KR20230111294A - 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기 - Google Patents

연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기 Download PDF

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KR20230111294A
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김홍규
장현중
이창은
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영일엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기에 관한 것으로 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 각각 가습하기 위해 각각 동일한 형상으로 구비되어 사용되는 한 쌍의 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기에 있어서, 원통형으로 형성됨과 아울러 하부는 하측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되어 밀폐되며, 돔 형상의 하부에는 내측 하부에 수용되는 워터가 외부로 배출되는 드레인관을 갖는 가습부와, 상기 가습부의 상부를 감싸도록 형성되어 구비됨과 아울러 내측에는 수용 가능한 공간이 형성되어 구비되며, 상부는 상측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되는 상부케이스와, 상기 가습부의 하부에서 상부로 이격 연결되어 외부로부터 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 가습부의 내측으로 공급하는 반응기체공급관이 구비되고, 가습부 내측 상의 반응기체공급관 단부에는 코일 형태로 형성됨과 아울러 상측으로 연장되는 반응기체배출관이 구비되며, 반응기체배출관의 외주연 상에는 방사상으로 다수개가 관통되어 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 가습부의 내측으로 배출하는 배출공을 갖는 반응기체배출부와, 상기 가습부의 내측 상부에서 하부로 이격되어 구비됨과 아울러 내측에는 상하로 관통된 다수개의 통공이 형성되는 습분분리기지지부와, 상기 가습부의 내측에 구비됨과 아울러 습분분리기지지부의 상부에 구비되며, 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 포함된 수분의 제거를 도모하기 위해 구비되는 습분분리기와, 상기 상부케이스의 외주연을 일단이 관통하여 연결됨과 아울러 타단을 통해 워터를 공급받으며, 일단은 재차 연장되어 습분분리기 및 습분분리기지지부를 순차적으로 관통하여 가습부의 내측 하부로 연장되고, 연장된 일단의 단부는 밀폐되는 워터공급관과, 상기 가습부의 내측에 관체로 형성되어 다수개가 구비되며, 각각의 일단은 워터공급관 상에 방사상으로 상호 이격되어 연결 구비되고, 워터공급관으로부터 워터를 공급받는 분사관과, 상기 분사관 각각의 타단에 각각 연결 구비되어 분사관으로부터 워터를 공급받으며, 공급받은 워터를 미립화하여 가습부의 내측 하부로 분사하는 다수개의 분사노즐과, 상기 가습부의 하부에서 상부로 이격되어 연결 구비됨과 아울러 가습부 내측 하부에 수용되는 워터를 외부로 배출하도록 구비되는 워터배출관과, 상기 워터배출관과 연결되어 워터를 공급받는 제1워터펌프와, 상기 제1워터펌프와 연결되어 가습부의 내측을 지나온 워터를 내측으로 공급 받음과 아울러 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되며, 열교환된 워터는 연결된 워터공급관으로 공급하는 제1워터탱크와, 상기 가습부와 이격 구비됨과 아울러 외부로부터 워터를 공급받아 내측에 수용되며, 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되는 제2워터탱크와, 상기 제2워터탱크와 연결되어 제2워터탱크로부터 워터를 공급받는 제2워터펌프와, 상기 제2워터펌프 및 가습부와 연결되어 구비되며, 제2워터펌프로부터 워터를 공급받아 가습부의 내측으로 공급하는 워터보충관과, 상기 가습부 상에 연결 구비되어 가습부 내측에 수용되는 워터의 높이를 측정하는 워터수위측정부와, 상기 상부케이스의 상부에 연결 구비되어 습분분리기를 지나온 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관과, 상기 가습부와 이격 구비됨과 아울러 워터수위측정부와 연결되어 신호를 전달 받으며, 제1워터펌프, 제2워터펌프, 제1워터탱크, 제2워터탱크를 제어하도록 구비되는 제어부로 이루어진다.

Description

연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기{Humidifier for stack activation device of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기에 관한 것으로 보다 상세하게는 연료전지의 스택을 조립한 다음 스택의 초기 성능 확보 및 성능을 유지하기 위한 스택 초기 활성화 공정에서 요구되는 상대습도, 온도, 유량 등을 반영하여 수소가스와 산소가스를 용이하게 가습하여 공급하기 위한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기에 관한 것이다.
연료전지는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 연료 및 공기(산소)가 가진 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로서 산업용, 가정용 및 차량용 전원으로 널리 이용되고 있고, 소형의 전기전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
연료전지에 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(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 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 높아 소형화가 가능하며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있기 때문에 소규모 거치형 발전장비 뿐만 아니라 내연기관을 대체하는 수소차(수소연료전지 자동차)에 사용되며, 가장 많이 연구들이 진행되고 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, 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.
