KR102563432B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 것으로서, ⅰ)하우징 본체와, ⅱ)하우징 본체의 내부에 구비되는 적어도 하나의 가습막 모듈과, ⅲ)하우징 본체의 내부에 설치되며, 가습막 모듈로 유입되는 공급공기의 설정된 공급량을 기준으로, 가습막 모듈로 유입되는 배출공기의 공급량을 조절하는 밸브 어셈블리를 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 공기를 가습하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 전기 동력 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 집합체인 스택과, 연료전지들의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급계와, 연료전지들의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급계와, 스택의 운전온도 및 냉각 제어를 위한 물관리 장치를 구비하고 있다.

이 중에서 공기 공급 계는 외부공기를 흡입 및 압축한 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급하기 위한 공기 압축기와, 공기 압축기로부터 토출되는 공기를 적정 습도를 가지도록 가습하여 연료전지들의 공기극으로 공급하는 가습기를 구비한다.

여기서, 가습기는 연료전지들의 공기극으로부터 배출되는 배출공기 중의 수분을 이용하여 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지들의 공기극으로 공급한다.

한편, 상기에서와 같은 연료전지 시스템을 연료전지 차량에 채용한 경우, 차량의 운전 조건에 따라 연료전지 시스템은 연료전지들의 공기극으로 공급되는 가습기의 가습량을 조절할 필요가 있다.

종래 기술에서 가습기의 가습량을 조절하는 방식으로는 가습기로 공급되는 공급공기 및 공기극 배출공기의 압력을 밸브를 통해 조절하는 방식을 대표적인 예로 들 수 있다.

그런데, 이와 같은 가습기의 가습량 조절 방식은 가습기와 연결되는 서로 다른 공기 공급 루트에 압력 조절밸브 등을 별개로 설치함에 따라, 전체적인 연료전지 시스템의 레이아웃 상 불필요한 공간이 증가할 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 가습 성능은 유지하고, 연료전지 시스템의 레이아웃 상 불필요한 공간을 최소화 하며, 간단한 구성으로 차량의 운전 조건에 따라 가습량을 조절할 수 있도록 한 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 것으로서, ⅰ)하우징 본체와, ⅱ)상기 하우징 본체의 내부에 구비되는 적어도 하나의 가습막 모듈과, ⅲ)상기 하우징 본체의 내부에 설치되며, 상기 가습막 모듈로 유입되는 공급공기의 설정된 공급량을 기준으로, 상기 가습막 모듈로 유입되는 배출공기의 공급량을 조절하는 밸브 어셈블리를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 어셈블리는 밸브 통로를 가진 원통 형상의 밸브 하우징과, 상기 밸브 통로와 연결되는 연결 통로를 가지며 상기 밸브 바디의 내부에 회전 가능하게 구비되는 원통 형상의 밸브 바디를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 어셈블리는 상기 밸브 바디의 회전을 통해 상기 밸브 통로와 연결 통로의 개도를 증감시키며 상기 배출공기의 공급량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디의 회전을 통해 상기 밸브 통로를 닫으며 상기 배출공기를 상기 하우징 본체의 외부로 바이패스시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 것으로서, ⅰ)공급공기 유입구를 갖는 제1 캡부, 가습공기 배출구를 갖는 제2 캡부, 및 상기 제1,2 캡부 사이에 구비되는 미드 하우징을 포함하는 하우징 본체와, ⅱ)상기 미드 하우징의 내부에 설치되며, 다수 개의 윈도우들을 길이 방향을 따라 형성하고 있는 케이스의 내부에 상기 제1 및 제2 캡부를 연결하는 다수의 중공사막들이 내장된 적어도 하나의 가습막 모듈과, ⅲ)상기 제2 캡부의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 양단이 폐쇄된 원통 형태로 상기 미드 하우징의 내부에 배치되며, 상기 윈도우들에 대응하는 연결 통로를 형성하고 있는 밸브 바디와, ⅳ)상기 밸브 바디의 연결 통로와 선택적으로 연결되는 밸브 통로를 형성하고, 상기 밸브 바디의 내부와 연결되는 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부를 형성하며, 상기 밸브 바디의 외주에 축 방향으로 결합되고, 상기 미드 하우징에 고정되는 원통 형상의 밸브 하우징을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 가습막 모듈은 포팅층을 통해 상기 미드 하우징의 양측에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 캡부의 내측 면에는 상기 밸브 바디를 회전시키기 위한 밸브 구동부가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디는 상기 밸브 구동부에 한쪽이 연결되고, 다른 한쪽이 상기 미드 하우징의 내부에서 폐쇄된 원통 형상으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 배출공기 유출부에는 상기 미드 하우징의 내부와 연결되는 적어도 하나의 쉘아웃 홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 가습막 모듈은 원통 형상의 상기 케이스 내부에서 상기 중공사막의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 가습막 모듈은 복수 개로서 상기 밸브 하우징을 중심에 두고 방사 상으로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 가습막 모듈은 상기 케이스의 외주 면에 길이 방향을 따라 형성된 적어도 하나의 가이드 돌기를 통하여 상기 미드 하우징의 내측 면에 슬라이딩 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디는 상기 밸브 구동부에 의해 설정된 회전 각도 범위로 회전 가능하게 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디는 상기 회전 각도 범위에서 상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부와 항시 연결되게 형성된 슬롯부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 하우징은 상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부를 통해 상기 미드 하우징에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 배출공기 유입부는 상기 미드 하우징의 내부에서 상기 제2 캡부 측에 위치하며 상기 미드 하우징에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 배출공기 유출부는 상기 미드 하우징의 내부에서 상기 제1 캡부 측에 위치하며 상기 미드 하우징에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결 통로는 홀 형태로서 상기 밸브 바디의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 통로는 상기 연결 통로에 대응하는 홀 형태로서 상기 밸브 하우징의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결 통로 및 밸브 통로는 상기 배출공기 유입부 측에서 배출공기 유출부 측으로 갈수록 크기가 점차 작아지는 홀 형태로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결 통로 및 밸브 통로는 상기 배출공기 유입부 측에서 상기 밸브 바디 및 밸브 하우징의 일정 구간에만 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결 통로 및 밸브 통로는 상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부 측에서 상기 밸브 바디 및 밸브 하우징의 일정 구간에 비 대칭적으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 연결 통로는 단일의 홀 형태로서 상기 밸브 바디의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 통로는 상기 연결 통로에 대응하는 단일의 홀 형태로서 상기 밸브 하우징의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 다수의 중공사막들은 메쉬 망에 의해 다발 형태로 패키징 되며, 상기 케이스의 내부에 삽입될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 가습기에 일체로 구성된 밸브 어셈블리를 통해 차량의 운전 조건에 따라 가습막 모듈에 대한 배출공기의 공급량을 조절함으로써, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 가습량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 가습기에 밸브 어셈블리를 일체화 함으로써, 가습 성능은 그대로 유지하면서 연료전지 시스템의 레이아웃 상 불필요한 공간을 최소화 할 수 있고, 이로 인해 전체 연료전지 시스템의 레이아웃을 컴팩트하게 구현할 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 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 결합 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 가습막 모듈을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 밸브 어셈블리의 밸브 바디 및 밸브 하우징을 도시한 단면 구성도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 밸브 바디 및 밸브 하우징의 변형 예를 도시한 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 예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템(1)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 예를 들면 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 구성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 연료전지 시스템(1)에 사용되는 연료를 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)로 정의할 수 있으며, 연료전지 시스템(1)에 사용되는 산화제를 공기로 정의할 수 있다.

