KR102480604B1 - 연료전지용 습윤공기 공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 공기가 인입되는 공기공급장치의 일측에 가습장치가 연통되게 결합되어 가습장치로부터 토출되는 습윤공기와 공기공급장치의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 임펠러를 통과하면서 혼합교반되면서 더욱 미세한 입자의 습윤공기로 형성되어, 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급할 수 있도록 한 연료전지용 습윤공기 공급시스템을 개시한다.

Description

연료전지용 습윤공기 공급시스템{Humid air supplying system for fuel cell}

본 발명은 일측 단부를 통해 흡입된 외부 공기가 내부의 임펠러에 의해 압축된 후 타측 단부를 통해 토출되도록 구성되는 공기공급장치와; 고속으로 회전되는 로터 및 상기 로터의 중앙부에 형성되며 내부가 비어있는 중공구조의 로터샤프트를 포함하며, 상기 로터샤프트 내부로 투입된 물이 로터의 고속회전에 의한 미립화를 통해 습윤공기로 형성되어 토출되도록 구성되는 가습장치;를 포함하되, 상기 가습장치가 상기 외기인입부의 일측에 연통되게 결합되어 가습장치로부터 토출되는 습윤공기와 공기공급장치의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 임펠러를 통과하면서 혼합교반되어 더욱 미세한 입자의 습윤공기로 형성되도록 하며, 상기 외기토출부가 연료전지 스택에 연통되게 연결되어 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 습윤공기 공급시스템에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC;alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.

수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 수소차는 수소(H₂)가 저장되는 수소탱크(H₂ Tank), 수소와 산소(O₂)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택, 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.

한편, 연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 연료(수소) 공급측과 공기 공급측에 적당한 가습을 해주는 가습 장치가 필요하다.

종래의 가압 펌프와 인젝터를 사용하는 연료전지용 가습 장치는 고압을 발생시켜 주는 펌프와 정밀한 구조를 가진 인젝터가 필수적으로 마련되어야 하기 때문에 가격이 비싸고 구성품이 많으며 고장의 위험이 클 뿐만 아니라, 펌프를 구동하기 위한 추가적인 동력 장치와 제어 장치가 필요하다는 문제점이 있으며, 물속의 불순물로 인한 노즐 막힘 현상이 발생할 수 있고, 고압 펌프는 그 성능을 계속 유지할 필요가 있다는 문제점이 있다.

또한, 가스 투 가스(gas to gas)막 가습기는 구동 부품이 없어 상대적으로 원리는 단순하지만, 접촉면적을 넓히기 위해 복잡한 형상이 필요하고, 그 크기가 커지게 되며, 가습용 막의 가격이 너무 고가라는 문제점이 있으며, 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 감소시키는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0911590호의 "연료전지용 가습기를 포함한 공기 공급 장치"는 수분이 미세홀을 통과하는 과정에서 잘게 부서지면서 임펠러를 통과한 공기에 분사되어 이 공기를 가습화하게 되며, 이러한 가습화된 공기가 하우징의 출구를 지나 스택에 공급되도록 구성된다.

그런데, 상기의 공기 공급 장치는 미세홀을 통과한 수분 중 일부가 평평한 슬링거노즐의 상면에 잔존할 수 있고, 이러한 잔존수분이 모터의 회로 측으로 역류하여 모터를 손상시키는 문제점이 발생될 수 있다.

