KR20220126415A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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KR20220126415A
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오영석
이아름
이지윤
김경주
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는,
연료전지 스택에서 배출된 배가스를 유입하는 배가스 유입 포트와 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들을 포함하며, 제1 및 제2 말단들을 구비한 가습 모듈; 상기 가습 모듈에서 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 배출 포트를 가지며 상기 제1 말단에 결합된 제1 캡; 상기 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트를 가지며 상기 제2 말단에 결합된 제2 캡; 상기 제1 캡의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들로부터 상기 제1 캡의 내부 공간으로 유입되는 응축수를 상기 배가스가 흐르는 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브; 상기 공기 배출 포트로부터 연장되어 형성되며, 상기 가습된 공기를 팽창시켜서 속도를 늦추면서 응축수 응결을 유도하는 응결 유도부;를 포함한다.

Description

연료전지용 가습기 {Humidifier for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지는 연료인 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다. 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지용 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 블로워와 같은 공기 공급장치를 통해 대기 중의 공기가 연료전지용 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.
연료전지용 스택의 연료극으로 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 연료극과 공기극 사이의 고분자 전해질막을 통해 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 공기극으로 이동한다. 연료전지용 스택의 공기극으로 공급된 산소가 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
연료전지용 스택의 고분자 전해질막의 이온 전도도가 높을수록 수소 이온이 연료극으로부터 공기극으로 더 잘 전달될 수 있다. 고분자 전해질막의 이온 전도도는 함수율과 밀접한 관련이 있다. 즉, 고분자 전해질막이 충분히 젖어 있을수록 수소 이온이 연료극으로부터 공기극으로 더 잘 전달될 수 있다.
따라서, 연료전지가 가동할 때 고분자 전해질막에 수분을 지속적으로 공급함으로써 함수율을 일정 수준 이상으로 유지시킴으로써 연료전지의 발전 효율이 급격히 저하되는 것을 방지할 필요가 있다. 이러한 목적으로, 연료전지용 스택의 공기극으로 공급되는 공기에 수분을 제공할 수 있는 가습기가 채택된다.
연료전지용 가습기는 외부로부터 공급되는 공기를 스택의 공기극으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하고, 이렇게 가습된 공기를 스택의 공기극으로 공급한다.
가습된 공기가 가습기의 물리적 구조(예를 들어, 가습을 위한 중공사막, 가습된 공기가 흐르는 통로 구조 등)와 접촉함에 따라 가습기 내에서 응축수가 필연적으로 야기된다. 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되면 발전 효율의 저하를 야기한다. 따라서, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지하기 위한 수단이 강구되어야 한다.
미국특허 US7,264,233(이하, '233 특허)은 가습된 공기가 흐르는 다운스트림 헤더(downstream head)(3) 내부의 하부 영역(liquid pool area)(33)에 고이는 응축수를 배가스가 흐르는 인입 매니폴드(lead-in manifold)(5)로 전달할 수 있는 가습기(1)를 개시하고 있다. 이를 위하여, '233 특허의 가습기(1)는 응축수가 고이는 하부 영역(liquid pool area)(33)과 인입 매니폴드(5)를 연결하는 커뮤니케이팅 튜브(communicating tube)(6)를 포함한다. 즉, 응축수가 중력에 의해 낙하하여 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역("liquid pool area"로 지칭됨)(33)에 반드시 모인다는 것을 전제로 한다.
그러나, '233 특허는, (i) 가습이 수행되는 중공사막들(42) 내에서도 응축수가 발생한다는 점, 및 (ii) 저전류 모드에서 고전류 모드로 전환함으로써 갑자기 외부 공기가 고압으로 공급될 때 중공사막들(42) 내에 머물러 있던 응축수가 고압 공기와 함께 중공사막들(42)로부터 토출된 후 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역을 거치지 않고 곧바로 가습기(1)로부터 배출되어 연료전지 스택으로 유입된다는 점을 간과하고 있다. 즉, '233 특허는 가동 중인 연료전지 스택으로 상당량의 응축수가 여전히 유입될 수밖에 없어, 그로 인한 발전 효율의 저하를 방지할 수 없다.