이러한 연료전지 시스템(1)은 기본적으로, 연료전지 스택(2), 공기 공급유닛(3), 수소 공급유닛(4), 본 발명의 실시 예에 따른 가습기(100), 수소 재순환유닛(6) 그리고 열/물 관리유닛(7)을 포함하고 있다.

연료전지 스택(2)은 멤브레인(도면에 도시되지 않음)과, 공기극(2a) 및 연료극(2b)을 포함하는 연료전지(2c)들의 전기 발생 집합체이다. 연료전지(2c)들은 연료극(2b)으로 수소를 공급받고, 공기극(2a)으로 공기를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

공기 공급유닛(3)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료전지(2c)들의 공기극(2a)으로 공급한다. 공기 공급유닛(3)은 예를 들어 공기 압축기를 포함할 수 있다. 수소 공급유닛(4)은 수소를 압축 저장하며 그 수소를 연료전지(2c)들의 연료극(2b)으로 공급하는 수소탱크를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예가 적용되는 가습기(100)는 연료전지(2c)들의 공기극(2a)으로부터 수분을 함유하며 배출되는 배출공기를 이용하여, 공기 공급유닛(3)으로부터 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습공기를 공기극(2a)으로 공급하는 막-가습장치를 포함할 수 있다.

수소 재순환유닛(6)은 연료전지(2c)들의 연료극(2b)으로부터 배출되는 수소를 연료극(2b)으로 재순환시키기 위한 것이다. 수소 재순환유닛(6)은 연료극(2b)으로부터 배출되는 배출수소와, 수소 공급유닛(4)으로부터 공급되는 공급수소를 이젝터 등을 통해 혼합하여 연료극(2b)으로 공급할 수 있다.

그리고, 열/물 관리유닛(7)은 연료전지(2c)들의 전기 화학적인 반응 시 발생하는 부산물인 열과 물을 제거하며, 연료전지 스택(2)의 운전 온도를 제어하기 위한 것이다.

이러한 연료전지 시스템(1)의 각종 구성 요소들은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성 요소들의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기에서와 같은 연료전지 시스템(1)을 연료전지 차량에 채용한 경우, 차량의 시동 시, 정지 시 또는 아이들 시는 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 감소하며, 그 공기의 가습이 필요 없는 조건이다. 이하에서는 이와 같은 조건을 제1 조건(당 업계에서는 통상 "저 유량 조건"이라고도 한다)이라고 한다.

그리고, 차량의 주행 시는 주행 상태 등에 따라 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 증가하며, 그 공기의 가습이 필요한 조건이다. 이하에서는 이와 같은 조건을 제2 조건(당 업계에서는 통상 "고온 조건"이라고도 한다)이라고 한다.

여기서, 상기 제1 조건에서는 연료전지 스택(2)으로부터 배출되는 공기를 공급공기를 가습 하는데 사용하지 않고, 배기 계통(9)으로 배출한다. 그리고 상기 제2 조건에서는 연료전지 스택(2)으로부터 배출되는 공기를 공급공기를 가습 하는데 사용한다.

