KR20130009031A - 연료전지용 가습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건조공기가 유입되는 제1유입구와, 수분이 가습된 가습공기가 배출되는 제1유출구를 구비하며, 습윱공기가 유입되는 적어도 하나의 제2유입구와 수분이 제거된 건조공기가 배출되는 적어도 하나의 제2유출구를 구비하는 하우징; 상기 제2유입구를 통해 습윱공기에 포함된 수분을 흡수하고, 상기 제1유입구를 통해 유입되는 건조공기에 수분을 가습시키도록 상기 하우징 내부에 복수개의 중공사막을 배치한 중공사막 모듈; 및 상기 건조공기가 공급되는 하우징의 입구에서 물을 분사하도록 구비되는 노즐부;를 포함하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.

Description

연료전지용 가습장치 {A Humidifier for Fuel Cell}

본 발명은 수분을 직접 분사하도록 노즐을 일체로 구비하는 연료전지용 가습장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징의 내부로 유입되는 건조공기에 수분을 직접분사하여 가습효율을 높이고, 건조공기가 유입되는 유체흐름을 가습기의 중앙부분으로 확산하고, 가습효율 및 성능향상 대비 중공사막의 설치갯수를 줄일 수 있는 연료전지용 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 차량은 산소와 수소의 반응에 의해 발생한 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 내부의 연료전지에 의해 발생한 구동력으로 작동한다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시한 바와 같이, 작동을 위해서 반드시 수분을 필요로 하며 이를 위해 공급되어지는 공기를 가습시키는 가습기를 필요로 하며, 이때의 가습기로는 연료전지로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분을 공급되어지는 건조 기체와 수분 교환하는 방식으로 작동하는 가습기가 사용된다.

이와 같은 연료전지에 사용되는 가습기로서는 전력소비량이 적고, 설치 공간이 작은 컴팩트한 가습장치가 요구되며, 이러한 요구에 따라 가습기로서는 초음파 가습, 스팀 가습, 기화식 가습 등의 종류가 있지만 연료전지에 사용되는 가습기로서는 중공사막을 이용하는 막가습기를 채용한다.

이는 다른 형태의 가습기에 비하여 상대적으로 부피가 작으며, 패키지 측면 뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있기 때문이다.

도 2는 일반적인 막 가습기를 도시한 단면도이다.

상기 가습기(100)는 하우징(101)을 가지고 있으며, 이러한 하우징에는 건조 공기를 도입하는 제1유입구(102) 및 건조공기를 배출하는 제1의유출구(103)가 형성되어 있고, 상기 하우징(101)의 내부에 중공사막모듈(107)이 배치되어 있고, 상기 중공사막 모듈(107)의 내부에는 다수의 중공사막(106)이 수납되어 있다.

이러한 중공사막을 갖는 막가습기(100)에 있어서 제2유입구(104)로부터 습윤 공기를 공급하고 각 중공사막 외부를 통과시키면 습윤 공기 중의 수분은 중공사막 의 모세관 작용에 의해 분리되고, 분리된 수분은 중공사막의 모세관내를 투과하고 응축되어 중공사막(106)의 내측으로 이동한다.

그리고, 수분을 분리시킨 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부로 이동하여 제2유출구(105)를 통해 배출된다.

한편, 제1유입구(102)로부터는 건조공기가 공급되는데 제1유입구(102)로부터 공급되는 건조공기는 중공사막의 내측을 통하여 이동하는데, 이때 습윤공기로부터 분리시킨 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이동하여 이 수분에 의해 건조공기가 가습되고, 가습된 제1의 유출구(103를 통해 배출된다

그러나, 종래의 막 가습기(100)의 경우, 습윤공기가 제2유입구9104)를 통하여 하우징(101)내로 공급되어 중공사막(106)에 수분을 공급하고, 제2유출구(105)를 통해 배출된다.

그러나, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 중공사막 모듈(107)은 복수개의 중공사막(106)이 밀집되고 컴팩트한 형태로 이루어져 있기 때문에 제 2의 유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하는데 어려움이 있었다.

