WO2022146068A1 - 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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WO2022146068A1
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fuel cell
dry gas
cap
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discharge hole
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허중근
김도우
안웅전
김경주
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of regulating the dry gas pressure in the fuel cell membrane humidifier by discharging dry gas to the outside according to the dry gas pressure in the membrane humidifier, and to a fuel cell system including the same.
  • a fuel cell is a power generation type cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage batteries, fuel cells can produce electricity continuously as long as hydrogen and oxygen are supplied, and there is no heat loss, so the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.
  • the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • AFC Alkaline Fuel Cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a bubbler humidification method in which water is supplied by passing a target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, 2) the amount of supplied water required for fuel cell reaction
  • a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve
  • 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • the membrane humidification method of humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, the high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, low-cost materials can be used, and the fuel cell discharges at high temperature. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering moisture and heat contained in the off-gas.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art and a fuel cell system including the same.
  • the fuel cell system of the prior art includes a blower (B), a fuel cell membrane humidifier (10, hereinafter “membrane humidifier”), a fuel cell stack S, and a flow path connecting them.
  • P1 is a dry gas supply passage for supplying the dry gas collected by the blower (B) to the membrane humidifier
  • P2 is a humidifying gas supply for supplying the gas humidified by the membrane humidifier 10 to the fuel cell stack (S).
  • P3 is an exhaust gas supply passage for supplying the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to the membrane humidifier
  • P4 is an exhaust gas discharge passage for discharging the exhaust gas after water exchange to the outside.
  • the membrane humidifier 10 is a humidification module 11 and both ends of the humidification module 11 in which moisture exchange occurs between the dry gas supplied from the blower (B) and the exhaust gas (wet gas) discharged from the fuel cell stack (S). It includes caps (12, 13) coupled to.
  • a drying gas inlet 12a is formed in the cap 12 on the blower (B) side to supply the drying gas supplied from the blower (B) to the humidification module 11, and the cap 13 on the stack (S) side has a
  • the dry gas outlet 13a is formed to supply the gas humidified by the humidification module 11 to the fuel cell stack S.
  • the humidification module 11 has a mid-case (mid-case) 11a and a mid-case 11a having an off-gas inlet 11aa and an off-gas outlet 11ab. It includes a plurality of hollow fiber membranes (11b) in the. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 11b are fixed to the potting part 11c.
  • the potting part 11c is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • Dry gas supplied from the blower (B) flows along the hollow of the hollow fiber membranes (11b).
  • the exhaust gas introduced into the mid-case 11a through the exhaust gas inlet 11aa comes into contact with the outer surfaces of the hollow fiber membranes 11b and then is discharged from the mid-case 11a through the exhaust gas outlet 11ab.
  • moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 11b, thereby humidifying the dry gas flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 11b.
  • the membrane humidifier 10 when the membrane humidifier 10 is normally operated, the dry gas introduced into the dry gas inlet 12a flows along the hollows of the hollow fiber membranes 11b and is humidified, and the dry gas outlet 13a passes through the fuel cell stack. (S) is discharged.
  • the membrane humidifier 10 cannot operate normally due to various reasons such as abnormal operation of the fuel cell stack S, breakage of the hollow fiber membrane 11b, blockage of the flow path of the hollow fiber membrane 11b, etc., the dry gas inlet 12a ) may not be discharged through the dry gas outlet 13a. As a result, as the pressure of the drying gas in the membrane humidifier 10 rises, there is a fear that the membrane humidifier 10 may be damaged.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of regulating the dry gas pressure in the fuel cell membrane humidifier by discharging dry gas to the outside according to the dry gas pressure in the membrane humidifier, and a fuel cell system including the same.
  • a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention is a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • a cap coupled to the mid-case and having a drying gas discharge hole through which the drying gas is discharged; and a pressure adjusting unit formed in the cap to adjust the pressure of the dry gas in the cap by opening at least a portion of the drying gas discharge hole according to the pressure of the drying gas in the cap.
