KR101535026B1 - 연료전지용 가습장치 - Google Patents

연료전지용 가습장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101535026B1
KR101535026B1 KR1020140071231A KR20140071231A KR101535026B1 KR 101535026 B1 KR101535026 B1 KR 101535026B1 KR 1020140071231 A KR1020140071231 A KR 1020140071231A KR 20140071231 A KR20140071231 A KR 20140071231A KR 101535026 B1 KR101535026 B1 KR 101535026B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dry air
supply pipe
wet air
air supply
wet
Prior art date
Application number
KR1020140071231A
Other languages
English (en)
Inventor
노용규
김현유
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020140071231A priority Critical patent/KR101535026B1/ko
Priority to US14/567,114 priority patent/US10026976B2/en
Priority to DE102014225715.8A priority patent/DE102014225715A1/de
Application granted granted Critical
Publication of KR101535026B1 publication Critical patent/KR101535026B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04149Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492Humidity; Ambient humidity; Water content
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 건조공기와 습윤공기가 유입되는 막 모듈 내부의 가스 흐름을 개선하여 중공사막의 가습 효율을 향상하여 연료전지 스택의 발전효율과 내구성 증대를 도모할 수 있는 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 케이스 내부에 중공사막이 다발 형태로 고정되어 있는 막 모듈과 상기 케이스의 양단부에 각각 조립되는 제1하우징 및 제2하우징을 포함하여 구성되는 연료전지용 가습장치로서, 상기 막 모듈에는 그 내부에 중공사막과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 건조공기 공급배관이 설치되고, 상기 건조공기 공급배관의 일측에는 건조공기의 유속 및 유압에 의해 건조공기 공급배관의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입하는 습윤공기 펌핑부가 적어도 하나 이상 구비되어, 연료전지 스택으로 배출되는 가습공기의 가습성능을 높이게 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.

Description

연료전지용 가습장치 {Humidifier for Fuel Cell System}
본 발명은 연료전지 스택의 캐소드에서 배출되는 습윤공기를 이용하는 연료전지용 가습장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로 공급되는 건조공기를 효율적으로 가습하여 고습 상태로 공급할 수 있도록 하는 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.
연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 전극층인 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 고분자 연료전지의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지에 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 가습시킨다.
가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등의 여러 방법이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습기가 적용되고 있다. 이 막 가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습장치(막 가습기)를 이용하여 공기를 가습하는 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 외부의 건조공기를 공기블로워(1)로 강제 송풍하여 막 가습기(10)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(20)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 습윤공기를 막 가습기(10)에 통과시켜, 과포화 습윤공기와 건조공기 간의 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 가습공기를 연료전지 스택(20)에 공급한다.
이때 스택(20)의 캐소드에서는 물이 발생하고 미반응 공기와 함께 스증기(또는 액적) 상태로 배출되며, 막 가습기(10)에서는 수분 교환과 더불어 열 교환이 이루어져 스택(20)에 높은 상대 습도의 공기를 공급한다. 스택(20)으로 공급되는 공기의 습도는 연료전지의 출력과 내구성을 결정하는 매우 민감한 운전 변수이다.
또한 도 1에 보이듯, 운전 특성을 개선하기 위해, 운전 조건에 따라 막 가습기(10)를 우회하는 바이패스 라인(2)과 밸브(3)를 적용하기도 한다.
통상의 막 가습기는 중공사막(hollow fiber)을 이용한 기체-기체 막 가습기(gas to gas membrane humidifier)로서, 이러한 막 가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 가습이 충분히 가능하고, 막 가습기를 통해 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 기체에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지 스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.
연료전지의 운전 중에 성능에 가장 직접적인 영향을 미치는 요인 중 하나는 연료전지의 핵심 구성요소인 막전극접합체의 전해질막과 촉매층 내의 이오노머(ionomer)에 일정량 이상의 수분을 공급하여 함수율을 유지시킴으로써 전해질막과 이오노머 자체가 보유하고 있는 이온전도도의 최대 성능을 얻는 것이다.
여기서, 막 가습기의 역할은 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 기체에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 연료전지 스택으로 공급되는 상온의 건조한 반응기체에 공급함으로써 연료전지 스택의 가습과 온도 유지를 달성하는 것이다.
이하, 일반적인 막 가습기의 구조에 대해 상술하기로 한다.
첨부한 도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 개략적인 횡단면도이고 도 3은 도 2의 A-A에서 본 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 막 가습기(10)는 공기 유입구(11,12)와 공기 배출구(13,14)를 구비한 하우징(15)과 이 하우징(15) 내에 고정되어 구성된 중공사막(16)으로 구성되며, 이때 중공사막(16)은 폴리우레탄과 같은 플라스틱으로 접착되어 하우징(15)에 고정될 수 있다.
여기서 상기 중공사막(16)은 복수로 구비되어서 다발 형태로 밀집되어 내장되며, 이때 중공사막 다발(17)의 양쪽 단부가 하우징(15) 내에 마련된 포팅부(18)에 접착되어 고정됨으로써 중공사막 다발(17)이 하우징(15) 내측에 고정된다.
이러한 막 가습기(10)는 중공사막(16)에서 건조공기와 과습공기 간에 열 및 물의 교환이 이루어지며, 이때 가스 흐름은 온도 및 습도 등의 균일성이 효율을 결정하게 된다. 그런데 건조공기(tube side air)는 매우 높은 균일한 흐름 특성을 갖지만, 수분을 공급하는 과습공기가 흐르는 가습기 단면의 외곽유로(Shell side) 공간은 유동의 균일성이 확보되지 않는다. 그 이유는 하우징 외곽(outer region)에 중공사막의 부족에 의한 빈 공간이 발생하기 때문이다.
즉, 고온의 습한 공기(과습공기)는 저항이 가장 작은 경로를 따라 흐르게 되는데 가습기(10)의 중심부는 중공사막(16)이 밀집되어 있어 수분이 많은 과습공기가 도달하기 어렵고 대부분의 과습공기는 가습기 단면의 외곽유로 공간으로 흘러가게 된다.
