KR100821770B1 - 연료전지용 하이브리드 가습 장치 - Google Patents

연료전지용 하이브리드 가습 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 하이브리드 가습 장치에 관한 것으로, 원통형의 본체 일측에 형성되어 공기 블로어로부터 공급된 건조한 공기가 유입되는 공기 유입구; 상기 본체의 타측에 형성되어 상기 건조한 공기가 가습된 후 배출되는 공기 배출구; 상기 본체의 내부에 삽입되되 서로 간섭되지 않을 정도의 이격 간격을 갖도록 배열되며, 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤한 공기를 상기 본체 내부로 전달하는 다수의 관통 홀이 형성된 원통 형상의 복수의 가습 관; 상기 본체의 내측에 수용되어 상기 가습 관으로부터 배출되는 수분을 상기 건조한 공기로 전달하는 중공사막 모듈; 및 상기 본체 내부의 건조한 공기를 가습한 후의 잔여 공기가 배출되는 서브 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 하이브리드 가습 장치를 제공한다. 이에 중공사막 모듈의 사이에 습윤한 공기를 공급하는 가습 관을 설치함으로써 가습 장치 내부로 유입되는 건조한 공기를 골고루 가습할 수 있어 가습 장치의 효율이 향상된다.
연료전지, 가습 장치, 중공사막, 가습 관, 히터, 관통 홀, 가습

Description

연료전지용 하이브리드 가습 장치{A hybrid humidifier for a fuel-cell}
도 1은 종래의 중공사막 가습 장치를 도시한 횡단면도.
도 2는 도 1에 따른 중공사막 모듈의 사시도.
도 3은 도 1에 따른 중공사막 가습 장치의 공기 유동을 분석한 도면.
도 4는 본 발명의 공기 공급 라인을 도시한 모식도.
도 5는 도 4에 따른 하이브리드 가습 장치를 도시한 횡단면도.
도 6은 도 5에 따른 가습 관의 확대도.
도 7은 도 5에 따른 가습 관의 설치 상태를 개략적으로 도시한 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 공기 블로어 200 : 연료전지 스택
300 : 하이브리드 가습 장치 310 : 본체
314 : 공기 유입구 318 : 공기 배출구
319 : 서브 배출구 320 : 중공사막 모듈
330 : 가습 관 332 : 관 유입구
334 : 관통 홀 336 : 히터
본 발명은 연료전지용 하이브리드 가습 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤한 공기를 가습 장치 내부로 공급하는 복수의 가습 관을 가습 장치 내부에 설치함으로써 가습 장치 내부를 골고루 가습하여 가습 효율을 향상시킨 연료전지용 하이브리드 가습 장치에 관한 것이다.
연료전지 차량은 산소와 수소의 반응에 의해 발생한 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 내부의 연료전지에 의해 발생한 구동력으로 작동한다. 이때 연료전지의 작동을 위해서는 연료전지 내의 전해질 가습이 필요하다.
일반적으로 공기 블로어에 의해 차량의 외부로부터 건조한 공기를 흡입하면, 건조한 공기가 가습 장치를 통해 가습되어 연료전지 스택으로 공급된다. 가습 장치는 연료전지 스택 내부에서 반응에 사용된 후 고온 다습해진 공기를 이용해 외부로부터 유입된 건조한 공기를 가습하는데 사용하게 된다.
가습 장치의 종류로는 초음파 가습, 스팀 가습, 기화식 가습 등의 방법을 이용한 가습 장치 등이 있으나 연료전지에서는 전력소비량이 적고, 설치 공간을 많이 필요로 하지 않는 컴팩트한 사이즈의 가습 장치가 요구된다. 따라서 연료전지에서는 중공사막을 이용한 가습 장치가 주로 사용된다.
첨부된 도 1은 종래의 중공사막 가습 장치를 도시한 횡단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 중공사막 모듈의 사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 중공사막 가습 장치의 공기 유동을 분석한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 중공사막 가습 장치(1)는 하우 징(10)의 일측에 건조 공기가 유입되는 제1 유입구(20)가 형성되고 타측에 가습 장치(1) 내부에서 가습된 공기가 배출되는 제1 유출구(30)가 형성된다. 하우징(10)의 내부에는 중공사막(64)이 수납된 다수의 모듈 하우징(62)으로 구성된 중공사막 모듈(60)이 삽입된다.
