KR101673769B1

KR101673769B1 - 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101673769B1
Application number: KR1020150067063A
Authority: KR
Inventors: 김현유; 권혁률
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2016-11-07

Abstract

본 발명은 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 연료전지 스택으로부터 배출된 응축수를 스택으로 공급되는 공기의 가습 가능한 위치에 분사해줌으로써, 연료전지 스택으로 공급되는 공기 가습이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 워터트랩으로부터 드레인된 응축수 액적을 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 잘게 쪼개서 가습기를 포함한 공기 가습이 가능한 위치로 분사시키고, 분사된 응축수가 스택으로부터 배출되는 습윤공기의 온도로 인하여 수증기로 변화될 수 있도록 함으로써, 가습기의 공기 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 공기 가습 장치 및 방법{Device and method for humidification of fuel cell using injector}

본 발명은 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 연료전지 스택으로부터 배출된 응축수를 스택으로 공급되는 공기의 가습 가능한 위치에 분사해줌으로써, 연료전지 스택으로 공급되는 공기 가습이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 수십에서 수백개의 연료전지 셀이 적층 구성된 연료전지 스택(이하, 스택으로 약칭함)과, 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공기압축기 및 가습기 등을 포함하는 공기공급 시스템과, 스택의 운전온도 및 냉각 제어를 위한 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어진다.

따라서, 연료전지 시스템의 운전 중, 수소가 스택의 연료극(anode)으로 공급됨과 함께 공기가 스택의 공기극(cathode)으로 공급되면, 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 스택의 고분자 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학적 반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

여기서, 위와 같은 연료전지 시스템의 공기공급 시스템 구성에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 연료전지 시스템의 스택 및 공기공급 시스템을 도시한 구성도이다.

도 1에서, 도면부호 10은 스택을 지시한다.

상기 스택(10)의 공기극에는 공기를 공급하기 위한 공기공급 시스템(20)이 연결된다.

상기 공기공급 시스템(20)은 외부공기의 이물질을 걸러주는 필터(21)와, 외부공기의 흡입 소음을 억제하는 소음기(22)와, 외부공기를 흡입하는 동시에 압축하여 가습기쪽으로 공급하는 공기압축기(23)와, 압축된 공기가 가습기로 들어가기 전에 냉각하는 에어쿨러(24)와, 에어쿨러로부터의 공기를 적정 습도를 가지도록 가습시키는 가습기(25)를 포함하여 구성된다.

통상, 상기 가습기(25)는 연료전지 반응 후에 배출되는 습윤 기체의 수분과 외기로부터 공급되는 공기를 서로 수분 교환시키는 막가습기가 주로 사용되고 있다.

이렇게 가습기를 이용하여 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 가습이 필수적으로 이루어져야 하는 가장 큰 이유는 스택의 각 셀에 포함된 고분자 전해질막에 상대습도가 낮은 반응기체가 계속 공급되면 결국에 고분자 전해질막이 말라서 더 이상 사용할 수 없는 상태가 되기 때문이다.

이때, 상기 가습기(25)의 가습 동작은 가습기(25)내의 중공사막 내부로 공기가 유입되는 단계와, 공기극으로부터 배출된 습윤공기가 가습기(25)내의 중공사막 외경부를 따라 흐르는 단계와, 습윤공기의 수분이 모세관 현상에 의하여 중공사막의 내부로 들어가 공기를 가습시키는 단계로 이루어지고, 가습에 참여하지 못한 습윤공기는 압력조절밸브(26)를 거쳐 공기배기라인(27)을 따라 외부로 배출된다.

한편, 스택의 전기 생성을 위한 반응 중, 반응에 미참여한 일부 수소를 외부로 배출하는 수소 퍼지가 이루어지고, 퍼지된 수소는 연료극의 전단부로 재순환되어 다시 연료극으로 공급된다.