고분자 전해질막 연료전지에서 H+를 전달하는 전해질은 대표적으로 sulphonated fluoroploymers(황산불소중합체)를 사용하며, 고분자 막은 연료극과 공기극 사이에서 수소이온의 전달체 역할 뿐 아니라 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하는데, Dupont사에서 개발한 나피온(Nafion)을 사용한 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly; MEA)가 주로 사용되고 있으며, 고분자 전해질막은 수소이온 전도성이 높아야 하는 대신 전자의 전도성은 낮아야 하고, 이온의 이동에 비하여 반응기체나 물의 이동이 적어야 하며 수소이온의 전도성과 기계적 및 화학적 안정성이 높아야 한다.
연료전지 구성품 중에서 막-전극 접합체의 고분자 전해질 막은 나피온과 같은 수소이온 전달체와 백금과 같은 촉매를 혼합하여 만드는데, 연료전지 스택은 조립 제작된 후 초기 운전 시, 전기화학 반응에서 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없다.
연료전지에서 전기화학 반응이 일어나기 위해 가스(gas), 전해질(electrolyte), 전극(electrode)의 삼상을 모두 갖추어야 만 하며 삼상 중 하나라도 없다면 산소 환원 반응은 일어나지 않는다.
촉매와 함께 삼상계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기에 쉽게 가수화(hydration state)가 되지 않고, 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않아 그 활성도가 떨어진다. 나피온(Nafion, Dupont)을 사용한 고분자 막은 소수성인 물질 내부에 술폰산(sulfonic acid)으로 인해 친수화 영역이 만들어지며, 물질이 건조할 때 보다 수분을 흡수하였을 때 우수한 이온전도성을 띄게 된다.
스택의 활성도를 높여 최적의 성능을 나타내기 위해 연료전지 스택을 조립한 다음에는 연료전지의 초기 성능을 확보하기 위해 삼상의 전극 반응 면적 확보, 고분자 전해질 막 또는 전극의 불순물 제거, 고분자 전해질 막의 이온전도성 향상을 목적으로 정상운전 이전에 연료전지 스택 활성화 장치에서 스택의 초기 활성화 공정이 필요하다.
연료전지 스택을 조립 제작 후 연료전지 스택 활성화 장치에 배치한 스택 내부로 유입되는 유입 가스를 가습하기 위해 가습기를 포함하여 구성한다.
가습기는 연료전지 스택 내부의 습도 상태에 따라 가습량의 조절이 필요한데, 스택 내부가 과습한 경우에도 유입 가스의 확산이 저하되어 발전효율이 저하될 수 있기 때문이다.
한편, 종래에 연료전지를 활성화하기 위한 기술로 다수의 단위 전지(Cell)로 이루어진 연료전지 스택(Stack)를 활성화시키는 연료전지용 활성화장치에 있어서, 연료전지 스택의 공급 및 배출을 위한 스택(Stack) 이송장치와, 연료전지 스택(Stack)에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치와 상기 연료공급장치에서 공급되는 연료의 유량을 조절하여 연료 가습기에 공급하여 가습된 습윤연료를 공급하도록 하는 연료공급수단과, 상기 연료전지 스택에 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치와 상기 공기공급장치에서 공급되는 공기의 유량을 조절하여 공기 가습기에 공급하여 가습된 습윤공기를 공급하도록 하는 공기공급수단과, 상기 연료공급수단의 연료 가습기와 공기공급수단의 공기 가습기에 탈이온수를 공급하는 탈이온수 공급장치와, 상기 연료전지 스택에 부하를 가하고 성능을 측정하는 전자부하와, 상기 연료전지 스택에 공급된 후 배출되는 배출 가스 중 미 사용된 연료(수소) 만을 포집하여 하여 연료공급수단에 공급하는 연료재처리장치와, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 탈이온수를 응축시켜 탈이온수 공급장치에 공급하는 탈이온수 응축기와, 상기 연료전지 스택의 온도상승을 방지하기 위하여 냉각수를 순환공급하는 순환펌프와 탈이온화기가 설치된 냉각수 순환장치로 이루어진 냉각수단과, 상기 연료전지 스택의 단위 전지(Cell)를 모니터링 하는 셀 확인장치와, 상기 연료공급수단과 공기공급수단을 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 기술이 등록특허공보 제10-1137763호에서와 같이 공지된 바 있다.
