KR20200021314A - 연료전지용 가습기 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는, 연료전지 스택으로 유입될 유입가스가 내부에서 유통되게 마련되는 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발과, 상기 중공사막 다발을 수용하고, 상기 연료전지 스택에서 배출되고 상기 유입가스에 비해 다습한 배출가스가 내부에서 유통되게 마련되는 하우징과, 상기 하우징 내에서의 상기 중공사막 다발의 이동을 제한하기 위해 상기 하우징의 내부에 구비되는 가이드부재를 포함한다.
상기 가이드부재는 상기 배출가스를 냉각시켜 상기 배출가스의 응축을 촉진시키기 위해, 냉각수가 내부에서 유통되게 마련된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지용 가습기는 냉각수에 의해 배출가스의 응축이 촉진되며 가습 성능이 향상될 수 있다.
상기 가이드부재는 상기 배출가스를 냉각시켜 상기 배출가스의 응축을 촉진시키기 위해, 냉각수가 내부에서 유통되게 마련된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지용 가습기는 냉각수에 의해 배출가스의 응축이 촉진되며 가습 성능이 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 보다 자세히는 냉각을 위한 냉각수유로를 포함하는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다.
이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
고분자 전해질형 연료전지는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 고분자 전해질 막에 일정량의 수분을 공급하여 적정 함수율을 유지해야만 발전효율이 유지될 수 있다.
연료전지 시스템은 스택 내부로 유입되는 유입 가스를 가습 하기 위해 가습기를 포함하여 구성되기도 한다.
연료전지용 가습기는 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 이용하여 연료전지 스택으로 유입되는 유입가스를 가습 하도록 구성되기도 한다. 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스는 스택 내부의 전기화학적 반응에 의해 생성되는 수분을 포함하기 때문에, 유입가스보다 다습하다.
다만, 연료전지의 동작 중에는 내부의 온도가 상승하게 되고, 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스도 고온 다습한 상태로 배출되게 된다.
따라서, 배출가스를 이용하여 유입가스를 가습 하는 연료전지용 가습기의 성능을 향상시키기 위해서는 가습기 내부의 온도, 즉 배출가스의 온도를 효과적으로 낮추는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 가습기 내부로 유입되는 배출가스를 냉각시켜 배출가스의 응축을 촉진시킴으로써 가습 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 연료전지시스템을 제공하는 것에 주목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 연료전지 스택으로 유입될 유입가스가 내부에서 유통되게 마련되는 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발과; 상기 중공사막 다발을 수용하고, 상기 연료전지 스택에서 배출되고 상기 유입가스에 비해 다습한 배출가스가 내부에서 유통되게 마련되는 하우징과; 상기 하우징 내에서의 상기 중공사막 다발의 이동을 제한하기 위해 상기 하우징의 내부에 구비되는 가이드부재를 포함한다.
이 때, 상기 가이드부재는 상기 배출가스를 냉각시켜 상기 배출가스의 응축을 촉진시키기 위해, 냉각수가 내부에서 유통되게 마련된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지용 가습기는 가이드 부재에 의해 하우징 내에서의 중공사막 다발의 이동이 제한되므로, 중공사막 다발이 하우징의 어느 일측으로 치우침에 따라 가습기의 성능이 저하되는 것이 방지될 수 있다. 내부에 가습할 대상인 유입가스가 유통되는 중공사막 다발이 하우징의 어느 일측으로 치우칠 경우, 중공사막 다발의 특정 부분은 다습한 배출가스와 접촉이 많이 되나, 다른 부분은 배출가스와 접촉이 잘 일어나지 않을 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 연료전지용 가습기는 가이드부재의 내부에 냉각수가 유통되게 마련됨으로써, 냉각수에 의해 배출가스를 냉각시켜 배출가스의 응축을 촉진시킬 수 있고, 이에 따라 가습기 내부에 응축수의 생성량이 증가하며, 응축수가 중공사막 다발을 통해 유입가스로 전달되어 가습 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 가습기의 가이드부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 가습기의 일 측면도이다.
도 4는 도 1의 가습기의 구성 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 가습기의 전면도이다.
도 2는 도 1의 가습기의 가이드부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 가습기의 일 측면도이다.
도 4는 도 1의 가습기의 구성 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 가습기의 전면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 "상(U), 하(D), 전(F), 후(R), 좌(Le), 우(Ri)"는 도면에 표시된 것과 같이 정의된다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 이와 달리 "상(U), 하(D), 전(F), 후(R), 좌(Le), 우(Ri)"가 정의될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 사시도이다.
