KR102506033B1

KR102506033B1 - 바이패스 기능을 구비하는 연료전지용 막가습기

Info

Publication number: KR102506033B1
Application number: KR1020220161410A
Authority: KR
Inventors: 홍지승
Original assignee: 주식회사 디에스필터
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-03-07

Abstract

본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는, 습윤공기 유입구와 습윤공기 배출구와 건조공기 유입구와 건조공기 배출구를 구비하는 하우징; 다수 개의 중공사막이 내장된 중공관 형상으로 형성되되 측벽에 다수 개의 통기공이 형성되어, 상기 하우징 내부에 인입되는 카트리지; 및 공기는 통과할 수 있지만 수분을 통과할 수 없는 거름망을 구비하며, 상기 카트리지의 외측면과 상기 하우징의 내벽 사이를 가로막도록 결합되는 수분여과필터;를 포함한다. 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는, 카트리지의 통기공에 수막이 발생되더라도 습윤공기가 원활하게 카트리지 내부를 통과할 수 있으므로 과도한 차압 발생을 방지할 수 있고, 습윤공기에 포함되어 있는 수분이 효과적으로 중공사막에 전달되므로 가습효율이 향상된다는 장점이 있다.

Description

바이패스 기능을 구비하는 연료전지용 막가습기 {Humidification device of the fuel cell having by-pass function}

본 발명은 카트리지를 구비하는 연료전지용 막가습기에 관한 것으로, 더 상세하게는 습윤공기 중 수분은 중공사막으로 전달되고 수분이 제거된 공기는 바이패스되어 배출되도록 구성되는 연료전지용 막가습기에 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 연료 전지(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 발전 장비뿐만 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 Eletrolyte 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 직접분사(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 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

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 이점을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 연료전지용 막가습기에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 연료전지용 막가습기의 분해사시도이고, 도 2는 종래의 연료전지용 막가습기의 단면도이다.

가습 모듈(10)은 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습한다. 가습 모듈(10)의 양 말단들 각각은 캡(20)과 결합된다. 캡(20)들 중 어느 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(10)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(10)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다. 가스켓 조립체(30)는 가습 모듈(10)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합된다. 배가스 가이드부재(40)는 카트리지(12)에 형성된 제1 메쉬홀(MH1)과 연통하도록 형성되며, 제1 메쉬홀(MH1)로 유입되는 배가스의 유동 방향이 사선이 되도록 유도하여 가습 효율을 향상시킨다.

가습 모듈(10)은 외부로부터 공급되는 공기와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(11a)와 배가스 배출구(11b)를 갖는 미드-케이스(11) 및 미드-케이스(11) 내에 배치되는 적어도 하나의 카트리지(12)를 포함한다.

미드-케이스(11)의 내부 공간은 격벽들(partitions)(11c)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획된다. 또한 카트리지(12)는 다수의 중공사막들(12a) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(12b)를 포함한다. 중공사막들(12a)의 말단들은 포팅부(12b)에 고정되며, 카트리지(12)는 카트리지(innercase)(12c)를 더 포함하고, 카트리지(12c)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 중공사막들(12a)이 그 안에 삽입된다. 중공사막들(12a)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(12b)는 카트리지(12c)의 개구를 폐쇄시킨다.

카트리지(12)는 배가스 가이드부재(40)를 포함하고, 카트리지(12c)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제1 메쉬홀')(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제2 메쉬홀')(MH2)을 구비한다.

따라서 배가스 유입구(11a)를 통해 미드-케이스(11)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀(MH1)을 통해 카트리지(12c) 내로 흘러 들어 중공사막들(12a)의 외표면과 접촉되고, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(11b)를 통해 미드-케이스(11)로부터 배출된다. 이와 같은 카트리지(12c)를 포함하는 카트리지(12)는 미드-케이스(11)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있게 된다.

