KR101755516B1

KR101755516B1 - 연료전지용 가습기

Info

Publication number: KR101755516B1
Application number: KR1020160087409A
Authority: KR
Inventors: 한수동; 구진우; 김현유
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2017-07-07

Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 가습기는 ⅰ)가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, ⅱ)막 모듈부의 일측에 결합되며, 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, ⅲ)막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부와, ⅳ)제2 캡부의 내부에 설치되며, 막 모듈부로부터 유입된 응축수를 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로와, ⅴ)바이패스 관로에 회전 가능하게 결합되며, 바이패스 관로의 입구를 선택적으로 개폐하는 관로 개폐부와, ⅵ)관로 개폐부와 연결되게 구비되며, 제2 캡부의 내부로 유입되는 유체에 의해 관로 개폐부에 작동력을 인가하는 개폐 작동부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 가습기 {HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지로 공급되는 반응기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다.

가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치의 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.

연료전지 차량의 경우에서는 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습 방식을 적용하고 있다. 이러한 막 가습 방식의 가습기는 패키지 측면에서 뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.

막 가습 방식의 가습기(이하에서는 편의상 "막 가습기" 라고 한다)는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출가스와, 공기 압축기를 통해 공급되는 건조 공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식을 통해 막 가습이 이루어진다.

상기와 같은 가습기는 가습막 내부의 응축수 누적으로 인한 공기 유량 상승 시, 연료전지로의 응축수 유입으로 인해 연료전지 스택에서 셀 빠짐 등의 현상이 발생할 수 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해 종래 기술에서는 연료전지로 가습공기를 공급하는 캡(cap) 아웃부 측에서 쉘(shell) 인(막 가습부) 측으로 응축수를 바이패스 배출하며, 캡 아웃부 측에서 응축수가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 막기 위한 바이패스 구조를 적용하고 있다. 즉, 상기 바이패스 구조는 쉘 인 측에서 캡 아웃부 측으로 배출되며 그 캡 아웃부 측에 포집된 응축수를 별도로 저장하여 외부로 배출하거나 펌프의 펌핑 압력에 의해 쉘 인 측으로 바이패스시킬 수 있다.

예를 들면, 이와 같은 바이패스 구조는 차량의 아이들 상태에서 급 출력 시, 가습막 내부의 응축수가 캡 아웃부 측으로 다량 토출됨에 따라, 그 응축수를 캡 아웃부 측에서 쉘 인 측으로 배출하며, 연료전지 스택의 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐을 방지해 주는 역할을 한다.

그런데, 상기와 같은 바이패스 구조는 연료전지로의 응축수 유입을 막는 장점이 있으나, 쉘 인 측으로의 응축수 바이패스 배출 외에 공기를 쉘 인 측으로 바이패스 배출함에 따라, 상시 운전 영역에서 공기 유량의 손실을 야기하며, 이는 시스템의 연비 및 효율을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.

즉, 종래 기술에서는 캡 아웃부 측에서 공기가 바이패스 구조를 통해 쉘 인 측으로 유입되며 배기계를 통해 배출됨에 따라, 상시 일정 비율의 공기 유량이 연료전지 스택에서 반응하지 않고 배기계를 통해 배출되는 공기 유량의 손실을 야기한다.