본 실시예에 따른 연료전지용 가습기(10)는 중공사막 다발(100)과, 하우징(200)과, 가이드부재(300)를 포함한다.
중공사막 다발(100)은 연료전지 스택(미도시)으로 유입될 유입가스가 내부에서 유통되게 마련되는 복수의 중공사막을 포함한다. 복수의 중공사막 각각은 양단이 하우징(200)의 외부와 연통할 수 있다.
중공사막 다발(100)은 복수 개가 서로 소정 거릴 이격되어 구비되어, 각각의 중공사막 다발(100)이 배출가스와 접촉면을 넓게 가지며 유입가스의 가습 성능이 향상될 수 있다.
중공사막 다발(100)은 전후 방향으로 연장될 수 있다. 중공사막 다발(100)은 전후 양단이 포팅층들(400a, 400b)에 의해 하우징(200)에 고정될 수 있다.
하우징(200)은 중공사막 다발들(100)과 가이드부재(300)가 수용되는 내부 공간을 형성할 수 있다.
하우징(200)은 연료전지 스택(미도시)에서 배출되고 유입가스에 비해 다습한 배출가스가 내부에서 유통되게 마련될 수 있다. 이를 통해, 배출가스 중의 수분이 중공사막 다발(100)의 표면에 응축되어, 중공사막의 내부로 스며듦으로써, 유입가스가 가습될 수 있다.
하우징(200)은 전후 방향으로 연장되고, 전방 및 후방으로 개구되는 원통형 형상으로 구비되어, 원통형의 내부 공간을 마련할 수 있다.
하우징(200)은 하우징(200)의 내부로 유입되는 배출가스를 안내하는 배출가스 유입구(211)와, 하우징(200)의 외부로 토출되는 배출가스를 안내하는 배출가스 토출구(213)를 구비할 수 있다.
배출가스 유입구(211)는 하우징(200)의 측면에 형성되고, 하우징(200)의 측면에서 하우징(200)의 외측으로 연장되는 형상으로 구비될 수 있다.
배출가스 토출구(213)는 하우징(200)의 측면에 형성되고, 하우징(200)의 측면에서 하우징(200)의 외측으로 연장되는 형상으로 구비될 수 있다.
가이드부재(300)는 하우징(200) 내에서의 중공사막 다발(100)의 이동을 제한하기 위해 하우징(200)의 내부에 구비될 수 있다.
가이드부재(300)는 배출가스를 냉각시켜 배출가스의 응축을 촉진시키기 위해, 냉각수가 내부에서 유통되게 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 가이드부재(300)는 가이드부재(300)의 표면에 응축된 응축수가 중공사막 다발(100)로 유입되도록 촉진할 수 있다.
종래의 연료전지용 가습기는 배출가스가 응축되어 생성되는 응축수가 충분히 냉각되지 않거나 가습기 내의 온도가 높아, 중공사막의 표면에 응축수가 잘 맺히지 않고, 이에 따라 가습기의 성능 향상이 어려운 문제점이 존재하였다. 또한, 종래의 연료전지용 가습기는 배출가스가 응축된 응축수가 가습기 하우징의 벽면 또는 하단에 형성되어, 실제적으로 중공사막 내부에서 유통되는 유입가스의 가습에 이용되지 못하는 문제점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 가습기 내로 유통되는 다습한 배기가스의 응축을 촉진시켜 가습성능을 향상시키기 위한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 배기가스를 냉각시켜 배기가스의 응축을 촉진시키기 위해, 가이드부재의 내부에 냉각수가 유통되는 냉각수 유로를 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 2는 도 1의 가습기의 가이드부재를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 가습기의 일 측면도이고, 도 4는 도 1의 가습기의 구성 중 일부를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 1의 가습기를 전면도이다.
도 2를 참조하면, 가이드부재(300)는 하우징(200)의 내부에서, 하우징(200)이 연장되는 방향인 전후 방향으로 연장될 수 있다. 이를 통해, 가이드부재(300)는 하우징(200) 내부의 보다 넓은 영역에 걸쳐 위치하며, 하우징(200) 내부의 온도를 낮출 수 있다. 또한, 배출가스와의 접촉면적을 넓혀 배출가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 이를 통해 응축수의 생성을 촉진시킬 수 있다.
