KR20200101590A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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KR20200101590A
KR20200101590A KR1020190019604A KR20190019604A KR20200101590A KR 20200101590 A KR20200101590 A KR 20200101590A KR 1020190019604 A KR1020190019604 A KR 1020190019604A KR 20190019604 A KR20190019604 A KR 20190019604A KR 20200101590 A KR20200101590 A KR 20200101590A
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김종성
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지용 가습기는, 가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, 막 모듈부의 일측에 결합되며, 가습막으로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, 막 모듈부의, 일측의 반대측인 타측에 결합되며, 가습막으로부터 유입되는 가습된 공급공기를 연료전지 스택의 공기극을 향해 배출하는 제2 캡부와, 막 모듈부에 결합되며, 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 막 모듈부로 주입하는 배출가스 유입부와, 막 모듈에 결합되며, 막 모듈부를 통과한 제습된(dehumidified) 배출가스를 배기 계통으로 배출하는 배출가스 배출부와, 공급공기가 유동되며 제1 캡부와 제2 캡부를 포함하는 제1 영역과, 배출가스가 유동되며 배출가스 유입부 및 배출가스 배출부를 포함하는 제2 영역을 선택적으로 연통시키기 위해 마련되는 밸브를 포함한다.

Description

연료전지용 가습기{HUMIDIFIER FOR A FUEL CELL}
본 발명은 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.
연료전지 시스템의 수소공급장치는 연료전지 스택으로 공급되는 수소가 연료전지 스택으로부터 배출되어 다시 연료전지 스택으로 공급되는 순환형 구조를 가지고 있다. 이 때문에, 연료전지 시스템의 발전 시간이 지남에 따라 연료전지 시스템 내의 수소 농도값이 지속적으로 감소하게 된다. 이러한 수소 농도 저하를 방지하기 위해 설정된 주기에 따라 수소밸브를 개방하여 저농도의 수소를 배출한다.
일반적으로, 수소밸브의 개방에 의해 배출되는 수소는 가습기의 쉘 사이드로 유입되어, 연료전지 스택으로부터 배출된 배출공기와 혼합되어 배기 계통을 통해 외부로 배출된다.
연료전지 차량의 안전성 확보를 위해 배기 계통을 통해 외부로 배출되는 수소의 농도는 일정값(4%) 미만으로 규제되고 있고, 이러한 규제에 대응하기 위해 연료전지 시스템 또는 차량에는 다양한 운전제어조건 및 수소농도 저감장치가 적용되나, 수소의 농도가 높은 연료전지 스택의 저출력 시에는 수소농도를 저감하는데 한계가 있었다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택이 저출력 시에도 가습기에서 배출되는 배출가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키기 위함에 주 목적이 있다.
또한, 별도의 구동력을 제공하지 않고도 소정의 조건시 수소 농도의 저감을 위한 동작이 수행될 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부; 상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 가습막으로 공급공기를 공급하는 제1 캡부; 상기 막 모듈부의, 상기 일측의 반대측인 타측에 결합되며, 상기 가습막으로부터 유입되는 가습된 공급공기를 연료전지 스택의 공기극을 향해 배출하는 제2 캡부; 상기 막 모듈부에 결합되며, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 막 모듈부로 주입하는 배출가스 유입부; 상기 막 모듈에 결합되며, 상기 막 모듈부를 통과한 제습된(dehumidified) 배출가스를 배기 계통으로 배출하는 배출가스 배출부; 및 상기 공급공기가 유동되며 상기 제1 캡부와 상기 제2 캡부를 포함하는 제1 영역과, 상기 배출가스가 유동되며 상기 배출가스 유입부 및 상기 배출가스 배출부를 포함하는 제2 영역을 선택적으로 연통시키기 위해 마련되는 밸브를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 상기 제1 캡부와 상기 제2 캡부를 포함하는 제1 영역과, 상기 배출가스가 유동되며 상기 배출가스 유입부 및 상기 배출가스 배출부를 포함하는 제2 영역을 선택적으로 연통시키기 위해 마련되는 밸브를 포함함으로써, 제1 영역에서 제2 영역으로 공급공기가 공급될 때 차량의 외부로 배출되는 배출가스 중에 수소의 농도가 저감될 수 있다.
또한, 가습기의 내부의 제1 영역과 제2 영역의 압력 변화에 따라 상기 밸브가 개방되거나 폐쇄되도록 구성됨으로써, 별도의 동력원 없이 위와 같은 효과를 얻을 수 있는 이점도 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 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 연료전지용 가습기의 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 일부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 연료전지용 가습기의 제1 및 제2 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
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.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료 전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출가스와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공급공기를 연료전지 스택으로 공급할 수 있다. 배출가스는 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기와 배출수소 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 이와 같은 연료전지용 가습기는 기본적으로 막 모듈부(10), 제1 캡부(20), 제2 캡부(30), 배출가스 유입부(40), 및 배출가스 배출부(50)를 포함한다.
