WO2018124483A1 - 연료전지용 가습냉각 장치 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a humidification cooling device for a fuel cell, and more particularly, when supplying high humidity air to the fuel cell stack in a fuel cell air supply device for supplying proper humidity to the fuel cell stack, cooling and humidification control of the supply air is performed. It relates to a humidification cooling device for a fuel cell to be active and effective.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electric energy, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply system for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack (APS). ), And a heat and water management system (TMS) for controlling the operating temperature of the fuel cell stack.
  • a fuel cell stack that generates electric energy
  • a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack
  • an air supply system for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack (APS).
  • APS fuel cell stack
  • TMS heat and water management system
  • the basic structure of a fuel cell consists of a proton exchange membrane electrode (MEA) that sandwiches an electrode / catalyst and a gas diffusion layer in a sandwich shape with a proton exchange membrane interposed therebetween. Effective contact with the catalyst over the entire face of the plate causes an electrochemical reaction to generate electricity.
  • MEA proton exchange membrane electrode
  • high purity hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank to the anode of the fuel cell during operation, and air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using an air supply device including an air blower.
  • the hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions are electrolytes.
  • the membrane passes through the cathode to the cathode, and the oxygen supplied to the cathode subsequently combines with electrons entering the cathode through an external conductor to generate water while generating water.
  • the humidity in the proton exchange membrane can be maintained to improve the efficiency and performance of the fuel cell system.
  • a humidification technology through the Air Processing System is applied as a method of supplying and maintaining a proper humidity in a fuel cell system, and the air supply system is provided through an air filter, a silencer, an air blower, and a humidifier. It is configured to supply air to the stack.
  • APS Air Processing System
  • the heat and water management system is a kind of cooling that keeps the fuel cell stack at a constant temperature (60 to 70 ° C.) while circulating distilled water through the cooling water flow path between the separator plates of the fuel cell stack. Device.
  • the heat and water management system includes a reservoir for storing distilled water (hereinafter referred to as cooling water), a pump for circulating the cooling water into and out of the fuel cell stack, an ion remover for removing metal ions from the cooling water circulating through the fuel cell stack, It includes a radiator that circulates the fuel cell stack to cool the cooling water and circulates it back to the fuel cell stack.
  • cooling water distilled water
  • FIG. 1 a water pump during a cooling water discharge line section of a fuel cell stack in Korean Patent Publication No. 2010-0058739 (published 2010.06.04, name: air separation device for fuel cells) And an air separator (10) for removing air by inducing a flow rate reduction and centrifugal force for the cooling water between the radiator and the radiator, and connecting the air separator (10) to the humidifier (38) to remove the coolant from which the air is removed.
  • a fuel cell air separator has been disclosed.
  • the air separator the inlet 14 is connected to the cooling water discharge line 32 from the water pump is formed on the upper side, the outlet 16 is connected to the cooling water discharge line 32 extending to the radiator side
  • a body portion 12 having a predetermined volume formed at one lower side thereof;
  • a flow passage guide 24 integrally mounted in the body portion 12 to reduce the flow rate of the cooling water and guide the centrifugal force;
  • Air vent means 22 is mounted to the top surface of the body portion 12; Characterized in that configured to include.
  • the existing air supply system including the air separator for the fuel cell shown in FIG. 1 has a large volume of the humidifier and the cooling device, making it difficult to secure space when the vehicle is mounted, and the design freedom is reduced, and the air flow in the engine room is blocked. There was a problem that adversely affects the cooling of other parts.
  • the humidifier of the membrane type has a problem that it is difficult to control the amount of humidification, reliability is low because the pressure resistance of the humidifier is low.
  • the present invention is to solve the above problems, the object of the present invention is to supply the high humidity air to the fuel cell stack in the fuel cell air supply device for supplying the appropriate humidity to the fuel cell stack, the cooling of the supply air and It is to provide a humidification cooling device for a fuel cell to enable humidification control to be active and effective.
  • the air inlet 110 through which air is introduced from the air compressor 2 and the humidified air are provided.
  • a housing 100 including an air outlet 120 discharged to the cathode side of the fuel cell stack; Water spraying means (200) for injecting water into the housing (100); And a reservoir 300 mounted to the lower end of the housing 100, in which water that has sunk in the housing 100 is drained and collected through the drain hole 130.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell is mounted at least one or more on the flow path of the air introduced from the air inlet 110, the hydrophilic evaporation means 500 for increasing the contact area of water particles and air It may further include.
  • the water injection means 200 is disposed in front of the hydrophilic evaporation means 500 in the air flow direction, it may inject water in a direction opposite to the air flow direction.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell may be provided with the same number of the water injection means 200 and the hydrophilic evaporation means 500.
  • the humidification and cooling device (1) for the fuel cell is a supply passage for the water connected between the recirculation pipe 400 and the water injection means 200, through the predetermined region of the housing 100 to the housing ( It may include a water supply pipe 600 extending radially in the 100.
  • the water supply pipe 600 may be connected to the water injection means 200 in a predetermined region among the regions located in the housing 100.
