KR20190061711A - 연료전지용 공기 공급 시스템 및 이의 가습기 - Google Patents

Abstract

연료전지용 공기 공급 시스템이 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템은, 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기를 포함하는 것으로서, ⅰ)가습기의 배출공기 유입 측 및 배기공기 배출 측 중 적어도 어느 한쪽에 일체로 구성되며, 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈과, ⅱ)분리막 모듈과 공기 압축기의 전단 측을 연결하며, 분리막 모듈에서 분리된 산소와 수증기를 공기 압축기의 전단으로 공급하는 재순환 라인을 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 공기 공급 시스템 및 이의 가습기 {AIR SUPPLY SYSTEM FOR FUEL CELL AND HUMIDIFICATION DEVICE OF THE SAME}

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에서 공기를 스택으로 공급하기 위한 연료전지용 공기 공급 시스템 및 이의 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 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 전기 동력 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

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

이와 같은 연료전지 시스템에서 공기 공급 계는 외부공기의 이물질을 걸러주는 필터와, 외부공기의 흡입 소음을 억제하는 소음기와, 외부공기를 흡입 및 압축하여 압축공기를 연료전지의 공기극으로 공급하기 위한 공기 압축기와, 공기 압축기에서 배출되는 공기를 냉각하는 에어쿨러와, 에어쿨러로부터의 공기를 적정 습도를 가지도록 가습하여 연료전지의 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, 연료전지용 공기 공급 계는 공급공기의 가습을 위해 공기극의 배출공기 일부를 공기극으로 재순환하는 방식을 사용하고 있으며, 이러한 방식은 가습기의 사이즈 축소 또는 삭제를 가능케 한다.

하지만, 공기극의 배출공기는 스택 내에서 반응한 산소가 소비되어 나오기 때문에, 공기 내 질소의 비율이 더 높은 상태이다. 이런 공기극의 배출공기를 재순환시킬 경우, 공기극으로 공급되는 공급공기 내 질소의 함량이 높아지기 때문에, 스택의 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 실제적으로는 공기 공급계 내 스택 배출공기의 재순환 시스템을 적용하지 못하고 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 연료전지의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 질소 함량을 줄이면서 산소가 풍부한 공기를 연료전지의 공기극으로 재순환시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기 공급 시스템 및 이의 가습기를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템은, 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기를 포함하는 것으로서, ⅰ)상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 배기공기 배출 측 중 적어도 어느 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈과, ⅱ)상기 분리막 모듈과 상기 공기 압축기의 전단 측을 연결하며, 상기 분리막 모듈에서 분리된 산소와 수증기를 상기 공기 압축기의 전단으로 공급하는 재순환 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 가습기의 배출공기 유입 측에 일체로 구성되며, 상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 가습기의 배기공기 배출 측에 일체로 구성되며, 상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 상기 배기공기 배출 측에 각각 구성되며, 상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 및 상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템은, 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기를 포함하는 것으로서, ⅰ)상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 배기공기 배출 측 중 어느 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈과, ⅱ)상기 공기 압축기의 후단 측과 연결되고, 상기 분리막 모듈의 산소/수증기 배출 측과 연결되며, 상기 공기 압축기의 공급공기 압력으로서 상기 산소/수증기를 분사하며 그 분사 공기를 상기 연료전지로 공급하는 이류체 분사노즐을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템은, 상기 이류체 분사노즐의 분사 공기 배출 측과 상기 연료전지의 가습공기 유입 측을 연결하는 재순환 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템은, 상기 이류체 분사노즐의 분사 공기 배출 측과 상기 공기 압축기의 전단 측을 연결하는 재순환 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 가습기의 배출공기 유입 측에 일체로 구성되며, 상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 가습기의 배기공기 배출 측에 일체로 구성되며, 상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기는, 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 것으로서, ⅰ)가습막을 내부에 수용하며, 상기 배출공기를 상기 가습막으로 유입하는 배출공기 유입부 및 배기공기를 상기 가습막으로부터 배출하는 배기공기 배출부를 가진 가습막 모듈과, ⅱ)상기 배출공기 유입부 측 및 상기 배기공기 배출부 측 중 적어도 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 공기 압축기의 전단 측과 재순환 라인을 통해 연결되며, 상기 분리된 산소와 수증기를 상기 재순환 라인을 통해 상기 공기 압축기의 전단으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 배출공기 유입부 측에 일체로 구성되며, 상기 가습막으로 공급되는 상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 배기공기 배출부 측에 일체로 구성되며, 상기 가습막으로부터 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 배출공기 유입부 및 상기 배기공기 배출부 측에 일체로 각각 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 가습막 모듈은 상기 가습막의 양단을 지지하는 포팅층을 가지며 내부에 상기 가습막을 수용하는 내측 하우징과, 상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 간격을 두고 상기 외주 면에 일체로 연결되며, 상기 배출공기 유입부를 형성하는 제1 외측 하우징과, 상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 간격을 두고 상기 외주 면에 일체로 연결되며, 상기 배기공기 배출부를 형성하는 제2 외측 하우징과, 상기 내측 하우징의 일측 외주 면에 형성되며, 상기 배출공기를 상기 가습막으로 공급하는 배출공기 유입 포트와, 상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면에 형성되며, 상기 배기공기를 배출하는 배기공기 배출 포트를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 상기 제1 외측 하우징 사이의 제1 장착 공간에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 상기 제2 외측 하우징 사이의 제2 장착 공간에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 상기 제1 외측 하우징 사이의 제1 장착 공간에 설치되며, 상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 상기 제2 외측 하우징 사이의 제2 장착 공간에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 일측 단부에 배출공기 유입 단을 형성하고, 다른 일측 단부에 배출공기 배출 단을 형성하며, 상기 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 상기 배출공기 유입 포트를 두고 링 형상으로 구비되는 분리막 케이스와, 상기 분리막 케이스의 내부에 구비되며, 상기 배출공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리하는 분리막 엘리먼트와, 상기 분리막 케이스의 배출공기 배출 단 측에서 분기되며, 상기 산소와 수증기를 배출하는 분기 포트를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 있어서, 상기 분리막 모듈은 일측 단부에 배기공기를 유입 단을 형성하고, 다른 일측 단부에 배기공기 배출 단을 형성하며, 상기 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 상기 배기공기 배출 포트를 두고 링 형상으로 구비되는 분리막 케이스와, 상기 분리막 케이스의 내부에 구비되며, 상기 배기공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리하는 분리막 엘리먼트와, 상기 분리막 케이스의 배기공기 배출 단 측에서 분기되며, 상기 산소와 수증기를 배출하는 분기 포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 질소 함량을 분리막 모듈을 통하여 줄일 수 있고, 산소가 풍부한 공기를 연료전지의 공기극으로 재순환시킬 수 있으므로, 연료전지(스택)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 분리막 모듈을 가습기에 일체로 구성함에 따라, 전체 시스템의 구성을 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 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 적용되는 분리막 모듈의 결합 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 적용되는 분리막 모듈의 결합 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템에 적용되는 이류체 분사노즐을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