상기 막 모듈부(10)는 당 업계에서 "쉘-인(shell-in)이라고도 하며, 여러 다발의 중공사막인 가습막(11)이 내부에 밀집된 것으로, 예를 들면 원통 형상의 하우징 내부에 가습막(11)이 내장될 수 있다.
막 모듈부(10)는 가습막(11)의 양단을 지지하는 지지부재(당 업계에서는 "포팅부" 라고도 한다)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 지지부재는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징의 양단에 고정된 상태로 가습막(11)의 양단부를 지지할 수 있다.
상기 제1 캡부(20)는 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 이라고도 하며, 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 막 모듈부(10)의 내부로 주입하기 위해 마련된다. 상기 제1 캡부(20)는 막 모듈부(10)의 일측 단부에 결합된다. 상기 제1 캡부(20)에는 공급공기를 막 모듈부(10)로 공급하기 위한 공급공기 주입구(21)가 형성된다.
상기 제2 캡부(30)는 당 업계에서 "캡-아웃(cap-out)" 이라고도 하며, 막 모듈부(10)로부터 유입된 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 것이다. 상기 제2 캡부(30)는 막 모듈부(10)의 다른 일측 단부에 결합된다. 제2 캡부(30)에는 그 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 가습공기 배출구(31)가 형성된다.
배출가스 유입부(40)는 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 하우징의 내부로 주입하기 위해 막 모듈부(10)의 일측에 결합된다. 배출가스 배출부(50)는 수분이 제거된 배출가스를 배기 계통으로 배출하기 위해 막 모듈부(10)의 타측에 결합된다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 상기 배출가스 유입부(40)와 상기 배출가스 배출부(50)는 둘 다 막 모듈부(10)의 상측으로 개구되나, 이에 한정되지 않고 막 모듈부(10)의 상측 및 하측으로 각각 개구되게 형성될 수도 있다.
당 업계에서는 가습기의 내부에서 연료전지 스택으로 공급될 공급공기가 유동되는 영역을 “튜브 사이드(tube side)”라고도 하고, 가습기의 내부에서 연료전지 스택으로부터 배출된 배출공기가 유동되는 영역을 “쉘 사이드(shell side)”라고도 한다. 본 실시예에서, 튜브 사이드는 제1 캡부(20)와 제2 캡부(30)와 가습막(11)을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 본 실시예에서, 쉘 사이드는 막 모듈부(10)의 내부의 배출가스가 유동되는 영역과, 배출가스 유입부(40)와 배출가스 배출부(50)를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
연료전지 시스템의 수소공급장치는 연료전지 스택으로 공급되는 수소가 연료전지 스택으로부터 배출되어 다시 연료전지 스택으로 공급되는 순환형 구조를 가지고 있다. 이 때문에, 연료전지 시스템의 발전 시간이 지남에 따라 연료전지 시스템 내의 수소 농도값이 지속적으로 감소하게 된다. 이러한 수소 농도 저하를 방지하기 위해 설정된 주기에 따라 수소밸브를 개방하여 저농도의 수소를 배출한다.
일반적으로, 수소밸브의 개방에 의해 배출되는 수소는 가습기의 쉘 사이드로 유입되어, 연료전지 스택으로부터 배출된 배출공기와 혼합되어 배기 계통을 통해 외부로 배출된다.
연료전지 차량의 안전성 확보를 위해 배기 계통을 통해 외부로 배출되는 수소의 농도는 일정값(4%) 미만으로 규제되고 있고, 이러한 규제에 대응하기 위해 연료전지 시스템 또는 차량에는 다양한 운전제어조건 및 수소농도 저감장치가 적용되나, 수소의 농도가 높은 연료전지 스택의 저출력 시에는 수소농도를 저감하는데 한계가 있었다.
본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택이 저출력 시에도 가습기에서 배출되는 배출가스 중의 수소 농도를 효과적으로 저감시키기 위한 것이다.
보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 상기 공급공기가 유동되며 상기 제1 캡부(20)와 상기 제2 캡부(30)를 포함하는 제1 영역(또는, 튜브 사이드)과, 상기 배출가스가 유동되며 상기 배출가스 유입부(40) 및 상기 배출가스 배출부(50)를 포함하는 제2 영역(또는, 쉘 사이드)을 선택적으로 연통시키기 위해 마련되는 밸브(100)를 포함하고, 상기 제1 영역의 내부 압력(튜브 사이드의 압력; 도 1의 Ptube)과 상기 제2 영역의 내부 압력(쉘 사이드의 압력; 도 1의 Pshell)의 차에 의해 상기 밸브(100)가 개폐되며, 상기 밸브(100)가 개방될 시 상기 공급공기가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 유입되어 상기 배출가스 배출부(50)를 통해 배출되는 혼합가스 중의 수소 농도가 저감되도록 마련되는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 1을 참조하면, 제1 캡부(20)는 제1 캡부하우징(22)을 포함하고, 제1 캡부하우징(22)은 내부 공간을 마련하고, 배출공기 유입구(15)와 연통되어, 배출공기가 제1 캡부하우징의 내부 공간(22s)으로 유입될 수 있다.