하우징(10)의 일측에는 연료전지 스택으로부터 배출되는 고온 다습한 공기가 유입되는 제2 유입구(40)와, 가습 장치(1) 내부를 가습한 공기가 배출되는 제2 유출구(50)가 형성된다. 제2 유입구(40)를 통해 유입된 고온 다습한 공기 중의 수분은 중공사막(64)의 모세관 현상에 의해 분리되어 중공사막(64)의 내부로 이동한다. 이동된 수분은 중공사막(64)의 길이 방향을 따라 통과하는 건조한 공기를 가습하게 되고, 가습된 공기는 제1 유출구(30)를 통해 배출되어 연료전지 스택으로 공급된다.
그런데 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 외부로부터 유입되는 건조한 공기는 중공사막 모듈(60)의 중앙 부분(A)으로 집중되어 공급되고, 가습을 위해 이동된 습한 공기는 그 확산 속도가 느려 중공사막 모듈(60)의 중앙 부분으로 침투되기 어렵다. 가습 장치(1)의 가장자리 부분(B)은 습도가 높지만 가습할 공기가 없으므로 가습 장치(1)의 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 연료전지 스택으로부터 유입되는 습윤한 공기는 수증기뿐만 아니라 연료전지 내부에서 반응에 의해 생성된 물도 함께 가습 장치의 내부로 공급하므로 날씨가 추운 경우 가습 장치 내부로 유입된 물이 얼어 가습 효율이 저하되는 문제가 있다.
게다가 가습 장치의 효율이 저하되면 원하는 효율을 얻기 위해 필요 이상의 중공사막 튜브 사용하다 보니 원가가 상승하고 가습 장치의 크기 또한 성능에 비해 커지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 가습 장치의 내부로 골고루 건조한 공기가 유입되어 골고루 가습되도록 함으로써 가습 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 하이브리드 가습 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원통형의 본체 일측에 형성되어 공기 블로어로부터 공급된 건조한 공기가 유입되는 공기 유입구; 상기 본체의 타측에 형성되어 상기 건조한 공기가 가습된 후 배출되는 공기 배출구; 상기 본체의 내부에 삽입되되 서로 간섭되지 않을 정도의 이격 간격을 갖도록 배열되며, 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤한 공기를 상기 본체 내부로 전달하는 다수의 관통 홀이 형성된 원통 형상의 복수의 가습 관; 상기 본체의 내측에 수용되어 상기 가습 관으로부터 배출되는 수분을 상기 건조한 공기로 전달하는 중공사막 모듈; 및 상기 본체 내부의 건조한 공기를 가습한 후의 잔여 공기가 배출되는 서브 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 하이브리드 가습 장치를 제공한다.
상기 가습 관은 상기 공기 유입구 및 공기 배출구를 관통하여 상기 공기 유입구 및 공기 배출구의 외측까지 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가습 관은 상기 건조한 공기의 유입 방향과 반대가 되도록 상기 공기 배출구 쪽에 습윤한 공기를 상기 가습 장치 내부로 유입시키는 관 유입구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가습 관은 상기 공기 배출구 쪽 단부에 상기 연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤한 공기를 가열하여 기화시키는 히터가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 하이브리드 가습 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도 4는 본 발명의 공기 공급 라인을 도시한 모식도이고, 도 5는 도 4에 따른 하이브리드 가습 장치를 도시한 횡단면도이다. 또한, 도 6은 도 5에 따른 가습 관의 확대도이며, 도 7은 도 5에 따른 가습 관의 설치 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 공급 라인은 차량의 외부로부터 공기를 흡입하는 공기 블로어(100)와, 공기 블로어(100)를 통해 유입된 공기를 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 습윤한 공기를 이용해 가습하여 연료전지 스택(200)으로 공급하는 하이브리드 가습 장치(300)로 구성된다.
하이브리드 가습 장치(300)는 원통 형상의 본체(310)와, 본체(310)의 내부에 수납되어 건조한 공기를 가습하기 위한 중공사막 모듈(320)과, 연료전지 스택(200)으로부터 습윤한 공기를 공급하는 가습 관(330)을 포함하여 구성된다.
본체(310)의 일단에는 공기 블로어(100)로부터 유입된 건조한 공기를 내부로 안내하는 원추 형상의 유입 안내부(312)와, 유입 안내부(312)를 통과한 건조 공기 가 유입되는 공기 유입구(314)와, 가습된 공기가 배출되는 공기 배출구(318)와, 가습된 공기를 외부로 안내하는 원추 형상의 배출 안내부(316)로 구성된다. 또한, 본체(310)의 측면에는 가습 관(330)으로부터 배출되어 가습 장치(300)의 내부를 가습한 공기가 배출되는 서브 배출구(319)가 형성된다.
