KR102529371B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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 공기 배출부재를 가진 제2 캡부와, ⅳ)공기 배출부재에 설치되며, 제2 캡부의 내부에서 공기 배출부재로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 공기 배출부재에 유입하는 응축수 세퍼레이터를 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 측면에서뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.

막 가습 방식의 가습기는 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.

한편, 스택에서 생성된 물은 그 스택에서의 공기 유로(스택 매니폴드, 셀 입출구, 셀의 각 채널 등) 일부 또는 전체를 막아 반응기체의 공급을 방해하여 스택의 성능을 저하시키거나 스택의 내구성에 문제를 일으킬 수 있다.

이에 연료전지 시스템의 레이아웃 상 가습기는 통상적으로 스택의 하단에 위치하고 있다. 이 경우 스택에서 응축된 물은 대부분 중력에 의해 그 스택과 인접해 있는 가습기 쪽으로 흘러갈 수 있다.

또한, 가습기에서 가습된 공기가 스택으로 공급될 때, 외기와의 온도차에 의해 수증기가 응축되고 그 응축수는 공기의 유속이 낮을 경우, 중력에 의해 가습기로 유입되며, 셧-다운 후에 수증기가 응축되고 그 응축수는 스택이나 배관으로부터 가습기로 유입될 수 있다.

그러나, 연료전지 차량의 아이들 상태에서 급 출력 시 또는 고출력 시, 가습기에서 스택으로 공급되는 공기의 유속이 빨라지기 때문에, 가습기에 고여있는 응축수는 스택으로 유입되며 그 스택 내의 유로를 막음으로 인해 스택에서의 셀 빠짐 현상을 발생시킬 수 있다.

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 연료전지 스택으로의 응축수 유입을 간단한 구성으로 방지할 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 공기 배출부재를 가진 제2 캡부와, ⅳ)상기 공기 배출부재에 설치되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 상기 공기 배출부재로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 상기 공기 배출부재에 유입하는 응축수 세퍼레이터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기는, 상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 상기 막 모듈부로 배출하는 응축수 배출부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응축수 세퍼레이터는 상기 공기 배출부재의 공기 유입 단과 결합하는 결합부와, 상기 결합부와 연결되며, 상기 공기 유입 단을 막는 응축수 블로킹부와, 상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 형성되며, 상기 공기 유입 단과 연결되는 공기 유입 포트부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출부재의 공기 유입 단은 상기 결합부의 내주 측에 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 결합부의 결합 단에는 외주 연을 따라 제1 응축수 차단 돌기가 돌출 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응축수 블로킹부의 외주 가장자리 단에는 제2 응축수 차단 돌기가 돌출 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 유입 포트부는 상기 제1 응축수 차단 돌기와 제2 응축수 차단 돌기 사이에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 유입 포트부는 공기 유입 단면적이 상기 공기 배출부재의 공기 유입 단면적 보다 큰 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 유입 포트부는 상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 설정된 크기로 형성되는 복수의 공기 유입 홀을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 유입 홀은 상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이의 외주 상부를 제외한 부분에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응축수 배출부재는 상기 제2 캡부의 내부에 구비되며, 상기 막 모듈부와 상기 제2 캡부의 압력 차이에 의해 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 막 모듈부는 상기 가습막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 하부에 위치하는 입구를 하단 부에 형성하며, 상기 지지부재에 고정되는 상단 부에 출구를 형성할 수 있다.