상기에서와 같은 제1 및 제2 조건은 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기에서 소모되는 동력에 의해 결정될 수 있다. 나아가, 상기 제1 및 제2 조건은 연료전지 시스템(1)의 유량 및 압력의 측정 결과에 의해 결정될 수 있다. 즉, 이와 같은 제1 및 제2 조건은 연료전지 차량의 시동, 정지 또는 아이들, 주행 상태를 감지하는 각종 센서들의 감지신호에 따라 제어기의 설정된 제어 로직에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 차량의 상태(시동, 주행, 정지, 아이들 상태 등)에 따라서 연료전지 시스템(1)의 상기 제1 및 제2 조건이 명확히 구분되므로, 제1 및 제2 조건을 어느 특정한 수치 범위로 한정하지 않기로 한다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 가습기(100)는 연료전지(2c)의 공기극(2a)에서 배출되는 배출공기(수분을 포함)와 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환으로 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 가습공기를 연료전지(2c)의 공기극(2a)으로 공급할 수 있는 막 가습기로 구성될 수 있다.

이와 같은 가습기(100)에서 가습에 참여 또는 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(이하에서는 편의 상 "배기공기" 라고 한다)는 외부로 배출되는데, 압력 조절밸브(도면에 도시되지 않음)에 의해 설정된 압력으로 조절되며 외부로 배출된다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 가습 성능은 유지하고, 연료전지 시스템(1)의 레이아웃 상 불필요한 공간을 최소화 하며, 간단한 구성으로 차량의 운전 조건에 따라 가습량을 조절할 수 있는 구조로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 결합 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 결합 단면 구성도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 기본적으로, 하우징 본체(10), 가습막 모듈(30) 및 밸브 어셈블리(50)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 하우징 본체(10)는 제1 캡부(11), 제2 캡부(12) 및 미드 하우징(mid housing)(15)을 포함한다.

상기 제1 캡부(11)는 미드 하우징(15)의 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 또는 "튜브-인(tube-in)" 이라고도 하며, 공기 공급유닛(3: 이하 도 1 참조)의 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 뒤에서 더욱 설명될 가습막 모듈(30)로 주입하기 위한 것이다.

상기 제1 캡부(11)는 뒤에서 더욱 설명될 미드 하우징(15)의 일측 단부에 결합된다. 상기 제1 캡부(11)는 공급공기를 가습막 모듈(30)로 유입하기 위한 공급공기 유입구(13)를 형성하고 있다. 여기서, 상기 제1 캡부(11)에는 공급공기를 냉각하기 위한 에어 쿨러(도면에 도시되지 않음)를 설치할 수도 있다.

상기 제2 캡부(12)는 당 업계에서 "캡-아웃(cap-out)" 또는 "튜브-아웃(tube-out)" 이라고도 하며, 가습막 모듈(30)로부터 유입된 가습공기를 연료전지 스택(2)으로 배출하기 위한 것이다.

상기 제2 캡부(12)는 미드 하우징(15)의 다른 일측 단부에 결합된다. 상기 제2 캡부(12)는 가습공기를 연료전지 스택(2)으로 배출하기 위한 가습공기 배출구(14)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 미드 하우징(15)은 당 업계에서 "쉘(shell)"이라고도 하며, 양측이 개방된 형태로 제1 및 제2 캡부(11, 12) 사이에 구비된다. 예를 들면, 상기 미드 하우징(15)은 도면에서와 같이 사각형의 단면 형태로 구비될 수 있고, 도면에 도시되지 않은 원형의 단면 형태로 구비될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 가습막 모듈(30)은 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입구(13)로 공급되는 공급공기와, 연료전지 스택(2)으로부터 배출되는 수분을 포함한 배출공기와의 수분 교환으로 가습공기를 생성한다.

상기 가습막 모듈(30)은 공급공기와 배출공기의 막 가습이 이루어지며 그 가습된 가습공기를 제2 캡부(12)의 가습공기 배출구(14)를 통해 연료전지 스택(2)으로 공급할 수 있다.

상기 가습막 모듈(30)은 하우징 본체(10)의 내부에 설치되는 바, 복수 개로서 미드 하우징(15)의 내부에 설치된다. 이러한 가습막 모듈(30)은 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스(31)와, 다수의 중공사막(33)들을 포함한다.

상기 케이스(31)는 양단이 개방된 원통 형태로 구비되며, 미드 하우징(15)의 내부에 배치된다. 상기 케이스(31)에는 다수 개의 윈도우(35)들이 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되게 형성된다. 다만, 상기 윈도우(35)들이 일정 간격으로 이격되게 형성되는 것으로 한정되게 해석되어서는 안되며, 케이스(31)의 길이 방향을 따라 단일의 홀로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 중공사막(33)들은 공급공기와 배출공기의 막 가습이 실질적으로 이루어지는 것으로, 다발 형태로 밀집되며, 케이스(31)의 내부에 내장된다.

여기서, 상기 중공사막(33)들은 메쉬 망(37)에 의해 다발 형태로 패키징 되며, 케이스(31)의 내부에 삽입된다. 상기 메쉬 망(37)은 케이스(31)의 윈도우(35)들을 통한 배출공기의 균일한 분배를 도모하고, 중공사막(33)들의 케이스(31) 삽입 시, 그 중공사막(33)들의 손상을 방지하는 기능을 하게 된다.

더 나아가, 상기 케이스(31)는 중공사막(33)들을 내장한 상태에서, 미드 하우징(15)의 내측 면에 슬라이딩 결합될 수 있다. 이를 위해 상기 케이스(31)의 외주 면에는 길이 방향을 따라 복수 개의 가이드 돌기(39)가 형성된다. 상기 가이드 돌기(39)는 미드 하우징(15)의 내측 면에 형성된 가이드 홈(17)에 길이 방향을 따라 슬라이딩 결합될 수 있다.