중공사막 모듈(320)은 본체(310)의 내부에 수납되어 가습 관(330)으로부터 배출되는 습윤한 공기로부터 수분을 분리하는 다공성의 중공사 막(종래도 2의 64번 참조)을 원통형으로 묶은 다수의 중공사막 튜브로 구성된다.
중공사막 모듈(320)은 가습 장치(300)의 내부를 채우고 있어 외부로부터 유입된 건조한 공기가 중공사막 모듈(320)을 통과해야 가습 장치(300)의 외부로 나갈 수 있다. 따라서 건조한 공기는 중공사막 모듈(320)의 내부를 통과해서 가습 장치(300)를 지나가게 되고, 이 과정에서 가습된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 가습 관(330)은 원통 형상으로 구비되며, 다수의 관통 홀(334)이 관통 형성되어 있다. 가습 관(330)은 공기 배출구(318) 쪽 일단에 관 유입구(332)가 형성되며, 이곳을 통해 연료전지 스택(200) 내부에서 반응에 사용되고 배출되는 습윤한 공기가 가습 장치(300)의 내부로 공급된다.
가습 관(330)은 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 간섭하지 않을 정도의 간격을 두고 복수 개가 이격 설치되는 것이 바람직하다. 이는 가습 장치(300)의 내부에 골고루 수증기가 배출되도록 함으로써 가습 효율을 향상시키기 위함이다.
가습 관(330)의 관 유입구(332) 쪽에는 히터(336)가 설치되며, 히터(336)는 관 유입구(332)를 통과한 습윤한 공기를 가열하여 공기 중의 수분을 기화시켜 수증 기로 만든다.
히터(336)에 의해 습윤한 공기 중에 포함된 수분이 수증기가 되고, 연료전지 스택(200)으로부터 공급되는 공기 중에 포함되어 있던 원래의 수증기와 함께 가습 장치(300) 내부로 배출된다.
관 유입구(332)에 히터(336)가 설치되므로 가습 장치(300) 내부로 유입되는 수분 및 물이 수증기로 변화하여 공급되어 중공사막 주변에 물이 얼어붙어 생기는 가습 장치의 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 관통 홀(334)의 크기가 작기 때문에 관통홀()을 통과하는 수증기는 좁은 곳에서 넓은 곳으로 배출되면서 배출 속도가 빨라진다. 배출 속도가 빨라진 상태에서 상대적으로 넓은 곳으로 배출되므로 확산 속도가 증가해 주변의 중공사막 모듈(320)로 수분이 빠르게 확산될 수 있다. 이에 따라 가습 장치(300)의 효율이 증가될 수 있음은 물론이다.
한편 가습 관(330)은 도 5에 도시된 바와 같이, 공기 유입구(314) 및 공기 배출구(318)를 관통해 공기 유입구(314) 및 공기 배출구(318)의 외측까지 연장 형성된다. 가습 관(330)이 공기 유입구(314)의 외측까지 연장 설치되고 서로 이격되어 설치되므로, 유입 안내부(312)를 통과한 공기가 가습 관(330)의 단부에 부딪혀 그 경로가 바뀌게 된다.
따라서 건조 공기의 유입시 가습 장치(300)의 중앙 부분(C)으로만 공기 유동이 나타나는 것이 아니라, 가습 장치(300)의 가장자리 부분(D)까지 공기가 지나갈 수 있으므로 가습 장치(300)의 효율이 향상되는 효과가 있다.
가습 관(330)의 형태(직경이나 길이, 관통 홀의 크기 등)나 개수를 변화시킴으로써 가습 장치(300)의 효율을 적절하게 조절할 수 있다.