그리고, 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 공기 배출부재를 가진 제2 캡부와, ⅳ)상기 공기 배출부재에 설치되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 상기 공기 배출부재로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 상기 공기 배출부재에 유입하는 응축수 세퍼레이터와, ⅴ)상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 상기 막 모듈부와 상기 제2 캡부의 압력 차이에 의해 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응축수 세퍼레이터는 상기 공기 배출부재의 공기 유입 단과 결합하는 결합부와, 상기 결합부와 연결되며, 상기 공기 유입 단을 막는 응축수 블로킹부와, 상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 형성되며, 상기 공기 유입 단과 연결되는 공기 유입 포트부와, 상기 결합부의 결합 단에 외주 연을 따라 돌출 형성되는 제1 응축수 차단 돌기와, 상기 응축수 블로킹부의 외주 가장자리 단에 돌출 형성되는 제2 응축수 차단 돌기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 유입 포트부는 가습공기를 유입하는 복수의 공기 유입 홀을 포함하며, 상기 공기 유입 홀은 상기 제1 응축수 차단 돌기와 상기 제2 응축수 차단 돌기 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 막 모듈부에서 제2 캡부로 유입되는 가습공기와 응축수를 응축수 세퍼레이터를 통해 분리하고, 가습공기를 연료전지 스택으로 공급하며, 응축수를 바이패스 관로를 통하여 막 모듈부로 바이패스 배출할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 캡부에서 응축수가 공기 배출부재의 공기 배출구를 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 것을 완전 차단할 수 있으므로, 연료전지 스택의 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐을 방지할 수 있고, 이로 인해 연료전지 시스템의 운전 안정성을 개선할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

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 응축수 분리 구조를 도시한 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 응축수 분리 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 응축수 분리 구조를 도시한 결합 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 응축수 세퍼레이터 부위를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작용을 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 가습이 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)(당 업계에서는 "포팅부" 라고도 한다)를 포함하고 있다. 예를 들면 상기 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 배기 계통으로 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 주입부(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 배출부재(51)를 형성하고 있다.

상기에서 공기 배출부재(51)는 원통 형상의 관로부재로 구비되며, 제2 캡부(50)의 외측으로 돌출되며, 제2 캡부(50)의 내측으로 돌출되게 구비된다. 상기 공기 배출부재(51)에는 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하는 공기 배출구(53)를 형성하고 있다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 공기 배출부재(51)에서 제2 캡부(50) 내측으로 돌출된 부분의 돌출 단(끝 부분)을 가습공기가 유입하는 공기 유입 단(55)으로 정의하기로 한다.

한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 가습기(100)는 제2 캡부(50)의 내부로 응축수가 유입되는데, 그 응축수는 가습공기와 함께 연료전지 스택으로 유입될 수 있다.

예를 들면, 차량의 아이들 상태에서 급 출력 시 또는 고 출력 시, 가습막(11) 내부의 수분이 포함된 가습공기가 제2 캡부(50)로 다량 토출되고, 제2 캡부(50)의 내부에서 응축된 응축수가 공기 배출부재(51)를 통하여 연료전지 스택으로 공급됨에 따라, 연료전지 스택에서는 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐이 발생할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입된 응축수가 공기 배출부재(51)를 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 것을 완전 차단할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 응축수 세퍼레이터(70)와 응축수 배출부재(90)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 응축수 분리 구조를 도시한 결합 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 단면 구성도이다.

도 1과 함께 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 응축수 세퍼레이터(70)는 제2 캡부(50)의 내부에서 공기 배출부재(51)의 공기 배출구(53)로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 공기 배출구(53)에 유입하기 위한 것이다.

상기 응축수 세퍼레이터(70)는 제2 캡부(50)의 내부에서 공기 배출부재(51)에 설치된다. 이러한 응축수 세퍼레이터(70)는 도 5에서와 같이, 결합부(71), 응축수 블로킹부(73) 및 공기 유입 포트부(75)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 결합부(71)는 응축수 세퍼레이터(70)의 일 부분으로서, 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단(55)과 결합하는 것으로, 외주 면과 내주 면을 형성하며 그 내주 면과 공기 유입 단(55)을 결합할 수 있다.

예를 들면, 상기 결합부(71)는 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단(55)에 억지 끼움 또는 나사 식으로 결합될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에서는 돌기와 홈을 포함하는 결합수단(77)으로서 공기 유입 단(55)과 결합부(71)를 상호 결합할 수 있다.

상기 공기 유입 단(55)의 외주 측에는 결합 돌기 또는 결합 홈이 형성될 수 있다. 그리고 상기 결합부(71)의 내주 측에는 공기 유입 단(55)의 결합 돌기와 결합하는 결합 홈 또는 그 공기 유입 단(55)의 결합 홈과 결합하는 결합 돌기가 형성될 수 있다. 즉, 상기 공기 유입 단(55)과 결합부(71)는 결합 돌기와 결합 홈의 결합으로서 상호 고정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 응축수 블로킹부(73)는 막 모듈부(10)에서 가습공기와 함께 제2 캡부(50)로 유입되는 응축수가 공기 배출부재(51)의 공기 배출구(53)로 유입되는 것을 차단하기 위한 것이다. 즉, 상기 응축수 블로킹부(73)는 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입되는 응축수를 블로킹하며 중력 방향으로 흘러내리게 하는 기능을 한다.

