KR20170059117A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택의 공기 유입구에 연결되는 연결호스부와 상기 연결호스부의 내주면에 결합되고, 상기 연결호스부와 가습기 하우징의 공기 배출구를 연결하는 가습기 포트부 및 상기 가습기 포트부의 상부에 결합되어 외주면과 상기 연결호스부 내주면 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 하는 응축수 포집부를 포함한다.

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 경우, 외기와의 온도 차에 의해 발생된 응축수를 포집할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 스택의 작동을 위해서는 연료전지 스택내의 고분자 전해질 막에 대한 가습이 필요하며, 이에 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 별도의 막 가습기가 사용되고 있다.
이러한 가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기가 적용되고 있으며, 특히 연료전지에 사용되는 막 가습기로서 중공사막을 이용한 것이 적합하게 사용되고 있다.
여기서, 가습기의 경우 일반적으로 연료전지 스택의 하단에 위치하게 되고, 이러한 가습기와 연료전지 스택은 고무호스 등으로 클램핑하여 연결된다.
이때, 가습기에 의해 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급될 때, 외기와의 온도차에 의한 수증기의 응축현상이 발생하게 되는데, 이러한 경우 응축된 물이 고무호스의 벽면을 타고 내려와 하단에 위치한 가습기에 쌓이게 된다.
그에 따라, 응축된 물이 일시적으로 스택에 공급되어질 경우 연료전지 스택 내 채널 유로 막힘을 유발할 수 있고, 또한 겨울철 응축된 물이 얼 경우 부피 팽창으로 인하여 기습기 내부의 가습막에 손상을 줄 수 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2009-0097982호(2009.09.17.)
본 발명의 목적은, 가습기 포트와 연결호스의 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 함으로써, 가습기에서 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 경우 외기와의 온도 차에 의해 발생된 응축수가 응축수 포집 공간에 포집되도록 하는 연료전지용 가습기를 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택의 공기 유입구에 연결되는 연결호스부와 상기 연결호스부의 내주면에 결합되고, 상기 연결호스부와 가습기 하우징의 공기 배출구를 연결하는 가습기 포트부 및 상기 가습기 포트부의 상부에 결합되어 외주면과 상기 연결호스부 내주면 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 하는 응축수 포집부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 응축수 포집부는 상기 가습기 포트부와 동일한 내경을 가지도록 형성되며, 상부와 하부의 직경이 동일한 원통 형상으로 형성된다.
그리고, 상기 응축수 포집부는 상기 응축수 포집 공간의 면적이 하부에서 상부로 갈수록 증가하도록 경사를 가지며 형성된다.
이러한 상기 가습기 포트부에는 걸림부재가 내주면에 구비된다.
또한, 상기 응축수 포집부에는 배출홀이 관통 형성된다.
또한, 상기 응축수 포집 공간에는 상기 연결호스부의 내주면에 열전달 부재가 형성된다.
또한, 상기 연결호스부는 외주면에서 상기 가습기 포트부와 클램핑 체결을 통해 연결된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 가습기 하우징의 공기 배출구에 연결되는 가습기 포트부 및 상기 가습기 포트부의 외주면에 결합되고, 상기 가습기 포트부와 연료전지 스택의 공기 유입구를 연결하며, 내주면과 상기 가습기 포트부의 외주면 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 단부가 절곡되어 형성되는 연결호스부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택의 공기 유입구에 연결되는 연결호스부와 상기 연결호스부의 내주면에 결합되고, 상기 연결호스부와 가습기 하우징의 공기 배출구를 연결하는 가습기 포트부 및 상기 가습기 포트부의 내주면에 결합되며, 상기 가습기 포트부의 내주면을 따라 이동하는 응축수를 증발시키도록 형성되는 열전달 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전달 부재는 상기 연결호스부와 상기 가습기 포트부의 내주면에 각각 결합되거나 또는, 상기 연결호스부와 상기 가습기 포트부에 선택적으로 결합된다.
본 발명은, 가습기 포트와 연결호스의 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 함으로써, 가습기에서 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 경우 외기와의 온도 차에 의해 발생된 응축수가 응축수 포집 공간에 포집되도록 하는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 가습기 내부에서 응축수의 적층을 차단할 수 있기 때문에, 겨울철 적층된 응축수가 얼게 됨에 따라 발생될 수 있는 가습기의 부피 팽창으로 인하여 가습기 내부의 가습막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기와 연료전지 스택의 연결을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기의 연결호스부 및 가습기 포트부의 연결을 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 가습기의 가습기 포트부를 보여주는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집 공간을 보여주는 도면이다.