이때, 미드-케이스(11) 내부로 유입된 습윤공기는 반드시 카트리지(12c)의 메쉬홀(MH1, MH2)를 통해 인입되어 중공사막과 접촉된 후 배출되어야 하는데, 수분이 응축되어 상기 메쉬홀(MH1, MH2)에 수막이 발생되는 경우 습윤공기가 카트리지(12c) 내측으로 원활하게 유입되지 못하게 되고, 이에 따라 높은 차압이 발생하는 문제점이 있다.

KR

10-2446774

B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 카트리지의 통기공에 수막이 발생되더라도 습윤공기가 원활하게 통과할 수 있어 과도한 차압 발생을 방지할 수 있는 연료전지용 막가습기를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는, 습윤공기 유입구와 습윤공기 배출구와 건조공기 유입구와 건조공기 배출구를 구비하는 하우징; 다수 개의 중공사막이 내장된 중공관 형상으로 형성되되 측벽에 다수 개의 통기공이 형성되어, 상기 하우징 내부에 인입되는 카트리지; 및 상기 카트리지와 상기 하우징의 사이를 지나는 습윤공기의 수분을 걸러내는 수분여과필터;를 포함한다.

상기 카트리지는 외측면 전체가 상기 하우징의 내측면과 이격되도록 배치되며, 상기 수분여과필터는 상기 카트리지의 폭방향 양측과 상기 하우징의 내벽 사이를 가로막도록 쌍으로 구비된다.

상기 카트리지는 외측면 중 폭방향 일측이 상기 하우징의 내측면에 밀착되고 나머지 부위는 상기 하우징의 내측면과 이격되도록 배치되며, 상기 수분여과필터는 상기 카트리지의 폭방향 타측과 상기 하우징 내벽 사이를 가로막도록 결합된다.

상기 카트리지의 폭방향 일측으로부터 이격되도록 세워지는 측판과, 상기 측판을 상기 카트리지의 폭방향 일측에 연결하는 하나 이상의 연결판으로 구성되는 바이패스유로를 더 포함하고, 상기 수분여과필터는 상기 측판의 상단과 상기 카트리지 사이의 공간을 덮도록 결합된다.

상기 측판의 하단은 카트리지의 저면보다 더 하향으로 돌출되어 상기 하우징의 바닥면에 안착된다.

상기 수분여과필터는, 수분여과 기능을 갖는 거름망과 상기 거름망의 가장자리와 결합되는 프레임으로 구성되고, 상기 바이패스유로는, 상기 수분여과필터 중 상기 카트리지에 접하는 측의 끝단을 지지하도록 상기 카트리지의 외측면으로부터 돌출되는 단턱을 더 포함한다.

상기 단턱 중 상기 프레임과 접하는 부위에는 상기 카트리지의 내부와 연통되는 다수 개의 관통공이 형성되고, 상기 프레임은 상기 관통공과 대응되는 부위에 오목홈이 형성되어, 상기 거름망의 상면을 타고 흐르는 수분은 상기 오목홈과 관통공을 통과하여 상기 카트리지 내측으로 유입된다.

상기 수분여과필터는, 상기 카트리지와 접하는 측보다 상기 하우징의 내벽과 접하는 측이 높도록 경사지게 배치된다.

상기 수분여과필터는 경사각 조절이 가능하도록, 상기 카트리지와 접하는 측이 힌지 구조로 상기 카트리지에 결합된다.

상기 거름망은 소수성을 갖는 합성수지로 제작된다.

상기 거름망은 미세한 기공을 갖는 스틸플레이트로 적용된다.

본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는, 카트리지의 통기공에 수막이 발생되더라도 습윤공기가 원활하게 카트리지 내부를 통과할 수 있으므로 과도한 차압 발생을 방지할 수 있고, 습윤공기에 포함되어 있는 수분이 효과적으로 중공사막에 전달되므로 가습효율이 향상된다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 연료전지용 막가습기의 분해사시도이다.
도 2는 종래의 연료전지용 막가습기의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 분해사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 종단사시도 및 횡단사시도이다.
도 7 및 도 8은 습윤공기의 이동 경로를 도시하는 횡단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기에 포함되는 바이패스유로의 구성을 도시한다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기에 포함되는 수분여과필터의 결합구조를 도시한다.
도 12 내지 도 14는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기 제2 실시예에 포함되는 수분여과필터의 결합구조를 도시한다.
도 15는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기 제3 실시예에 포함되는 수분여과필터의 결합구조를 도시하는 횡단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 분해사시도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기의 종단사시도 및 횡단사시도이고, 도 7 및 도 8은 습윤공기의 이동 경로를 도시하는 횡단면도이다.