또한, 미세홀로 투입되는 수분의 양 대비 미세홀을 통과하여 미립화된 물입자의 양이 적을 수 밖에 없으며, 미세홀을 통과한 물입자의 크기는 클 수 밖에 없다. 그런데, 물입자가 크면 클수록 인력에 의한 재결합 가능성이 높고 기와의 혼합 또한 용이하지 않으므로 하우징의 출구로 토출되는 습윤공기의 양과 질이 모두 현저히 떨어지는 치명적인 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 가습장치가 차지하는 공간을 현저히 줄일 수 있으며, 로터샤프트의 고속회전에 의한 습윤공기가 임펠러를 통과하면서 더욱 미립화되어 공기의 가습화에 대한 효율성을 극대화할 있는 연료전지용 습윤공기 공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 일측 단부를 통해 흡입된 외부 공기가 내부의 임펠러에 의해 압축된 후 타측 단부를 통해 토출되도록 구성되는 공기공급장치와; 고속으로 회전되는 로터 및 상기 로터의 중앙부에 형성되며 내부가 비어있는 중공구조의 로터샤프트를 포함하며, 상기 로터샤프트 내부로 투입된 물이 로터의 고속회전에 의한 미립화를 통해 습윤공기로 형성되어 토출되도록 구성되는 가습장치;를 포함하되, 상기 가습장치가 상기 외기인입부의 일측에 연통되게 결합되어 가습장치로부터 토출되는 습윤공기와 공기공급장치의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 임펠러를 통과하면서 혼합교반되어 더욱 미세한 입자의 습윤공기로 형성되도록 하며, 상기 외기토출부가 연료전지 스택에 연통되게 연결되어 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급할 수 있고, 상기 공기공급장치는, 후면이 개방된 중공형상으로서 전면 중앙부에는 외부의 공기가 인입되는 외기인입부가 형성되고, 외주면 일측에는 상기 외기인입부와 직교방향으로 외기토출부가 형성되는 임펠러 하우징과, 상기 임펠러 하우징의 후면에 결합되는 모터와, 상기 임펠러 하우징 내부에서 상기 외기인입부와 동일 수평선상에 배치되며 모터에 의해 회전작동되면서 상기 외기인입부를 통한 외부의 공기가 외기토출부로 토출되도록 임펠러 하우징의 벽면 방향으로 밀어내는 임펠러를 포함하며, 상기 가습장치는, 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 배출부를 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.

삭제

또한, 본 발명에서 상기 임펠러 하우징의 하부 일측에는 내부의 응축수를 외부로 배출시키기 위한 응축수 배출구가 형성되는 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 공기공급부는 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 상단과 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 상단과 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 가습장치의 로터샤프트 내부에 투입된 물이 로터의 고속회전에 의한 1차 미립화에 의해 형성된 습윤공기가 공기공급장치의 외기인입부를 통해 인입되는 외부의 공기와 함께 임펠러에 의해 혼합교반되면서 더욱 미세한 입자로 2차 미립화되어 외기토출부로 토출되므로 습윤공기의 미립화 성능이 향상되고, 공기의 가습화에 대한 효율성을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가습장치는 부피가 종래의 연료전지용 가습장치 대비 10% 미만 수준이며, 공기공급장치에 직접 장착되어 사용되므로 필요공간을 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가습장치는 모터의 구동시에만 로터샤프트 내부로 물과 공기가 함께 공급되도록 구성되어 로터샤프트 내부의 습기(수분)가 모터 회로 측으로 역류하는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 스테이터와 같은 전기 장치를 보호할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 따른 가습장치는 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 발명에 따른 가습장치의 상기 습윤공기 배출부가 로터샤프트와 함께 고속회전되면서 미립화된 물 입자가 습윤공기 배출부를 통해 외부로 배출되는 과정에서 인력에 의해 다시 결합되는 것을 방지할 수 있으며, 습윤공기 배출부를 방사형 노즐 형태로 구성하여 임펠러를 향해 습윤공기가 확산분사되면서 입자를 더욱 미립화시킬 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.

또한, 본 발명은 임펠러 하우징의 하부 일측에 형성되는 응축수 배출구를 통해 임펠러 하우징 내부에서 습윤공기에 의해 생성된 응축수를 외부로 배출시킬 수 있다.

도 1 내지 4은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 습윤공기 공급시스템의 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가습장치의 개략적인 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가습장치의 물/공기공급관의 확대예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 습윤공기 배출부의 확대예시도.

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

본 발명은 연료전지용 스택에 습윤공기를 공급하기 위한 공급시스템을 개시한다.