  • the pressure adjusting unit includes a buffer housing communicating with the dry gas discharge hole, an opening/closing member moving forward and backward in the buffer housing, the opening/closing member and the buffer housing It may include an elastic member formed on the inner wall of the cap to compress or expand according to the pressure of the dry gas in the cap, and a gas outlet for discharging the dry gas introduced into the buffer housing to the outside.
  • an opening on the side of the drying gas discharge hole of the buffer housing may be formed with a locking protrusion extending from the cap and through which the opening and closing member can be hung.
  • a locking step protruding from the buffer housing and on which the opening/closing member can be hung may be formed.
  • the pressure adjusting unit includes: a buffer housing communicating with the drying gas discharge hole; an opening/closing member hingedly connected to an upper end of the drying gas discharge hole to pivot; It may include an elastic member formed at the rear of the member, and a gas outlet for discharging the dry gas flowing into the buffer housing to the outside.
  • the pressure adjusting unit includes: a buffer housing communicating with the drying gas discharge hole; an opening/closing member hingedly connected to a lower end of the drying gas discharge hole to pivot; It may include an elastic member formed in front of the member, and a gas outlet for discharging the dry gas flowing into the buffer housing to the outside.
  • the pressure control unit includes a thermally expandable metal formed on the inner wall of the cap and expandable according to a change in the temperature of dry gas in the cap, and the thermally expandable metal formed on the thermally expandable metal It may include a through hole for opening at least a portion of the drying gas discharge hole according to the expansion of the.
  • the pressure adjusting unit may further include a stopper formed at an end of the thermally expandable metal and made of a heat-resistant material.
  • Blower for supplying dry gas; fuel cell stack; and a mid-case, a cap coupled to the mid-case and having a dry gas discharge hole through which dry gas is discharged, and at least a portion of the dry gas discharge hole formed in the cap and opened according to the pressure of the dry gas in the cap and a fuel cell membrane humidifier including a pressure adjusting unit for controlling the pressure of the dry gas in the cap.
  • the pressure adjusting unit includes: a buffer housing communicating with the dry gas discharge hole; an opening/closing member moving forward and backward in the buffer housing; It may include an elastic member formed on the inner wall and compressed or expanded according to the pressure of the dry gas in the cap, and a gas outlet for discharging the dry gas introduced into the buffer housing to the outside.
  • an opening on the side of the drying gas discharge hole of the buffer housing may be formed with a locking protrusion extending from the cap and through which the opening and closing member can be hung.
  • a locking protrusion protruding from the buffer housing and on which the opening/closing member can be hung may be formed.
  • the pressure adjusting unit includes: a buffer housing communicating with the drying gas discharge hole; an opening/closing member hingedly connected to an upper end of the drying gas discharge hole to pivot; It may include an elastic member formed at the rear of the , and a gas outlet for discharging the dry gas flowing into the buffer housing to the outside.
  • the pressure adjusting unit includes: a buffer housing communicating with the drying gas discharge hole; an opening/closing member hingedly connected to a lower end of the drying gas discharge hole to pivot; It may include an elastic member formed in front of the and a gas outlet for discharging the dry gas flowing into the buffer housing to the outside.
  • the pressure adjusting unit includes: a thermal expansion metal formed on the inner wall of the cap and expanding according to a change in the temperature of dry gas in the cap; and a thermal expansion metal formed on the thermal expansion metal It may include a through hole for opening at least a portion of the drying gas discharge hole according to the expansion.
  • the pressure adjusting unit may further include a stopper formed at an end of the thermally expandable metal and made of a heat-resistant material.
  • the dry gas pressure in the membrane humidifier can be adjusted by discharging the dry gas to the outside according to the pressure of the dry gas introduced into the membrane humidifier. have. Therefore, when the membrane humidifier does not operate normally for various reasons, damage to the membrane humidifier can be prevented by adjusting the pressure in the membrane humidifier.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell system according to the prior art.
  • FIGS. 2 to 5 are diagrams illustrating a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same according to embodiments of the present invention.
  • 6, 8, 10 and 12 are views illustrating a pressure adjusting unit of a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 7, 9, 11 and 13 are diagrams illustrating an operation process of a pressure adjusting unit of a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIGS. 2 to 5 are diagrams illustrating a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same according to embodiments of the present invention.