본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는, 습윤공기 유입구(110)와 습윤공기 배출구(120)와 건조공기 유입구(130)와 건조공기 배출구(140)를 구비하는 하우징(100)과, 다수 개의 중공사막(300)이 내장된 중공관 형상으로 형성되되 측벽에 다수 개의 통기공(210)이 형성되어 상기 하우징(100) 내부에 인입되는 카트리지(200)와, 상기 카트리지(200)와 상기 하우징(100)의 사이를 지나는 습윤공기의 수분을 걸러내는 수분여과필터(600)를 포함한다.

이때, 상기 중공사막(300) 카트리지(200) 내측면의 길이방향 일측(도 4에서는 전방측)과 상기 중공사막(300) 외측면의 길이방향 일측(도 4에서는 전방측) 사이는 제1 포팅부(410)에 의해 밀폐되고, 상기 중공사막(300) 카트리지(200) 내측면의 길이방향 타측(도 4에서는 후방측)과 상기 중공사막(300) 외측면의 길이방향 타측(도 4에서는 후방측) 사이는 제2 포팅부(420)에 의해 밀폐된다. 또한, 상기 카트리지(200)의 길이방향 양단에는 하우징(100)과의 밀폐를 위한 별도의 개스킷(412, 422)이 구비될 수 있다. 이때 본 실시예에서는 상기 하우징(100)이 2분할 구조로 구성되어 일측에 습윤공기 유입구(110)와 건조공기 배출구(140)가 형성되거 타측에 습윤공기 배출구(120)와 건조공기 유입구(130)가 형성되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 하우징(100)의 분할 갯수나 형상, 습윤공기 유입구(110)와 습윤공기 배출구(120)와 건조공기 유입구(130)와 건조공기 배출구(140)의 형성위치는 다양하게 변경될 수 있다.

상기 습윤공기 유입구(110)를 통해 하우징(100) 내부로 유입된 습윤공기는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 카트리지(200)의 상면에 형성된 통기공(210)을 통해 카트리지(200) 내부로 유입되어 중공사막(300)과 접촉된 후, 상기 카트리지(200)의 저면에 형성된 통기공(210)을 통해 카트리지(200) 외부로 유출되어 상기 습윤공기 배출구(120)를 통해 하우징(100) 외부로 배출된다. 또한 상기 건조공기 유입구(130)를 통해 하우징(100) 내부로 유입된 건조공기는 종공사막의 전방측 입구로 유입되어 상기 중공사막(300)의 내부를 통과한 후 건조공기 배출구(140)를 통해 외부로 배출된다. 습윤공기가 중공사막(300)의 외측면을 타로 흐르고 건조공기가 중공사막(300)의 내측면을 타고 흐르는 동안 상기 습윤공기 내의 수분은 중공사막(300)을 투과하여 건조공기로 전달되는데, 이와 같은 가습과정은 종래의 연료전지용 막가습기에도 실질적으로 동일하게 적용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

카트리지(200)의 상면에 수분이 응축되면 상기 카트리지(200)의 상면에 형성된 통기공(210)에 수막이 형성되는데, 이와 같이 수막이 형성된 통기공(210)으로는 습윤공기가 통과할 수 없게 되므로 높은 차압이 발생하게 되는 문제점이 있다. 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 카트리지(200) 상면의 통기공(210)이 수막으로 막혔을 때 도 8에 도시된 바와 같이 하우징(100) 내부로 유입된 습윤공기가 수분여과필터(600)를 통해 하우징(100)의 바닥 측으로 이동한 후 습윤공기 배출구(120)를 통해 외부로 배출 가능하도록 구성된다는 점에 구성상의 특징이 있다. 이와 같이 카트리지(200)의 통기공(210)에 수막이 형성되는 경우 상기 습윤공기가 카트리지(200) 내부를 통과하지 아니하고 곧바로 외부로 배출되는바, 차압이 발생하지 아니하게 된다는 장점이 있다.