  • the water supply pipe 600 is inserted into and coupled to the through hole 710 of the flange 700 coupled to a region penetrating the housing 100 in the humidification cooling device 1 for the fuel cell. Sealing means 720 for sealing the space between the pipe 600 and the through hole 710 may be further provided.
  • the humidifying and cooling device 1 for the fuel cell 1 may be formed with a pipe support 140 on which an end of the water supply pipe 600 is inserted and fixed to an inner surface of the housing 100.
  • the hydrophilic evaporation means 500 is a porous membrane of a hydrophilic material, it may be formed in a shape corresponding to the vertical cross section of the housing 100.
  • hydrophilic evaporation means 500 may be fixedly fixed in the housing 100 by a wedge fixing portion 150 protruding inwardly into the housing 100.
  • the hydrophilic evaporation means 500 may include a wedge through portion 510 recessed inwardly so that a predetermined area of the outer circumferential surface corresponds to the shape of the wedge fixing portion 150.
  • the humidification cooling device (1) for the fuel cell includes an outlet pipe (160) communicating with the air outlet (120) and protruding into the housing (100), wherein the outlet pipe (160) is the housing ( 100) it may be in the form of a funnel gradually increasing in diameter toward the inner direction.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell has an evaporation assisting means 310 made of a hydrophilic material such that the water submerged in the lower side of the housing 100 moves upward to evaporate. It may be mounted on the hole 130 side.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell may further include a water pump 410 on the recirculation pipe 400.
  • the water injection means 200 may be disposed in the form of a nozzle, at least one or more on one side or both sides of the air inlet 110 in the width direction.
  • the fuel cell air supply apparatus is a fuel cell humidification cooling device (1) according to any one of claims 1 to 15; An air compressor (2) for supplying air to the air inlet (110) of the humidification and cooling device (1) for the fuel cell; And a fuel cell stack 3 into which humidified air supplied from the air outlet 120 of the humidifying cooling device 1 flows into the cathode. Characterized in that it comprises a.
  • the humidification and cooling device for fuel cells when supplying high humidity air to the fuel cell stack in the fuel cell air supply device for supplying proper humidity to the fuel cell stack, cooling and humidification control of the supply air is active.
  • the advantage is that it can be done effectively.
  • the fuel cell air supply device a large amount of air must be supplied for fuel cell power generation, and the compressed air is heated by the air compressor, thereby cooling the cooling device and controlling the humidity of the air supplied to the stack. Humidification device is necessary.
  • the present invention is a device incorporating such a conventional cooling device and humidification device, when the air temperature rises by the air compressor, the water temperature is lowered by spraying water and at the same time, the humidity can be adjusted to simplify the configuration of the device And volume and cost can be reduced.
  • the present invention is to be provided with a recirculation pipe for collecting the unused water from the reservoir of the water used for humidification and cooling to the water injection means, some of the unused water is evaporated provided in the reservoir By allowing the evaporation to be carried out by the auxiliary means, there is an advantage that the water is discarded to the outside through the recycling of water.
  • the present invention allows the water sprayed from the water injection means to be injected in the opposite direction to the air flow, and the hydrophilic evaporation means is further provided to increase the contact area of the water particles and air, the output of the stack through the increase in the humidification function And reliability can be improved.
  • FIG. 1 is a conceptual view showing a conventional air supply for a fuel cell.
  • Figure 2 is a front view schematically showing the appearance of the humidification cooling device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing the interior of the humidification cooling device for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a humidification cooling device for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a humidification cooling device for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view taken from the cross-sectional direction of FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram of a fuel cell air supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the humidification and cooling device 1 for a fuel cell supplies the high humidity air to the fuel cell stack 3 in a fuel cell air supply device for supplying appropriate humidity to the fuel cell stack 3. It is for the air cooling and humidification control to be active and effective.
  • the humidifying and cooling device 1 for a fuel cell includes a housing 100, a water injection unit 200, a reservoir 300, and a recirculation pipe 400. Is formed.
  • the housing 100 includes an air inlet 110 through which air is introduced from the air compressor 2, and an air outlet 120 through which humidified air is discharged to the cathode side of the fuel cell stack 3. It includes a space in which air flows.
  • the housing 100 may be formed in a substantially cylindrical shape, the first tank portion 102 through which air is introduced into both ends of the cylindrical body portion 101, and air. It may have a structure that is coupled to the second tank 103 is discharged.
  • the first tank portion 102 may be bolted or brazed on one side of the body portion 101, the shape of the funnel gradually increases in diameter away from the air inlet 110 through which air is introduced. It may be in the form.
  • the water injection means 200 is to inject water into the housing 100, it may be in the form of a nozzle.
  • the fuel cell humidifying cooling device (1) is mounted to the lower end of the housing 100, the reservoir 300 is collected and drained through the drain hole 130, the water sank in the housing 100, It is formed to include a recirculation pipe 400 connected between the reservoir 300 and the water injection means 200, it has a structure that can minimize the water is discarded to the outside.
  • a water pump 410 is further provided on the recirculation pipe 400 to allow the water in the reservoir 300 to be smoothly supplied to the water injection means 200.
