KR101724454B1 - 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로 이루어지는 스택과, ⅱ)연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅳ)공기극으로 공급되는 건조한 공급 공기와, 연료극으로 공급되는 건조한 공급 수소를 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습장치를 포함하며, 가습장치는 공급 공기를 가습하는 적어도 하나의 공기 가습부와, 공급 수소를 가습하는 적어도 하나의 수소 가습부를 일체로 구성할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 가습장치 {FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME}
본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 공기와 수소를 가습하기 위한 가습장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료 전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 물과 열을 생성하면서 전기를 발생시킨다.
연료 전지 시스템은 수소 저장 탱크에 저장된 수소가 연료 전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치에 의해 대기 중의 공기가 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
연료 전지의 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 공기와 수소의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 된다. 이에 연료 전지 시스템에서는 연료 전지로 공급되는 공급 공기와 공급 수소의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.
종래 기술에서는 각각 별도의 가습기를 설치하여 연료 전지로 공급되는 공급 공기와 공급 수소를 가습하고 있으며, 다른 예로서 연료 전지로부터 배출되는 배출 수소를 이용하여 공급 수소를 가습하고 있다.
그런데, 종래 기술에서는 공급 공기와 공급 수소를 가습하는 가습기를 각각 구비하므로, 패키지 측면에서 불리하고, 전체 연료 전지 시스템을 컴팩트하게 구현하지 못하고 있다.
또한, 종래 기술에서는 연료 전지로부터 배출되는 배출 수소를 이용하여 공급 수소를 가습하는 경우, 배출 수소에 비교적 많은 수분을 함유하고 있지 않기 때문에 공급 수소의 충분한 가습 성능을 발휘하지 못하고 있다.
본 발명의 실시예들은 전체 시스템의 패키지 측면에서 유리하고, 기체-기체 가습 방식에 의한 공급 공기와 공급 수소의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 공기극으로 공급되는 건조한 공급 공기와, 상기 연료극으로 공급되는 건조한 공급 수소를 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습장치를 포함하며, 상기 가습장치는 상기 공급 공기를 가습하는 적어도 하나의 공기 가습부와, 상기 공급 수소를 가습하는 적어도 하나의 수소 가습부를 일체로 구성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 가습부는 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 열/수분 교환을 통해 공급 공기의 가습이 이루어지며 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수소 가습부는 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 공급 수소의 열/수분 교환을 통해 공급 수소의 가습이 이루어지며 그 가습된 수소를 상기 연료극으로 공급할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습장치는 상기 공기 가습부와 수소 가습부를 상호 연결되게 내장하는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습장치는 상기 하우징의 내부에 한 쌍의 공기 가습부를 구성하고, 이들 공기 가습부 사이에 상기 수소 가습부를 구성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가습장치는 상기 공급 공기를 상기 각 공기 가습부에 선택적으로 공급하기 위한 유로 전환 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치는, ⅰ)하우징과, ⅱ)상기 하우징의 내부에 배치되며, 스택으로부터 배출되는 배출 공기로서 건조한 공급 공기를 가습하는 적어도 하나의 공기 가습부와, ⅲ)상기 하우징의 내부에서 상기 공기 가습부와 상호 연결되며, 스택으로부터 배출되는 배출 공기로서 건조한 공급 수소를 가습하는 수소 가습부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 공기 가습부와 수소 가습부는 각각 중공 사막을 내장할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치는, 상기 하우징의 내부에 제1 공기 가습부와 제2 공기 가습부를 구성하고, 상기 제1 및 제2 공기 가습부 사이에 수소 가습부를 구성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 배출 공기를 상기 제1 공기 가습부로 공급하기 위한 제1 유입부와, 상기 공급 공기를 상기 제1 공기 가습부로 공급하기 위한 제2 유입부와, 상기 공급 공기를 상기 제2 공기 가습부로 공급하기 위한 제3 유입부와, 상기 공급 수소를 상기 수소 가습부로 공급하기 위한 제4 유입부와, 상기 제1 공기 가습부에서 가습된 공기를 배출하기 위한 제1 유출부와, 상기 제2 공기 가습부에서 가습된 공기를 배출하기 위한 제2 유출부와, 상기 수소 가습부에서 가습된 수소를 배출하기 위한 제3 유출부와, 상기 제1,2 공기 가습부 및 수소 가습부를 거치며 수분이 제거된 배출 공기를 배출하기 위한 제4 유출부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 하우징의 내부에는 상기 제1,2 공기 가습부 및 수소 가습부를 구획 형성하기 위한 제1 및 제2 격벽이 구비될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 제1 