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 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예는 연료전지 시스템에 적용되는 것으로서, 연료전지 시스템은 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 일종의 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 예를 들어 상기한 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료전지 차량에 구성될 수 있다.

상기 연료전지 시스템은 연료극, 공기극 및 냉각채널을 포함하는 스택으로서의 연료전지(1)와, 본 발명의 실시 예에 따른 공기 공급 시스템(100)과, 수소 공급 시스템(도면에 도시되지 않은)과, 열/물 관리 장치(도면에 도시되지 않음)을 포함하고 있다.

상기에서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 외부공기의 이물질을 걸러주는 필터(2)와, 외부공기의 흡입 소음을 억제하는 소음기(3)와, 외부공기를 흡입 및 압축하여 압축공기를 연료전지(1)의 공기극으로 공급하기 위한 공기 압축기(4)와, 공기 압축기(4)에서 배출되는 공기를 냉각하는 에어쿨러(5)와, 에어쿨러(5)로부터의 공기를 적정 습도를 가지도록 가습하여 연료전지(1)의 공기극으로 공급하는 본 발명의 실시 예에 따른 가습기(200)를 포함한다.

상기 연료전지용 공기 공급 시스템(100)을 구성하는 필터(2), 소음기(3), 공기 압축기(4), 그리고 에어쿨러(5)는 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 가습기(200)는 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기(수분을 포함)와 공기 압축기(4)로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환으로 가습이 이루어지며, 그 가습된 가습공기를 연료전지(1)의 공기극으로 공급할 수 있는 막 가습기로 구성될 수 있다.

이와 같은 가습기(200)에서 가습에 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(이하에서는 편의 상 "배기공기" 라고 한다)는 수분을 포함한 상태로 외부로 배출되는데, 압력 조절밸브(6)에 의해 설정된 압력으로 조절되며 외부로 배출된다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 질소 함량을 줄이면서 산소가 풍부한 공기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은, 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있는 분리막 모듈(10)과 재순환 라인(30)을 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 분리막 모듈(10)은 연료전지(1)와 가습기(200) 사이에서 가습기(200)의 전단 측에 구성된다. 더 나아가, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)의 배출공기(연료전의 공기극에서 배출되는 배출공기) 유입 측에 일체로 구성된다. 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)로 유입되는 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

상기 분리막 모듈(10)은 기체 분리 막을 포함하는 것으로서, 기체의 상대적인 투과속도를 이용하여 공기 중의 질소와 산소(수증기 포함)를 분리할 수 있다. 상기 분리막 모듈(10)은 압축된 공기가 기체 분리 막 내를 통과할 때, 상대적으로 투과속도가 빠른 산소(수증기 포함)는 기체 분리 막을 통해 투과를 하고, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 투과하지 않는 원리를 이용한다. 이러한 분리막 모듈(10)의 기체 분리 막 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같은 분리막 모듈(10)과 가습기(200)의 일체형 구조는 뒤에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 재순환 라인(30)은 분리막 모듈(10)의 산소/수증기 배출 측과 공기 압축기(4)의 전단 측을 연결한다. 이에 상기 분리막 모듈(10)에서 분리된 산소와 수증기는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급할 수 있다.