이때, 반응에 미참여한 일부 수소가 연료극으로부터 배출될 때, 연료극내의 응축수가 함께 배출되는 바, 이 응축수는 워터트랩(28)내에 일단 저장된다.

상기 워터트랩(28)내의 수위감지센서에서 응축수의 수위를 임계수준 이상으로 감지하면, 워터트랩의 하단에 장착된 드레인 밸브(29)가 열려서 응축수의 배수가 이루어지고, 배수된 응축수는 공기배기라인(27)을 따라 외부로 배출된다.

상기와 같은 공기공급 시스템의 가습기에 의한 가습 동작만으로 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 높이는데 한계가 있다.

이에, 가습 효율을 높이고자, 상기와 같이 스택으로부터 배출되어 워터트랩에 저장되는 응축수를 활용하여 공기를 가습하는 방법이 사용되기도 한다.

첨부한 도 2는 워터트랩에 저장된 응축수를 활용한 종래의 공기 가습 방법을 도시한 구성도이고, 도 3은 워터트랩에 저장된 응축수를 공기 가습에 활용할 때 가습기내에 응축수가 적체되어 고이는 모습을 도시한 개략도이다.

상기 워터트랩(28)에서 배출된 응축수를 공기 가습에 이용하고자, 드레인밸브(29)의 드레인라인(30)을 공기배기라인(27)으로 바로 연결하지 않고, 스택의 공기극으로 배출된 습윤공기를 가습기로 공급하는 습윤공기 유입라인(31)에 연결시킴으로써, 응축수가 습윤공기 유압라인(31)을 통하여 가습기(25)내로 공급되어 공기 가습에 활용될 수 있다.

그러나, 워터트랩(28)으로부터 드레인된 응축수는 액적 상태로 가습기내에 유입되기 때문에 스택의 공기극으로부터 가습기내로 유입된 습윤공기와 함께 가습기의 외부로 쉽게 배출되므로, 실제적으로 공기 가습에 큰 영향을 미치지 못하는 문제점이 있다.

또한, 첨부한 도 3에서 보듯이 워터트랩(28)으로부터 배출되어 가습기(25)내로 유입된 응축수는 오히려 가습기(25) 내에 적체되며 축적되어 겨울철에 어는 문제를 초래하고, 응축수가 얼어서 차지하는 공간 만큼 가습기의 내부 공기 유로가 좁아지게 되는 문제점이 있고, 결국 가습기내 압력상승으로 인한 공기압축기의 부담을 가중시켜 공기압축기의 소모 동력을 증가시키는 문제점이 따른다.

또한, 가습기내에 응축수가 어는 경우, 부피 팽창으로 인하여 가습기내 중공사막 등의 손상을 일으킬 수 있다.

위와 같이, 워터트랩에 저장된 응축수를 공기 가습에 활용할 때 문제가 발생하는 가장 큰 이유는 워터트랩로부터 드레인된 응축수의 액적이 너무 크기 때문이고, 또한 스택 출구 즉, 공기극에서 배출되는 습윤공기만으로는 응축수 액적을 수증기로 변화시킬 수 없기 때문이다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 워터트랩으로부터 드레인된 응축수 액적을 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 잘게 쪼개서 가습기를 포함한 공기 가습이 가능한 위치로 분사시키고, 분사된 응축수가 스택으로부터 배출되는 습윤공기의 온도로 인하여 수증기로 변화될 수 있도록 함으로써, 가습기의 공기 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치는: 연료전지의 공기극에 공기를 공급하는 공기압축기와; 상기 공기압축기의 입구에 연결된 공기공급라인에 배치되어, 상기 연료전지로부터 배출되는 응축수를 공기압축기의 출구로부터 바이패스된 압축공기의 압력에 의하여 공기압축기의 입구에 분사하는 분사수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공기압축기의 출구와 분사수단의 입구를 연결하는 바이패스라인에는 개폐각 조절 또는 개폐 가능한 바이패스 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 분사수단은: 일측 중심부에 제1노즐이 형성된 외부 분사체와; 상기 제1노즐의 중심부에 삽입 배치되는 제2노즐이 일측단부에 형성된 내부 분사체; 로 구성되는 이류체 스프레이 노즐로 채택된 것임을 특징으로 한다.