  • a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same according to embodiments of the present invention, a blower (B), and a fuel cell membrane humidifier (100: 101 to 104, below) It may include a 'membrane humidifier'), a fuel cell stack (S), and flow paths (P10, P20, P30, P40) connecting them.
  • the blower (B) collects gas in the atmosphere and supplies it to the membrane humidifier (100: 101 to 104).
  • the output size of the blower (B) may be determined according to the output size of the fuel cell stack (S).
  • a filter (not shown) for removing fine dust may be installed at the front end of the blower (B), and between the blower (B) and the membrane humidifier 100, dry gas supplied to the membrane humidifier 100
  • a cooler (not shown) may be installed to cool the .
  • the membrane humidifier 100 humidifies the dry gas and supplies it to the fuel cell stack (S).
  • the membrane humidifier 100 includes a humidification module 110 for humidifying the dry gas supplied from the blower (B) with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack (S).
  • Each of both ends of the humidification module 110 is coupled to the cap (120, 130).
  • the humidification module 110 and the caps 120 and 130 may be formed separately or may be formed integrally.
  • a drying gas inlet 121 is formed in the cap 120 of the blower (B) side to supply the drying gas supplied from the blower (B) to the humidification module 110, and the cap 130 on the stack (S) side has The dry gas outlet 131 is formed to supply the gas humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack S.
  • the cap 120 on the blower (B) side is closed or opened according to the pressure of the dry gas in the cap 120 to adjust the pressure of the dry gas in the cap 120.
  • a pressure adjusting unit 200: 210 to 240 is formed. .
  • the pressure adjusting unit 200: 210 to 240 will be described later with reference to FIGS. 6 to 13 .
  • the dry gas inlet 121 is connected to the dry gas supply passage P10 connecting the blower B and the membrane humidifier 100, and the dry gas outlet 131 is a cap 130 on the fuel cell stack (S) side. It is connected to the humidification gas supply passage P20 connecting the fuel cell stack S and the fuel cell stack S.
  • the exhaust gas discharged from the fuel cell stack (S) is supplied to the membrane humidifier 100 through the exhaust gas supply passage P30, and the water exchanged exhaust gas in the membrane humidifier 100 is discharged to the outside through the exhaust gas discharge passage P40. is emitted
  • the humidification module 110 is a device in which moisture exchange occurs between the dry gas and the exhaust gas supplied from the blower (B), and has an exhaust gas inlet 111a and an exhaust gas outlet 111b. It includes a mid-case (mid-case) 111 and a plurality of hollow fiber membranes 112 accommodated in the mid-case 111 . Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 112 are fixed to the potting part 113 .
  • the humidification module 110 includes at least one cartridge 20 including a plurality of hollow fiber membranes 22 and a potting part 23 for fixing them to each other.
  • the hollow fiber membranes 22 and the potting part 23 may be formed in the inner case 21 which is a separate cartridge case.
  • the hollow fiber membranes 22 may be accommodated in the inner case 21 , and the potting part 23 may be formed at the end of the inner case 21 .
  • a fixing layer 115 for fixing the cartridge may be formed between both ends of the cartridge and the mid-case 111.
  • the fixing layer 115 may be a resin layer formed of resin, or a gasket assembly that is hermetically coupled through mechanical assembly.
  • the inner case 21 includes mesh holes 24 arranged in a mesh shape for fluid communication with the first space S1 and the second space S2 .
  • the inner space of the mid-case 111 may be divided into a first space S1 and a second space S2 by a partition wall 114 .
  • the partition wall 114 may prevent the exhaust gas flowing into the exhaust gas inlet 111a from flowing directly into the exhaust gas outlet 111b by bypassing the hollow fiber membranes 112 and 22 without water exchange.
  • the inner space of the mid-case 111 is formed by a central depression 116 recessed in the central portion of the mid-case 111 with the first space S1 and It may be partitioned into a second space S2.
  • the central depression 116 may prevent the exhaust gas flowing into the exhaust gas inlet 111a from flowing directly into the exhaust gas outlet 111b by bypassing the hollow fiber membranes 112 and 22 without water exchange.