상기 제1 캡부(20)에는 가습막(11)으로 공급되는 공급공기가 흐르는 공급공기 유입유로가 마련될 수 있다.
상기 제1 캡부하우징(22)의 일측에는, 공급공기가 유입되는 공급공기 주입구(21)가 형성된다.
상기 제2 캡부(30)에는, 공급공기가 배출되는 공급공기 배출구(31)가 형성된다.
연료전지 스택의 연료극에서 배출되는 배출수소는 수소밸브(60)에 의해 가습기로의 유입이 조절될 수 있다. 수소밸브(60)는 통상적으로 퍼지밸브로 명명되기도 한다.
수소밸브(60)가 개방될 시, 연료극에서 배출되는 배출수소는 수소유입관(61)을 통해 유동하여 배출가스 유입부(40)으로 유입될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 다른 실시예에서 배출수소는 배출가스 유입부(40)가 아닌 배출가스 배출부(50)으로 곧바로 유입될 수도 있다.
밸브(100)는 상기 공급공기가 유동되며 상기 제1 캡부(20)와 상기 제2 캡부(30)를 포함하는 튜브 사이드와, 상기 배출가스가 유동되며 상기 배출가스 유입부(40) 및 상기 배출가스 배출부(50)를 포함하는 쉘 사이드를 선택적으로 연통시키기 위해 마련될 수 있다.
본 실시예에서 밸브(100)는 제1 캡부(20)와 배출가스 배출부(50)의 사이에 설치된다. 도시되지는 않았으나, 다른 실시예에서, 밸브(100)는 제2 캡부와 배출가스 유입부(40)의 사이에 설치될 수도 있으며, 튜브 사이드와 쉘 사이드를 선택적으로 연통시키기에 적합한 위치라면 밸브(100)는 가습기의 내부의 어느 위치에든지 설치될 수 있다.
밸브(100)는 실린더(110)와, 피스톤(120)을 포함할 수 있다.
실린더(110)는 소정의 길이로 형성되고, 내부에 피스톤(120)이 이동 가능하게 설치되는 내부 공간을 마련할 수 있다.
실린더(110)는 제1 길이(도 1의 L1)로 형성될 수 있다. 실린더(110)는 길이방향을 기준으로 일단이 제1 캡부(20)에 위치하고, 타단이 배출가스 배출부(50)에 위치하도록 배치될 수 있다.
실린더(110)는 튜브 사이드로부터 상기 공급공기가 유입되는 제1 연결홀(111)과, 쉘 사이드로부터 상기 배출가스가 유입되는 제2 연결홀(112)과, 밸브개폐홀(113)을 포함할 수 있다.
피스톤(120)은 상기 밸브개폐홀(113)을 개폐하기 위해, 실린더(110)의 내부에 이동 가능하게 설치될 수 있다. 피스톤(120)은 상기 실린더(110)의 내부공간에, 상기 실린더의 길이방향(도 1의 L1이 연장되는 방향)의 일측 및 타측으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.
제1 연결홀(111)을 통해 제1 캡부하우징의 내부공간(22s)로부터 실린더(110)의 내부공간으로 공급공기가 유입될 수 있다.
제2 연결홀(112)을 통해 배출가스 배출부의 내부공간(50s)로부터 실린더(110)의 내부공간으로 배출가스가 유입될 수 있다.
제1 연결홀(111)과 제2 연결홀(112)은 실린더의 길이방향을 기준으로 실린더(110)의 일측과 타측에 각각 서로 마주보며 형성될 수 있다.
밸브개폐홀(113)은 상기 실린더(110)에 실린더의 길이방향에 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 밸브개폐홀(113)은 실린더의 일측면에 형성될 수 있다.
이를 통해, 상기 공급공기에 의해 상기 피스톤의 일측면(121)이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 피스톤의 타측면(122)이 받는 힘에 의해, 상기 피스톤(120)이 상기 실린더(110)의 내부에서 이동되며, 상기 밸브개폐홀(113)을 개방하거나 또는 폐쇄하게 된다.
도 1을 참조하면, 피스톤(120)은 소정의 폐쇄 위치에 위치할 때 밸브개폐홀(113)을 폐쇄하기 위해, 실린더의 길이방향(도 1에서 L1 방향)을 기준으로, 밸브개폐홀의 길이(d)보다 긴 소정의 길이를 가질 수 있다.
피스톤(120)은 소정의 개방 위치에 위치할 때 밸브개폐홀(113)을 적어도 일부 개방하기 위해, 실린더의 길이방향(도 1에서 L1 방향)을 기준으로, 제1 연결홀(111)이 형성되는 실린더(110)의 일단으로부터 밸브개폐홀(113)의, 실린더(110)의 일단에서 가장 먼 부분까지의 길이(또는, 제2 길이; 도 1 L2)보다 짧은 소정의 길이를 가질 수 있다.