따라서, 응축수의 배출 시기는 전체 연료전지 시스템의 운전 범위 중 극히 일부분이며, 대부분 공기의 손실을 야기하므로, 시스템의 연비 및 효율 측면에서 공기 손실의 개선이 필요한 실정이다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 바이패스 구조를 통해 캡 아웃부 측에서 쉘 인 측으로의 응축수 바이패스 배출은 그대로 유지하며, 그 바이패스 구조를 통하여 캡 아웃부 측에서 쉘 인 측으로 바이패스 배출되는 공기를 간단한 구성으로 차단할 수 있도록 한 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, ⅰ)가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, ⅱ)상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, ⅲ)상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부와, ⅳ)상기 제2 캡부의 내부에 설치되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로와, ⅴ)상기 바이패스 관로에 회전 가능하게 결합되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 선택적으로 개폐하는 관로 개폐부와, ⅵ)상기 관로 개폐부와 연결되게 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부로 유입되는 유체에 의해 상기 관로 개폐부에 작동력을 인가하는 개폐 작동부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 관로 개폐부는 일측 단부가 제1 힌지 핀을 통하여 상기 바이패스 관로에 힌지 결합되는 로드부재와, 상기 로드부재의 다른 일측 단부에 결합되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 개폐하는 고무 소재의 제1 가스켓부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제1 가스켓부재는 상기 바이패스 관로의 입구 가장자리 측에 결합된 고무 소재의 제2 가스켓부재에 밀착되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 폐쇄할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 개폐 작동부는 상기 제2 캡부의 내부에서 공기 배출구와 이격되게 배치되는 배플부재와, 상기 공기 배출구의 가장자리 측과 상기 배플부재의 중심 가장자리 양측을 탄성적으로 연결하는 복수 개의 스프링부재와, 상기 로드부재의 일측 단부와 상기 배플부재를 연결하는 연결부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 배플부재에는 다수 개의 배플홀들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 배플부재는 상기 막 모듈부로부터 유입되는 응축수를 블로킹하며, 상기 막 모듈부로부터 유입되는 가습공기에 의해 상기 스프링부재의 탄성력을 극복하며 요동되고, 상기 연결부재를 통해 상기 로드부재를 상측 방향으로 회전시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결부재의 일측 단부는 상기 로드부재의 일측 단부와 연결되며, 상기 연결부재의 다른 일측 단부는 제2 힌지 핀을 통해 상기 배플부재의 하단과 힌지 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 로드부재는 상기 바이패스 관로의 길이 방향을 따라 배치되며, 상기 연결부재는 상기 바이패스 관로와 여유 각을 두고 상기 로드부재 및 배플부재에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 개폐 작동부는 상기 로드부재의 다른 일측 단부에 연결되게 설치되는 공기 챔버부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 챔버부재는 상기 막 모듈부로부터 유입된 응축수의 부력에 의해 플로팅되며, 상기 로드부재를 상측 방향으로 회전시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 일정 출력 이상의 공기 유량 증가 시, 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 통해 바이패스 관로를 개방하며, 응축수를 제2 캡부에서 막 모듈부로 바이패스 배출함에 따라, 응축수 유입으로 인한 연료전지 스택의 셀 빠짐을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 일정 출력 이상의 공기 유량 증가 시 이외의 조건에서, 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 통해 바이패스 관로를 폐쇄하며, 바이패스 관로를 통하여 제2 캡부에서 막 모듈부로 바이패스 배출되는 공기를 차단할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로의 선별적 개폐를 통해 제2 캡부에서 막 모듈부로 바이패스 배출되는 공기를 차단할 수 있으므로, 상시 운전 영역에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 손실을 줄임으로써, 연료전지 시스템의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로를 개폐하기 위한 별도의 전원 및 구동 장치를 필요로 하지 않고, 유체의 힘에 의해 작동하는 개폐 작동부를 통하여 관로 개폐부에 개폐 작동력을 인가할 수 있으므로, 추가적인 소모동력이 필요치 않기 때문에 연료전지 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 단면 구성도이다.
도 4의 (a), (b) 및 (c)는 도 3에서의 A, B 및 C 부분의 확대 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

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.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 막 가습(gas to gas 수분 교환 방식)이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습공기" 라고 한다)를 연료전지 스택으로 공급한다. 이와 같은 연료전지용 가습기(100)는 기본적으로, 막 모듈부(10), 제1 캡부(30) 및 제2 캡부(50)를 포함하고 있다.

상기 막 모듈부(10)는 당 업계에서 "쉘-인(shell-in)이라고도 하며, 여러 다발의 중공사막인 가습막(11)이 내부에 밀집된 것으로, 원통 형상의 하우징 내부에 가습막(11)이 내장되어 있다. 상기 막 모듈부(10)는 가습막(11)의 양단을 지지하는 지지부재(13)를 포함하는 바, 그 지지부재(13)는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징의 양단에 고정된 상태로 가습막(11)의 양단부를 지지한다.