또한, 연료전지 스택으로 유입될 유입가스를 가습하기 위한 기술로 바디, 상기 바디의 내부에 마련되고, 연료전지 스택으로 유입될 유입가스가 내부에 유통되게 마련되는 가습막이 설치되는 제1 및 제2 가습공간, 상기 제1 및 제2 가습공간으로 상기 연료전지 스택에서 배출되는, 유입가스에 비해 상대적으로 다습한 배출가스를 공급하기 위해 마련되는 배출가스 공급부, 상기 바디의 내부에 마련되고, 상기 제1 가습공간으로부터 유입가스가 유입되고, 상기 제2 가습공간 및 상기 연료전지 스택과 직접 또는 간접적으로 연통되는 경유공간(passing space) 및 상기 경유공간에 설치되어, 상기 경유공간으로 유입된 유입가스가 상기 제2 가습공간으로 유입되는 것이 허용되거나, 상기 제2 가습공간을 거치지 않고 상기 연료전지 스택으로 유입되는 것이 허용되거나, 또는 둘 다 허용되도록 조절이 가능한 제1 밸브를 포함하여, 상기 제1 밸브의 조절에 의해, 상기 바디로 유입되는 유입가스의 유동 경로가 변경 가능하게 마련되는 연료전지용 가습기로 이루어지는 기술이 공개특허공보 제10-2020-0056230호에서와 같이 공지된 바 있다.
하지만, 상기와 같은 기술은 주변 온도 변화에 따라 가스의 포화증기화가 상이하게 이루어짐으로 가스의 가습 상태가 일정하게 유지되지 않는 문제점이 있는 것이었다.
이에, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기가 요구되고 있는 실정이다.
1. 등록특허공보 제10-1137763호 2. 공개특허공보 제10-2020-0056230호 3. 등록특허공보 제10-1459780호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 연료전지의 스택을 조립한 다음 스택의 초기 성능 확보 및 성능을 유지하기 위하여 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 지정한 온도 상에서 용이하게 가습하여 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스가 항상 연료전지의 스택 활성화 장치에서 요구되는 상대습도, 온도, 유량 등을 반영하여 수소가스와 산소가스를 일정한 가습 상태로 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급될 수 있도록 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기를 제공하는데에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 각각 가습하기 위해 각각 동일한 형상으로 구비되어 사용되는 한 쌍의 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기에 있어서, 원통형으로 형성됨과 아울러 하부는 하측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되어 밀폐되며, 돔 형상의 하부에는 내측 하부에 수용되는 워터가 외부로 배출되는 드레인관을 갖는 가습부와, 상기 가습부의 상부를 감싸도록 형성되어 구비됨과 아울러 내측에는 수용 가능한 공간이 형성되어 구비되며, 상부는 상측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되는 상부케이스와, 상기 가습부의 하부에서 상부로 이격 연결되어 외부로부터 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 가습부의 내측으로 공급하는 반응기체공급관이 구비되고, 가습부 내측 상의 반응기체공급관 단부에는 코일 형태로 형성됨과 아울러 상측으로 연장되는 반응기체배출관이 구비되며, 반응기체배출관의 외주연 상에는 방사상으로 다수개가 관통되어 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 가습부의 내측으로 배출하는 배출공을 갖는 반응기체배출부와, 상기 가습부의 내측 상부에서 하부로 이격되어 구비됨과 아울러 내측에는 상하로 관통된 다수개의 통공이 형성되는 습분분리기지지부와, 상기 가습부의 내측에 구비됨과 아울러 습분분리기지지부의 상부에 구비되며, 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 포함된 수분의 제거를 도모하기 위해 구비되는 습분분리기와, 상기 상부케이스의 외주연을 일단이 관통하여 연결됨과 아울러 타단을 통해 워터를 공급받으며, 일단은 재차 연장되어 습분분리기 및 습분분리기지지부를 순차적으로 관통하여 가습부의 내측 하부로 연장되고, 연장된 일단의 단부는 밀폐되는 워터공급관과, 상기 가습부의 내측에 관체로 형성되어 다수개가 구비되며, 각각의 일단은 워터공급관 상에 방사상으로 상호 이격되어 연결 구비되고, 워터공급관으로부터 워터를 공급받는 분사관과, 상기 분사관 각각의 타단에 각각 연결 구비되어 분사관으로부터 워터를 공급받으며, 공급받은 워터를 미립화하여 가습부의 내측 하부로 분사하는 다수개의 분사노즐과, 상기 가습부의 하부에서 상부로 이격되어 연결 구비됨과 아울러 가습부 내측 하부에 수용되는 워터를 외부로 배출하도록 구비되는 워터배출관과, 상기 워터배출관과 연결되어 워터를 공급받는 제1워터펌프와, 상기 제1워터펌프와 연결되어 가습부의 내측을 지나온 워터를 내측으로 공급 받음과 아울러 