도 8 은 본 발명의 제6실시예에 따른 연료전지용 가습기의 연결호스부 및 가습기 포트부의 연결을 보여주는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 제7실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 제8실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기와 연료전지 스택의 연결을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기의 연결호스부 및 가습기 포트부의 연결을 보여주는 도면이며, 도 3 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지용 가습기는 연결호스부(100), 가습기 포트부(110) 및 응축수 포집부(120)를 포함한다.
연결호스부(100)는 연료전지 스택(10)의 공기 유입구에 연결되는 것으로, 고무 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 가습기 하우징(20)을 통과하며 가습되어진 공기가 연료전지 스택(10)으로 이동할 수 있도록 통로 역할을 한다.
가습기 포트부(110)는 소정의 길이를 가진 연결호스부(100) 단부의 내주면에 결합되고, 연결호스부(100)와 가습기 하우징(20)의 공기 배출구(20a)를 연결한다.
즉, 가습기 포트부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 연결호스부(100)의 외주면에서 호스 클램프(30)에 의한 클램핑 체결을 통해 연결호스부(100)와 연결되며, 그에 따라 연료전지 스택(10)과 가습기 하우징(20)이 연결되도록 한다.
이러한 가습기 포트부(110)는 연결호스부(100)와 연결된 상태에서 가습기에 의해 가습되어진 공기가 연료전지 스택(10)으로 공급되는 경우, 외기와의 온도차에 의해 수증기의 응축현상이 발생하게 된다.
이러한 경우, 가습기 하우징(20)이 연료전지 스택(10)의 하단에 위치되기 때문에, 응축수가 연결호스부(100)와 가습기 포트부(110) 내부 벽면을 따라 가습기 하우징(20)의 내부로 흐르게 되어 가습기 하우징(20) 바닥에 응축수가 적층된다.
이는, 가습기 하우징(20) 바닥에 적층된 응축수가 공급되는 건조 공기의 공급량 증가에 의해 일시적으로 연료전지 스택(10)에 공급되어질 경우, 연료전지 스택(10) 내 유로 막힘 현상을 유발하는 원인이 될 수 있다.
또한, 상기와 같이 가습기 하우징(20)에 적측된 응축수가 겨울철에 기온이 낮아짐에 따라 얼 경우, 부피 팽창으로 인하여 가습기 하우징(20) 내부의 가습막에 손상을 줄 수도 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 실시예에에 따른 연료전지용 가습기는 응축수 포집부(120)를 포함한다.
응축수 포집부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 가습기 포트부(110) 보다 작은 외경을 가지며, 가습기 포트부(110)의 상부에 결합되어 응축수 포집부(120)의 외주면과 연결호스부(100) 내주면 사이에 응축수 포집 공간(A)이 형성되도록 한다.
이러한 응축수 포집부(120)는 가습기 포트부(110)와 동일한 내경을 가지도록 형성되며, 상부와 하부의 직경이 동일한 원통 형상으로 형성된다.
여기서, 응축수 포집부(120)는 소정의 길이를 가지며 설치되고, 그에 따라 연결호스부(100)의 내부에 위치된 가습기 포트부(120)가 응축수 포집 공간(A)을 형성하며 단차지게 형성되도록 한다.
결과적으로, 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택(10)에서 발생된 응축수가 연결호스부(100)의 벽면을 따라 가습기 포트부(110)로 이동하는 경우, 응축수 포집부(120)에 의해 형성된 응축수 포집 공간(A)에 포집되도록 함으로써, 응축수가 가습기 하우징(20)에 적층되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 4 는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 응축수 포집부(120)는 응축수 포집 공간(A)의 면적이 하부에서 상부로 갈수록 점진적으로 증가하도록 경사를 가지며 형성될 수 있다.