여기서, 상기 공기 압축기(4)의 전단은 음압이 형성되는 구간이기 때문에, 재순환 라인(30)은 분리막 모듈(10)에서 분리된 산소와 수증기를 공기 압축기(4)의 전단 측의 음압에 의해 공기 압축기(4)의 전단으로 자연스럽게 공급할 수 있다.

이와 같이 상기 재순환 라인(30)을 통해 공기 압축기(4)의 전단으로 공급된 산소/수증기는 공기 압축기(4)에 의해 압축되며, 가습기(200)를 통해 연료전지(1)의 공기극으로 재순환될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 분리막 모듈(10)이 배출공기 유입 측에 일체로 구성된 가습기(200)의 구조 및 분리막 모듈(10)과 가습기(200)의 결합 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 적용되는 분리막 모듈의 결합 구조를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기(200)는 기본적으로, 가습막 모듈(110) 및 상기에서와 같은 분리막 모듈(10)을 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 가습막 모듈(110)은 당 업계에서 "쉘-인(shell-in)이라고도 하며, 여러 다발의 중공사막인 가습막(111)을 내부에 수용하고 있다.

상기 가습막 모듈(110)은 가습막(111)의 양단을 지지하는 포팅층(113)을 포함하고 있다. 예를 들면 상기 포팅층(113)은 고분자 소재로 이루어지며, 가습막 모듈(110)의 양단에 고정된 상태로 가습막(111)의 양단 부를 지지한다.

여기서, 상기 가습막 모듈(110)은 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기를 가습막(111)으로 유입하는 배출공기 유입부(115)와, 가습막(111)에서 가습에 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(배기공기)를 배기 계통으로 배출하는 배기공기 배출부(117)를 형성하고 있다.

이러한 가습막 모듈(110)은 내측 하우징(131), 제1 외측 하우징(133), 제2 외측 하우징(135), 배출공기 유입 포트(137), 그리고 배기공기 배출 포트(139)를 포함한다.

상기 내측 하우징(131)은 위에서 언급한 바 있는 포팅층(113)을 양측에 형성하며, 내부에 가습막(111)을 수용하는 원통 형상의 하우징으로 구비된다. 상기 제1 외측 하우징(133)은 내측 하우징(131)의 일측 외주 면과 설정된 간격을 두고 그 외주 면에 일체로 연결된다.

상기 제1 외측 하우징(133)은 일측 포팅층(113)과 측벽에 의해 소정의 공간을 형성한다. 즉, 상기 내측 하우징(131)의 일측 외주 면과 제1 외측 하우징(133) 사이에는 제1 장착 공간(141)을 형성하고 있다. 그리고, 상기 제1 외측 하우징(133)에는 위에서 언급한 바 있는 배출공기 유입부(115)를 형성하고 있다.

상기 제2 외측 하우징(135)은 내측 하우징(131)의 다른 일측 외주 면과 간격을 두고 그 외주 면에 일체로 연결된다. 상기 제2 외측 하우징(135)은 다른 일측 포팅층(113)과 측벽에 의해 소정의 공간을 형성한다. 즉, 상기 내측 하우징(131)의 다른 일측 외주 면과 제2 외측 하우징(135) 사이에는 제2 장착 공간(142)을 형성하고 있다. 그리고, 상기 제2 외측 하우징(135)에는 위에서 언급한 바 있는 배기공기 배출부(117)를 형성하고 있다.

상기 배출공기 유입 포트(137)는 내측 하우징(131)의 일측 외주 면에 형성되며, 그 내측 하우징(131)의 내부와 연결된다. 상기 배출공기 유입 포트(137)는 배출공기 유입부(115)를 통해 유입되는 배출공기를 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 공급하는 장공 슬롯으로 형성된다.

그리고, 상기 배기공기 배출 포트(139)는 내측 하우징(131)의 다른 일측 외주 면에 형성되며, 그 내측 하우징(131)의 내부와 연결된다. 상기 배기공기 배출 포트(139)는 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)에서 가습에 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(배기공기)를 배출하며, 그 배기공기를 배기공기 배출부(117)로 유입하는 장공 슬롯으로 형성된다.

한편, 상기와 같은 가습막 모듈(110)의 일측 즉, 다른 일측 포팅층(113) 및 제2 외측 하우징(135) 측에는 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 이라고도 하는 제1 캡부(150)가 결합된다.

상기 제1 캡부(150)는 공기 압축기(4)를 통해 공급되는 공급공기를 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 주입하기 위한 것으로서, 공급공기 주입부(151)를 형성하고 있다.

