KR20230144871A - 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템 - Google Patents

연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230144871A
KR20230144871A KR1020220044125A KR20220044125A KR20230144871A KR 20230144871 A KR20230144871 A KR 20230144871A KR 1020220044125 A KR1020220044125 A KR 1020220044125A KR 20220044125 A KR20220044125 A KR 20220044125A KR 20230144871 A KR20230144871 A KR 20230144871A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
water
fuel cell
air compressor
discharge passage
Prior art date
Application number
KR1020220044125A
Other languages
English (en)
Inventor
김태영
이주용
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020220044125A priority Critical patent/KR20230144871A/ko
Publication of KR20230144871A publication Critical patent/KR20230144871A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 문서의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기는, 공기의 유입을 위한 유입구와 연료전지 스택에 연통되게 마련되는 배출구가 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에서 상기 공기의 압축을 위해 회전 가능하게 마련되는 회전부, 상기 유입구에서 상기 회전부로 상기 공기가 유동하도록 마련된 유입유로, 상기 회전부에서 상기 배출구로 상기 공기가 유동하도록 마련된 배출유로 및 상기 배출유로에 물이 공급되도록 상기 케이스에 마련되는 수로를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템 {AIR COMPRESSOR FOR FUEL CELL AND AIR CIRCULATION SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 문서는 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템에 관한 것이다.
석유에너지의 대체에너지로서 친환경 에너지에 대한 중요성이 커지고 있으며, 특히 수소연료전지와 같이 수소에너지기술은, 수소와 산소의 화학반응을 이용하며 부산물로 물이 생성되므로 친환경 에너지원으로서 발전이 기대되는 기술 중 하나이다.
수소연료전지를 이용함에 있어서, 연료전지 스택에 수소와 산소의 원활한 공급이 필요하다. 수소는 고밀도로 수소가 저장된 수소탱크를 통해 연료전지 스택에 공급될 수 있으며, 산소는 공기압축기를 통해 외기를 흡입하여 연료전지 스택에 공급될 수 있다.
종래에 따르면, 연료전지 스택에 습도가 조절된 공기를 공급하기 위해 별도의 가습장치가 필요하였으며, 이는 연료전지시스템 내의 공간 활용도를 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 연료전지시스템에서 출력의 정도에 따라 적응적으로 습도를 조절하는 것에 어려움이 있었다.
본 문서의 과제는 별도의 가습장치 없이 공기압축기를 통한 공기압축과정에서 습도가 조절될 수 있고, 출력의 정도에 따라 적응적으로 습도가 조절될 수 있는 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템을 제공하는 것이다.
본 문서의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기는, 공기의 유입을 위한 유입구와 연료전지 스택에 연통되게 마련되는 배출구가 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에서 상기 공기의 압축을 위해 회전 가능하게 마련되는 회전부, 상기 유입구에서 상기 회전부로 상기 공기가 유동하도록 마련된 유입유로, 상기 회전부에서 상기 배출구로 상기 공기가 유동하도록 마련된 배출유로 및 상기 배출유로에 물이 공급되도록 상기 케이스에 마련되는 수로를 포함할 수 있다.
본 문서의 실시 예들에 의하면, 공기압축과정에서 습도가 조절되므로 별도의 가습장치가 필요하지 않을 수 있다.
본 문서의 실시 예들에 의하면, 별도의 가습장치가 필요하지 않으므로 공간활용도가 커질 수 있다.
본 문서의 실시 예들에 의하면, 출력의 정도에 따라 선택적인 가습이 자동으로 수행되므로 상황에 적응적인 습도 조절이 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기의 홀 및 수로를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기에서 공기압축에 기초하여 가습이 되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기의 돌출부를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기에서 공기압축에 기초하여 가습이 되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 공기순환시스템을 나타내는 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시 예들에 따른 공기순환시스템의 효과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기(1)를 나타낸다.
공기압축기(1)의 구조
연료전지용 공기압축기(이하 '공기압축기')(1)는 케이스(10)를 포함할 수 있다. 케이스(10)는 공기압축기(1)의 외곽을 형성할 수 있다.