이때, 습윤공기에 포함되어 있는 수분까지 수분여과필터(600)를 통과하여 곧바로 배출되면 습윤공기와 건조공기 간의 가습이 이루어지지 아니하므로, 상기 수분여과필터(600)는 공기는 통과시키되 수분은 여과시키도록 구성되는 거름망(620)(도 11 참조)으로 구성된다. 이와 같이 상기 수분여과필터(600)가 수분 여과 기능을 갖는 거름망(620)으로 구성되면, 습윤공기가 수분여과필터(600)를 통과하는 동안 습윤공기 중의 수분은 수분여과필터(600)를 타고 흘러내려 카트리지(200) 내부로 유입됨으로써 중공사막(300)의 외측면을 타고 흐르게 되므로, 중공사막(300) 내부를 흐르던 건조공기는 중공사막(300)의 외측면을 타고 흐르는 수분에 의해 가습되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 상기 수분여과필터(600)를 통해 바이패스되는 습윤공기의 유량을 최대화시킬 수 있도록, 상기 카트리지(200)는 외측면 전체가 상기 하우징(100)의 내측면과 이격되도록 배치되며, 상기 수분여과필터(600)는 상기 카트리지(200)의 폭방향 양측과 상기 하우징(100)의 내벽 사이를 가로막도록 쌍으로 구비됨이 바람직하다. 이와 같이 상기 수분여과필터(600)가 카트리지(200)의 폭방향 양측에 각각 구비되면, 하우징(100) 내부로 유입된 습윤공기는 도 8에 도시된 바와 같이 좌우측으로 고르게 분배되어 바이패스되므로, 습윤공기의 흐름이 매우 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

물론, 상기 카트리지(200)가 폭방향 어느 일측으로 치우치도록 배치되어 상기 카트리지(200)의 폭방향 일측이 상기 하우징(100)의 내측면에 밀착되고 나머지 부위는 상기 하우징(100)의 내측면과 이격되도록 배치되는 경우, 상기 수분여과필터(600)는 상기 카트리지(200)는 하우징(100)의 매측면과 밀착된 반대측 즉, 폭방향 타측과 상기 하우징(100) 내벽 사이를 가로막도록 결합되어야 할 것이다.

또한, 수분여과필터(600)를 구성하는 거름망(620)이 친수성 재료로 제작되면 수분 필터링 기능이 떨어지는 현상 즉, 많은 양이 수분이 바이패스되는 현상이 발생하게 되므로, 중공사막(300) 내부를 흐르는 건조공기가 정상적으로 가습되지 못하게 되는 문제가 발생된다. 따라서 상기 거름망(620)은 소수성을 갖는 합성수지로 제작됨이 바람직하다. 더 나아가 상기 거름망(620)은 공기는 통과할 수 있지만 공기 중의 수분은 걸러내어질 수 있다면 미세한 기공을 갖는 스틸플레이트 등으로 적용될 수도 있다. 예를 들어 습윤공기 내의 물방울 지름 크기가 50~500㎛인 경우, 상기 스틸플레이트의 기공의 지름을 50㎛ 이하로 형성함으로써, 습윤공기 중의 수분을 걸러낼 수 있게 된다. 이때, 상기 거름망(620)의 기공 사이즈는 습윤공기의 유속이나 수분 함유량, 하우징(100) 내부의 온도 등 여러가지 조건에 따라 적절하게 선정됨이 바람직하다.

도 9는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기에 포함되는 바이패스유로(500)의 구성을 도시하고, 도 10 및 도 11은 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기에 포함되는 수분여과필터(600)의 결합구조를 도시한다.

