KR102633862B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

연료전지용 가습기 Download PDF

Info

Publication number
KR102633862B1
KR102633862B1 KR1020180092207A KR20180092207A KR102633862B1 KR 102633862 B1 KR102633862 B1 KR 102633862B1 KR 1020180092207 A KR1020180092207 A KR 1020180092207A KR 20180092207 A KR20180092207 A KR 20180092207A KR 102633862 B1 KR102633862 B1 KR 102633862B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
bypass
humidifier
valve
air
Prior art date
Application number
KR1020180092207A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200017059A (ko
Inventor
김현유
오새한
이창하
Original Assignee
현대자동차 주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차 주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차 주식회사
Priority to KR1020180092207A priority Critical patent/KR102633862B1/ko
Priority to US16/179,228 priority patent/US10862144B2/en
Priority to CN201811441377.5A priority patent/CN110828859B/zh
Publication of KR20200017059A publication Critical patent/KR20200017059A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102633862B1 publication Critical patent/KR102633862B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/06—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements
    • F16K11/072—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with pivoted closure members
    • F16K11/076—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with pivoted closure members with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K3/00—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing
    • F16K3/22—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution
    • F16K3/24—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members
    • F16K3/26—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

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 가습막 모듈과, ⅲ)하우징 본체의 내부에 설치되어 공급공기 및 배출공기를 선택적으로 바이패스 시키는 바이패스 유닛을 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. 가습기의 가습량에 따라 스택의 성능 및 내구가 결정되기 때문에, 가습량의 조절은 연료전지 시스템에 있어서 매우 중요한 부분이다.
예를 들어, 가습량이 부족할 경우에는 스택이 드라이 되어 스택 성능이 저하될 수 있고, 반대로 가습량이 과다할 경우에는 스택 내에 플러딩(flooding)이 발생하여 스택 내구에 문제를 야기할 수 있다.
종래 기술에서는 가습기의 가습량을 조절하기 위해, 공급공기와 배출공기를 바이패스 시키는 바이패스 유로를 가습기 하우징의 외부에 구성하고, 그 바이패스 유로에 바이패스 밸브를 설치하고 있다.
그런데, 종래 기술에서는 가습기 하우징과 연결되는 서로 다른 루트들의 바이패스 유로 각각에 바이패스 밸브를 별개로 설치함에 따라, 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 그대로 유지하면서 차량의 운전 조건에 따라 간단한 구성으로 배출공기 및 공급공기의 바이패스를 구현할 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 가습막 모듈과, ⅲ)상기 하우징 본체의 내부에 설치되어 상기 공급공기 및 배출공기를 선택적으로 바이패스 시키는 바이패스 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 유닛은 상기 하우징 본체의 내부에 구비되며, 상기 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 형성하는 바이패스 유로부와, 상기 바이패스 유로부에 설치되며, 상기 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 선택적으로 개폐하는 밸브 바디부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치되며, 단일의 바디로서 상기 공급공기 및 배출공기를 상기 바이패스 유동 경로를 통해 삼 방향으로 바이패스 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 유로부는 상기 하우징 본체의 내부에서 외부로 일부 돌출되게 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 상기 하우징 본체의 내부에서 상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 상기 하우징 본체의 외부에서 상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 것으로서, ⅰ)공급공기 유입부를 갖는 제1 캡부, 가습공기 배출부를 갖는 제2 캡부, 및 배출공기 유입부와 배출공기 유출부를 가지며 상기 제1 및 제2 캡부 사이에 구비되는 미드 하우징을 포함하는 하우징 본체와, ⅱ)상기 미드 하우징의 내부에 구비되며, 상기 제1 및 제2 캡부를 연결하는 가습막 모듈과, ⅲ)상기 배출공기 유입부와 상기 제2 캡부를 연결하는 제1 바이패스 유로, 상기 배출공기 유출부와 상기 제1 캡부를 연결하는 제2 바이패스 유로, 및 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하는 밸브 통로를 형성하며, 상기 미드 하우징의 내부에 구비되는 바이패스 유로부와, ⅳ)양단이 폐쇄된 원통 형태로 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 선택적으로 연결하는 밸브 홀들을 가지며, 상기 밸브 통로에 회전 가능하게 설치되는 밸브 바디부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 캡부의 내측에는 상기 밸브 바디부를 설정된 회전 각도 범위로 회전시키기 위한 밸브 