밸브(100)는 피스톤(120)을 탄성 지지하기 위해 실린더(110)의 내부에 마련되는 탄성부재(130)를 더 포함할 수 있다.
탄성부재(130)는 실린더(110)의 내부로 유입된 상기 배출가스에 의해 상기 피스톤이 가압되는 방향으로, 상기 피스톤(120)을 탄성 지지할 수 있다. 즉, 탄성부재(130)는 쉘 사이드에 위치한 실린더(110)의 부분에 위치하여, 피스톤의 타측면(122)을 탄성 지지할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 탄성부재(130)는 피스톤의 일측면(121)을 탄성 지지하기 위해, 튜브 사이드에 위치한 실린더(110)의 부분에 위치할 수도 있다.
탄성부재(130)는 연료전지 스택이 상대적으로 저출력인 상태이고 수소밸브(60)가 폐쇄되어 연료전지 스택으로부터 쉘 사이드로 배출수소가 유입되지 않았을 시 피스톤(120)에 의해 밸브개폐홀(113)이 폐쇄되고, 연료전지 스택이 상대적으로 저출력인 상태이고 수소밸브(60)가 개방되어 연료전지 스택으로부터 쉘 사이드로 배출수소가 유입되었을 시 밸브개폐홀(113)이 개방되도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖도록 마련될 수 있다.
탄성부재(130)는 연료전지 스택이 상대적으로 고출력인 상태에서는 수소밸브(60)의 개폐여부와 상관없이 피스톤(120)에 의해 밸브개폐홀(113)이 폐쇄되도록 하기 위해, 소정의 탄성계수를 갖도록 마련될 수 있다.
연료전지 스택이 상대적으로 고출력인 상태에서는 연료전지 스택으로 상대적으로 많은 양(또는 고압)의 공급공기가 유입된다. 이 때, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기에 수소밸브(60)를 통해 배출되는 배출수소가 혼합되더라도, 혼합된 배출가스 중에 수소의 농도는 상대적으로 낮다.
한편, 연료전지 스택이 상대적으로 저출력인 상태에서는 연료전지 스택으로 상대적으로 적은 양(또는 저압)의 공급공기가 유입된다. 이 때, 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기에 수소밸브(60)를 통해 배출되는 배출수소가 혼합되면 혼합된 배출가스 중에 수소의 농도는 연료전지 스택이 고출력인 경우보다 높다.
본 발명에 의하면, 연료전지 스택이 상대적으로 저출력이어서 수소밸브(60) 개방시 배출가스 중에 수소의 농도가 높아질 때 밸브(100)가 개방되며 튜브 사이드에서 쉘 사이드로 공급공기 중에 일부가 유입되며, 공급공기와 배출가스가 혼합된 가스 중에 수소의 농도를 낮출 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 연료전지용 가습기의 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 작동에 대해 설명하기로 한다.
도 2a는 연료전지 스택이 상대적으로 고출력 상태인 경우, 또는 연료전지 스택이 상대적으로 저출력이면서 수소밸브(60)가 폐쇄되어 연료전지 스택으로부터 가습기로 배출수소가 유입되지 않을 때(배출수소가 일부 유입되더라도 수소밸브(60)를 통해 다량의 배출수소가 유입되지는 않을 때도 포함)를 나타낸다.
이 때, 피스톤의 일측면(121)은 튜브 사이드의 압력(Ptube)으로 가압되고, 피스톤의 타측면(122)는 쉘 사이드의 압력(Pshell)으로 가압될 수 있다. 즉, 피스톤의 일측면(121)은 제1 연결홀(111)을 통해 유입된 공급공기에 의해 가압되고, 피스톤의 타측면(122)는 제2 연결홀(112)을 통해 유입된 배출가스(또는 배출공기)에 의해 가압될 수 있다.
공급공기에 의해 피스톤의 일측면(121)에 작용하는 힘, 배출가스에 의해 피스톤의 타측면(122)에 작용하는 힘, 그리고 탄성부재(130)의 탄성력에 의해, 피스톤(120)은 밸브개폐홀(113)을 폐쇄하는 소정의 폐쇄 위치에 위치하게 된다.
이 경우, 밸브(100)가 폐쇄되어 허용되지 않는다.
도 2b는 연료전지 스택이 상대적으로 저출력이면서 수소밸브(60)가 개방되어 연료전지 스택으로부터 가습기로 배출수소가 유입될 때를 나타낸다.
이 때, 쉘 사이드에는 연료전지 스택으로부터 배출된 배출공기에 배출수소가 혼합되어 압력이 상승된 배출가스가 유동되고, 배출가스는 실린더(110)의 제2 연결홀(112)을 통해 실린더(110)의 내부공간으로 유입되어 피스톤의 타측면(122)을 가압한다.