그리고 상기 가습막 모듈(110)의 다른 일측 즉, 일측 포팅층(113) 및 제1 외측 하우징(133) 측에는 당 업계에서 "캡-아웃(cap-out)" 이라고도 하는 제2 캡부(170)가 결합된다. 상기 제2 캡부(170)는 내측 하우징(131)의 가습막(111)으로부터 유입된 가습공기를 연료전지(1)의 공기극으로 배출하기 위한 것으로서, 가습공기 배출부(171)를 형성하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 분리막 모듈(10)은 위에서 언급한 바와 같이 가습막 모듈(110)의 배출공기 유입부(115) 측에 일체로 구성될 수 있다. 즉, 상기 분리막 모듈(10)은 가습막 모듈(110)에서 제1 외측 하우징(133)의 배출공기 유입부(115) 측에 일체로 구성될 수 있다.

상기 분리막 모듈(10)은 배출공기 유입부(115)를 통해 제1 외측 하우징(133)의 내부로 유입되고, 내측 하우징(131)의 배출공기 유입 포트(137)를 통해 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 유입되는 배출공기 중의 일부를 유동시키며 그 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 기능을 하게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 분리막 모듈(10)은 위에서 언급한 바 있는 내측 하우징(131)과 제1 외측 하우징(133) 사이의 제1 장착 공간(141)에 설치된다. 이러한 분리막 모듈(10)은 분리막 케이스(11), 분리막 엘리먼트(15) 및 분기 포트(17)를 포함하고 있다.

상기 분리막 케이스(11)는 일측 단부에 배출공기 유입 단(12a)을 형성하고, 다른 일측 단부에 배출공기 배출 단(12b)을 형성하며, 그 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 위에서 언급한 바 있는 배출공기 유입 포트(137)를 두고 링 형상으로 구비된다.

상기 분리막 엘리먼트(15)는 기체의 상대적인 투과속도를 이용하여 공기 중의 질소와 산소(수증기 포함)를 분리하는 기체 분리 막으로서, 분리막 케이스(11)의 내부에 구비된다. 상기 분리막 엘리먼트(15)는 분리막 케이스(11)의 배출공기 유입 단(12a)을 통해 유입된 배출공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리할 수 있다.

그리고, 상기 분기 포트(17)는 분리막 케이스(11)의 배출공기 배출 단(12b) 측에서 분기된다. 상기 분기 포트(17)는 분리막 엘리먼트(15)에 의해 분리된 배출공기 중의 산소와 수증기를 외부로 배출할 수 있다.

여기서, 상기 분기 포트(17)는 위에서 언급한 바 있는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단 측과 연결된다. 이에 상기 분기 포트(17)를 통해 배출되는 산소/수증기는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지(1)에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 연료전지(1)의 공기극에서는 수분을 포함하고 있고 있는 배출공기를 배출한다.

본 발명의 실시 예에서는 연료전지(1)의 공기극으로부터 배출되는 배출공기를 가습막 모듈(110)의 배출공기 유입부(115)를 통해 제1 외측 하우징(133)의 내부로 공급한다.

이에 상기 배출공기는 제1 외측 하우징(133)의 내부에서 내측 하우징(131)의 배출공기 유입 포트(137)를 통하여 그 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 일부 유입된다.

이와 동시에, 상기 제1 외측 하우징(133)의 내부에서 배출공기의 나머지는 분리막 모듈(10)로 유입되는데, 분리막 케이스(11)의 배출공기 유입 단(12a)을 통해 분리막 케이스(11)의 내부로 유입된다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 분리막 케이스(11) 내부의 분리막 엘리먼트(15)로 배출공기를 통과시키며, 그 분리막 엘리먼트(15)에 의해 배출공기 중의 산소와 수증기를 분리한다.

여기서, 상기 분리막 모듈(10)은 분리막 케이스(11)의 내부에서 분리막 엘리먼트(15)를 통과할 때, 상대적으로 투과속도가 빠른 산소/수증기는 분리막 엘리먼트(15)를 통해 투과를 하고, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 분리막 엘리먼트(15)를 투과하지 않는 원리로 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리한다.

이렇게 분리막 엘리먼트(15)에 의해 분리된 배출공기 중의 산소와 수증기는 분리막 케이스(11)의 배출공기 배출 단(12b) 측에서 분기 포트(17)를 통해 배출되는데, 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급된다.

이 경우, 상기 공기 압축기(4)의 전단에는 음압이 형성되기 때문에, 분리막 케이스(11)의 내부에서 분리막 엘리먼트(15)에 의해 분리된 배출공기 중의 산소와 수증기는 상기한 음압에 의해 분기 포트(17)를 통해 배출되며, 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 분리막 엘리먼트(15)를 통과한 배출공기의 일부는 분리막 케이스(11)의 배출공기 배출 단(12b)을 통해 배출되면서 내측 하우징(131)의 배출공기 유입 포트(137)를 통하여 그 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 유입된다.

