KR101872437B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로 본 발명은, 내부에 물이 수용되는 가습공간이 형성되는 가습하우징; 상기 가습공간으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입관; 상기 가습공간에서 습기가 포함된 가스를 외부로 유출시키기 위한 가스유출관; 및 속이 빈 관형상으로 형성되고, 그 중단이 상기 가스유출관과 연통되어 상기 가습공간에 위치하여 상기 가스유출관으로 상기 가스가 유입되도록 통로역할을 하는 가스유입모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

연료전지용 가습기{humidifier for fuel cell}

본 발명은 연료전지의 가습장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 응축된 수분이 유입되지 않도록 하여 습도를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

최근 화석연료의 고갈과 환경오염으로 인하여 대체연료개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서 특히, 환경오염 물질을 배출하지 않는 무공해 대체 에너지원으로서 연료전지가 떠오르고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응을 통하여 전력을 발생시키는 에너지원으로서, 대기중에서 쉽게 얻을 수 있는 수소와 산소를 원료로 사용하며, 전력 생성 후 화학반응의 결과물인 물 외에는 발생시키지 않는다는 장점이 있다.

이와같은 연료전지는 수소와 산소가 전해질막을 통과하여 만나 화학반응을 일으키며 전력을 발생하는 원리를 이용한다. 이때, 수소가 전해질막을 용이하게 통과하여 산소와 만나 화학반응을 일으키기 위해서는 수소, 또는 산소에 적당량의 수분을 공급해 주는 것이 필수적이다. 따라서, 연료전지의 내부에 공급되는 연료, 즉, 수소 및 산소는 전력 발생 효율을 증가시킬 수 있도록 수분을 공급하기 위해 가습장치를 구비하는 것이 일반적이다.

도 1 및 도 2에는 종래기술에 의한 가습기가 도시되어 있다. 물이 채워진 가습기통(110)에 연료유입관(120)과 연료배출관(130)을 형성하고, 상기 연료유입관(120)의 말단은 상기 가습기통(110) 내의 물 속에 잠기도록 배치 함으로써, 연료유입관(120)을 통하여 들어온 연료가스가 물속을 통과하여 연료배출관(130)으로 배출되도록 하는 구성을 가지고 있다.

이러한 구성을 통하여, 물을 통과하는 가스에 수분이 공급되며, 수분이 공급된 연료가스는 상기 연료배출관(130)을 통하여 연료전지로 공급된다. 이때 연료배출관(130)에는 배출되는 연료가스의 온도를 제어하기 위한 가열부(160)가 부설된다. 상기 가습기는 상기 가열부(160)를 통하여 연료가스의 온도를 제어하며, 연료가스의 온도에 따라 습도가 변하는 원리를 이용하여 습도를 제어한다.

하지만 이와 같은 구성을 가지는 종래기술에 의한 가습기에는 아래와 같은 문제점이 있다.

연료배출관으로 유입되는 가스에는 수분이 충분히 담겨져야 하고 수분이 담겨지기 위해서는 물의 온도가 높은 것이 유리하다. 종래기술에 의하면 가습기통(110) 내부의 물 온도가 제어되지 못하고, 계절에 따라 변동할 수 있어 습도를 정확히 조절하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

상기 연료유입관을 통해 유입되는 가스는 버블형태로 물속에 배출되는데, 배출된 가스가 수면위로 떠오르면서 물방울이 튀어 오르게 되고, 튀어 오른 물방울이 상기 연료배출관을 통해 유입되어 연료전지의 내부로 유입되게 된다. 이와 같이 물방울이 유입되면 내부에 쇼트가 발생하게 되고, 연료전지의 효율이 떨어지는 문제점을 가지게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 물방울이 유입되지 않고 가스의 수분을 일정수준으로 유지할 수 있도록 하여 효율을 향상시킨 연료전지용 가습기를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 연료전지용 가습기는 내부에 물이 수용되는 가습공간이 형성되는 가습하우징; 상기 가습공간으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입관; 상기 가습공간에서 습기가 포함된 가스를 외부로 유출시키기 위한 가스유출관; 및 속이 빈 관형상으로 형성되고, 그 중단이 상기 가스유출관과 연통되어 상기 가습공간에 위치하여 상기 가스유출관으로 상기 가스가 유입되도록 통로역할을 하는 가스유입모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

또, 상기 가스유입모듈과 상기 가습공간 내부의 수면 사이의 거리(h)는 상기 가습하우징의 높이(H)에 대하여 H/2 ≤ h ≤2H/3일 수 있다.