  • the water injection means 200 It is disposed on each side of the air inlet 110 in the width direction one by one, and has a structure in which water is supplied in the same direction as the incoming air.
  • the humidification and cooling device 1 for the fuel cell has water from the nozzle type water injection means 200 disposed at both sides when air is introduced into the housing 100 through the air inlet 110 formed at one side in the longitudinal direction. This injection is made to evaporate, through which high humidity air is discharged to the air outlet 120.
  • the fuel cell humidification cooling device 1 is an evaporation auxiliary means 310 made of a hydrophilic material so that the water submerged in the lower side of the housing 100 is evaporated, the inside of the reservoir 300 or drain It may be mounted on the hole 130 side.
  • the vaporization assisting means 310 may be a wick installed in the droplet trap, and serves to make evaporation well by moving the water below to the upper part of the wick.
  • the fuel cell humidifying cooling device 1 is a high-temperature, high-pressure air compressed by the air compressor (2) flows into the air inlet 110, the air outlet 120 through the above-described process The high humidity air is supplied to the cathode of the fuel cell.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell may include an outlet pipe 160 communicating with the air outlet 120 and protruding into the housing 100, wherein the outlet pipe 160 is the evaporation assistance. It is disposed to be located above the means 310, and may be in the form of a funnel that gradually increases in diameter toward the inner direction of the housing 100.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell prevents water flowing along the wall surface of the housing 100 from exiting to the outlet pipe 160, so that the water does not go to the outlet pipe 160, but slumps through the air flow. This allows the amount of evaporation to increase.
  • FIG. 5 to 7 illustrate a humidification cooling device 1 for a fuel cell according to a second embodiment, which will be described below.
  • the humidifying and cooling device 1 for the fuel cell is mounted on at least one or more flow paths of air introduced from the air inlet 110, thereby increasing the contact area of water particles and air.
  • Means 500 may be included.
  • the hydrophilic evaporation means 500 may be in the form of a porous membrane made of a hydrophilic material, if formed in addition to a high hydrophilic material, it can be changed to any number of forms.
  • the hydrophilic evaporation means 500 is formed in a shape corresponding to the vertical cross section of the housing 100, so that all the air flowing in the longitudinal direction in the housing 100 passes through the hydrophilic evaporation means 500 You can do that.
  • the hydrophilic evaporation means 500 is spaced apart from each other in the longitudinal direction of the housing 100.
  • hydrophilic evaporation means 500 is fixedly coupled to the inside of the housing 100 by a wedge fixing portion 150 protruding inwardly into the housing 100.
  • the hydrophilic evaporation means 500 includes a wedge penetrating portion 510 recessed inwardly so that a predetermined area of the outer circumferential surface corresponds to the shape of the wedge fixing portion 150, thereby being fitted at one side of the inside of the housing 100.
  • hydrophilic evaporation means 500 is fixed by a strong force by the wedge fixing portion 150 of the wedge structure.
  • the water injection means 200 is disposed in front of the hydrophilic evaporation means 500 in the air flow direction, so that water is injected in the direction opposite to the air flow direction, through which the contact area between the water particles and the air To be increased.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell catches water droplets by the hydrophilic evaporation means 500 or the wick to maintain a wide contact surface, and the hydrophilic evaporation through the rapid flow of air introduced from the air inlet 110. By allowing the moisture contained in the means 500 to re-evaporate, the humidification effect is increased.
  • the water not evaporated is discharged through the drain hole 130 is collected in the reservoir 300, and then recycled through the water injection means 200 along the recirculation pipe 400 again.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell is preferably provided with the same number of the water injection means 200 and the hydrophilic evaporation means 500.
  • the water sprayed through the water spraying means 200 is sprayed as if sprayed from the front to the rear, at this time, the water droplets sprayed on the hydrophilic evaporation means 500 located in the rear stays, and a high speed in a state where the contact surface is kept wide Heat exchange with the air flowing in the furnace to evaporate.
  • the humidification cooling device 1 for the fuel cell is a supply passage for water connected between the recirculation pipe 400 and the water injection means 200, and the housing 100. It may include a water supply pipe 600 extending through the predetermined area of the radially in the housing 100.
  • the water supply pipe 600 is connected to the water injection means 200 in a predetermined area among the areas located in the housing 100. Accordingly, the water supplied to the water supply pipe 600 through the recirculation pipe 400 may be injected into the water injection means 200.
  • a flange 700 is coupled to a region where the water supply pipe 600 penetrates the housing 100, and the through hole 710 formed in the flange 700 is attached to the fuel cell.
  • the water supply pipe 600 is inserted and coupled.
  • a sealing means 720 in the form of an O-ring (O-ring) so that air and moisture in the housing 100 does not leak to the outside. Can be.
  • the humidification and cooling device (1) for the fuel cell is the water supply pipe (600) to the inner surface of the housing 100, so that the water supply pipe 600 can be stably fixed at a predetermined position within the housing (100)
  • An end of 600 may include a pipe support 140 into which the end is fixed.