상기 응축수 블로킹부(73)는 응축수 세퍼레이터(70)의 다른 부분으로서, 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단(55)과 대응하며 결합부(71)와 일체로 연결되며, 그 공기 유입 단(55)을 막는 벽체로 구비된다. 여기서, 상기 응축수 블로킹부(73)와 부딪힌 가습공기와 응축수 중 밀도가 큰 응축수는 공기의 유속과 중력에 의해 제2 캡부(50)의 하부로 떨어지게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 공기 유입 포트부(75)는 막 모듈부(10)에서 응축수와 함께 제2 캡부(50)로 유입되는 가습공기를 응축수 블로킹부(73)에 의한 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 공기 배출부재(51)의 공기 배출구(53)에 유입하기 위한 것이다.

상기 공기 유입 포트부(75)는 응축수 세퍼레이터(70)의 일 부분 및 다른 부분 사이에 구비되는 것으로서, 결합부(71)와 응축수 블로킹부(73) 사이에서 외주 방향을 따라 형성되며, 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단(55)을 통해 공기 배출구(53)와 연결된다.

상기 공기 유입 포트부(75)는 공기 배출부재(51)의 공기 유입(유동) 단면적 보다 큰 공기 유입 단면적을 갖고 있다. 이러한 공기 유입 포트부(75)는 복수의 공기 유입 홀(79)을 포함한다. 상기 복수의 공기 유입 홀(79)은 결합부(71)와 응축수 블로킹부(73) 사이에서 외주 방향을 따라 설정된 크기로 형성된다. 상기 복수의 공기 유입 홀(79)은 결합부(71)와 응축수 블로킹부(73) 사이에서 외주 방향을 따라 일정 간격으로 이격되게 형성된다.

이와 같이 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 단면적을 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단면적 보다 크게 구성하는 이유는 공기 유입 홀(79)의 폭이 좁아짐으로 인한 차압 증가를 방지하기 위함이다.

따라서, 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입되며 응축수 블로킹부(73)와 부딪힌 가습공기와 응축수 중 가습공기는 응축수 세퍼레이터(70) 외측으로 유도되며, 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유입될 수 있다.

한편, 상기와 같이 공기가 응축수 세퍼레이터(70) 외측으로 유도되며, 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유입되는 경우, 그 가습공기에 혼합된 응축수가 공기 유입 포트부(75) 상부 측의 공기 유입 홀(79)로 유입될 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 실시 예에서는 결합부(71)와 응축수 블로킹부(73) 사이의 외주 상부(도 5의 일점쇄선으로 표시)를 제외한 부분에 공기 유입 홀(79)을 형성할 수 있다. 이 경우에는 외주 상부를 제외한 부분의 공기 유입 홀(79) 사이즈를 크게 형성하면, 공기 배출부재(51)로의 응축수 유입 및 차압 문제를 동시에 해결할 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 응축수가 유도되는 것을 차단하기 위해, 공기 유입 포트부(75)를 사이에 두고 결합부(71)에 제1 응축수 차단 돌기(81)를 형성하며, 응축수 블로킹부(73)에 제2 응축수 차단 돌기(82)를 형성할 수 있다. 즉, 상기 공기 유입 포트부(75)는 제1 응축수 차단 돌기(81) 및 제2 응축수 차단 돌기(82) 사이에 배치된다.

상기 제1 응축수 차단 돌기(81)는 공기 배출부재(51)의 공기 유입 단(55)과 결합하는 결합부(71)의 결합 단에 외주 연을 따라 돌출 형성된다. 상기 제1 응축수 차단 돌기(81)는 응축수 세퍼레이터(70) 외측에서 응축수가 공기 배출부재(51)의 외면을 통해 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유도되는 것을 차단할 수 있다.