한편, 상기에서와 같은 가습막 모듈(30)은 포팅층(38)을 통해 미드 하우징(15)의 양측에 고정된다. 상기 포팅층(38)은 고분자 소재로 이루어지며, 미드 하우징(15)의 양측 개방 단을 폐쇄한다.

이러한 포팅층(38)은 미드 하우징(15)의 내측에 위치하는 케이스(31)의 양단을 고정하며, 그 케이스(31) 내부의 중공사막(33)들을 지지한다. 여기서, 상기 중공사막(33)들은 포팅층(38)에 지지된 상태로, 제1 및 제2 캡부(11, 12)의 내부를 연결한다. 그리고, 원통 형상의 상기 케이스(31) 내부에는 중공사막(33)들의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)(34)를 형성한다. 상기 쉘 사이드(34)는 케이스(31)의 윈도우(35)들을 통해 미드 하우징(15)의 내부와 연결된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 밸브 어셈블리(50)는 가습막 모듈(30)의 중공사막(33)들로 유입되는 공급공기의 설정된 공급량을 기준으로, 미드 하우징(15)의 내부에서 윈도우(35)들을 통해 케이스(31) 내부의 쉘 사이드(34)로 유입되는 배출공기의 공급량을 조절하기 위한 것이다.

즉, 상기 밸브 어셈블리(50)는 밸브 개도를 증감시키며 미드 하우징(15)의 내부에서 케이스(31) 내부의 쉘 사이드(34)로 유입되는 배출공기의 공급량을 조절할 수 있다. 그리고 상기 밸브 어셈블리(50)는 밸브의 닫음으로 배출공기를 미드 하우징(15)의 내부에서 외부로 바이패스시킬 수 있다.

상기 밸브 어셈블리(50)는 실질적으로 하우징 본체(10)의 내부에 설치된다. 이러한 밸브 어셈블리(50)는 밸브 구동부(51), 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)을 포함한다.

상기 밸브 구동부(51)는 뒤에서 더욱 설명될 밸브 바디(61)와 연결되며 그 밸브 바디(61)를 설정된 회전 각도 범위로 회전시키기 위한 것으로서, 제2 캡부(12)의 내측 면에 설치된다.

이러한 밸브 구동부(51)는 전원을 인가받아 작동하는 모터(53)와, 모터(53)의 회전 속도를 감속하는 감속 기어(도면에 도시되지 않음)를 포함하고 있다. 상기 밸브 구동부(51)는 감속 기어와 연결되는 구동 축(55)을 구비하고 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 의한 상기 밸브 어셈블리(50)에 적용되는 밸브 바디(61), 밸브 하우징(71) 및 밸브 바디(61)와 밸브 하우징(71)의 결합 구조를 도 2 내지 도 4 및 도 6을 참조하여 설명한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 밸브 바디(61)는 밸브 구동부(51)를 통하여 제2 캡부(12)의 내측에 회전 가능하게 지지된다. 상기 밸브 바디(61)는 양단이 폐쇄된 원통 형태로 구비되며, 제2 캡부(12)에 대응하는 포팅층(38)을 관통하여 미드 하우징(15)의 내부에 배치된다.

여기서, 상기 밸브 바디(61)의 한쪽은 밸브 구동부(51)의 구동 축(55)에 연결되며, 밸브 바디(61)의 다른 한쪽은 미드 하우징(15)의 내부에서 폐쇄되어 있다. 이에, 상기 밸브 바디(61)의 한쪽이 밸브 구동부(51)의 구동 축(55)에 연결되고, 다른 한쪽이 폐쇄되어 있으므로, 그 밸브 바디(61)의 양단은 폐쇄된 것으로 볼 수 있다. 그리고 상기 밸브 바디(61)는 밸브 구동부(51)의 구동 측(55)에 연결됨에 따라, 그 밸브 구동부(51)의 구동으로 설정된 회전 각도 범위(예를 들면, 0~90도)에서 정역 방향으로 회전될 수 있다.

더 나아가, 상기 밸브 바디(61)는 가습막 모듈(30)의 케이스(31)의 윈도우(35)들에 대응하는 연결 통로(63)를 형성하고 있다. 상기 연결 통로(63)는 케이스(31)의 윈도우(35)들과 근접하게 배치되며, 밸브 바디(61)의 내부와 연결된다.

이와 같은 연결 통로(63)는 본 발명의 실시 예에서 다수 개의 홀들로 이루어지며, 밸브 바디(61)의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열, 예를 들면 밸브 바디(61)의 원형 단면을 기준으로, 90도 간격의 열로서 형성될 수 있다. 이러한 연결 통로(63)는 도면에서와 같이, 원형의 홀로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 반드시 한정되지 않고, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형태로 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 밸브 하우징(71)은 미드 하우징(15)의 내부에서 밸브 바디(61)의 외주를 감싸며 그 미드 하우징(15)에 고정된다. 상기 밸브 하우징(71)은 밸브 바디(61)의 외주 측에 축 방향으로 결합되는 원통 형상으로 구비된다. 상기 밸브 하우징(71)은 이의 내주 면이 밸브 바디(61)의 외주 면에 면 접촉되게 결합된다.

즉, 상기 밸브 바디(61)는, 밸브 하우징(71)이 미드 하우징(15)에 고정된 상태로, 이의 외주 면에 밸브 하우징(71)의 내주 면이 미끄럼 접촉되면서 밸브 구동부(51)에 의해 회전될 수 있다.