케이스(10)는 유입구(11)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이스(10)는 공기(또는 외기)의 유입(또는 흡입)을 위한 유입구(11)를 포함할 수 있다.
케이스(10)는 배출구(13)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이스(10)는 유입된 공기의 배출을 위한 배출구(13)를 포함할 수 있다. 또한, 배출구(13)는 공기압축기(1) 외부의 연료전지 스택(예: 도 8의 연료전지 스택(3))과 연통될 수 있다.
공기압축기(1)는 회전부(20)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전부(20)는 케이스(10) 내부에 마련될 수 있다. 회전부(20)는 공기의 압축을 위해 케이스(10) 내부에 회전 가능하게 배치될 수 있다.
케이스(10)는 유입유로(11-1)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유입유로(11-1)는, 유입구(11)에서 회전부(20)로 공기가 유동하도록 마련된 유로일 수 있다.
케이스(10)는 배출유로(12)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배출유로(12)는, 회전부(20)에서 배출구(13)로 공기가 유동하도록 마련된 유로일 수 있다.
케이스(10)는 분리부(14)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리부(14)는 배출유로(12)와 수로(40)가 연통되지 않게, 배출유로(12)와 수로(40)를 분리하도록 케이스(10)에 마련되는 부분일 수 있다.
공기압축기(1)는 수로(40)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수로(40)는 배출유로(12)에 물이 공급되도록 케이스(10)에 마련될 수 있다. 수로(40)는 배출유로(12)와 인접하게 형성되되, 배출유로(12)와 공간적으로 분리되도록 케이스(10)에 마련될 수 있다.
공기압축기(1)의 동작
공기압축기(1)는 회전부(20)에 기초하여, 공기를 유입 및 배출시킬 수 있다. 회전부(20)는, 회전에 의해, 공기를 케이스(10) 내부로 유입시킬 수 있으며, 유입된 공기를 케이스(10) 외부로 배출시킬 수 있다. 예를 들어, 회전부(20)의 회전에 따라, 공기가 유입구(11)를 통해 유입되어 유입유로(11-1)에서 유동할 수 있다. 회전부(20)의 회전에 따라, 공기가 배출유로(12)를 따라 배출구(13)로 배출될 수 있다.
공기압축기(1)는, 공기압축과정에서, 배출유로(12)에 물을 공급할 수 있다. 회전부(20)의 회전에 따라 압축된 공기는 배출유로(12)에서 압력 및 온도가 상승할 수 있으며, 수로(40)의 물이 기화되어 배출유로(12)에 공급될 수 있다. 상술한 바에 따라, 공기압축기(1)는 습도가 조절된 압축공기를 배출시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기(1)의 홀(30) 및 수로(40)를 나타낸다. 전술한 실시 예에 따른 설명은, 이하의 설명에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
홀(30)의 구조
공기압축기(1)는 홀(30)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홀(30)은 케이스(10)에 형성되되, 배출유로(12)와 수로(40) 사이에 마련될 수 있다. 홀(30)은 배출유로(12)와 수로(40)를 연통시킬 수 있다. 수로(40)의 물은 홀(30)을 통해 배출유로(12)에 공급될 수 있다.
홀(30)은 소정의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 홀(30)은, 수로(40)의 물이 상변화에 기초하여 선택적으로 배출유로(12)에 공급되도록 소정 크기를 가질 수 있다. 구체적인 예를 들면, 홀(30)은 미세홀로서, 기체상태의 물이 통과 가능한 크기의 홀일 수 있다. 또한, 홀(30)은 액체상태의 물의 통과는 억제하는 크기를 가질 수 있다.
홀(30)은 복수개 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(30)은 회전부(20)를 중심으로, 회전부(20)를 둘러싸도록 복수개 형성될 수 있다. 홀(30)은 배출유로(12)를 따라 복수개 형성될 수 있다.
