KR100828095B1

KR100828095B1 - 연료전지용 가스 가습장치

Info

Publication number: KR100828095B1
Application number: KR1020070017794A
Authority: KR
Inventors: 나일채
Original assignee: 주식회사 씨엔엘에너지
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-05-08

Abstract

본 발명은 연료전지의 가스 가습장치에 관한 것으로서, 플랜지 타입 덮개가 구비되고, 물을 공급하여 가열수단에 의해 가열하는 가습기 통과, 상기 덮개를 관통해서 삽입되어 물속의 하부에서 가스를 분사하도록 설치되는 가스 공급관과, 상기 가습기 통의 내부에서 상기 물의 상부에 이격되게 다단으로 설치되어 버블을 제거하는 다단의 통기형 격판과, 상기 가습기 통의 덮개를 관통해서 가습 가스 배출구가 설치되어 가습 가스를 연료전지 측으로 공급하는 가습 가스 출력관을 포함하여 가스 가습장치를 구성함으로써, 가스관을 물 온도로 가열하고, 상부에서 버블을 차단시킴으로써 가습 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

연료전지, 가스, 온도, 가습, 가열, 격판, 버블

Description

연료전지용 가스 가습장치{a gas humidifier for a fuel cell}

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지용 가스 가습장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 가스 가습장치 구성을 보인 개략 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가습기 통 11 : 내통

12 : 밴드 히터 13 : 단열재

14 : 외통 20 : 가스 공급관

21 : 유량조절장치 22 : 가습/무가습 밸브

23 : 가스 분사기 23a : 다공성 석재

30 : 물공급 장치 31 : 솔밸브

33 : 체크밸브 40 : 액위계

41 : 수위센서 51 : 덮개

52 : 단열재 53 : 덮개 외판

60 : 격판 61 : 지지대

70 : 가습 가스 출력관 71 : 가스관

72 : 라인히터 73 : 단열재

74 : 외피 77, 75, 32 : 제1, 제2, 제3 분지관

76 : 체크밸브 80 : 온도센서

81 : 온도 감지기

본 발명은 연료전지용 가스 가습장치에 관한 것으로, 특히 가습기 통 내부에서 가스관을 예열 시키고, 버블러를 통해 가열된 물에 가스를 투입할 때 상부에 메쉬를 설치하여 공기방울이 생기지 않도록 함으로써 가습 효과를 높일 수 있도록 한 연료전지용 가스 가습장치에 관한 것이다.

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

종래의 연료전지용 가습장치의 일예로서, 한국공개특허 2003-0070447호가 알려져 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지용 가습장치의 단면이다.

가습기 가스 공급관(3)을 통해 공급되는 반응가스를 가습시키는 용기(1)와, 가습 상태 조절 밸브(2), 용기(1) 내부에 있는 물의 양을 확인할 수 있는 액위계(5), 액위계(5)와 연결되어 반응가스의 가습에 필요한 물을 용기(1)에 공급 하는 물 공급관(8), 용기(1) 내부에 저장되어 있는 물의 양에 따라 물을 보충하기 위한 물 보충용 밸브(7), 용기 가열기(1a), 가스 분산기(4) 및 가습된 반응가스를 연료전지에 공급하는 연료전지 가스 공급관(6)으로 구성된다. 6a는 연료전지 가스 공급관(6)의 온도 유지를 위한 라인히터 및 단열재이다.

여기서, 용기(1)는 가습기 가스 공급관(3)의 일측이 내부로 삽입되어 있고 연료전지 가스 공급관(6)의 일측이 일체로 연결되어 있는 밀폐된 가습통으로서, 고압에서도 사용할 수 있으므로 연료전지의 상압 운전뿐만 아니라 가압운전에도 사용할 수 있다.

그리고, 가습 상태 조절 밸브(2)는 가습기 가스 공급관(3)에 위치하여 연료전지 가스 공급관(6)에서 분기된 일측과 연결되어 개폐 상태에 따라 반응가스의 유로 변경을 통해 반응가스의 가습 상태를 조절한다.

