KR20210004152A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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KR20210004152A
KR20210004152A KR1020190080096A KR20190080096A KR20210004152A KR 20210004152 A KR20210004152 A KR 20210004152A KR 1020190080096 A KR1020190080096 A KR 1020190080096A KR 20190080096 A KR20190080096 A KR 20190080096A KR 20210004152 A KR20210004152 A KR 20210004152A
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김현유
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 하우징; 하우징의 내부에 구비되며, 연료전지 스택으로부터 하우징에 공급되는 습윤공기를 응축하고, 내부를 따라서 제1건조공기가 통과되는 방열튜브; 및 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 제2건조공기가 통과되는 가습막;을 포함하는 것에 의하여, 가습 성능을 향상시키고, 운전 조건에 따라 가습량을 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 가습기{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 가습 성능을 향상시킬 수 있으며, 운전 조건에 따라 가습량을 조절할 수 있는 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. 보다 구체적으로, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택, 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.
한편, 연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 유입가스는 연료전지 스택으로 유입되기 전에 가습기에 의해 가습될 수 있다.
최근에는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 가습기를 통과하는 유입가스(건조공기_를 가습하는 방식이 제시된 바 있다.
그러나, 기존 가습기는 연료전지 스택으로부터 공급된 습윤공기가 가습막의 둘레를 통과하면서 가습막의 내부를 따라 유동하는 건조공기를 가습하도록 구성됨에 따라, 운전 조건에 따라 건조공기를 충분하게 가습하기 어렵고, 가습 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 유입가스의 가습 정도는 연료전지 스택의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라 조절될 수 있어야 하나, 기존에는 유입가스가 가습기를 거쳐(가습된 상태) 연료전지 스택에 유입되거나, 가습기를 거치지 않고 바이패스 유로를 통해 연료전지 스택에 곧바로 유입되도록 하여, 연료전지 스택의 습도를 조절해야 하므로, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 정확하게 조절하기 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 기존에는 가습기의 외부에 별도의 바이패스 유로를 형성해야 하므로, 구조가 복잡하고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 정확하게 조절하면서 구조를 간소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 가습 성능을 향상시킬 수 있으며, 운전 조건에 따라 가습량을 정확하게 조절할 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 연료전지 스택으로부터 공급된 습윤공기를 응축시킨 상태로 건조공기의 가습에 사용할 수 있으며, 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않고도, 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 가습기는, 하우징; 하우징의 내부에 구비되며, 연료전지 스택으로부터 하우징에 공급되는 습윤공기를 응축하고, 내부를 따라서 제1건조공기가 통과되는 방열튜브; 및 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 제2건조공기가 통과되는 가습막;을 포함한다.
이는, 연료전지용 가습기의 가습 성능을 향상시키고, 운전 조건에 따라 가습량을 정확하게 조절하기 위함이다.
즉, 기존에는 연료전지 스택으로부터 공급된 습윤공기가 공급 상태 그대로 가습막의 둘레를 통과하면서 가습막의 내부를 따라 유동하는 건조공기를 가습하도록 구성됨에 따라, 운전 조건에 따라 건조공기를 충분하게 가습하기 어렵고, 가습 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 연료전지 스택으로부터 하우징에 공급된 습윤공기가 응축되도록 하는 것에 의하여, 건조공기를 가습하기 위한 추가적인 물 공급라인을 마련하지 않고도, 가습 성능 및 가습 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
방열튜브는 하우징의 내부에 유입된 습윤공기를 응축시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 방열튜브는, 튜브 몸체, 및 튜브 몸체의 외주면에 형성되는 외부 방열핀을 포함한다. 바람직하게, 방열튜브는 튜브 몸체의 내주면에 형성되는 내부 방열핀을 포함한다.
바람직하게, 하우징에 공급된 습윤공기는 방열튜브를 거쳐 응축된 상태로 가습막으로 공급된다.
이와 같이, 하우징에 공급되는 습윤공기가 방열튜브를 먼저 통과한 후, 응축된 상태로 가습막에 공급되도록 하는 것에 의하여, 가습막을 투과하는 수분의 투과량을 증가시킬 수 있으므로, 가습막의 개수 및 사이즈를 증대시키지 않고도, 가습막에 의한 가습 성능 및 가습 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 습윤공기 공급구는 중력 방향을 따라 방열튜브의 상부에 배치되고, 가습막은 중력 방향을 따라 방열튜브의 하부에 배치된다.