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되며, 열교환된 워터는 연결된 워터공급관으로 공급하는 제1워터탱크와, 상기 가습부와 이격 구비됨과 아울러 외부로부터 워터를 공급받아 내측에 수용되며, 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되는 제2워터탱크와, 상기 제2워터탱크와 연결되어 제2워터탱크로부터 워터를 공급받는 제2워터펌프와, 상기 제2워터펌프 및 가습부와 연결되어 구비되며, 제2워터펌프로부터 워터를 공급받아 가습부의 내측으로 공급하는 워터보충관과, 상기 가습부 상에 연결 구비되어 가습부 내측에 수용되는 워터의 높이를 측정하는 워터수위측정부와, 상기 상부케이스의 상부에 연결 구비되어 습분분리기를 지나온 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관과, 상기 가습부와 이격 구비됨과 아울러 워터수위측정부와 연결되어 신호를 전달 받으며, 제1워터펌프, 제2워터펌프, 제1워터탱크, 제2워터탱크를 제어하도록 구비되는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기를 제공한다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기는 반응기체 배출부를 통해 가습부의 내측으로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나가 각각의 가습부 내측 하부에서 상부로 이동되며 용이하게 가습됨과 아울러 가습된 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나는 습분분리기를 지나며 잉여 수분이 제거됨으로 항상 일정한 가습 상태로 연료전지의 스택으로 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급할 수 있음과 아울러 제1워터탱크 및 제2워터탱크로 인해 반응 기체의 온도 또한 일정하게 유지하여 연료전지의 스택으로 공급할 수 있는 이점이 있는 것이다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 의한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기의 개략도,
도 3은 본 발명에 의한 노즐의 개략 단면도이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 보면 본 발명에 의한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)는 연료전지의 스택으로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 각각 가습하기 위해 각각 동일한 형상으로 구비되어 사용되는 한 쌍의 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)에 있어서, 원통형으로 형성됨과 아울러 하부는 하측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되어 밀폐되며, 돔 형상의 하부에는 내측 하부에 수용되는 워터가 외부로 배출되는 드레인관(10)을 갖는 가습부(12)와, 상기 가습부(12)의 상부를 감싸도록 형성되어 구비됨과 아울러 내측에는 수용 가능한 공간이 형성되어 구비되며, 상부는 상측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되는 상부케이스(14)와, 상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격 연결되어 외부로부터 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 반응기체공급관(16)이 구비되고, 가습부(12) 내측 상의 반응기체공급관(16) 단부에는 코일 형태로 형성됨과 아울러 상측으로 연장되는 반응기체배출관(18)이 구비되며, 반응기체배출관(18)의 외주연 상에는 방사상으로 다수개가 관통되어 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 가습부의 내측으로 배출하는 배출공(20)을 갖는 반응기체배출부(22)와, 상기 가습부(12)의 내측 상부에서 하부로 이격되어 구비됨과 아울러 내측에는 상하로 관통된 다수개의 통공이 형성되는 습분분리기지지부(24)와, 상기 가습부(12)의 내측에 구비됨과 아울러 습분분리기지지부(24)의 상부에 구비되며, 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 포함된 수분의 제거를 도모하기 위해 구비되는 습분분리기(26)와, 상기 상부케이스(14)의 외주연을 일단이 관통하여 연결됨과 아울러 타단을 통해 워터를 공급받으며, 일단은 재차 연장되어 습분분리기(26) 및 습분분리기지지부(24)를 순차적으로 관통하여 가습부(12)의 내측 하부로 연장되고, 연장된 일단의 단부는 밀폐되는 워터공급관(28)과, 상기 가습부(12)의 내측에 관체로 형성되어 다수개가 구비되며, 각각의 일단은 워터공급관(28) 상에 방사상으로 상호 이격되어 연결 구비되고, 워터공급관(28)으로부터 워터를 공급받는 분사관(30)과, 상기 분사관(30) 각각의 타단에 각각 연결 구비되어 분사관(30)으로부터 워터를 공급받으며, 공급받은 워터를 미립화하여 가습부(12)의 내측 하부로 분사하는 다수개의 분사노즐(32)과, 