KR102442303B1 - 연료전지용 가습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물이 로터의 고속회전에 의해 미립화되면서 공기공급부로부터 공급되는 공기와의 혼합에 의해 습윤공기로 형성되어 습윤공기 배출부를 통해 토출되어 연료전지 스택에 공급되도록 함으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 로터샤프트 내부의 습기(수분)가 모터 회로 측으로 역류하는 것을 방지함으로써 스테이터와 같은 전기 장치를 보호할 수 있는 연료전지용 가습장치를 개시한다.

Description

연료전지용 가습장치{(Humidifier for fuel cell}

본 발명은 고속회전되는 중공구조의 로터샤프트 내벽면에 물을 분사하여 미립화가 우수한 습윤공기를 조성할 수 있으며, 기존의 연료전지용 가습장치에 비해 제조단가를 현저히 절감할 수 있고, 습기(수분)가 모터 회로 측으로 역류하는 것을 방지하여 스테이터와 같은 전기 장치를 보호할 수 있는 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.

연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다.

또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다.

이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.

이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 막가습기에서 과잉 가습이 발생하면, 이에 의해 생성된 응축수에 의해 플러딩(flooding)이 발생할 수 있고, 이로 인해 국부적인 캐소드 열화(starvation)를 일으켜, 결국 연료전지 촉매의 열화를 가속시켜 연료전지의 내구성을 감소시키게 되는 치명적인 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0013304호(중공사막 및 그 제조방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 제조단가를 절감할 수 있으며, 내구성이 우수하여 장기간 사용이 가능한 수소차량에 구비되는 연료전지용 가습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 연료전지용 가습장치에 있어서, 내부가 비어있는 중공구조의 하우징과; 모터 케이싱의 내측에 설치되는 스테이터와, 상기 스테이터와의 전자기적 상호 작용에 의해 고속회전되는 로터와, 상기 로터의 회전력이 출력되며 양측 단부가 개방형성되어 각각 유입구 및 배출구로 이루어지는 중공구조의 로터샤프트를 포함하며, 상기 하우징 내부에 설치되되 로터샤프트의 배출구가 유입구보다 낮은 위치에 배치되는 모터와; 하단이 상기 하우징의 상단 중앙부에 관통삽입되어 로터샤프트의 유입구와 마주보는 형태로 배치되고 상부에는 외부 공기가 공급되는 외기공급부 및 연료전지 스택의 수소와 산소 간의 산화환원반응에서 생성되는 물이 공급되는 물공급부가 소정간격을 두고 이격형성되되, 상기 외기공급부와 물공급부가 상기 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되어 로터샤프트의 내부로 공기와 물을 투입시키는 물/공기공급관과; 일측 단부가 상기 물공급부와 연통되게 연결되고 타측 단부가 상기 로터샤프트의 내벽면을 마주보는 형태로 배치되며, 로터의 고속회전력에 의해 물을 미립화하여 습윤공기로 형성되도록 상기 로터샤프트의 내벽면에 물을 분사하는 물공급튜브와; 상단이 상기 하우징의 하단 중앙부를 관통하여 로터샤프트의 타측 단부와 연통되게 결합되고 하단 중앙부에 배출구가 형성되어 로터샤프트 내부의 습윤공기를 외부로 배출시키되 로터샤프트를 따라 고속회전되면서 습윤공기가 인력에 의해 재결합되지 않고 미립화된 상태를 유지하면서 외부로 배출되도록 하는 습윤공기 배출부;를 포함하며, 상기 로터샤프트 내부의 습기(수분)가 공기공급부를 통해 지속적으로 공급되는 공기에 의해 모터 회로 측으로 역류하지 않도록 하여 모터의 내구성과 수명을 확보함으로써 장기간 사용이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 물/공기공급관은 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입하여 삽입되는 원통형의 결합관 및 상기 결합관의 상단에 직교방향으로 배치되는 공급관이 일체로 형성되는 "