즉, 반응가스를 용기(1)에서 가습시킨 후 연료전지에 공급하는 가습 운전의 경우, 가습 상태 조절 밸브(2)를 가습상태로 하여 용기(1) 하단으로 삽입된 가습기 가스 공급관(3)을 통해 공급되는 반응가스가 용기(1)에서 가습된 후 연료전지 가스 공급관(6)을 통해 연료전지에 공급되도록 한다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 가습장치는, 가습기 용기(1)의 내부에서 가스 분산기(4)를 통해서 가스가 물 속으로 분사되면 기포가 발생되어 그대로 물위로 올라가게 되어 가습 효과가 매우 떨어진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 가습장치의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 가습 기통의 상부에 메쉬형 격벽을 설치하여 가스에 의한 버블이 포함되지 않도록 함으로써 가습 성능을 향상시키도록 한 연료전지용 가스 가습장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 가스 공급관을 가열된 물속으로 통과시켜 미리 물 온도로 가스가 예열되게하여 가습 성능을 높일 수 있도록 한 연료전지용 가스 가습장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 물공급수단을 통해 가습기 통 내부로 물을 공급하여 가열하고 가습기통 내부로 가스를 공급하여 가습된 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가스 가습장치에 있어서, 상기 가습기통 내부의 상부에 물과 이격되게 복수의 망사형 격판을 설치하여 끓는 물에 의해 발생되는 버블을 제거하여 가습 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하도록 연료전지용 가습장치를 구성함으로서 달성된다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 가습기 통 내부에서 물을 가열하고 가스를 공급하여 가습된 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가스 가습장치에 있어서, 상기 가스기통의 상부에서 가스 공급관을 삽입 설치하여 가습기 통 내부에서 상기 가스 공급관이 물속에 잠겨 가열된 물에 의해 예열시킨 후 물속으로 가스를 공급하도록 연료전지용 가습장치를 구성함으로써 달성된다.

상기 가습기 통의 내부에 삽입된 상기 가스 공급관은, 가스유량 조절장치에 서 공급되는 가스를 가습/무가습 선택 밸브를 통해 상기 가습기통 상부에서 내부로 관통하여 설치되고, 가습기 통 내부에서 코일형으로 권회되어 물속에 잠기도록 설치되며, 코일형 가스 공급관의 중앙 하방에서 가스분사기를 이용해 물속으로 가스를 분사하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 가습기 통은, 내통과, 플랜지 타입 덮개와, 상기 내통 외주면에 설치되는 밴드히터와, 상기 밴드히터의 외측면, 내통의 하면과, 상기 덮개를 포함하는 가습기통 전체를 감싸고서 설치되는 단열재를 포함하여 구성된다.

상기 가습기통의 덮개를 관통하여 가습된 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 가습 가스 출력관은, 상기 덮개의 상부로 연통되는 가스관에 연결되고 액위계의 관로와 연결시키는 제1분지관과, 제1분지관의 상부에 설치되는 역류 방지용 체크밸브와, 상기 체크밸브의 상부에 설치되어 상기 가습/무가습 밸브에 의해 무가습시 가스를 유입받도록 설치된 제2분지관과, 상기 가습 가스 출력관의 전체를 감싸고서 설치되는 라인히터와, 그 라인히터의 외측부분 전체를 감사고서 설치되는 단열재를 포함하여 구성된다.

상기 물공급 수단은, 물공급장치로부터 물공급을 조절하는 솔밸브와, 솔밸브의 앞단에 연결되어 상기 가습기통 내부로 물을 공급함과 아울러 액위계와 연결되는 제3분지관으로 구성되며, 상기 액위계는, 상기 제1분지관과 상기 제3분지관 사이에 외부에서 수위를 확인할 수 있도록 연결되고, 그 사이에 수위센서가 설치되어 구성된다. 그리고, 상기 가습기통 내부에는 온도센서가 설치되어 외부에서 온도감지기에 의해 가습기통 내부물 온도를 감지하여 밴드히터의 가열제어를 할 수 있도 록 구성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 가습장치의 구성을 보인 개략 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지용 가습장치는,

가열수단이 포함되는 가습기통(10)과, 가습기 통(10)에 물을 공급하는 물공급장치(30)와, 가습기 통(10)에 가스를 공급하는 가스 유량조절장치(21)와, 상기 가습기 통(10)의 수위를 표시하는 액위계(40)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 가습장치에 있어서, 상기 가스 유량조절장치(21)로부터 공급된 가스를 상기 가습기 통(10)에 공급하는 가스 공급관(20)을 코일형으로 형상을 가공하여 상기 가습기 통(10)의 내부의 물속에 안착시키고, 상기 가스 공급관(20)의 일측 단부는 가습기 통(10)의 덮개(51)를 관통시켜 가습/무가습 밸브(22)의 일측단에 연결하고, 그 가습/무가습 밸브(22)의 입력단에 상기 가스 유량 조절장치(21)를 연결 설치한다. 상기 가스 공급관(20)의 타측 단부에는 가습기 통(10)의 하부 중앙에서 가스를 물속으로 분사하도록 가스 분사기(23)가 연결설치된다.