이러는 과정을 거치는 동안, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(4)를 통해 공급되는 공급공기를 제1 캡부(150)의 공급공기 주입부(151)를 통해 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 주입한다.

이에 따라, 상기 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)에서는 배출공기와 공급공기의 가스 투 가스 수분 교환 방식으로 막 가습이 이루어지며, 그 가습공기는 가습막(111)으로부터 제2 캡부(170)로 유입되고, 가습공기 배출부(171)를 통해 배출되며, 연료전지(1)의 공기극으로 공급된다.

그리고, 상기 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)을 거치며 가습에 참여하지 못한 배기공기(수분 포함)는 내측 하우징(131)의 배기공기 배출 포트(139)를 통해 제2 외측 하우징(135)의 내부로 유입되며, 배기공기 배출부(117)를 통해 배기 계통으로 배출된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 과정을 거치며, 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 산소와 수증기를 분리막 모듈(10)로서 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 재순환 라인(30)을 통해 공기 압축기(4)의 전단으로 공급하며, 공기 압축기(4) 및 가습기(200)를 통하여 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기 중의 질소 함량을 줄이고, 산소가 풍부한 공기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있으므로, 연료전지(스택)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 분리막 모듈(10)을 가습기(200)에 일체로 구성함에 따라, 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제1 실시 예의 구성을 기본으로 하면서, 분리막 모듈(10)을 가습기(200)와 압력 조절밸브(6) 사이에서 가습기(200)의 후단 측에 구성할 수 있다.

상기 분리막 모듈(10)은 연료전지(1)의 공기극에서 배출되는 배출공기 즉, 가습기(200)에서 가습에 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(배기공기) 중의 산소와 수증기를 일부 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있다.

이러한 분리막 모듈(10)은 가습기(200)의 배기공기 배출 측에 일체로 구성된다. 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)로부터 배출되는 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기에 적용되는 분리막 모듈의 결합 구조를 도시한 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기(200)는 가습막 모듈(110)의 배기공기 배출부(117) 측에 일체로 분리막 모듈(10)을 일체로 구성할 수 있다. 즉, 상기 분리막 모듈(10)은 가습막 모듈(110)에서 제2 외측 하우징(135)의 배기공기 배출부(117) 측에 일체로 구성될 수 있다.

상기 분리막 모듈(10)은 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)에서 그 내측 하우징(131)의 배기공기 배출 포트(139)를 통하여 제2 외측 하우징(135)의 내부로 유입되는 배기공기 중의 일부를 유동시키며 그 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 기능을 하게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 분리막 모듈(10)은 위에서 언급한 바 있는 내측 하우징(131) 및 제2 외측 하우징(135) 사이의 제2 장착 공간(142)에 설치된다.

여기서, 상기 분리막 모듈(10)의 분리막 케이스(11)는 일측 단부에 배기공기 유입 단(12c)을 형성하고, 다른 일측 단부에 배기공기 배출 단(12d)을 형성하며, 그 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 위에서 언급한 바 있는 내측 하우징(131)의 배기공기 배출 포트(139)를 두고 링 형상으로 구비된다.

상기 분리막 모듈(10)의 분리막 엘리먼트(15)는 분리막 케이스(11)의 배기공기 유입 단(12c)을 통해 유입된 배기공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리할 수 있다.

그리고, 상기 분리막 모듈(10)의 분기 포트(17)는 분리막 케이스(11)의 배기공기 배출 단(12d) 측에서 분기된다. 상기 분기 포트(17)는 분리막 엘리먼트(15)에 의해 분리된 배기공기 중의 산소와 수증기를 외부로 배출할 수 있다.

이 경우, 상기 분기 포트(17)는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단 측과 연결된다. 이에 상기 분기 포트(17)를 통해 배출되는 산소/수증기는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제1 및 제2 실시 예의 구성을 기본으로 하면서, 분리막 모듈(10, 20)을 연료전지(1)와 가습기(200) 사이에서의 가습기(200) 전단 측 및 가습기(200)와 압력 조절밸브(6) 사이에서의 가습기(200) 후단 측에 각각 구성할 수 있다.

하나의 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)의 전단 측에서, 연료전지(1)의 공기극에서 배출되며 가습기(200)로 유입되는 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있다. 이러한 하나의 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)의 배출공기 유입 측에 일체로 구성된다.

그리고, 다른 하나의 상기 분리막 모듈(20)은 가습기(200)의 후단 측에서 가습에 참여하지 못하고 배출되는 배출공기(배기공기) 중의 산소와 수증기를 일부 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 연료전지(1)의 공기극으로 재순환시킬 수 있다. 이러한 다른 하나의 상기 분리막 모듈(20)은 가습기(200)의 배기공기 배출 측에 일체로 구성된다.

도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기(200)는 가습막 모듈(110)의 배출공기 유입부(115) 측에 상기 하나의 분리막 모듈(10)을 일체로 구성하고, 가습막 모듈(110)의 배기공기 배출부(117) 측에 상기 다른 하나의 분리막 모듈(20)을 일체로 구성할 수 있다.