그리고, 습윤 공기가 확산하는 속도도 대단히 느리기 때문에 더욱 더 큰 어려움이 있으며, 이 때문에 하우징(101)에 수납되는 중공사막 모듈(107)에 있어서, 중공사막 모듈의 외측을 통과하는 습윤공기는 하우징(101)내에서 도 2에 도시한 화살표 방향으로 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하지 못하고 주로 가장자리로 흐르게 된다.

또한, 상기 하우징9101)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 가습 효율에 있어서 큰 영향을 미친다. 이에 따라 중공사막 모듈(107)에서 모듈 내부는 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이로 인하여 막 가습기의 전체적인 효율을 저하시키는 요인으로 작용하였다.

또한, 종래의 막가습기9100)는 제1유입구9102)를 통해 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙부분(도 2에서 사각박스)으로 주로 흐르기 때문에 더욱더 전체적인 가습기의 가습효율을 저하시키게 된다.

이는 도 3의 시뮬레이션 실험 결과로 나타나며, 도 3에서 보면 건조공기 대부분 중공사막 모듈(107)의 중앙부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.

즉, 상기 제1유입구(102)를 통해 유입되는 건조공기는 중공사막 모듈(107)의 중앙부분으로 주로 흐르는 반면에 상기 제2유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤공기는 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분으로 흘러 배출되기 때문에 가습기의 가습효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하우징의 내부로 유입되는 건조공기에 수분을 직접분사하여 가습효율을 높이고, 건조공기가 유입되는 유체흐름을 가습기의 중앙부분으로 확산하고, 가습효율 및 성능향상 대비 중공사막의 설치갯수를 줄일 수 있는 연료전지용 가습장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 건조공기가 유입되는 제1유입구와, 수분이 가습된 가습공기가 배출되는 제1유출구를 구비하며, 습윱공기가 유입되는 적어도 하나의 제2유입구와 수분이 제거된 건조공기가 배출되는 적어도 하나의 제2유출구를 구비하는 하우징 ; 상기 제2유입구를 통해 습윱공기에 포함된 수분을 흡수하고, 상기 제1유입구를 통해 유입되는 건조공기에 수분을 가습시키도록 상기 하우징 내부에 복수개의 중공사막을 배치한 중공사막 모듈 ; 상기 건조공기가 공급되는 하우징의 입구에서 물을 분사하도록 구비되는 노즐부를 포함하는 연료전지용 가습장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 노즐부는 상기 입구에 삽입배치되는 원통관과, 상기 원통관에 형성된 물공급관을 통해 공급되는 물을 상기 중공사막 모듈의 전단에서 분사하도록 상기 하우징의 내부에 배치되는 적어도 하나의 분사노즐을 포함한다.

더욱 바람직하게, 상기 원통관은 상기 입구에 삽입되는 내부관, 상기 물공급관과 연결되는 물주입구를 형성하는 중간관 및 상기 중간관으로부터 방사방향으로 확장된 외경을 갖는 외부관을 포함한다.

더욱 바람직하게, 상기 분사노즐은 상기 원통관의 선단으로부터 일정길이 연장되는 연장관으로부터 건조공기의 유입방향으로 절곡되어 건조공기를 확산시키는 확산관에 구비된다.

더욱 바람직하게, 상기 분사노즐은 상기 원통관을 통해 유입되는 건조공기의 공급방향과 대향하도록 구비된다.

더욱 바람직하게, 상기 분사노즐은 상기 중공사막 모듈의 중앙부와 서로 대응되도록 구비된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 건조공기가 유입되는 하우징의 입구에 중공사막모듈의 전단에서 물을 직접분사하여 수분을 건조공기에 수분을 제공함으로써, 건조공기와 분사되는 물과의 혼합에 의해서 1차로 가습하고, 1차로 가습된 건조공기가 중공사막모듈의 전단에서 분사노즐과 부딪히면서 중공사막모듈의 방사방향으로 확산되어 2차로 가습할 수 있기 때문에 종래대비 가습성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 하우징의 제1유입구를 통해 중공사막모듈의 전단으로 유입되는 건조공기를 중공사막모듈의 중앙부에 집중되지 않도록 외측으로 확산시킴으로써 건조공기의 공급흐름의 불균형을 해소하여 중공사막 모듈의 전체면적에서 균일한 가습성능을 유지할 수 있다.