상기 가습기 통(10)에는 플랜지 타입 덮개(51)가 고정볼트(54)에 의해 상기 가습기통(10)과 체결되도록 설치되며, 덮개(51)에는 복수개의 지지대(61)가 가습기 통(10)의 내부 방향으로 돌출 설치되고, 상기 지지대(61)에는 다단의 통기형 격판(60)이 설치되며, 덮개(51)를 관통해서 가스관이 설치되어 연료 전지의 스택측으 로 가습 가스를 공급하는 가습가스 출력관(70)이 연결되며, 아울러 덮개(51)에는 단열재(52)가 설치되고 단열재(52)의 외부에 외판(53)이 설치되어 구성된다.

상기 가습기통(10)은 내통(11)과, 내통(11)의 외측벽에 설치되는 밴드히터(12)와, 상기 밴드히터(12)의 외측 및 상기 내통(11)의 하면을 감싸고서 설치되는 단열재(13) 및 그 단열재(13)의 외피를 이루는 외통(14)으로 구성된다.

상기 가습 가스 출력관(70)은, 상기 덮개(51)의 상부로 연통되는 가스관에 연결되고 액위계(40)의 관로와 연결시키는 제1분지관(77)과, 제1분지관(77)의 상부에 설치되는 역류 방지용 체크밸브(76)와, 상기 체크밸브(76)의 상부에 설치되어 상기 가습/무가습 밸브(22)에 의해 무가습시 가스를 유입받도록 설치된 제2분지관(75)과, 상기 가습 가스 출력관(70)의 전체를 감싸고서 설치되는 라인히터(72)와, 그 라인히터(72)의 외측부분 전체를 감싸고서 설치되는 단열재(73)를 포함하여 구성된다. 여기서 미설명부호 71은 가스관이며, 74는 단열재(73)를 보호하기 위한 외피를 나타낸다.

상기 액위계(40)는, 상기 가스 출력관(70)의 제1분지관(77)과 상기 물공급장치(30)에서 상기 가습기 통(10)으로 연결되는 물 공급관에 설치된 제3분지관(32)에 연결하여 가습기 통(10) 내부의 수위를 표시하도록 구성된다.

그리고, 상기 액위계(40)에 수위 검출 센서(41)를 설치하여 수위에 따라 물공급을 제어하도록 물공급장치(30)의 앞단에 솔밸브(31)를 설치함과 아울러 물의 역류를 방지하는 체크밸브(33)을 설치하여 구성된다.

상기 격판(60)은 적어도 1단 이상을 설치하되 2~3단 설치하는 것이 바람직하 다. 통기형 격판이란, 작은 메쉬를 가진 판 즉, 망사형 판을 말하며, 이는 가스를 공급하여 버블이 발생 되었을 때, 격판에서 버블이 부딪혀 터지게 함으로써 통과 못하게 하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 물공급장치(30)에서 솔밸브(31)를 열어서 물을 공급하고, 가습기 통(10)의 외측면에 설치된 밴드 히터(12)를 구동시켜 가습 기통(10)내의 물을 가열하게 된다. 이때 액위계(40)에서 가습기 통(10)내의 수위를 확인하고, 상한 수위인 경우 수위센서(41)의 수위 검출에 의해서 솔밸브(31)를 닫아서 물공급을 중단한다.

그리고, 가스 유량조절장치(21)로부터 가스 공급관(20)으로 가스 공급을 개폐하는 가습/무가습 밸브(22)를 선택 개폐하여 가습 모드로 전환하면, 가스가 가습기 통(10)의 내부에 설치된 가스 공급관(20)으로 공급되어 물에 의해 예열된 후 가스 공급관(20)의 가스 분사기(23)를 통해 가스가 물속으로 분사된다.