또는, 상기 분사수단은: 일측 중심부에 제1노즐이 형성된 외부 분사체와; 상기 제1노즐의 중심부 안쪽에 이격 배치되는 제2노즐이 일측단부에 형성된 내부 분사체; 로 구성되는 이류체 스프레이 노즐로 채택된 것임을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 분사수단의 외부 분사체와 내부 분사체의 사이 공간은 공기압축기의 출구와 바이패스 라인에 의하여 연통 가능하게 연결되는 압축공기 흐름공간으로 형성되고, 내부 분사체의 내부공간은 연료전지의 응축수 리저버와 연결되는 응축수 배출라인을 매개로 연통 가능하게 연결되는 응축수 흐름공간으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기압축기의 출구에는 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도 측정용 습도센서와 온도 측정용 온도센서가 나란히 장착된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 공기 가습 방법은: 공기압축기에서 외부공기를 흡입 압축하여 연료전지의 공기극으로 공급하는 단계와; 공기압축기의 출구로부터 압축공기의 일부를 공기압축기의 입구쪽으로 바이패스시키는 단계와; 공기압축기의 입구쪽으로 바이패스된 압축공기의 압력에 의하여 연료전지로부터 배출된 응축수가 흡입되는 동시에 공기압축기의 입구로 분사되는 단계; 분사된 응축수에 의하여 외부공기가 가습되면서 공기압축기를 통과하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공기압축기의 출구 온도(To)가 일정 온도(Tt) 이상에 도달하면, 분사된 응축수가 압축공기와 함께 공기압축기의 입구로 바이패스되고, To < Tt가 되면 응축수 분사가 중지되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응축수 분사량은 공기압축기의 출구로부터 입구쪽으로 바이패스되는 압축공기의 바이패스량을 조절하여, 공기압축기의 출구쪽 상대습도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치는: 연료전지의 공기극에 공기를 공급하는 공기압축기와; 상기 공기압축기의 입구에 연결된 공기공급라인에 배치되어, 상기 연료전지로부터 배출되는 응축수를 직접 공기압축기의 입구에 분사하는 분사수단; 을 포함하여 구성되고, 이때의 분사수단은 연료전지로부터 배출된 응축수가 저장된 응축수 리저버로부터 응축수 배출라인을 경유한 응축수를 직접 분사하는 물분사 노즐로 채택된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지용 공기 가습 방법은: 공기압축기에서 외부공기를 흡입 압축하여 연료전지의 공기극으로 공급하는 단계와; 연료전지로부터 배출된 응축수를 물분사 노즐을 이용하여 직접 공기압축기의 입구로 분사하는 단계; 분사된 응축수에 의하여 외부공기가 가습되면서 공기압축기를 통과하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 스택의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기압축기의 출구로부터 일부 압축공기를 이류체 스프레이 노즐로 바이패스시키는 동시에 워터트랩으로부터의 응축수를 이류체 스프레이 노즐로 공급하여, 이류체 스프레이 노즐에서 압축공기의 압력을 이용하여 응축수를 잘게 부수면서 가습기에 분사할 수 있도록 함으로서, 가습기의 가습효율을 높일 수 있다.

둘째, 이류체 스프레이 노즐에서 분사된 응축수 즉, 잘게 부수어진 응축수가 스택의 공기극에서 배출되는 고온의 습윤공기에 의하여 수증기화되므로, 수증기화된 응축수에 의하여 공기 가습이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

셋째, 연료전지 시스템내에서 배출되는 응축수를 공기 가습을 위하여 재사용하되, 잘게 부수어진 상태로 분사하여 수증기화시킴으로써, 기존에 가습기내에 액적 상태의 응축수가 적체되는 현상 및 빙결되는 현상을 방지할 수 있다.