본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는 카트리지(200)와 하우징(100) 사이의 공간에 수분여과필터(600)가 체결된다는 점에 구성상의 가장 큰 특징이 있는데, 카트리지(200)는 하우징(100) 내에 인입한 상태에서 수분여과필터(600)를 체결시키고자 하는 경우 조립상의 큰 어려움이 있다.

따라서 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는 상기 수분여과필터(600)가 카트리지(200)에 일체로 결합될 수 있도록, 별도의 바이패스유로(500)를 구비한다는 점에 구성상의 또 다른 특징이 있다. 상기 바이패스유로(500)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 카트리지(200)의 폭방향 일측으로부터 이격되도록 세워지는 측판(510)과, 상기 측판(510)을 상기 카트리지(200)의 폭방향 일측에 연결하는 하나 이상의 연결판(520)으로 구성될 수 있다. 이때 상기 수분여과필터(600)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 상기 측판(510)의 상단과 상기 카트리지(200) 사이의 공간을 덮도록 결합된다.

상기 측판(510)은 카트리지(200)가 하우징(100) 내부로 삽입되었을 때 하우징(100)의 내측 측벽에 밀착되도록 구성되므로, 상기 언급한 바와 같이 상기 수분여과필터(600)를 바이패스유로(500) 상에 안착시킨 후 수분여과필터(600) 결합 후 카트리지(200)를 하우징(100) 내부로 삽입시키면 카트리지(200)와 하우징(100) 사이를 수분여과필터(600)로 덮을 수 있게 되므로 조립이 용이해진다는 장점이 있다. 이때, 상기 측판(510)의 하단은 카트리지(200)의 저면보다 더 하향으로 돌출되어 하우징(100)의 바닥면에 안착되므로, 상기 카트리지(200)는 별도의 조립브라켓 없이도 외측면 전체가 하우징(100)의 내측면과 이격된 상태를 유지할 수 있게 된다.

한편, 상기 수분여과필터(600)가 한 장의 거름망(620)으로만 구성되면 측판(510) 및 카트리지(200)에 견고하게 결합되기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 상기 수분여과필터(600)는 측판(510) 및 카트리지(200)에 보다 견고하게 결합될 수 있도록, 상기 거름망(620)의 가장자리와 결합되는 프레임(610)을 더 포함할 수 있다. 상기 프레임(610)은 외력이 인가되더라도 쉽게 변형되거나 파손되지 아니하도록 일정 수준 이상의 강도를 갖는 재료로 제작되므로, 상기 측판(510) 및 카트리지(200)에 견고하게 결합될 수 있을 뿐만 아니라 상기 거름망(620)을 항상 팽팽하게 긴장시킨 상태로 유지시킬 수 있게 된다는 장점이 있다.

또한, 상기 프레임(610) 중 카트리지(200)에 접하는 부위가 미끄러지지 아니하고 안정적으로 고정될 수 있도록, 상기 바이패스유로(500)는 상기 수분여과필터(600) 중 상기 카트리지(200)에 접하는 측의 끝단을 지지하는 단턱(530)을 추가로 구비할 수 있다. 상기 단척은 상기 카트리지(200)의 외측면으로부터 돌출되도록 상기 카트리지(200)에 고정결합되는바, 상기 프레임(610)의 하단이 상기 단턱(530)에 안착되도록 결합되면 상기 프레임(610)은 외력이 인가되더라도 결합위치가 변경되거나 분리되지 아니하게 된다는 장점이 있다.

물론, 본 발명에 포함되는 수분여과필터(600)는 한 장의 거름망(620)으로만 구성되되 상기 카트리지(200)와 견고하게 결합될 수 있도록, 인서트사출 등의 공법에 의해 카트리지(200)와 일체로 제작될 수도 있다. 이와 같은 인서트사출은 본원발명이 해당하는 기술분야에서 널리 공지된 제조방법이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 12 내지 도 14는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기 제2 실시예에 포함되는 수분여과필터(600)의 결합구조를 도시한다.