  • the mid-case 111 and the caps 120 and 130 may each independently be formed of a hard plastic or metal, and may have a circular or polygonal cross-section in the width direction.
  • a circle includes an ellipse, and a polygon includes a polygon with rounded corners.
  • the rigid plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), or the like.
  • the hollow fiber membranes 112 and 22 include polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide. It may include a polymer film formed of a resin, polyester imide resin, or a mixture of at least two or more thereof, and the potting unit 113 cures a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting. It can be formed by
  • the cap 120 on the blower (B) side is closed or opened according to the pressure of the dry gas in the cap 120 to be inside the cap 120 .
  • a pressure adjusting unit (200: 210 to 240) for adjusting the dry gas pressure is formed. This will be described with reference to FIGS. 6 to 13 .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a pressure regulator according to the first embodiment
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an operation process of the pressure regulator according to the first embodiment.
  • the pressure adjusting unit 210 may include a buffer housing 211 , an opening/closing member 212 , an elastic member 213 , and a gas outlet 214 .
  • the buffer housing 211 has a predetermined shape and is formed to communicate with the dry gas discharge hole 122 formed in the cap 120 .
  • the buffer housing 211 provides a space for the opening/closing member 212 to move forward and backward, and when the opening/closing member 212 moves backward to open the dry gas discharge hole 122 , the drying gas in the cap 120 . provides space for movement.
  • a locking protrusion 211a extending from the cap 120 and allowing the opening and closing member 212 to span may be formed.
  • the locking protrusion 211a may be formed to protrude from at least one of the upper surface and the lower surface of the buffer housing 211 .
  • the opening/closing member 212 has an area larger than the area of the dry gas discharge hole 122 so that it can be spanned over the locking protrusion 211a, and is formed in a shape that can open and close the dry gas discharge hole 122 .
  • the front of the opening and closing member 212 opens and closes the dry gas discharge hole 122, and the rear of the opening and closing member 212 has an elastic member 213 capable of compressing or extending according to the pressure of the dry gas in the cap 120. is formed
  • the elastic member 213 may be fixedly formed on the rear surface of the opening and closing member 212 and one inner wall of the buffer housing 211 .
  • the elastic member 213 may be, for example, a spring.
  • the present invention is not limited thereto, and heat-resistant rubber, synthetic resin, or the like may be used as the material of the elastic member 213 .
  • a gas outlet 214 is formed on at least one surface of the buffer housing 211 . As shown in FIG. 7 , when the opening/closing member 212 moves backward to open the dry gas discharge hole 122 , the dry gas in the cap 120 passes through the dry gas discharge hole 122 in the buffer housing 211 . It is introduced into, and is discharged to the outside through the gas outlet 214 and the exhaust gas discharge passage (P40, see FIG. 2).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a pressure regulator according to a second embodiment
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an operation process of the pressure regulator according to the second embodiment.
  • the pressure adjusting unit 220 of the second embodiment may include a buffer housing 221 , an opening/closing member 222 , an elastic member 223 , and a gas outlet 224 .
  • the buffer housing 221 has a predetermined shape and is formed to communicate with the dry gas discharge hole 122 formed in the cap 120 .
  • the buffer housing 221 provides a space for the hinge-connected opening/closing member 222 to pivot, and when the opening/closing member 222 pivots backward to open at least a portion of the drying gas discharge hole 122, the cap ( 120) provides a space for the drying gas to flow.
  • the inner side of the cap is referred to as 'front' and the outer side of the cap is referred to as 'rear'.
  • the opening/closing member 222 is hinge-connected to the upper end of the drying gas discharge hole 122, and the end thereof is formed in an arcuate shape so that it can be rotated without friction according to the pressure of the drying gas.
  • the front of the opening and closing member 222 opens and closes the dry gas discharge hole 122, and the rear of the opening and closing member 222 has an elastic member 223 that can be compressed or expanded according to the pressure of the dry gas in the cap 120. is formed
  • the elastic member 223 may be fixedly formed on the rear surface of the opening and closing member 222 and the upper inner wall of the buffer housing 221 .
  • the elastic member 223 may be, for example, a spring.