또한, 다운스트림 헤드(3) 상에 형성된 '233 특허의 전달 통로(6)는 외부에 노출되어 있기 때문에, 혹독히 추운 환경에서 응축수가 커뮤니케이팅 튜브(6) 내에서 결빙될 위험이 크다. 이와 같은 커뮤니케이팅 튜브(6) 내에서의 응축수 결빙은 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역(liquid pool area)(33)에 모인 응축수가 커뮤니케이팅 튜브(6)를 통해 하부 영역(liquid pool area)(33)으로부터 빠져나가는 것을 방해하고, 그 결과, 응축수가 연료전지 스택으로 유입되어 발전 효율 저하를 야기한다.
한편, 미국특허 US7,264,233의 문제점을 보완한 한국공개특허 2018-0109108호(이하, '108 특허)가 개시된 바 있다. '108 특허는 연료전지 스택 측의 제1 캡에서 생성되거나 제1 캡으로 유입된 응축수를 배가스가 흐르는 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브 및 응축수가 공기 배출 포트를 통해 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위하여 공기 배출 포트 내에 제공된 리브(rib) 또는 리브를 대체할 수 있는 나사산 구조를 제시하고 있다.
'108 특허에 의하면, 연료전지 스택으로 유입되는 가습된 공기 중에 함유된 응축수의 일부는 리브(또는 나사산 구조)에 의해 제거될 수 있으나, 리브(또는 나사산 구조) 근방을 통과하지 않는 가습된 공기에 함유된 응축수는 제거하지 못하는 한계가 있다. 즉, 연료전지 스택으로 흐르는 가습된 공기 중에서 공기 배출 포트의 내주면과 인접한 부분을 흐르는 가습된 공기에 함유된 응축수는 제거할 수 있지만, 공기 배출 포트의 중앙 부분을 흐르는 가습된 공기에 함유된 응축수는 제거할 수 없는 한계가 있다.
미국등록특허 7,264,233호 한국공개특허 2018-0109108호
본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것으로, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는,
연료전지 스택에서 배출된 배가스를 유입하는 배가스 유입 포트와 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들을 포함하며, 제1 및 제2 말단들을 구비한 가습 모듈; 상기 가습 모듈에서 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 배출 포트를 가지며 상기 제1 말단에 결합된 제1 캡; 상기 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트를 가지며 상기 제2 말단에 결합된 제2 캡; 상기 제1 캡의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들로부터 상기 제1 캡의 내부 공간으로 유입되는 응축수를 상기 배가스가 흐르는 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브; 상기 공기 배출 포트로부터 연장되어 형성되며, 상기 가습된 공기를 팽창시켜서 속도를 늦추면서 응축수 응결을 유도하는 응결 유도부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응결 유도부는, 상기 공기 배출 포트의 직경 보다 큰 직경을 갖는 중공형 구조물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응결 유도부는, 상기 공기 배출 포트의 단면적 보다 큰 단면적을 갖는 중공형 구조물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출 포트 및 상기 응결 유도부는, 상기 연료전지 스택 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출 포트 내에는, 응축수가 상기 공기 배출 포트를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위한 리브가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응결 유도부는, 상기 리브의 후단에 형성되어, 상기 리브에 의해 제거되지 못한 응축수를 응결 유도하여 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출 포트의 내면에는, 상기 응축수에 나선형 경로를 제공하는 나사산이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 응결 유도부는, 상기 나사산의 후단에 형성되어, 상기 나사산에 의해 제거되지 못한 응축수를 응결 유도하여 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 튜브는, 상기 제1 캡에 고정된 제1 튜브와, 상기 가습 모듈에 고정된 제2 튜브를 포함하고, 상기 제1 및 제2 튜브들은 분리 가능하게 결합될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어, 연료전지 스택으로의 응축수 유입으로 인한 발전 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구성인 응결 유도부는 가습된 공기의 상대 습도를 높여서 공기 배출 포트의 중앙 부분을 흐르는 가습된 공기에 함유된 응축수를 제거할 수 있게 되어, 연료전지 스택으로의 응축수 유입으로 인한 발전 효율 저하를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 일부가 도시된 단면도이다.
도 4는 바이패스 튜브의 대안적인 실시예가 도시된 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 일부가 도시된 단면도이고, 도 4는 바이패스 튜브의 대안적인 실시예가 도시된 단면도이다.