여기서, 상기 막 모듈부(10)에는 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기를 하우징의 내부로 주입하기 위한 배출공기 유입부(15)와, 수분이 제거된 배출공기를 대기 중으로 배출하기 위한 배출공기 배출부(17)를 형성하고 있다.

상기 제1 캡부(30)는 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 이라고도 하며, 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 막 모듈부(10)의 내부로 주입하기 위한 것이다. 상기 제1 캡부(30)는 막 모듈부(10)의 일측 단부에 결합된다. 상기 제1 캡부(30)는 공급공기를 막 모듈부(10)로 공급하기 위한 공급공기 주입구(31)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 제2 캡부(50)는 당 업계에서 "캡-아웃(cap-out)" 이라고도 하며, 막 모듈부(10)로부터 유입된 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 것이다. 상기 제2 캡부(50)는 막 모듈부(10)의 다른 일측 단부에 결합되며, 그 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 공기 배출구(51)를 형성하고 있다.

한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 가습기(100)의 막 모듈부(10)에서는 가습막(11)의 내부에 응축수가 누적되는데, 그 응축수는 가습공기와 함께 제2 캡부(50)로 배출되며, 제2 캡부(50)를 통해 연료전지 스택으로 유입될 수 있다.

예를 들면, 차량의 아이들 상태(저 유량 시)에서 급 출력 시, 가습막(11) 내부의 응축수가 제2 캡부(50)로 다량 토출되고, 제2 캡부(50)를 통해 연료전지 스택으로 공급됨에 따라, 연료전지 스택에서는 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐이 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입된 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스시키기 위한 바이패스 관로(60)를 포함하고 있다.

상기 바이패스 관로(60)는 제2 캡부(50)의 내부에 고정되게 설치되며, 그 내부에 상하 방향으로 배치된다. 이러한 바이패스 관로(60)의 입구(61)는 제2 캡부(50)의 내부 하측에 배치되며, 출구(62)는 제2 캡부(50) 내부 상측에서 막 모듈부(10)과 연결된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입된 응축수를 바이패스 관로(60)를 통해 막 모듈부(10)로 바이패스 배출하며, 제2 캡부(50)에서 응축수가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 막을 수 있다.

여기서, 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입된 응축수는 그 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50) 내의 압력 차에 의해 바이패스 관로(60)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출될 수 있다. 즉, 상기 제2 캡부(50)에서의 압력이 통상적으로 막 모듈부(10)에서의 압력보다 크기 때문에, 제2 캡부(50)에서 포집된 응축수는 그 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 바이패스 관로(60)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출될 수 있다.

다른 한편, 상기에서와 같은 연료전지용 가습기(100)는 바이패스 관로(60)를 통해 제2 캡부(50)에서의 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스 배출함과 아울러, 제2 캡부(50)에서의 공기(가습공기)를 막 모듈부(10)로 바이패스 배출하며, 상시 운전 영역에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 손실을 야기할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 바이패스 관로(60)를 통해 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10)로의 응축수 바이패스 배출은 그대로 유지하며, 그 바이패스 관로(60)를 통하여 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10)로 바이패스 배출되는 공기를 간단한 구성으로 차단할 수 있는 연료전지용 가습기(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 관로 개폐부(70) 및 개폐 작동부(80)를 더 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 단면 구성도이고, 도 4는 도 3에서의 A, B 및 C 부분의 확대 도면이다.

도 1과 함께 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서, 상기 관로 개폐부(70)는 제2 캡부(50)의 내부에서 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 선택적으로 개폐하기 위한 것이다. 상기 관로 개폐부(70)는 차량의 아이들(저 유량) 시, 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄하며, 그 바이패스 관로(60)에 의한 공기 유량의 손실 발생을 막을 수 있다.

그리고, 상기 관로 개폐부(70)는 차량의 급 출력 시, 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 개방하며, 그 바이패스 관로(60)를 통해 제2 캡부(50) 내부의 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스 배출할 수 있다.

더 나아가, 상기 관로 개폐부(70)는 차량의 차속이 감소하거나 평지 주행에 의해 공기의 유량이 낮아지게 되면, 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄할 수 있다.