또한, 상기 가습공간에서 상기 물이 수면 높이는 상기 가습하우징의 높이(H)의 1/2일 수 있다.

또, 상기 가습하우징에서 상기 물이 담겨있는 위치의 외면을 둘러싸도록 구비되어, 상기 물을 가열하는 열을 제공하는 히팅유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가습하우징에서 습기를 머금은 상기 가스가 위치하는 부분에 연통되는 제1압력관; 상기 가습하우징에서 물이 위치한 하단부에 연통되는 제2압력관; 제2압력관의 일측에 구비되어 상기 제2압력관으로 물을 공급하는 공급배관; 상기 제1압력관 및 제2압력관을 연통시키는 측정배관; 상기 측정배관에 구비되어 상기 측정배관의 내부에 위치한 물의 높이를 측정하기 위한 상한센서; 및 상기 측정배관에서 상기 상한센서가 위치한 부분보다 아래부분에 구비되어 상기 측정배관의 내부에 위치한 물의 높이를 측정하기 위한 하한센서를 포함하여 구성되고, 상기 측정배관 내에서 상기 물의 높이가 상기 하한센서만큼 낮아졌을 때, 상기 공급배관을 통해 물을 공급하고 상기 측정배관 내에서 상기 물의 높이가 상기 상한센서 위치에 해당할 때, 상기 물의 공급을 중단할 수 있다.

또, 상기 가습하우징의 내부로 유입되는 단위 가스의 양(1L/min)에 대하여 상기 가습하우징의 내부 물의 양이 2L가 유지되도록 제어될 수 있다.

본 발명에 의하면, 연료전지의 내부로 물방울이 유입되는 것이 방지되고, 일정 습도의 가스가 공급될 수 있어 연료전지의 효율이 향상되는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 연료전지용 가습기의 개략적인 구조를 나타내는 사시도.
도 2는 종래의 연료전지용 가습기의 개략적인 구조를 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명 바람직한 실시예에 의한 연료전지용 가습기의 구조를 보인 단면도.
도 4는 본 발명 실시예를 구성하는 가스유입모듈의 내부구조를 보인 단면도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명 바람직한 실시예에 의한 연료전지용 가습기의 구조를 보인 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명 실시예를 구성하는 가스유입모듈(115a)의 내부구조를 보인 단면도가 도시되어 있다.

본 발명 실시예에 의한 연료전지용 가습기(100)는 내부에 물(W)이 수용되는 가습공간(110a)이 형성되는 가습하우징(110); 상기 가습공간(110a)으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입관(113); 상기 가습공간(110a)에서 습기가 포함된 가스를 외부로 유출시키기 위한 가스유출관(115); 및 속이 빈 관형상으로 형성되고, 그 중단이 상기 가스유출관(115)과 연통되어 상기 가습공간(110a)에 위치하여 상기 가스유출관(115)으로 상기 가스가 유입되도록 통로역할을 하는 가스유입모듈(115a)을 포함하여 구성될 수 있다.

도 3에서 보듯이, 상기 가습하우징(110)은 대략 속이 빈 관형상으로 형성되고, 상기 가습하우징(110)의 내부에는 물(W)이 수용되는 가습공간(110a)이 형성된다. 상기 가습공간(110a)의 상기 물(W)은 유입되는 가스에 수분을 보충하는 역할을 한다.

상기 가습하우징(110)에서 개방된 상면에는 그 둘레를 따라 돌출되게 브라켓(110b)이 형성되어, 상기 브라켓(110b)에 상기 가습하우징(110)의 상면을 차폐하는 커버(110c)가 결합고정된다. 상기 커버(110c)와 상기 브라켓(110b)은 체결수단(나사, 리벳 등)에 의해 결합가능하다.

도면부호 110d는 온도센서로 상기 가습공간(110a)에 위치한 상기 가스의 온도를 측정하기 위한 것으로 상기 가스의 온도에 따라 상기 히팅유닛(120)을 제어하여 습도를 조절할 수 있다.