그리고, 하우징의 입구에 구비되는 노즐부에 의해서 중공사막모듈에서의 가습효율 및 성능이 향상됨으로써 중공사막의 설치 갯수를 줄일 수 있기 때문에 중공사막의 사용량을 줄여 가습장치의 제조원가를 절감할 수 있고, 전체부피를 줄여 소형화 설계가 가능해져 소형화 패키지의 측면에서 유리해지는 효과가 얻어진다.

도 1은 일반적인 연료전지에 구비되는 가습장치를 통한 공기공급을 도시한 개략도이다.
도 2는 일반적인 연료전지용 가습장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 일반적인 연료전지용 가습장치에서 발생하는 건조공기의 가습불량을 설명하기 위한 시뮬레이션 실험결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가습장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가습장치에 채용되는 노즐부를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가습장치에 노즐부를 장착하는 상태도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가습장치에 장착된 노즐부의 사용상태도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가습장치(100a)는 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 하우징(101)의 내부로 유입되는 건조공기에 수분을 인위적으로 공급하여 가습시킬 수 있도록 건조공기의 공급경로상에 노즐부(200)를 일체로 구비하는 것이다.

이러한 가습장치(100a)는 하우징(101) 및 중공사막 모듈(107)을 포함하는바, 상기 하우징(101)은 개구된 입구(102a)를 통하여 건조공기가 유입되는 제1유입구(102)와, 상기 중공사막 모듈(107)을 통과하면서 수분이 가습되어 첨가된 가습공기가 배출되는 제1유출구(103)를 내부공간에 각각 구비한다.

그리고, 상기 하우징(101)의 몸체 외부면에는 연료전치로부터 배출되는 습윱공기가 유입되는 적어도 하나의 제2유입구(104)와, 상기 중공사막모듈(107)을 통과하면서 수분이 제거된 건조공기가 배출되는 적어도 하나의 제2유출구(105)를 각각 를 구비한다.

상기 중공사막 모듈(107)은 상기 제2유입구(105)를 통해 공급되는 습윱공기에 포함된 수분을 흡수하는 반면에 상기 제1유입구(102)를 통해 유입되는 건조공기에 수분을 가습시키도록 상기 하우징(101)의 내부공간 중앙영역에 상기 입구(102a)를 통하여 공급되는 건조공기의 공급흐름과 나란하도록 복수개의 중공사막(106)을 집적하여 배치한다.

한편, 상기 노즐부(200)는 도 4에 도시한 바와 같이, 공기필터(202)를 거쳐 공기 블러워(201)에 의해서 건조공기가 공급되는 하우징(101)의 입구(102a)로부터 물을 분사하여 공급하도록 구비될수 있다.

이러한 노즐부(200)는 도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 하우징(101)의 입구(102a)에 삽입배치되는 원통관(210)과, 상기 원통관(210)에 형성된 물공급관(220)을 통해 공급되는 물을 상기 중공사막 모듈(107)의 전단에서 분사하도록 상기 하우징(101)의 내부에 배치되는 분사노즐(230)을 포함할 수 있다.

이에 따라, 상기 물공급관을 통하여 공급되어 분사노즐(230)을 통하여 분사되는 물을 중공사막 모듈(107)의 전단에서 분사하여 분사된 미세화된 물방울이 유입되는 건조공기와 혼합되면서 건조공기를 습윤공기로 전환되도록 1차로 가습되는것이다.

이와 동시에 1차로 가습된 건조공기가 상기 분사노즐(230)을 갖는 물공급관(220)과 자연스럽게 부딪히면서 상기 중공사막 모듈의 전단에서 확산되면서 이에 구비되는 복수개의 중공사막 전체면적으로 고르게 통과시킴으로써 상기 중공사막 모듈(107)의 중앙부와 더불어 외측부에 흡수된 수분과 교차되면서 2차 가습되는 것이다.