가이드부재(300)는 하우징(200)의 내면을 따라 나선형(spiral shape)으로 마련될 수 있다. 가이드부재(300)는 전후 방향으로 연장되되 전후 방향으로 서로 중첩되는 영역을 가지는 3차원 형상인 나선형으로 구비될 수 있다.
가이드부재(300)는 중공사막 다발(100)을 가로지르는 방향(예를 들면 상하 또는 좌우 방향)으로 연장되고, 내부에 냉각수유로가 마련되는 복수의 가이드판(310)을 포함할 수 있다.
복수의 가이드판(310) 각각은 상하 방향과 좌우 방향으로 연장되는 판상으로 구비될 수 있다. 여기서, 상하 또는 좌우 방향은 도면에 표시되는 것과 같이 정의되는 상하 또는 좌우 방향과 소정 각도를 이루는 방향을 포함한다. 즉, 여기서 복수의 가이드판(310)이 연장되는 상하 또는 좌우 방향은 엄격한 의미의 상하 또는 좌우 방향이 아닌, 넓은 의미에서 상하 또는 좌우 방향으로 연장되는 경향성을 가지는 것도 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
복수의 가이드판(310)은 인접한 가이드판들(310)이 서로 연결되어 스크류 형상을 이루고, 가이드판들(310) 사이로 배출가스 유로가 마련될 수 있다. 이를 통해, 하우징(200) 내에서 배출가스가 하우징(200)의 내면을 따라 나선형으로 유동하도록 가이드부재(300)에 의해 가이드 될 수 있다.
나선형의 가이드부재(300)를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
가이드부재(300)는 가이드부재(300)를 전방에서 후방으로 투사한 영상이 원형이 되도록 구비될 수 있다. 이때, 가이드부재(300)는 투사된 원의 지름이 하우징(200)의 내주면과 일치하거나 그보다 조금 짧도록 구비되어, 가이드부재(300)와 하우징(200)의 결합에 의해 하우징(200)의 내부에 배출가스가 유동하는 배출가스 유로(330)가 마련될 수 있다.
도 3을 참조하면, 가이드부재(300)는 가이드부재(300)를 상하 방향 또는 좌우 방향으로 투사한 영상이 사인 곡선을 이루는 형상일 수 있다. 즉, 가이드부재(300)는 복수의 가이드판(310)들이 일정 간격을 두고 반복되는 형상일 수 있다.
이때, 각각의 가이드판들(310)은 소정 간격(L1)으로 이격될 수 있다.
여기에서 가이드부재(300)는 복수의 가이드판(310)을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고 실제로 가이드부재(300)는 복수의 가이드판(310)들이 서로 연결된 하나의 스크류 형상으로 구비될 수 있다. 따라서, 각각의 가이드판들(310) 사이의 경계는 임의로 정해질 수 있다.
도 3을 참조하여 예를 들면, 복수의 가이드판들(310)의 경계는 서로 인접한 최상단과 최상단 사이를 각각 하나의 가이드판(310)으로 구분할 수 있다(도 3의 310a). 이 경우, 가이드부재(300)는 동일한 형상의 가이드판들(310)이 반복되는 형상일 수 있다.
또는, 복수의 가이드판들(310)의 경계는 최상단에서 최하단 사이를 각각 하나의 가이드판(310)으로 구분할 수 있다(도 3의 310b). 이 경우, 가이드부재(300)는 측면에서 보았을 때 서로 대칭되는 형상의 두 개의 가이드판(310)이 교대로 반복되는 형상일 수 있다. 또는, 이 경우 가이드부재(300)는 정면에서 보았을 때, 동일한 형상의 가이드판(310)이 180도씩 회전되어 서로 연결되는 형상일 수 있다.
복수의 가이드판들(310)의 중앙에는 중공사막 다발(100)이 관통되는 가이드홀(311)이 형성될 수 있다.
복수의 가이드판들(310)은 중공사막 다발(100)이 한번에 관통하도록 복수의 가이드판들(310) 상의 가이드홀(311)이 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
복수의 중공사막 다발(100)의 수에 대응되는 수의 가이드홀(311)이 각각의 가이드판들(310)에 형성될 수 있다.
즉, 가이드부재(300)를 전방에서 후방으로 투영하였을 때의 영상과 하나의 가이드판(310)을 전방에서 후방으로 투영하였을 때의 영상이 서로 동일하도록, 복수의 가이드홀들(311)이 복수의 가이드판들(310) 상에 형성될 수 있다.