수로(40)의 구조
수로(40)는 홀(30)을 커버하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 수로(40)는 홀(30)이 형성된 영역을 커버하도록 형성되어, 공기압축기(1)는 홀(30)을 통해 배출유로(12)에 물이 공급 가능할 수 있다. 다른 예를 들어, 홀(30)이 복수개 형성된 경우, 수로(40)는 홀(30)이 복수개 형성된 영역을 적어도 커버하도록 형성될 수 있다.
수로(40)는, 케이스(10)의 외곽에서 홀(30)까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 수로(40)는 케이스(10)의 외부에서 물이 공급되기 위해, 케이스(10)의 외곽으로부터 홀(30)을 커버하도록 홀(30)까지 연장될 수 있다. 다른 예를 들어, 수로(40)는, 연료전지 스택(예: 도 8의 연료전지 스택(3))으로부터 물을 공급받기 위해, 홀(30)에서 연료전지 스택까지 연장될 수 있다. 홀(30)이 복수개 형성된 경우, 수로(40)는 케이스(10)의 외부에서 홀(30)이 복수개 형성된 영역까지 연장될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기(1)에서 공기압축에 기초하여 가습이 되는 모습을 나타낸다. 전술한 실시 예에 따른 설명은, 이하의 설명에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
공기압축기(1)의 공기유동
도 3을 참조하면, 공기압축기(1)는 회전부(20)의 회전에 따라 공기를 흡입 및 배출시킬 수 있다. 회전부(20)가 빠르게 회전할수록 더 많은 공기가 유동될 수 있다. 예를 들어, 공기압축기(1)는 회전부(20)의 회전속도가 증가할수록 더 많은 공기를 흡입 및 배출시킬 수 있다.
공기압축기(1)는 회전부(20)의 회전에 따라 흡입된 공기를 배출시키는 경우, 배출공기는 도 3에 도시한 것과 같은 경로를 가지는 공기 유동을 가질 수 있다. 예를 들어, 배출공기는 회전부(20)의 회전반경의 접선방향을 향해 유동될 수 있다.
배출유로(12)를 지나는 공기는 압축될 수 있다. 공기압축기(1)에서 회전부(20)가 빠르게 회전될수록, 배출유로(12)를 지나는 공기의 압축 정도가 커질 수 있다. 공기가 압축되면, 공기의 압력이 상승하고 온도가 상승할 수 있다.
공기압축기(1)에서 배출유로(12)에서 공기의 유동경로 상에 홀(30)이 형성될 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 공기는 회전부(20)를 중심으로 복수의 경로로 유동하므로, 홀(30)도 복수개 형성될 수 있다.
공기압축기(1)의 습도조절
도 4를 참조하면, 분리부(14)는 배출유로(12)와 수로(40)가 연통되지 않게 분리할 수 있다. 배출유로(12)와 수로(40)는 홀(30)을 통해서만 연통될 수 있다. 회전부(20)의 회전속도가 증가함에 따라 배출유로(12)에서 유동하는 공기의 온도가 상승할 수 있다. 이 경우, 분리부(14)는, 수로(40)의 물이 기화되도록, 배출유로(12)의 열을 수로(40)로 열전달시킬 수 있다. 분리부(14)는, 효과적인 열전달을 위해, 열전도도가 높은 재질이 바람직할 수 있다. 배출유로(12)에서 유동하는 공기의 열이 분리부(14)를 통해 수로(40)에 전달된 경우, 수로(40)의 물은 임계온도 이상 상승하면 적어도 일부 기화될 수 있다.
회전부(20)의 회전속도가 빠른 경우가, 회전부(20)의 회전속도가 느린 경우보다, 수로(40)에서 기화되는 물의 양이 커질 수 있다. 다른 말로 설명하면, 회전부(20)의 회전속도가 빠른 경우가, 회전부(20)의 회전속도가 느린 경우보다, 수로(40)에서 배출유로(12)로 공급되는 물의 양이 많아질 수 있다.