본 발명의 특징은 가스 공급관(10)을 코일형으로 형상을 가공하여 가습기 통(10)내의 물속에 코일형 형상부가 잠기도록 설치한 것으로서, 물이 가열되면서 가스 공급관(20)으로 열전달이 되어 가스도 물 온도와 같은 온도로 가열되어 공급된다. 이와 같이 가스 공급관(20)을 물속에 잠기게 설치하면, 물과 함께 가스도 가열된다. 상기 가습기통(10)내부의 물온도는 온도센서(80)에 의해 온도감지기(81)가 온도를 감지하여 콘트롤러(도면에 도시안됨)에 의해 밴드히터(12)의 가열제어를 하여 원하는 온도가 되도록 제어한다.

일정한 온도와 가스 유량(가스압)만 일정하게 유지하면 가습량이 일정하게 유지된다, 따라서 본 발명에서는 가습량을 안정적으로 유지함으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 가스 공급은 가스 분사기(23)를 이용하여 가스를 공급하되, 이는 가운데 중공이 형성된 다공성 석재(23a)에 가스 공급관(20)의 단부를 결합시키고 상하면이 막힌 탭으로 가스 분사기(23)를 구성하여 가스가 다공성석재(23a)의 전면으로 서서히 스며나오는 형태로 공급하게 한 것이다. 이는 단순히 가스관 단부를 개구시켜 가스를 물속에 공급하면 버블 발생으로 인해 제대로된 가습 효과를 얻을 수 없기 때문에 미세하게 가스가 분산되어 물속에 공급될 수 있도록 하기 위한 것이다

또한, 상기와 같이 분사기(23)를 이용하여 버블 발생을 억제한다고 하더라도, 물을 가열하고 하부에서 가스를 공급하게 되면 물을 통과한 가스중에 버블이 발생되고, 수막으로 이루어진 버블이 가스와 함께 공급되다가 응축되거나 하는 등의 문제점이 있었는데 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 물 표면의 상부에 다단의 망사형 격판(60)을 설치한 것이다. 이는 버블이 튀어 오른다고 하더라도 망사형 격벽에 부딪히면서 터지기 때문에 버블이 제거되고 순수하게 가습된 가스만 가습 가스 출력관(70)으로 출력된다.

그리고 본 발명에서는 가습기 통(10)의 측면 뿐만 아니라 바닥면과 덮개(51)에도 단열재를 설치하여 전체를 감싸도록 함으로써 가습기 통(10)내의 물의 온도가 상하 차이없이 전체적으로 안정된 온도를 유지할 수 있게 된다. 즉, 물의 상하 온도 편차를 최소화 시킴으로써 안정된 가습량을 얻을 수 있게 된다.

또한, 덮개(51)는 플랜지 타입 구조로 구성하여 가습기 통(10)의 상부에 볼트로 체결하여 밀봉시킬 수 있도록 구성함으로써 쉽게 분해 조립이 가능하므로, 유지보수가 간편해진다. 즉, 분사기(23)와 격판(60)등은 주기적으로 청소를 해서 막히지 않도록 유지해야하는 것으로서 덮개(51)를 간편히 분해하여 내부 삽입 부품들을 교체 또는 청소해주고 다시 쉽게 결합시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 가스 출력관(70)에 설치된 체크밸브(76)는, 무가습 운전시 가습/무가습 밸브(22)에서 공급되는 무가습 가스가 가스 출력관(70)을 타고 역류하여 가습기통(10)내부로 유입되었다가 가습된 가스가 연료전지측으로 공급되는 것을 방지 하기 위한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 가습장치는, 가습기 통내의 물을 가열할 때 가스 공급관이 물속에 잠기도록 설치함으로써 가스도 물과 함게 가열되어 가습 성능을 높일 수 있다. 또한 본 발명은 물의 위에 격판을 설치하여 버블을 차단 시킴으로써 가습 성능을 향상시키는 효과가 있다. 또한 본 발명은 가습 기통의 측면 뿐아니라 바닥면과 덮개부에도 단열재를 설치하여 가습기 통 내부의 물 온도 편차를 최소화하여 가습 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

물공급수단을 통해 가습기 통 내부로 물을 공급하여 가열하고 가습기통 내부로 가스를 공급하여 가습된 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가스 가습장치에 있어서,