이를 통해, 중공사막 다발들(100)이 하우징(200)의 내부에서 이동하는 것이 가이드부재(300)에 의해 제한될 수 있다. 가습기가 작동 시 하우징(200) 내부의 가스의 유동이나, 배출가스의 수분이 중공사막에 함습됨에 따라 중공사막 다발들(100)이 원래의 위치에서 이동될 수 있는데, 가이드부재(300)는 중공사막 다발들(100)이 하우징(200) 내부에서 이동하는 것을 제한함으로써 가습기의 가습 효과를 향상시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 습공기는 하우징(200)의 내부에서 가이드부재(300)에 의해 유동이 가이드 되며, 하우징(200)의 내부면을 따라 나선을 이루며 유동될 수 있다. 즉, 가이드판들(310)의 사이가 습공기의 유로를 형성하여, 습공기가 나선 모양으로 유동하도록 가이드 할 수 있다.
이를 통해, 습공기와 중공사막 다발(100)의 접촉면적을 넓힐 수 있고, 습공기가 하우징(200) 내부의 보다 넓은 영역에서 중공사막 다발(100)과 수분을 교환할 수 있다.
복수의 가이드판들(310)은 내부에 냉각수가 유통되는 냉각수유로가 마련될 수 있다.
복수의 가이드판(310)은 중앙에 중공사막 다발(100)이 관통되도록 형성되는 가이드홀(311)을 포함할 수 있다.
가이드홀(311)은 복수 개의 중공사막 다발(100; 100a, 100b, 100c, 100d)의 수에 대응되는 수로 형성될 수 있다.
가이드부재(300)는 냉각수가 내부로 유입되는 통로인 냉각수 유입구(321)와, 냉각수가 외부로 토출되는 통로인 냉각수 토출구(323)를 포함할 수 있다.
냉각수 유입구(321)는 복수의 가이드판들(310) 중에 가장 뒤쪽의 가이드판(310)에 연결될 수 있다.
냉각수 토출구(323)는 복수의 가이드판들(310) 중에 가장 앞쪽의 가이드판(310)에 연결될 수 있다.
가이드부재(300)는 내부에 중공의 공간을 가지도록 형성되어, 냉각수가 유통되는 냉각수유로를 마련할 수 있다.
냉각수유로는 일단이 냉각수 유입구(321)와 연통되어 내부로 냉각수가 유입되고, 타단이 냉각수 토출구(323)와 연통되어 냉각수가 토출될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 냉각수유로는 가이드판들(310)의 내부에 가이드판들(310)의 전 영역에 걸쳐 생성될 필요는 없고, 일부 영역에만 형성되어 열전도에 의해 가이드판들(310)을 냉각시키도록 마련될 수 있다.
예를 들면, 복수의 가이드판들(310) 각각은 중심에 가까운 부분이 내부 공간이 형성되어, 냉각수 유로를 마련할 수 있다. 가이드판들(310)의 외곽부는 하우징(200)과 접하여 하우징(200)으로 열을 전달함으로써 냉각될 수 있으나, 가이드판들(310)의 중심부는 이러한 냉각효과를 기대하기 어려우므로, 냉각수에 의해 이를 냉각시킴으로써 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있다.
또 다른 예로, 복수의 가이드판들(310) 각각은 전 영역에 걸쳐 냉각수 유로가 마련될 수 있다. 즉, 냉각수유로는 가이드홀들(311)을 둘러싸면서 가이드판들(310)의 내부에 마련될 수 있다. 이를 통해, 냉각수에 의해 가이드부재(300)가 효과적으로 냉각되고, 하우징(200)의 내부가 효과적으로 냉각되어, 배출가스의 응축이 더욱 촉진될 수 있다. 또한, 응축수의 생성량이 많아져 중공사막으로 응축수가 흡수되어 유입가스가 효과적으로 가습될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 건조공기(예를 들면, 연료전지 스택으로 유입되는 유입가스)는 중공사막의 전단으로 유입되어 중공사막 후단으로 배출될 수 있다.
습공기(예를 들면, 연료전지 스택으로부터 배출된 배출가스)는 배출가스 유입구(211)로 유입되어 배출가스 토출구(213)로 토출될 수 있다.