구동부가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 상기 밸브 통로를 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 관통하며 상기 밸브 구동부에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 상기 제1 바이패스 유로와 밸브 통로의 연결 부위 측에 형성되며, 상기 제1 바이패스 유로와 선택적으로 연결되는 제1 밸브 홀과, 상기 제2 바이패스 유로와 밸브 통로의 연결 부위 측에 상기 제1 밸브 홀을 기준으로 설정된 각도를 두고 형성되며, 상기 제2 바이패스 유로와 선택적으로 연결되는 한 쌍의 제2 및 제3 밸브 홀을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 및 제3 밸브 홀은 상기 제1 밸브 홀을 기준으로 60도 간격을 두고 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 설정된 기준 위치에서 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 각각 폐쇄할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 설정된 각도로 회전하며, 상기 제1 및 제2 밸브 홀을 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하고, 상기 제1 및 제2 캡부 측을 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 설정된 각도로 회전하며, 상기 제1 및 제3 밸브 홀을 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하고, 상기 배출공기 유입부 측과 배출공기 유출부 측을 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 밸브 바디부는 설정된 각도로 회전하며, 상기 제2 및 제3 밸브 홀을 통해 상기 제2 바이패스 유로의 제1 캡부 측과 배출공기 유출부 측을 연결할 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 가습막 모듈은 상기 미드 하우징의 내부에서 중공사막들의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제1 바이패스 유로의 한쪽 단부는 상기 포팅층에 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제1 바이패스 유로의 다른 한쪽 단부에는 상기 미드 하우징의 외부로 돌출되는 제1 돌출부를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제1 돌출부는 상기 배출공기 유입부 측과 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 바이패스 유로의 한쪽 단부는 상기 포팅층에 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 바이패스 유로의 다른 한쪽 단부에는 상기 미드 하우징의 외부로 돌출되는 제2 돌출부를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 돌출부는 상기 배출공기 유출부 측과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 가습기에 일체로 구성된 바이패스 유닛을 통해 차량의 운전 조건에 따라 간단한 구성으로서 공급공기 및 배출공기의 바이패스를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 가습기에 바이패스 유닛을 일체화 함으로써, 가습기의 가습 성능은 그대로 유지하면서 연료전지 시스템의 레이아웃 상 불필요한 공간을 최소화 할 수 있고, 이로 인해 전체 연료전지 시스템의 레이아웃을 컴팩트 하게 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 밸브 바디부를 도시한 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 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 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 일종의 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템(1)은 예를 들어, 상기한 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 구성될 수 있다.
상기 연료전지 시스템(1)은 연료극, 공기극 및 냉각채널을 포함하는 연료전지 스택(2)과, 연료전지 스택(2)으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급 계통(3)을 기본적으로 포함하고 있다.
상기 연료전지 스택(2)은 연료극으로 수소를 공급받고, 공기극으로 공기를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 공기 공급 계통(3)은 외부공기의 이물질을 걸러주는 필터(4)와, 공기의 흡입 소음을 억제하는 소음기(5)와, 공기를 흡입 및 압축하는 공기 압축기(6)와, 공기 압축기(6)에서 토출되는 공기를 냉각하는 에어쿨러(7)를 포함하고 있다.
이와 같은 공기 공급 계통(3)에서의 필터(4), 소음기(5), 공기 압축기(6), 그리고 에어쿨러(7)는 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 공기 공급 계통(3)은 에어쿨러(7)로부터의 공기를 가습하여 연료전지 스택(2)의 공기극으로 공급하는 가습기(100)를 더 포함하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 가습기(100)는 연료전지 스택(2)의 공기극에서 배출되는 수분을 포함한 배출공기와 공기 압축기(6)로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환으로 그 공급공기의 가습이 이루어지며, 이렇게 가습된 가습공기를 연료전지 스택(2)의 공기극으로 공급할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시 예가 적용되는 상기 연료전지 시스템(1)은 가습기(100)로부터 배출되는 공기를 대기 중으로 방출하기 위한 배기 계통(8)을 더 포함하고 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예가 적용되는 상기 연료전지 시스템(1)은 배기 계통(8)을 통해 대기 중으로 방출되는 공기 유동 유로의 공기 유동 단면적을 가변하며, 연료전지 스택(2)의 압력을 조절하는 압력조절 밸브(9)를 더 포함하고 있다.
한편, 상기에서와 같은 연료전지 시스템(1)을 연료전지 차량에 채용한 경우, 이러한 연료전지 시스템(1)은 차량의 운전 조건에 따라 가습기(100)의 가습량을 조절할 필요가 있다.
예를 들어, 차량의 주행 시는 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 증가하기 때문에, 가습기(100)의 가습량을 증대시킬 필요가 있는 정상 조건이다. 이하에서는 이와 같은 조건을 제1 조건이라고 한다.
그리고, 차량의 시동 시, 정지 시 또는 아이들 시 등은 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 유량이 감소하기 때문에, 가습기(100)의 가습량을 줄여야 하는 조건이다. 이하에서는 이와 같은 조건을 제2 조건이라고 한다.