즉, 상기 하나의 분리막 모듈(10)은 가습막 모듈(110)에서 제1 외측 하우징(133)의 배출공기 유입부(115) 측에 일체로 구성될 수 있다. 상기 다른 하나의 분리막 모듈(20)은 가습막 모듈(110)에서 제2 외측 하우징(135)의 배기공기 배출부(117) 측에 일체로 구성될 수 있다.

상기 하나의 분리막 모듈(10)은 배출공기 유입부(115)를 통해 제1 외측 하우징(133)의 내부로 유입되고, 내측 하우징(131)의 배출공기 유입 포트(137)를 통해 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)으로 유입되는 배출공기 중의 일부를 유동시키며 그 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 기능을 하게 된다.

그리고, 상기 다른 하나의 분리막 모듈(20)은 내측 하우징(131) 내부의 가습막(111)에서 그 내측 하우징(131)의 배기공기 배출 포트(139)를 통하여 제2 외측 하우징(135)의 내부로 유입되는 배기공기 중의 일부를 유동시키며 그 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 기능을 하게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 하나의 분리막 모듈(10)은 내측 하우징(131) 및 제1 외측 하우징(133) 사이의 제1 장착 공간(141)에 설치된다. 그리고, 상기 다른 하나의 분리막 모듈(20)은 내측 하우징(131) 및 제2 외측 하우징(135) 사이의 제2 장착 공간(142)에 설치된다.

이와 같이 하나의 분리막 모듈(10)을 가습막 모듈(110)의 배출공기 유입부(115) 측에서 제1 장착 공간(141)에 일체로 구성하고, 다른 하나의 분리막 모듈(20)을 가습막 모듈(110)의 배기공기 배출부(117) 측에서 제2 장착 공간(142)에 일체로 구성하는 설명은 전기 제1 및 제2 실시 예와 같으므로 생략한다.

여기서, 상기 하나의 분리막 모듈(10) 및 다른 하나의 분리막 모듈(20)은 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단 측과 연결된다. 이에 상기 분리막 모듈(10, 20)에서 배출되는 산소/수증기는 재순환 라인(30)을 통하여 공기 압축기(4)의 전단으로 공급된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제1 실시 예에서와 같이 분리막 모듈(10)을 가습기(200)의 배출공기 유입 측에 일체로 구성하고, 분리막 모듈(10)에서 분리된 배출공기 중의 산소와 수증기를 분사하며 연료전지(1)로 재순환시키는 이류체 분사노즐(50)을 포함할 수 있다.

본 실시 예에 의한 상기 분리막 모듈(10)의 구조와, 그 분리막 모듈(10)과 가습기(200)의 결합 구조는 전기 제1 실시 예에서와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 이류체 분사노즐(50)은 공기 압축기(4)의 후단 측과 연결되고, 분리막 모듈(10)의 산소/수증기 배출 측과 연결된다. 상기 이류체 분사노즐(50)은 공기 압축기(4)의 공급공기 압력으로서 산소/수증기를 분사하며 그 분사 공기를 연료전지(1)의 가습공기 유입 측으로 공급할 수 있다.

도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템에 적용되는 이류체 분사노즐을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 이류체 분사노즐(50)은 공기 압축기(4)의 공급공기 압력을 이용하여 분리막 모듈(10)에서 배출되는 산소/수증기를 미세화시키며 분사하고 그 분사 공기를 연료전지(1)로 공급할 수 있다.

이러한 이류체 분사노즐(50)은 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 일측 중심부에 제1 노즐(51)이 형성된 외부 분사체(53)와, 제1 노즐(51)의 중심부에 삽입 배치되는 제2 노즐(55)이 일측 단부에 형성된 내부 분사체(57)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 노즐(51)과 제2 노즐(55)은 동일 수직선 상에 중심이 같은 동심원 배열을 이룬다.

또한, 상기 이류체 분사노즐(50)은 변형 예로서, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 일측 중심부에 제1 노즐(51)이 형성된 외부 분사체(53)와, 제1 노즐(51)의 중심부 안쪽에 이격 배치되는 제2 노즐(55)이 일측 단부에 형성된 내부 분사체(57)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 노즐(51)과 제2 노즐(55)은 동일 수직선 상에서 이격된 배열을 이룬다.

그리고, 상기 공기 압축기(4)의 후단 측과 이류체 분사노즐(50)의 공급공기 입구 측 즉, 이류체 분사노즐(50)의 외부 분사체(53)는 공기 압축기(4)의 후단으로부터 일부 공급공기를 이류체 분사노즐(50)의 입구로 바이패스 하기 위한 바이패스 라인(61)이 연결된다. 여기서, 상기 바이패스 라인(61)에는 공급공기의 공급량을 조절하기 위해 개폐 각의 조절이 가능한 바이패스 밸브(62)가 장착된다.