홀(30)은 소정의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 홀(30)은 수로(40)의 물이 배출유로(12)에 선택적으로 공급되도록, 기화상태의 물은 통과 가능하고, 액체상태의 물은 통과를 억제하는 크기를 가질 수 있다. 다른 말로 설명하면, 홀(30)은 기화된 물이 통과될 수 있는 크기를 가지며, 회전부(20)의 회전속도가 빠를수록 더 많은 양의 기화된 물(또는 수증기)이 통과될 수 있다.
수로(40)에서 배출유로(12)로 공급된 기화된 물은 공기유동을 따라 유동할 수 있다. 배출유로(12)에서 유동하는 배출공기는, 기화된 물과 함께 유동될 수 있다. 수로(40)에서 기화된 물은, 배출유로(12)에서 유동하는 배출공기가 홀(30) 상으로 빠르게 지나가는 압력에 의해, 배출유로(12)로 보다 원활하게 공급될 수 있다.
연료전지시스템에서 고출력이 요구될수록 많은 공기가 필요하므로, 공기압축기(1)에서의 회전부(20)의 회전속도는 빨라질 수 있다. 회전부(20)의 회전속도는 빨라질수록 배출유로(12)에 공급되는 기화된 물의 양이 많아지므로 습도가 상대적으로 높은 배출공기를 연료전지 스택(예: 도 8의 연료전지 스택(3))에 공급할 수 있다. 반대로, 연료전지시스템에서 저출력이 요구될수록 적은 공기가 필요하므로, 공기압축기(1)에서의 회전부(20)의 회전속도는 느려질 수 있다. 회전부(20)의 회전속도는 느려질수록 배출유로(12)에 공급되는 기화된 물의 양이 적어지므로 습도가 상대적으로 낮은 배출공기를 연료전지 스택(예: 도 8의 연료전지 스택(3))에 공급할 수 있다. 따라서, 공기압축기(1)에서 배출되는 습도가 필요에 따라 선택적으로 또는 자동으로 조절될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기(1')의 돌출부(50)를 나타낸다. 전술한 실시 예에 따른 설명은, 이하의 설명에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
돌출부(50)의 구조
도 5를 참조하면, 공기압축기(1')는 돌출부(50)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기압축기(1')는 케이스(10)(또는케이스(10)의 분리부(14))에서 배출유로(12)를 향해 돌출되도록 마련되는 돌출부(50)를 포함할 수 있다.
돌출부(50)는 홀(51)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)에는 배출유로(12)와 수로(40)를 연통시키는 홀(51)이 형성될 수 있다. 돌출부(50)는 홀(51)을 복수개 포함할 수 있다.
돌출부(50)는 회전부(20)를 중심으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)는 회전부(20)를 둘러싸는 배열로 복수개 형성될 수 있다.
돌출부(50)는 공기의 유동을 가이드할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)는 공기의 유동이 가이드 되도록, 배출유로(12)에서 공기가 유동하는 유동방향의 적어도 일부를 따라 연장될 수 있다.
도 6을 참조하면, 돌출부(50)는 일측면(50-1) 및 타측면(50-2)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)는 공기의 유동속도가 빨라지게 유선형으로 형성되는 일측면(50-1)을 포함할 수 있다. 공기가 돌출부(50)를 지나면서 유동하는 경우, 일측면(50-1)에 대응하는 제1 유동영역(52)에서의 유동속도는, 타측면(50-2)에 대응하는 제2 유동영역(53)에서의 유동속도보다 빠를 수 있다.