넷째, 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 가습기의 가습 효율을 높일 수 있으므로, 가습기의 가습용량 축소 및 사이즈 축소를 도모할 수 있다.

도 1은 연료전지 시스템의 스택 및 공기공급 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 워터트랩에 저장된 응축수를 활용한 종래의 공기 가습 방법을 도시한 구성도,
도 3은 종래의 공기 가습 방법을 적용할 때, 워터트랩에 저장된 응축수가 가습기내에 응축수가 적체되어 고이는 모습을 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법을 도시한 구성도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법을 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법을 위하여, 워터트랩과 가습기가 이류체 스프레이 노즐을 통하여 연결된 모습을 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 이류체 스프레이 노즐을 나타낸 단면도,
도 9 및 도 10은 워터트랩으로부터의 응축수가 이류체 스프레이 노즐에 의하여 공기압축기의 전단에 분사되거나, 가습기의 출구 및 공기극의 입구 사이의 공기공급라인에 분사되는 예를 도시한 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

연료전지 시스템의 구성 중, 공기 가습을 위해 사용되는 막 가습기의 경우 수증기 분압차에 의한 원리로 수분을 전달하여 공기를 가습하는 장치로서, 공기 가습을 위하여 액적 상태의 물 보다는 수증기를 수용할 때, 가습 성능을 더 효율적으로 발휘할 수 있다.

이에, 본 발명은 워터트랩으로부터 드레인된 응축수 액적을 이류체 스프레이 노즐을 이용하여 잘게 쪼개서 가습기를 포함한 공기 가습이 가능한 위치로 분사시키고, 분사된 응축수가 스택으로부터 배출되는 습윤공기의 온도로 인하여 수증기로 변화될 수 있도록 함으로써, 가습기의 공기 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치를 나타내는 구성도이다.

도 4에서 보듯이, 상기 스택(10)의 공기극에는 공기를 공급하기 위한 공기공급 시스템(20)이 연결된다.

이때, 스택의 전기 생성 반응에 미참여한 일부 수소가 연료극으로부터 배출될 때, 연료극내의 응축수가 함께 배출되는 바, 이 응축수는 워터트랩(28)내에 일단 저장되고, 워터트랩(28)의 하단에는 응축수 배출시 열림 작동하는 드레인 밸브(29)가 장착된다.

여기서, 상기 가습기(25)의 습윤공기 공급구 또는 스택(10)의 공기극과 가습기(25)를 연결하는 습윤공기 유입라인(31)에 분사수단이 설치된다.

상기 분사수단은 공기압축기의 압축공기 압력을 이용하여, 워터트랩(28)으로부터 드레인밸브(29)를 통하여 배출되는 응축수를 잘게 부수면서 가습기(25)내에 직접 분사하거나 습윤공기 유입라인(31)내에 분사하는 것으로서, 바람직하게는 이류체 스프레이 노즐로 채택된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이류체 스프레이 노즐(100)은 첨부한 도 7에서 보듯이, 일측 중심부에 제1노즐(102)이 형성된 외부 분사체(104)와, 제1노즐(102)의 중심부에 삽입 배치되는 제2노즐(106)이 일측단부에 형성된 내부 분사체(108)로 구성되고, 제1노즐(102)과 제2노즐(106)이 동일 수직선상에 중심이 같은 동심원 배열을 이룬다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이류체 스프레이 노즐(100)은 첨부한 도 8에서 보듯이, 일측 중심부에 제1노즐(102)이 형성된 외부 분사체(104)와, 제1노즐(102)의 중심부 안쪽에 이격 배치되는 제2노즐(106)이 일측단부에 형성된 내부 분사체(108)로 구성되고, 제1노즐(102)과 제2노즐(106)이 동일 수직선상에서 이격된 배열을 이룬다.