  • the pipe supporter 140 has a shape in which an inner side is recessed to correspond to an end of the water supply pipe 600, and the end of the water supply pipe 600 is inserted and fixed to prevent vibration by air flow. do.
  • the present invention is to be provided with a recirculation pipe 400 for collecting the unused water in the reservoir 300 of the water supplied for humidification and cooling, and supply it back to the water injection means 200, and use Some of the water is not evaporated by the evaporation assisting means 310 provided in the reservoir 300, it is possible to minimize the water is discarded to the outside through the recycling of water.
  • the present invention allows the water sprayed from the water jetting means 200 to be sprayed in the opposite direction to the air flow, the hydrophilic evaporation means 500 is further provided to increase the contact area of the water particles and air, humidification function Increasing can improve stack output and reliability.

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Abstract

본 발명은 연료전지용 가습냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 공기압축기로부터 공기가 유입되는 공기유입구와, 가습된 공기가 연료전지 스택의 공기극 측으로 배출되는 공기배출구를 포함하는 하우징; 상기 하우징 내부에 물을 분사시키는 물 분사수단; 상기 하우징의 하단부에 장착되며, 상기 하우징 내에 가라앉은 물이 드레인 홀을 통해 배수되어 모아지는 리저버; 및 상기 리저버 및 상기 물 분사수단 사이에 연결되는 재순환용 배관을 포함함으로서, 공급 공기의 냉각 및 가습 제어가 능동적이고 효과적으로 이루어질 수 있는 연료전지용 가습냉각 장치에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습냉각 장치
본 발명은 연료전지용 가습냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 연료전지 스택에 적절한 습도를 공급하기 위한 연료전지용 공기공급 장치 내에서 고습 공기를 연료 전지 스택에 공급할 때, 공급 공기의 냉각 및 가습 제어가 능동적이고 효과적으로 이루어지도록 하기 위한 연료전지용 가습냉각 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(APS), 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(TMS) 등을 포함하여 구성되어 있다.
연료전지 셀의 기본구조는 양성자 교환막을 사이에 두고 전극/촉매와 가스 확산층을 샌드위치 모양으로 적층한 양성자 교환막전극(MEA: Membrane Electrod Assembly)으로 이루어져 있는데, 수소와 산소 등의 반응가스가 전극/촉매 판의 전체 면에서 촉매와 효과적으로 접촉하여 전기 화학 반응이 이루어져 전기를 발생시킨다.
즉, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워를 포함하는 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급되며, 이에 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질
막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이때, 상기 가스확산층 내의 습도를 적절하게 유지하여야만 양성자 교환막내의 습도가 유지되어 연료전지 시스템의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서 연료전지 시스템에 적절한 습도를 공급 및 유지하는 방법으로 상기 공기 공급 시스템(APS: Air Processing System)을 통한 가습 기술이 적용되고 있으며, 상기 공기 공급 시스템은 공기 필터, 소음기, 에어 블로워, 가습기를 거쳐 스택으로 공기를 공급하는 구성으로 이루어져 있다.
또한, 상기 열 및 물관리 시스템(TMS)은 증류수(Distilled Water)를 연료전지 스택의 분리판 사이의 냉각수 유로를 통해 순환시키면서, 연료전지 스택을 일정 온도(60~70℃)를 유지시키는 일종의 냉각 장치이다.
열 및 물관리 시스템은 증류수(이하, 냉각수라 칭함)가 저장된 리저버와, 냉각수를 연료전지 스택의 내외부로 순환시키는 펌프와, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수로부터 금속이온을 제거하는 이온 제거기와, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수를 냉각시켜 다시 연료전지 스택으로 순환시키는 라디에이터를 포함하여 구성되어있다.
관련 선행특허로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 국내공개특허공보 제2010-0058739호(공개일 2010.06.04, 명칭: 연료전지용 공기분리장치)에 연료전지 스택의 냉각수 배출라인 구간중 물 펌프와 라디에이터의 사이구간에 냉각수에 대한 유속 감소 및 원심력을 유도하여 공기를 제거하는 공기분리기(10)를 설치하고, 상기 공기분리기(10)를 가습기(38)에도 연결하여 공기가 제거된 냉각수를 가습기에 공급할 수 있도록 한 연료전지용 공기분리장치)가 개시된 바 있다.
이때, 상기 공기분리기는: 상기 물 펌프로부터의 냉각수 배출라인(32)이 연결되는 입구(14)가 상부 일측에 형성되고, 상기 라디에이터 측으로 연장되는 냉각수 배출라인(32)이 연결되는 출구(16)가 하부 일측에 형성된 소정 체적의 몸체부(12)와; 상기 냉각수의 유속감소 및 원심력 유도를 위해 상기 몸체부(12)내에 일체로 장착되는 유로 가이드(24)와; 상기 몸체부(12)의 상단 면에 장착되는 공기빼기수단(22); 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
그러나 도 1에 도시된 연료전지용 공기분리장치를 포함한 기존의 공기 공급시스템은 가습기 및 냉각장치의 부피가 커서, 차량 장착 시 공간 확보가 어려우며, 설계 자유도가 떨어지고, 엔진룸 내 공기의 흐름을 차단하여 다른 부품의 냉각에 악영향을 끼친다는 문제점이 있었다.