상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격되어 연결 구비됨과 아울러 가습부(12) 내측 하부에 수용되는 워터를 외부로 배출하도록 구비되는 워터배출관(34)과, 상기 워터배출관(34)과 연결되어 워터를 공급받는 제1워터펌프(36)와, 상기 제1워터펌프(36)와 연결되어 가습부(12)의 내측을 지나온 워터를 내측으로 공급 받음과 아울러 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되며, 열교환된 워터는 연결된 워터공급관(28)으로 공급하는 제1워터탱크(38)와, 상기 가습부(!2)와 이격 구비됨과 아울러 외부로부터 워터를 공급받아 내측에 수용되며, 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되는 제2워터탱크(40)와, 상기 제2워터탱크(40)와 연결되어 제2워터탱크(40)로부터 워터를 공급받는 제2워터펌프(42)와, 상기 제2워터펌프(42) 및 가습부(12)와 연결되어 구비되며, 제2워터펌프(42)로부터 워터를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 워터보충관(44)과, 상기 가습부(12) 상에 연결 구비되어 가습부(12) 내측에 수용되는 워터의 높이를 측정하는 워터수위측정부(46)와, 상기 상부케이스(14)의 상부에 연결 구비되어 습분분리기(26)를 지나온 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관(48)과, 상기 가습부(12)와 이격 구비됨과 아울러 워터수위측정부(46)와 연결되어 신호를 전달 받으며, 제1워터펌프(36), 제2워터펌프(42), 제1워터탱크(38), 제2워터탱크(40)를 제어하도록 구비되는 제어부(50)로 이루어진다.
먼저, 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 각각 가습하기 위해 각각 동일한 형상으로 구비되어 사용되는 한 쌍의 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)에 있어서, 원통형으로 형성됨과 아울러 하부는 하측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되어 밀폐되며, 돔 형상의 하부에는 내측 하부에 수용되는 워터가 외부로 배출되는 드레인관(10)을 갖는 가습부(12)가 구비된다.
이때, 상기 가습부(12)의 내측에 수용되는 워터는 후술되는 워터보충관(44)을 통해 가습부(12)의 내측으로 공급되는 워터이며, 워터의 온도는 제2워터탱크(40)에 의해 60~75℃ 조절되어 가습부(12)로 공급되는 것이다.
또한, 상기 드레인관(10) 상에는 미도시된 밸브가 구비되어 사용되는 것이며, 후술되는 제어부(50)의 제어에 의해 가습부(12) 상에 워터의 수위가 높을 시에 가습부(12) 내측의 워터를 외부로 배출하게 되는 것이다.
한편, 상기 가습부(12)의 외측에는 가습부를 감싸도록 형성되는 보온케이스(52)가 구비되어 사용될 수 있는 것이며, 보온케이스(52)가 구비되어 사용될 시에는 보온케이스(52)와 가습부 사이에 외부로부터 60~75℃의 온수를 공급받아 순환되는 열교환파이프(54)가 구비되어 사용되는 것이고, 이로 인해 가습부(12) 내측의 온도가 일정하게 유지 가능해지는 것이다.
또한, 상기 가습부(12) 상에는 미도시된 온도센서가 구비되어 후술되는 제어부(50)로 가습부(12) 내측의 온도 신호를 전달함이 바람직한 것이다.
상기 가습부(12)의 상부를 감싸도록 형성되어 구비됨과 아울러 내측에는 수용 가능한 공간이 형성되어 구비되며, 상부는 상측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되는 상부케이스(14)가 구비된다.
이때, 상기 상부케이스(14)는 가습부(12)와 분리 또는 결합 가능하도록 형성되는 것이며, 이로 인해 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)의 유지 보수가 용이해지는 것이다.
또한, 상기 상부케이스(14)의 상부가 돔 형상으로 형성됨으로써, 상부케이스(14)의 내측에 포집되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 용이하게 연료전지의 스택으로 공급할 수 있게되는 것이다.
상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격 연결되어 외부로부터 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 반응기체공급관(16)이 구비되고, 가습부(12) 내측 상의 반응기체공급관(16) 단부에는 코일 형태로 형성됨과 아울러 상측으로 연장되는 반응기체배출관(18)이 구비되며, 반응기체배출관(18)의 외주연 상에는 방사상으로 다수개가 관통되어 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 가습부의 내측으로 배출하는 배출공(20)을 갖는 반응기체배출부(22)가 구비된다.
이때, 상기 반응기체배출관(18)은 가습부(12) 상에 수용되는 워터에 잠기도록 구비되는 것이며, 이로 인해 배출공(20)을 통해 배출되는 반응 기체는 버블 형태로 가습부(12) 내측의 워터를 지나 가습부(12) 내측 상부로 이동되는 것이다.
