가열하는 밴드히터와;

   그 밴드 히터의 외부를 포함하여 가습기통을 감싸고서 보온시키는 단열재와;

   상기 가습기통의 내부 온도를 검출하여 상기 밴드히터를 제어하는 온도조절기로 출력하는 온도 검출기와;

   상기 가습기 통 상부의 가스 토출관 상에 설치되어 무가습 운전시 가습기통의 수분이 토출관으로 유입되는 것을 차단하기 위한 차단밸브와;

   상기 가스 토출관의 외벽에 설치되어 라인온도 조절기의 제어에 의해 상기 가스 토출관내의 온도를 유지시키도록 가열하는 라인히터와;

   상기 가스토출관내의 온도를 검출하여 상기 라인온도 조절기로 출력하는 라인온도 검출기와;

   상기 라인히터의 외측을 포함하여 가스토출관을 감싸고서 보온시키는 보온재 및

   상기 물공급관과 상기 가스토출관 사이에 설치되어 가습기통 내부의 수위를 확인할 수 있도록 하는 액위계를 포함하여 구성되되,

   상기 가습기 통의 내벽에는 테프론 코팅이 이루어지고, 가스기 통의 하부면은 가습기통 외측으로 돌출되지 않고 내측으로 삽입 분해조립이 가능하게 설치되는 내부 플랜지가 설치된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가습 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스공급관은,

   상기 가습기통 내부로 인출되어 그 단부에 버블러가 더 포함되어 설치된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가습 장치.
4. 삭제

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