격벽에는 상기 제1 공기 가습부와 수소 가습부를 연결하는 제1 연결홀이 형성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치에 있어서, 상기 제2 격벽에는 상기 수소 가습부와 제2 공기 가습부를 연결하는 제2 연결홀이 형성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 가습장치는, 상기 공급 공기를 상기 제1 및 제2 공기 가습부에 선택적으로 공급하기 위한 유로 전환 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 공기 가습부와 수소 가습부를 하우징에 일체로 구성함으로써 스택으로부터 배출되는 배출 공기를 이용하여 공급 공기와 공급 수소를 가습할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 공기 가습부와 수소 가습부를 일체로 구성함에 따라 패키지화 측면에서 유리하고, 전체 연료 전지 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 공급 공기를 배출 공기로서 가습함과 아울러 스택에서 배출되는 배출 수소를 이용하여 공급 수소를 가습하는 종래 기술과 달리 수분을 더 많이 함유하고 있는 배출 공기를 이용하여 공급 수소를 가습하게 되므로, 공급 공기와 공급 수소의 기체-기체 가습 방식에 의한 가습장치의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 전체 가습장치의 가습 성능이 향상됨에 따라, 결과적으로는 가습장치의 사이즈를 줄일 수 있게 되며, 중공 사막의 양을 절감할 수 있고, 이로 인해 가격적인 측면과 패키지적인 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 있어 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료로서의 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.
본 발명의 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 수소 공급유닛(50)과, 가습장치(70)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.
여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 스택(10)의 운전 조건에 따라 비교적 온도가 높지 않고 다습하거나 고온 건조한 배출 공기를 배출하며, 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.
즉, 상기 연료 전지(17)는 고출력인 경우에 공기극(13)에서 고온 건조한 배출 공기를 배출할 수 있으며, 고출력이 아닌 경우에는 공기극(13)에서 고온 다습한 배출 공기를 배출할 수 있다.
상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로, 대기 중의 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공급 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.
상기 수소 공급유닛(50)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스(이하에서는 편의 상 "공급 수소" 라고 한다)를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(51)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 가습장치(70)는 공기 공급유닛(30)을 통해 공기극(13)으로 공급되는 건조한 공급 공기와, 수소 공급유닛(50)을 통해 연료극(15)으로 공급되는 건조한 공급 수소를 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가습장치(70)는 공급 공기를 배출 공기로서 가습하는 복수의 공기 가습부(71, 81)와, 공급 수소를 배출 공기로서 가습하는 단일의 수소 가습부(91)를 포함하며, 이러한 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)를 일체로 구성한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 복수의 공기 가습부(71, 81)는 편의 상 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)로 정의할 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 공급유닛(30)으로부터 공급되는 공급 공기의 열/수분 교환을 통해 공급 공기의 가습이 이루어지며 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 공기극(13)으로 공급할 수 있다.
그리고, 상기 수소 가습부(91)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기와 수소 공급유닛(50)으로부터 공급되는 공급 수소의 열/수분 교환을 통해 공급 수소의 가습이 이루어지며 그 가습된 수소(이하에서는 편의 상 "가습 수소" 라고 한다)를 연료극(15)으로 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가습장치(70)의 구성을 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 가습장치(70)는 하우징(75)의 내부에서 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)가 상호 연결된 구조로 이루어진다.
상기 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)는 도면을 기준으로 하우징(75)의 내부 상하 측에 위치하며, 수소 가습부(91)는 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)와 연결되며 이들 공기 가습부(71, 81) 사이에 위치한다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)의 내부에는 배출 공기와 공급 공기와의 열/수분 교환을 통해 그 공급 공기의 가습(기체-기체 방식의 가습)이 이루어지는 중공 사막(72, 82)이 구비된다.
상기 수소 가습부(91)의 내부에는 배출 공기와 공급 수소와의 열/수분 교환을 통해 그 공급 수소의 가습(기체-기체 방식의 가습)이 이루어지는 중공 사막(92)이 구비된다.