또한, 멤브레인 방식의 가습장치는 가습량 조절이 어렵고, 가습기의 내압성이 낮아 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
국내등록특허 제0748756호(명칭 : 차량용 EGR 장치의 EGR 쿨러, 등록일 : 2007.08.06)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 스택에 적절한 습도를 공급하기 위한 연료전지용 공기공급 장치 내에서 고습 공기를 연료 전지 스택에 공급할 때, 공급 공기의 냉각 및 가습 제어가 능동적이고 효과적으로 이루어지도록 하기 위한 연료전지용 가습냉각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(3)의 공기극으로 가습 공기를 공급하는 가습냉각 장치(1)는, 공기압축기(2)로부터 공기가 유입되는 공기유입구(110)와, 가습된 공기가 연료전지 스택의 공기극 측으로 배출되는 공기배출구(120)를 포함하는 하우징(100); 상기 하우징(100) 내부에 물을 분사시키는 물 분사수단(200); 및 상기 하우징(100)의 하단부에 장착되며, 상기 하우징(100) 내에 가라앉은 물이 드레인 홀(130)을 통해 배수되어 모아지는 리저버(300); 상기 리저버(300) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 재순환용 배관(400); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 공기유입구(110)로부터 유입된 공기의 유동 경로 상에 적어도 하나 이상 장착되어, 물 입자와 공기의 접촉 면적을 증가시키는 친수성 증발수단(500)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 물 분사수단(200)은 공기 유동 방향으로 상기 친수성 증발수단(500)의 전방에 배치되며, 공기 유동 방향과 반대방향으로 물을 분사시킬 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 물 분사수단(200) 및 친수성 증발수단(500)이 서로 동일한 개수만큼 구비될 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 재순환용 배관(400) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 물의 공급 통로로, 상기 하우징(100)의 일정 영역을 관통하여 상기 하우징(100) 내에서 방사방향으로 연장 형성되는 물 공급파이프(600)를 포함할 수있다.
또한, 상기 물 공급파이프(600)는 상기 하우징(100) 내에 위치한 영역 중 가운데 일정 영역이 상기 물 분사수단(200)과 연결될 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100)을 관통하는 영역에 결합된 플랜지(700)의 관통홀(710)에 상기 물 공급파이프(600)가 삽입 결합되며, 상기 물 공급파이프(600) 및 관통홀(710) 사이 공간을 밀폐시키는 실링수단(720)이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100) 내측면에 상기 물 공급파이프(600)의 단부가 삽입 고정되는 파이프 지지부(140)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 친수성 증발수단(500)은 친수성 소재의 다공성 막으로, 상기 하우징(100)의 수직 단면에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 친수성 증발수단(500)은 상기 하우징(100) 내부에 내측으로 돌출된 쐐기 고정부(150)에 의해 상기 하우징(100) 내에 결합 고정될 수 있다.
또한, 상기 친수성 증발수단(500)은 외주면 일정 영역이 상기 쐐기 고정부(150)의 형태에 대응되도록 내측으로 함입된 쐐기 관통부(510)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 공기배출구(120)와 연통되며, 상기 하우징(100) 내측으로 돌출된 출구파이프(160)를 포함하되, 상기 출구파이프(160)가 상기 하우징(100) 내측 방향으로 갈수록 직경이 점차 넓어지는 깔때기 형태일 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100)의 하측에 가라앉은 물이 상측으로 이동하여 증발되도록, 친수성 소재로 이루어진 증발보조수단(310)이 상기 리저버(300) 내부 또는 드레인 홀(130) 측에 장착될 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 재순환용 배관(400) 상에 워터펌프(410)가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 물 분사수단(200)은 노즐 형태로, 너비방향으로 상기 공기유입구(110)의 일측 또는 양측에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 장치는 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 의한 연료전지용 가습냉각 장치(1); 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)의 공기유입구(110)로 공기를 공급하는 공기압축기(2); 및 상기 가습냉각 장치(1)의 공기배출구(120)에서 공급된 가습 공기가 공기극으로 유입되는 연료전지 스택(3); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치는 연료전지 스택에 적절한 습도를 공급하기 위한 연료전지용 공기공급 장치 내에서 고습 공기를 연료 전지 스택에 공급할 때, 공급 공기의 냉각 및 가습 제어가 능동적이고 효과적으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
더욱 상세하게, 연료전지용 공기 공급 장치에서는 연료전지 발전을 위해 많은 공기가 공급되어야 하며, 공기 압축기에 의해 압축된 공기가 가열되어, 이를 냉각하기 위한 냉각장치와, 스택에 공급되는 공기의 습도 조절을 위한 가습장치가 필요하다.