일반적으로 연료전지용 습윤공기 공급시스템은 가습장치로부터 제공되는 습윤공기가 공기공급장치에 의해 연료전지 스택에 전달되도록 구성된다.

연료전지 스택이라 함은 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.

여기에서, 상기 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.

본 발명은 연료전지 스택에 습윤공기를 공급하여 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지시켜 전자의 이동을 촉진시킬 수 있도록 하는 연료전지용 습윤공기 공급시스템에 관한 것으로, 특히 기존의 연료전지용 가습장치에 비해 제조단가를 현저히 절감할 수 있고, 가습장치의 내구성을 확보할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.

도 1 내지 4은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 습윤공기 공급시스템의 설명하기 위한 개략적인 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가습장치의 개략적인 예시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가습장치의 물/공기공급관의 확대예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 습윤공기 배출부의 확대예시도이다.

도 1 내지 4와 같이, 본 발명은 공기공급장치(100)와, 가습장치(200)를 포함한다.

상기 공기공급장치(100)는 일측의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 내부의 임펠러에 의해 압축된 후 타측의 외기토출부를 통해 토출되도록 구성된다.

도 1을 참조하면, 상기 공기공급장치(100)는 모터에 의해 회전되는 임펠러(130)가 내부에 수용되는 임펠러 하우징(110)이 구비된다.

상기 임펠러 하우징(110)은 후면이 개방된 중공형상으로서 전면 중앙부에는 외부의 공기가 인입되는 외기인입부(111)가 형성되고, 외주면 일측에는 상기 외기인입부와 직교방향으로 외기토출부(112)가 형성된다.

상기 외기인입부(111)와 외기토출부(112)는 외부 공기의 유입 경로 및 배출 경로를 제공하는 것으로, 소정 직경과 길이를 갖는 원통형의 덕트 형태로 이루어질 수 있다.

상기 외기인입부를 통해 인입된 외부 공기는 임펠러(130)에 의하여 압축된 후 외기토출부를 통해 외부로 배출된다.

상기 임펠러 하우징의 후면에는 모터(120)가 결합되며, 상기 임펠러 하우징의 내부에는 상기 모터의 회전축에 결합되어 회전되는 임펠러(130)가 구비된다.

상기 임펠러(130)는 임펠러 하우징(110) 내부에서 상기 외기인입부(111)와 동일 수평선상에 배치되며 모터(120)에 의해 회전작동되면서 상기 외기인입부(111)를 통한 외부의 공기가 외기토출부(112)로 토출되도록 임펠러 하우징의 벽면 방향으로 밀어내는 역할을 한다.

다음으로, 상기 가습장치(200)는 고속으로 회전되는 로터 및 상기 로터의 중앙부에 형성되며 내부가 비어있는 중공구조의 로터샤프트를 포함하며, 상기 로터샤프트 내부로 투입된 물이 로터의 고속회전에 의한 미립화를 통해 습윤공기로 형성되어 토출되도록 구성된다.

도 5 내지 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가습장치(200)를 설명하기 위한 개략적인 예시도이다.

먼저, 본 발명에 따른 가습장치(200)는 외관을 이루는 중공구조의 하우징(210)이 마련된다.

상기 하우징(210)의 형상은 다양하게 이루어질 수 있으며, 예를 들어 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 하우징(210) 내부에는 고속으로 회전 가능한 모터(220)가 설치된다.

상기 모터(220)는 외관을 이루는 모터 케이싱(221), 상기 모터 케이싱의 내측에 설치되는 스테이터(222), 상기 스테이터와의 전자기적 상호 작용에 의해 고속회전되는 로터(223), 그리고 상기 로터의 회전력이 출력되는 로터샤프트(224)를 포함한다.

여기에서, 상기 로터샤프트(224)는 양측 단부가 개방형성되어 각각 유입구(2241) 및 배출구(2242)로 이루어지며 내부가 비어있는 중공구조로서, 상기 하우징(210) 내부에서 배출구가 유입구보다 낮게 배치된다.