또한, 배기 계통(8)을 통해 배출되는 공기 중의 수소 농도 규제를 충족시키기 위해서는 공기 압축기(6)에서 토출되는 공기를 배기 계통(8)으로 공급하여 배출공기 중의 수소 농도를 희석시킬 필요가 있다. 더 나아가, 차량이 장 강판을 주행하는 경우는 공기 압축기(6)를 회생 에너지를 소모하기 위한 에너지 소모장치로 활용할 필요가 있다. 이하에서는 이와 같은 수소 농도 저감 조건 및 회생 에너지 소모 조건을 제3 조건이라고 한다.
상기에서와 같은 제1 내지 제3 조건은 공기 압축기(6)에서 소모되는 동력에 의해 결정될 수 있다. 나아가, 상기 제1 내지 제3 조건은 연료전지 시스템(1)의 유량 및 압력의 측정 결과에 의해 결정될 수 있다. 더 나아가, 상기 제1 내지 제3 조건은 연료전지 차량의 운전 조건을 감지하는 각종 센서들의 감지신호에 따라 제어기의 설정된 제어 로직에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 차량의 운전 조건에 따라서 연료전지 시스템(1)의 상기 제1 내지 제3 조건이 명확히 구분되므로, 본 명세서에서 상기한 제1 내지 제3 조건을 어느 특정한 수치 범위로 한정하지 않기로 한다.
다른 한편, 상기에서와 같은 제1 조건에서는 연료전지 스택(2)에서 배출되는배출공기 및 공기 압축기(6)로부터 토출되는 공급공기 전체를 가습기(100)로 공급할 수 있다.
그리고, 상기 제2 조건에서는 공기 압축기(6)로부터 공급되는 공급공기의 일부를 가습기(100)의 가습공기 배출 측으로 바이패스 시키거나 연료전지 스택(2)에서 배출되는 배출공기의 일부를 가습기(100)의 배출공기 배출 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
또한, 상기 제3 조건에서는 공기 압축기(6)로부터 공급되는 공급공기의 일부를 가습기(100)의 배출공기 배출 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 가습기(100)는 가습 성능은 그대로 유지하면서 차량의 운전 조건에 따라 간단한 구성으로 배출공기 및 공급공기의 바이패스를 구현할 수 있는 구조로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 도시한 결합 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 기본적으로, 하우징 본체(10), 가습막 모듈(30) 및 바이패스 유닛(50)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 하우징 본체(10)는 가습기(100)의 전체적인 하우징으로서, 제1 캡부(11), 제2 캡부(12) 및 미드 하우징(mid housing)(15)을 포함한다.
상기 제1 캡부(11)는 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 또는 "튜브-인(tube-in)" 이라고도 하며, 공기 압축기(6)(이하 도 1 참조)를 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 유입부(13)를 형성하고 있다. 여기서, 상기 제1 캡부(11)에는 공급공기를 냉각하기 위한 에어 쿨러(도면에 도시되지 않음)가 설치될 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)의 공기극으로 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 배출부(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.
이러한 미드 하우징(15)은 연료전지 스택(2)(이하 도 1 참조)으로부터 배출되는 배출공기를 내부로 유입하는 배출공기 유입부(21)와, 공급공기의 가습에 참여 또는 참여하지 못한 배출공기를 외부로 배출하는 배출공기 유출부(23)를 형성하고 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 가습막 모듈(30)은 공기 압축기(6)로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입부(13)로 공급되는 공급공기와, 연료전지 스택(2)으로부터 배출되는 배출공기와의 수분 교환으로 가습공기를 생성한다.
상기 가습막 모듈(30)은 공급공기와 배출공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 가습공기를 제2 캡부(12)의 가습공기 배출부(14)를 통해 연료전지 스택(2)의 공기극으로 공급할 수 있다.
상기 가습막 모듈(30)은 하우징 본체(10)에서 미드 하우징(15)의 내부에 설치된다. 상기 가습막 모듈(30)은 다수의 중공사막(33)들을 포함하고 있다. 상기 중공사막(33)들은 공급공기와 배출공기의 막 가습이 실질적으로 이루어지는 것으로서, 미드 하우징(15)의 내부에 다발 형태로 내장되며, 제1 및 제2 캡부(11, 12) 측을 연결한다.
예를 들면, 상기 중공사막(33)들은 메쉬 망(도면에 도시되지 않음)에 의해 다발 형태로 패키징 되며, 미드 하우징(15)의 내부에 삽입될 수 있다. 상기 메쉬 망은 미드 하우징(15)의 내부에서 배출공기의 균일한 분배를 도모하고, 중공사막(33)들의 미드 하우징(15) 삽입 시, 그 중공사막(33)들의 손상을 방지하는 기능을 하게 된다.