이와 같은 상기 관로 개폐부(70)는 제2 캡부(50)의 내부에서 바이패스 관로(60)에 회전 가능하게 결합되는 바, 로드부재(71) 및 제1 가스켓부재(75)를 포함한다.

여기서, 상기 바이패스 관로(60)의 입구(61) 측은 제2 캡부(50)의 내부 하측에서 상측 방향으로 라운드지게 절곡된 형태로 구비되며, 바이패스 관로(60)의 출구(62) 측은 제2 캡부(50)의 내부 상측에서 막 모듈부(10)로 절곡된 형태로 구비된다. 그리고 상기 바이패스 관로(60)의 입구(61)는 제2 캡부(50)의 내부 하측에서 상측을 향해 개방된다.

상기 로드부재(71)는 바이패스 관로(60)의 입구(61) 측에서 그 바이패스 관로(60)에 힌지 결합된다. 상기 로드부재(71)의 일측 단부는 제1 힌지 핀(73)을 통해 바이패스 관로(60)에 힌지 결합된다.

상기 로드부재(71)는 바이패스 관로(60)의 힌지 연결점에서 입구(61) 측을 향해 바이패스 관로(60)의 길이 방향을 따라 배치되며, 그 로드부재(71)의 다른 일측 단부는 입구(61) 측을 향해 절곡된 형태로 구비된다. 그리고 상기 로드부재(71)는 힌지 연결점을 중심으로 바이패스 관로(60)의 길이 방향 측에서 상하 방향으로 힌지 회전 가능하게 구비된다.

상기 제1 가스켓부재(75)는 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 실질적으로 개폐하는 것으로서, 로드부재(71)의 다른 일측 단부에 결합된다. 예를 들면, 상기 제1 가스켓부재(75)는 원형 단면의 고무 가스켓 타입으로 구비된다.

더 나아가, 제1 가스켓부재(75)는 바이패스 관로(60)의 입구(61) 가장자리 측에 결합된 고무 가스켓 타입의 제2 가스켓부재(65)에 밀착되며, 그 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 개폐 작동부(80)는 관로 개폐부(70)의 로드부재(71)를 바이패스 관로(60)에 대해 힌지 연결점을 중심으로 회전시킬 수 있도록 제2 캡부(50)의 내부로 유입되는 유체로서 로드부재(71)에 개폐 작동력을 인가하기 위한 것이다.

즉, 상기 개폐 작동부(80)는 별도의 전원을 사용하지 않고, 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입되는 유체로서, 가습공기 및 응축수에 의해 로드부재(71)에 개폐 작동력을 인가할 수 있다.

이러한 개폐 작동부(80)는 제2 캡부(50)의 내부에서 관로 개폐부(70)와 연결되게 마련되는 바, 본 발명의 실시 예에서는 배플부재(81), 스프링부재(82) 및 연결부재(83)를 포함한다.

상기 배플부재(81)는 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입되는 응축수를 일부 블로킹하며 제2 캡부(50)의 내부에 수용되게 하는 것으로, 제2 캡부(50)의 내부에서 공기 배출구(51)와 이격되게 배치된다. 상기 배플부재(81)는 대략 사각 플레이트 형상으로 이루어지며, 다수 개의 배플홀들(84)이 전면(全面)적으로 분포되게 형성되어 있다.

상기 스프링부재(82)는 공기 배출구(51)의 가장자리 측과 배플부재(81)의 중심 가장자리 양측을 탄성적으로 연결하는 것으로, 그 배플부재(81)를 공기 배출구(51)와 이격되게 지지한다. 예를 들면, 상기 스프링부재(82)는 한 쌍으로서 공기 배출구(51)의 가장자리 측과 배플부재(81)의 중심 가장자리 양측을 탄성적으로 연결한다.

여기서, 상기 배플부재(81)는 배플홀들(84)의 홀 사이즈와 홀 패턴 개수에 따라 응축수의 블로킹 정도 및 공기의 유속에 의한 힘을 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 배플홀들(84)의 홀 사이즈와 패턴 개수를 작게 할 경우에는 응축수의 블로킹 효과와 공기의 유속에 의한 힘을 높일 수 있다.