한편, 상기 공기압축기(23)의 출구와 이류체 스프레이 노즐(100)의 입구 간에는 공기압축기(23)의 출구로부터 일부 압축공기를 이류체 스프레이 노즐(100)의 입구로 바이패스하기 위한 바이패스 라인(110)이 연결되고, 이 바이패스라인(110)에는 압축공기의 공급량을 조절하기 위하여 개폐각 조절 가능한 바이패스 밸브(112)가 장착된다.

또한, 스택의 전기 생성을 위한 반응 중, 반응에 미참여한 일부 수소가 연료극으로부터 배출될 때, 연료극내의 응축수가 함께 배출되어 워터트랩(28)내에 일단 저장되고, 워터트랩(28)내의 수위감지센서에서 응축수의 수위를 임계수준 이상으로 감지하면, 워터트랩의 하단에 장착된 드레인 밸브(29)가 열려서 드레인 밸브(29)의 출구에 연결된 드레인라인(30)을 따라 응축수의 배출이 이루어진다.

이때, 상기 이류체 스프레이 노즐(100)의 외부 분사체(104)와 내부 분사체(108)의 사이 공간 즉, 압축공기 흐름공간(114)에 공기압축기(202)의 출구와 연통 가능한 바이패스 라인(110)이 연결되고, 상기 이류체 스프레이 노즐(100)의 내부 분사체(108)의 내부공간 즉, 응축수 흐름공간(124)에는 상기 드레인 밸브(29)의 출구에 연결된 드레인라인(30)이 연통 가능하게 연결된다.

예를 들어, 첨부한 도 6에서 보듯이, 워터트랩(28)에 장착된 드레인밸브(29)의 드레인라인(30)이 가습기(25)에 장착된 이류체 스프레이 노즐(100)의 응축수 흐름공간(124)에 직결된다.

첨부한 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 공기 가습 장치를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 다른 실시예는 상기한 일 실시예와 동일하게 구성되고, 단지 상기 드레인밸브(29)는 워터트랩(28)에 저장된 응축수를 공기배기라인(27)으로 배출시키거나, 또는 드레인라인(30)을 따라 이류체 스프레이 노즐(100)의 입구로 배출시킬 수 있도록 3방향 밸브로 채택된 점에 특징이 있다.

여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 연료전지 공기극 가습 방법을 설명하면 다음과 같다.

연료전지 시스템의 운전 중, 연료전지 스택에서 수소와 공기 중 산소와의 반응에 의한 전기에너지를 생성하기 위하여, 공기압축기(23)에서 외부공기를 흡입 압축하여 스택(10)의 공기극으로 공급한다.

이때, 상기 공기압축기(23)의 출구로부터 에어쿨러를 거쳐 가습기(25)로 공급되는 압축공기의 일부가 바이패스라인(110)을 따라 이류체 스프레이 노즐(100)로 공급된다.

또한, 스택의 전기 생성 반응에 미참여한 일부 수소가 연료극으로부터 배출될 때, 연료극내의 응축수가 함께 배출되어 워터트랩(28)내에 일단 저장되고, 워터트랩(28)내의 수위감지센서에서 응축수의 수위를 임계수준 이상으로 감지하면, 워터트랩의 하단에 장착된 드레인 밸브(29)가 열려서 드레인 밸브(29)의 출구에 연결된 드레인라인(30)을 따라 응축수의 배출이 이루어지고, 배출된 응축수는 드레인라인(30)을 따라 이류체 스프레이 노즐(100)로 공급된다.

이렇게 상기 공기압축기(23)의 출구로부터 바이패스되어 이류체 스프레이 노즐(100)로 압축공기가 공급되면, 공급된 압축공기는 이류체 스프레이 노즐(100)의 외부 분사체(104)와 내부 분사체(108)의 사이 공간인 압축공기 흐름공간(114)을 경유하여 제1노즐(102)을 통해 가습기(25)의 내부 또는 습윤공기 유입라인(31)내에 분사된다.