상기 가습기통 내부의 상부에 물과 이격되게 복수의 망사형 격판을 설치하여 끓는 물에 의해 발생되는 버블을 제거하여 가습 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
가습기 통 내부에서 물을 가열하고 가스를 공급하여 가습된 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가스 가습장치에 있어서,

상기 가스기통의 상부에서 가스 공급관을 삽입 설치하여 가습기 통 내부에서 상기 가스 공급관이 물속에 잠겨 가열된 물에 의해 예열시킨 후 물속으로 가스를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
제 2 항에 있어서, 상기 가습기 통의 내부에 삽입된 상기 가스 공급관은,

가스유량 조절장치에 연결된 가습/무가습 선택 밸브의 연결되어 상기 가습기통 상부에서 내부로 관통하여 설치되고, 가습기 통 내부에서 코일형으로 권회되어 물속에 잠기도록 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
제 3 항에 있어서, 상기 코일형 가스 공급관의 중앙 하방에서 가스를 물속으로 분사하는 가스 분사기를 더 포함하되,

상기 가스 분사기는,

가운데 중공이 형성된 다공성 석재(23a)에 가스 공급관(20)의 단부를 결합시키고 상하면이 막힌 탭으로 가스 분사기(23)를 구성하여 가스가 다공성석재(23a)의 표면으로 스며나와 물속으로 가스를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
가열수단이 포함되는 가습기통(10)과, 가습기 통(10)에 물을 공급하는 물공급장치(30)와, 가습기 통(10)에 가스를 공급하는 가스 유량조절장치(21)와, 상기 가습기 통(10)의 수위를 표시하는 액위계(40)를 포함하여 구성되는 연료전지의 가스 가습장치에 있어서,

상기 가습기 통(10)의 상면을 밀봉시키는 플랜지 타입 덮개(51)와;

코일형으로 형상이 가공되어 가습기 통(10)의 내부에 안착시키고, 일측 단부는 가습기 통(10)의 덮개(51)를 관통시켜 가습/무가습 밸브(22)를 통해서 상기 가스 유량 조절장치(21)에 연결 설치하고, 타측 단부는 가습기 통(10)의 내부의 하면 중앙에 위치되게 설치된 가스 공급관(20)과;

상기 덮개(51)에 하향으로 고정 설치되는 복수개의 지지대(61)와;

상기 가습기 통(10)의 내부에서 상기 지지대(61)에 다단으로 설치되는 통기형 격판(60)과;

상기 덮개(51)를 관통해서 가습기 통(10)에서 가습된 가습가스를 연료전지 본체측으로 공급하는 가습 가스 출력관(70)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스 가습장치.
제 5 항에 있어서, 상기 가스 출력관(70)에는 무가습 운전시 무가습 가스가 가습기통(10)으로 역류하지 않도록 하는 체크밸브(76)가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스 가습장치.
제 5 항에 있어서, 상기 가스 출력관(70)은,

상기 가습기통(10)의 덮개 상부로 관통된 가스관(71)에 설치되어 상기 액위계(40)와 연결되는 제1분지관(77)과, 상기 제1분지관(77)의 상부에 연결설치되어 무가습 운전시 가스의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(76)와, 상기 체크 밸브의 상부에 연결되고 가습/무가습 밸브(22)와 연결되어 무가습 가스를 공급받는 제2분지관(75)을 포함하고,

상기 가스 출력관 전체를 감싸고서 가열하여 온도를 유지시키기 위한 라인히터(72)와, 그 라인히터 외측부에 설치되는 단열재(72)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스 가습장치.
제 5 항에 있어서, 상기 가스 공급관(20)의 타측 단부에는 가습기 통(10)의 하부 중앙에서 가스를 물속으로 분사하도록 가스 분사기(23)가 더 연결 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스 가습장치.
제 5 항에 있어서, 상기 가습기 통(10)은,

내통(11)과,

내통(11)의 외측에 감싸지도록 설치되는 밴드 히터(12)와,

밴드 히터(12)의 외측을 감싸고 아울러 상기 내통(11)의 바닥면을 감싸고서 설치되는 단열재(13) 및 상기 단열재 외측면에 설치되는 외통(14)으로 구성되며,

상기 덮개(51)에도 덮개부(51)의 내측면에 단열재(52)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스 가습장치.