상기 배플부재(81)는 스프링부재(82)를 통해 공기 배출구(51)의 가장자리 측과 이격되게 탄성적으로 연결됨에 따라, 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)의 내부로 유입되는 공기 유속의 힘에 의해 요동될 수 있다. 즉, 상기 배플부재(81)는 스프링부재(82)와 연결되는 중심 가장자리 양측을 중심으로 공기 유속의 힘에 의해 도면에서의 좌우 양측으로 요동될 수 있다.

상기 연결부재(83)는 로드부재(71)와 배플부재(81)를 연결하는 것으로, 그 연결부재(83)의 일측 단부는 로드부재(71)의 일측 단부와 연결된다. 상기 연결부재(83)의 다른 일측 단부는 제2 힌지 핀(85)을 통해 배플부재(81)의 하단과 힌지 결합된다. 그리고 상기 연결부재(83)는 바이패스 관로(60)의 길이 방향에 대해 그 바이패스 관로(60)와 여유 각을 두고 로드부재(71)와 배플부재(81)를 연결한다.

따라서, 상기 배플부재(81)는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입되는 공기 유속의 힘에 의해 스프링부재(82)의 탄성력을 극복하며 요동되고, 이로 인하여 연결부재(83)를 통해 로드부재(71)를 상측 방향으로 회전시킬 수 있다.

여기서, 상기 스프링부재(82)는 스프링 상수 값에 따라 배플부재(81)를 요동시키는 시점 및 그 배플부재(81)의 요동으로 인한 로드부재(71)의 회전 시점을 조절할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)의 작용 효과를 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택의 연료전지들에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 연료전지들의 공기극에서는 수분을 포함하고 있는 배출공기를 배출한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 배출공기를 배출공기 유입부(15)를 통해 막 모듈부(10)의 내부로 공급한다. 이러는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 제1 캡부(30)를 통해 막 모듈부(10)의 내부로 공급한다.

이에 따라, 상기 막 모듈부(10)에서는 가습막(11)에 의한 배출공기와 공급공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식으로 막 가습이 이루어지며, 그 가습공기는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입되고, 제2 캡부(50)의 공기 배출구(51)를 통해 연료전지들의 공기극으로 공급된다. 그리고, 상기 막 모듈부(10)의 내부에서 수분이 제거된 배출공기는 배출공기 배출부(17)를 통해 배기계로 배출된다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 작용을 기본적으로 수행하며, 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)의 내부로 가습공기와 응축수가 유입되는데, 차량의 아이들(저 유량) 조건에서 응축수의 일부는 배플부재(81)에 블로킹되며, 제2 캡부(50)의 내부에 수용된다.

이 경우, 상기 배플부재(81)에 미치는 가습공기의 유속에 의한 힘이 스프링부재(82)의 탄성력 보다 작기 때문에, 그 배플부재(81)는 공기의 유속에 의한 힘에 의해 요동되지 않는다.

이에 따라, 상기 배플부재(81)에 의해 로드부재(71)에 개폐 작동력이 작용하지 않게 되므로, 그 로드부재(71)는 움직이지 않고, 제1 가스켓부재(75)를 통해 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄하고 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)에 의한 막 모듈부(10)로의 공기 유량 손실이 발생하지 않는다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에서는 차량의 아이들 상태에서 급 출력 시, 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)의 내부로 다량의 가습공기와 응축수가 토출되는데, 그 응축수의 일부는 배플부재(81)에 블로킹되며, 제2 캡부(50)의 내부에 수용된다.

이 경우, 상기 배플부재(81)에 미치는 가습공기의 유속에 의한 힘이 스프링부재(82)의 탄성력 보다 크기 때문에, 도 5에서와 같이 배플부재(81)는 공기의 유속에 의한 힘에 의해 요동된다. 즉, 상기 배플부재(81)는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입되는 공기 유속의 힘에 의해 스프링부재(82)의 탄성력을 극복하며 요동되고, 로드부재(71)에 개폐 작동력을 인가한다.