이와 같이 가습 장치(300)의 효율이 전체적으로 증가하므로 가습 효율을 유지하기 위해 과도한 양의 중공사막 튜브를 사용하지 않아도 되므로 값비싼 중공사막에 따른 원가를 절감할 수 있으며, 가습 장치(300)의 크기가 작아지는 효과가 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 하이브리드 가습 장치에 있어서, 가습 장치 내부의 공기가 가습되는 과정을 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 공기 블로어(100)를 통해 외부로부터 유입된 건조한 공기는 유입 안내부(312)를 통해 가습 장치(300)의 본체(310)로 유입된다. 유입된 건조 공기는 가습 관(330)의 단부에 부딪혀 골고루 확산되어 다양한 경로를 따라(C, D) 공기 유입구(314)로 유입된다. 공기 유입구(314)를 통해 유입된 건조한 공기는 중공사막 모듈(320)을 지나게 된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(200)에서 반응에 관여한 후 고온 다습한 상태로 배출되는 습윤한 공기는 관 유입구(332)를 통해 가습 관(330) 내부로 유입된다. 이때 히터(336)에 의해 습윤한 공기 중의 수분이 모두 수증기로 기화된다. 기화된 수증기를 포함한 공기는 다수의 가습 관(330)에 형성된 관통 홀(334)을 통해 배출되면서 중공사막 모듈(320) 전체로 골고루 확산된다.
배출된 공기 중에 포함된 수증기는 모세관 현상에 의해 중공사막을 통과해 내부로 유입되고, 중공사막의 내부로 유입된 수분은 외부로부터 유입된 건조한 공기를 가습하는데 사용된다.
수증기를 빼앗긴 공기는 서브 배출구(319)를 통해 가습 장치(300)의 외부로 배출되어 차량의 외부로 배기 된다. 반대로 외부로부터 유입된 건조한 공기는 중공사막 모듈(320)을 통과하면서 가습되어 습윤한 상태로 공기 배출구(318)를 통과해 배출 안내부(316)를 통해 가습 장치(300)의 외부로 배출되고, 연료전지 스택으로 공급된다.
한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 하이브리드 가습 장치는 중공사막 모듈의 사이에 습윤한 공기를 공급하는 가습 관을 설치함으로써 가습 장치 내부로 유입되는 건조한 공기를 골고루 가습할 수 있어 가습 장치의 효율이 향상된다.
또한, 가습 관이 공기 유입구로 유입되는 공기를 분산시키는 역할을 하여 중공사막 모듈의 중앙으로만 흐르던 건조 공기의 흐름을 분산시켜 가습 장치의 효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 가습 관의 관 유입구에 히터가 설치되므로 가습 장치 내부로 유입되는 수분 및 물이 수증기로 변화하여 공급되므로 중공사막 주변에 물이 얼어붙어 가습 장치의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
가습 관의 형태 및 개수를 변화시켜 가습 효율을 조절할 수 있음은 물론이고, 가습 관으로 유입된 습윤한 공기가 관통 홀을 통해 분산되면서 분산 속도가 빨라져 가습 효율이 증대되는 효과가 있다.
가습 관의 도입에 의해 전체적인 가습 장치의 성능이 향상되므로 과도한 양의 중공사막 튜브를 사용하지 않아도 되므로 원가 절감은 물론 가습 장치의 크기 감소에도 기여할 수 있다.

Claims (4)

  1. 원통형의 본체(310) 일측에 형성되어 공기 블로어(100)로부터 공급된 건조한 공기가 유입되는 공기 유입구(314);
    상기 본체(310)의 타측에 형성되어 상기 건조한 공기가 가습된 후 배출되는 공기 배출구(318);
    상기 본체(310)의 내부에 삽입되되 서로 간섭되지 않을 정도의 이격 간격을 갖도록 배열되며, 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 습윤한 공기를 상기 본체(310) 내부로 전달하는 다수의 관통 홀(334)이 형성된 원통 형상의 복수의 가습 관(330);
    상기 본체(310)의 내측에 수용되어 상기 가습 관(330)으로부터 배출되는 수분을 상기 건조한 공기로 전달하는 중공사막 모듈(320); 및
    상기 본체(310) 내부의 건조한 공기를 가습한 후의 잔여 공기가 배출되는 서브 배출구(319)를 포함하며,
    상기 가습 관(330)은 상기 공기 유입구(314) 및 공기 배출구(318)를 관통하여 상기 공기 유입구(314) 및 공기 배출구(318)의 외측까지 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 하이브리드 가습 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가습 관(330)은 상기 건조한 공기의 유입 방향과 반대가 되도록 상기 공기 배출구(318) 쪽에 습윤한 공기를 상기 가습 장치(300) 내부로 유입시키는 관 유입구(332)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 하이브리드 가습 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가습 관(330)은 상기 공기 배출구(318) 쪽 단부에 상기 연료전지 스택(200)으로부터 공급되는 습윤한 공기를 가열하여 기화시키는 히터(336)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 하이브리드 가습 장치.
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