즉, 응축수 포집부(120)는 가습기 포트부(110)의 상부에서 사다리꼴 형상의 단면을 가지며 결합 형성되고, 그에 따라 가습기 연결호스부(100)의 내주면과 응축수 포집부(120)의 외주면 사이의 거리가 하부에서 상부로 갈수록 점진적으로 멀어지게 함으로써, 응축수 포집 공간(A)의 면적이 넓어지게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1실시예의 응축수 포집 공간(A) 보다 더 많은 양의 응축수가 포집될 수 있기 때문에, 더욱더 효과적으로 응축수가 가습기 하우징(20) 내부에 적층되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 5 는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 가습기의 가습기 포트부를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가습기 포트부(110)에는 복수개의 걸림부재(112)가 내주면의 길이방향을 따라 간격을 가지며 결합될 수 있다.
이러한 걸림부재(112)는 가습기 포트부(110)의 내부의 일측 및 타측에서 서로 다른 변위를 가지며 소정의 길이로 형성되며, 인접한 걸림부재(112)와 교차되게 결합되는 것이 바람직하다.
가습기 포트부(110)는 만일 가습기 하우징(10)에 적층된 응축수가 공급되는 건조 공기의 공급량 증가에 의해 일시적으로 연료전지 스택(10)으로 공급될 경우, 복수개의 걸림부재(112)에 의해 걸려지도록 함으로써, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 응축수가 분산되어질 수 있도록 한다.
이하, 도 6 은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집부를 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 응축수 포집부(120)에는 상부 외주면을 따르며 복수개의 배출홀(H)이 관통 형성될 수 있다.
그에 따라, 응축수 포집부(120)는 응축수 포집 공간(A)에 일정 높이 이상으로 응축수가 포집된 경우, 응축수 포집 공간(A)에 응축수가 소량으로 배출되도록 할 수 있다.
즉, 응축수 포집 공간(A)에 응축수가 채워진 상태에서 계속적으로 응축수가 포집되게 되면, 한꺼번에 많은 양의 응축수가 가습기 포트부(110)의 벽면을 따라 가습기 하우징(20)으로 이동하여 적층될 수 있다,
따라서, 본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 간격을 가지는 복수개의 배출홀(H)을 응축수 포집부(120)의 소정의 높이에 설치하여 응축수 포집 공간(A)에 포집된 응축수가 배출홀(H)을 따라 소량으로 배출되게 할 수 있다.
이하, 도 7 은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지용 가습기의 응축수 포집 공간을 보여주는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 응축수 포집 공간(A)에는 연결호스부(100)의 내주면에 열전달 부재(130)가 형성될 수 있다.
여기서, 열전달 부재(130)는 다수의 기공이 포함되며, 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 등의 특성을 가지는 금속인 메탈 폼(metal foam) 또는 메탈 메쉬(metal mesh)로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 열전달 부재(130)는 응축수 포집 공간(A)의 연결호스부(100)의 내주면에 설치되어 응축수 포집 공간(A)에 포집된 응축수를 증발시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 열전달 부재(130)는 응축수 포집 공간(A) 내부의 연결호스부(100) 내주면과 응축수 포집부(120) 외주면에서 각각 결합될 수 있고, 연결호스부(100) 내주면과 응축수 포집부(120) 외주면에 선택적으로 결합될 수도 있다.
이하, 도 8 은 본 발명의 제6실시예에 따른 연료전지용 가습기의 연결호스부 및 가습기 포트부의 연결을 보여주는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 가습기 포트부(200) 및 연결호스부(210)를 포함한다.
가습기 포트부(200)는 가습기 하우징(20)의 공기 배출구(20a)에 연결되는 것으로, 전술된 상세한 설명을 통해 설명되었으므로 본 실시예에서는 그에 따른 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
연결호스부(210)는 가습기 포트부(200)의 외주면에 결합되고, 가습기 포트부(200)와 연료전지 스택(10)의 공기 유입구를 연결한다.
연결호스부(210)는 연결호스부(210) 단부의 내주면과 가습기 포트부(200)의 외주면 사이의 응축수 포집 공간(A)이 형성되도록 단부가 절곡되어 형성된다.
연결호스부(210)는 절곡된 단부가 서로 마주보도록 'ㄱ'자 형상으로 절곡되며, 가습기 포트부(200)와의 결합 위치에 따라 응축수 포집 공간(A)의 면적이 조절될 수 있다.