공급공기에 의해 피스톤의 일측면(121)에 작용하는 힘, 배출가스에 의해 피스톤의 타측면(122)에 작용하는 힘, 그리고 탄성부재(130)의 탄성력에 의해, 피스톤(120)은 밸브개폐홀(113)을 개방하는 소정의 개방 위치에 위치하게 된다.
이 경우, 밸브(100)가 개방되어 튜브 사이드(또는 제1 캡부하우징의 내부공간; 22s)에서 쉘 사이드(또는 배출가스 배출부의 내부공간; 50s)로의 공급공기의 유입이 허용되고, 도 2b의 F1과 같이 공기의 유동이 이루어질 수 있다.
한편, 도 2b에서와 같이 수소밸브(60)가 개방되어 쉘 사이드로 배출수소가 유입되는 경우라도, 일반적으로 튜브 사이드의 압력(Ptube)의 압력이 쉘 사이드의 압력(Pshell)보다 높다. 따라서, 도 2b와 같이 일정 조건에서는 피스톤(120)이 개방 위치로 이동되도록 하기 위해, 탄성부재(130)는 소정의 탄성 계수를 가지며 피스톤(120)이 개방되는 방향으로 탄성 지지하도록 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 일부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 도 3 이하를 참조하여 본 발명의 다른 실시예 따른 연료전지용 가습기에 대해, 본 발명의 일 실시예와 다른 부분을 중심으로 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 일 실시예와 다른 부분은 가습기의 튜브 사이드에서 쉘 사이드로 공급공기의 유입을 허용하는 밸브에 있다. 이하에서 설명하지 않는 가습기의 나머지 부분은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에서와 동일한 것으로 이해될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 제1 밸브(200)와 제2 밸브(300)를 포함한다.
제1 밸브(200)는 튜브 사이드에서 쉘 사이드로 공급공기의 유입을 선택적으로 허용하기 위해 마련된다.
제2 밸브(300)는 연료전지 스택으로부터 가습기의 쉘 사이드로 배출수소의 유입을 선택적으로 허용하기 위해 마련된다. 또한, 제2 밸브(300)는 제1 밸브(200)의 개폐를 조절하기 위해 마련된다. 제2 밸브(300)의 개방이 제1 밸브(200)의 개방을 위한 필요조건이 될 수 있다. 즉, 제2 밸브(300)가 개방되더라도 제1 밸브(200)는 개방되지 않을 수 있지만, 제2 밸브(300)가 폐쇄된 상태에서는 제1 밸브(200)가 개방되지 않게 제1 밸브(200)와 제2 밸브(300)가 마련될 수 있다.
제1 밸브(200)는 제1 실린더(210)와, 제1 피스톤(220)과, 제1 탄성부재(230)를 포함할 수 있다. 제1 밸브(200)에 대하여는 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 밸브(100)에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
제1 밸브(200)의 제2 연결홀(212)은 제2 밸브(300)와 연결될 수 있다. 제1 밸브(200)와 제2 밸브(300)는 제2 연결홀(212)을 통해 서로 연통될 수 있다.
제2 밸브(300)는 제2 실린더(310)와, 제2 피스톤(320)과, 제2 탄성부재(330)를 포함할 수 있다. 제2 밸브(300)의 구성 및 작동원리는 제1 밸브(200)와 거의 동일한 것으로 이해될 수 있다. 제2 밸브(300)는 연료전지 스택에서 배출되는 배출수소의 압력에 따라 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 실린더(310)는 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배출수소가 유입되는 제1 연통홀(311)과, 쉘 사이드로부터 상기 배출가스가 유입되는 제2 연통홀(312)과, 수소배출홀(313)을 포함할 수 있다.
제2 피스톤(320)은 제2 실린더(310)의 내부에 이동 가능하게 설치되어, 상기 수소배출홀(313)을 개폐할 수 있다. 상기 배출수소에 의해 상기 제2 피스톤의 일측면(321)이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 제2 피스톤의 타측면(322)이 받는 힘과, 제2 탄성부재(330)에 의한 탄성력에 의해, 상기 제2 피스톤(320)이 상기 제2 실린더(310)의 내부에서 이동될 수 있다.
제2 실린더(310)는 제2 연결홀(212)과 연결되는 제3 연통홀을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 제1 실린더(210)와 제2 실린더(310)가 서로 결합되어 일체로 형성된 것으로서, 제3 연통홀이 제2 연결홀(212)에 합쳐진 형상이다. 도시되지는 않았으나, 제1 실린더(210)와 제2 실린더(310)가 서로 분리되어 별도의 연결관에 의해 연결되는 경우, 제1 실린더에는 제2 연결홀이 형성되고 제2 실린더에는 제3 연통홀이 형성될 수도 있다.