상기 로터샤프트(224)의 배출구가 유입구보다 낮은 높이에 배치되는 이유는 후술할 물공급부(232)를 통해 물공급튜브(240)로 공급되어 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물이 중력에 의해 자연스럽게 상부로부터 하부로 흐르도록 하여 습기(수분)의 역류를 방지할 수 있고, 로터샤프트 내부에 잔존수분을 최소화하기 위한 것이다.

또한, 상기 하우징의 상단에는 물/공기공급관(230)이 결합된다.

상기 물/공기공급관(230)의 하단은 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입되어 로터샤프트의 유입구(2241)와 마주보는 형태로 배치되며 상부에는 외부 공기가 공급되는 공기공급부(231) 및 연료전지 스택의 수소와 산소 간의 산화환원반응에서 생성되는 물이 공급되는 물공급부(232)가 서로 대향되는 위치에 형성된다.

도 5 및 6을 참조하면, 상기 물/공기공급관(230)은 상기 하우징의 상단 중앙부를 관통삽입하여 삽입되는 원통형의 결합관(2301) 및 상기 결합관의 상단에 직교방향으로 배치되는 공급관(2302)이 일체로 형성되는 "

"자 형태로 이루어진다.

또한, 상기 공기공급부(231)는 상기 공급관의 측면 일측에 관통삽입되는 공기공급니플(2311) 및 상기 공기공급니플을 통해 내부로 투입된 공기를 상기 로터샤프트 내부로 안내하는 공기공급유로(2312)를 포함한다.

상기 공기공급니플(2311)은 상기 공기공급장치로 투입되는 공기 중 일부를 상기 공기공급부로 투입시키기 위한 별도의 공기공급관(미도시)과 연통되게 연결된다.

상기 공기공급유로(2312)는 상기 결합관 및 공급관을 순차적으로 관통하여 "ㄱ"자 형상으로 형성되며 일측 단부는 상기 공기공급니플(2311)과 연통되게 연결되고 타측 단부는 로터샤프트의 유입구(2241)와 연통되게 연결되어, 상기 공기공급니플(2311)을 통해 인입된 공기를 통해 로터샤프트 내부로 안내한다.

상기 물공급부(232)는 상기 공급관의 측면 타측에 관통삽입되는 물공급니플 (2321)및 상기 물공급니플을 통해 내부로 투입된 물을 상기 로터샤프트 내부로 안내하는 물공급유로(2322)를 포함한다.

상기 물공급니플(2321)은 연료전지 스택으로부터 생성되는 물을 이송하는 물공급관(미도시)과 연통되게 연결된다. 상기 물공급니플(2321)은 물공급관과 용이하게 연결되도록 적절한 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 물공급유로(2322)는 상기 결합관 및 공급관을 순차적으로 관통하여 "ㄱ"자 형상으로 형성되며 일측 단부는 상기 물공급니플과 연통되게 연결되고 타측 단부는 로터샤프트의 유입구(2241)와 연통되게 연결되어, 상기 물공급니플(2321)을 통해 인입된 물을 로터샤프트 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 도 3과 같이 상기 물공급부로의 물 공급량을 조절하기 위한 유량조절밸브(2323)를 포함할 수 있다.

상기 유량조절밸브(2323)는 연료전지 스택과 물공급니플을 연결하는 물공급관의 일측에 마련될 수 있으며, 물 공급량에 따른 가습량의 변화가 가능하도록 외부신호에 따라 내부를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있으면서, 개방 또는 폐쇄되는 면적이 적절하게 조절될 수 있는 밸브, 예를 들어 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 이와 같은 유량조절밸브(2323)에 의한 물 공급량에 따른 가습량의 변화를 통해 연료전지 스택의 출력성능을 제어할 수 있다.