돌출부(50)는 홀(51)을 포함할 수 있다. 홀(51)은 돌출부(50)의 일측면(50-1)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(51)은 공기의 유동속도가 빨라지도록 유선형으로 형성된 일측면(50-1)에 형성될 수 있다. 돌출부(50)에는 홀(51)이 복수개 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기압축기(1')에서 공기압축에 기초하여 가습이 되는 모습을 나타낸다. 전술한 실시 예에 따른 설명은, 이하의 설명에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
돌출부(50)의 구조
돌출부(50)는, 수로(40)가 배출유로(12)의 일부 공간을 점유하도록 돌출될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(50)는, 배출유로(12)와 수로(40)를 분리하기 위해 케이스(10)에 마련된 분리부(14)에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 돌출부(50)는, 분리부(14)에서 배출유로(12)를 향해 돌출되도록 형성될 수 있다. 돌출부(50)는 수로(40)의 점유공간이 배출유로(12)가 점유하는 공간의 일부 공간을 점유하도록 돌출될 수 있다. 돌출부(50)의 돌출에 의해 수로(40)가 점유하는 배출유로(12)의 일부 공간은, 돌출부(50)가 둘러싸는 공간의 부피에 대응될 수 있다. 예를 들어, 수로(40)는, 돌출부(50)의 상면, 일측면(50-1) 및 타측면(50-2)이 둘러싸는 공간의 부피만큼, 배출유로(12)의 공간을 점유할 수 있다.
돌출부(50)에 형성된 홀(51)은, 기화상태의 물이 통과 가능한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 홀(51)은, 수로(40)의 물이 기화되어 기화상태로 유동하는 경우 통과 가능한 크기를 가질 수 있고, 액체상태의 물의 통과는 억제되는 크기를 가질 수 있다.
공기압축기(1')의 습도조절
수로(40)에서 배출유로(12)로 공급된 기화된 물은 공기유동을 따라 유동할 수 있다. 배출유로(12)에서 유동하는 배출공기는, 수로(40)에서 기화된 물과 함께 유동될 수 있다. 수로(40)에서 기화된 물은, 배출유로(12)에서 유동하는 배출공기가 홀(51) 주변을 빠르게 지나가는 압력에 의해, 배출유로(12)로 보다 원활하게 공급될 수 있다.
돌출부(50)의 일측면(50-1)은 상술한 바와 같이 유선형으로 형성될 수 있으며, 이 경우 유선형의 일측면(50-1)의 주위영역인 제1 유동영역(52)을 지나가는 공기의 유속이, 타측면(50-2)의 주위영역인 제2 유동영역(53)을 지나가는 공기의 유속보다 빠를 수 있다. 수로(40)에서 기화된 물은, 홀(51)을 통과하면서 빠른 유속이 형성된 제1 유동영역(52)에 공급될 수 있다. 공기의 유속이 상대적으로 빠르게 형성된 제1 유동영역(52) 측에 홀(51)이 형성됨으로써, 배출유로(12)에 기화상태의 물이 빠르게 공급될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 공기순환시스템(100)을 나타내고, 도 9a 및 9b는 본 발명의 실시 예들에 따른 공기순환시스템(100)의 효과를 나타낸다. 전술한 실시 예에 따른 설명은, 이하의 설명에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
공기순환시스템(100)의 구성
도 8을 참조하면, 공기순환시스템(100)은 공기압축기(1, 1')를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기압축기(1, 1')는, 내부에 공기의 압축을 위해 회전 가능하게 마련되는 회전부(20)가 구비되되, 유입된 공기가 배출되는 배출유로(12)에 물을 공급하여 배출공기의 습도가 조절되도록 마련된 수로(40)를 포함할 수 있다. 공기압축기(1, 1')는, 공간적으로 분리된 배출유로(12)와 수로(40)를 연통시키도록 배출유로(12)와 수로(40) 사이에 형성된 홀(30, 51)을 포함할 수 있다. 홀(30, 51)은 수로(40)의 물의 상변화에 기초하여 물이 선택적으로 배출유로(12)에 공급되도록 소정 크기를 가질 수 있다. 공기압축기(1, 1')에는, 도 1 내지 7을 참조하여 설명한 내용이 적용될 수 있다.
공기순환시스템(100)은 연료전지 스택(3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(3)은 공기압축기(1, 1')에서 습도가 조절되어 배출된 배출공기를 제공받아 화학반응에 이용할 수 있다.
공기순환시스템(100)은 쿨러(2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿨러(2)는 공기압축기(1, 1')로부터 배출되는 배출공기에 대한 냉각을 수행할 수 있다. 또한, 쿨러(2)는 냉각된 배출공기를 연료전지 스택(3)에 제공할 수 있다.