상기 제2 피스톤(320)이 소정의 개방 위치에 위치할 때, 상기 제2 밸브(300)를 통해 쉘 사이드에서 상기 제1 실린더(210)의 내부 공간으로 상기 배출가스가 유입될 수 있다. 이 때, 상기 공급공기에 의해 상기 제1 피스톤의 일측면(221)이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 제1 피스톤의 타측면(222)이 받는 힘과, 제1 탄성부재(230)에 의한 탄성력에 의해, 상기 제1 피스톤(220)이 상기 제1 실린더(210)의 내부에서 소정의 개방 위치로 이동될 수 있다.
한편, 제1 실린더(210)의 길이방향과 제2 실린더(310)의 길이방향이 서로 수직되도록, 상기 제1 실린더(210)와 제2 실린더(310)가 배치될 수 있다. 즉, 제1 피스톤(220)이 이동되는 방향과 제2 피스톤(320)이 이동되는 방향이 서로 수직되도록, 상기 제1 실린더(210)와 제2 실린더(310)가 배치될 수 있다.
제2 실린더(310)에는 제4 연통홀(314)이 형성될 수 있다.
제2 피스톤(320)에는 피스톤홀(323)이 제2 피스톤(320)의 일측과 타측을 관통하며 형성될 수 있다. 피스톤홀(323)은 제2 피스톤(320)이 이동하는 방향에 수직한 방향을 주 성분으로 하는 소정의 방향으로, 제2 피스톤(320)의 일측과 타측을 관통하며 형성될 수 있다.
제2 피스톤(320)이 소정의 개방 위치에 위치할 때, 제1 연통홀(311)로 유입되는 배출수소가 수소배출홀(313)을 통해 쉘 사이드(또는 배출가스 배출부의 내부공간; 50s)로 토출되고, 제4 연통홀(314)을 통해 유입되는 배출가스가 피스톤홀(323)과 제2 연결홀(212)을 통해 제1 실린더(210)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
이를 통해, 제2 피스톤(320)이 소정의 개방 위치에 위치할 때만 제1 실린더(210)로 배출가스가 유입될 수 있다.
제2 탄성부재(330)는 제2 실린더(310)의 내부로 유입된 배출가스에 의해 제2 피스톤이 가압되는 방향으로 제2 피스톤(320)을 탄성 지지하기 위해, 제2 실린더(310)의 내부에 설치될 수 있다. 즉, 제2 탄성부재(330)는 제2 피스톤(320)이 소정의 개방위치에서 소정의 폐쇄위치를 향하는 방향으로 제2 피스톤(320)을 탄성 지지할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 연료전지용 가습기의 제1 및 제2 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 작동에 대해 설명하기로 한다.
도 4a는 연료전지 스택이 상대적으로 고출력 상태이면서 수소밸브(60)가 개방되어 연료전지 스택으로부터 가습기로 배출수소가 유입될 때를 나타낸다.
이 때, 제2 피스톤(320)은 배출수소의 압력(Ppurge)에 의해 소정의 개방위치로 이동되어, 연료전지 스택에서 배출되는 배출수소가 쉘 사이드(또는 배출가스 배출부의 내부공간; 50s)으로 유입될 수 있다(도 4a의 F2 참조).
또한, 제4 연통홀(314)을 통해 유입되는 배출가스가 피스톤홀(323)과 제2 연결홀(212)을 통해 제1 실린더(210)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
이 때, 제1 피스톤의 일측면(221)은 튜브 사이드의 압력(Ptube)으로 가압되고, 제1 피스톤의 타측면(222)는 쉘 사이드의 압력(Pshell)으로 가압될 수 있다. 즉, 제1 피스톤의 일측면(221)은 제1 연결홀(211)을 통해 유입된 공급공기에 의해 가압되고, 제1 피스톤의 타측면(222)는 제2 연결홀(212)을 통해 유입된 배출가스(배출공기와 배출수소가 혼합된 가스)에 의해 가압될 수 있다.
연료전지 스택이 상대적으로 고출력 상태일 때에는 튜브 사이드로 고압의 공급공기가 유입되기 때문에, 제1 피스톤(220)이 소정의 폐쇄 위치에 위치하여 제1 밸브(200)가 폐쇄되게 된다.
이 경우, 튜브 사이드에서 쉘 사이드로의 공급공기의 유입이 허용되지 않는다.
도 4b는 연료전지 스택이 상대적으로 저출력 상태이면서 수소밸브(60)가 개방되어 연료전지 스택으로부터 가습기로 배출수소가 유입될 때를 나타낸다.
이 때, 제2 피스톤(320)은 배출수소의 압력(Ppurge)에 의해 소정의 개방위치로 이동되어, 연료전지 스택에서 배출되는 배출수소가 쉘 사이드(또는 배출가스 배출부의 내부공간; 50s)으로 유입될 수 있다(도 4b의 F2 참조).