결과적으로, 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 전술된 바와 같이 별도의 응축수 포집부(120)를 포함하는 것이 아니라, 연결호스부(210)의 단부 형상 변경을 통해 응축수가 포집되는 응축수 포집 공간(A)이 형성되도록 함으로써, 응축수 포집을 위한 구조의 단순화를 이룰 수 있다.
이하, 도 9 는 본 발명의 제7실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 10 은 본 발명의 제7실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 연결호스부(300), 가습기 포트부(310) 및 열전달 부재(320)를 포함한다.
여기서, 연결호스부(300) 및 가습기 포트부(310)는 전술된 연결호스부(100) 및 가습기 포트부(110)와 동일하게 형성되므로, 본 실시예에서는 그에 따른 상세한 설명을 생략하기로 한다.
열전달 부재(320)는 가습기 포트부(310)의 내주면에 결합되며, 가습기 포트부(310)의 내주면을 따라 이동하는 응축수를 증발시키도록 형성된다.
열전달 부재(320)는 다수의 기공이 포함되며, 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 등의 특성을 가지는 금속인 메탈 폼(metal foam) 또는 메탈 메쉬(metal mesh)로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 열전달 부재(320)는 가습기 포트부(310)의 내주면에 결합될 수 있으나, 도 10에 도시된 바와 같이 연결호스부(300)의 내주면에 결합될 수 있다.
하지만, 열전달 부재(320)의 결합 위치는 예시일 뿐, 열전달을 통한 효과적인 응축수의 증발을 위하여 연결호스부(300) 및 가습기 포트부(310)의 내주면 각각에 결합될 수도 있다.
본 발명은, 가습기 포트와 연결호스의 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 함으로써, 가습기에서 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 경우 외기와의 온도 차에 의해 발생된 응축수가 응축수 포집 공간에 포집되도록 하는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 가습기 내부에서 응축수의 적층을 차단할 수 있기 때문에, 겨울철 적층된 응축수가 얼게 됨에 따라 발생될 수 있는 가습기의 부피 팽창으로 인하여 가습기 내부의 가습막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 가습기 하우징
20a : 공기 배출구 30 : 호스 클램프
100 , 210, 300 : 연결호스부 110, 200, 310 : 가습기 포트부
112 : 걸림부재 120 : 응축수 포집부
130, 320 : 열전달 부재 A : 응축수 포집 공간
H : 배출홀

Claims (10)

  1. 연료전지 스택의 공기 유입구에 연결되는 연결호스부;
    상기 연결호스부의 내주면에 결합되고, 상기 연결호스부와 가습기 하우징의 공기 배출구를 연결하는 가습기 포트부; 및
    상기 가습기 포트부의 상부에 결합되어 외주면과 상기 연결호스부 내주면 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 하는 응축수 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 포집부는,
    상기 가습기 포트부와 동일한 내경을 가지도록 형성되며, 상부와 하부의 직경이 동일한 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 포집부는,
    상기 응축수 포집 공간의 면적이 하부에서 상부로 갈수록 증가하도록 경사를 가지며 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가습기 포트부에는,
    걸림부재가 내주면에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 포집부에는,
    배출홀이 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 포집 공간에는,
    상기 연결호스부의 내주면에 열전달 부재가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결호스부는,
    외주면에서 상기 가습기 포트부와 클램핑 체결을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  8. 가습기 하우징의 공기 배출구에 연결되는 가습기 포트부; 및
    상기 가습기 포트부의 외주면에 결합되고, 상기 가습기 포트부와 연료전지 스택의 공기 유입구를 연결하며, 내주면과 상기 가습기 포트부의 외주면 사이에 응축수 포집 공간이 형성되도록 단부가 절곡되어 형성되는 연결호스부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  9. 연료전지 스택의 공기 유입구에 연결되는 연결호스부;
    상기 연결호스부의 내주면에 결합되고, 상기 연결호스부와 가습기 하우징의 공기 배출구를 연결하는 가습기 포트부; 및
    상기 가습기 포트부의 내주면에 결합되며, 상기 가습기 포트부의 내주면을 따라 이동하는 응축수를 증발시키도록 형성되는 열전달 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열전달 부재는,
    상기 연결호스부와 상기 가습기 포트부의 내주면에 각각 결합되거나 또는, 상기 연결호스부와 상기 가습기 포트부에 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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