한편, 상기 하우징(75)의 내부에는 제1,2 공기 가습부(71, 81) 및 수소 가습부(91)를 구획 형성하기 위한 제1 및 제2 격벽(76, 86)이 설치된다.
즉, 상기 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)는 제1 및 제2 격벽(76, 86)에 의해 각각 구획된 하우징(75)의 내부 공간에 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 격벽(76)에는 제1 공기 가습부(71)와 수소 가습부(91)를 연결하는 제1 연결홀(77)이 형성되며, 제2 격벽(86)에는 수소 가습부(91)와 제2 공기 가습부(81)를 연결하는 제2 연결홀(87)이 형성된다.
그리고, 상기 하우징(75)는 배출 공기를 제1 공기 가습부(71)로 공급하기 위한 제1 유입부(79a)와, 공급 공기를 제1 공기 가습부(71)로 공급하기 위한 제2 유입부(79b)와, 공급 공기를 제2 공기 가습부(81)로 공급하기 위한 제3 유입부(79c)와, 공급 수소를 수소 가습부(91)로 공급하기 위한 제4 유입부(79d)를 형성하고 있다.
또한, 상기 하우징(75)은 제1 공기 가습부(71)에서 가습된 가습 공기를 배출하기 위한 제1 유출부(89a)와, 제2 공기 가습부(81)에서 가습된 가습 공기를 배출하기 위한 제2 유출부(89b)와, 수소 가습부(91)에서 가습된 가습 수소를 배출하기 위한 제3 유출부(89c)와, 제1,2 공기 가습부(71, 81) 및 수소 가습부(91)를 거치며 수분이 제거된 배출 공기를 배출하기 위한 제4 유출부(89d)를 형성하고 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 가습장치(70)는 스택(10)의 운전 조건, 예컨대 고출력 구간과 고출력 이하 구간에 따라 공급 공기를 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)에 선택적으로 공급하기 위한 유로 전환 밸브(95)를 더 포함하고 있다.
상기 유로 전환 밸브(95)는 공기 공급유닛(30)과 하우징(75)의 제2 및 제3 유입부(79b, 79c)를 연결하는 공기 공급라인에 설치될 수 있는 3-웨이 밸브로 이루어진다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 가습장치(70)의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 있어 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 스택(10)의 고출력 이하 구간에서, 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 비교적 온도가 높지 않고 다습한 배출 공기가 배출되고, 그 배출 공기는 하우징(75)의 제1 유입부(79a)를 통해 제1 공기 가습부(71)로 유입된다.
여기서, 상기 배출 공기는 제1 공기 가습부(71)를 거치며 제1 격벽(76)의 제1 연결홀(77)을 통해 수소 가습부(91)로 유입되고, 그 수소 가습부(91)를 거치며 제2 격벽(86)의 제2 연결홀(87)을 통해 제2 공기 가습부(81)로 유입될 수 있다.
상기 스택(10)의 고출력 이하 구간에서는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기의 온도가 높지 않기 때문에, 공급 수소를 1차적으로 가습할 경우 배출 공기의 온도가 너무 낮아져 차후 공급 공기의 가습이 충분히 이루어지지 않을 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 우선 1차적으로 공급 공기를 가습하는데, 유로 전환 밸브(95)는 하우징(75)의 제2 및 제3 유입부(79b, 79c)로 개방된 상태에 있다.
따라서, 공기 공급유닛(30)으로부터 공급되는 공급 공기는 제2 및 제3 유입부(79b, 79c)를 통해 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)로 공급된다.
이로써, 상기 공급 공기는 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)에서 중공 사막(72, 82)을 거치며 배출 공기와 열 및 수분 교환을 하며 가습이 이루어지고, 그 가습 공기는 제1 및 제2 유출부(89a, 89b)를 통해 배출되며 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급된다.
그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 수소 공급유닛(50)으로부터 제공되는 공급 수소를 2차적으로 가습하기 위해 그 공급 수소를 제4 유입부(79d)를 통해 수소 가습부(91)로 공급한다.