따라서, 상기 가습기(10)의 외곽유로 공간에 배치된 중공사막은 가습에 대한 기여도가 낮아지게 되고, 가습기(10)의 외곽부분으로 흐르는 과습공기는 외부로의 열전달에 의해 온도가 낮아지고 물로 응축되어, 결국 가습 효과는 더욱 낮아진다.
이러한 종래 막 가습기의 문제점을 개선하기 위해, 종래 막 가습기 내에 유로 개폐 밸브를 적용한 연료전지용 막 가습기가 제시된바 있다.
첨부한 도 4는 내부에 유로 개폐 밸브를 적용한 종래 연료전지용 막 가습기를 나타낸 개략적인 구성도이고, 도 5는 이 연료전지용 막 가습기의 출력 구간에 따른 작동 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4에 보이듯이, 종래 연료전지용 막 가습기(10)는 연료전지 스택으로 공급되는 가습공기가 배출되는 가습공기 배출구(14)에 인접한 중공사막 다발(17)의 후단 측에 유로 개폐 밸브(19)를 설치하여 구성되며, 이때 유로 개폐 밸브(19)는 중공사막 다발의 외곽부와 중앙부를 구획하는 건조공기 공급배관(21)의 말단부에 일체로 구비되고, 상기 건조공기 공급배관(21)의 양단부는 하우징(15) 내 포팅부(18)에 의해 지지되어 고정된다. 즉 유로 개폐 밸브(19)는 하우징(15) 내 포팅부(18)에 장착되어 고정된다.
전술한 바와 같이, 보통의 막 가습기의 경우, 건조공기는 중공사막 다발의 가운데 부분을 주로 흐르고, 습윤공기(혹은 과습공기)는 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르게 되는 문제가 있으므로, 도 4와 같이 막 가습기(10) 내 중공사막 다발(17)의 중앙부에 유로 개폐 밸브(19)를 적용함으로써, 건조공기와 습윤공기의 분배 문제를 해결코자 하였다.
이때 상기 유로 개폐 밸브(19)는 일정 압력 이상이 되면 열리는 방식으로 작동하는 밸브가 채택된다.
따라서, 저유량 조건(저출력 조건)일 때는 밸브가 닫혀 공기블로어(1)에서 공급되어지는 건조공기가 중공사막 다발(17)의 외곽 쪽으로 흐르게 되어 막 가습기(10)의 외곽 부분에서 주로 가습이 이루어지고, 고유량(고출력)으로 갈수록 압력이 커져 밸브(19)가 서서히 열리게 되어 건조공기가 중공사막 다발(17)에 전체적으로 흐르게 되어 막 가습기의 전체적인 부분에서 가습이 이루어진다. 결국 유로 개폐 밸브(19)의 적용에 의해, 막 가습기의 가습 성능(효율)을 높일 수 있게 된다.
그러나, 이러한 유로 개폐 밸브(19)를 채택한 종래의 막 가습기(10)는 중공사막 다발(17)을 고정하는 포팅(potting) 부분(18)에 밸브를 설치하는 것이 쉽지 않고 그 구조가 복잡하며, 또한 밸브 개폐에 대한 설계상의 결정 또는 제어가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 건조공기와 습윤공기가 유입되는 막 모듈 내부의 가스 흐름을 개선하여 중공사막의 가습 효율을 향상하여 연료전지 스택의 발전효율과 내구성 증대를 도모할 수 있는 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 케이스 내부에 중공사막이 다발 형태로 고정되어 있는 막 모듈과 상기 케이스의 양단부에 각각 조립되는 제1하우징 및 제2하우징을 포함하여 구성되는 연료전지용 가습장치로서, 상기 막 모듈에는 그 내부에 중공사막과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 건조공기 공급배관이 설치되고, 상기 건조공기 공급배관의 일측에는 건조공기의 유속 및 유압에 의해 건조공기 공급배관의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입하는 습윤공기 펌핑부가 적어도 하나 이상 구비되어, 연료전지 스택으로 배출되는 가습공기의 가습성능을 높이게 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치를 제공하며, 이때 상기 습윤공기 펌핑부는 건조공기 공급배관의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입함에 따라, 막 모듈 내에서 습윤공기의 반경방향 유동을 유도하고, 건조공기 공급배관의 내측으로 흐르는 건조공기와 흡입한 습윤공기의 혼합을 유도하게 된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 습윤공기 펌핑부는 단일 이젝터 구조를 채택하여 구성되거나, 또는 복수의 이젝터를 다단으로 연결하여 직렬 구성된 다단 이젝터 구조를 채택하여 구성되는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 습윤공기 펌핑부는 벤튜리 튜브 구조를 채택하여 구성될 수 있으며, 일례로 중앙에 배치되는 소직경부와 이 소직경부의 좌우 양측에 일체로 형성되고 건조공기 공급배관과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 대직경부로 구성되며, 이때 상기 소직경부의 표면에는 습윤공기의 유입을 위한 유입홀이 복수개로 형성된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 습윤공기 펌핑부는 건조공기 공급배관의 후단부에 설치되어 상기 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구에 근접하게 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 건조공기 공급배관은 막 모듈의 직경을 기준으로 중앙에 배치되거나, 또는 막 모듈의 직경을 기준으로 일측으로 편심되게 배치되며, 또는 복수로 구성되어 막 모듈 내부에 서로 이격되어 배치되는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 건조공기 공급배관은 막 모듈의 직경을 기준으로 일측으로 편심되게 배치되는 동시에, 습윤공기 유입구에 근접하게 위치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 막 모듈에는 케이스의 내경에 부착되어 건조공기 공급배관을 지지가능하게 설치된 배관지지대가 구비된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 막 모듈은 제1하우징이 매니폴드를 매개로 케이스의 일단부에 결합되며, 상기 매니폴드는 그 원주방향을 