공기순환시스템(100)은 응축기(4)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응축기(4)는 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분을 포함하는 가스에 대한 냉각을 수행할 수 있다. 또한, 응축기(4)는 냉각된 가스를 공기압축기(1, 1')에 공급하기 위해 수로(40)와 연결될 수 있다.
공기순환시스템(100)의 효과
도 9a를 참조하면, 종래의 공기순환시스템은, 공기압축기를 이용하여 공기압축을 하고, 압축공기를 냉각시키고, 냉각된 압축공기에 가습을 하는 과정을 거쳤으므로 별도의 가습장치(또는 가습기)가 필요하였다.
도 9b를 참조하면, 본 발명에 따른 공기압축기(1, 1') 및 공기순환시스템(100)에 따라, 습도가 조절된 압축공기가 형성될 수 있다. 다시 설명하면, 가습형의 공기압축기(1, 1')를 이용하여 공기를 압축하는 과정에서 물이 공급되어 습도가 조절되므로, 공기압축과정이 간단하고 단순하게 구현되면서도 별도의 가습장치가 필요하지 않을 수 있다. 별도의 가습장치가 필요하지 않으므로 시스템 내에서의 공간활용도가 커질 수 있다. 또한, 출력의 정도에 따라 선택적인 가습이 자동으로 수행되므로 상황에 적응적인 습도 조절이 수행될 수 있다.
도 9a 내지 9b에 도시된 압력, 온도, 절대습도, 상대습도의 숫자들은 예시이며, 이에 제한되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 연료전지용 공기압축기
1': 연료전지용 공기압축기
2: 쿨러
3: 연료전지 스택
4: 응축기
10: 케이스
11: 유입구
11-1: 유입유로
12: 배출유로
13: 배출구
14: 분리부
20: 회전부
30: 홀
40: 수로
50: 돌출부
50-1: 일측면
50-2: 타측면
51: 홀
52: 제1 유동영역
53: 제2 유동영역
100: 공기순환시스템

Claims (18)

  1. 공기의 유입을 위한 유입구와 연료전지 스택에 연통되게 마련되는 배출구가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 내부에서 상기 공기의 압축을 위해 회전 가능하게 마련되는 회전부;
    상기 유입구에서 상기 회전부로 상기 공기가 유동하도록 마련된 유입유로;
    상기 회전부에서 상기 배출구로 상기 공기가 유동하도록 마련된 배출유로; 및
    상기 배출유로에 물이 공급되도록 상기 케이스에 마련되는 수로를 포함하는, 연료전지용 공기압축기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 배출유로와 상기 수로를 연통시키는 홀을 더 포함하는, 연료전지용 공기압축기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 홀은,
    상기 물이 상기 배출유로에 선택적으로 공급되도록, 기화상태의 물은 통과 가능하고, 액체상태의 물의 통과는 억제하는 크기를 가지는, 연료전지용 공기압축기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이스는 상기 배출유로와 상기 수로가 연통되지 않도록 분리하는 분리부를 포함하고,
    상기 분리부는,
    상기 회전부의 회전속도가 증가함에 따라 상기 배출유로에서 상기 공기의 온도가 상승하는 경우, 상기 수로의 상기 물이 기화되도록 상기 공기의 온도를 상기 수로로 열전달하는, 연료전지용 공기압축기.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 홀은,
    상기 회전부를 둘러싸는 형태로 형성된 복수개의 홀들을 포함하는, 연료전지용 공기압축기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수로는,
    상기 복수개의 홀들이 형성된 영역을 커버하는, 연료전지용 공기압축기.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 수로는,
    상기 케이스의 외곽으로부터 상기 홀까지 연장되는, 연료전지용 공기압축기.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이스에서 상기 배출유로를 향해 돌출되도록 마련되는 돌출부를 더 포함하고,
    상기 홀은 상기 돌출부에 형성되는, 연료전지용 공기압축기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 공기의 유동속도가 빨라지게 유선형으로 형성되는 측면을 포함하고,
    상기 홀은 상기 측면에 형성되는, 연료전지용 공기압축기.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 공기의 유동이 가이드 되도록, 상기 배출유로에서 상기 공기가 유동하는 유동방향의 적어도 일부를 따라 연장되는, 연료전지용 공기압축기.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 배출유로와 상기 수로를 분리하기 위해 상기 케이스에 마련된 분리부에 형성되되, 상기 수로가 상기 배출유로의 일부 공간을 점유하도록 돌출되는, 연료전지용 공기압축기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 일부 공간은,
    상기 돌출부가 둘러싸는 공간의 부피에 대응되는, 연료전지용 공기압축기.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 홀은,
    기화상태의 물이 통과 가능한 크기를 가지는, 연료전지용 공기압축기.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 수로는,
    상기 연료전지 스택으로부터 물을 공급받기 위해, 상기 연료전지 스택까지 연장되는, 연료전지용 공기압축기.