본 발명의 연료전지용 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하고 가습된 공기를 연료전지 스택(S)으로 공급하는 장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가습기(100)는 제1 및 제2 말단들(110a, 110b)을 갖는 가습 모듈(110), 가습된 공기를 연료전지 스택(S)으로 공급하기 위한 공기 배출 포트(OP1)를 가지며 제1 말단(110a)에 결합된 제1 캡(120), 및 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트(IP1)를 가지며 제2 말단(110b)에 결합된 제2 캡(130)을 포함한다.
가습 모듈(110)은 하우징(111) 및 하우징(111) 내에 배치된 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 하우징(111)은 연료전지 스택(S)으로부터 배가스를 받아들이기 위한 배가스 유입 포트(IP2) 및 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 하우징(111)은 중공사막들(112)이 들어있는 제1 하우징(111a), 및 제1 하우징(111a)을 둘러싸며 배가스 유입 포트(IP2) 및 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는 제2 하우징(111b)을 포함하고, 제1 하우징(111a)은 배가스 유입 포트(IP2)에 대응하는 제1 그룹의 개구들(H1) 및 배가스 배출 포트(OP2)에 대응하는 제2 그룹의 개구들(H2)을 갖는다.
중공사막(112)의 양 말단들은 제1 하우징(111a)의 양 말단들 내에 각각 형성되어 있는 제1 고정층들(113)에 각각 포팅되어 있고, 제1 하우징(111a)의 양 말단들은 제2 고정층들(114)을 통해 제2 하우징(111b)의 양 말단들에 각각 고정되어 있다. 제2 고정층들(114)은 기계적으로 조립을 통해 제1 하우징(111a)과 제2 하우징(111b) 사이를 기밀하게 결합하는 가스켓 조립체일 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 하우징(111)은 중공사막들(112)이 들어 있는 단일 하우징(single housing)일 수 있다. 이 경우, 중공사막(112)의 양 말단들은 단일 하우징의 양 말단들 내에 각각 형성되는 고정층들에 각각 포팅될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 중공사막들(112)은 2 이상의 중공사막 다발들을 포함할 수 있고, 하우징(111)은, 2 이상의 중공사막 다발들이 각각 들어있는 2 이상의 제1 하우징들(111a), 및 제1 하우징들(111a)을 둘러싸며 배가스 유입 포트(IP2) 및 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는 제2 하우징(111b)을 포함할 수 있으며, 제1 하우징들(111a) 각각은 배가스 유입 포트(IP2)에 대응하는 제1 그룹의 개구들(H1) 및 배가스 배출 포트(OP2)에 대응하는 제2 그룹의 개구들(H2)을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 제1 캡(120)의 내부공간과 제2 캡(130)의 내부공간은 중공사막들(112)의 중공들(lumens)을 통해서만 서로 유체연통한다. 제1 캡(120)의 내부공간은 제1 캡(120)의 내면과 가습 모듈(110)의 제1 말단(110a)에 의해 정의되고, 제2 캡(130)의 내부공간은 제2 캡(130)의 내면과 가습 모듈(110)의 제2 말단(110b)에 의해 정의된다.
배가스 유입 포트(IP2)를 통해 하우징(111) 내로 유입되는 배가스는 하우징(111)의 내부공간 내에서 흐르면서 중공사막들(112)과 접촉한 후 배가스 배출 포트(OP2)를 통해 하우징(111) 밖으로 배출된다.
공기 유입 포트(IP1)를 통해 외부로부터 제2 캡(130)의 내부공간으로 유입된 공기는 중공사막들(112)의 중공들을 통해 제1 캡(120)의 내부공간으로 흘러 들어간 후 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택(S)으로 공급된다.
공기가 중공사막(112)의 중공을 따라 흐를 때, 하우징(111)의 내부공간을 흐르는 배가스 내에 함유된 수분이 중공사막(112)을 통과하여 공기에 전달됨으로써 공기가 가습되고, 이렇게 가습된 공기가 제1 캡(120)의 내부공간으로 흘러 들어간 후 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택(S)으로 공급된다.
전술한 바와 같이, 가습된 공기가 중공사막(112)의 중공 내에서 또는 제1 캡(120)의 내부공간 내에서 응결됨으로써 발생하는 응축수가 연료전지 스택(S)으로 유입되는 것을 방지하여야 한다. 이를 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기(100)는 바이패스 튜브(140)와 응결 유도부(150)를 더 포함한다.