상기와 같이 배플부재(81)가 요동함에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 연결부재(83)를 통해 로드부재(71)를 상측 방향으로 회전시킨다. 이 때, 상기 연결부재(83)는 제2 힌지 핀(85)을 중심으로 배플부재(81)에 대해 회전하고, 상기 로드부재(71)는 제1 힌지 핀(73)을 중심으로 하여 상측 방향으로 회전하게 된다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 로드부재(71)를 상측 방향으로 회전시킴에 따라, 제1 가스켓부재(75)를 제2 가스켓부재(65)로부터 들어올리며 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 개방한다. 여기서, 상기 로드부재(71)의 회전 각도는 배플부재(81)에 형성된 배플홀들(84)의 홀 사이즈와 홀 패턴 개수에 따라 가변될 수 있다.

이와 같은 상태에서, 차량의 차속이 감소하거나 평지 주행에 의해 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입되는 공기의 유량이 낮아지게 된다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 배플부재(81)에 미치는 공기의 유속에 의한 힘이 스프링부재(82)의 탄성력 보다 작기 때문에, 그 스프링부재(82)의 탄성력으로서 배플부재(81)를 원 위치시킨다. 이에, 상기 로드부재(71)는 연결부재(83)를 통해 제1 힌지 핀(73)을 중심으로 하여 하측 방향으로 회전하며 원래의 위치로 복귀한다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 상기 로드부재(71)가 원래의 위치로 복귀함에 따라, 제1 가스켓부재(75)를 제2 가스켓부재(65)에 밀착시키며, 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄한다. 이에 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)에 의한 막 모듈부(10)로의 공기 유량 손실이 발생하지 않게 된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 일정 출력 이상의 공기 유량 증가 시, 관로 개폐부(70) 및 개폐 작동부(80)를 통해 바이패스 관로(60)를 개방하며, 응축수를 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10)로 바이패스 배출함에 따라, 응축수 유입으로 인한 연료전지 스택의 셀 빠짐을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 일정 출력 이상의 공기 유량 증가 시 이외의 조건에서, 관로 개폐부(70) 및 개폐 작동부(80)를 통해 바이패스 관로(60)를 폐쇄하며, 바이패스 관로(60)를 통하여 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10)로 바이패스 배출되는 공기를 차단할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)의 선별적 개폐를 통해 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10)로 바이패스 배출되는 공기를 차단할 수 있으므로, 상시 운전 영역에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 손실을 줄임으로써, 연료전지 시스템의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)를 개폐하기 위한 별도의 전원 및 구동 장치를 필요로 하지 않고, 유체의 힘에 의해 작동하는 개폐 작동부(80)를 통하여 관로 개폐부(70)에 개폐 작동력을 인가할 수 있으므로, 추가적인 소모동력이 필요치 않기 때문에 연료전지 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 관로 개폐부 및 개폐 작동부를 도시한 단면 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(200)는 전기 실시 예의 구조를 기본으로 하면서, 막 모듈부(10: 이하 도 7 참조)에서 제2 캡부(50)로 유입된 응축수의 부력에 의해서 관로 개폐부(170)에 개폐 작동력을 인가하는 개폐 작동부(180)를 구성할 수 있다.