배출가스 유입구(211)는 유입가스 유입단(즉, 중공사막 다발 전단)보다 유입가스 토출단(즉, 중공사막 다발 후단)에 가깝게 구비되고, 배출가스 토출구(213)는 유입가스 토출단보다 유입가스 유입단에 가깝게 구비될 수 있다. 즉, 배출가스 유입구(211)는 하우징 전단(201)보다 하우징 후단(203)에 가깝게 구비되고, 배출가스 토출구(213)는 하우징 후단(203)보다 하우징 전단(201)에 가깝게 구비될 수 있다.
이를 통해, 하우징(200)의 내부에서 건조공기의 유동 방향(앞에서 뒤 방향)과 습공기의 유동 방향(뒤에서 앞 방향)이 서로 반대가 되도록 함으로써, 습공기와 건조공기 사이의 수분의 교환이 보다 잘 일어날 수 있다.
예를 들면, 하우징 후단(203)으로 유입되는 습공기는 가습된 건조공기와 만나게 되어, 습도 및 온도의 차이에 의해 습공기의 수분이 건조공기로 유입되게 된다. 또한, 습공기는 하우징(200)의 내부로 유동되며 건조공기를 가습한 이후에 하우징 전단(201)에 도달하여 가습 되지 않은 건조공기와 만나게 되는데, 이때 습공기는 수분을 다소 잃었다고 하여도 새로 들어오는 건조공기에 비해서는 습하기 때문에 건조공기로 수분을 전달해줄 수 있다.
따라서, 배출가스 유입구(211)는 가능한 하우징 후단(203)에 가깝게 배치하고, 배출가스 토출구(213)는 가능한 하우징 전단(201)에 가깝게 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 가이드부재(300)로 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(321)는 배출가스 토출구(213)보다 배출가스 유입구(211)에 가깝게 구비될 수 있다. 가이드부재(300)로부터 냉각수가 토출되는 냉각수 토출구(323)는 배출가스 유입구(211)보다 배출가스 토출구(213)에 가깝게 구비될 수 있다. 즉, 냉각수 유입구(321)는 하우징 전단(201)보다 하우징 후단(203)에 가깝게 배치되고, 냉각수 토출구(323)는 하우징 후단(203)보다 하우징 전단(201)에 가깝게 배치될 수 있다.
이를 통해, 하우징(200)의 내부에서 습공기가 뒤에서 앞으로 유동하고, 가이드부재(300)를 통하여 냉각수가 뒤에서 앞으로 유동하며, 냉각수에 의해 습공기가 효과적으로 냉각될 수 있다.
가이드부재(300)는 냉각수에 의해 지속적으로 냉각되며, 하우징(200) 내부의 온도를 낮추는 역할을 한다. 이를 통해, 하우징 내부의 상대습도가 높아져 배출가스의 응축이 잘 일어나도록 할 수 있다.
또한, 가이드부재(300)는 냉각수에 의해 지속적으로 냉각되므로, 가이드부재(300)와 접하게 되는 습공기(또는 배출가스)가 가이드부재(300)에 쉽게 응축되게 된다. 또한, 가이드부재(300)의 인근의 온도를 더욱 낮추어, 가이드부재(300)의 표면에 습공기의 응축이 촉진되게 된다.
한편, 가이드부재(300)의 형상에 의해 하우징(200)의 내부에서 습공기(또는 배출가스)의 유동 또한 하우징(200)의 상부와 하부를 왕복하는 나선형으로 생성되게 된다. 이때, 습공기의 유동에 의해 하우징(200)의 하측에 있는 응축수가 상측으로 밀어 올려지게 된다.
도 4를 참조하여 예를 들면, 배출가스가 가이드부재(300)의 표면에 응축되면, 배출가스의 유동에 의해 가이드부재(300)의 표면의 응축수도 배출가스의 유동 방향으로 일부 끌려가게 되고, 그로 인해 중공사막 다발(100) 쪽으로 응축수의 유입이 촉진될 수 있다.
따라서, 종래에는 가습기의 하부에 치우쳐서 응축수가 모이게 되는 문제가 있었는데, 본 발명에 따른 가습기에서는 가이드부재(300)가 습공기의 유동을 가이드 함에 따라, 습공기의 유동에 의해 응축수가 가습기의 상측 방향으로 끌어올려져 가습에 이용되는 응축수의 양을 최대화할 수 있다.