바이패스 튜브(140)는 제1 캡(120)의 내부공간에서 발생하거나 중공사막들(112)로부터 제1 캡(120)의 내부공간으로 유입되는 응축수를 배가스가 흐르는 하우징(111)의 내부공간으로 전달한다.
본 발명에 의하면, 바이패스 튜브(140)의 일단은 공기 배출 포트(OP1) 내에 위치하고, 바이패스 튜브(140)의 타단은 하우징(111)의 내부공간(즉, 배가스가 흐르는 공간) 내에 위치한다. 공기 배출 포트(OP1)로 들어오는 응축수가 기압 차에 의해 바이패스 튜브(140)를 따라 하우징(111)의 내부공간으로 흐르게 된다.
제1 캡(120)의 내부공간에서 발생하거나 중공사막들(112)로부터 제1 캡(120)의 내부공간으로 유입되는 응축수가 연료전지 스택으로 이동하기 위해서 제1 캡(120)의 공기 배출 포트(OP1)를 통과하기 때문에, 바이패스 튜브(140)의 일단을 공기 배출 포트(OP1) 내에 위치시킴으로써 가습된 공기의 응결로 인해 발생하는 응축수가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 1차로 방지할 수 있다.
바이패스 튜브(140)의 위치는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 바이패스 튜브(140)가 외부로 노출되지 않도록 제1 캡(120)의 내부공간 및 하우징(111)의 내부공간에 배치될 수 있다. 바이패스 튜브(140)가 외부로 노출되지 않으면, 추운 환경에서도 바이패스 튜브(140) 내에서 응축수가 결빙되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 바이패스 튜브(140) 내에서의 응축수 결빙으로 인해 응축수가 바이패스되지 못하고 연료전지 스택으로 유입되는 것이 방지될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 응축수가 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위한 리브(rib)(121)가 공기 배출 포트(OP1) 내에 제공될 수 있다. 리브(121)는 공기 배출 포트(OP1)로 들어온 응축수의 일부가 연료전지 스택을 향해 흐르는 것을 방지한다. 리브(121)에 의해 흐름이 저지된 응축수는 리브(121) 밑에 모이게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 바이패스 튜브(140)의 일단은 리브(121)에 인접하게 위치할 수 있다. 즉, 제1 캡(120)의 본체와 공기 배출 포트(OP1)의 경계부와 제1 리브(121) 사이에 바이패스 튜브(140)의 일단이 위치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택으로 유입되는 가습된 공기 중에 함유된 응축수의 일부는 리브(121)에 의해 제거될 수 있으나, 리브(121) 근방을 통과하지 않는 가습된 공기에 함유된 응축수는 제거하지 못하는 한계가 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에서는 리브(121) 후단에 형성되며, 가습된 공기를 순간적으로 팽창시켜서 속도를 늦추면서 응축수 응결을 유도할 수 있는 응결 유도부(150)를 더 포함한다.
응결 유도부(150)는 공기 배출 포트(OP1)로부터 연장되어 형성되며, 공기 배출 포트(OP1)의 직경(또는 단면적)보다 큰 직경(또는 단면적)을 갖는 중공형 구조물일 수 있다. 응결 유도부(150)는 공기 배출 포트(OP1)의 직경보다 큰 직경을 갖는 아크 형상 구조물일 수 있다. 물론, 응결 유도부(150)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 형상이어도 무방하되 그 직경 또는 단면적이 공기 배출 포트(OP1)의 직경 또는 단면적 보다 큰 것이면 충분하다. 이하의 설명에서, '직경'만을 언급하거나 '단면적'만을 언급할 때, 모두 '직경 또는 단면적'을 의미할 수 있다.
응결 유도부(150)는 연료전지 스택(S)으로 유입되는 가습된 공기의 갑작스러운 단열 팽창을 유도하여 가습된 공기가 가지는 고유의 에너지를 일의 형태로 사용하게 하여 에너지 제1 법칙에 의하여 온도가 낮아지게 한다. 가습된 공기의 온도가 낮아지면 해당 온도에서의 포화 습도가 낮아지게 되고, 이에 따라 상대 습도는 상승하게 된다. 높아진 상대 습도로 인해 응결된 가습된 공기의 일부는, 가습된 공기에 함유된 응축수를 응결핵 삼아서 커지면서 낙하하여 응결 유도부(150)의 저면에 모이게 된다.