이와 동시에, 상기 워터트랩(28)으로부터의 응축수도 이류체 스프레이 노즐(100)의 내부 분사체(108)의 내부공간인 응축수 흐름공간(124)을 경유하여 제2노즐(102)을 통해 가습기(25)의 내부 또는 습윤공기 유입라인(31)내에 분사된다.

즉, 상기 제1노즐(102)을 통하여 분사되는 압축공기의 분사압력에 의하여 제2노즐(102)을 통하여 분사되는 응축수가 잘게 부수어지면서 분무 형태로 분사되어진다.

다시 말해서, 상기 이류체 스프레이 노즐(100)에서 공기압축기(23)로부터 바이패스된 압축공기의 압력을 이용하여, 워터트랩(28)으로부터의 응축수를 잘게 부수면서 가습기(25)내에 직접 분사하거나, 스택(10)의 공기극과 가습기(25)를 연결하는 습윤공기 유입라인(31)내에 분사하게 된다.

따라서, 상기 가습기(25)내에 직접 분사되거나, 스택(10)의 공기극과 가습기(25)를 연결하는 습윤공기 유입라인(31)내에 분사되는 응축수가 잘게 부수어진 상태가 됨에 따라, 스택(10)의 전기 생성을 위한 반응 중 공기극에서 습윤공기 유입라인(31)으로 배출된 고온의 습윤공기에 의하여 용이하게 수증기화된다.

연이어, 상기 가습기(25)에서의 가습 작동은 스택으로부터 배출된 습윤공기외에 수증기화 된 응축수가 가습기내의 중공사막 외경부를 따라 흐르는 단계와, 습윤공기 및 수증기화 된 응축수의 수분이 모세관 현상에 의하여 중공사막의 내부로 들어가 공기압축기로부터의 공기를 가습시키는 단계로 이루어진다.

이에 따라, 상기 가습기가 공기 가습을 위하여 액적 상태의 물 보다 수증기를 수용할 때, 그 가습 성능을 더 효율적으로 발휘하는 점을 감안할 때, 스택으로부터 배출된 습윤공기외에 수증기화 된 응축수가 가습기에 더 공급되므로, 건조공기에 대한 가습기의 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 첨부한 도 9를 참조하면 상기 이류체 스프레이 노즐(100)을 통해 분사되는 응축수가 스택 출구 즉, 가습기(25) 또는 습윤공기 유입라인(31)이 아닌 스택 입구 즉, 가습기(25)의 출구와 공기극 사이의 공기공급라인쪽에 분사되면, 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.

첫째 워터트랩에서 드레인된 응축수에 수소가 포함되어 있기 때문에 스택의 공기극으로 공기와 수소가 함께 혼합되어 공급되는 문제점이 발생할 수 있고, 둘째 이류체 스프레이 노즐에 의해 분사된 응축수가 수증기로 상변화되지 않아 스택으로 큰 액적의 응축수가 유입되어 스택 내 유로 막힘 또는 플러딩의 문제를 유발할 수 있다.

또한, 첨부한 도 10을 참조하면 상기 이류체 스프레이 노즐(100)을 통해 분사되는 응축수가 스택 출구 즉, 가습기(25) 또는 습윤공기 유입라인(31)이 아닌 공기압축기(23)의 입구측에 분사되는 경우에도 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.

첫째, 상기 이류체 스프레이 노즐(100)에 의해 분사된 응축수의 수분이 공기압축기(23)내의 모터로 유입되어 공기압축기 작동 불량 문제를 유발할 수 있고, 둘째 워터트랩에서 드레인되는 응축수에 수소가 포함되어 있기 때문에 스택으로 공기와 수소가 함께 혼합되어 공급되는 문제점이 발생할 수 있다.

이에, 상기한 본 발명의 각 실시예와 같이 이류체 스프레이 노즐(100)을 통해 분사되는 응축수를 스택 출구 즉, 가습기 또는 습윤공기 유입라인으로 분사해주는 것이 바람직하다.