  15. 내부에 공기의 압축을 위해 회전 가능하게 마련되는 회전부가 구비되되, 유입된 공기가 배출되는 배출유로에 물을 공급하여 배출공기의 습도가 조절되도록 마련된 수로를 포함하는 연료전지용 공기압축기; 및
    상기 배출공기를 제공받아 화학반응에 이용하도록 마련된 연료전지 스택을 포함하는, 공기순환시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 공기압축기로부터 배출되는 배출공기에 대한 냉각을 수행하되, 냉각된 상기 배출공기를 상기 연료전지 스택에 제공하도록 마련된 쿨러를 더 포함하는, 공기순환시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 수분을 포함하는 가스에 대한 냉각을 수행하되, 냉각된 상기 가스를 상기 공기압축기에 공급하기 위해 상기 수로와 연결되도록 마련된 응축기를 더 포함하는, 공기순환시스템.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 공기압축기는,
    공간적으로 분리된 상기 배출유로와 상기 수로를 연통시키도록 상기 배출유로와 상기 수로 사이에 형성되되, 상기 물의 상변화에 기초하여 상기 물이 선택적으로 공급되도록 소정 크기를 가지는 홀을 더 포함하는, 공기순환시스템.
KR1020220044125A 2022-04-08 2022-04-08 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템 KR20230144871A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220044125A KR20230144871A (ko) 2022-04-08 2022-04-08 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220044125A KR20230144871A (ko) 2022-04-08 2022-04-08 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230144871A true KR20230144871A (ko) 2023-10-17

Family

ID=88557724

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220044125A KR20230144871A (ko) 2022-04-08 2022-04-08 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230144871A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210151780A1 (en) Membrane humidifier for fuel cell
EP1551073B1 (en) Fuel battery
KR101461874B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 가습 및 냉각방법
CN108448136A (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池的空气供气增湿中冷系统
TW201244239A (en) Hydrogen fuel cell and system thereof, and method for dynamic variable humidity control
JP6839620B2 (ja) 気液分離器
JP2007509461A (ja) Ｐｅｍ燃料電池の内部水管理
CN110462905A (zh) 燃料电池加湿器
KR102346538B1 (ko) 가습효율이 개선된 연료전지용 막가습기
JP2012099394A (ja) 燃料電池システム
US6964824B2 (en) Fuel cell and method of operating the same
JP2004327089A (ja) 燃料電池スタック
US20070172720A1 (en) Fuel cell unit
KR20230144871A (ko) 연료전지용 공기압축기 및 이를 포함하는 공기순환시스템
JP4621370B2 (ja) 燃料電池積層構造体
JP2008108473A (ja) 燃料電池用加湿システム
JP7326757B2 (ja) 加湿装置
KR20110095560A (ko) 공냉식 연료 전지
CA2412717A1 (en) Evaporative edge cooling of a fuel cell
US20240047720A1 (en) Fuel cell system
JP2019021545A (ja) 燃料電池システム
WO2019026626A1 (ja) 燃料電池装置
JP2005166404A (ja) 燃料電池システム
RU2289177C2 (ru) Топливный элемент
JP3519987B2 (ja) 燃料電池スタック