다음으로, 상기 물공급튜브(240)는 내부가 비어있으며 양측 단부가 개방형성되는 플렉시블한 재질로서, 일측 단부는 상기 물공급유로(2322)의 내벽면에 억지끼움되어 고정되고 타측 단부는 로터샤프트(224)의 유입구를 통해 내부로 인입되어 로터샤프트의 내벽면 일측에 마주보는 형태로 배치되며, 물공급유로(2322)를 통해 공급되는 물을 로터샤프트의 내벽면에 분사한다.

상기 물공급튜브(240)에 의해 로터샤프트의 내벽면에 분사된 물은 로터의 고속회전에 의해 미립화되면서 습윤공기로 형성되며, 공기공급부로부터 투입되는 공기에 의해 로터샤프트의 타측으로 이동된다.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명은 상기 임펠러와 모터를 제어하며, 상기 공기공급부 및 물공급부에 각각 공기와 물이 투입되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에서 상기 제어부는 모터가 구동되어 로터가 고속으로 회전되는 경우에 한하여 상기 로터샤프트 내부로 공기와 물이 동시에 투입되도록 제어한다.

이와 같은 제어부를 통해 로터샤프트의 내벽면에 분사되는 물이 로터의 고속회전에 의해 미립화되면서 외부 공기와 함께 로터샤프트의 외측으로 배출되도록 하여, 로터샤프트 내부에 잔손수분을 최소화할 수 있으며, 공기공급부를 통한 공기를 통해 습기(수분)이 스테이터와 같은 전기장치 쪽으로 역류하는 것을 방지하여 모터를 보호하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 연료전지에서 방출되는 물은 연료전지 내에서의 화학반응으로 열이 발생하게 되는데, 로터샤프트 내부를 통과하면서 발생하는 기화현상으로 물의 온도를 떨어뜨리는 효과도 있다.

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 로터의 고속회전시 공기와 물이 로터샤프트 내부에 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, 상기 하우징의 하단에는 로터샤프트 내부의 습윤공기를 외부로 배출하기 위한 습윤공기 배출부(250)가 결합된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 습윤공기 배출부의 확대예시도이다.

상기 습윤공기 배출부(250)는 상단이 상기 하우징의 하단 중앙부를 관통하여 하우징의 내부에서 로터샤프트(224)의 배출구와 연통되도록 로터샤프트의 단부에 결합되어 그 내부로 습윤공기가 인입되며, 하단 중앙부에는 로터샤프트 내부의 습윤공기를 외부로 배출시키는 배출구(251)가 형성된다.

또한, 상기 습윤공기 배출부(250)는 상기 로터샤프트의 단부에 끼움결합되는 원통형의 끼움부(252)와, 상기 끼움부의 단부로부터 방사방향으로 확장된 외경을 갖는 확산부(253)로 구성될 수 있다.

이러한 습윤공기 배출부(250)는 확산 분사가 가능한 방사형 노즐 형태로 이루어져, 습윤공기의 미립화 성능을 보다 향상시킬 수 있고, 이를 통해 전자의 이동을 보다 활발하게 촉진시킬 수 있다.

또한, 상기 로터샤프트의 하단에 결합되는 습윤공기 배출부(250)는 로터샤프트를 따라 고속으로 회전되어, 배출구(251) 측으로 이동되는 습윤공기는 인력에 의해 재결합되지 않고 미립화된 상태를 유지하면서 외부로 배출되게 된다.

상기와 같은 본 발명은 상기 외기인입부의 일측에 가습장치가 연통되게 연결되고 외기토출부는 연료전지 스택에 연통되게 연결되어, 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급하도록 구성된다.

도 1,2 및 도 4와 같이, 상기 가습장치가 외기인입부와 연통되게 연결될 수 있도록 상기 외기인입부(111)의 상부 일측에는 상향 대각방향을 따라 원통형의 분기연결관(1111)이 연장형성되고, 상기 하우징의 하부는 상기 분기연결관(1111) 내부에 삽입될 수 있도록 상부에 비해 상대적으로 좁은 직경으로 형성된다.