상기 가습부(12)의 내측 상부에서 하부로 이격되어 구비됨과 아울러 내측에는 상하로 관통된 다수개의 통공이 형성되는 습분분리기지지부(24)가 구비된다.
또한, 상기 가습부(12)의 내측에 구비됨과 아울러 습분분리기지지부(24)의 상부에 구비되며, 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 포함된 수분의 제거를 도모하기 위한 습분분리기(26)가 구비된다.
이때, 상기 습분분리기(26)는 기체에 포함된 수분의 제거를 도모하는 통상적인 것이 사용되는 것이며, 통상적인 기수분리기가 사용되어도 무방한 것이다.
상기 상부케이스(14)의 외주연을 일단이 관통하여 연결됨과 아울러 타단을 통해 워터를 공급받으며, 일단은 재차 연장되어 습분분리기(26) 및 습분분리기지지부(24)를 순차적으로 관통하여 가습부(12)의 내측 하부로 연장되고, 연장된 일단의 단부는 밀폐되는 워터공급관(28)이 구비된다.
또한, 상기 가습부(12)의 내측에 관체로 형성되어 다수개가 구비되며, 각각의 일단은 워터공급관(28) 상에 방사상으로 상호 이격되어 연결 구비되고, 워터공급관(28)으로부터 워터를 공급받는 분사관(30)이 구비된다.
이때, 상기 분사관(30)은 도 1 내지 도 2에서와 같이 상하로 이격되어 다수개가 구비되며, 각각은 상하로 상호 교호되게 워터공급관(28) 상에 방사상으로 상호 이격 연결 구비됨이 바람직한 것이다.
상기 분사관(30) 각각의 타단에 각각 연결 구비되어 분사관(30)으로부터 워터를 공급받으며, 공급받은 워터를 미립화하여 가습부(12)의 내측 하부로 분사하는 다수개의 분사노즐(32)이 구비된다.
또한, 상기 분사노즐(32)은 입자를 잘게 쪼개어 분사하는 무화노즐로 이루어지는 것이 바람직한 것이며, 상기 분사노즐(32)은 내측에 일단에서 타단으로 용액이 이동될 수 있는 통로가 형성됨과 아울러 외주연에 나사산을 갖는 케이스(56)가 구비되며, 케이스(56)의 내측에는 방사상으로 관통된 다수개의 관통로가 형성된 브라켓(58)이 구비되고, 브라켓의 일단에는 이물질을 필터링하는 스크린(60)이 구비되며, 브라켓(58)의 타단에는 외주연에 나사산 형상으로 내입된 와류홈(62)이 형성됨과 아울러 와류홈(62)을 통해 외부로 용액을 배출하는 와류체(64)가 연결 구비되어 이루어지는 것이 더욱 바람직한 것이다.
이때, 상기 분사노즐(32)을 통해 워터가 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 공급되는 것이며, 이로 인해 반응 기체가 용이하게 가습되는 것이다.
한편, 상기 분사노즐(32)을 통해 반응 기체로 공급되는 워터의 온도는 후술되는 제1워터탱크(38)로 인해 60~75℃의 온도로 공급되는 것이다.
상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격되어 연결 구비됨과 아울러 가습부(12) 내측 하부에 수용되는 워터를 외부로 배출하는 워터배출관(34)이 구비된다.
또한, 상기 워터배출관(34)과 연결되어 워터를 공급받는 제1워터펌프(36)가 구비된다.
상기 제1워터펌프(36)와 연결되어 가습부(12)의 내측을 지나온 워터를 내측으로 공급 받음과 아울러 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되며, 열교환된 워터는 연결된 워터공급관(28)으로 공급하는 제1워터탱크(38)가 구비된다.
이때, 상기 제1워터탱크(38) 상에 구비되는 열교환수단은 워터의 온도를 사용자가 지정한 온도인 60~75℃의 온도로 조절할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방한 것이며, 히터가 사용되어도 무방한 것이다.
또한, 상기 제1워터탱크(38) 상에는 미도시된 온도 센서가 구비되어 후술되는 제어부(50)로 신호를 전달함이 바람직한 것이다.
상기 가습부(12)와 이격 구비됨과 아울러 외부로부터 워터를 공급받아 내측에 수용되며, 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되는 제2워터탱크(40)가 구비된다.
이때, 상기 제2워터탱크(40) 상에 구비되는 열교환수단은 워터의 온도를 사용자가 지정한 온도로 조절할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방한 것이며, 히터가 사용되어도 무방한 것이다.