이와 같은 상기 밸브 하우징(71)은 밸브 바디(61)의 내부와 연결되는 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)를 형성하고 있다. 상기 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)는 밸브 하우징(71)과 일체로 연결되는 관로 형태로 구비된다.

여기서, 상기 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)는 미드 하우징(15)의 내부에서 그 미드 하우징(15)에 고정된다. 이 경우, 상기 배출공기 유입부(75)의 유입 단 및 배출공기 유출부(77)의 유출 단은 미드 하우징(15)의 외부와 연결된다. 이에 상기 밸브 하우징(71)은 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)를 통해 미드 하우징(15)에 고정될 수 있다.

더 나아가, 상기 배출공기 유입부(75)는 제2 캡부(12) 측에 위치하며 미드 하우징(15)에 고정되고, 상기 배출공기 유출부(77)는 제1 캡부(11) 측에 위치하며 미드 하우징(15)에 고정된다.

상기 배출공기 유입부(75)는 연료전지 스택(2)에서 배출되는 배출공기를 밸브 바디(61)의 내부로 유입하기 위한 것으로서, 당 업계에서는 "쉘-인(shell-in)" 이라고도 한다.

그리고, 상기 배출공기 유출부(77)는 가습막 모듈(30)을 통하여 가습에 참여하거나 가습에 참여하지 못한 배출공기로서의 배기공기를 배기 계통(9: 이하 도 1 참조)으로 배출하기 위한 것으로서, 당 업계에서는 "쉘-아웃(shell-out)" 이라고도 한다.

상기에서와 같은 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)는 밸브 바디(61)의 설정된 회전 각도 범위에서 그 밸브 바디(61)의 내부와 항시 연결된다. 이를 위해 상기 밸브 바디(61)는 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)와 각각 연결되게 형성된 슬롯부(65)를 포함하고 있다.

상기 슬롯부(65)는 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)의 관로와 각각 연결되게 형성된다. 예를 들면, 상기 슬롯부(65)는 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)에 대응하여 밸브 바디(61)의 외주 방향을 따라 180도 구간의 슬롯 홀로 형성될 수 있다.

따라서, 상기 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77)는 밸브 바디(61)의 회전 각도 범위에서 슬롯부(65)를 통해 밸브 바디(61)의 내부와 항시 연결될 수 있다. 그러나, 변형 예로서 상기 배출공기 유입부(75)는 밸브 바디(61)의 내부와 항시 연결되고, 배출공기 유출부(77)는 밸브 바디(61)의 내부와 선택적으로 연결될 수도 있다.

더 나아가, 상기 배출공기 유출부(77)는 미드 하우징(15)의 내부에서 그 내부 공간과 연결되는 복수 개의 쉘아웃 홀(79)들을 형성하고 있다. 상기 쉘아웃 홀(79)들은 미드 하우징(15)의 내부에서 가습막 모듈(30)을 통하여 가습에 참여하거나 가습에 참여하지 못한 배출공기를 배출공기 유출부(77)를 통하여 미드 하우징(15)의 외부로 배출하는 기능을 하게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 밸브 하우징(71)은 밸브 바디(61)의 회전에 의해 그 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)와 선택적으로 연결되는 밸브 통로(73)를 형성하고 있다.

상기 밸브 통로(73)는 연결 통로(63)에 대응하는 다수 개의 홀들로 이루어지며, 밸브 하우징(71)의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열 즉, 연결 통로에 대응하는 열로서 형성될 수 있다. 이러한 밸브 통로(73)는 도면에서와 같이, 원형의 홀로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 반드시 한정되지 않고, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형태로 형성될 수도 있다.

이러한 밸브 통로(73)는 밸브 바디(61)의 회전에 의하여 연결 통로(63)와 풀 오픈 타입으로 연결될 수 있고, 연결 통로(63)와 부분 오픈 타입으로 연결될 수 있으며, 밸브 바디(61)의 외주 영역에 의해 풀 클로즈 타입으로 폐쇄될 수도 있다.

다른 한편, 상기에서와 같은 밸브 바디(61)와 밸브 하우징(71)의 결합 구조체는 위에서 언급한 바 있는 복수 개의 가습막 모듈(30)들과 근접하게 배치되는 바, 가습막 모듈(30)들의 케이스(31)의 윈도우(35)들과 근접하게 배치된다.

예를 들면, 상기 복수 개의 가습막 모듈(30)들은 밸브 바디(61)와 밸브 하우징(71)의 결합 구조체를 중심에 두고 방사 상으로 근접하게 배치될 수 있다. 여기서 상기 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)는 케이스(31)의 윈도우(35)들과 근접하게 배치되며 그 윈도우(35)들과 상호 연결될 수 있다.

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

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 도 7을 참조하면, 연료전지 차량 시동 시, 정지 시 또는 아이들 시의 제1 조건은 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 감소하며, 그 공기의 가습이 필요 없는 조건이다.

상기 제1 조건에서는 밸브 구동부(51)를 통하여 밸브 바디(61)를 설정된 회전 각도 범위 내에서 제1 각도 범위로 회전시키며, 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 밸브 바디(61)의 외주 영역에 의해 완전 폐쇄한다. 여기서, 상기 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)는 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)와 연결되지 않고, 그 밸브 하우징(71)의 내주 영역에 의해 완전 폐쇄된다.