상기 분기연결관(1111)을 매개로 하여 가습장치(200)와 공기공급장치(100)가 연통되게 결합되면 습윤공기 배출구(250)를 통해 토출되는 습윤공기와 외기인입부(111)로 흡입된 외부 공기가 임펠러를 통과하면서 혼합교반되어 더욱 미세한 입자의 습윤공기로 형성되며, 이러한 습윤공기가 외기토출부(112)를 통해 연료전지 스택에 공급된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 습윤공기 공급시스템은 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 모터 측으로 습기(수분)가 역류되는 것을 방지하여 모터의 내구성과 수명을 확보할 수 있다. 특히, 가습장치의 부피가 기존의 양산차량용 가습장치 대비 10% 미만 수준으로 현저히 작으며, 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.

100 : 공기공급장치
110 : 임펠러 하우징
111 : 외기인입부 1111 : 분기연결관
112 : 외기토출부
120 : 모터
130 : 임펠러
200 : 가습장치
210 : 하우징
220 : 모터
221 : 모터 케이싱 222 : 스테이터
223 : 로터 224 : 로터샤프트
2241 : 유입구 2242 : 배출구
230 : 물/공기공급관
2301 : 결합관 2302 : 공급관
231 : 공기공급부
2311 : 공기공급니플 2312 : 공기공급유로
232 : 물공급부
2321 : 물공급니플 2322 : 물공급유로
2323 : 유량조절밸브
240 : 물공급튜브
250 : 습윤공기 배출부 251 : 배출구
252 : 끼움부 253 : 확산부

Claims (6)

1. 일측의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 내부의 임펠러에 의해 압축된 후 타측의 외기토출부를 통해 토출되도록 구성되는 공기공급장치(100)와;
   고속으로 회전되는 로터 및 상기 로터의 중앙부에 형성되며 내부가 비어있는 중공구조의 로터샤프트를 포함하며, 상기 로터샤프트 내부로 투입된 물이 로터의 고속회전에 의한 미립화를 통해 습윤공기로 형성되어 토출되도록 구성되는 가습장치(200);를 포함하되,
   상기 가습장치(200)가 상기 외기인입부의 일측에 연통되게 결합되어 가습장치로부터 토출되는 습윤공기와 공기공급장치의 외기인입부를 통해 흡입된 외부 공기가 임펠러를 통과하면서 혼합교반되어 더욱 미세한 입자의 습윤공기로 형성되도록 하며,
   상기 외기토출부가 연료전지 스택에 연통되게 연결되어 미립화 성능이 우수한 습윤공기를 연료전지 스택에 공급할 수 있고,
   상기 공기공급장치(100)는,
   후면이 개방된 중공형상으로서 전면 중앙부에는 외부의 공기가 인입되는 외기인입부가 형성되고, 외주면 일측에는 상기 외기인입부와 직교방향으로 외기토출부가 형성되는 임펠러 하우징(110)과, 상기 임펠러 하우징의 후면에 결합되는 모터(120)와, 상기 임펠러 하우징 내부에서 상기 외기인입부와 동일 수평선상에 배치되며 모터에 의해 회전작동되면서 상기 외기인입부를 통한 외부의 공기가 외기토출부로 토출되도록 임펠러 하우징의 벽면 방향으로 밀어내는 임펠러(130)를 포함하며,
   상기 가습장치(200)는,
   내부가 비어있는 중공구조의 하우징(210)과, 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 모터(220)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(230)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(240)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(250)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 습윤공기 공급시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 임펠러 하우징의 하부 일측에는 내부의 응축수를 외부로 배출시키기 위한 응축수 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 습윤공기 공급시스템.
   
4. 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 공기공급부는 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 상단과 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 상단과 연통되게 연결되는 물공급유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 습윤공기 공급시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 습윤공기 배출부는 습윤공기의 확산분사가 가능하도록 방사형 노즐 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 습윤공기 공급시스템.
   
6. 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 습윤공기 공급시스템.
   

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