이와 같이, 응결 유도부(150)는 가습된 공기의 상대 습도를 높여서 공기 배출 포트(OP1)의 중앙 부분을 흐르는 가습된 공기에 함유된 응축수를 제거할 수 있게 된다.
한편, 응결 유도부(150)의 저면에 응축수가 모인 상태로 두게 되면, 응결 유도부(150)의 실질적인 유동 단면적이 줄어들게 되어 단열 팽창의 크기가 줄어들 수 있으므로, 응결 유도부(150)가 원래 설계된 단면적을 유지하는 것이 바람직하다.
이에, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 캡(120)의 공기 배출 포트(OP1)는 연료전지 스택(S) 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 응결 유도부(150)는 공기 배출 포트(OP1)로부터 연장되어 형성되며, 그 중심축은 공기 배출 포트(OP1)와 동일하게 연료전지 스택(S) 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
도 2와 같이, 공기 배출 포트(OP1) 및 응결 유도부(150)가 연료전지 스택(S) 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성됨으로써, 응결 유도부(150)의 저면에 응축수가 모이는 것을 해소할 수 있게 된다.
응결 유도부(150)에서 응결된 응축수는 공기 배출 포트(OP1)를 타고 내려가다가 압력차에 의해 바이패스 튜브(140)를 통해 하우징(111)의 내부공간으로 흐르게 된다.
한편, 응축수의 흐름을 저지할 수 있기 위해서는 리브(121)가 어느 정도 이상의 크기를 가질 것이 요구될 뿐만 아니라 가습된 공기의 흐름에 수직인 면을 갖기 때문에, 가습된 공기의 흐름에 과다한 저항이 걸려 연료전지의 발전 효율이 저하될 우려가 있다.
이를 해소하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 의한 제1 캡(120)은 공기 배출 포트(OP1)의 내면 상에 형성된 나사산(screw thread)(122)을 포함할 수 있다. 나사산(122)은 공기 배출 포트(OP1)로 유입되는 응축수에 나선형 경로(spiral path)를 제공한다.
나사산(122)은 전술한 리브(121)를 대체할 수 있다. 즉, 중공사막(112)의 길이방향에 평행한 방향으로 연장된 공기 배출 포트(OP1)의 내면 상에도 본 발명의 나사산(122)이 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가습된 공기가 소정 각도로 위를 향해 흐를 수 있도록 공기 배출 포트(OP1)가 기울여져 있으면, 공기 배출 포트(OP1)로 유입되는 응축수가 나사산(122)에 의해 가이드될 수 있는 점에서 더 유리하다.
공기 배출 포트(OP1)로 유입되어 나선형 경로를 통해 나사산(122)의 말단부(termination portion)에 도달하는 응축수를 하우징(111)의 내부공간으로 전달하기 위하여, 바이패스 튜브(140)의 일단은 나사산(122)의 말단부에 인접하게 위치할 수 있다. 즉, 바이패스 튜브(140)의 일단은 나선형 경로를 통해 나사산(122)의 말단부로 이동한 응축수를 받아들일 수 있도록 배치될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 연료전지 스택(S)으로 유입되는 가습된 공기 중에 함유된 응축수의 일부는 나사산(122)에 의해 제거될 수 있으나, 나사산(122) 근방을 통과하지 않는 가습된 공기에 함유된 응축수는 제거하지 못하는 한계가 있다.
이에, 본 발명의 제3 실시예에서는 나사산(122) 후단에 형성되며, 가습된 공기를 순간적으로 팽창시켜서 속도를 늦추면서 응축수 응결을 유도할 수 있는 응결 유도부(150)를 더 포함한다.
전술한 제2 실시예와 동일하게, 공기 배출 포트(OP1) 및 응결 유도부(150)는 연료전지 스택(S) 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성된다. 응결 유도부(150)에서 응결된 응축수는 공기 배출 포트(OP1)를 타고 내려가다가 압력차에 의해 바이패스 튜브(140)를 통해 하우징(111)의 내부공간으로 흐르게 된다.