또한, 제4 연통홀(314)을 통해 유입되는 배출가스가 피스톤홀(323)과 제2 연결홀(212)을 통해 제1 실린더(210)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
이 때, 제1 피스톤의 일측면(221)은 튜브 사이드의 압력(Ptube)으로 가압되고, 제1 피스톤의 타측면(222)는 쉘 사이드의 압력(Pshell)으로 가압될 수 있다. 즉, 제1 피스톤의 일측면(221)은 제1 연결홀(211)을 통해 유입된 공급공기에 의해 가압되고, 제1 피스톤의 타측면(222)는 제2 연결홀(212)을 통해 유입된 배출가스(배출공기와 배출수소가 혼합된 가스)에 의해 가압될 수 있다.
연료전지 스택이 상대적으로 저출력 상태일 때에는 튜브 사이드로 저압의 공급공기가 유입되기 때문에, 제1 피스톤(220)이 소정의 개방 위치로 이동하여 제1 밸브(200)가 개방된다.
이 경우, 튜브 사이드에서 쉘 사이드로의 공급공기의 유입이 허용되어, 도 4b의 F3과 같이 공기의 유동이 형성될 수 있다.
이와 같이 마련되는 연료전지용 가습기는, 연료전지 스택이 고출력일 때에는 가습기의 튜브 사이드에서 쉘 사이드로 공급공기가 유입되지 않고, 연료전지가 저출력이면서 배출수소가 쉘 사이드로 유입될 때에는 가습기의 튜브 사이드에서 쉘 사이드로 공급공기가 유입되도록 마련됨으로써, 가습기에서 배출되는 배출가스 중의 수소 농도를 효과적으로 낮출 수 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 : 막 모듈부
11 : 가습막
20 : 제1 캡부
21 : 공급공기 주입구
22 : 제1 캡부하우징
22s : 제1 캡부하우징의 내부 공간
30 : 제2 캡부
31 : 공급공기 배출구
32 : 제2 캡부하우징
40 : 배출가스 유입부
50 : 배출가스 배출부
50s : 배출가스 배출부의 내부공간
60 : 수소밸브
61 : 수소유입관
100 : 밸브
110 : 실린더
111, 112 : 제1, 제2 연결홀
113 : 밸브개폐홀
120 : 피스톤
121 : 피스톤의 일측면
122 : 피스톤의 타측면
130 : 탄성부재
200, 300 : 제1, 제2 밸브
210, 310 : 제1, 제2 실린더
211, 212 : 제1, 제2 연결홀
213 : 밸브개폐홀
311, 312, 314 : 제1, 제2, 제4 연통홀
313 : 수소배출홀
220, 320 : 제1, 제2 피스톤
221 : 제1 피스톤의 일측면
222 : 제1 피스톤의 타측면
321 : 제2 피스톤의 일측면
322 : 제2 피스톤의 타측면
323 : 피스톤홀
230, 330 : 제1, 제2 탄성부재
d : 밸브개폐홀의 길이
L1 : 제1 길이
L2 : 제2 길이
Ptube : 튜브 사이드의 압력
Pshell : 쉘 사이드의 압력
Ppurge : 수소의 압력
F1, F3 : 공기의 유동
F2 : 수소의 유동

Claims (14)

  1. 가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부;
    상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 가습막으로 공급공기를 공급하는 제1 캡부;
    상기 막 모듈부의, 상기 일측의 반대측인 타측에 결합되며, 상기 가습막으로부터 유입되는 가습된 공급공기를 연료전지 스택의 공기극을 향해 배출하는 제2 캡부;
    상기 막 모듈부에 결합되며, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 막 모듈부로 주입하는 배출가스 유입부;
    상기 막 모듈에 결합되며, 상기 막 모듈부를 통과한 제습된(dehumidified) 배출가스를 배기 계통으로 배출하는 배출가스 배출부; 및
    상기 공급공기가 유동되며 상기 제1 캡부와 상기 제2 캡부를 포함하는 제1 영역과, 상기 배출가스가 유동되며 상기 배출가스 유입부 및 상기 배출가스 배출부를 포함하는 제2 영역을 선택적으로 연통시키기 위해 마련되는 밸브를 포함하는, 연료전지용 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기극에서 배출되는 배출공기와 상기 연료전지 스택의 연료극에서 배출되는 배출수소가 상기 제2 영역으로 유입되면, 상기 제2 영역의 내부 압력에 의해 상기 밸브가 개방되고, 상기 밸브가 개방될 시 상기 공급공기가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 유입되어 상기 제2 영역의 내부의 배출공기 및 배출수소와 혼합됨으로써, 상기 배출가스 배출부를 통해 배출되는 혼합가스 중의 수소 농도가 저감되도록 마련되는, 연료전지용 가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는, 상기 제1 캡부와 상기 배출가스 배출부의 사이에 설치되는, 연료전지용 가습기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 제1 영역으로부터 상기 공급공기가 유입되는 제1 연결홀과, 상기 제2 영역으로부터 상기 배출가스가 유입되는 제2 연결홀과, 밸브개폐홀을 포함하는 실린더와,
    상기 실린더의 내부에 이동 가능하게 설치되어, 상기 밸브개폐홀을 개폐하는 피스톤을 포함하고,