또한, 상기 제2워터탱크(40)와 연결되어 제2워터탱크(40)로부터 워터를 공급받는 제2워터펌프(42)가 구비되고, 제2워터펌프(42) 및 가습부(12)와 연결되어 구비되며, 제2워터펌프(42)로부터 워터를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 워터보충관(44)이 구비된다.
한편, 상기 제2워터탱크(40), 제2워터펌프(42), 워터보충관(44) 및 후술되는 워터수위측정부(46), 제어부(50)로 인해 가습부(12)의 내측에 수용되는 워터의 수위가 일정하게 유지될 뿐만 아니라 워터의 온도 또한 일정하게 유지되는 것이다.
상기 가습부(12) 상에 연결 구비되어 가습부(12) 내측에 수용되는 워터의 높이를 측정하는 워터수위측정부(46)가 구비된다.
이때, 상기 워터수위측정부(46) 상에는 통상적인 수위레벨센서 다수개 구비되어 사용되는 것이며, 측정된 워터의 수위는 제어부(50)로 신호를 전달하게 되는 것이다.
또한, 상기 워터수위측정부(46) 상에는 투명하게 형성되는 미도시된 투시창이 형성되어 사용자가 직관적으로 가습부(12) 상의 수위를 확인할 수 있도록 함이 더욱 바람직한 것이다.
상기 상부케이스(14)의 상부에 연결 구비되어 습분분리기(26)를 지나온 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관(48)이 구비된다.
상기 가습부(12)와 이격 구비됨과 아울러 워터수위측정부(46)와 연결되어 신호를 전달 받으며, 제1워터펌프(36), 제2워터펌프(42), 제1워터탱크(38), 제2워터탱크(40)를 제어하는 제어부(50)가 구비된다.
이때, 상기 제어부(50)는 워터수위측정부(46), 제1워터펌프(36), 제2워터펌프(42), 제1워터탱크(38), 제2워터탱크(40) 및 미도시된 다수의 온도센서와 연결되어 신호를 주고 받는 것이다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)는 반응기체 배출부(22)를 통해 가습부(12)의 내측으로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나가 각각의 가습부(12) 내측 하부에서 상부로 이동되며 용이하게 가습됨과 아울러 가습된 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나는 습분분리기(26)를 지나며 잉여 수분이 제거됨으로 항상 일정한 가습 상태로 연료전지의 스택으로 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급할 수 있음과 아울러 제1워터탱크(38) 및 제2워터탱크(40)로 인해 반응 기체의 온도 또한 일정하게 유지하여 연료전지의 스택으로 공급할 수 있는 이점이 있는 것이다.
10 : 드레인관 12 : 가습부
14 : 상부케이스 16 : 반응기체공급관
18 : 반응기체배출관 20 : 배출공
22 : 반응기체배출부 24 : 습분분리기지지부
26 : 습분분리기 28 : 워터공급관
30 : 분사관 32 : 분사노즐
34 : 워터배출관 36 : 제1워터펌프
38 : 제1워터탱크 40 : 제2워터탱크
42 : 제2워터펌프 44 : 워터보충관
46 : 워터수위측정부 48 : 공급관
50 : 제어부 52 : 보온케이스
54 : 열교환파이프 56 : 케이스
58 : 브라켓 60 : 스크린
62 : 와류홈 64 : 와류체

Claims (5)

  1. 연료전지의 스택 활성화 장치로 공급되는 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스를 각각 가습하기 위해 각각 동일한 형상으로 구비되어 사용되는 한 쌍의 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기(2)에 있어서,
    원통형으로 형성됨과 아울러 하부는 하측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되어 밀폐되며, 돔 형상의 하부에는 내측 하부에 수용되는 워터가 외부로 배출되는 드레인관(10)을 갖는 가습부(12);
    상기 가습부(12)의 상부를 감싸도록 형성되어 구비됨과 아울러 내측에는 수용 가능한 공간이 형성되어 구비되며, 상부는 상측으로 돌출되는 돔 형상으로 형성되는 상부케이스(14);
    상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격 연결되어 외부로부터 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 반응기체공급관(16)이 구비되고, 가습부(12) 내측 상의 반응기체공급관(16) 단부에는 코일 형태로 형성됨과 아울러 상측으로 연장되는 반응기체배출관(18)이 구비되며, 반응기체배출관(18)의 외주연 상에는 방사상으로 다수개가 관통되어 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 가습부의 내측으로 배출하는 배출공(20)을 갖는 반응기체배출부(22);