이러는 과정에 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기는 공급공기 유입구(13)를 통해 제1 캡부(11)로 유입되고, 제1 캡부(11)에서 가습막 모듈(30)의 중공사막(33)들을 통해 제2 캡부(12)로 유동된다. 이와 동시에, 연료전지 스택(2)에서 배출되는 비교적 저온/저압의 배출공기는 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75)를 통해 밸브 바디(61)의 내부로 유입된다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 완전 폐쇄함에 따라, 밸브 바디(61)의 내부로 유입되는 배출공기를 배출공기 유출부(77)를 통하여 배기 계통(9)으로 바이패스시킨다. 이 경우, 상기 제2 캡부(12)로 유입된 공급공기는 가습되지 않은 상태로 가습공기 배출구(14)를 통해 배출되며 연료전지 스택(2)으로 공급될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서 연료전지 차량 주행 시의 제2 조건은 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 증가하며, 그 공기의 가습이 필요한 조건이다.

상기 제2 조건에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 밸브 구동부(51)를 통하여 밸브 바디(61)를 설정된 회전 각도 범위 내에서 제2 각도 범위로 회전시키며, 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 일부 개방한다. 여기서, 상기 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)는 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)와 일부 연결되며, 그 밸브 통로(73)를 통해 일부 개방된다.

또한, 상기 제2 조건에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 밸브 구동부(51)를 통하여 밸브 바디(61)를 설정된 회전 각도 범위 내에서 제3 각도 범위로 회전시키며, 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 완전 개방한다. 여기서, 상기 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)는 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)와 전부 연결되며, 그 밸브 통로(73)를 통해 완전 개방된다.

이러는 과정에 공기 공급유닛(3)의 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기는 공급공기 유입구(13)를 통해 제1 캡부(11)로 유입되고, 제1 캡부(11)에서 가습막 모듈(30)의 중공사막(33)들을 통해 제2 캡부(12)로 유동된다.

이와 동시에, 연료전지 스택(2)에서 배출되는 비교적 고온/고압의 다습한 배출공기는 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75)를 통해 밸브 바디(61)의 내부로 유입된다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 일부 또는 완전 개방함에 따라, 밸브 바디(61)의 내부로 유입되는 배출공기를 미드 하우징(15)의 내부에서 밸브 통로(73)를 통해 토출한다.

이에, 상기 밸브 통로(73)를 통해 토출된 배출공기는 가습막 모듈(30)의 케이스(31)의 윈도우(35)들을 통해 그 케이스(31)의 내부로 유입되는데, 케이스(31)의 내부에서 중공사막(33)들 주위의 쉘 사이드(34)로 유동된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제1 캡부(11)에서 중공사막(33)들을 통해 제2 캡부(12)로 유동하는 공급공기와, 쉘 사이드(34)에서 유동하는 배출공기의 수분 교환으로 공급공기의 가습이 이루어진다. 이렇게 가습된 공기(가습공기)는 제2 캡부(12)로 유입되고, 제2 캡부(12)의 가습공기 배출구(14)를 통해 배출되며, 연료전지 스택(2)으로 공급된다.

상기한 바와 같은 과정에서, 공급공기의 가습에 참여한 배출공기 및 가습에 참여하지 못한 배출공기로서의 배기공기는 미드 하우징(15)의 내부에서 쉘아웃 홀(79)들 통해 배출공기 유출부(77)로 유출되며, 배기 계통(9)으로 배출된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 밸브 어셈블리(50)를 하우징 본체(10)의 내부에 일체로 구성하며, 차량의 운전 조건에 따라, 밸브 바디(61)의 회전을 통해 그 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)와 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)의 개도를 증감시키며, 가습막 모듈(30)에 대한 배출공기의 공급량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 밸브 바디(61)의 회전을 통해 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)를 폐쇄하며, 배출공기를 배기 계통(9)으로 바이패스시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 차량의 운전 조건에 따라 밸브 어셈블리(50)를 통해 가습막 모듈(30)에 대한 배출공기의 공급량을 조절함으로써, 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 가습량을 조절할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 가습기(100)에 밸브 어셈블리(50)를 일체화 함으로써, 가습 성능은 그대로 유지하면서 연료전지 시스템(1)의 레이아웃 상 불필요한 공간을 최소화 할 수 있고, 이로 인해 전체 연료전지 시스템(1)의 레이아웃을 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 차량의 시동 시, 정지 시 또는 아이들 시의 조건에서 연료전지 스택(2)의 배출공기를 배기 계통(9)으로 바이패스시킬 수 있기 때문에, 가습막 모듈(30)로 유입되는 응축수를 최소화할 수 있다. 이에 본 발명의 실시 예에서는 가습막 모듈(30)에 고인 응축수에 의한 연료전지 스택(2)의 셀 빠짐 현상을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 밸브 바디 및 밸브 하우징의 변형 예들을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 밸브 바디 및 밸브 하우징의 변형 예를 도시한 도면이다.

우선, 도 10을 참조하면, 제1 변형 예로서, 밸브 바디(61)의 연결 통로(63) 및 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)는 그 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 길이 방향을 따라 크기가 상이한 홀들로 형성될 수 있다.

예를 들면, 상기 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)는 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서 배출공기 유출부(77) 측으로 갈수록 그 크기가 점차 작아지는 홀들로 형성된다.

즉, 상기 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서의 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)는 배출공기 유출부(77) 측에서의 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73) 보다 더 큰 크기의 홀들로 형성된다.

이에, 상기 제1 변형 예에서는 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 상대적으로 많은 양의 배출공기를 토출함에 따라, 가습막 모듈(30)에서 중공사막(33)들을 통해 유동하는 공급공기와, 쉘 사이드(34)를 통해 유동하는 배출공기를 크로스 유동시킬 수 있다.