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 뒤에서 더욱 설명될 바이패스 유닛(50)을 고정하며, 중공사막(33)들의 양단을 지지한다. 여기서, 상기 중공사막(33)들은 포팅층(38)에 지지된 상태로, 제1 및 제2 캡부(11, 12)의 내부를 상호 연결한다.
그리고, 상기 미드 하우징(15)의 내부에는 중공사막(33)들의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)(34)를 형성한다. 이러한 쉘 사이드(34)는 위에서 언급한 바 있는 배출공기 유입부(21) 및 배출공기 유출부(23)와 연결된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 바이패스 유닛(50)은 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 공급공기 및 배출공기를 바이패스 시키기 위한 것이다. 상기 바이패스 유닛(50)은 하우징 본체(10)의 내부에 설치된다.
여기서, 상기 바이패스 유닛(50)은 공기 압축기(6)로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입부(13)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 공급공기의 일부를 제2 캡부(12)의 가습공기 배출부(14)로 바이패스 시킬 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 유닛(50)은 연료전지 스택(2)으로부터 배출공기 유입부(21)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 배출공기의 일부를 배출공기 유출부(23) 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
또한, 상기 바이패스 유닛(50)은 공기 압축기(6)로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입부(13)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 공급공기의 일부를 배출공기 유출부(23) 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
이러한 바이패스 유닛(50)은 하우징 본체(10)에서 미드 하우징(15)의 내부에 구비되는 바이패스 유로부(51)와, 바이패스 유로부(51)에 설치되는 밸브 바디부(71)를 포함하고 있다.
상기 바이패스 유로부(51)는 위에서 언급하고 있는 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 형성하며, 밸브 바디부(71)는 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 선택적으로 개폐한다.
상기에서 바이패스 유로부(51)는 하우징 본체(10) 내부 즉, 미드 하우징(15)의 내부에서 외부로 일부 돌출되게 설치된다. 상기 밸브 바디부(71)는 단일의 바디로서 공급공기 및 배출공기를 바이패스 유동 경로를 통해 삼 방향으로 바이패스 시킬 수 있도록, 바이패스 유로부(51)에 회전 가능하게 설치된다. 더 나아가, 상기 밸브 바디부(71)는 미드 하우징(15)의 내부에서 바이패스 유로부(51)에 회전 가능하게 설치된다.
이하에서는 상기한 바와 같은 바이패스 유로부(51)의 바이패스 유동 경로 구조, 바이패스 유로부(51)에 대한 밸브 바디부(71)의 결합 구조 및 바이패스 구현 구조를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 바이패스 유로부(51)는 바이패스 유동 경로로서의 제1 바이패스 유로(61) 및 제2 바이패스 유로(62)와, 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 상호 연결하는 밸브 통로(63)를 포함하고 있다.
상기 제1 바이패스 유로(61)는 미드 하우징(15)의 배출공기 유입부(21) 측과 제2 캡부(12)를 연결하는 파이프 형상으로 구비된다. 상기 제1 바이패스 유로(61)의 한쪽 단부는 위에서 언급한 바 있는 포팅층(38)에 고정되며, 제2 캡부(12)의 내부와 연결된다.
상기 제1 바이패스 유로(61)의 다른 한쪽 단부에는 미드 하우징(15)의 외부로 돌출되는 제1 돌출부(65)를 형성한다. 상기 제1 돌출부(65)는 미드 하우징(15)의 배출공기 유입부(21) 측과 연결되는데, 그 배출공기 유입부(21)와 연료전지 스택(2)의 공기 배출 측을 연결하는 연결라인과 별도의 분기라인을 통해 연결될 수 있다.
상기 제2 바이패스 유로(62)는 미드 하우징(15)의 배출공기 유출부(23) 측과 제1 캡부(11)를 연결하는 파이프 형상으로 구비된다. 상기 제2 바이패스 유로(62)의 한쪽 단부는 위에서 언급한 바 있는 포팅층(38)에 고정되며, 제1 캡부(11)의 내부와 연결된다.
상기 제2 바이패스 유로(62)의 다른 한쪽 단부에는 미드 하우징(15)의 외부로 돌출되는 제2 돌출부(67)를 형성한다. 상기 제2 돌출부(67)는 미드 하우징(15)의 배출공기 유출부(23) 측과 연결되는데, 그 배출공기 유출부(23)와 배기 계통(8)을 연결하는 연결라인과 별도의 분기라인을 통해 연결될 수 있다.