"자 형태로 이루어지며, 상기 외기공급부는 상기 공급관의 측면 일측에 삽입되는 공기공급니플 및 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 형성되되 일측 단부는 상기 공기공급니플과 연통되게 연결되고 타측 단부는 상기 결합관의 하단을 관통하여 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되는 공기공급유로를 포함하며, 상기 물공급부는 상기 공급관의 측면 타측에 삽입되는 물공급니플 및 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 관통형성되되 일측 단부는 상기 물공급니플과 연통되게 연결되고 타측 단부는 상기 결합관의 하단을 관통하여 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되는 물공급유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 습윤공기 배출부는 습윤공기의 확산분사가 가능하도록 방사형 노즐 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 물 공급량에 따른 가습량의 변화를 통해 연료전지 스택의 출력성능 제어가 가능하도록 상기 물공급부로의 물 공급량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물이 로터의 고속회전에 의해 미립화되어 공기공급부로부터 공급되는 공기와의 혼합에 의해 습윤공기로 형성되고, 습윤공기 배출부로 토출되어 연료전지 스택에 공급되도록 함으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명은 로터샤프트 내부로 물과 공기가 함께 공급되도록 구성되어 로터샤프트 내부의 습기(수분)가 모터 회로 측으로 역류하는 것을 방지함으로써 스테이터와 같은 전기 장치를 보호할 수 있다. 이에, 기존의 양산차량에 구비되는 중공사막형 가습기와 비교하였을 때 혹한기에 중공사막 증발기에 잔존해 있던 수분의 동결로 인한 성능저하 및 이를 해결하기 위한 별도의 온도보상장치(예를 들어 히터)가 필요하지 않으므로 제조단가를 현저히 절감할 수 있고, 내구성이 뛰어나 장기간 사용이 가능한 장점이 있다. 또한, 연료전지에서 방출되는 물은 연료전지 내에서의 화학반응으로 열이 발생하게 되는데, 로터샤프트 내부를 통과하면서 발생하는 기화현상으로 물의 온도를 떨어뜨리는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 상기 습윤공기 배출부가 로터샤프트와 함께 고속회전되면서 미립화된 물 입자가 습윤공기 배출부를 통해 외부로 배출되는 과정에서 인력에 의해 다시 결합되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 습윤공기 배출부가 방사형 노즐 형태로 이루어져 습윤공기를 연료전지 스택에 확산분사함으로써 전자의 이동을 보다 활발하게 촉진시켜 연료전지 스택의 출력향상 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 유량조절밸브를 통해 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물의 양을 실시간으로 제어할 수 있으므로, 물 공급량 조절에 따른 가습량의 조절을 조작하는 즉시 반응시킬 수 있으므로 연료전지 스택의 출력성능 제어에 더욱 효율적이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치의 개략적인 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물/공기공급관의 확대예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 습윤공기 배출부의 확대예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 개략적인 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 연료전지 스택연료전지용 가습장치를 개시한다.

연료전지 스택은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 수소차의 핵심부품이다.

이러한 연료전지 스택은 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함할 수 있다.

또한, 연료전지 스택은 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극 접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.

이때, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

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.

상기 연료전지용 가습장치는 이러한 연료전지 스택에 습윤공기를 공급하여 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지시켜 전자의 이동을 촉진시킬 수 있도록 하는 장치이다.

본 발명은 기존의 가습장치에 비해 제조단가를 현저히 절감할 수 있고, 내구성을 확보하여 장기간 사용할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치의 개략적인 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물/공기공급관의 확대예시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 습윤공기 배출부의 확대예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 개략적인 예시도이다.

도 1 내지 4와 같이, 본 발명은 외관을 이루는 중공구조의 하우징(10)이 마련된다.

상기 하우징(10)의 형상은 다양하게 이루어질 수 있으며, 예를 들어 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 하우징 내부에는 고속으로 회전 가능한 모터(20)가 설치된다.

상기 모터(20)는 외관을 이루는 모터 케이싱(21)의 내측에 설치되는 스테이터(22)와, 상기 스테이터와의 전자기적 상호 작용에 의해 고속회전되는 로터(23)와, 상기 로터의 회전력이 출력되는 로터샤프트(24)를 포함한다.