상기 가습하우징(110)에는 외부의 가스를 유입하기 위한 가스유입관(113)이 구비된다. 상기 가스유입관(113)은 그 일단은 가스저장탱크(도시되지 않음)에 연결되고, 타단은 상기 가습하우징(110)의 가습공간(110a), 좀 더 상세하게는 상기 가습공간(110a)에서 상기 물(W)의 내부에 위치하도록 구비된다.

상기 가스유입관(113)에서 상기 가습공간(110a)에 위치한 타단에는 유입되는 가스의 접촉면적을 넓히기 위한 버블러(113a)가 구비되어, 상기 가스를 작은 기포로 생성하여 상기 물(W)의 내부에 유입되도록 할 수 있다.

상기 가습하우징(110)에서 상기 물(W)이 담겨있는 위치의 외면을 둘러싸도록 구비되어, 상기 물(W)을 가열하는 열을 제공하는 히팅유닛(120)을 더 포함할 수 있다.

도 3에서 보듯이, 상기 가스하우징의 외면에는 히팅유닛(120)이 구비된다. 상기 히팅유닛(120)은 상기 물(W)의 온도를 적절한 수준으로 높은 상태에서 유지할 수 있도록 가열하는 역할을 한다.

상기 물(W)의 온도가 일정수준 이상으로 높아야 상기 가스의 내부에 포화되어 높은 수분 포화도를 가질 수 있고, 그에 따라 적절한 수분공급이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

상기 히팅유닛(120)은 상기 가스하우징의 외면 중 상기 물(W)이 위치한 부분에만 구비되어 상기 물(W)을 중심으로 가열되도록 한다. 상기 히팅유닛(120)이 상기 물(W)이 위치한 부분 이외에 수분을 포함한 가스가 위치한 부분까지 가열하게 되면, 상기 가스에 포함되는 수분의 양이 매우 많게 되고, 상기 가습공간(110a)의 내벽에 상기 물(W)이 응집되는 현상이 발생할 수 있다.

이와 같이 물(W)이 응집되는 경우 상기 가스유출관(115)의 외면을 따라 흘러 상기 가스유출관(115)을 통해 연료전지의 내부로 물(W)방울이 유입될 수 있기 때문이다.

상기 연료전지의 내부로 유입되는 가스의 수분량은 많으면 좋은 것이 아니라 일정 수준을 유지하는 것이 효율상 더 좋고, 만약 물(W)방울이 상기 연료전지의 내부로 유입되면 쇼트가 일어나는 등 일정한 전압을 출력하는 것에 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 물(W)방울 상기 가습공간(110a)의 내벽에서 응집되어 않도록 상기 히팅유닛(120)을 상기 물(W)이 위치한 부분만 가열하도록 구성한 것이다.

상기 가습공간(110a)에서 상기 물(W)이 수면 높이는 상기 가습하우징(110)의 높이(H)의 1/2일 수 있다. 좀 더 상세하게는, 상기 가습공간(110a)에서 상기 물(W)이 포함된 가스가 차지하는 비율과 상기 물(W)의 비율이 동일하도록 구성한 것이다. 이는 상기 가습공간(110a)을 충분히 확보하여 상기 가스유출관(115)을 통해 유출되는 상기 가스가 상기 가습공간(110a)의 내부에 일정한 수준의 습기를 포함하는 가스만이 유입되도록 충분한 공간을 확보하기 위한 것이다.

즉, 상기 가습공간(110a)에서 일정수준의 습기를 머금은 가스가 상기 가습공간(110a)에 충분히 존재할 수 있도록 공간을 확보하여, 일정 습도의 가스가 상기 가스유출관(115)을 통해 유출될 수 있도록 한 것이다.

도 4를 참조하면, 상기 가스유출관(115)에서 상기 가습공간(110a)에 위치한 일단에는 가스유입모듈(115a)이 구비된다. 상기 가스유입모듈(115a)은 상기 가스유출관(115)의 내부로 기포와 함께 튀어오르는 물(W)이 유입되지 않도록 하고, 상기 가습공간(110a)에 있는 일정습도의 가스만이 유입되도록 하기 위한 구성이다.

상기 가습공간(110a)의 내부에 위치한 물(W)은 상기 가스와 함께 일부 물(W)방울이 상기 가스유출관(115) 방향으로 튀어오르는 현상이 발생하게 된다.

따라서, 상기 가스유출관(115)으로 물(W)방울이 올라오더라도 상기 가스유입모듈(115a)에 의해 유입되지 않게 되고, 상기 가스유입모듈(115a)을 통해서만 일정 습도의 가스가 유입되는 것이다.