이와 같이, 방열튜브의 하부에 가습막을 배치하는 것에 의하여, 방열튜브에 의해 응축된 습윤공기에 포함된 수분이 중력에 의해 떨어지며 가습막을 통과할 수 있으므로, 응축된 습윤공기를 가습막으로 안내하기 위한 별도의 장치 및 구조물을 마련하지 않고도, 습윤공기에 의한 가습 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 가습기는, 방열튜브에 제1건조공기를 공급하는 제1공기공급부, 가습막에 제2건조공기를 공급하는 제2공기공급부, 및 제1공기공급부 및 제2공기공급부에 의한 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 조건을 제어하는 제어부를 포함한다.
이는, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 건조공기의 가습량을 정확하게 조절하기 위함이다.
기존에는 유입가스가 가습기를 거쳐(가습된 상태) 연료전지 스택에 유입되거나, 가습기를 거치지 않고 바이패스 유로를 통해 연료전지 스택에 곧바로 유입되도록 하여, 연료전지 스택의 습도를 조절해야 하므로, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 정확하게 조절하기 어려운 문제점이 있으며, 가습기의 외부에 별도의 바이패스 유로를 형성해야 하므로, 구조가 복잡하고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 연료전지 스택의 운전 조건에 따라, 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 조건을 제어하는 것에 의하여, 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않고도, 운전 조건에 따라 건조공기의 가습량을 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않아도 되므로, 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 제어부는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 제2건조공기의 공급을 선택적으로 차단한다. 보다 구체적으로, 연료전지 스택의 내부 습도가 목표 습도를 초과하면, 제어부는 제2건조공기의 공급을 차단한다.
다른 일 예로, 제어부는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 제1건조공기의 공급 유량과 제2건조공기의 공급 유량을 서로 다르게 제어할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 가습기는, 하우징의 내부에 구비되며 응축수가 저장되는 응축수 저장부, 및 응축수 저장부에 저장된 응축수를 선택적으로 제1공급부에 공급하는 응축수 공급라인을 포함한다.
이와 같이, 하우징의 내부에 저장된 응축수를 이용하여 제1건조공기를 가습하는 것에 의하여, 가습 성능 및 가습 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 가습 성능을 향상시킬 수 있으며, 운전 조건에 따라 가습량을 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 연료전지 스택으로부터 공급된 습윤공기를 응축시킨 상태로 건조공기의 가습에 사용할 수 있으므로, 가습 성능 및 가습 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 바이패스 유로를 별도로 마련하지 않고도, 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 가습 성능을 향상시키고, 연료전지의 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 방열튜브를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 무가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 저가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 중가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 고가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 방열튜브를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 무가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 저가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 중가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기로서, 고가습 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(100)는, 하우징(110); 하우징(110)의 내부에 구비되며, 연료전지 스택으로부터 하우징(110)에 공급되는 습윤공기를 응축하고, 내부를 따라서 제1건조공기가 통과되는 방열튜브(120); 및 하우징(110)의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 제2건조공기가 통과되는 가습막(130);을 포함한다.
본 발명에 따른 가습기(100)는 연료전지 스택에 유입되는 유입가스(예를 들어, 공기)를 선택적으로 가습하기 위해 마련된다.
참고로, 연료전지 스택(200)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(200)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(200)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
하우징(110)은 내부에 소정의 수용 공간을 갖도록 마련된다.
하우징(110)의 형상 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 하우징(110)의 형상 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 하우징(110)은 내부에 수용 공간을 갖는 사각 박스 형태로 형성될 수 있다.
하우징(110)의 일측에는 건조공기가 공급되는 건조공기 공급구가 형성되고, 하우징(110)의 다른 일측에는 건조공기가 배출되는 건조공기 배출구(미도시)가 형성된다.
일 예로, 도 1 기준으로, 하우징(110)의 우측단에는 제1건조공기가 공급되는 제1건조공기 공급구(112), 및 제2건조공기가 공급되는 제2건조공기 공급구(114)가 형성되고, 하우징(110)의 좌측단에는 제1건조공기 및 제2건조공기가 배출되는 건조공기 배출구가 형성된다.
참고로, 제1건조공기 공급구(112)에 공급된 제1건조공기는 방열튜브(120)로 공급될 수 있고, 제2건조공기 공급구(114)에 공급된 제2건조공기는 가습막(130)에 공급될 수 있으며, 건조공기 배출구에서 배출된 가습공기(가습 처리된 건조공기)는 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1건조공기 공급구(112) 및 제2건조공기 공급구(114)를 통해 제1건조공기와 제2건조공기가 각각 독립적으로 방열튜브(120)와 가습막(130)에 공급되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 단 하나의 건조공기 공급구를 통해 공급된 건조공기가 방열튜브와 가습막 중 어느 하나에만 공급되거나, 방열튜브와 가습막 양쪽에 동시에 공급되도록 구성하는 것도 가능하다.
또한, 하우징(110)의 상단에는 습윤공기 공급구(116)가 형성되고, 하우징(110)의 하단에는 습윤공기 배출구(118)가 형성된다.
연료전지 스택에서 배출되는 습윤공기(또는 생성수)는, 연료전지 스택과 하우징(110)의 습윤공기 공급구(116)를 연결하는 연결유로(미도시)를 따라 하우징(110)의 내부로 유입될 수 있으며, 하우징(110)의 내부에서는 다습한 습윤공기를 이용하여 가습막(130)을 따라 유동하는 건조공기를 가습시킬 수 있다.
방열튜브(120)는, 하우징(110)의 내부에 구비되며, 연료전지 스택으로부터 하우징(110)에 공급되는 습윤공기를 응축하고, 내부를 따라서는 제1건조공기가 유동하도록 구성된다.
방열튜브(120)는 하우징(110)의 내부에 유입된 습윤공기를 응축시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 방열튜브(120)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 방열튜브(120)는, 튜브 몸체(122), 및 튜브 몸체(122)의 외주면에 형성되는 외부 방열핀(124)을 포함한다.
튜브 몸체(122)는 중공 구조로 하우징(110)의 내부에 고정된다. 일 예로, 하우징(110)의 내부에서 튜브 몸체(122)의 일단(입구단) 및 타단(출구단)은 포팅재(potting material)(미도시)에 의해 고정된다.
외부 방열핀(124)은 하우징(110)의 내부에 공급되는 습윤공기와 열교환되도록 튜브 몸체(122)의 외주면에 형성된다. 일 예로, 외부 방열핀(124)은 튜브 몸체(122)의 원주 방향 또는 길이 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성될 수 있다.
바람직하게, 방열튜브(120)는 튜브 몸체(122)의 내주면에 형성되는 내부 방열핀(126)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 튜브 몸체(122)의 내주면에 내부 방열핀(126)을 형성하는 것에 의하여, 방열튜브(120)에 의한 방열 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
가습막(130)은 하우징(110)의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 제2건조공기가 유동하도록 구성된다.
일 예로, 가습막(130)은 내부를 따라 제2건조공기가 유동 가능한 튜브 형태의 중공사막(Hollow fiber membrane)으로 형성되며, 하우징(110)의 내부에서 가습막(130)의 일단(입구단) 및 타단(출구단)은 포팅재에 의해 고정된다.
참고로, 가습막(130)은 중곡사막으로 형성되므로, 하우징(110)의 내부에 공급된 수분(예를 들어, 습윤공기의 수분)은 가습막(130)의 외부에서 내부로 투과하여 제2건조공기에 전달될 수 있으나, 제2건조공기는 가습막(130)의 내부에서 가습막(130)의 외부로 투과될 수 없다.
하우징(110)의 내부에서 방열튜브(120) 및 가습막(130)의 배치 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
바람직하게, 하우징(110)에 공급된 습윤공기는 방열튜브(120)를 거쳐 응축된 상태로 가습막(130)으로 공급된다.
여기서, 습윤공기가 응축된 상태라 함은, 습윤공기의 온도가 낮아짐에 따라, 습윤공기에 포함된 수분이 큰 수분입자 상태로 모여지거나 액체로 변화된 상태로 이해될 수 있다.
이와 같이, 하우징(110)에 공급되는 습윤공기가 방열튜브(120)를 먼저 통과한 후, 응축된 상태로 가습막(130)에 공급되도록 하는 것에 의하여, 가습막(130)을 투과하는 수분의 투과량을 증가시킬 수 있으므로, 가습막(130)의 개수 및 사이즈를 증대시키지 않고도, 가습막(130)에 의한 가습 성능 및 가습 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 습윤공기 공급구(116)는 중력 방향을 따라 방열튜브(120)의 상부에 배치되고, 가습막(130)은 중력 방향을 따라 방열튜브(120)의 하부에 배치된다.
즉, 방열튜브(120)는 중력 방향을 따라 습윤공기 공급구(116)의 하부에 배치되며, 습윤공기 공급구(116)를 통해 하우징(110)의 내부에 유입된 습윤공기는 중력 방향을 따라 방열튜브(120)를 통과한 후 순차적으로 가습막(130)을 통과할 수 있다.
이와 같이, 방열튜브(120)의 하부에 가습막(130)을 배치하는 것에 의하여, 방열튜브(120)에 의해 응축된 습윤공기에 포함된 수분이 중력에 의해 떨어지며 가습막(130)을 통과할 수 있으므로, 응축된 습윤공기를 가습막(130)으로 안내하기 위한 별도의 장치 및 구조물을 마련하지 않고도, 습윤공기에 의한 가습 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연료전지용 가습기(100)는, 방열튜브(120)에 제1건조공기를 공급하는 제1공기공급부(160), 가습막(130)에 제2건조공기를 공급하는 제2공기공급부(170), 및 제1공기공급부(160) 및 제2공기공급부(170)에 의한 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 조건을 제어하는 제어부(180)를 포함한다.
여기서, 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 조건을 제어한다 함은, 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 여부 및 공급량(공급 유량)을 제어하는 것으로 정의된다.
제1공기공급부(160)는, 제1건조공기 공급구(112)에 연결되는 제1건조공기 공급라인(162)을 따라 제1건조공기를 공급하도록 구성된다.
제2공기공급부(170)는, 제2건조공기 공급구(114)에 연결되는 제2건조공기 공급라인(172)을 따라 제2건조공기를 공급하도록 구성된다.
제어부(180)는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 제1공기공급부(160) 및 제2공기공급부(170)에 의한 제1건조공기 및 제2건조공기의 공급 조건을 제어한다.
일 예로, 도 3을 참조하면, 제어부(180)는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 제2건조공기의 공급을 선택적으로 차단한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택의 내부 습도가 목표 습도를 초과하면, 제어부(180)는 제2건조공기의 공급을 차단(무가습 상태)한다.
제2건조공기의 공급이 차단되면, 가습막(130)에 의한 제2건조공기의 가습기(100) 중단되고, 가습되지 않는 제1건조공기만이 방열튜브(120)를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.
다른 일 예로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제어부(180)는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 제1건조공기의 공급 유량과 제2건조공기의 공급 유량을 서로 다르게 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(180)는 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 도 4와 같이 제2건조공기의 공급 유량을 작게 제어(저가습 상태)하거나, 도 5와 같이 제2건조공기의 공급 유량을 크게 제어(중가습 상태)할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2건조공기의 공급 유량을 작게 제어함과 동시에 제1건조공기의 공급 유량을 크게 제어하거나, 제1건조공기의 공급 유량을 작게 제어함과 동시에 제2건조공기의 공급 유량을 크게 제어하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제2건조공기(또는 제1건조공기)의 공급 유량을 제어하는 것에 의하여, 운전 조건에 따라 건조공기의 가습 정도를 제어하는 것이 가능하다.
한편, 연료전지용 가습기(100)는, 하우징(110)의 내부에 구비되며 응축수가 저장되는 응축수 저장부(140), 및 응축수 저장부(140)에 저장된 응축수를 선택적으로 제1공기공급부(160)에 공급하는 응축수 공급라인(150)을 포함한다.(도 1 참조)
응축수 저장부(140)로서는, 하우징(110)의 내부에서 응축된 응축수를 저장할 수 있는 받침판, 받침통 또는 여타 다른 저장 수단이 사용될 수 있으며, 응축수 저장부(140)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 응축수 저장부(140)는 가습막(130)을 통과한 습윤공기에 포함된 응축수(가습에 사용되지 못하고 버려지는 응축수)를 저장하도록 가습막(130)의 하부에 배치된다.
응축수 공급라인(150)은 응축수 저장부(140)에 저장된 응축수를 선택적으로 제1공기공급부(160)에 공급한다. 일 예로, 응축수 공급라인(150)은 제1건조공기 공급라인(162)에 연결될 수 있으며, 응축수 공급라인(150)에는 응축수를 제1건조공기 공급라인(162)에 분사하는 인젝터(또는 이젝터)(152)가 마련될 수 있다.
일 예로, 도 6을 참조하면, 제2건조공기의 공급 유량을 크게 제어함과 동시에, 제1건조공기 공급라인(162)에 응축수를 분사함으로써, 제2건조공기와 함께 제1건조공기도 가습된 상태로 연료전지 스택에 공급될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2공기공급부에서 공급된 제1건조공기와 제2건조공기가 방열튜브 및 가습막에 각각 개별적으로 공급되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 7과 같이, 단 하나의 공기공급부(165)로부터 공급되는 건조공기가 삼방 밸브(167)에 의해 분기되는 제1분기라인(미도시) 및 제2분기라인(미도시)을 따라 방열튜브(120) 및 가습막(130) 중 어느 하나에 공급되거나, 방열튜브(120) 및 가습막(130)에 동시에 공급되도록 구성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 가습기
110 : 하우징
112 : 제1건조공기 공급구
114 : 제2건조공기 공급구
116 : 습윤공기 공급구
118 : 습윤공기 배출구
120 : 방열튜브
122 : 튜브 몸체
124 : 외부 방열핀
126 : 내부 방열핀
130 : 가습막
140 : 응축수 저장부
150 : 응축수 공급라인
160 : 제1공기공급부
162 : 제1건조공기 공급라인
170 : 제2공기공급부
172 : 제2건조공기 공급라인
180 : 제어부

Claims (10)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내부에 구비되며, 연료전지 스택으로부터 상기 하우징에 공급되는 습윤공기를 응축하고, 내부를 따라서 제1건조공기가 유동되는 방열튜브; 및
    상기 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 제2건조공기가 유동되는 가습막;
    을 포함하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에 공급되는 상기 습윤공기는 상기 방열튜브를 거쳐 응축된 상태로 상기 가습막으로 공급되는 연료전지용 가습기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징에 상기 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급구는 중력 방향을 따라 상기 방열튜브의 상부에 배치되고,
    상기 가습막은 중력 방향을 따라 상기 방열튜브의 하부에 배치되는 연료전지용 가습기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열튜브에 상기 제1건조공기를 공급하는 제1공기공급부;
    상기 가습막에 상기 제2건조공기를 공급하는 제2공기공급부; 및
    상기 제1공기공급부 및 상기 제2공기공급부에 의한 상기 제1건조공기 및 상기 제2건조공기의 공급 조건을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지용 가습기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 상기 제2건조공기의 공급을 선택적으로 차단하는 연료전지용 가습기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 내부 습도가 목표 습도를 초과하면, 상기 제2건조공기의 공급을 차단하는 연료전지용 가습기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 내부 습도에 대응하여, 상기 제1건조공기의 공급 유량과 상기 제2건조공기의 공급 유량을 서로 다르게 제어하는 연료전지용 가습기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 하우징의 내부에 구비되며, 응축수가 저장되는 응축수 저장부; 및
    상기 응축수 저장부에 저장된 상기 응축수를 선택적으로 상기 제1공기공급부에 공급하는 응축수 공급라인;
    을 포함하는 연료전지용 가습기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방열튜브는,
    튜브 몸체; 및
    상기 튜브 몸체의 외주면에 형성되는 외부 방열핀;
    을 포함하는 연료전지용 가습기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열튜브는 상기 튜브 몸체의 내주면에 형성되는 내부 방열핀을 포함하는 연료전지용 가습기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114142062A (zh) * 2021-11-24 2022-03-04 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的空气调节系统及控制方法
CN114361525A (zh) * 2021-12-15 2022-04-15 武汉理工大学 燃料电池增湿系统及控制方法
WO2023239058A1 (ko) * 2022-06-10 2023-12-14 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기

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