본 발명은 이러한 기존의 냉각장치 및 가습장치를 통합한 장치로서, 공기압축기에 의해 공기의 온도가 올라가면, 물을 분사하여 공기 온도를 낮춰줌과 동시에, 습도를 맞춰줄 수 있어 장치의 구성을 간소화하고, 부피 및 원가를 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 가습 및 냉각에 사용되는 물 중, 사용되지 않은 물을 리저버에서 포집하여 물 분사수단으로 다시 공급하는 재순환용 배관이 구비되도록 하고, 사용되지 않은 물 중 일부는 리저버에 구비된 증발보조수단에 의해 증발이 이루어지도록 함으로써, 물의 재활용을 통해 물이 바깥으로 버려지는 것을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 물 분사수단에서 분사되는 물이 공기 유동과 반대 방향으로 분사되도록 하고, 물 입자와 공기의 접촉면적 증대를 위해 친수성 증발수단이 더 구비되도록 함으로써, 가습기능 증대를 통한 스택의 출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 연료전기용 공기 공급 장치를 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치의 외관을 개략적으로 나타낸 정면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치의 내부를 개략적으로 나타낸 단면도 및 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치를 나타낸 사시도.
도 7은 도 6에서 aa' 방향으로 자른 단면 방향에서 바라본 사시도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급 장치의 구성도.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 가습냉각 장치를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 연료전지 스택(3)에 적절한 습도를 공급하기 위한 연료전지용 공기공급 장치 내에서 고습 공기를 연료전지 스택(3)에 공급할 때, 공급 공기의 냉각 및 가습 제어가 능동적이고 효과적으로 이루어지도록 하기 위한 것이다.
도 3에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 크게 하우징(100), 물 분사수단(200), 리저버(300) 및 재순환용 배관(400)을 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 하우징(100)은 공기압축기(2)로부터 공기가 유입되는 공기유입구(110)와, 가습된 공기가 연료전지 스택(3)의 공기극 측으로 배출되는 공기배출구(120)를 포함하며, 내부에 공기가 유동되는 공간을 포함한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 것처럼, 상기 하우징(100)은 대략, 원통 형태로 형성될 수 있으며, 원통 형태의 몸체부(101) 양단에 공기가 유입되는 제1탱크부(102)와, 공기가 배출되는 제2탱크부(103)가 결합되는 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 제1탱크부(102)는 상기 몸체부(101)의 일측에 볼트 결합 또는 브레이징 결합될 수 있는데, 그 형태는 공기가 유입되는 공기유입구(110)로부터 멀어질수록 점차 직경이 커지는 깔때기 형태일 수 있다.
다음으로, 상기 물 분사수단(200)은 상기 하우징(100) 내부에 물을 분사시키는 것으로, 노즐 형태일 수 있다.
이때, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100)의 하단부에 장착되며, 상기 하우징(100) 내에 가라앉은 물이 드레인 홀(130)을 통해 배수되어 모아지는 리저버(300)와, 상기 리저버(300) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 재순환용 배관(400)을 포함하여 형성됨으로써, 물이 바깥으로 버려지는 것을 최소화할 수 있는 구조를 갖는다.
상기 재순환용 배관(400) 상에는 워터펌프(410)가 더 구비되어, 상기 물 분사수단(200) 측으로 리저버(300) 내의 물이 원활하게 공급되도록 한다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지용 가습냉각 장치(1)의 일실시 예로, 도 3 및 도 4의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치(1)는, 상기 물 분사수단(200)이 너비방향으로 상기 공기유입구(110)의 양측에 각각 하나씩 배치되어, 유입되는 공기와 동일 방향으로 수분이 공급되는 구조를 갖는다.
도 3 및 도 4에 도시된 연료전지용 가습냉각 장치(1)의 작동 과정을 설명하면,
상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 길이방향으로 일측에 형성된 공기유입구(110)를 통해 공기가 하우징(100) 내부로 유입될 때, 양측에 배치된 노즐 형태의 물 분사수단(200)으로부터 물이 분사되어 증발이 이루어지도록 하고, 이를 통해 상기 공기배출구(120)로 고습 공기가 배출된다.
이때, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100)의 하측에 가라앉은 물이 상측으로 이동하여 증발되도록, 친수성 소재로 이루어진 증발보조수단(310)이 상기 리저버(300) 내부 또는 드레인 홀(130) 측에 장착될 수 있다.
상기 증발보조수단(310)은 액적 트랩 내에 설치되는 윅(wick)일 수 있으며, 아래쪽의 물이 윅의 위쪽까지 이동하여 증발이 잘 이루어질 수 있도록 하는 역할을 한다.
이에 따라, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 공기압축기(2)에서 압축된 고온, 고압의 공기가 공기유입구(110)로 유입되며, 상술한 바와 같은 과정을 통해 상기 공기배출구(120)를 지나 상기 연료전지의 공기극으로 고습 공기가 공급되도록 한다.
상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 공기배출구(120)와 연통되며, 상기 하우징(100) 내측으로 돌출된 출구파이프(160)를 포함할 수 있는데, 상기 출구파이프(160)는 상기 증발보조수단(310)의 상측에 위치하도록 배치되고, 상기 하우징(100) 내측 방향으로 갈수록 직경이 점차 넓어지는 깔때기 형태일 수 있다.
이를 통해, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 하우징(100) 벽면을 따라 흐르는 물이 출구파이프(160)로 나가는 것을 방지하여, 물이 출구파이프(160)로 가지 않고 공기유동을 통해 출렁이게 하여 증발량이 증가하도록 할 수 있다.