나아가, 상기 분리막 모듈(10)의 산소/수증기 배출 측과 이류체 분사노즐(50)의 산소/수증기 주입 측 즉, 이류체 분사노즐(50)의 내부 분사체(57)는 연결라인(63)을 통해 연결된다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서 상기 이류체 분사노즐(50)의 분사 공기 배출 측(노즐 단)과 연료전지(1)의 가습공기 유입 측은 재순환 라인(30)을 통해 연결된다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)에 의하면, 가습기(200)는 연료전지(1)의 배출공기와 공기 압축기(4)의 공급공기를 막 가습하며 가습공기를 생성하고, 그 가습공기를 연료전지(1)로 공급한다.

이 과정에 상기 분리막 모듈(10)은 가습기(200)의 전단 측에서 연료전지(1)의 공기극에서 배출되며 가습기(200)로 유입되는 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하고, 그 분리된 산소와 수증기를 연결라인(63)을 통해 이류체 분사노즐(50)의 내부 분사체(57)로 공급한다. 그리고, 상기 공기 압축기(4)의 후단으로부터 공급공기를 바이패스 라인(61)을 통해 이류체 분사노즐(50)의 외부 분사체(53)로 공급공기를 공급한다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 제1 노즐(51)을 통하여 분사되는 공급공기의 분사 압력에 의하여 제2 노즐(55)을 통하여 분사되는 산소/수증기가 잘게 부수어지면서 분무 형태로 분사된다.

이렇게 분사된 분무 공기(분사 공기)는 재순환 라인(30)을 통하여 연료전지(1)의 가습공기 유입 측으로 공급되고, 그 가습공기와 함께 연료전지(1)의 공기극으로 공급된다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 가습기(200)로 유입되는 배출공기 중의 산소와 수증기를 분리막 모듈(10)을 통해 분리하며, 그 분리된 산소와 수증기를 공급공기와 함께 이류체 분사노즐(50)로 공급하고, 이류체 분사노즐(50)을 통해 분사되는 산소가 풍부한 공기를 재순환 라인(30)을 통하여 연료전지(1)의 가습공기 유입 측으로 재순환시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 11은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제4 실시 예에서와 같은 이류체 분사노즐(50)을 포함하며, 분리막 모듈(10)을 가습기(200)의 후단 측에서 그 가습기(200)의 배기공기 배출 측에 일체로 구성할 수 있다.

상기 분리막 모듈(10)의 구조, 그 분리막 모듈(10)과 가습기(200)의 결합 구조는 전기 제2 실시 예와 같고, 이류체 분사노즐(50)의 구성은 제4 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

도 12는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 제6 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제4 실시 예에서와 같은 분리막 모듈(10) 및 이류체 분사노즐(50)을 포함하며, 이류체 분사노즐(50)의 분사 공기 배출 측과 공기 압축기(4)의 전단 측을 연결하는 재순환 라인(30)을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 이류체 분사노즐(50)로부터 분사되는 분사 공기를 재순환 라인(30)을 통해 공기 압축기(4)의 전단으로 공급하며, 궁극적으로는 산소가 풍부한 공기를 연료전지(1)의 가습공기 유입 측으로 재순환시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

도 13은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 제7 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100)은 전기 제6 실시 예에서와 같은 재순환 라인(30) 및 이류체 분사노즐(50)을 포함하며, 분리막 모듈(10)을 가습기(200)의 후단 측에서 그 가습기(200)의 배기공기 배출 측에 일체로 구성할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 시스템(100) 및 이의 가습기(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

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 2: 필터
3: 소음기 4: 공기 압축기
5: 에어쿨러 6: 압력 조절밸브
10: 분리막 모듈 11: 분리막 케이스
12a: 배출공기 유입 단 12b: 배출공기 배출 단
12c: 배기공기 유입 단 12d: 배기공기 배출 단
15: 분리막 엘리먼트 17: 분기 포트
30: 재순환 라인 50: 이류체 분사노즐
51: 제1 노즐 53: 외부 분사체
55: 제2 노즐 57: 내부 분사체
61: 바이패스 라인 62: 바이패스 밸브
63: 연결라인 100: 공기 공급 시스템
110: 가습막 모듈 111: 가습막
113: 포팅층 115: 배출공기 유입부
117: 배기공기 배출부 131: 내측 하우징
133: 제1 외측 하우징 135: 제2 외측 하우징
137: 배출공기 유입 포트 139: 배기공기 배출 포트
141: 제1 장착 공간 142: 제2 장착 공간
150: 제1 캡부 151: 공급공기 주입부
170: 제2 캡부 171: 가습공기 배출부
200: 가습기

Claims (20)