상기 로터샤프트(24)는 양측 단부가 개방형성되어 각각 유입구(241) 및 배출구(242)로 이루어지며 내부가 비어있는 중공구조로서, 상기 하우징 내부에서 배출구가 유입구보다 낮게 배치된다. 예를 들어, 상기 로터샤프트(24)는 도 1 및 2와 같이 수직방향을 따라 배치될 수 있고, 또는 본 발명이 설치되는 위치에 따라 배출구가 유입구보다 낮게 위치되어 소정각도만큼 경사지게 배치될 수도 있다.

본 발명에서 상기 로터샤프트(24)의 배출구가 유입구보다 낮은 높이에 배치되는 이유는 후술할 물공급부 및 물공급튜브를 통해 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물이 중력에 의해 자연스럽게 하측으로 흐르도록 유도하여 습기(수분)의 역류를 방지하고, 로터샤프트 내부에 잔존수분을 최소화하기 위한 것이다.

상기 하우징의 상단에는 물/공기공급관(30)이 결합된다.

상기 물/공기공급관(30)은 하단이 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입되어 로터샤프트의 유입구(241)와 마주보는 형태로 배치되며 상부에는 외부 공기(A)가 공급되는 외기공급부 및 연료전지 스택의 수소와 산소 간의 산화환원반응에서 생성되는 물(W)이 공급되는 물공급부가 소정간격을 두고 이격형성된다.

도 1 및 2를 참조하면, 상기 물/공기공급관(30)은 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입하여 삽입되는 원통형의 결합관(301) 및 상기 결합관의 상단에 직교방향으로 배치되는 공급관(302)이 일체로 형성되는 "

"자 형태로 이루어진다.

상기 외기공급부(31)는 상기 공급관의 측면 일측에 관통삽입되는 공기공급니플(311) 및 상기 공기공급니플을 통해 내부로 투입된 공기를 상기 로터샤프트 내부로 안내하는 공기공급유로(312)를 포함한다.

상기 공기공급니플(311)은 별도로 마련되는 공기공급장치의 공기공급관(미도시)과 연통되게 연결되는 것으로, 적절한 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 공기공급유로(312)는 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 관통형성되되 일측 단부가 상기 공기공급니플(311)과 연통되게 연결되고 타측 단부가 상기 결합관의 바닥면까지 관통형성되어 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되어, 상기 공기공급니플(311)을 통해 인입된 공기(A)를 로터샤프트(24) 내부로 안내한다.

상기 물공급부(32)는 상기 공급관의 측면 타측에 관통삽입되는 물공급니플(321) 및 상기 물공급니플을 통해 내부로 투입된 물을 상기 로터샤프트 내부로 안내하는 물공급유로(322)를 포함한다.

상기 물공급니플(321)은 연료전지 스택으로부터 생성되는 물(W)을 이송하기 위한 물공급관과 연통되게 연결되는 것으로, 적절한 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 물공급유로(322)는 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 관통형성되되 일측 단부가 상기 물공급니플(322)과 연통되게 연결되고 타측 단부가 상기 결합관의 바닥면까지 관통형성되어 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되어, 상기 물공급니플(321)을 통해 인입된 물을 로터샤프트(24) 내부로 안내한다.

한편, 연료전지는 큰 파워를 요구하는 운전구간에서는 그에 비례하는 공기 유량이 필요하다. 이렇게 많은 유량의 공기를 가습하기 위해서는 그만큼 많은 수분이 필요하게 되는데, 이를 위해서는 로터샤프트의 내벽면에 더 많은 양의 물이 분사되어야 한다.

이에, 본 발명은 물 공급량에 따른 가습량의 변화를 통해 연료전지 스택의 출력성능 제어가 가능하도록 상기 물 공급부로의 물 공급량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 포함할 수 있다.

상기 유량조절밸브(323)는 연료전지 스택과 물공급니플을 연결하는 물공급관의 일측에 마련되며, 외부신호에 따라 덕트의 직경을 넓히거나 줄일 수 있도록 하여 연료전지 스택으로부터 토출되는 물이 물공급니플로 인입되는 양을 조절하도록 할 수 있다.

이를 위해 상기 유량조절밸브(323)는 개방과 폐쇄가 조절되는 밸브 구조, 예컨데 솔레노이드 밸브 구조가 될 수 있으며, 이외에도 덕트의 직경을 조절할 수 있는 구조의 다양한 실시예가 적용될 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기 물공급유로(322)를 통한 물을 로터샤프트의 내벽면에 분사하기 위한 물공급튜브(40)가 구비된다.