한편, 도 5 내지 도 7에는 제2 실시 예에 따른 연료전지용 가습냉각 장치(1)가 도시되어 있으며, 이하에서는 이를 기준으로 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 것처럼, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 공기유입구(110)로부터 유입된 공기의 유동 경로 상에 적어도 하나 이상 장착되어, 물 입자와 공기의 접촉 면적을 증가시키는 친수성 증발수단(500)을 포함할 수 있다.
상기 친수성 증발수단(500)은 친수성 소재로 제조된 다공성 막 형태일 수도 있고, 이 외에 친수성이 높은 소재로 형성된다면, 다양한 형태로 얼마든지 변경실시가 가능하다.
또한, 상기 친수성 증발수단(500)은 상기 하우징(100)의 수직 단면에 대응되는 형태로 형성됨으로써, 상기 하우징(100) 내에서 길이방향으로 유동되는 공기가 모두 상기 친수성 증발수단(500)을 통과하도록 할 수 있다.
상기 친수성 증발수단(500)은 다수개 구비되는 경우, 상기 하우징(100)의 길이방향으로 일정 간격 이격되어 장착되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 친수성 증발수단(500)은 상기 하우징(100) 내부에 내측으로 돌출된 쐐기 고정부(150)에 의해 상기 하우징(100) 내부에 결합 고정된다.
이때, 상기 친수성 증발수단(500)은 외주면 일정 영역이 상기 쐐기 고정부(150)의 형태에 대응되도록 내측으로 함입된 쐐기 관통부(510)를 포함함으로써, 상기 하우징(100) 내부의 일측에서 끼워질 때, 상기 쐐기 고정부(150)가 쐐기 관통부(510)를 통과하도록 끼워진 다음, 회전되도록 한다.
이후, 상기 친수성 증발수단(500)은 상기 쐐기 구조의 쐐기 고정부(150)에 의해 강한 힘으로 고정된다.
한편, 상기 물 분사수단(200)은 공기 유동 방향으로 상기 친수성 증발수단(500)의 전방에 배치되어, 공기 유동방향과 반대방향으로 물이 분사되도록 하고, 이를 통해 물 입자와 공기와의 접촉 면적이 증가될 수 있도록 한다.
즉, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 친수성 증발수단(500) 또는 윅에 의해 물방울을 잡아 접촉 표면을 넓게 유지해주고, 상기 공기유입구(110)로부터 유입된 공기의 빠른 흐름을 통해 상기 친수성 증발수단(500) 내에 함유된 수분이 재증발 되도록 함으로써, 가습 효과를 증대시킨다.
이때, 증발되지 않은 물은 상기 드레인 홀(130)을 통해 배출되어 상기 리저버(300)에 모아진 다음, 다시 상기 재순환용 배관(400)을 따라 상기 물 분사수단(200)을 통해 재순환하게 된다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 물 분사수단(200) 및 친수성 증발수단(500)이 서로 동일한 개수만큼 구비되는 것이 바람직하다.
따라서 상기 물 분사수단(200)을 통해 분사된 물은 전방에서 후방으로 뿌려지듯 분사되며, 이때 후방에 위치한 친수성 증발수단(500)에 뿌려진 물방울이 머무르게 되고, 접촉 표면이 넓게 유지된 상태에서 빠른 속도로 유동하는 공기와 열교환하며 증발이 이루어지게 된다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 재순환용 배관(400) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 물의 공급 통로로, 상기 하우징(100)의 일정 영역을 관통하여 상기 하우징(100) 내에서 방사방향으로 연장 형성되는 물 공급파이프(600)를 포함할 수 있다.
상기 물 공급파이프(600)는 상기 하우징(100) 내에 위치한 영역 중 가운데 일정 영역이 상기 물 분사수단(200)과 연결된다. 이에 따라, 상기 재순환용 배관(400)을 통해 상기 물 공급파이프(600)로 공급된 물은 상기 물 분사수단(200)으로 분사될 수 있다.
상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 물 공급파이프(600)가 상기 하우징(100)을 관통하는 영역에 플랜지(700)가 결합되고, 상기 플랜지(700)에 형성된 관통홀(710)에 상기 물 공급파이프(600)가 삽입 결합되도록 한다.
이때, 상기 물 공급파이프(600) 및 관통홀(710) 사이에는 상기 하우징(100) 내부의 공기 및 수분이 외부로 누설되지 않도록, 오링(O-ring) 형태의 실링수단(720)이 더 구비될 수 있다.
아울러, 상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는 상기 물 공급파이프(600)가 상기 하우징(100) 내에서 일정 위치에 안정적으로 고정될 수 있도록, 상기 하우징(100) 내측면에 상기 물 공급파이프(600)의 단부가 삽입 고정되는 파이프 지지부(140)를 포함할 수 있다.
상기 파이프 지지부(140)는 상기 물 공급파이프(600)의 단부에 대응되도록 내측이 함입된 형태를 가지며, 상기 물 공급파이프(600)의 단부가 삽입 고정되도록 함으로써, 공기 유동에 의해 진동하는 것을 방지한다.