습윤공기가 거름망(620)을 통과하는 동안 상기 습윤공기에 포함되어 있던 수분은 거름망(620)을 통과하지 못하고 아래로 흘러 내려 카트리지(200) 상면의 통기공(210)을 통해 카트리지(200) 내부로 유입되는데, 본 실시예에 도시된 바와 같이 프레임(610) 고정을 위해 단턱(530)이 형성되는 경우에는 거름망(620)을 타고 흘러 내리는 수분이 단턱(530)에 걸려 고이게 되므로 중공사막(300)으로의 수분 공급이 빠르게 이루어지지 못하게 된다는 문제점이 있다. 또한, 단턱(530)에 고인 수분량이 일정 수준 이상되어 카트리지(200)의 상면으로 떨어진다 하더라도 카트리지(200)의 상면으로 떨어진 수분 중 일부는 통기공(210)을 통해 카트리지(200) 내부로 유입될 수 있지만 나머지 일부는 카트리지(200)의 상면에 고여 있는 상태를 유지할 수 있으므로 중공사막(300)으로의 수분 공급이 원활해지지 못할 수 있다는 단점이 있다.

본 발명에 의한 연료전지용 막가습기는 거름망(620)을 타고 아래로 흐르는 수분이 보다 신속하게 카트리지(200) 내측으로 유입될 수 있도록, 상기 단턱(530) 중 상기 프레임(610)과 접하는 부위에는 상기 카트리지(200)의 내부와 연통되는 다수 개의 관통공(540)이 형성되고, 상기 프레임(610)은 상기 관통공(540)과 대응되는 부위에 오목홈(612)이 형성될 수 있다.

이와 같이 관통공(540)과 오목홈(612)이 형성되면, 상기 거름망(620)의 상면을 타고 흐르는 수분은 카트리지(200)의 상면으로 떨어지는 것이 아니라 상기 오목홈(612)과 관통공(540)을 통과하여 상기 카트리지(200) 내측으로 직접 유입되므로, 중공사막(300)으로의 수분 공급이 보다 신속하게 원활하게 이루어질 수 있게 된다는 장점이 있다.

이때, 상기 오목홈(612)과 관통공(540)은 거름망(620)을 타고 흐르는 수분을 카트리지(200) 내측으로 원활하게 안내할 수 있다면 본 실시예에 도시된 형상 이외에 다양한 형상으로 대체될 수 있다.

도 15는 본 발명에 의한 연료전지용 막가습기 제3 실시예에 포함되는 수분여과필터(600)의 결합구조를 도시하는 횡단면도이다.

본 발명에 포함되는 수분여과필터(600)는 습윤공기가 거름망(620)을 통과할 때 습윤공기에 포함되어 있던 수분이 거름망(620)을 통과하여 아래로 흘러 카트리지(200) 내측으로 유입될 수 있도록, 상기 카트리지(200)와 접하는 측보다 상기 하우징(100)의 내벽과 접하는 측이 높아지는 방향으로 경사지게 배치됨이 바람직하다.

이때, 상기 수분여과필터(600)의 경사각이 너무 크면 즉, 상기 수분여과필터(600)가 수직으로 세워지면 습윤공기 내의 수분이 거름망(620)을 타고 흐르지 못하고 거름망(620)의 반력에 의해 튕겨져 사방으로 비산되는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 상기 수분여과필터(600)의 경사각은 습윤공기의 습도 및 유속, 유량 등 여러가지 조건에 따라 적절하게 조절 가능하도록 구성될 수 있다.

즉, 상기 수분여과필터(600)는 경사각 조절이 가능하도록, 도 15에 도시된 바와 같이 상기 카트리지(200)와 접하는 측(도 15에서는 하측)이 힌지 구조로 상기 카트리지(200)에 결합될 수 있다. 이때, 상기 수분여과필터(600)의 경사각이 변경되더라도 수분여과필터(600)와 측판(510) 사이에 이격공간이 발생되지 아니하도록 상기 측판(510)의 내측면 중 상기 바이패스메위와 접촉되는 부위는 도 15에 도시된 바와 같이 만곡된 곡면으로 형성되어야 할 것이다.