따라 형성된 복수의 홀의 크기를 습윤공기 펌핑부 및 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구와의 위치 관계에 따라 다르게 형성한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로 예를 들면, 상기 막 모듈은 제1하우징이 매니폴드를 매개로 케이스의 일단부에 결합되며, 상기 매니폴드는 그 원주방향을 따라 형성된 복수의 홀 중 습윤공기 펌핑부 및 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구에 가장 근접한 홀을 다른 홀에 비해 크게 형성한 구조를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 막 모듈 내에는 제1습윤공기 펌핑부를 구비한 제1건조공기 공급배관과 제2습윤공기펌핑부를 구비한 제2건조공기 공급배관이 설치되고, 상기 제1 및 제2습윤공기 펌핑부 중 성능이 더 우수한 제1습윤공기 펌핑부가 구비된 제1건조공기 공급배관에 체크밸브가 설치되어, 상기 제1습윤공기 펌핑부의 작동을 자동 제어하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습장치는 중공사막이 다발 형태로 고정되어 있는 막 모듈 내부의 가스 흐름을 개선함으로써 중공사막의 가습 효율 및 건조공기의 가습도를 증대할 수 있으며, 이에 연료전지 스택의 발전효율과 내구성 증대를 도모할 수 있게 된다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습장치를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 상태를 도시한 개략도
도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 개략적인 횡단면도
도 3은 도 2의 A-A에서 본 단면도
도 4는 유로 개폐 밸브를 적용한 종래 연료전지용 막 가습기를 나타낸 개략적인 구성도
도 5는 종래 연료전지용 막 가습기의 출력 구간에 따른 작동 흐름을 나타낸 개략도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습장치를 나타낸 개략도
도 7은 도 6의 A-A 및 A'-A'에서 본 단면도
도 8은 본 발명의 실시예로서, 다단 이젝터 구조를 채택한 막 가습기를 나타낸 개략도
도 9는 본 발명의 실시예로서, 벤튜리 튜브 구조를 채택한 막 가습기를 나타낸 개략도
도 10은 도 9의 B-B 단면을 나타낸 개략도
도 11은 본 발명의 실시예로서, 건조공기 공급배관의 위치 및 수량을 다양하게 변경하여 나타낸 개략도
도 12는 본 발명의 실시예로서, 매니폴드의 홀 크기를 개선한 막 가습기를 나타낸 개략도
도 13은 본 발명에 따른 막 가습기를 이용한 스택 공기 제어 시스템을 나타낸 개략도
도 14는 본 발명의 실시예로서, 건조공기 공급배관에 체크밸브를 장착한 막 가습기를 나타낸 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습장치는 중공사막을 통한 수분 전달 방식에 의해 건조공기를 가습하여 연료전지 스택에 공급하는 막 가습기(100)로서, 도 6에 보이듯이, 케이스(111) 내에 중공사막(112)이 고정되어 구성된 막 모듈(110)과, 상기 막 모듈(110)의 케이스(111) 양단부에 각각 조립되는 제1하우징(120) 및 제2하우징(130)을 포함하여 구성된다.
이때 제1 및 제2하우징(120,130)은 각각 케이스(111)의 양단부에 접합된 매니폴드(113,114)를 매개로 케이스(111)와 결합된다.
제1하우징(120)에는 습윤공기 유입구(121)와 가습공기 배출구(122)가 구비되고, 제2하우징(130)에는 습윤공기 배출구(131)와 건조공기 유입구(132)가 구비되며, 막 모듈(110)의 케이스(111) 내에는 중공사막(112)이 다발 형태로 밀집되어 내장되고, 중공사막(112) 다발의 양쪽 단부가 포팅부(115)에 의해 케이스(111)의 양단부에 고정됨으로써 케이스(111) 내에서 중공사막(112) 다발의 위치가 고정된다. 상기 포팅부(115)는 케이스(111)의 양측 단부에 각각 구비되어 제1 및 제2하우징(120,130) 내에 각각 위치된다.
여기서 상기 중공사막(112) 다발은 직경을 기준으로 중앙부의 중공사막이 제거된 형태로 형성되며, 이러한 중공사막(112) 다발은 중공사막을 하기 건조공기 공급배관(116)의 외측에 접합하여 고정함으로써 형성 가능하다.
상기 건조공기 공급배관(116)은 중공사막(112)과 동일한 방향으로 건조공기를 흐르게 할 수 있는 구조를 갖는 것으로, 예를 들어 중공사막(115)의 가스흐름방향 및 막 모듈(110)의 축방향으로 연장되게 형성되고, 막 모듈(110)의 내부에 설치되어 중공사막(112)과 동일한 방향으로 가스 흐름을 가능하게 한다.
그리고, 막 모듈(110) 내부에 건조공기의 고속 제트 흐름(건조공기 제트류)을 형성할 수 있도록 하기 위하여, 막 모듈(110) 내부에 공지의 이젝터 구조 또는 공지의 벤튜리 튜브 구조를 채택한 습윤공기 펌핑부(140)를 설치한다.
일반적으로 건조공기가 주로 흐르는 중공사막 다발의 중앙부는 습윤공기가 주로 흐르는 중공사막 다발의 외곽부에 비해 가스 유속이 높으나, 상기 습윤공기 펌핑부(140)를 막 모듈(110) 내에 설치함으로써, 이젝터의 원리 또는 벤튜리 튜브의 원리(베르누이 원리)의 공기역학적 이론에 의해 막 모듈 내부(구체적으로, 건조공기 공급배관)에 기존 건조공기의 유속보다 높은 고속의 건조공기 제트류를 형성할 수 있게 한다.
상기 습윤공기 펌핑부(140)는 건조공기 공급배관(116)의 길이방향의 일측에 설치되어, 건조공기 공급배관(116)의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입하여 건조공기 공급배관(116)의 내측으로 흐르는 건조공기와 혼합되게 유도하는 것으로, 도 6에 보이듯 공지의 이젝터 구조를 적용하여 구성될 수 있다.
상기 습윤공기 펌핑부(140)는 막 모듈(110)로 공급된 건조공기가 흐르는 건조공기 공급배관(116)의 일측에서, 건조공기 공급배관(116)의 외측으로 흐르는 습윤공기를 건조공기 공급배관(116)의 내측으로 흡입하여 건조공기의 습도를 높임으로써 연료전지 스택으로 배출되는 가습공기의 가습율을 높이게 된다.