본 실시예에서는 일정길이를 가지고, 내부가 관통된 관형상의 가스유입모듈(115a)을 실시예로 했지만, 일(一)자형상 뿐만 아니라 십(十)자 형상등 다양한 형상으로 형성하여 사용하는 것도 가능할 것이다.

상기 가스유입모듈(115a)로 수면으로 튀어오르는 물(W)방울이 유입되지 않기 위해서는 상기 수면과 상기 가스유입모듈(115a) 사이에 일정거리 이격된 상태가 필요하기 때문에 상기 가스유입모듈(115a)과 상기 가습공간(110a) 내부의 수면 사이의 거리(h)는 상기 가습하우징(110)의 높이(H)에 대하여 H/2 ≤ h ≤2H/3일 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 연료전지용 가습기(100)는 상기 가습하우징(110)에서 습기를 머금은 상기 가스가 위치하는 부분에 연통되는 제1압력관(131); 상기 가습하우징(110)에서 물(W)이 위치한 하단부에 연통되는 제2압력관(133); 제2압력관(133)의 일측에 구비되어 상기 제2압력관(133)으로 물(W)을 공급하는 공급배관(135); 상기 제1압력관(131) 및 제2압력관(133)을 연통시키는 측정배관(137); 상기 측정배관(137)에 구비되어 상기 측정배관(137)의 내부에 위치한 물(W)의 높이를 측정하기 위한 상한센서(137a); 및 상기 측정배관(137)에서 상기 상한센서(137a)가 위치한 부분보다 아래부분에 구비되어 상기 측정배관(137)의 내부에 위치한 물(W)의 높이를 측정하기 위한 하한센서(137b)를 포함하여 구성되고, 상기 측정배관(137) 내에서 상기 물(W)의 높이가 상기 하한센서(137b)만큼 낮아졌을 때, 상기 공급배관(135)을 통해 물(W)을 공급하고 상기 측정배관(137) 내에서 상기 물(W)의 높이가 상기 상한센서(137a) 위치에 해당할 때, 상기 물(W)의 공급을 중단할 수 있다.

상기 측정배관(137)은 상기 수면의 높이를 육안으로 식별하기 위한 구성으로 압력에 의해 상기 측정배관(137)에 위치한 수면의 높이는 상기 가습공간(110a)의 수면위치와 동일하게 된다.

도시되지는 않았지만 제어부에 의해 상기 상한센서(137a)는 상기 수면의 높이를 제한하기 위한 것으로 상기 물(W)이 상기 상한센서(137a)보다 높아질 경우 상기 물(W)의 공급을 중단하고, 상기 하한센서(137b)보다 수면이 낮아질 경우 상기 물(W)의 공급이 시작되도록 제어할 수 있다.

상기 가습하우징(110)의 내부로 유입되는 단위 가스의 양(1L/min)에 대하여 상기 가습하우징(110)의 내부 물(W)의 양이 2L가 유지되도록 제어될 수 있다.

상기 단위 가스의 양은 분당 1L의 물(W)이 상기 가습하우징(110)의 내부로 유입된다고 가정했을 때, 상기 가습하우징(110)의 내부 물(W)의 양이 2L이상이 되도록 유지하는 것이다. 이는 상기 가스가 충분한 수분을 공급받을 수 있는 물(W)의 양을 조절한 것으로 분당 1L의 적당한 수분을 공급하기 위한 물(W)이 2L 정도 필요하다는 것으로 2L이상의 물(W)을 공급하여 수분을 적절히 공급하기 위한 것이다.

이하에서는 본 발명 바람직한 실시예에 의한 연료전지용 가습기(100)가 동작하는 과정을 설명하기로 한다.

먼저 가습하우징(110)의 가습공간(110a)으로 가스가 공급되고, 공급된 가스는 상기 가습공간(110a)의 물(W)을 통해 수분을 포함한 가스로 되어 상기 가습공간(110a)에 차오르게 된다.

이때, 상기 물(W)은 히팅유닛(120)에 의해 적절한 온도로 가열되어 상기 가스의 습도를 조절할 수 있을 것이고 이는 제어부에 의해 수행될 수 있다. 만약 온도센서(110d)에 의해 측정된 가스의 온도가 일정온도 이하일 경우 상기 히팅유닛(120)을 작동시켜 온도를 상승시키고, 상기 온도센서(110d)에 의해 측정된 가스의 온도가 일정온도 이상일 경우 상기 히팅유닛(120)을 작동을 중지하도록 제어하는 것이다.