상기 밸브 통로(63)는 뒤에서 더욱 설명될 밸브 바디부(71)가 설치되는 것으로, 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 상호 연결한다. 상기 밸브 통로(63)는 파이프 형태로 구비되며, 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)의 중간 부에 연결된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 밸브 바디부(71)는 바이패스 유로부(51)의 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 선택적으로 연결하는 밸브 홀들(81, 82, 83)을 가지며, 양단이 폐쇄된 원통 형태로 구비된다.
상기 밸브 바디부(71)는 밸브 구동부(73)를 통하여 밸브 통로(63)에 회전 가능하게 설치된다. 상기 밸브 구동부(73)는 밸브 바디부(71)를 회전시키기 위한 엑추에이터로서, 예를 들면 회전 속도 및 방향의 서보 제어가 가능한 공지 기술의 서보 모터를 포함할 수 있다.
이러한 상기 밸브 구동부(73)는 차량의 운전 조건(위에서 언급한 바 있는 제1 내지 제3 조건)에 따라 밸브 바디부(71)를 설정된 회전 각도 범위로 회전시킬 수 있다. 여기서, 상기한 밸브 바디부(71)는 밸브 통로(63)를 통해 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 관통하며 밸브 구동부(73)의 구동 축에 연결된다.
한편, 상기 밸브 홀(81, 82, 83)들은 이하에서 도 5에 도시된 바와 같은 제1 밸브 홀(81), 제2 밸브 홀(82) 및 제3 밸브 홀(83)로 명명하기로 한다.
상기 제1 밸브 홀(81)은 제1 바이패스 유로(61)와 밸브 통로(63)의 연결 부위 측에 형성되며, 제1 바이패스 유로(61)와 선택적으로 연결된다. 그리고 상기 제2 및 제3 밸브 홀(82, 83)은 제2 바이패스 유로(62)와 밸브 통로(63)의 연결 부위 측에 형성된다.
상기한 제2 및 제2 밸브 홀(82, 83)은 제1 밸브 홀(81)을 기준으로 설정된 각도를 두고 형성되며, 제2 바이패스 유로(62)와 선택적으로 연결된다. 예를 들면, 상기 제2 및 제3 밸브 홀(82, 83)은 제1 밸브 홀(81)을 기준으로 60도 간격을 두고 형성된다.
여기서, 상기와 같은 밸브 바디부(71)는 설정된 기준 위치(예를 들면, 위에서 언급한 바 있는 제1 조건의 기준 위치)에서 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 각각 폐쇄할 수 있다.
그리고, 상기 밸브 바디부(71)는 기준 위치에서 설정된 각도로 회전하며, 제1 및 제2 밸브 홀(81, 82)을 통해 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 연결하고, 제1 및 제2 캡부(11, 12) 측을 연결할 수 있다.
또한, 상기 밸브 바디부(71)는 기준 위치에서 설정된 각도로 회전하며, 제1 및 제3 밸브 홀(81, 83)을 통해 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 연결하고, 배출공기 유입부(21) 측과 배출공기 유출부(23) 측을 연결할 수 있다.
더 나아가, 상기 밸브 바디부(71)는 기준 위치에서 설정된 각도로 회전하며, 제2 및 제3 밸브 홀(82, 83)을 통해 제2 바이패스 유로(62)의 제1 캡부(11) 측과 배출공기 유출부(23) 측을 연결할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)의 작동 및 작용을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 차량 운전의 제1 조건에서 밸브 바디부(71)를 설정된 기준 위치에 위치시킨 상태에 있다. 이 때, 상기 밸브 바디부(71)의 제1 내지 제3 밸브 홀(81, 82, 83)은 모두 폐쇄될 수 있고, 도면에서와 같이 제1 밸브 홀(81)만 개방될 수도 있다. 이에 상기 밸브 바디부(71)는 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 각각 폐쇄하고 있다.
이러한 경우 공기 압축기(6)로부터 공급되는 공급공기는 공급공기 유입부(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 배출공기는 미드 하우징(15)의 배출공기 유입부(21)를 통해 그 미드 하우징(15)의 내부로 유입된다. 이에 상기 배출공기는 미드 하우징(15) 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 배출부(14)를 통해 배출되며, 연료전지 스택(2)의 공기극으로 공급된다.
상기한 바와 같은 과정에서, 공급공기의 가습에 참여한 배출공기 및 가습에 참여하지 못한 배출공기로서의 배기공기는 미드 하우징(15)의 내부에서 배출공기 유출부(23)를 통해 유출되며, 배기 계통(8)으로 배출된다.