이러한 본 발명의 제3 실시예에 의하면, 가습된 공기의 흐름에 과다한 저항이 걸려 연료전지의 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 나사산(122) 근방을 통과하지 않는 가습된 공기에 함유된 응축수도 제거할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 바이패스 튜브(140)는 하나의 일체형 튜브(single monolithic tube)일 수 있다.
대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이패스 튜브(140)는 제1 캡(120)에 고정된 제1 튜브(141) 및 가습 모듈(110)에 고정된 제2 튜브(142)를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 튜브들(141, 142)은 분리 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 제1 캡(120)을 가습 모듈(110)에 결합할 때 제1 튜브(141)도 제2 튜브(142)에 결합될 수 있어, 가습기(100) 제조 공정의 편의성 및 생산이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 연료전지용 가습기 110 : 가습 모듈
111 : 하우징 111a : 제1 하우징
111b : 제2 하우징 112 : 중공사막
113 : 제1 고정층 114 : 제2 고정층
120 : 제1 캡 121 : 리브(rib)
122 : 나사산 130 : 제2 캡
140 : 바이패스 튜브 150 : 응결 유도부

Claims (9)

  1. 연료전지 스택에서 배출된 배가스를 유입하는 배가스 유입 포트와 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들을 포함하며, 제1 및 제2 말단들을 구비한 가습 모듈;
    상기 가습 모듈에서 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 배출 포트를 가지며 상기 제1 말단에 결합된 제1 캡;
    상기 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트를 가지며 상기 제2 말단에 결합된 제2 캡;
    상기 제1 캡의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들로부터 상기 제1 캡의 내부 공간으로 유입되는 응축수를 상기 배가스가 흐르는 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브;
    상기 공기 배출 포트로부터 연장되어 형성되며, 상기 가습된 공기를 팽창시켜서 속도를 늦추면서 응축수 응결을 유도하는 응결 유도부;
    를 포함하는 연료전지용 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 응결 유도부는,
    상기 공기 배출 포트의 직경 보다 큰 직경을 갖는 중공형 구조물인 연료전지용 가습기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 응결 유도부는,
    상기 공기 배출 포트의 단면적 보다 큰 단면적을 갖는 중공형 구조물인 연료전지용 가습기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 배출 포트 및 상기 응결 유도부는, 상기 연료전지 스택 방향으로 기설정된 각도로 경사지게 형성되는 연료전지용 가습기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 배출 포트 내에는, 응축수가 상기 공기 배출 포트를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위한 리브가 형성되는 연료전지용 가습기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 응결 유도부는,
    상기 리브의 후단에 형성되어, 상기 리브에 의해 제거되지 못한 응축수를 응결 유도하여 제거하는 연료전지용 가습기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 배출 포트의 내면에는, 상기 응축수에 나선형 경로를 제공하는 나사산이 형성되는 연료전지용 가습기.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 응결 유도부는,
    상기 나사산의 후단에 형성되어, 상기 나사산에 의해 제거되지 못한 응축수를 응결 유도하여 제거하는 연료전지용 가습기.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 바이패스 튜브는,
    상기 제1 캡에 고정된 제1 튜브와, 상기 가습 모듈에 고정된 제2 튜브를 포함하고, 상기 제1 및 제2 튜브들은 분리 가능하게 결합되는 연료전지용 가습기.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7264233B2 (en) 2004-05-25 2007-09-04 Honda Motor Co., Ltd. Humidifier
US20180109108A1 (en) 2013-09-26 2018-04-19 Wellhead Power Solutions, Llc Hybrid energy system and method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101755916B1 (ko) * 2015-12-07 2017-07-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 애노드 매니폴드 유로 조절장치
KR101755516B1 (ko) * 2016-07-11 2017-07-07 현대자동차 주식회사 연료전지용 가습기
KR102529371B1 (ko) * 2016-11-02 2023-05-04 현대자동차 주식회사 연료전지용 가습기
KR102298888B1 (ko) 2017-03-27 2021-09-08 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7264233B2 (en) 2004-05-25 2007-09-04 Honda Motor Co., Ltd. Humidifier
US20180109108A1 (en) 2013-09-26 2018-04-19 Wellhead Power Solutions, Llc Hybrid energy system and method

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