온도에 따른 습도는 표준증기압표를 참조할 수 있고 요구되는 습도를 맞추기 위해 상기 히팅유닛(120)의 온도를 조절하여 제어하는 것이다.

상기 가습공간(110a)에 위치한 일정습도의 가스는 상기 가스유입모듈(115a)을 통해 상기 가스유출관(115)으로 배출된다. 상기 가스유입모듈(115a)은 상기 가습공간(110a)의 수면과 일정거리 이격된 상태에 있고, 그 거리는 수면에서 튀어오르는 물(W)방울이 상기 가스유입모듈(115a)에 닿지 않을만큼 충분한 거리에 해당하여 상기 가스유입모듈(115a)로 상기 물(W)방울이 유입되지 않는 것이다.

가사, 상기 물(W)방울이 상기 가스유입모듈(115a)만큼 튀어오르더라도, 상기 가스유입모듈(115a)은 수면과 평행한 방향으로 관이 개방되어 있어, 물(W)이 상기 가스유출관(115)으로 유입되지 않는다.

상기 수면의 높이는 상기 상한센서(137a) 및 하한센서(137b)의 위치에 의해 제어될 수 있고, 상기 상한센서(137a) 및 하한센서(137b)의 위치는 사용자가 설정가능하며, 이와 같은 설정은 상기 가스하우징의 용량에 의해 설정되는 것이 가능할 것이다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 연료전지용 가습기 110 : 가습하우징
110a: 가습공간 110b: 브라켓
110c: 커버 110d: 온도센서
120 : 히팅유닛

Claims (6)

1. 내부에 물이 수용되는 가습공간이 형성되는 가습하우징;
   상기 가습공간으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입관;
   상기 가습공간에서 습기가 포함된 가스를 외부로 유출시키기 위한 가스유출관;
   속이 빈 관형상으로 형성되고, 그 중단이 상기 가스유출관과 연통되어 상기 가습공간에 위치하여 상기 가스유출관으로 상기 가스가 유입되도록 통로역할을 하며, 상기 가스와 함께 물방울이 상기 가스유출관으로 유입되지 않도록 차단하기 위해 수면과 평행한 방향을 따르며 길이를 가지는 일(一)자 형상으로 이루어지는 가스유입모듈; 및
   상기 가습하우징에서 상기 물이 담겨있는 위치의 외면 부분만 둘러싸도록 구비되어, 상기 물을 가열하는 열을 제공하는 히팅유닛을 포함하고,
   상기 가스유입모듈과 상기 가습공간 내부의 수면 사이의 거리(h)는 상기 가습하우징의 높이(H)에 대하여 H/2 ≤ h ≤ 2H/3인 것을 특징으로 하며,
   상기 가습공간에서 상기 물이 수면 높이는 상기 가습공간에서 상기 물이 포함된 가스가 차지하는 비율과 상기 물의 비율이 동일하도록 상기 가습하우징의 높이(H)의 1/2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 가습하우징에서 습기를 머금은 상기 가스가 위치하는 부분에 연통되는 제1압력관;
   상기 가습하우징에서 물이 위치한 하단부에 연통되는 제2압력관;
   제2압력관의 일측에 구비되어 상기 제2압력관으로 물을 공급하는 공급배관;
   상기 제1압력관 및 제2압력관을 연통시키는 측정배관;
   상기 측정배관에 구비되어 상기 측정배관의 내부에 위치한 물의 높이를 측정하기 위한 상한센서; 및
   상기 측정배관에서 상기 상한센서가 위치한 부분보다 아래부분에 구비되어 상기 측정배관의 내부에 위치한 물의 높이를 측정하기 위한 하한센서를 포함하여 구성되고,
   상기 측정배관 내에서 상기 물의 높이가 상기 하한센서만큼 낮아졌을 때, 상기 공급배관을 통해 물을 공급하고 상기 측정배관 내에서 상기 물의 높이가 상기 상한센서 위치에 해당할 때, 상기 물의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 가습하우징의 내부로 유입되는 단위 가스의 양(1L/min)에 대하여 상기 가습하우징의 내부 물의 양이 2L가 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
   
   

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