상기와 같은 제1 조건에서 밸브 바디부(71)는 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 각각 폐쇄하고 있기 때문에, 위에서와 같은 공급공기 및 배출공기를 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 통해 바이패스 시키지 못하고 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 차량 운전의 제2 조건에서는 상기한 제1 조건을 기준으로, 밸브 구동부(73)를 통해 밸브 바디부(71)를 설정된 각도(예를 들면, 150도)로 회전시킨다.
그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 밸브 바디부(71)의 제1 및 제2 밸브 홀(81, 82)을 통해 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 상호 연결하며, 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 통해 제1 및 제2 캡부(11, 12) 측을 상호 연결할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(6)로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입부(13)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 공급공기의 일부를 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)의 바이패스 유동 경로를 통해 제2 캡부(12)의 가습공기 배출부(14)로 바이패스 시킬 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 차량 운전의 상기 제2 조건에서는 상기한 제1 조건을 기준으로, 밸브 구동부(73)를 통해 밸브 바디부(71)를 설정된 각도(예를 들면, 30도)로 회전시킨다.
그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 밸브 바디부(71)의 제1 및 제3 밸브 홀(81, 83)을 통해 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 상호 연결하며, 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)를 통해 배출공기 유입부(21) 측과 배출공기 유출부(23) 측을 상호 연결할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(2)으로부터 배출공기 유입부(21)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 배출공기의 일부를 제1 및 제2 바이패스 유로(61, 62)의 바이패스 유동 경로를 통해 배출공기 유출부(23) 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 차량 운전의 제3 조건에서는 상기한 제1 조건을 기준으로, 밸브 구동부(73)를 통해 밸브 바디부(71)를 설정된 각도(예를 들면, 90도)로 회전시킨다.
그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 밸브 바디부(71)의 제2 및 제3 밸브 홀(82, 83)을 통해 제2 바이패스 유로(62)의 제1 캡부(11) 측과 배출공기 유출부(23) 측을 상호 연결할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(6)로부터 제1 캡부(11)의 공급공기 유입부(13)를 통해 미드 하우징(15)의 내부로 공급되는 공급공기의 일부를 제2 바이패스 유로(62)를 통해 배출공기 유출부(23) 측으로 바이패스 시킬 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 바이패스 유닛(50)을 하우징 본체(10)의 내부에 일체로 구성하며, 차량의 운전 조건에 따라 배출공기 및 공급공기의 바이패스를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 차량의 운전 조건에 따라 공급공기 및 배출공기를 선택적으로 바이패스 시키며, 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기의 가습량을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 차량의 운전 조건에 따라 공급공기를 선택적으로 바이패스 시키며, 배기 계통(8)을 통해 배출되는 공기의 수소 농도 저감을 도모할 수 있고, 공기 압축기(6)를 회생 에너지를 소모하기 위한 에너지 소모장치로 활용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 가습기(100)에 바이패스 유닛(50)을 일체화 함으로써, 가습기(100)의 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.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에서 전기 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(200)는 전기 실시 예의 구성을 기본으로 하면서, 하우징 본체(10)의 외부에서 바이패스 유로부(151)에 밸브 바디부(171)가 회전 가능하게 설치되는 바이패스 유닛(150)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 바이패스 유로부(151)는 전기 실시 예에서와 같은 제1 및 제2 바이패스 유로(161, 162)를 포함하고 있다. 그러나, 상기 바이패스 유로부(151)의 밸브 통로(163)는 미드 하우징(15)의 외부에서 제1 및 제2 바이패스 유로(161, 162)의 제1 및 제2 돌출부(65, 67)를 상호 연결한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 밸브 바디부(171)는 전기 실시 예의 구성을 기본으로 구비하면서, 미드 하우징(15)의 외부에서 밸브 통로(163)에 회전 가능하게 설치된다.