일 실시예에서, 인접한 가이드판들(310) 사이의 간격(도 3의 L1)에 따라 하우징(200) 내를 유동하는 습공기의 유동 속도가 달라질 수 있다. 이는 베르누이의 원리에 따른 것으로써, 베르누이의 원리는 유량이 일정할 때 유속과 유로의 단면적은 서로 반비례 관계에 있는 것으로 요약될 수 있다.
예를 들면, 인접한 가이드판들(310) 사이의 간격을 좁게 할수록 하우징(200) 내부의 배출가스 유로(330)의 단면적은 작아지게 되고, 따라서 배출가스의 유속은 빨라지게 된다. 위에서 설명한 것과 같이 배출가스의 유동에 의해 응축수를 끌어 올리는 효과를 높이기 위해서는 배출가스의 유속이 빠를수록 좋다.
한편, 도시되지는 않았으나, 가이드부재(300)의 표면은 친수성을 가지도록 처리될 수 있다.
예를 들면, 가이드부재(300)의 표면에는 요철이 형성되어, 배출가스의 응축을 촉진시킬 수 있고, 또한 응축수가 하우징(200)의 바닥으로 떨어지지 않고 가이드부재(300)의 표면에 잔류하도록 유도할 수 있다.
예를 들면, 가이드부재(300)는 표면이 친수성 기능기를 가지도록 전기적 또는 화학적으로 처리될 수 있다. 이를테면, 가이드부재(300)는 산소 기능기를 가지도록 전기적 또는 화학적으로 처리될 수 있다. 여기서 가이드부재(300)의 표면이 친수성을 가진다는 의미는, 가이드부재(300)의 표면이 오일이나 기타 소수성 용매보다 물과 더 큰 상호 인력을 형성하는 성질을 가지는 것으로 정의될 수 있다.
도 5를 참조하면, 중공사막 다발(100)은 4 개의 중공사막 다발(100)이 일정 간격으로 배치될 수 있다. 4 개의 중공사막 다발(100)은 일정한 각도 간격(도 5에서는 90도 각도 간격)으로 포팅층(400a, 400b)에 의해 하우징(200)에 고정될 수 있다.
각각의 중공사막 다발(100)은 수백에서 수천 개의 중공사막이 접착되어 구비될 수 있다.
한편, 가습기의 제조과정에서 복수의 중공사막 다발들(100)은 가이드부재(300)에 의해 일차적으로 위치가 가 고정된 이후에 포팅층(400a, 400b)에 의해 양단이 하우징(200)에 접착되어 고정될 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에 따른 가습기는 중공사막이 복수 개의 다발을 이루며 배치되지 않고, 하우징(200)의 어느 일측으로 치우쳐서 제작되는 문제가 해결될 수 있는 이점도 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 가습기
100(100a, 100b, 100c, 100d) : 중공사막 다발
200 : 하우징
201 : 하우징 전단
203 : 하우징 후단
211 : 배출가스 유입구
213 : 배출가스 토출구
300 : 가이드부재
310 : 가이드판
311 : 가이드홀
321 : 냉각수 유입구
323 : 냉각수 토출구
330 : 배출가스 유로
400a, 400b : 포팅층
W : 응축수
100(100a, 100b, 100c, 100d) : 중공사막 다발
200 : 하우징
201 : 하우징 전단
203 : 하우징 후단
211 : 배출가스 유입구
213 : 배출가스 토출구
300 : 가이드부재
310 : 가이드판
311 : 가이드홀
321 : 냉각수 유입구
323 : 냉각수 토출구
330 : 배출가스 유로
400a, 400b : 포팅층
W : 응축수
Claims (14)
- 연료전지 스택으로 유입될 유입가스가 내부에서 유통되게 마련되는 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발;
상기 중공사막 다발을 수용하고, 상기 연료전지 스택에서 배출되고 상기 유입가스에 비해 다습한 배출가스가 내부에서 유통되게 마련되는 하우징; 및
상기 하우징 내에서의 상기 중공사막 다발의 이동을 제한하기 위해서 상기 하우징의 내부에 구비되는 가이드부재를 포함하고,
상기 가이드부재는,
상기 배출가스를 냉각시켜 상기 배출가스의 응축을 촉진시키기 위해, 냉각수가 내부에서 유통되게 마련되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 1에 있어서,
상기 가이드부재는,
상기 하우징 내에서 상기 배출가스가 적어도 한 번 이상 상기 중공사막 다발을 가로지르며 유동하도록, 상기 배출가스를 가이드 하게 마련되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 1에 있어서,
상기 하우징은, 상기 중공사막 다발이 연장되는 방향으로 연장되고,