  • the present invention is not limited thereto, and heat-resistant rubber, synthetic resin, or the like may be used as the material of the elastic member 223 .
  • a gas outlet 224 is formed on at least one surface of the buffer housing 221 . As shown in FIG. 9 , when the opening/closing member 222 pivots backward to open the dry gas discharge hole 122 , the dry gas in the cap 120 passes through the dry gas discharge hole 122 in the buffer housing. It is introduced into the 221 and is discharged to the outside through the gas outlet 224 and the exhaust gas discharge passage (P40, see FIG. 2).
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a pressure regulator according to a third embodiment
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an operation process of the pressure regulator according to the third embodiment.
  • the pressure adjusting unit 230 may include a buffer housing 231 , an opening/closing member 232 , an elastic member 233 , and a gas outlet 234 .
  • the pressure adjusting unit 230 of the third embodiment is different from the pressure adjusting unit 220 of the second embodiment described above, only the installation positions of the opening and closing member 232 and the elastic member 233 are different, and the rest of the configuration is substantially the same Therefore, repeated description is omitted.
  • the opening/closing member 232 is hingedly connected to the lower end of the drying gas discharge hole 122, and the end thereof is formed in an arcuate shape so that it can be rotated without friction according to the pressure of the drying gas.
  • the front side of the opening/closing member 232 opens and closes the dry gas discharge hole 122, and the rear side of the opening/closing member 232 has an elastic member 233 capable of compressing or extending according to the pressure of the dry gas in the cap 120. is formed
  • the elastic member 233 may be fixedly formed on the front surface of the opening/closing member 232 and the inner wall of the dry gas discharge hole 122 .
  • the dry gas in the cap 120 passes through the dry gas discharge hole 122 in the buffer housing. It is introduced into the 231, and is discharged to the outside through the gas outlet 234 and the exhaust gas discharge passage (P40, see FIG. 2).
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a pressure regulator according to a fourth embodiment
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an operation process of the pressure regulator according to the fourth embodiment.
  • the pressure adjusting unit 240 may include a thermally expandable metal 241 , a through hole 242 , a stopper 243 , and a gas outlet 244 .
  • the thermally expandable metal 241 is generally formed in a bar shape near the dry gas discharge hole 122 in the inner wall of the cap 120 .
  • the thermally expandable metal 241 is made of a metal material that expands or contracts according to the temperature change of the drying gas.
  • a through hole 242 penetrating through the thermally expandable metal 241 is formed at a predetermined position of the thermally expandable metal 241 .
  • the through hole 242 is formed in a shape corresponding to the shape of the dry gas discharge hole 122 , and opens at least a portion of the dry gas discharge hole 122 according to the expansion of the thermally expandable metal 241 , and the thermally expandable metal 241 . ) may close the drying gas discharge hole 122 according to the contraction.
  • a stopper 243 may be formed at an end of the thermally expandable metal 241 .
  • the stopper 243 is made of a heat-resistant material having a smaller expansion/contraction according to the temperature change of the dry gas compared to the thermal expansion metal 241 , and serves as a starting point for expansion/contraction of the thermal expansion metal 241 .
  • the gas outlet 244 is formed to communicate with the dry gas outlet hole 122 .
  • the dry gas in the cap 120 may have a constant pressure and the temperature may be maintained constant. (Equation of Ideal Gas State) In this case, as shown in FIG. 12 , the thermally expandable metal 241 maintains an unexpanded state, and the through hole 242 maintains a position to close the dry gas discharge hole 122 .
  • the membrane humidifier When the membrane humidifier operates abnormally, the pressure of the dry gas in the cap 120 rises and the temperature rises accordingly. In this case, as shown in FIG. 13 , the thermally expandable metal 241 expands, and the through hole 242 moves according to the expansion of the thermally expandable metal 241 to be disposed at a position where the dry gas discharge hole 122 is opened.
  • the drying gas is discharged and the pressure is lowered, the temperature is also lowered, and the through-hole 242 is returned to its original position as the thermally expandable metal 241 contracts and the through-hole 242 discharges the dry gas as shown in FIG.
  • the hole 122 is closed.
  • the dry gas is discharged to the outside according to the pressure of the dry gas introduced into the membrane humidifier, and the pressure of the dry gas in the membrane humidifier can be adjusted.
  • Blower S Fuel cell stack

Abstract

본 발명은 막가습기 내의 건조가스 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 연료전지 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되며, 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡; 및 상기 캡에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
본 발명은 막가습기 내의 건조가스 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 연료전지 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력 밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 시스템은 블로워(Blower, B)와, 연료전지 막가습기(10, 이하 "막가습기")와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P1, P2, P3, P4)을 포함한다. P1은 블로워(B)에서 수집된 건조가스를 막가습기(10)로 공급하는 건조가스 공급유로이고, P2는 막가습기(10)에서 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급하는 가습가스 공급유로이다. P3은 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스를 막가습기(10)로 공급하는 배가스 공급유로이고, P4는 수분교환 후의 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출유로이다.
막가습기(10)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스(습윤가스) 사이에 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12, 13)을 포함한다.
블로워(B) 측의 캡(12)에는 건조가스 유입구(12a)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(11)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(13)에는 건조가스 배출구(13a)가 형성되어 가습 모듈(11)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11aa)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11ab)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내의 다수의 중공사막들(11b)을 포함한다. 중공사막들(11b)의 다발의 양 말단들은 포팅부(11c)에 고정된다. 포팅부(11c)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
블로워(B)로부터 공급되는 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11b)을 투과함으로써 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르던 건조가스를 가습한다.
한편, 막가습기(10)가 정상적으로 구동하는 경우에는, 건조가스 유입구(12a)로 유입된 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르면서 가습되어 건조가스 배출구(13a)를 통해 연료전지 스택(S)으로 배출된다.
그러나, 연료전지 스택(S)의 비정상 운전, 중공사막(11b)의 파손, 중공사막(11b)의 유로 막힘 등의 여러가지 이유로 막가습기(10)가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에는, 건조가스 유입구(12a)로 유입된 건조가스가 건조가스 배출구(13a)를 통해 배출되지 못할 수도 있다. 그 결과, 막가습기(10) 내에 건조가스의 압력이 상승하면서 막가습기(10)가 파손될 우려가 있다.
본 발명은 막가습기 내의 건조가스 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 연료전지 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되며, 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡; 및, 상기 캡에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와, 상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과, 상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,
건조가스를 공급하는 블로워; 연료전지 스택; 및, 미드-케이스와, 상기 미드-케이스와 체결되며 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡과, 상기 캡에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와, 상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과, 상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 의하면, 막가습기 내부로 유입된 건조가스의 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있다. 따라서, 여러가지 이유로 막가습기가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에, 막가습기 내의 압력을 조절함으로써 막가습기의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 6, 8, 10 및 12는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 압력 조절부가 도시된 도면이다.
도 7, 9, 11 및 13은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.
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 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템은, 블로워(B)와, 연료전지 막가습기(100 : 101 ~ 104, 이하 '막가습기'라고도 함)와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P10, P20, P30, P40)을 포함할 수 있다.
블로워(B)는 대기 중의 가스를 수집하여 막가습기(100 : 101 ~ 104)로 공급한다. 연료전지 스택(S)의 출력 크기에 따라 블로워(B)의 출력 크기가 결정될 수 있다. 선택에 따라, 블로워(B)의 전단에는 미세 먼지를 제거하는 필터(미도시)가 설치될 수 있고, 블로워(B)와 막가습기(100) 사이에는, 막가습기(100)로 공급되는 건조가스를 냉각시키는 쿨러(미도시)가 설치될 수 있다.
막가습기(100)는 건조가스를 가습하여 연료전지 스택(S)으로 공급한다. 막가습기(100)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(110)을 포함한다. 가습 모듈(110)의 양 말단들 각각은 캡(120, 130)과 결합된다. 가습 모듈(110)과 캡(120, 130)은 분리 형성될 수도 있고, 일체형으로 형성될 수도 있다.
블로워(B) 측의 캡(120)에는 건조가스 유입구(121)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(110)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(130)에는 건조가스 배출구(131)가 형성되어 가습 모듈(110)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
블로워(B) 측의 캡(120)에는, 캡(120) 내의 건조가스 압력에 따라 폐쇄 또는 개방되어 캡(120) 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)가 형성된다. 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)에 대해서는 도 6 내지 도 13을 참조하여 후술한다.
건조가스 유입구(121)는 블로워(B)와 막가습기(100)를 연결하는 건조가스 공급유로(P10)와 연결되고, 건조가스 배출구(131)는 연료전지 스택(S) 측의 캡(130)과 연료전지 스택(S)을 연결하는 가습가스 공급유로(P20)와 연결된다. 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스는 배가스 공급유로(P30)를 통해 막가습기(100)로 공급되고, 막가습기(100) 내에서 수분교환된 배가스는 배가스 배출유로(P40)를 통해 외부로 배출된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가습 모듈(110)은 블로워(B)부터 공급되는 건조가스와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(111a)와 배가스 배출구(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 미드-케이스(111) 내에 수용된 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 중공사막들(112)의 다발의 양 말단들은 포팅부(113)에 고정된다.
또는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 가습 모듈(110)은 다수의 중공사막들(22) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(23)를 포함하는 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 중공사막들(22) 및 포팅부(23)는 별도의 카트리지용 케이스인 이너 케이스(21) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 중공사막들(22)은 이너 케이스(21) 내에 수용되고, 포팅부(23)는 이너 케이스(21) 말단에 형성될 수 있다. 가습 모듈(110)이 카트리지(20)를 포함할 경우, 카트리지의 양측 말단과 미드-케이스(111) 사이에는 카트리지 고정을 위한 고정층(115)이 형성될 수 있다. 고정층(115)은 수지로 형성된 수지층, 또는 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체일 수 있다. 이너 케이스(21)는 제1 공간(S1), 제2 공간(S2)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 메쉬홀부(24)를 구비한다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽(114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 격벽(114)은 배가스 유입구(111a)로 유입된 배가스가, 중공사막(112, 22)과 수분 교환하지 않고 바이패스하여 곧바로 배가스 배출구(111b)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또는, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(111)의 내부 공간은 미드-케이스(111)의 중앙 부분에 함몰 형성된 중앙 함몰부(116)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 중앙 함몰부(116)는 배가스 유입구(111a)로 유입된 배가스가, 중공사막(112, 22)과 수분 교환하지 않고 바이패스하여 곧바로 배가스 배출구(111b)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120, 130)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다.
중공사막들(112, 22)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(113)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 5에 예시적으로 도시된 본 발명의 실시예들에서, 블로워(B) 측의 캡(120)에는, 캡(120) 내의 건조가스 압력에 따라 폐쇄 또는 개방되어 캡(120) 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)가 형성된다. 이에 대해, 도 6 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 6은 제1 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 7은 제1 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 압력 조절부(210)는, 버퍼 하우징(211), 개폐부재(212), 탄성부재(213), 가스 배출구(214)를 포함할 수 있다.
버퍼 하우징(211)은 소정의 형상으로, 캡(120)에 형성된 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다. 버퍼 하우징(211)은 개폐부재(212)가 전후진할 수 있도는 공간을 제공하고, 개폐부재(212)가 후진하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스가 유동할 수 있는 공간을 제공한다.
버퍼 하우징(211)의 건조가스 배출홀(122) 측 개구에는 캡(120)으로부터 연장 형성되며, 개폐부재(212)가 걸쳐질 수 있는 걸림턱(211a)이 형성될 수 있다. 또는, 걸림턱(211a)은 버퍼 하우징(211)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 하나에서 돌출되어 형성될 수 있다.
개폐부재(212)는 건조가스 배출홀(122)의 면적보다 큰 면적을 구비하여 걸림턱(211a)에 걸쳐질 수 있으며, 건조가스 배출홀(122)을 개폐할 수 있는 형상으로 형성된다.
개폐부재(212)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(212)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(213)가 형성된다. 탄성부재(213)는 개폐부재(212)의 후면 및 버퍼 하우징(211)의 일측 내벽에 고정 형성될 수 있다. 탄성부재(213)는, 예를 들어, 스프링일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 내열성이 있는 고무, 합성 수지 등이 탄성부재(213)의 재료가 될 수 있다.