그러면, 상기 공급 수소는 수소 가습부(91)에서 중공 사막(92)을 거치며 배출 공기와 열 및 수분 교환을 하며 가습이 이루어지고, 그 가습 수소는 제3 유출부(89c)를 통해 배출되며 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.
한편, 상기 하우징(75)의 내부에서 제1 및 제2 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)를 거치며 열과 수분이 제거된 배출 공기는 제4 유출부(89d)를 통해 대기 중으로 배출된다.
다른 한편으로, 도 3b를 참조하면 스택(10)의 고출력 구간에서, 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 비교적 고온 건조한 배출 공기가 배출되고, 그 배출 공기는 하우징(75)의 제1 유입부(79a)를 통해 제1 공기 가습부(71)로 유입된다.
여기서, 상기 배출 공기는 제1 공기 가습부(71)를 거치며 제1 격벽(76)의 제1 연결홀(77)을 통해 수소 가습부(91)로 유입되고, 그 수소 가습부(91)를 거치며 제2 격벽(86)의 제2 연결홀(87)을 통해 제2 공기 가습부(81)로 유입될 수 있다.
상기 스택(10)의 고출력 구간에서는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출 공기의 온도가 높고 건조하기 때문에, 배출 공기의 온도를 낮추어 상대 습도를 증가시키기 위해 수소 공급유닛(50)의 수소 탱크(51)로부터 공급됨으로 인해 비교적 온도가 낮은 공급 수소를 먼저 가습할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 우선 1차적으로 공급 수소를 가습하는데, 수소 공급유닛(50)의 수소 탱크(51)로부터 제공되는 공급 수소를 제4 유입부(79d)를 통해 수소 가습부(91)로 공급한다.
그러면, 상기 공급 수소는 수소 가습부(91)에서 중공 사막(92)을 거치며 배출 공기와 열 및 수분 교환을 하며 가습이 이루어지고, 그 가습 수소는 제3 유출부(89c)를 통해 배출되며 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.
이 과정에서, 비교적 온도가 낮은 공급 수소와 고온 건조한 배출 공기와의 열 및 수분 교환이 이루어지기 때문에, 배출 공기는 온도가 낮아지게 상대 습도는 상대적으로 증가하게 된다.
상기한 과정을 거친 후, 본 발명의 실시예에서는 상대 습도가 높아진 배출 공기를 이용하여 2차적으로 공급 공기를 가습하는데, 이 경우 유로 전환 밸브(95)는 하우징(75)의 제3 유입부(79c)로 개방된 상태에 있다.
따라서, 공기 공급유닛(30)으로부터 공급되는 공급 공기는 제3 유입부(79c)를 통해 제2 공기 가습부(81)로 공급된다.
이로써, 상기 공급 공기는 제2 공기 가습부(81)에서 중공 사막(82)을 거치며 배출 공기(상대 습도가 높아진 배출 공기)와 열 및 수분 교환을 하며 가습이 이루어지고, 그 가습 공기는 제2 유출부(89b)를 통해 배출되며 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급된다.
한편, 상기 하우징(75)의 내부에서 수소 가습부(91)와 제2 공기 가습부(81)를 거치며 열과 수분이 제거된 배출 공기는 제4 유출부(89d)를 통해 대기 중으로 배출된다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)를 하우징(75)에 일체로 구성함으로써 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기를 이용하여 공급 공기와 공급 수소를 가습할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 공기 가습부(71, 81)와 수소 가습부(91)를 일체로 구성함에 따라 패키지화 측면에서 유리하며, 전체 연료 전지 시스템(100)을 컴팩트 하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 공급 공기를 배출 공기로서 가습함과 아울러 스택에서 배출되는 배출 수소를 이용하여 공급 수소를 가습하는 종래 기술과 달리 수분을 더 많이 함유하고 있는 배출 공기를 이용하여 공급 수소를 가습하게 되므로, 공급 공기와 공급 수소의 기체-기체 가습 방식에 의한 가습장치(70)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같이 가습장치(70)의 가습 성능이 향상됨에 따라, 결과적으로는 전체 가습장치(70)의 사이즈를 줄일 수 있게 되며, 중공 사막의 양을 절감할 수 있고, 이로 인해 가격적인 측면과 패키지적인 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.