여기서, 상기 밸브 바디부(171)를 회전시키기 위한 밸브 구동부(173)는 미드 하우징(15)의 외부에서 그 미드 하우징(15)에 고정되며, 밸브 바디부(171)와 연결되게 설치된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(200)의 나머지 구성 및 작동/작용 효과에 대해서는 전기 실시 예에서와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당 업자는 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
3: 공기 공급 계통 4: 필터
5: 소음기 6: 공기 압축기
7: 에어쿨러 8: 배기 계통
9: 압력조절 밸브 10: 하우징 본체
11: 제1 캡부 12: 제2 캡부
13: 공급공기 유입부 14: 가습공기 배출부
15: 미드 하우징 21: 배출공기 유입부
23: 배출공기 유출부 30: 가습막 모듈
33: 중공사막 34: 쉘 사이드
38: 포팅층 50, 150: 바이패스 유닛
51, 151: 바이패스 유로부 61, 161: 제1 바이패스 유로
62, 162: 제2 바이패스 유로 63, 163: 밸브 통로
65: 제1 돌출부 67: 제2 돌출부
71, 171: 밸브 바디부 73, 173: 밸브 구동부
81: 제1 밸브 홀 82: 제2 밸브 홀
83: 제3 밸브 홀 100, 200: 가습기

Claims (18)

  1. 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 연료전지용 가습기로서,
    하우징 본체;
    상기 하우징 본체의 내부에 구비되는 가습막 모듈; 및
    상기 하우징 본체의 내부에 설치되어 상기 공급공기 및 배출공기를 선택적으로 바이패스 시키는 바이패스 유닛;을 포함하고,
    상기 바이패스 유닛은, 상기 하우징 본체의 내부에 구비되며, 상기 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 형성하는 바이패스 유로부와, 상기 바이패스 유로부에 설치되며, 상기 공급공기 및 배출공기의 바이패스 유동 경로를 선택적으로 개폐하는 밸브 바디부를 포함하며,
    상기 바이패스 유로부는 상기 하우징 본체의 내부에서 외부로 일부 돌출되게 설치되며, 상기 밸브 바디부는 상기 하우징 본체의 내부에서 상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치되는 연료전지용 가습기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치되며, 단일의 바디로서 상기 공급공기 및 배출공기를 상기 바이패스 유동 경로를 통해 삼 방향으로 바이패스 시키는 연료전지용 가습기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    상기 하우징 본체의 외부에서 상기 바이패스 유로부에 회전 가능하게 설치되는 연료전지용 가습기.
  7. 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기와 연료전지에서 배출되는 배출공기의 수분 교환이 이루어지는 연료전지용 가습기로서,
    공급공기 유입부를 갖는 제1 캡부, 가습공기 배출부를 갖는 제2 캡부, 및 배출공기 유입부와 배출공기 유출부를 가지며 상기 제1 및 제2 캡부 사이에 구비되는 미드 하우징을 포함하는 하우징 본체;
    상기 미드 하우징의 내부에 구비되며, 상기 제1 및 제2 캡부를 연결하는 가습막 모듈;
    상기 배출공기 유입부와 상기 제2 캡부를 연결하는 제1 바이패스 유로, 상기 배출공기 유출부와 상기 제1 캡부를 연결하는 제2 바이패스 유로, 및 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하는 밸브 통로를 형성하며, 상기 미드 하우징의 내부에 구비되는 바이패스 유로부; 및
    양단이 폐쇄된 원통 형태로 구비되고, 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 선택적으로 연결하는 밸브 홀들이 양단 사이에 형성되며, 상기 밸브 통로에 회전 가능하게 설치되는 밸브 바디부;
    를 포함하는 연료전지용 가습기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 캡부의 내측에는 상기 밸브 바디부를 설정된 회전 각도 범위로 회전시키기 위한 밸브 구동부가 설치되며,
    상기 밸브 바디부는 상기 밸브 통로를 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 관통하며 상기 밸브 구동부에 연결되는 연료전지용 가습기.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    상기 제1 바이패스 유로와 밸브 통로의 연결 부위 측에 형성되며, 상기 제1 바이패스 유로와 선택적으로 연결되는 제1 밸브 홀과,
    상기 제2 바이패스 유로와 밸브 통로의 연결 부위 측에 상기 제1 밸브 홀을 기준으로 설정된 각도를 두고 형성되며, 상기 제2 바이패스 유로와 선택적으로 연결되는 한 쌍의 제2 및 제3 밸브 홀
    을 포함하는 연료전지용 가습기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 밸브 홀은,
    상기 제1 밸브 홀을 기준으로 60도 간격을 두고 형성되는 연료전지용 가습기.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    설정된 기준 위치에서 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 각각 폐쇄하는 연료전지용 가습기.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    설정된 각도로 회전하며, 상기 제1 및 제2 밸브 홀을 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하고, 상기 제1 및 제2 캡부 측을 연결하는 연료전지용 가습기.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    설정된 각도로 회전하며, 상기 제1 및 제3 밸브 홀을 통해 상기 제1 및 제2 바이패스 유로를 연결하고, 상기 배출공기 유입부 측과 배출공기 유출부 측을 연결하는 연료전지용 가습기.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 밸브 바디부는,
    설정된 각도로 회전하며, 상기 제2 및 제3 밸브 홀을 통해 상기 제2 바이패스 유로의 제1 캡부 측과 배출공기 유출부 측을 연결하는 연료전지용 가습기.