다시 말해, 상기 제1 변형 예에서는 공급공기를 중공사막(33)들을 통해 제1 캡부(11) 측에서 제2 캡부(12) 측으로 유동시키며, 배출공기를 쉘 사이드(34)를 통해 제2 캡부(12) 측에서 제1 캡부(11) 측으로 크로스 유동시킬 수 있다.

따라서, 상기 제1 변형 예에서는 가습막 모듈(30)에서 공급공기와 배출공기를 크로스 유동시킴으로써, 배출공기의 균등한 분배를 도모할 수 있고, 공급공기와 배출공기의 수분 교환 성능을 극대화시키며, 가습기(100)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 11을 참조하면, 제2 변형 예로서, 밸브 바디(61)의 연결 통로(63) 및 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)는, 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서, 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 일정 구간에만 동일한 크기의 홀들로 형성될 수 있다.

이에, 상기 제2 변형 예에서는 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 배출공기를 토출함에 따라, 가습막 모듈(30)의 중공사막(33)들을 통해 유동하는 공급공기와, 쉘 사이드(34)를 통해 유동하는 배출공기를 크로스 유동시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 제2 변형 예에서의 작용 효과는 전기 제1 변형 예에서와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 12를 참조하면, 제3 변형 예로서, 밸브 바디(61)의 연결 통로(63) 및 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)는, 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 및 배출공기 유출부(77) 측에서, 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 일정 구간에 상호 비 대칭적으로 배치되는 동일한 크기의 홀들로 형성될 수 있다.

이에, 상기 제3 변형 예에서는 밸브 바디(61)의 회전에 의해 밸브 하우징(71)의 배출공기 유입부(75) 측에서만 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 배출공기를 토출할 수 있다. 그리고, 상기 제3 변형 예에서는 밸브 바디(61)의 회전에 의해 밸브 하우징(71)의 배출공기 유출부(77) 측에서만 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 배출공기를 토출할 수 있다.

따라서, 상기 제3 변형 예에서는 위에서 언급한 바와 같은 제1 조건에서 밸브 바디(61)의 회전에 의해 배출공기 유출부(77) 측에서만 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 배출공기를 토출함에 따라, 공급공기와 배출공기의 유동 방향을 동일하게 유도하여 공급공기의 가습량을 최소화할 수 있다.

그리고, 상기 제3 변형 예에서는 위에서 언급한 바와 같은 제2 조건에서 밸브 바디(61)의 회전에 의해 배출공기 유입부(75) 측에서만 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 통해 배출공기를 토출함에 따라, 전기 제1,2 변형 예서와 같은 작용에 의해 공급공기의 가습량을 극대화할 수 있다.

도 13을 참조하면, 제4 변형 예로서, 밸브 바디(61)의 연결 통로(63)는 단일의 홀 형태로서 그 밸브 바디(61)의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성될 수 있다. 그리고, 밸브 하우징(71)의 밸브 통로(73)는 연결 통로(63)에 대응하는 단일의 홀 형태로서 그 밸브 하우징(71)의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성될 수 있다.

예를 들면, 상기한 연결 통로(63)와 밸브 통로(73)는 도면에서와 같이, 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 길이 방향을 따라 직사각형의 슬롯(장공) 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 상기 연결 통로(63)와 밸브 통로(73)는 직사각형 외에 다양한 형상의 슬롯(장공) 형태로 형성될 수도 있다.

따라서, 상기 제4 변형 예에서는 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 단일의 홀 형태로 형성함에 따라, 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 생산성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 밸브 바디(61) 및 밸브 하우징(71)의 변형 예들에 의하면, 상기 연결 통로(63) 및 밸브 통로(73)를 다양한 홀 패턴으로 구현함으로써, 전체 가습기의 가습 성능을 더욱 향상시킬 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.

1: 연료전지 시스템 2: 연료전지 스택
2a: 공기극 2b: 연료극
2c: 연료전지 3: 공기 공급유닛
4: 수소 공급유닛 6: 수소 재순환유닛
7: 열/물 관리유닛 9: 배기 계통
10: 하우징 본체 11: 제1 캡부
12: 제2 캡부 13: 공급공기 유입구
14: 가습공기 배출구 15: 미드 하우징
17: 가이드 홈 30: 가습막 모듈
31: 케이스 33: 중공사막
34: 쉘 사이드 35: 윈도우
37: 메쉬 망 38: 포팅층
39: 가이드 돌기 50: 밸브 어셈블리
51: 밸브 구동부 53: 모터
55: 구동 축 61: 밸브 바디
63: 연결 통로 65: 슬롯부
71: 밸브 하우징 73: 밸브 통로
75: 배출공기 유입부 77: 배출공기 유출부
79: 쉘아웃 홀

Claims (20)