상기 물공급튜브(40)는 내부가 비어있으며 양측 단부가 개방형성되는 플렉시블한 재질로서, 일측 단부는 상기 물공급유로(322)의 내벽면에 억지끼움되어 고정되고 타측 단부는 상기 로터샤프트의 유입구를 통해 내부로 인입되어 로터샤프트(24)의 내벽면 일측에 마주보는 형태로 배치되며, 물공급유로(322)를 따라 공급되는 물을 로터샤프트(24)의 내벽면에 분사한다.

상기 로터샤프트(24)의 내벽면에 분사된 물은 로터샤프트의 고속회전에 의해 미립화되어 습윤공기로 형성된다.

상기 습윤공기는 외기공급부(31)로부터 투입되는 공기에 의해 로터샤프트의 배출구(241) 측으로 점차 이동된다.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명은 상기 모터와, 공기공급부 및 물공급부를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는 외부로부터 구동모터의 구동신호가 입력되면 상기 공기공급부 및 물공급부에 각각 공기와 물이 투입되도록 제어하며, 상기 로터가 고속으로 회전되는 경우에 한하여 로터샤프트 내부에 공기와 물이 동시에 공급되도록 함으로써 로터샤프트 내부에 잔존수분을 최소화하도록 한다.

기존의 양상차량에 구비되는 중공사막형 가습기의 경우 구조적인 특성상 증발기 내부에 잔존 수분이 존재할 수 밖에 없어서, 혹한기에 잔존 수분의 동결로 인한 성능저하가 불가피하였으며, 이를 해결하기 위해 온도보상장치(예를 들어 히터)가 불가피하여 제조단가가 상승할 수 밖에 없었다.

본 발명에 따른 연료전지용 가습장치는 로터샤프트(24)의 고속회전시 공기와 물이 동시에 공급되면서 모터 내부의 잔존 수분(습기)을 최소화할 수 있다. 또한, 지속적으로 공기가 공급되면서 모터 내부의 스테이터와 같은 전기장치 측으로 습기(수분)이 역류하는 것을 방지하여 모터 회로를 보호할 수 있으며, 이를 통해 제품의 내구성, 수명을 확보할 수 있는 장점이 있다.

다음으로, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 습윤공기 배출부(50)의 확대예시도이다.

도 3과 같이, 상기 하우징의 하단에는 습윤공기 배출부(50)가 결합된다.

상기 습윤공기 배출부(50)는 상단이 상기 하우징의 하단 중앙부를 관통하여 하우징의 내부에서 로터샤프트의 배출구와 연통되게 연결되며, 하단 중앙부에는 로터샤프트 내부의 습윤공기를 외부로 배출시키는 배출구(51)가 형성된다.

상기 배출구(51)를 통해 배출되는 습윤공기는 연료전지 스택에 공급된다.

상기 습윤공기 배출부(50)는 로터샤프트(24)와 결합되어 로터샤프트를 따라 고속회전되어 습윤공기가 인력에 의해 재결합되지 않고 미립화된 상태를 유지하면서 외부로 배출되도록 한다.

또한, 상기 습윤공기 배출부(50)는 상기 로터샤프트의 단부에 끼움결합되는 원통형의 끼움부(52)와, 상기 끼움부의 단부로부터 방사방향으로 확장된 외경을 갖는 확산부(53)로 구성될 수 있다.

이러한 습윤공기 배출부(50)는 확산 분사가 가능한 방사형 노즐 형태로 이루어져, 습윤공기의 미립화 성능을 보다 향상시킬 수 있고, 이를 통해 전자의 이동을 보다 활발하게 촉진시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 가습장치는 습윤공기 배출부를 통해 배출되는 습윤공기를 연료전지 스택에 공급하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 공기공급부를 통한 공기에 의해 습기(수분)이 모터 회로 측으로 역류하는 것을 방지하여 내구성과 수명을 확보할 수 있는 현저한 효과가 있다. 더욱이, 부피가 기존의 양산차량용 가습장치 대비 10% 미만 수준으로 현저히 작으며, 상술한 예시와 같이 공기공급장치에 직접 장착하여 사용 가능하므로 필요공간을 크게 줄일 수 있다.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