10 : 스택
20 : 공기공급 시스템
21 : 필터
22 : 소음기
23 : 공기압축기
24 : 에어쿨러
25 : 가습기
26 : 압력조절밸브
27 : 공기배기라인
28 : 워터트랩
29 : 드레인 밸브
30 : 드레인라인
31 : 습윤공기 유입라인
100 : 이류체 스프레이 노즐
102 : 제1노즐
104 : 외부 중공체
106 : 제2노즐
108 : 내부 중공체
110 : 바이패스라인
112 : 바이패스 밸브
114 : 압축공기 흐름공간
124 : 응축수 흐름공간

Claims

스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기압축기와;
스택으로부터 배출된 응축수를 일시 저장하는 워터트랩과;
워터트랩에 저장된 응축수 배출시 열림 작동되는 드레인밸브와;
상기 공기압축기의 압축공기 압력을 이용하여, 워터트랩으로부터 드레인밸브를 통하여 배출되는 응축수를 잘게 부수면서 가습기내에 직접 분사하거나, 스택의 공기극과 가습기를 연결하는 습윤공기 유입라인내에 분사하는 분사수단;
을 포함하고,
상기 공기압축기의 출구와 분사수단의 입구가 바이패스 라인에 의하여 연결되고, 이 바이패스 라인에는 개폐 가능한 바이패스 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 분사수단은:
일측 중심부에 제1노즐이 형성된 구조로 구비되어, 공기압축기로부터의 압축공기를 분사하는 외부 분사체와;
상기 제1노즐의 중심부에 삽입 배치되는 제2노즐이 일측단부에 형성된 구조로 구비되어, 워터트랩으로부터의 응축수를 분사하는 내부 분사체;
로 구성되는 이류체 스프레이 노즐로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분사수단은:
일측 중심부에 제1노즐이 형성된 구조로 구비되어, 공기압축기로부터의 압축공기를 분사하는 외부 분사체와;
상기 제1노즐의 중심부 안쪽에 이격 배치되는 제2노즐이 일측단부에 형성된 구조로 구비되어, 워터트랩으로부터의 응축수를 분사하는 내부 분사체;
로 구성되는 이류체 스프레이 노즐로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 장치.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 분사수단의 외부 분사체와 내부 분사체의 사이 공간은 공기압축기의 출구와 바이패스 라인에 의하여 연통 가능하게 연결되는 압축공기 흐름공간으로 형성되고, 내부 분사체의 내부공간은 드레인밸브의 출구와 연통 가능하게 연결되는 응축수 흐름공간으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 드레인밸브는 워터트랩에 저장된 응축수를 공기배기라인으로 배출시키거나, 분사수단의 입구로 배출시키는 3방향 밸브로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 장치.
워터트랩내에 저장된 응축수를 드레인밸브를 통하여 분사수단으로 공급하는 단계와;
공기압축기에서 외부공기를 흡입 압축하여 연료전지의 공기극으로 공급하는 단계와;
상기 공기압축기의 출구로부터 압축공기의 일부를 분사수단의 입구쪽으로 바이패스시키는 단계와;
상기 분사수단에서 바이패스된 압축공기의 압력을 이용하여, 드레인밸브로부터의 응축수를 잘게 부수면서 가습기내에 직접 분사하거나, 스택의 공기극과 가습기를 연결하는 습윤공기 유입라인내에 분사하는 단계;
상기 가습기내에 직접 분사되거나, 스택의 공기극과 가습기를 연결하는 습윤공기 유입라인내에 분사되는 응축수가 잘게 부수어진 상태가 되어, 스택의 공기극에서 배출된 고온의 습윤공기에 의하여 수증기화되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 방법.
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 분사수단에 의한 응축수 분사량을 조절하기 위하여, 공기압축기의 출구로부터 분사수단의 입구쪽으로 바이패스되는 압축공기의 바이패스량을 조절하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 가습 방법.