그리고, 상기 제2 응축수 차단 돌기(82)는 응축수 블로킹부(73)의 외주 가장자리 단에 돌출 형성된다. 상기 제2 응축수 차단 돌기(82)는 응축수 블로킹부(73)에 부딪힌 응축수가 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유도되는 것을 차단할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 응축수 배출부재(90)는 제2 캡부(50)의 내부에서 응축수 세퍼레이터(70)에 의해 가습공기와 분리되며, 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 막 모듈부(10)로 배출하기 위한 것이다. 즉, 상기 응축수 배출부재(90)는 제2 캡부(50)의 내부에서 하측에 고여있는 응축수를 막 모듈부(10)로 배출할 수 있다.

이러한 응축수 배출부재(90)는 제2 캡부(50)에 구비되는 바, 제2 캡부(50)의 내부에서 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스시키는 바이패스 관로(91)를 포함한다.

상기 바이패스 관로(91)는 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결하는 것으로, 위에서 언급한 바 있는 지지부재(13)를 통해 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결한다.

통상적으로 공기 압축기에 의해 가습기(100)로 공급되는 공기의 흐름에 따른 압력강하를 고려할 때, 가습기(100)에서의 내부 압력은 제1 캡부(30)＞제2 캡부(50)＞막 모듈부(10)의 순이다. 이에 상기 바이패스 관로(91)는 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차이에 의해 제2 캡부(50) 내부의 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스 할 수 있다.

이와 같은 바이패스 관로(91)는 제2 캡부(50)의 내벽 면에서 상하 방향을 따라 설치되는데, 제2 캡부(50)의 내벽 면과 별개로 형성될 수 있고, 그 내벽 면에 일체로 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 바이패스 관로(91)는 위에서 언급한 바 있는 지지부재(13)를 통하여 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결할 수 있다. 이러한 바이패스 관로(91)는 제2 캡부(50)의 하부에 위치하는 하단 부에 입구(93)를 형성하며, 지지부재(13)에 고정되는 상단 부에 출구(95)를 형성한다.

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

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

앞서 개시한 도면들 및 도 6을 참조하면, 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 배출부재(51)를 통해 연료전지들의 공기극으로 공급된다. 그리고, 상기 막 모듈부(10)의 내부에서 수분이 제거된 배출공기는 배출공기 배출부(17)를 통해 배기 계로 배출된다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 작용을 기본적으로 수행하며, 막 모듈부(10)로부터 제2 캡부(50)의 내부로 가습공기와 응축수가 유입되는데, 그 가습공기와 응축수는 응축수 세퍼레이터(70)의 응축수 블로킹부(73)에 부딪힌다.

그러면, 상기 응축수 블로킹부(73)에 부딪힌 응축수(도면에 실선 화살표로 표시)는 공기의 유속과 중력에 의해 제2 캡부(50)의 하부로 흘러내리게 된다. 이 때, 상기 응축수 블로킹부(73)에 부딪힌 응축수는 제2 응축수 차단 돌기(82)에 차단되며, 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유도되지 않고 중력 방향으로 흘러내리게 된다.

이러는 과정에 가습공기(도면에 점선 화살표로 표시)는 응축수 블로킹부(73)에 부딪히며 응축수 세퍼레이터(70) 외측으로 유도되고, 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유입되며, 공기 배출부재(51)의 공기 배출구(53)를 통하여 연료전지 스택으로 공급된다. 이 때, 가습공기 중의 응축수는 공기 배출부재(51)의 외면에서 제1 응축수 차단 돌기(81)에 차단되며, 공기 유입 포트부(75)의 공기 유입 홀(79)로 유도되지 않고 중력 방향으로 흘러내리게 된다.

상기한 바와 같이 중력 방향으로 흘러내린 응축수는 제2 캡부(50)의 하부에 고이게 되는데, 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 응축수 배출부재(90)의 바이패스 관로(91)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출될 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 캡부(50)의 하부에 고여있는 응축수를 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 바이패스 관로(91)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출할 수 있다.