상기 가이드부재는, 상기 하우징의 내부에서, 상기 하우징이 연장되는 방향으로 연장되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 3에 있어서,
상기 가이드부재는,
상기 하우징의 내면을 따라 나선형(spiral shape)으로 마련되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 4에 있어서,
상기 가이드부재는,
상기 중공사막 다발을 가로지르는 방향으로 연장되고, 내부에 냉각수유로가 마련되는 복수의 가이드판을 포함하고,
상기 복수의 가이드판은,
상기 하우징 내에서 상기 배출가스가 상기 하우징의 내면을 따라 나선형으로 유동하도록 가이드 하기 위해, 인접한 가이드판들이 서로 연결되어 스크류 형상을 이루고, 가이드판들 사이로 배출가스 유로가 마련되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 5에 있어서,
상기 가이드판의 중앙에는, 상기 중공사막 다발이 관통되는 가이드홀이 형성되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 6에 있어서,
상기 중공사막 다발은, 복수 개의 중공사막 다발을 포함하고,
상기 가이드판에는, 상기 복수 개의 중공사막 다발의 수에 대응되는 수로 가이드홀이 형성되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 5에 있어서,
상기 가이드판은, 친수성을 가지도록 표면이 처리되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 8에 있어서,
상기 가이드판의 표면에는, 요철이 형성되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 3에 있어서,
상기 하우징은,
상기 하우징의 내부로 유입되는 상기 배출가스를 안내하는 배출가스 유입구와, 상기 하우징의 외부로 토출되는 상기 배출가스를 안내하는 배출가스 토출구를 구비하고,
상기 가이드부재는,
냉각수가 내부로 유입되는 통로인 냉각수 유입구와, 냉각수가 외부로 토출되는 통로인 냉각수 토출구를 포함하고,
상기 냉각수 유입구는 상기 배출가스 토출구보다 상기 배출가스 유입구에 가깝게 구비되고, 상기 냉각수 토출구는 상기 배출가스 유입구보다 상기 배출가스 토출구에 가깝게 구비되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 1에 있어서,
상기 하우징은,
상기 하우징의 내부로 유입되는 상기 배출가스를 안내하는 배출가스 유입구와, 상기 하우징의 외부로 토출되는 상기 배출가스를 안내하는 배출가스 토출구를 구비하고,
상기 중공사막 다발은,
상기 복수의 중공사막으로 상기 유입가스가 유입되는 쪽인 유입가스 유입단과, 상기 복수의 중공사막으로부터 상기 유입가스가 토출되는 쪽인 유입가스 토출단을 포함하고,
상기 배출가스 유입구는 상기 유입가스 유입단보다 상기 유입가스 토출단에 가깝게 구비되고, 상기 배출가스 토출구는 상기 유입가스 토출단보다 상기 유입가스 유입단에 가깝게 구비되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 1에 있어서,
상기 중공사막 다발의 양단을 상기 하우징에 고정하기 위한 포팅층들을 더 포함하는, 연료전지용 가습기. - 연료전지 스택으로 유입될 유입가스가 내부에서 유통되게 마련되는 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발;
상기 중공사막 다발을 수용하고, 상기 연료전지 스택에서 배출되고 상기 유입가스에 비해 다습한 배출가스가 내부에서 유통되게 마련되는 하우징; 및
상기 하우징 내에서 상기 중공사막 다발의 위치를 안내하기 위해 상기 하우징의 내부에 구비되는 가이드부재를 포함하고,
상기 가이드부재는, 상기 중공사막 다발을 가로지르는 방향으로 연장되고, 내부에 냉각수유로가 마련되는 복수의 가이드판을 포함하고,
상기 복수의 가이드판은, 인접한 가이드판들이 서로 연결되어 스크류 형상을 이루고, 가이드판들 사이로 배출가스 유로가 마련되고,
상기 배출가스는, 상기 하우징의 내면을 따라 나선형으로 유동하도록 상기 가이드부재에 의해 가이드 되는, 연료전지용 가습기. - 청구항 13에 있어서,
상기 하우징은, 원통형의 내부 공간을 형성하고,
상기 가이드판은,
상기 하우징의 내부 공간에 대응되는 크기로 구비되어, 상기 하우징 내에서 상기 배출가스가 상기 하우징의 내주면을 따라 나선형으로 유동하도록 가이드 하는, 연료전지용 가습기.
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