이에 따라, 본 발명은 가습 및 냉각을 위해 공급된 물 중, 사용되지 않은 물을 리저버(300)에서 포집하여 물 분사수단(200)으로 다시 공급하는 재순환용 배관(400)이 구비되도록 하고, 사용되지 않은 물 중 일부는 리저버(300)에 구비된 증발보조수단(310)에 의해 증발이 이루어지도록 함으로써, 물의 재활용을 통해 물이 바깥으로 버려지는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 물 분사수단(200)에서 분사되는 물이 공기 유동과 반대 방향으로 분사되도록 하고, 물 입자와 공기의 접촉면적 증대를 위해 친수성 증발수단(500)이 더 구비되도록 함으로써, 가습기능 증대를 통한 스택의 출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
1: 연료전지용 가습냉각 장치
2: 공기압축기
3: 연료전지 스택
100: 하우징
101: 몸체부
102: 제1탱크부
103: 제2탱크부
110: 공기유입구
120: 공기배출구
130: 드레인 홀
140: 파이프 지지부
150: 쐐기 고정부
160: 출구파이프
200: 물 분사수단
300: 리저버
310: 증발보조수단
400: 재순환용 배관
410: 워터펌프
500: 친수성 증발수단
510: 쐐기 관통부
600: 물 공급파이프
700: 플랜지
710: 관통홀
720: 실링수단

Claims (16)

  1. 연료전지용 공기 공급 장치에서, 연료전지 스택(3)의 공기극으로 가습 공기를 공급하는 가습냉각 장치(1)에 있어서,
    공기압축기(2)로부터 공기가 유입되는 공기유입구(110)와, 가습된 공기가 연료전지 스택의 공기극 측으로 배출되는 공기배출구(120)를 포함하는 하우징(100);
    상기 하우징(100) 내부에 물을 분사시키는 물 분사수단(200); 및
    상기 하우징(100)의 하단부에 장착되며, 상기 하우징(100) 내에 가라앉은 물이 드레인 홀(130)을 통해 배수되어 모아지는 리저버(300);
    상기 리저버(300) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 재순환용 배관(400); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 공기유입구(110)로부터 유입된 공기의 유동 경로 상에 적어도 하나 이상 장착되어, 물 입자와 공기의 접촉 면적을 증가시키는 친수성 증발수단(500)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 물 분사수단(200)은
    공기 유동 방향으로 상기 친수성 증발수단(500)의 전방에 배치되며, 공기 유동 방향과 반대방향으로 물을 분사시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 물 분사수단(200) 및 친수성 증발수단(500)이 서로 동일한 개수만큼 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 재순환용 배관(400) 및 상기 물 분사수단(200) 사이에 연결되는 물의 공급 통로로, 상기 하우징(100)의 일정 영역을 관통하여 상기 하우징(100) 내에서 방사방향으로 연장 형성되는 물 공급파이프(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 물 공급파이프(600)는
    상기 하우징(100) 내에 위치한 영역 중 가운데 일정 영역이 상기 물 분사수단(200)과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 하우징(100)을 관통하는 영역에 결합된 플랜지(700)의 관통홀(710)에 상기 물 공급파이프(600)가 삽입 결합되며,
    상기 물 공급파이프(600) 및 관통홀(710) 사이 공간을 밀폐시키는 실링수단(720)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 하우징(100) 내측면에 상기 물 공급파이프(600)의 단부가 삽입 고정되는 파이프 지지부(140)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 친수성 증발수단(500)은
    친수성 소재의 다공성 막으로, 상기 하우징(100)의 수직 단면에 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 친수성 증발수단(500)은
    상기 하우징(100) 내부에 내측으로 돌출된 쐐기 고정부(150)에 의해 상기 하우징(100) 내에 결합 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 친수성 증발수단(500)은
    외주면 일정 영역이 상기 쐐기 고정부(150)의 형태에 대응되도록 내측으로 함입된 쐐기 관통부(510)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 공기배출구(120)와 연통되며, 상기 하우징(100) 내측으로 돌출된 출구파이프(160)를 포함하되, 상기 출구파이프(160)가 상기 하우징(100) 내측 방향으로 갈수록 직경이 점차 넓어지는 깔때기 형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 하우징(100)의 하측에 가라앉은 물이 상측으로 이동하여 증발되도록, 친수성 소재로 이루어진 증발보조수단(310)이 상기 리저버(300) 내부 또는 드레인 홀(130) 측에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)는
    상기 재순환용 배관(400) 상에 워터펌프(410)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 물 분사수단(200)은
    노즐 형태로, 너비방향으로 상기 공기유입구(110)의 일측 또는 양측에 적어도 하나 이상 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습냉각 장치.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 의한 연료전지용 가습냉각 장치(1);
    상기 연료전지용 가습냉각 장치(1)의 공기유입구(110)로 공기를 공급하는 공기압축기(2); 및
    상기 가습냉각 장치(1)의 공기배출구(120)에서 공급된 가습 공기가 공기극으로 유입되는 연료전지 스택(3); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 공급 장치.
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