즉, 상기 제2 캡부(50)에서의 압력이 통상적으로 막 모듈부(10)에서의 압력보다 크기 때문에, 제2 캡부(50)에 포집된 응축수는 그 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 바이패스 관로(91)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입되는 가습공기와 응축수를 응축수 세퍼레이터(70)를 통해 분리하고, 가습공기를 연료전지 스택으로 공급하며, 응축수를 바이패스 관로(91)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 캡부(50)에서 응축수가 공기 배출부재(51)의 공기 배출구(53)를 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 것을 완전 차단할 수 있으므로, 연료전지 스택의 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐을 방지할 수 있고, 이로 인해 연료전지 시스템의 운전 안정성을 개선할 수 있다.

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
31... 공급공기 주입부 50... 제2 캡부
51... 공기 배출부재 53... 공기 배출구
55... 공기 유입 단 70... 응축수 세퍼레이터
71... 결합부 73... 응축수 블로킹부
75... 공기 유입 포트부 77... 결합수단
79... 공기 유입 홀 81... 제1 응축수 차단 돌기
82... 제2 응축수 차단 돌기 90... 응축수 배출부재
91... 바이패스 관로 93... 입구
95... 출구

Claims (14)

1. 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 공기 배출부재를 가진 제2 캡부;
   상기 공기 배출부재에 설치되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 상기 공기 배출부재로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 상기 공기 배출부재에 유입하는 응축수 세퍼레이터; 및
   상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 상기 막 모듈부로 배출하는 응축수 배출부재;
   를 포함하는 연료전지용 가습기.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 응축수 세퍼레이터는,
   상기 공기 배출부재의 공기 유입 단과 결합하는 결합부와,
   상기 결합부와 연결되며, 상기 공기 유입 단을 막는 응축수 블로킹부와,
   상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 형성되며, 상기 공기 유입 단과 연결되는 공기 유입 포트부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 공기 배출부재의 공기 유입 단은 상기 결합부의 내주 측에 결합되며,
   상기 결합부의 결합 단에는 외주 연을 따라 제1 응축수 차단 돌기가 돌출 형성되며,
   상기 응축수 블로킹부의 외주 가장자리 단에는 제2 응축수 차단 돌기가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 공기 유입 포트부는,
   상기 제1 응축수 차단 돌기와 제2 응축수 차단 돌기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 공기 유입 포트부는 공기 유입 단면적이 상기 공기 배출부재의 공기 유입 단면적 보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 공기 유입 포트부는,
   상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 설정된 크기로 형성되는 복수의 공기 유입 홀
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 공기 유입 홀은,
   상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이의 외주 상부를 제외한 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 응축수 배출부재는,
   상기 제2 캡부의 내부에 구비되며, 상기 막 모듈부와 상기 제2 캡부의 압력 차이에 의해 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 막 모듈부는 상기 가습막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함하고,
    상기 바이패스 관로는 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제2 캡부의 하부에 위치하는 입구를 하단 부에 형성하며, 상기 지지부재에 고정되는 상단 부에 출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
12. 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 공기 배출부재를 가진 제2 캡부;
    상기 공기 배출부재에 설치되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 상기 공기 배출부재로 유입하는 응축수를 차단하고, 가습공기를 응축수의 차단 방향과 다른 방향으로 상기 공기 배출부재에 유입하는 응축수 세퍼레이터; 및
    상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부에서 중력 방향으로 흘러내린 응축수를 상기 막 모듈부와 상기 제2 캡부의 압력 차이에 의해 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로;
    를 포함하는 연료전지용 가습기.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 응축수 세퍼레이터는,
    상기 공기 배출부재의 공기 유입 단과 결합하는 결합부와,
    상기 결합부와 연결되며, 상기 공기 유입 단을 막는 응축수 블로킹부와,
    상기 결합부와 상기 응축수 블로킹부 사이에서 외주 방향을 따라 형성되며, 상기 공기 유입 단과 연결되는 공기 유입 포트부와,
    상기 결합부의 결합 단에 외주 연을 따라 돌출 형성되는 제1 응축수 차단 돌기와,
    상기 응축수 블로킹부의 외주 가장자리 단에 돌출 형성되는 제2 응축수 차단 돌기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 공기 유입 포트부는 가습공기를 유입하는 복수의 공기 유입 홀을 포함하며,
    상기 공기 유입 홀은 상기 제1 응축수 차단 돌기와 상기 제2 응축수 차단 돌기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.

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