상기 원통관(201)은 상기 하우징(101)의 입구(102a)에 삽입되어 고정되는 내부관(212), 상기 물공급관(220)과 연결되는 물주입구(215)를 형성하여 하우징의 외부에 노출되는 중간관(214) 및 상기 중간관(214)으로부터 방사방향으로 확장된 외경을 갖는 외부관(216)으로 이루어질 수 있다.

이에 따라, 상기 외부관(216)을 통해 유입되는 건조공기는 상기 내부관(212)을 통해 하우징의 내부로 유입되고, 상기 물주입구(215)를 통해 공급되는 물은 물공급관(220)을 통해 분사노즐(230)에서 분사되는 것이다.

이러한 분사노즐(230)은 상기 원통관(210)을 이루어는 내부관(212)의 선단으로부터 일정길이 대략 수평하게 연장되는 연장관(222)으로부터 건조공기의 유입방향으로 대략 직각으로 절곡되어 건조공기와 부딪히면서 확산시키는 확산관(224)에 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.

이때, 상기 분사노즐(230)은 상기 원통관(210)을 통해 유입되는 건조공기의 공급방향과 대향하도록 구비됨으로써 상기 원통관(210)을 통해 공급되는 건조공기측으로 물을 분사하여 건조공기와 물간의 혼합효율을 높여 1차 가습성능을 증대시킬 수 있다.

이와 더불어, 상기 원통관(210)을 통과하는 건조공기가 확산관(224)에 간섭되어 부딪히면서 상기 중공사막모듈(107)의 전단에서 확산되어 건조공기가 중공사막모듈의 중앙부를 통하여 집중적으로 통과하지 않고, 중앙부보다 상대적으로 수분함유량이 높은 외측부측으로도 공기흐름을 유도하여 2차 가습성능을 증대시킬 수 있고, 이로 인하여 상기 하우징을 통과하는 건조공기의 가습효율을 종래대비 가일층 향상시킬 수 있는 것이다.

또한, 상기 중공사막 모듈(107)에 복수개 집적되는 중공사막(106)의 설치갯수를 줄여 종래대비 제조원가를 절감함은 물론 하우징의 부피를 줄여 경량화를 도모할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

101 : 하우징 102 : 제1유입구
103 : 제1유출구 104 : 제2유입구
105 : 제2유출구 106 : 중공사막
107 : 중공사막 모듈 200 : 노즐부
210 : 원통관 212 : 내부관
214 : 중간관 215 : 물주입구
216 : 외부관 220 : 물공급관
222 : 연장관 224 : 확산관
230 : 분사노즐 102a : 입구

Claims (6)

1. 건조공기가 유입되는 제1유입구와, 수분이 가습된 가습공기가 배출되는 제1유출구를 구비하며, 습윱공기가 유입되는 적어도 하나의 제2유입구와 수분이 제거된 건조공기가 배출되는 적어도 하나의 제2유출구를 구비하는 하우징;
   상기 제2유입구를 통해 습윱공기에 포함된 수분을 흡수하고, 상기 제1유입구를 통해 유입되는 건조공기에 수분을 가습시키도록 상기 하우징 내부에 복수개의 중공사막을 배치한 중공사막 모듈; 및
   상기 건조공기가 공급되는 하우징의 입구에서 물을 분사하도록 구비되는 노즐부;를 포함하는 연료전지용 가습장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐부는 상기 입구에 삽입배치되는 원통관과, 상기 원통관에 형성된 물공급관을 통해 공급되는 물을 상기 중공사막 모듈의 전단에서 분사하도록 상기 하우징의 내부에 배치되는 적어도 하나의 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 원통관은 상기 입구에 삽입되는 내부관과, 상기 물공급관과 연결되는 물주입구를 형성하는 중간관 및 상기 중간관으로부터 방사방향으로 확장된 외경을 갖는 외부관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 분사노즐은 상기 원통관의 선단으로부터 일정길이 연장되는 연장관으로부터 건조공기의 유입방향으로 절곡되어 건조공기를 확산시키는 확산관에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
5. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 분사노즐은 상기 원통관을 통해 유입되는 건조공기의 공급방향과 대향하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.
6. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 분사노즐은 상기 중공사막 모듈의 중앙부와 서로 대응되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습장치.

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