상기 습윤공기 펌핑부(140)는 공지의 이젝터 구조를 채택하여 구성될 수 있으며, 예를 들어 도 6에 나타낸 바와 같이, 노즐부(141), 흡입부(142), 혼합부(143), 및 디퓨저(144)로 이루어질 수 있다.
상기 노즐부(141)는 건조공기 공급배관(116)의 일측에 연통가능하게 접합되어 일체로 연결되고, 이에 건조공기 공급배관(116)을 통해 고속 및 고압으로 흐르는 건조공기를 공급받을 수 있게 된다.
상기 흡입부(142)는 전체적으로 노즐부(141)의 최대 직경보다 큰 직경을 갖게 형성되며, 노즐부(141)의 후단 외주면을 둘러싼 형태로 노즐부(141)와 접합되어 연결되고, 일측에 습윤공기의 유입을 위한 개구부(142a)를 갖는다.
이러한 흡입부(142)는 노즐부(141)에서 배출되는 건조공기를 공급받게 되며, 이때 노즐부(141)에서 배출되는 건조공기의 고압에 의해 상기 개구부(142a)를 통해 습윤공기가 흡입되어 흡입부(142) 안으로 유입된다.
상기 혼합부(143)는 흡입부(142)의 말단부와 디퓨저(144)의 선단부 사이에 일체로 형성된 것으로, 흡입부(142)보다 작은 직경으로 형성되어 가스 압력을 증대시켜, 유입된 건조공기와 습윤공기의 혼합을 유도하게 된다.
따라서 노즐부(141)에서 건조공기가 고압으로 배출됨에 의해 흡입부(142)의 가스가 고속으로 이동되어 혼합부(143)로 배출되는 동시에, 건조공기 공급배관(116) 외측의 습윤공기가 상기 개구부(142a)를 통해 흡입부(142) 내로 흡입되어 혼합부(143)로 유입되며, 이때 혼합부(143)로 이동된 건조공기와 습윤공기는 혼합부(143)에서 혼합되어 디퓨저(144)로 이동된다.
상기 디퓨저(144)는 그 길이방향으로 직경이 점차 증가되는 형태를 가지는 것으로, 혼합부(143)의 말단부에 일체로 형성되며, 혼합부(143)에서 형성된 가습공기(혼합부에서 습윤공기와 혼합된 건조공기)의 확산을 유도하여 연료전지 스택에 공급되기에 적정한 수준의 압력을 형성하게 한다.
도 7을 참조하면, 건조공기 공급배관(116) 내부에서 고속 및 고압으로 흐르는 건조공기가 습윤공기 펌핑부(140)에 의해 유속이 증가되어 고속의 제트 흐름을 형성하게 됨에 따라, 습윤공기 유입구(121)를 통해 막 모듈(110) 내부로 유입되어 건조공기 공급배관(116) 외부에서 저속 및 저압으로 흐르는 습윤공기가, 건조공기 공급배관(116) 측으로 유입되어 직접 건조공기와 혼합됨으로써 가습공기의 습도 개선이 가능하게 된다.
그리고, 상기 습윤공기가 건조공기 공급배관(116) 측으로 유입됨에 의해 습윤공기의 반경방향의 이동이 개선되어 가스 흐름의 균일성이 증대되고 중공사막(112)의 가습 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
좀더 설명하면, 건조공기가 주로 흐르는 건조공기 공급배관(116)의 내측으로 습윤공기(스택의 캐소드에서 배출된 가스)를 흡입하여 건조공기 공급배관(116)의 내측에 흐르는 건조공기의 가습 효율을 증대하는 동시에, 건조공기 공급배관(116) 외측에 위치된 중공사막(112) 다발에서 습윤공기의 흐름을 균일화함으로써 중공사막(112)의 수분 교환에 의한 건조공기 가습 효율을 증대하게 된다.
이때, 건조공기 공급배관(116)의 크기(직경)는 가습기의 패킹비(packing ratio), 습윤공기 재순환 요구량, 가습기 효율, 스택 공급 습도에 따라 결정한다.
또한 건조공기 공급배관(116)은 케이스(111)의 내경에 부착된 배관지지대(117)에 의해 지지되는 동시에, 그 양단부가 각각 막 모듈(110)의 포팅부(115)에 부착되거나 삽입되는 등에 의해 고정되어 지지된다.
또한, 건조공기 공급배관(116)은 그 외측에 중공사막(112)이 접합되어 고정됨으로써, 포팅부(115)에 의해 지지되는 상기 중공사막(112)에 의해서도 지지된다.
상기 배관지지대(117)는 케이스(111)의 내경에 부착되어 건조공기 공급배관(116)을 지지가능하게 설치됨으로써, 고출력 및 고유량의 가스 흐름시 중공사막(112)의 진동을 억제하고, 또한 가습기 제작시 중공사막의 엉킴을 방지할 수 있다.
상기 건조공기 공급배관(116)에는 기본적으로 중공사막(112) 다발의 외곽부보다 높은 속도의 유속이 형성가능함은 물론, 전술한 바와 같이 습윤공기 펌핑부(140)에 의해 고속의 건조공기 제트류가 형성가능하다.
상기와 같은 습윤공기 펌핑부(140)를 채택한 막 가습기(100)는 스택에서 배출되는 높은 수분과 산소를 함유한 가스(습윤공기)를 중공사막(112) 다발의 외곽에서 펌핑하여 스택에 재공급하게 됨으로써 습윤공기의 재순환을 가능하도록 한다. 이때, 스택의 캐소드에서 배출되는 습윤공기는 높은 습도와 미반응 산소를 함유하고 있어, 효과적인 공기 재순환에 의해 스택 성능과 내구성을 크게 개선할 수 있다.
아울러, 이러한 공기 재순환 타입의 막 가습기(100)는 연료전지 스택에 수분을 직접 공급할 뿐만 아니라 미반응 산소를 재활용할 수 있기 때문에 건조공기를 제공하는 공기압축기의 필요 공기량을 감소시키는 이점도 있고, 또한 고가의 중공사막 사용을 줄일 수 있기 때문에 원가 절감에도 도움이 된다.
한편, 상기와 같은 막 가습기 구조에서 습윤공기의 흡입위치, 즉 막 모듈(110) 내 습윤공기 펌핑부(140)의 위치는 매우 중요한 설계요소이며, 가능한 습윤공기 펌핑부(140)는 연료전지 스택으로부터 습윤공기가 유입되는 습윤공기 유입구(121)에 가깝게 위치되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 습윤공기 펌핑부(140)는 건조공기 공급배관(116)의 길이방향의 중심지점보다 습윤공기 유입구(121)에 더 가깝게 위치되는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 상기 습윤공기 펌핑부(140)는 건조공기 공급배관(116)의 후단부에 설치되어 습윤공기 유입구(121)에 근접하게 배치되고, 특히 반경방향을 기준으로 습윤공기 유입구(121)의 하방에 위치하는 것이 바람직하다.
이렇게 습윤공기 펌핑부(140)를 습윤공기 유입구(121) 측에 근접하게 배치함으로써 도 7의 A-A 단면과 같이 막 모듈(110)의 외곽유로(shell side)의 가스 흐름을 막 모듈(110)의 중심부로 유도하여, 중공사막(112)의 가습 효율을 증가시킨다.
상술한 막 가습기(100)는 건조공기의 고속 제트 흐름에 의해 펌핑되는 습윤공기의 흡입유량에 의해 성능 및 효과가 크게 영향을 받게 되며, 공기역학적으로는 건조공기의 질유량과 흡입되는 습윤공기의 질량비((Entrainment ratio)가 중요한 변수이며, 가습기 구조, 이젝터의 기하 형상에 의한 공력 성능과 효율, 가습 온도와 압력 등의 변수에 의해 영향을 받는다.
일반적인 단일형(single type) 이젝터는 높은 진공압을 만드는 특성이 있는 것에 반해, 다단 이젝터(mulit-stage ejector)는 비교적 낮은 진공압과 많은 유량을 펌핑할 수 있다. 즉, 다단 이젝터는 흡입 가스의 높은 질량비(entrainment ratio)를 가질 수 있다.
따라서, 습윤공기 펌핑부(140)로서 복수의 이젝터를 다단으로 직렬 연결하여 구성된 다단 이젝터를 채택함으로써, 제한된 공간에서 매우 효율적인 습윤공기의 펌핑이 가능하게 된다.
예를 들면, 습윤공기 펌핑부(140-1)로서 2단 이젝터 또는 3단 이젝터 등을 채택할 수 있으며, 복수의 이젝터를 다단으로 연결하여 직렬 구성한 다단 직렬 이젝터는 공지의 기술이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다만, 도 8의 확대도를 참조하면, 다단 이젝터로서 구성된 습윤공기 펌핑부(140-1)의 경우 혼합부(143a)와 디퓨저(144a)는 마지막에 배치되는 제3이젝터에만 포함되고, 그 외에 제1이젝터 및 제2이젝터는 노즐부(141a,141b,141c)와 흡입부(142a,142b,142c)만으로 구성될 수 있다.
첨부한 도 9는 벤튜리 튜브 구조를 채택한 막 가습기를 나타낸 개략도이고, 도 10은 도 9의 B-B 단면을 나타낸 개략도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 막 가습기(100)는 건조공기의 고속 제트 흐름을 형성하기 위해, 벤튜리 튜브의 원리(베르누이 원리)를 적용한 습윤공기 펌핑부를 채택하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 습윤공기 펌핑부(140-2)는 건조공기 공급배관(116)과 일체로 형성될 수 있으며, 도 9에 보이듯 습윤공기의 흡입을 위한 위치에 해당하는 부분의 직경, 즉 벤튜리 튜브 원리가 작용하는 목의 직경(유로단면적)이 중요하다.
따라서, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 습윤공기 펌핑부(140-2)는 중앙에 배치되는 소직경부(145)와 이 소직경부(145)의 좌우 양측에 일체로 형성되고 건조공기 공급배관(116)과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 대직경부(146,147)로 구성될 수 있으며, 이때 소직경부(145)의 표면에는 외부(중공사막(112) 다발)에 흐르는 습윤공기의 유입을 위한 유입홀(145a)이 복수개로 형성되고, 대직경부(146,147)는 건조공기 공급배관(116)과 일체로 연결되게 형성된다.
여기서, 상기 유입홀(145a)은 원형의 홀(hole) 모양 또는 길죽한 슬릿(slit) 모양으로 형성될 수 있다.
이러한 습윤공기 펌핑부(140-2)는 벤튜리 튜브 구조를 통해 건조공기의 유속을 증대시켜 고속의 제트 흐름을 발생함에 의해, 내부 압력을 중공사막(112) 다발의 외곽 압력보다 낮게 유도하여 습윤공기 펌핑부(140-2) 내측으로 습윤공기가 흡입되게 한다.
이때 습윤공기 흡입 성능을 제어하는 중요 설계 변수는 건조공기 공급배관(116)의 내경, 습윤공기 펌핑부(140-2)의 소직경부(145) 내경, 습윤공기 펌핑부(140-2)의 길이, 소직경부(145)의 위치, 작동 공기(건조공기 및 습윤공기)의 온도 및 압력 등이 있다.
또한 첨부한 도 11은 건조공기 공급배관의 위치 및 수량을 변경하여 구성한 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 12는 막 모듈용 케이스에 형성된 매니폴드의 크기를 변경 조절한 실시예를 나타낸 개략도이다.
일반적으로 막 가습기는 건조공기와 습윤공기의 출입 방향이 정해져 있고, 그 위치는 완벽한 대칭이 되지 못하기 때문에 필연적으로 매니폴드 구성을 갖는다. 그러나, 이러한 매니폴드 구성도 완전하지는 않다. 또한 중공사막의 충진율(packing ratio)는 매우 높은 편이라 복수의 건조공기 공급배관이 성능 향상에 도움이 될 수 있다.
이러한 이유로 건조공기 공급배관(116)의 위치와 수량을 변경 조절하여 가습 성능을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 예를 들어, 건조공기 공급배관(116)은 중공사막(112) 다발 및 막 모듈(110)의 중앙에 배치되거나, 또는 일측으로 편심되게 배치될 수 있으며, 복수로 구성되어 중공사막(112) 다발 및 막 모듈(110) 내부에서 서로 이격되어 배치될 수 있다.
특히, 건조공기 공급배관(116)이 편심되게 배치되어 습윤공기 유입구(121)에 근접하게 위치되는 경우, 습윤공기가 갖는 모멘텀을 그대로 유지하며 가습기 내부의 압력손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 건조공기 공급배관(116)이 반경방향을 기준으로 편심되게 배치되어 습윤공기 유입구(121)에 근접하게 위치되는 경우, 막 모듈(110)에 구성되는 매니폴드(113)의 홀(113a) 크기 조절을 통해 습윤공기의 펌핑 기능을 향상할 수 있다.
예를 들면, 도 12에 보이듯이, 막 모듈(110)의 케이스(111)에 결합된 매니폴드(113)의 홀(113a) 중 습윤공기 유입구(121) 및 습윤공기 펌핑부(140,140-1,140-2)에 가장 근접한 매니폴드(113)의 홀을 다른 홀보다 크게 형성함으로써 습윤공기의 펌핑에 유리하도록 할 수 있다.
도 10에 보이듯이, 상기 막 모듈(110)에는 케이스(111)의 양측 단부에 각각 결합되어 중공사(112)막 다발의 양단부를 둘러싸는 매니폴드(113,114)가 구성되며, 이 매니폴드(113,114)는 막 모듈(110)에 유입되는 습윤공기의 분배 향상을 위해 원주방향으로 다수의 홀을 형성하고 있다.
이에 습윤공기 유입구(121)를 통해 유입된 습윤공기는 일측의 매니폴드(113)의 홀(113a)들을 통해 막 모듈(110) 내부로 유입되고, 막 모듈(110) 내 중공사막(112) 다발을 거쳐 이동된 습윤공기는 타측의 매니폴드(114)의 홀들을 통해 막 모듈(110) 외부로 배출된 뒤 습윤공기 배출부(131)로 배출된다.
첨부한 도 13은 본 발명에 따른 막 가습기를 이용한 스택 공기 제어 시스템을 나타낸 개략도이다.
일반적으로 연료전지 스택은 공기 공급 압력 및 유량, 공기 SR, 공기 습도 조건에 따라 운전된다. 상기 조건은 스택의 공기 공급시 모두 제어될 수 있는 항목으로, 특히 공기 배출을 제어하는 배기제어밸브에 의해 민감하게 제어된다.
일 예로, 스택으로 공급되는 공기 압력이 높고 유량이 작은 조건에서 막 가습기는 상대적으로 효율적인 운전이 가능하다. 본 발명의 막 가습기(100)와 같이 이젝터 구조를 채택한 가습기는 이러한 조건에서 더욱 민감하게 작동하게 된다.
그 이유는 가습기 내부의 이젝터의 작동이 스택 입출구 차압에 밀접한 상관관계에 있기 때문이다. 즉, 스택의 차압이 크면 이젝터의 펌핑 필요 압력이 더 증가하게 되거나 또는 펌핑 유량이 감소하여, 이젝터에 의한 공기 재순환량이 줄어들게 된다.
이러한 스택 운전 최적화를 위해, 스택에 공급되는 공기의 습도, 연료전지 시스템에 공급되는 공기유량, 공기블로어의 출구 압력, 스택 입출구 차압, 셀 전압 등의 측정이 필요하며, 필요시에는 사전 구성된 맵을 사용할 수도 있다.
도 13을 참조하면, 스택 공기 제어 시스템은 공기블로어(1)와 막 가습기(100) 사이의 건조공기공급라인(30)에 설치되는 압력센서(31)와 유량센서(32), 막 가습기(100)와 연료전지 스택(20) 사이의 가습공기공급라인(34)에 설치되는 습도센서(35), 막 가습기(100)의 습윤공기배출라인(37)에 설치되는 배기제어밸브(38), 및 상기 각 센서(31,32,35)로부터 받은 정보와 연료전지 스택(20)의 셀전압을 모니터링한 값을 이용하여 상기 공기블로어(1)와 배기제어밸브(38)의 작동을 제어하는 제어기(39)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 첨부한 도 14는 건조공기 공급배관에 체크밸브를 장착한 막 가습기를 나타낸 개략도이다.
도 14에 보이듯, 막 모듈(110) 내부에 복수의 건조공기 공급배관(116)을 장착하는 경우, 각 건조공기 공급배관(116)에 습윤공기 펌핑부(140-3)를 구성하게 되는데, 이때 어느 하나의 건조공기 공급배관에 체크밸브(149)를 장착함으로써 습윤공기 펌핑부(140-3)의 펌핑성능을 더욱 개선할 수 있다.
보통 연료전지 스택은 상압의 운전압력을 채택하여 작동하게 되므로 스택에서 배출되는 습윤공기의 높은 압력을 확보하기 어렵고, 습윤공기 펌핑부(140,140-1,140-2,140-3)에 의한 습윤공기의 재순환 및 펌핑은 스택 캐소드의 높은 차압 조건에서 작동하게 된다.
따라서, 상기와 같이 체크밸브(149)를 채택하여 건조공기 공급배관(116)에 장착하는 경우, 상대적으로 펌핑 성능이 큰(일례로, 이젝터 구조를 채택하는 경우 노즐부 크기가 큰) 제1습윤공기 펌핑부(고성능 습윤공기 펌핑부)(140')가 구비된 건조공기 공급배관(116)에 설치함으로써 제1습윤공기 펌핑부(140')와 제2습윤공기 펌핑부(저성능 습윤공기 펌핑부)(140")의 자동 공기 공급 제어가 가능하게 된다.
예를 들면, 제1습윤공기 펌핑부(140')는 고부하(고출력) 운전 조건에서 재순환되는 습윤공기를 펌핑하고, 제2습윤공기 펌핑부(140")는 저부하(저출력) 운전 조건에서 재순환되는 습윤공기를 펌핑하게 되는데, 이때 제1습윤공기 펌핑부(140')가 구비된 제1건조공기 공급배관(116')에 체크밸브(149)를 설치함으로써, 체크밸브(149)의 열림 및 닫힘 상태에 따라 제1 및 제2습윤공기 펌핑부(140',140")의 자동 펌핑 제어가 가능하다. 제2습윤공기 펌핑부(140")는 제2건조공기 공급배관(116")에 구비된다.
좀 더 설명하면, 막 모듈(110)의 외곽유로(중공사막 다발의 외곽유로)의 차압이 체크밸브(149)의 크래킹 압력(cracking pressure)보다 작은 경우 제2습윤공기 펌핑부(140")로만 습윤공기를 펌핑하여 공급하고, 막 모듈(110)의 외곽유로의 차압이 체크밸브(149)의 크래킹 압력보다 큰 경우는 제1 및 제2습윤공기 펌핑부(140',140")를 통해 습윤공기를 펌핑하여 공급한다.
상기 체크밸브(149)가 닫혀 건조공기의 유동이 차단되는 경우 제1습윤공기 펌핑부(140')는 습윤공기의 펌핑 작동이 중단된다.
여기서, 상기 차압은 스택의 캐소드에서 배출된 습윤공기 압력과 막 모듈(110) 내로 유입된 습윤공기 압력 간에 차압을 말한다.
또한, 이때 상기 체크밸브(149)의 크래킹 압력은 설계 조건에 따라 적정하게 책정될 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 막 가습기 110 : 막 모듈
111 : 케이스 112 : 중공사막
113,114 : 매니폴드 115 : 포팅부
116 : 건조공기 공급배관 117 : 배관지지대
120 : 제1하우징 121 : 습윤공기 유입구
122 : 가습공기 배출구 130 : 제2하우징
131 : 습윤공기 배출구 132 : 건조공기 유입구
140,140-1,140-2,140-3 : 습윤공기 펌핑부
141 : 노즐부 142 : 흡입부
143 : 혼합부 144 : 디퓨저
145 : 소직경부 146,147 : 디직경부
149 : 체크밸브

Claims (12)

  1. 케이스 내부에 중공사막이 다발 형태로 고정되어 있는 막 모듈과 상기 케이스의 양단부에 각각 조립되는 제1하우징 및 제2하우징을 포함하여 구성되는 연료전지용 가습장치로서,
    상기 막 모듈에는 그 내부에 중공사막과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 건조공기 공급배관이 설치되고, 상기 건조공기 공급배관의 일측에는 건조공기의 유속 및 유압에 의해 건조공기 공급배관의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입하는 습윤공기 펌핑부가 적어도 하나 이상 구비되어, 연료전지 스택으로 배출되는 가습공기의 가습성능을 높이게 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 습윤공기 펌핑부는 건조공기 공급배관의 외측으로 흐르는 습윤공기를 흡입함에 따라, 막 모듈 내에서 습윤공기의 반경방향 유동을 유도하고, 건조공기 공급배관의 내측으로 흐르는 건조공기와 흡입한 습윤공기의 혼합을 유도하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 습윤공기 펌핑부는 단일 이젝터 구조를 채택하여 구성되거나, 또는 복수의 이젝터를 다단으로 연결하여 직렬 구성된 다단 이젝터 구조를 채택하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 습윤공기 펌핑부는 벤튜리 튜브 구조를 채택하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 습윤공기 펌핑부는 벤튜리 튜브 구조를 채택하여 구성된 것으로, 중앙에 배치되는 소직경부와 이 소직경부의 좌우 양측에 일체로 형성되고 건조공기 공급배관과 동일한 방향으로 가스 흐름을 형성할 수 있는 대직경부로 구성되며, 상기 소직경부의 표면에는 습윤공기의 유입을 위한 유입홀이 복수개로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 습윤공기 펌핑부는 건조공기 공급배관의 후단부에 설치되어 상기 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조공기 공급배관은 막 모듈의 직경을 기준으로 중앙에 배치되거나, 또는 막 모듈의 직경을 기준으로 일측으로 편심되게 배치되며, 또는 복수로 구성되어 막 모듈 내부에 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조공기 공급배관은 막 모듈의 직경을 기준으로 일측으로 편심되게 배치되는 동시에, 습윤공기 유입구에 근접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 모듈에는 케이스의 내경에 부착되어 건조공기 공급배관을 지지가능하게 설치된 배관지지대가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 모듈은 제1하우징이 매니폴드를 매개로 케이스의 일단부에 결합되며, 상기 매니폴드는 그 원주방향을 따라 형성된 복수의 홀의 크기를 습윤공기 펌핑부 및 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구와의 위치 관계에 따라 다르게 형성한 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 모듈은 제1하우징이 매니폴드를 매개로 케이스의 일단부에 결합되며, 상기 매니폴드는 그 원주방향을 따라 형성된 복수의 홀 중 습윤공기 펌핑부 및 제1하우징에 구비된 습윤공기 유입구에 가장 근접한 홀을 다른 홀에 비해 크게 형성한 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 모듈 내에는 제1습윤공기 펌핑부를 구비한 제1건조공기 공급배관과 제2습윤공기펌핑부를 구비한 제2건조공기 공급배관이 설치되고, 상기 제1 및 제2습윤공기 펌핑부 중 성능이 더 우수한 제1습윤공기 펌핑부가 구비된 제1건조공기 공급배관에 체크밸브가 설치되어, 상기 제1습윤공기 펌핑부의 작동을 자동 제어하게 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
KR1020140071231A 2014-06-12 2014-06-12 연료전지용 가습장치 KR101535026B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140071231A KR101535026B1 (ko) 2014-06-12 2014-06-12 연료전지용 가습장치
US14/567,114 US10026976B2 (en) 2014-06-12 2014-12-11 Humidifier for fuel cell system
DE102014225715.8A DE102014225715A1 (de) 2014-06-12 2014-12-12 Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140071231A KR101535026B1 (ko) 2014-06-12 2014-06-12 연료전지용 가습장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101535026B1 true KR101535026B1 (ko) 2015-07-07

Family

ID=53790210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140071231A KR101535026B1 (ko) 2014-06-12 2014-06-12 연료전지용 가습장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10026976B2 (ko)
KR (1) KR101535026B1 (ko)
DE (1) DE102014225715A1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105070928A (zh) * 2015-07-08 2015-11-18 广东合即得能源科技有限公司 一种燃料电池供氧系统及供氧方法
WO2019235739A1 (ko) * 2018-06-08 2019-12-12 자동차부품연구원 연료전지용 공기 공급 장치
WO2019235683A1 (ko) * 2018-06-05 2019-12-12 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막가습기
US10818941B2 (en) 2016-10-10 2020-10-27 Hyundai Motor Company System and device for water evaporation of fuel cell and control method thereof
WO2022005089A1 (ko) * 2020-07-02 2022-01-06 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102098641B1 (ko) * 2015-06-22 2020-04-08 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
FR3063437B1 (fr) * 2017-03-02 2019-03-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Installation et procede pour le traitement par permeation membranaire d'un flux gazeux d'alimentation comprenant du methane et du dioxyde de carbone
KR20200069944A (ko) 2018-12-07 2020-06-17 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR20200101590A (ko) * 2019-02-20 2020-08-28 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR102430847B1 (ko) * 2019-03-07 2022-08-09 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
CN111740133A (zh) * 2019-03-25 2020-10-02 长城汽车股份有限公司 加湿器模块、空气供应系统及燃料电池车辆
CN114142064A (zh) * 2021-12-07 2022-03-04 浙江锋源氢能科技有限公司 一种燃料电池增湿系统、燃料电池系统
CN114373963A (zh) * 2021-12-15 2022-04-19 国家电投集团氢能科技发展有限公司 加湿器以及燃料电池加湿气系统
CN114388847A (zh) * 2022-01-08 2022-04-22 浙江富铭工业机械有限公司 一种结构优化的车用燃料电池管式膜加湿器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100667433B1 (ko) * 2005-11-02 2007-01-10 현대자동차주식회사 연료전지시스템용 가습장치
KR20090098317A (ko) * 2008-03-14 2009-09-17 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 배기 장치

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4610715B2 (ja) * 2000-11-06 2011-01-12 Nok株式会社 加湿装置
US7708013B2 (en) * 2000-12-08 2010-05-04 Vapotherm, Inc. Apparatus and method for delivering water vapor to a gas
JP3765531B2 (ja) * 2001-03-30 2006-04-12 本田技研工業株式会社 加湿モジュール
US8415060B2 (en) * 2005-09-21 2013-04-09 Honda Motor Co., Ltd. In-vehicle fuel cell system
JP2007123119A (ja) 2005-10-28 2007-05-17 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP5354941B2 (ja) 2008-03-27 2013-11-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP5128377B2 (ja) 2008-06-13 2013-01-23 株式会社ケーヒン 燃料電池用エゼクタ
KR101060065B1 (ko) 2008-12-04 2011-08-29 두산중공업 주식회사 Mcfc용 스택 직결형 촉매연소장치
JP2011140906A (ja) 2010-01-07 2011-07-21 Honda Motor Co Ltd エゼクタ
DE102010024187A1 (de) * 2010-06-17 2011-12-22 Daimler Ag Vorrichtung zur Befeuchtung
CN104335404B (zh) * 2012-06-04 2016-11-09 本田技研工业株式会社 燃料电池堆中的气体出口区域的断水结构
KR101459455B1 (ko) * 2012-12-12 2014-11-07 현대자동차 주식회사 연료전지의 가습 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100667433B1 (ko) * 2005-11-02 2007-01-10 현대자동차주식회사 연료전지시스템용 가습장치
KR20090098317A (ko) * 2008-03-14 2009-09-17 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 배기 장치

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105070928A (zh) * 2015-07-08 2015-11-18 广东合即得能源科技有限公司 一种燃料电池供氧系统及供氧方法
US10818941B2 (en) 2016-10-10 2020-10-27 Hyundai Motor Company System and device for water evaporation of fuel cell and control method thereof
WO2019235683A1 (ko) * 2018-06-05 2019-12-12 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막가습기
CN112243542A (zh) * 2018-06-05 2021-01-19 可隆工业株式会社 用于燃料电池的膜加湿器
US11699797B2 (en) 2018-06-05 2023-07-11 Kolon Industries, Inc. Membrane humidifier for fuel cell
WO2019235739A1 (ko) * 2018-06-08 2019-12-12 자동차부품연구원 연료전지용 공기 공급 장치
WO2022005089A1 (ko) * 2020-07-02 2022-01-06 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기

Also Published As

Publication number Publication date
US10026976B2 (en) 2018-07-17
DE102014225715A1 (de) 2015-12-17
US20150364779A1 (en) 2015-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101535026B1 (ko) 연료전지용 가습장치
KR101592423B1 (ko) 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
CN103069222B (zh) 燃料电池加湿器
KR101461874B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 가습 및 냉각방법
KR102563432B1 (ko) 연료전지용 가습기
US10170779B2 (en) Humidifier for fuel cell
KR101558356B1 (ko) 이젝터를 구비한 연료전지 시스템
US11611090B2 (en) Fuel cell humidifier with bypass tube
JP2007502528A (ja) アキュムレーション装置を用いた燃料電池スタックへの給湿方法
CN113270616A (zh) 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法
KR101724454B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
JP2008103115A (ja) 燃料電池用加湿装置
CN112290052A (zh) 一种燃料电池的冷却加湿集成系统
JP2008108473A (ja) 燃料電池用加湿システム
KR101262004B1 (ko) 연료전지용 막 가습기
KR101403173B1 (ko) 연료전지 공용분배기
KR101220368B1 (ko) 연료 전지 장치 및 그의 가습기
US20040076869A1 (en) Fuel cell
KR101013848B1 (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치
KR101189236B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
KR20190111231A (ko) 가습기 겸용 공기 블로워
KR20100044933A (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법
CN213401259U (zh) 一种燃料电池的冷却加湿集成系统
KR100969061B1 (ko) 연료전지 시스템용 공용분배기 및 이를 이용한 수소 퍼지장치
EP4273976A1 (en) Fuel cell humidifier

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180628

Year of fee payment: 4