    상기 가습부(12)의 내측 상부에서 하부로 이격되어 구비됨과 아울러 내측에는 상하로 관통된 다수개의 통공이 형성되는 습분분리기지지부(24);
    상기 가습부(12)의 내측에 구비됨과 아울러 습분분리기지지부(24)의 상부에 구비되며, 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나에 포함된 수분의 제거를 도모하기 위해 구비되는 습분분리기(26);
    상기 상부케이스(14)의 외주연을 일단이 관통하여 연결됨과 아울러 타단을 통해 워터를 공급받으며, 일단은 재차 연장되어 습분분리기(26) 및 습분분리기지지부(24)를 순차적으로 관통하여 가습부(12)의 내측 하부로 연장되고, 연장된 일단의 단부는 밀폐되는 워터공급관(28);
    상기 가습부(12)의 내측에 관체로 형성되어 다수개가 구비되며, 각각의 일단은 워터공급관(28) 상에 방사상으로 상호 이격되어 연결 구비되고, 워터공급관(28)으로부터 워터를 공급받는 분사관(30);
    상기 분사관(30) 각각의 타단에 각각 연결 구비되어 분사관(30)으로부터 워터를 공급받으며, 공급받은 워터를 미립화하여 가습부(12)의 내측 하부로 분사하는 다수개의 분사노즐(32);
    상기 가습부(12)의 하부에서 상부로 이격되어 연결 구비됨과 아울러 가습부(12) 내측 하부에 수용되는 워터를 외부로 배출하도록 구비되는 워터배출관(34);
    상기 워터배출관(34)과 연결되어 워터를 공급받는 제1워터펌프(36);
    상기 제1워터펌프(36)와 연결되어 가습부(12)의 내측을 지나온 워터를 내측으로 공급 받음과 아울러 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되며, 열교환된 워터는 연결된 워터공급관(28)으로 공급하는 제1워터탱크(38);
    상기 가습부(12)와 이격 구비됨과 아울러 외부로부터 워터를 공급받아 내측에 수용되며, 내측에는 열교환수단이 구비되어 워터의 열교환이 도모되는 제2워터탱크(40);
    상기 제2워터탱크(40)와 연결되어 제2워터탱크(40)로부터 워터를 공급받는 제2워터펌프(42);
    상기 제2워터펌프(42) 및 가습부(12)와 연결되어 구비되며, 제2워터펌프(42)로부터 워터를 공급받아 가습부(12)의 내측으로 공급하는 워터보충관(44);
    상기 가습부(12) 상에 연결 구비되어 가습부(12) 내측에 수용되는 워터의 높이를 측정하는 워터수위측정부(46);
    상기 상부케이스(14)의 상부에 연결 구비되어 습분분리기(26)를 지나온 반응 기체인 수소가스 또는 산소가스 중 선택된 어느 하나를 공급받아 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관(48);
    상기 가습부(12)와 이격 구비됨과 아울러 워터수위측정부(46)와 연결되어 신호를 전달 받으며, 제1워터펌프(36), 제2워터펌프(42), 제1워터탱크(38), 제2워터탱크(40)를 제어하도록 구비되는 제어부(50);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가습부(12)의 외측에는 가습부를 감싸도록 형성되는 보온케이스(52)가 구비되며, 보온케이스(52)와 가습부(12) 사이에는 외부로부터 60~75℃의 온수를 공급받아 순환되는 열교환파이프(54)가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분사관(30)은 상하로 이격되어 다수개가 구비되며, 각각은 상하로 상호 교호되게 워터공급관(28) 상에 방사상으로 상호 이격 연결 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분사노즐(32)은 입자를 잘게 쪼개어 분사하는 무화노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분사노즐(32)은 내측에 일단에서 타단으로 용액이 이동될 수 있는 통로가 형성됨과 아울러 외주연에 나사산을 갖는 케이스(56)가 구비되며, 케이스(56)의 내측에는 방사상으로 관통된 다수개의 관통로가 형성된 브라켓(58)이 구비되고, 브라켓의 일단에는 이물질을 필터링하는 스크린(60)이 구비되며, 브라켓(58)의 타단에는 외주연에 나사산 형상으로 내입된 와류홈(62)이 형성됨과 아울러 와류홈(62)을 통해 외부로 용액을 배출하는 와류체(64)가 연결 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101137763B1 (ko) 2009-09-16 2012-04-24 주식회사 하이젠 연료전지용 활성화장치
KR101459780B1 (ko) 2008-08-27 2014-11-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법
KR20200056230A (ko) 2018-11-14 2020-05-22 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

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