이와 같이 상기 수분여과필터(600)가 힌지 구조로 카트리지(200)에 결합되면, 사용자는 습윤공기의 습도나 유속, 유량 등과 같은 여러가지 조건에 맞춰 수분여과필터(600)의 경사각을 조절할 수 있으므로, 습윤공기에 포함되어 있던 수분이 모두 거름망(620)을 타고 원활하게 흘러 내려 카트리지(200) 내측으로 유입되도록 할 수 있다.

이때, 상기 수분여과필터(600)의 회동은 사용자에 의해 수동으로 구현될 수도 있고, 전동모터 등과 같은 별도의 구동장치에 의해 자동으로 구현될 수도 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 하우징 110 : 습윤공기 유입구
120 : 습윤공기 배출구 130 : 건조공기 유입구
140 : 건조공기 배출구 200 : 카트리지
210 : 통기공 300 : 중공사막
500 : 바이패스유로 510 : 측판
520 : 연결판 530 : 단턱
540 : 관통공 600 : 수분여과필터
610 : 프레임 612 : 오목홈
620 : 거름망

Claims

습윤공기 유입구와 습윤공기 배출구와 건조공기 유입구와 건조공기 배출구를 구비하는 하우징;
다수 개의 중공사막이 내장된 중공관 형상으로 형성되되 측벽에 다수 개의 통기공이 형성되어, 상기 하우징 내부에 인입되는 카트리지; 및
상기 카트리지와 상기 하우징의 사이를 지나는 습윤공기의 수분을 걸러내는 수분여과필터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 카트리지는 외측면 전체가 상기 하우징의 내측면과 이격되도록 배치되며,
상기 수분여과필터는 상기 카트리지의 폭방향 양측과 상기 하우징의 내벽 사이를 가로막도록 쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 카트리지는 외측면 중 폭방향 일측이 상기 하우징의 내측면에 밀착되고 나머지 부위는 상기 하우징의 내측면과 이격되도록 배치되며,
상기 수분여과필터는 상기 카트리지의 폭방향 타측과 상기 하우징 내벽 사이를 가로막도록 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 카트리지의 폭방향 일측으로부터 이격되도록 세워지는 측판과, 상기 측판을 상기 카트리지의 폭방향 일측에 연결하는 하나 이상의 연결판으로 구성되는 바이패스유로를 더 포함하고,
상기 수분여과필터는 상기 측판의 상단과 상기 카트리지 사이의 공간을 덮도록 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 4에 있어서,
상기 측판의 하단은 카트리지의 저면보다 더 하향으로 돌출되어 상기 하우징의 바닥면에 안착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 4에 있어서,
상기 수분여과필터는, 수분여과 기능을 갖는 거름망과, 상기 거름망의 가장자리와 결합되는 프레임으로 구성되고,
상기 바이패스유로는, 상기 수분여과필터 중 상기 카트리지에 접하는 측의 끝단을 지지하도록 상기 카트리지의 외측면으로부터 돌출되는 단턱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 6에 있어서,
상기 단턱 중 상기 프레임과 접하는 부위에는 상기 카트리지의 내부와 연통되는 다수 개의 관통공이 형성되고,
상기 프레임은 상기 관통공과 대응되는 부위에 오목홈이 형성되어,
상기 거름망의 상면을 타고 흐르는 수분은 상기 오목홈과 관통공을 통과하여 상기 카트리지 내측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 수분여과필터는, 상기 카트리지와 접하는 측보다 상기 하우징의 내벽과 접하는 측이 높도록 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 8에 있어서,
상기 수분여과필터는 경사각 조절이 가능하도록, 상기 카트리지와 접하는 측이 힌지 구조로 상기 카트리지에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 6에 있어서,
상기 거름망은 소수성을 갖는 합성수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
청구항 6에 있어서,
상기 거름망은 미세한 기공을 갖는 스틸플레이트인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.