    상기 공급공기에 의해 상기 피스톤의 일측면이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 피스톤의 타측면이 받는 힘에 의해, 상기 피스톤이 상기 실린더의 내부에서 이동되는, 연료전지용 가습기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 실린더는, 길이방향으로 연장되어, 상기 실린더의 길이방향을 기준으로 일측과 타측에 각각 상기 제1 연결홀과 상기 제2 연결홀이 서로 마주보며 형성되고, 상기 실린더의 길이방향에 수직한 방향으로 상기 밸브개폐홀이 형성되고,
    상기 피스톤은, 상기 실린더의 길이방향으로 이동되며 상기 밸브개폐홀을 개폐하는, 연료전지용 가습기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 피스톤은, 소정의 폐쇄위치에 위치할 때 상기 밸브개폐홀을 폐쇄하기 위해, 상기 실린더의 길이방향을 기준으로, 상기 밸브개폐홀보다 길이가 긴 소정의 길이를 갖는, 연료전지용 가습기.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 피스톤은, 소정의 개방위치에 위치할 때 상기 밸브개폐홀을 적어도 일부 개방하기 위해, 상기 실린더의 길이방향을 기준으로, 상기 제1 연결홀이 형성되는 상기 실린더의 일단으로부터 상기 밸브개폐홀의, 상기 실린더의 일단에서 가장 먼 부분까지의 길이보다 짧은 소정의 길이를 갖는, 연료전지용 가습기.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 밸브는, 상기 피스톤을 탄성 지지하기 위해 상기 실린더의 내부에 마련되는 탄성부재를 포함하는, 연료전지용 가습기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는, 상기 실린더의 내부로 유입된 상기 배출가스에 의해 상기 피스톤이 가압되는 방향으로, 상기 피스톤을 탄성 지지하는, 연료전지용 가습기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브를 제1 밸브라고 할 때,
    상기 연료전지 스택의 연료극으로부터 상기 가습기의 제2 영역으로 배출수소가 유입되는 유로를 개폐하기 위해 마련되는 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 제2 밸브는, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 상기 배출수소의 압력에 따라 개폐되는, 연료전지용 가습기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 밸브는,
    상기 연료극으로부터 상기 배출수소가 유입되는 제1 연통홀과, 상기 제2 영역으로부터 상기 배출가스가 유입되는 제2 연통홀과, 수소배출홀을 포함하는 제2 실린더와,
    상기 제2 실린더의 내부에 이동 가능하게 설치되어, 상기 수소배출홀을 개폐하는 제2 피스톤을 포함하고,
    상기 배출수소에 의해 상기 제2 피스톤의 일측면이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 제2 피스톤의 타측면이 받는 힘에 의해, 상기 제2 피스톤이 상기 제2 실린더의 내부에서 이동되는, 연료전지용 가습기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 밸브는,
    상기 제1 영역으로부터 상기 공급공기가 유입되는 제1 연결홀과, 상기 제2 밸브의 내부 공간과 연결되는 제2 연결홀과, 밸브개폐홀을 포함하는 제1 실린더와,
    상기 제1 실린더의 내부에 이동 가능하게 설치되어, 상기 밸브개폐홀을 개폐하는 제1 피스톤을 포함하고,
    상기 제2 실린더는, 상기 제2 연결홀과 연결되는 제3 연통홀을 포함하고,
    상기 제2 피스톤이 소정의 개방 위치에 위치할 때, 상기 제2 밸브를 통해 상기 제2 영역에서 상기 제1 실린더의 내부 공간으로 상기 배출가스가 유입되는 것이 허용되어,
    상기 공급공기에 의해 상기 제1 피스톤의 일측면이 받는 힘과, 상기 배출가스에 의해 상기 제1 피스톤의 타측면이 받는 힘에 의해, 상기 제1 피스톤이 상기 제1 실린더의 내부에서 이동되는, 연료전지용 가습기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 실린더에는 제4 연통홀이 형성되고, 상기 제2 피스톤에는 피스톤홀이 형성되어,
    상기 제2 피스톤이 상기 개방 위치에 위치할 때, 상기 제1 연통홀로 유입되는 상기 배출수소가 상기 수소배출홀을 통해 상기 제2 영역으로 토출되고, 상기 제4 연통홀을 통해 유입되는 상기 배출가스가 상기 피스톤홀과 상기 제3 연통홀을 통해 상기 제1 실린더의 내부 공간으로 유입되도록 마련되는, 연료전지용 가습기.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 밸브는, 상기 제2 실린더의 내부로 유입된 상기 배출가스에 의해 상기 제2 피스톤이 가압되는 방향으로 상기 제2 피스톤을 탄성 지지하기 위해 상기 제2 실린더의 내부에 마련되는 제2 탄성부재를 포함하는, 연료전지용 가습기.
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