1. 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 가습기로서,
   하우징 본체;
   상기 하우징 본체의 내부에 구비되는 적어도 하나의 가습막 모듈; 및
   상기 하우징 본체의 내부에 설치되며, 상기 가습막 모듈로 유입되는 공급공기의 설정된 공급량을 기준으로, 상기 가습막 모듈로 유입되는 배출공기의 공급량을 조절하는 밸브 어셈블리;를 포함하고,
   상기 밸브 어셈블리는, 밸브 통로가 길이 방향을 따라 서로 이격되게 형성된 원통 형상의 밸브 하우징과, 상기 밸브 통로와 연결되는 연결 통로를 가지며 상기 밸브 하우징의 내부에 회전 가능하게 구비되는 원통 형상의 밸브 바디를 포함하는 연료전지용 가습기.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 밸브 어셈블리는,
   상기 밸브 바디의 회전을 통해 상기 밸브 통로와 연결 통로의 개도를 증감시키며 상기 배출공기의 공급량을 조절하는 연료전지용 가습기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 밸브 바디의 회전을 통해 상기 밸브 통로를 닫으며 상기 배출공기를 상기 하우징 본체의 외부로 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
5. 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 가습기로서,
   공급공기 유입구를 갖는 제1 캡부, 가습공기 배출구를 갖는 제2 캡부, 및 상기 제1,2 캡부 사이에 구비되는 미드 하우징을 포함하는 하우징 본체;
   상기 미드 하우징의 내부에 설치되며, 다수 개의 윈도우들을 길이 방향을 따라 형성하고 있는 케이스의 내부에 상기 제1 및 제2 캡부를 연결하는 다수의 중공사막들이 내장된 적어도 하나의 가습막 모듈;
   상기 제2 캡부의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 양단이 폐쇄된 원통 형태로 상기 미드 하우징의 내부에 배치되며, 상기 윈도우들에 대응하는 연결 통로를 외주 측에 형성하고 있는 밸브 바디; 및
   상기 밸브 바디의 연결 통로와 선택적으로 연결되는 밸브 통로가 외주 측에 길이 방향을 따라 서로 이격되게 형성되고, 상기 밸브 바디의 내부와 연결되는 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부를 형성하며, 상기 밸브 바디의 외주에 축 방향으로 결합되고, 상기 미드 하우징에 고정되는 원통 형상의 밸브 하우징;
   을 포함하는 연료전지용 가습기.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 가습막 모듈은 포팅층을 통해 상기 미드 하우징의 양측에 고정되는 연료전지용 가습기.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 제2 캡부의 내측 면에는 상기 밸브 바디를 회전시키기 위한 밸브 구동부가 설치되며,
   상기 밸브 바디는 상기 밸브 구동부에 한쪽이 연결되고, 다른 한쪽이 상기 미드 하우징의 내부에서 폐쇄된 원통 형상으로 구비되는 연료전지용 가습기.
8. 제5 항에 있어서,
   상기 배출공기 유출부에는,
   상기 미드 하우징의 내부와 연결되는 적어도 하나의 쉘아웃 홀이 형성되는 연료전지용 가습기.
9. 제5 항에 있어서,
   상기 가습막 모듈은,
   원통 형상의 상기 케이스 내부에서 상기 중공사막의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)를 형성하는 연료전지용 가습기.
10. 제5 항에 있어서,
    상기 가습막 모듈은,
    복수 개로서 상기 밸브 하우징을 중심에 두고 방사 상으로 배치되는 연료전지용 가습기.
11. 제5 항에 있어서,
    상기 가습막 모듈은,
    상기 케이스의 외주 면에 길이 방향을 따라 형성된 적어도 하나의 가이드 돌기를 통하여 상기 미드 하우징의 내측 면에 슬라이딩 결합되는 연료전지용 가습기.
12. 제5 항에 있어서,
    상기 밸브 바디는,
    밸브 구동부에 의해 설정된 회전 각도 범위로 회전 가능하게 구비되되,
    상기 회전 각도 범위에서 상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부와 항시 연결되게 형성된 슬롯부를 포함하는 연료전지용 가습기.
13. 제5 항에 있어서,
    상기 밸브 하우징은,
    상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부를 통해 상기 미드 하우징에 고정되는 연료전지용 가습기.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 배출공기 유입부는 상기 제2 캡부 측에 위치하며 상기 미드 하우징에 고정되고,
    상기 배출공기 유출부는 상기 제1 캡부 측에 위치하며 상기 미드 하우징에 고정되는 연료전지용 가습기.
15. 제5 항에 있어서,
    상기 연결 통로는 홀 형태로서 상기 밸브 바디의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열로 형성되며,
    상기 밸브 통로는 상기 연결 통로에 대응하는 홀 형태로서 상기 밸브 하우징의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 복수의 열로 형성되는 연료전지용 가습기.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 연결 통로 및 밸브 통로는,
    상기 배출공기 유입부 측에서 배출공기 유출부 측으로 갈수록 크기가 점차 작아지는 홀 형태로 형성되는 연료전지용 가습기.
17. 제15 항에 있어서,
    상기 연결 통로 및 밸브 통로는,
    상기 배출공기 유입부 측에서 상기 밸브 바디 및 밸브 하우징의 일정 구간에만 형성되는 연료전지용 가습기.
18. 제15 항에 있어서,
    상기 연결 통로 및 밸브 통로는,
    상기 배출공기 유입부 및 배출공기 유출부 측에서 상기 밸브 바디 및 밸브 하우징의 일정 구간에 비 대칭적으로 형성되는 연료전지용 가습기.
19. 제5 항에 있어서,
    상기 연결 통로는 단일의 홀 형태로서 상기 밸브 바디의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성되며,
    상기 밸브 통로는 상기 연결 통로에 대응하는 단일의 홀 형태로서 상기 밸브 하우징의 길이 방향을 따라 복수의 열로 형성되는 연료전지용 가습기.
20. 제5 항에 있어서,
    상기 다수의 중공사막들은,
    메쉬 망에 의해 다발 형태로 패키징 되며, 상기 케이스의 내부에 삽입되는 연료전지용 가습기.

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