10 : 하우징
20 : 모터
21 : 모터 케이싱 22 : 스테이터
23 : 로터 24 : 로터샤프트
241 : 유입구 242 : 배출구
30 : 물/공기공급관
301 : 결합관 302 : 공급관
31 : 외기공급부
311 : 공기공급니플 312 : 공기공급유로
32 : 물공급부
321 : 물공급니플 322 : 물공급유로
323 : 유량조절밸브
40 : 물공급튜브
50 : 습윤공기 배출부 51 : 배출구
52 : 끼움부 53 : 확산부

Claims (4)

1. 연료전지용 가습장치에 있어서,
   내부가 비어있는 중공구조의 하우징(10)과;
   모터 케이싱(21)의 내측에 설치되는 스테이터(22)와, 상기 스테이터와의 전자기적 상호 작용에 의해 고속회전되는 로터(23)와, 상기 로터의 회전력이 출력되며 양측 단부가 개방형성되어 각각 유입구 및 배출구로 이루어지는 중공구조의 로터샤프트(24)를 포함하며, 상기 하우징 내부에 설치되되 로터샤프트의 배출구가 유입구보다 낮은 위치에 배치되는 모터(20)와;
   하단이 상기 하우징의 상단 중앙부에 관통삽입되어 로터샤프트의 유입구와 마주보는 형태로 배치되고 상부에는 외부 공기가 공급되는 외기공급부 및 연료전지 스택의 수소와 산소 간의 산화환원반응에서 생성되는 물이 공급되는 물공급부가 소정간격을 두고 이격형성되되, 상기 외기공급부와 물공급부가 상기 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되어 로터샤프트의 내부로 공기와 물을 투입시키는 물/공기공급관(30)과;
   일측 단부가 상기 물공급부와 연통되게 연결되고 타측 단부가 상기 로터샤프트의 내벽면을 마주보는 형태로 배치되며, 로터의 고속회전력에 의해 물을 미립화하여 습윤공기로 형성되도록 상기 로터샤프트의 내벽면에 물을 분사하는 물공급튜브(40)와;
   상단이 상기 하우징의 하단 중앙부를 관통하여 로터샤프트의 타측 단부와 연통되게 결합되고 하단 중앙부에 배출구가 형성되어 로터샤프트 내부의 습윤공기를 외부로 배출시키되 로터샤프트를 따라 고속회전되면서 습윤공기가 인력에 의해 재결합되지 않고 미립화된 상태를 유지하면서 외부로 배출되도록 하는 습윤공기 배출부(50);를 포함하며,
   상기 로터샤프트 내부의 습기(수분)가 공기공급부를 통해 지속적으로 공급되는 공기에 의해 모터 회로 측으로 역류하지 않도록 하여 모터의 내구성과 수명을 확보함으로써 장기간 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 물/공기공급관은 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입하여 삽입되는 원통형의 결합관 및 상기 결합관의 상단에 직교방향으로 배치되는 공급관이 일체로 형성되는 "

   

   "자 형태로 이루어지며,
   상기 외기공급부는 상기 공급관의 측면 일측에 삽입되는 공기공급니플 및 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 형성되되 일측 단부는 상기 공기공급니플과 연통되게 연결되고 타측 단부는 상기 결합관의 하단을 관통하여 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되는 공기공급유로를 포함하며,
   상기 물공급부는 상기 공급관의 측면 타측에 삽입되는 물공급니플 및 상기 물/공기공급관의 내부에서 결합관 및 공급관을 따라 "ㄱ"자 형상으로 관통형성되되 일측 단부는 상기 물공급니플과 연통되게 연결되고 타측 단부는 상기 결합관의 하단을 관통하여 로터샤프트의 유입구와 연통되게 연결되는 물공급유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 습윤공기 배출부는 습윤공기의 확산분사가 가능하도록 방사형 노즐 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
   
4. 제1항에 있어서, 물 공급량에 따른 가습량의 변화를 통해 연료전지 스택의 출력성능 제어가 가능하도록 상기 물공급부로의 물 공급량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
   

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