1. 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템으로서,
   상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 배기공기 배출 측 중 적어도 어느 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈; 및
   상기 분리막 모듈과 상기 공기 압축기의 전단 측을 연결하며, 상기 분리막 모듈에서 분리된 산소와 수증기를 상기 공기 압축기의 전단으로 공급하는 재순환 라인;
   을 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   상기 가습기의 배출공기 유입 측에 일체로 구성되며,
   상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   상기 가습기의 배기공기 배출 측에 일체로 구성되며,
   상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 상기 배기공기 배출 측에 각각 구성되며,
   상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 및 상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
5. 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템으로서,
   상기 가습기의 배출공기 유입 측 및 배기공기 배출 측 중 어느 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈; 및
   상기 공기 압축기의 후단 측과 연결되고, 상기 분리막 모듈의 산소/수증기 배출 측과 연결되며, 상기 공기 압축기의 공급공기 압력으로서 상기 산소/수증기를 분사하며 그 분사 공기를 상기 연료전지로 공급하는 이류체 분사노즐;
   을 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 이류체 분사노즐의 분사 공기 배출 측과 상기 연료전지의 가습공기 유입 측을 연결하는 재순환 라인
   을 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 이류체 분사노즐의 분사 공기 배출 측과 상기 공기 압축기의 전단 측을 연결하는 재순환 라인
   을 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   상기 가습기의 배출공기 유입 측에 일체로 구성되며,
   상기 가습기로 공급되는 상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
9. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   상기 가습기의 배기공기 배출 측에 일체로 구성되며,
   상기 가습기에서 배출되는 상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템.
10. 연료전지에서 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 수분 교환이 이루어진 가습공기를 연료전지로 공급하는 가습기로서,
    가습막을 내부에 수용하며, 상기 배출공기를 상기 가습막으로 유입하는 배출공기 유입부 및 배기공기를 상기 가습막으로부터 배출하는 배기공기 배출부를 가진 가습막 모듈; 및
    상기 배출공기 유입부 측 및 상기 배기공기 배출부 측 중 적어도 한쪽에 일체로 구성되며, 상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 분리막 모듈;
    을 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 공기 압축기의 전단 측과 재순환 라인을 통해 연결되며,
    상기 분리된 산소와 수증기를 상기 재순환 라인을 통해 상기 공기 압축기의 전단으로 공급하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 배출공기 유입부 측에 일체로 구성되며,
    상기 배출공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
13. 제10 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 배기공기 배출부 측에 일체로 구성되며,
    상기 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
14. 제10 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 배출공기 유입부 및 상기 배기공기 배출부 측에 일체로 각각 구성되며,
    상기 배출공기 및 배기공기 중의 산소와 수증기 일부를 분리하는 연료전지 공기 공급 시스템의 가습기.
15. 제10 항에 있어서,
    상기 가습막 모듈은,
    상기 가습막의 양단을 지지하는 포팅층을 가지며 내부에 상기 가습막을 수용하는 내측 하우징과,
    상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 간격을 두고 상기 외주 면에 일체로 연결되며, 상기 배출공기 유입부를 형성하는 제1 외측 하우징과,
    상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 간격을 두고 상기 외주 면에 일체로 연결되며, 상기 배기공기 배출부를 형성하는 제2 외측 하우징과,
    상기 내측 하우징의 일측 외주 면에 형성되며, 상기 배출공기를 상기 가습막으로 공급하는 배출공기 유입 포트와,
    상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면에 형성되며, 상기 배기공기를 배출하는 배기공기 배출 포트
    를 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 상기 제1 외측 하우징 사이의 제1 장착 공간에 설치되는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
17. 제15 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 상기 제2 외측 하우징 사이의 제2 장착 공간에 설치되는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
18. 제15 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 내측 하우징의 일측 외주 면과 상기 제1 외측 하우징 사이의 제1 장착 공간에 설치되며,
    상기 내측 하우징의 다른 일측 외주 면과 상기 제2 외측 하우징 사이의 제2 장착 공간에 설치되는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
19. 제16 항 또는 제18 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    일측 단부에 배출공기 유입 단을 형성하고, 다른 일측 단부에 배출공기 배출 단을 형성하며, 상기 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 상기 배출공기 유입 포트를 두고 링 형상으로 구비되는 분리막 케이스와,
    상기 분리막 케이스의 내부에 구비되며, 상기 배출공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리하는 분리막 엘리먼트와,
    상기 분리막 케이스의 배출공기 배출 단 측에서 분기되며, 상기 산소와 수증기를 배출하는 분기 포트
    를 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.
20. 제17 항 또는 제18 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    일측 단부에 배기공기를 유입 단을 형성하고, 다른 일측 단부에 배기공기 배출 단을 형성하며, 상기 일측 단부 및 다른 일측 단부 사이에 상기 배기공기 배출 포트를 두고 링 형상으로 구비되는 분리막 케이스와,
    상기 분리막 케이스의 내부에 구비되며, 상기 배기공기 중의 산소와 수증기를 일부 분리하는 분리막 엘리먼트와,
    상기 분리막 케이스의 배기공기 배출 단 측에서 분기되며, 상기 산소와 수증기를 배출하는 분기 포트
    를 포함하는 연료전지용 공기 공급 시스템의 가습기.

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