이상을 통해 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10... 스택 11... MEA
13... 공기극 15... 연료극
17... 연료 전지 30... 공기 공급유닛
31... 공기 블로워 50... 수소 공급유닛
51... 수소 탱크 70... 가습장치
71... 제1 공기 가습부 72, 82, 92... 중공 사막
75... 하우징 76... 제1 격벽
77... 제1 연결홀 79a... 제1 유입부
79b... 제2 유입부 79c... 제3 유입부
79d... 제4 유입부 81... 제2 공기 가습부
86... 제2 격벽 87... 제2 연결홀
89a... 제1 유출부 89b... 제2 유출부
89c... 제3 유출부 89d... 제4 유출부
91... 수소 가습부 95... 유로 전환 밸브

Claims (11)

  1. 연료 전지의 집합체로 이루어지는 스택;
    상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
    상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛; 및
    상기 공기극으로 공급되는 건조한 공급 공기와, 상기 연료극으로 공급되는 건조한 공급 수소를 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습장치;를 포함하며,
    상기 가습장치는,
    상기 공급 공기를 가습하는 적어도 하나의 공기 가습부와, 상기 공급 수소를 가습하는 적어도 하나의 수소 가습부를 일체로 구성하고,
    상기 공기 가습부와 수소 가습부를 상호 연결되게 내장하는 하우징을 포함하며,
    상기 하우징의 내부에 한 쌍의 공기 가습부를 구성하고, 이들 공기 가습부 사이에 상기 수소 가습부를 구성하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 가습부는,
    상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 열/수분 교환을 통해 공급 공기의 가습이 이루어지며 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 수소 가습부는,
    상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 공급 수소의 열/수분 교환을 통해 공급 수소의 가습이 이루어지며 그 가습된 수소를 상기 연료극으로 공급하는 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가습장치는,
    상기 공급 공기를 상기 각 공기 가습부에 선택적으로 공급하기 위한 유로 전환 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 하우징;
    상기 하우징의 내부에 배치되며, 스택으로부터 배출되는 배출 공기로서 건조한 공급 공기를 가습하는 적어도 하나의 공기 가습부; 및
    상기 하우징의 내부에서 상기 공기 가습부와 상호 연결되며, 스택으로부터 배출되는 배출 공기로서 건조한 공급 수소를 가습하는 수소 가습부;를 포함하며,
    상기 하우징의 내부에 제1 공기 가습부와 제2 공기 가습부를 구성하고, 상기 제1 및 제2 공기 가습부 사이에 수소 가습부를 구성하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 공기 가습부와 수소 가습부는 각각 중공 사막을 내장하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
  8. 삭제
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 배출 공기를 상기 제1 공기 가습부로 공급하기 위한 제1 유입부와,
    상기 공급 공기를 상기 제1 공기 가습부로 공급하기 위한 제2 유입부와,
    상기 공급 공기를 상기 제2 공기 가습부로 공급하기 위한 제3 유입부와,
    상기 공급 수소를 상기 수소 가습부로 공급하기 위한 제4 유입부와,
    상기 제1 공기 가습부에서 가습된 공기를 배출하기 위한 제1 유출부와,
    상기 제2 공기 가습부에서 가습된 공기를 배출하기 위한 제2 유출부와,
    상기 수소 가습부에서 가습된 수소를 배출하기 위한 제3 유출부와,
    상기 제1,2 공기 가습부 및 수소 가습부를 거치며 수분이 제거된 배출 공기를 배출하기 위한 제4 유출부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 하우징의 내부에는 상기 제1,2 공기 가습부 및 수소 가습부를 구획 형성하기 위한 제1 및 제2 격벽이 구비되며,
    상기 제1 격벽에는 상기 제1 공기 가습부와 수소 가습부를 연결하는 제1 연결홀이 형성되고,
    상기 제2 격벽에는 상기 수소 가습부와 제2 공기 가습부를 연결하는 제2 연결홀이 형성되는 연료 전지 시스템의 가습장치.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 공급 공기를 상기 제1 및 제2 공기 가습부에 선택적으로 공급하기 위한 유로 전환 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 가습장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100550954B1 (ko) * 2004-07-09 2006-02-13 현대모비스 주식회사 연료전지시스템
KR101028030B1 (ko) * 2007-09-06 2011-04-13 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치

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