상기에서 관로 개폐부(170)는 전기 실시 예에서와 같이 제1 힌지 핀(173)을 통하여 일측 단부가 바이패스 관로(60)에 힌지 결합되는 로드부재(171)와, 로드부재(171)의 다른 일측 단부에 결합되는 제1 가스켓부재(175)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 개폐 작동부(180)는 로드부재(171)의 다른 일측 단부에 연결되게 설치되는 공기 챔버부재(191)를 포함하고 있다. 상기 공기 챔버부재(191)는 내부에 공기를 수용하고 있는 공기 파우치로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 공기 챔버부재(191)는 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)로 유입된 응축수의 부력에 의해서 상하 측으로 플로팅되며, 로드부재(171)를 상하 방향으로 회전시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 캡부(50)의 내부에 응축수가 설정된 수위 미만으로 유입된 경우, 로드부재(171)에 개폐 작동력이 작용하지 않고, 공기 챔버부재(191)의 자중에 의해 제1 가스켓부재(175)를 제2 가스켓부재(65)에 밀착시키며 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 폐쇄한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 도 7에서와 같이, 제2 캡부(50)의 내부에 응축수가 설정된 수위 이상으로 유입된 경우, 그 응축수의 부력으로 공기 챔버부재(191)를 상측 방향으로 플로팅시키며 로드부재(171)를 상측 방향으로 회전시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 공기 챔버부재(191)에 의해 로드부재(171)를 상측 방향으로 회전시킴에 따라, 제1 가스켓부재(175)를 제2 가스켓부재(65)로부터 들어올리며 바이패스 관로(60)의 입구(61)를 개방하고, 그 바이패스 관로(60)를 통해 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스 배출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예에서와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 막 모듈부 11... 가습막
13... 지지부재 15... 배출공기 유입부
17... 배출공기 배출부 30... 제1 캡부
50... 제2 캡부 51... 공기 배출구
60... 바이패스 관로 61... 입구
62... 출구 65... 제2 가스켓부재
70, 170... 관로 개폐부 71, 171... 로드부재
73... 제1 힌지 핀 75, 175... 제1 가스켓부재
80, 180... 개폐 작동부 81... 배플부재
82... 스프링부재 83... 연결부재
84... 배플홀 85... 제2 힌지 핀
191... 공기 챔버부재

Claims

가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부;
상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부;
상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부;
상기 제2 캡부의 내부에 설치되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로;
상기 바이패스 관로에 회전 가능하게 결합되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 선택적으로 개폐하는 관로 개폐부; 및
상기 관로 개폐부와 연결되게 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부로 유입되는 유체에 의해 상기 관로 개폐부에 작동력을 인가하는 개폐 작동부;
를 포함하는 연료전지용 가습기.
제1 항에 있어서,
상기 관로 개폐부는,
일측 단부가 제1 힌지 핀을 통하여 상기 바이패스 관로에 힌지 결합되는 로드부재와,
상기 로드부재의 다른 일측 단부에 결합되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 개폐하는 고무 소재의 제1 가스켓부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제2 항에 있어서,
상기 제1 가스켓부재는,
상기 바이패스 관로의 입구 가장자리 측에 결합된 고무 소재의 제2 가스켓부재에 밀착되며, 상기 바이패스 관로의 입구를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제2 항에 있어서,
상기 개폐 작동부는,
상기 제2 캡부의 내부에서 공기 배출구와 이격되게 배치되는 배플부재와,
상기 공기 배출구의 가장자리 측과 상기 배플부재의 중심 가장자리 양측을 탄성적으로 연결하는 복수 개의 스프링부재와,
상기 로드부재의 일측 단부와 상기 배플부재를 연결하는 연결부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4 항에 있어서,
상기 배플부재에는 다수 개의 배플홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4 항에 있어서,
상기 배플부재는,
상기 막 모듈부로부터 유입되는 응축수를 블로킹하며,
상기 막 모듈부로부터 유입되는 가습공기에 의해 상기 스프링부재의 탄성력을 극복하며 요동되고, 상기 연결부재를 통해 상기 로드부재를 상측 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4 항에 있어서,
상기 연결부재의 일측 단부는 상기 로드부재의 일측 단부와 연결되며,
상기 연결부재의 다른 일측 단부는 제2 힌지 핀을 통해 상기 배플부재의 하단과 힌지 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제7 항에 있어서,
상기 로드부재는 상기 바이패스 관로의 길이 방향을 따라 배치되며,
상기 연결부재는 상기 바이패스 관로와 여유 각을 두고 상기 로드부재 및 배플부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제2 항에 있어서,
상기 개폐 작동부는,
상기 로드부재의 다른 일측 단부에 연결되게 설치되는 공기 챔버부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제9 항에 있어서,
상기 공기 챔버부재는,
상기 막 모듈부로부터 유입된 응축수의 부력에 의해 플로팅되며, 상기 로드부재를 상측 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.