  15. 제7 항에 있어서,
    상기 가습막 모듈은 포팅층을 통해 상기 미드 하우징의 양측에 고정되는 연료전지용 가습기.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 가습막 모듈은,
    상기 미드 하우징의 내부에서 중공사막들의 주위에 배출공기 유동경로로서의 쉘 사이드(shell-side)를 형성하는 연료전지용 가습기.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 유로의 한쪽 단부는 상기 포팅층에 고정되며,
    상기 제1 바이패스 유로의 다른 한쪽 단부에는 상기 미드 하우징의 외부로 돌출되는 제1 돌출부를 형성하고,
    상기 제1 돌출부는 상기 배출공기 유입부 측과 연결되는 연료전지용 가습기.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 바이패스 유로의 한쪽 단부는 상기 포팅층에 고정되며,
    상기 제2 바이패스 유로의 다른 한쪽 단부에는 상기 미드 하우징의 외부로 돌출되는 제2 돌출부를 형성하고,
    상기 제2 돌출부는 상기 배출공기 유출부 측과 연결되는 연료전지용 가습기.
KR1020180092207A 2018-08-08 2018-08-08 연료전지용 가습기 KR102633862B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180092207A KR102633862B1 (ko) 2018-08-08 2018-08-08 연료전지용 가습기
US16/179,228 US10862144B2 (en) 2018-08-08 2018-11-02 Humidification device for fuel cell
CN201811441377.5A CN110828859B (zh) 2018-08-08 2018-11-29 燃料电池的加湿装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180092207A KR102633862B1 (ko) 2018-08-08 2018-08-08 연료전지용 가습기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200017059A KR20200017059A (ko) 2020-02-18
KR102633862B1 true KR102633862B1 (ko) 2024-02-05

Family

ID=69405094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180092207A KR102633862B1 (ko) 2018-08-08 2018-08-08 연료전지용 가습기

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10862144B2 (ko)
KR (1) KR102633862B1 (ko)
CN (1) CN110828859B (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210020311A (ko) * 2019-08-14 2021-02-24 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
DE102020211494A1 (de) * 2020-09-14 2022-03-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
KR20220099275A (ko) * 2021-01-06 2022-07-13 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기
KR20230032783A (ko) * 2021-08-31 2023-03-07 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100323259A1 (en) * 2009-06-19 2010-12-23 Hyundai Motor Company Integrated valve system for fuel cell stack
JP2012216380A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR101592423B1 (ko) * 2014-08-01 2016-02-18 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4643128B2 (ja) * 2003-03-11 2011-03-02 ルノー エス．ア．エス．ソシエテ パ アクション サンプリフェ 燃料電池システム
DE102006041762A1 (de) * 2006-09-04 2008-03-06 Daimler Ag Vorrichtung und Verfahren zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms
KR101209745B1 (ko) * 2010-12-03 2012-12-07 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템
DE102012020130B4 (de) * 2012-10-15 2018-12-06 Mann + Hummel Gmbh Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100323259A1 (en) * 2009-06-19 2010-12-23 Hyundai Motor Company Integrated valve system for fuel cell stack
JP2012216380A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR101592423B1 (ko) * 2014-08-01 2016-02-18 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200017059A (ko) 2020-02-18
US20200052312A1 (en) 2020-02-13
CN110828859B (zh) 2023-07-21
CN110828859A (zh) 2020-02-21
US10862144B2 (en) 2020-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102633862B1 (ko) 연료전지용 가습기
US10862145B2 (en) Humidifying device for fuel cell
JP5364916B2 (ja) 燃料電池用加湿装置
KR101637727B1 (ko) 통합형 밸브를 장착한 연료전지 차량의 공기 공급 시스템
JP2002343389A (ja) 加湿器を迂回して燃料電池スタックへのガスの電子式バイパス制御
CN113270616B (zh) 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法
KR101481244B1 (ko) 연료전지 시스템의 가습장치
KR20200056230A (ko) 연료전지용 가습기
KR20210011204A (ko) 연료전지용 가습기
JP4644136B2 (ja) 加湿装置
KR102474369B1 (ko) 밸브 장치
KR101755516B1 (ko) 연료전지용 가습기
CN218586030U (zh) 一种集成式中冷增湿装置及燃料电池系统
CN218568901U (zh) 一种车辆、燃料电池发动机及其加湿系统
KR101518926B1 (ko) 연료 전지용 가습 장치 및 그의 운전 방법
KR101875657B1 (ko) 공기 차단 밸브
CN113270615A (zh) 空气增湿器和燃料电池汽车
US8021792B2 (en) Fuel cell system having at least one fuel cell
JP4027732B2 (ja) 気体加湿装置
KR20130029301A (ko) 연료전지용 막 가습기
US20130137003A1 (en) Fuel cell system
KR20210128582A (ko) 연료전지용 가습기
KR20200020516A (ko) 연료전지용 가습기
CN218039312U (zh) 燃料电池空气系统
CN216161773U (zh) 集成型增湿器

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant