KR20210020311A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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KR20210020311A
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안웅전
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 일측에는 연료전지 스택으로부터 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급구가 형성되고, 다른 일측에는 습윤공기 배출구가 형성된 하우징; 및 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 건조공기가 유동하는 가습막;을 포함하고, 하우징의 내부에는 습윤공기 공급구로 공급된 습윤공기 중 일부를 가습막을 거치지 않고 습윤공기 배출구로 상시(always) 바이패스시키는 바이패스유로가 형성되도록 하는 것에 의하여, 연료전지의 운전 조건에 따라 가습기의 가습량 및 차압을 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 가습기{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연료전지의 운전 조건에 따라 가습기의 가습량 및 차압을 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, 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치, 연료전지에서 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 연료전지로 유입되기 전에 가습기에 의해 가습될 수 있다.
최근에는 연료전지로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 가습기를 통과하는 유입가스(건조공기)를 가습하는 방식이 제시된 바 있다.
아울러, 연료전지로 유입되는 유입가스의 가습 정도(가습량)는 연료전지의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라 조절될 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 가습기의 외부에 별도의 바이패스 유로를 형성하고, 유입가스가 가습기를 거쳐(가습된 상태) 연료전지에 유입되거나, 가습기를 거치지 않고 가습기 외부의 바이패스 유로를 통해 연료전지에 곧바로 유입되도록 하여, 연료전지의 습도를 조절해야 하므로, 구조가 복잡하고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있으며, 연료전지의 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 정확하게 조절하기 어려운 문제점이 있다.
아울러, 가습기의 가습 성능이 개선될수록 유입가스의 가습량은 증가할 수 있으나, 기존에는 유입가스의 가습량이 증가함에 따라 가습기의 차압(가습기의 입구와 출구의 압력차)이 증가하여, 에너지 효율이 저하(전력 소모량 증가)되는 문제점이 있다.
더욱이, 기존에는 과가습된 유입가스가 연료전지에 지속적으로 공급됨에 따라, 연료전지 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 유입가스의 가습량을 조절하면서 가습기의 차압을 조절하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 연료전지의 운전 조건에 따라 가습기의 가습량 및 차압을 조절할 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 가습기의 차압 증가로 인한 에너지 효율 저하를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 과가습으로 인한 연료전지 내 플러딩 현상을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 가습기는, 일측에는 연료전지 스택으로부터 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급구가 형성되고, 다른 일측에는 습윤공기 배출구가 형성된 하우징; 및 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 건조공기가 유동하는 가습막;을 포함하고, 하우징의 내부에는 습윤공기 공급구로 공급된 습윤공기 중 일부를 가습막을 거치지 않고 습윤공기 배출구로 상시(always) 바이패스시키는 바이패스유로가 형성된다.
이는, 연료전지의 운전 조건에 따라 가습기의 가습량 및 차압을 조절하기 위함이다.
즉, 기존에는 가습기에 의한 유입가스의 가습량이 증가함에 따라 가습기의 차압(가습기의 입구와 출구의 압력차)이 증가하여, 에너지 효율이 저하(전력 소모량 증가)되는 문제점이 있다.
또한, 과가습된 유입가스가 연료전지(예를 들어, 연료전지의 저출력 운전시)에 지속적으로 공급됨에 따라, 연료전지 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 습윤공기 공급구를 통해 하우징의 내부로 공급된 습윤공기 중 일부가 가습막을 거치지 않고 습윤공기 배출구로 상시(always) 바이패스되도록 하는 것에 의하여, 가습기의 차압이 과도하게 증가하는 것을 억제하고, 가습기의 차압 증가로 인한 에너지 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 하우징의 내부에 공급된 습윤공기 중 일부가 가습막을 거치지 않고 습윤공기 배출구로 바이패스되도록 하는 것에 의하여, 건조공기의 가습량을 저감시킬 수 있으므로, 연료전지 스택의 저출력 운전시 과가습으로 인한 플러딩(flooding) 현상을 방지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 하우징은, 가습막이 내부에 수용되되 가습막의 상부에 배치되는 제1유로벽이 형성된 하우징 본체, 및 제1유로벽의 상부에 이격되게 배치되는 제2유로벽이 형성되며 하우징 본체의 상부에 결합되는 하우징 캡을 포함하고, 제1유로벽 및 제2유로벽은 상호 협조적으로 바이패스유로를 형성한다.
바람직하게, 바이패스유로는 선택적으로 단면적이 가변되도록 구성된다.
이와 같이, 바이패스유로의 단면적이 선택적으로 가변되도록 하는 것에 의하여, 하우징에 공급된 습윱공기 중 바이패스유로를 통해 바이패스되는 습윤공기의 바이패스 유량을 선택적으로 조절할 수 있으므로, 연료전지 스택의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라, 가습공기의 가습량과 가습기의 차압을 조절하는 것이 가능하다.
바이패스유로의 단면적은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 가변될 수 있다.
일 예로, 하우징 캡은, 제1유로벽에 대해 제1높이(H1)에 배치되는 제2유로벽이 형성되며 하우징 본체에 결합되는 제1캡부재, 및 제1높이(H1)와 다른 제2높에(H2)에 배치되는 제2유로벽이 형성되며 하우징 본체에 결합되는 제2캡부재를 포함하고, 제1캡부재 및 제2캡부재 중 어느 하나를 하우징 본체에 결합하여 바이패스유로의 단면적을 가변시킬 수 있다.
다른 일 예로, 연료전지용 가습기는, 제1사이즈(L1)를 갖도록 형성되며 바이패스유로를 부분적으로 차단하는 제1격벽부재, 및 제1사이즈(L1)와 다른 제2사이즈(L2)를 갖도록 형성되며 바이패스유로를 부분적으로 차단하는 제2격벽부재를 포함하고, 제1격벽부재 및 제2격벽부재 중 어느 하나를 바이패스유로의 내부에 배치하여 바이패스유로의 단면적을 가변시킬 수 있다.
또 다른 일 예로, 연료전지용 가습기는, 바이패스유로를 부분적으로 개폐하는 차단부재, 및 연료전지 스택의 습도에 대응하여 차단부재의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고, 차단부재를 개폐하여 바이패스유로의 단면적을 가변시킬 수 있다.
예를 들어, 차단부재는 제2유로벽에 승강 가능하게 결합되며, 차단부재를 선택적으로 승강시키는 승강부를 포함할 수 있으며, 제어부는 연료전지 스택의 습도에 대응하여 승강부를 제어한다.
바람직하게, 제어부는, 연료전지 스택의 습도가 목표 습도 범위보다 낮으면, 차단부재를 하강시켜 바이패스유로의 단면적을 축소하고, 연료전지 스택의 습도가 목표 습도 범위보다 높으면, 차단부재를 상승시켜 바이패스유로의 단면적을 확장할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지의 운전 조건에 따라 가습기의 가습량 및 차압을 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 가습기의 차압 증가로 인한 에너지 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 과가습으로 인한 연료전지 내 플러딩 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기가 적용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 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 가습기가 적용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(100)는, 일측에는 연료전지 스택(200)으로부터 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급구(112)가 형성되고, 다른 일측에는 습윤공기 배출구(114)가 형성된 하우징(110); 및 하우징(110)의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 건조공기가 유동하는 가습막(140);을 포함하고, 하우징(110)의 내부에는 습윤공기 공급구(112)로 공급된 습윤공기 중 일부를 가습막(140)을 거치지 않고 습윤공기 배출구(114)로 상시(always) 바이패스시키는 바이패스유로(111)가 형성된다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기(100)는 연료전지 스택(200)에 유입되는 유입가스(예를 들어, 공기)를 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 공급구(미도시)가 형성되고, 하우징(110)의 다른 일측에는 건조공기가 배출되는 건조공기 배출구(미도시)가 형성된다.
일 예로, 도 1 기준으로, 하우징(110)의 우측단에는 건조공기가 공급되는 건조공기 공급구(미도시)가 형성되고, 하우징(110)의 좌측단에는 건조공기 배출구(미도시)가 형성된다.
참고로, 건조공기 공급구에 공급된 건조공기는 가습막(140) 카트리지(130)를 통과하는 중에 가습될 수 있으며, 건조공기 배출구를 통해 배출된 가습공기(가습 처리된 건조공기)는 연료전지 스택(200)으로 공급될 수 있다.
또한, 하우징(110)의 일측(예를 들어, 도 1 기준으로 좌측 상단)에는 습윤공기 공급구(112)가 형성되고, 하우징(110)의 다른 일측(예를 들어, 도 1 기준으로 우측 상단)에는 습윤공기 배출구(114)가 형성된다.
연료전지 스택(200)에서 배출되는 습윤공기(또는 생성수)는, 연료전지 스택(200)과 하우징(110)의 습윤공기 공급구(112)를 연결하는 연결유로(미도시)를 따라 하우징(110)의 내부로 유입될 수 있으며, 하우징(110)의 내부에서는 다습한 습윤공기를 이용하여 가습막(140) 카트리지(130)를 따라 유동하는 건조공기를 가습시킬 수 있다.
가습막(140)은 하우징(110)의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 건조공기가 유동하도록 구성된다.
일 예로, 가습막(140)은 내부를 따라 건조공기가 유동 가능한 튜브 형태의 중공사막(Hollow fiber membrane)으로 형성되며, 하우징(110)의 내부에서 가습막(140)의 일단(입구단) 및 타단(출구단)은 포팅재(142)에 의해 고정된다.
참고로, 가습막(140)은 중곡사막으로 형성되므로, 하우징(110)의 내부에 공급된 수분(예를 들어, 습윤공기의 수분)은 가습막(140)의 외부에서 가습막(140)의 내부로 투과하여 건조공기에 전달될 수 있으나, 건조공기는 가습막(140)의 내부에서 가습막(140)의 외부로 투과될 수 없다.
또한, 하우징(110)의 내부에는, 습윤공기 공급구(112)로 공급된 습윤공기 중 일부를 가습막(140)을 거치지 않고 습윤공기 배출구(114)로 상시(always) 바이패스시키는 바이패스유로(111)가 형성된다.
이와 같이, 하우징(110)의 내부에 공급된 습윤공기 중 일부가 습윤공기 배출구(114)로 상시 바이패스되도록 하는 것에 의하여, 가습기(100)의 차압이 과도하게 증가하는 것을 억제하고, 차압 증가에 따른 전력 소모량을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 하우징(110)의 내부에 공급된 습윤공기 중 일부가 가습막(140)을 거치지 않고 습윤공기 배출구(114)로 바이패스되도록 하는 것에 의하여, 건조공기의 가습량을 저감시킬 수 있으므로, 연료전지 스택(200)의 저출력 운전시 과가습으로 인한 플러딩(flooding) 현상을 방지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 하우징(110)은, 가습막(140)이 내부에 수용되되 가습막(140)의 상부에 배치되는 제1유로벽(122)이 형성된 하우징 본체(120), 및 제1유로벽(122)의 상부에 이격되게 배치되는 제2유로벽(132)이 형성되며 하우징 본체(120)의 상부에 결합되는 하우징 캡(130)을 포함하고, 제1유로벽(122) 및 제2유로벽(132)은 상호 협조적으로 바이패스유로(111)를 형성한다.
여기서, 제1유로벽(122) 및 제2유로벽(132)이 상호 협조적으로 바이패스유로(111)를 형성한다 함은, 바이패스유로(111)의 일부 벽면이 제1유로벽(122)에 의해 형성되고, 바이패스유로(111)의 나머지 벽면이 제2유로벽(132)에 의해 형성되는 것으로 정의된다.
일 예로, 바이패스유로(111)의 바닥면은 제1유로벽(122)에 의해 형성될 수 있고, 바이패스유로(111)의 천장면은 제2유로벽(132)에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1유로벽의 측단부에 상부로 절곡된 제1연장벽(미도시)를 형성하고, 제2유로벽의 측단부에 하부로 절곡된 제2연장벽(미도시)을 형성하고, 제1연장벽 및 제2연장벽에 의해 바이패스유로의 양측면이 형성되도록 구성하는 것도 가능하다.
참고로, 습윤공기 공급구(112)를 통해 하우징(110)의 내부에 유입된 습윤공기 중 일부는, 바이패스유로(111)를 따라 유동된 후 곧바로 습윤공기 배출구(114)를 통해 하우징(110)의 외부로 배출되고, 습윤공기 공급구(112)를 통해 하우징(110)의 내부에 유입된 습윤공기 중 나머지는, 가습막(140)을 거쳐가는(통과하는) 가습 유로(도 1을 기준으로 바이패스유로의 하부 공간)(미도시)를 따라 유동된 후 습윤공기 배출구(114)를 통해 하우징(110)의 외부로 배출된다.
바람직하게, 바이패스유로(111)는 선택적으로 단면적이 가변되도록 구성된다.
이와 같이, 바이패스유로(111)의 단면적이 선택적으로 가변되도록 하는 것에 의하여, 하우징(110)에 공급된 습윱공기 중 바이패스유로(111)를 통해 바이패스되는 습윤공기의 바이패스 유량을 선택적으로 조절할 수 있으므로, 연료전지 스택(200)의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라, 가습공기의 가습량과 가습기(100)의 차압을 조절하는 것이 가능하다.
이는, 바이패스유로(111)를 통해 바이패스되는 습윤공기의 바이패스 유량을 제어하는 것에 의하여, 가습공기의 가습량과 가습기(100)의 차압을 조절할 수 있다는 것에 기인한 것이다.
예를 들어, 바이패스유로(111)의 단면적을 저감(축소)시킬수록, 바이패스유로(111)를 통해 바이패스되는 습윤공기의 바이패스 유량은 작아지는 반면, 가습 유로를 따라 유동하는 습윤공기의 유량은 증가하게 된다.
가습 유로를 따라 유동하는 습윤공기의 유량이 증가하면, 가습공기의 가습량이 증가하여 연료전지 스택(200)의 성능이 향상되지만, 가습기(100)의 차압(하우징(110)의 입구와 출구의 압력차)이 높아져 전력 소비가 높아진다.
이와 반대로, 바이패스유로(111)의 단면적을 증가(확장)시킬수록, 바이패스유로(111)를 통해 바이패스되는 습윤공기의 바이패스 유량은 증가하고, 가습 유로를 따라 유동하는 습윤공기의 유량은 감소하게 된다.
가습 유로를 따라 유동하는 습윤공기의 유량이 감소하면, 가습기(100)의 차압이 낮아져 전력 소비는 낮아지지만, 가습공기의 가습량이 감소하여 연료전지 스택(200)의 성능이 저하된다.
따라서, 바이패스유로(111)의 단면적을 선택적으로 가변하는 것에 의하여, 연료전지 스택(200)의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라, 가습공기의 가습량과 가습기(100)의 차압을 조절하는 것이 가능하다.
바이패스유로(111)의 단면적은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 가변될 수 있다.
일 예로, 하우징 캡(130)은, 서로 다른 높이에 제2유로벽(132)이 형성된 복수개의 캡부재를 포함할 수 있으며, 캡부재를 교체하는 것에 의하여, 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 하우징 캡(130)은, 제1유로벽(122)에 대해 제1높이(H1)에 배치되는 제2유로벽(132)이 형성되며 하우징 본체(120)에 결합되는 제1캡부재(130'), 및 제1높이(H1)와 다른 제2높에(H2)에 배치되는 제2유로벽(132)이 형성되며 하우징 본체(120)에 결합되는 제2캡부재(130")를 포함하고, 제1캡부재(130') 및 제2캡부재(130") 중 어느 하나를 하우징 본체(120)에 결합하여 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 제1캡부재(130')에는 제2유로벽(132)이 제1유로벽(122)에 대해 제1높이(H1)에 배치되도록 형성되며, 바이패스유로(111)의 단면적(CS1)은 제1높이(H1)에 배치되는 제2유로벽(132) 및 제1유로벽(122)에 의해 결정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제2캡부재(130")에는 제2유로벽(132)이 제1높이(H1)보다 높은 제2높이(H2)에 배치되도록 형성되며, 바이패스유로(111)의 단면적(CS2)은 제2높이(H2)에 배치되는 제2유로벽(132) 및 제1유로벽(122)에 의해 결정될 수 있다.
다시, 도 2 및 도 3을 참조하면, 하우징 본체(120)에 제2캡부재(130")를 결합하면, 하우징 본체(120)에 제1캡부재(130')가 결합된 경우보다, 바이패스유로(111)의 단면적이 확장(CS2 〉CS1)된다. 이와 반대로, 하우징 본체(120)에 제1캡부재(130')를 결합하면, 하우징 본체(120)에 제2캡부재(130")가 결합된 경우보다, 바이패스유로(111)의 단면적이 축소(CS1〈 CS2)된다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 높이에 제2유로벽(132)이 형성된 2개의 캡부재를 이용하여 바이패스유로(111)의 단면적을 가변하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 높이에 제2유로벽이 형성된 3개 이상의 캡부재를 이용하여 바이패스유로의 단면적을 가변하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 연료전지용 가습기(100)는 서로 다른 사이즈를 가지며 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단하는 복수개의 격벽부재를 포함할 수 있으며, 격벽부재를 교체하는 것에 의하여, 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 연료전지용 가습기(100)는, 제1사이즈(L1)를 갖도록 형성되며 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단하는 제1격벽부재(150), 및 제1사이즈(L1)와 다른 제2사이즈(L2)를 갖도록 형성되며 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단하는 제2격벽부재(150')를 포함하고, 제1격벽부재(150) 및 제2격벽부재(150') 중 어느 하나를 바이패스유로(111)의 내부에 배치하여 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시킬 수 있다.
참고로, 본 발명에서 제1격벽부재(150)와 제2격벽부재(150')가 서로 다른 사이즈를 가진다 함은, 제1격벽부재(150)와 제2격벽부재(150')의 길이, 폭, 높이, 면적 중 어느 하나 이상이 서로 다른 것으로 정의된다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 제1격벽부재(150)는 제1사이즈(L1)를 갖도록 형성되어, 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단하도록 바이패스유로(111)의 내부에 배치되며, 바이패스유로(111)의 단면적(CS1)은 제1사이즈(L1)를 갖는 제1격벽부재(150)와 제1유로벽(122)(또는 제2유로벽)에 의해 결정될 수 있다. 일 예로, 제2유로벽(132)의 내면에는 결합홈(134)이 형성될 수 있으며, 제1격벽부재(150)는 결합홈(134)에 결합되어 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2격벽부재(150')는 제1사이즈(L1)보다 큰 제2사이즈(L2)를 갖도록 형성되며, 바이패스유로(111)의 단면적(CS2)은 제2격벽부재(150')와 제1유로벽(122)(또는 제2유로벽)에 의해 결정될 수 있다. 일 예로, 제2유로벽(132)의 내면에는 결합홈(134)이 형성될 수 있으며, 제2격벽부재(150')는 결합홈(134)에 결합되어 바이패스유로(111)를 부분적으로 차단할 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 제2유로벽(132)에 제2격벽부재(150')를 결합하면, 제2유로벽(132)에 제1격벽부재(150)가 결합된 경우보다, 바이패스유로(111)의 단면적이 확장(CS2 〉CS1)된다. 이와 반대로, 제2유로벽(132)에 제1격벽부재(150)를 결합하면, 제2유로벽(132)에 제2격벽부재(150')가 결합된 경우보다, 바이패스유로(111)의 단면적이 축소(CS1〈 CS2)된다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 사이즈를 갖는 2개의 격벽부재를 이용하여 바이패스유로(111)의 단면적을 가변하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 사이즈를 갖는 3개 이상의 격벽부재를 이용하여 바이패스유로의 단면적을 가변하는 것도 가능하다.
또 다른 일 예로, 연료전지용 가습기(100)는 바이패스유로(111)를 부분적으로 개폐하는 차단부재(160)를 포함할 수 있으며, 차단부재(160)를 개폐하는 것에 의하여, 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6을 참조하면, 연료전지용 가습기(100)는, 바이패스유로(111)를 부분적으로 개폐하는 차단부재(160), 및 연료전지 스택(200)의 습도에 대응하여 차단부재(160)의 개폐를 제어하는 제어부(180)를 포함하고, 차단부재(160)를 개폐하여 바이패스유로(111)의 단면적(ΔCS)을 가변시킬 수 있다.
일 예로, 차단부재(160)는 제2유로벽(132)에 승강 가능하게 결합되며, 차단부재(160)를 선택적으로 승강시키는 승강부(170)를 포함할 수 있으며, 제어부(180)는 연료전지 스택(200)의 습도에 대응하여 승강부(170)를 제어한다.
차단부재(160)는 제2유로벽(132)에 승강 가능하게 결합되며, 차단부재(160)가 승강하며 제2유로벽(132)의 내면으로 돌출(개폐)되는 정도에 따라 바이패스유로(111)가 부분적으로 차단될 수 있다.
승강부(170)는 차단부재(160)를 승강시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 승강부(170)의 구조 및 승강방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 승강부(170)는 모터에 의해 회전하는 리드스크류에 의해 차단부재(160)를 승강시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 승강부가 리니어모터 또는 솔레노이드 등을 이용하여 차단부재를 승강시키도록 구성되는 것도 가능하다.
제어부(180)는 연료전지 스택(200)의 습도에 대응하여 승강부(170)를 제어하도록 마련되며, 제어부(180)에 의해 차단부재(160)의 승강 여부 및 승강 높이가 제어될 수 있다.
일 예로, 제어부(180)는, 연료전지 스택(200)의 습도가 목표 습도 범위보다 낮으면(저가습 상태), 차단부재(160)를 하강시켜 바이패스유로(111)의 단면적을 축소하고, 연료전지 스택(200)의 습도가 목표 습도 범위보다 높으면(과가습 상태), 차단부재(160)를 상승시켜 바이패스유로(111)의 단면적을 확장할 수 있다. 아울러, 연료전지 스택(200)의 습도가 목표 습도 범위에 있으면, 차단부재(160)의 승강이 정지될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서 차단부재(160)가 승강되며 바이패스유로(111)의 단면적을 가변시키는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 차단부재가 카메라의 조리개 방식으로 바이패스유로를 부분적으로 개폐하거나, 여닫이 도어 방식으로 바이패스유로를 부분적으로 개폐하며, 바이패스유로의 단면적을 가변시키는 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
111 : 바이패스유로
112 : 습윤공기 공급구
114 : 습윤공기 배출구
120 : 하우징 본체
122 : 제1유로벽
130 : 하우징 캡
130' : 제1캡부재
130" : 제2캡부재
132 : 제2유로벽
134 : 결합홈
140 : 가습막
150 : 제1격벽부재
150' : 제2격벽부재
160 : 차단부재
170 : 승강부
180 : 제어부
200 : 연료전지 스택

Claims (9)

  1. 일측에는 연료전지 스택으로부터 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급구가 형성되고, 다른 일측에는 습윤공기 배출구가 형성된 하우징; 및
    상기 하우징의 내부에 구비되며, 내부를 따라서 건조공기가 유동하는 가습막;을 포함하고,
    상기 하우징의 내부에는 상기 습윤공기 공급구로 공급된 상기 습윤공기 중 일부를 상기 가습막을 거치지 않고 상기 습윤공기 배출구로 상시(always) 바이패스시키는 바이패스유로가 형성된 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 가습막이 내부에 수용되되, 상기 가습막의 상부에 배치되는 제1유로벽이 형성된 하우징 본체; 및
    상기 제1유로벽의 상부에 이격되게 배치되는 제2유로벽이 형성되며, 상기 하우징 본체의 상부에 결합되는 하우징 캡;을 포함하고,
    상기 제1유로벽 및 상기 제2유로벽은 상호 협조적으로 상기 바이패스유로를 형성하는 연료전지용 가습기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스유로는 선택적으로 단면적이 가변되는 연료전지용 가습기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징 캡은,
    상기 제1유로벽에 대해 제1높이에 배치되는 상기 제2유로벽이 형성되며, 상기 하우징 본체에 결합되는 제1캡부재; 및
    상기 제1높이와 다른 제2높에에 배치되는 상기 제2유로벽이 형성되며, 상기 하우징 본체에 결합되는 제2캡부재;를 포함하고,
    상기 제1캡부재 및 상기 제2캡부재 중 어느 하나를 상기 하우징 본체에 결합하여 상기 바이패스유로의 단면적을 가변하는 연료전지용 가습기.
  5. 제3항에 있어서,
    제1사이즈를 갖도록 형성되며, 상기 바이패스유로를 부분적으로 차단하는 제1격벽부재; 및
    상기 제1사이즈와 다른 제2사이즈를 갖도록 형성되며, 상기 바이패스유로를 부분적으로 차단하는 제2격벽부재;를 포함하고,
    상기 제1격벽부재 및 상기 제2격벽부재 중 어느 하나를 상기 바이패스유로의 내부에 배치하여 상기 바이패스유로의 단면적을 가변하는 연료전지용 가습기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1유로벽 및 상기 제2유로벽 중 어느 하나에는 상기 제1격벽부재 또는 상기 제2격벽부재가 결합되는 결합홈이 형성되는 연료전지용 가습기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 바이패스유로를 부분적으로 개폐하는 차단부재; 및
    상기 연료전지 스택의 습도에 대응하여 상기 차단부재의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 차단부재를 개폐하여 상기 바이패스유로의 단면적을 가변하는 연료전지용 가습기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차단부재는 상기 제2유로벽에 승강 가능하게 결합되고,
    상기 차단부재를 선택적으로 승강시키는 승강부를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 습도에 대응하여 상기 승강부를 제어하는 연료전지용 가습기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 습도가 목표 습도 범위보다 낮으면, 상기 차단부재를 하강시켜 상기 바이패스유로의 단면적을 축소하고,
    상기 연료전지 스택의 습도가 목표 습도 범위보다 높으면, 상기 차단부재를 상승시켜 상기 바이패스유로의 단면적을 확장하는 연료전지용 가습기.
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