버퍼 하우징(211)의 적어도 일 면에는 가스 배출구(214)가 형성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 개폐부재(212)가 후진하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(211) 내로 유입되고, 가스 배출구(214) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.
도 8은 제2 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 9는 제2 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 압력 조절부(220)는, 버퍼 하우징(221), 개폐부재(222), 탄성부재(223), 가스 배출구(224)를 포함할 수 있다.
버퍼 하우징(221)은 소정의 형상으로, 캡(120)에 형성된 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다. 버퍼 하우징(221)은 힌지 연결된 개폐부재(222)가 선회할 수 있는 공간을 제공하고, 개폐부재(222)가 후방으로 선회하여 건조가스 배출홀(122)의 적어도 일부를 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스가 유동할 수 있는 공간을 제공한다. 여기서, 캡 내부 측을 '전방', 캡 외부 측을 '후방'이라 한다.
개폐부재(222)는 건조가스 배출홀(122)의 상단과 힌지 연결되며, 그 단부는 아치 형상으로 형성되어 건조가스 압력에 따라 마찰없이 선회될 수 있도록 한다.
개폐부재(222)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(222)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(223)가 형성된다. 탄성부재(223)는 개폐부재(222)의 후면 및 버퍼 하우징(221)의 상부 내벽에 고정 형성될 수 있다. 탄성부재(223)는, 예를 들어, 스프링일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 내열성이 있는 고무, 합성 수지 등이 탄성부재(223)의 재료가 될 수 있다.
버퍼 하우징(221)의 적어도 일 면에는 가스 배출구(224)가 형성된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 개폐부재(222)가 후방으로 선회 운동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(221) 내로 유입되고, 가스 배출구(224) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.
도 10은 제3 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 11은 제3 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 압력 조절부(230)는, 버퍼 하우징(231), 개폐부재(232), 탄성부재(233), 가스 배출구(234)를 포함할 수 있다. 제3 실시예의 압력 조절부(230)는 전술한 제2 실시예의 압력 조절부(220)와 비교하여 개폐부재(232) 및 탄성부재(233)의 설치 위치만 상이하고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 개폐부재(232)는 건조가스 배출홀(122)의 하단과 힌지 연결되며, 그 단부는 아치 형상으로 형성되어 건조가스 압력에 따라 마찰없이 선회될 수 있도록 한다.
개폐부재(232)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(232)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(233)가 형성된다. 탄성부재(233)는 개폐부재(232)의 전면 및 건조가스 배출홀(122)의 내벽에 고정 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 개폐부재(232)가 후방으로 선회 운동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(231) 내로 유입되고, 가스 배출구(234) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.
도 12는 제4 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 13은 제4 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제4 실시예의 압력 조절부(240)는, 열팽창 금속(241), 관통구(242), 스토퍼(243), 가스 배출구(244)를 포함할 수 있다.
열팽창 금속(241)은 캡(120)의 내벽에서 건조가스 배출홀(122) 근처에서 대체로 막대 형상으로 형성된다. 열팽창 금속(241)은 건조가스의 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 금속 물질로 이루어진다.
열팽창 금속(241)의 소정 위치에는 열팽창 금속(241)을 관통하는 관통구(242)가 형성된다. 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)의 형상과 대응하는 형상으로 형성되어, 열팽창 금속(241)의 팽창에 따라 건조가스 배출홀(122)의 적어도 일부를 개방하고, 열팽창 금속(241)의 수축에 따라 건조가스 배출홀(122)를 폐쇄할 수 있다.
열팽창 금속(241)의 단부에는 스토퍼(243)가 형성될 수 있다. 스토퍼(243)는 열팽창 금속(241)에 비해 건조가스의 온도 변화에 따른 팽창/수축이 작은 내열성 소재로 이루어져서, 열팽창 금속(241)의 팽창/수축의 기점 역할을 수행한다.
가스 배출구(244)는 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다.
막가습기가 정상적으로 작동할 경우, 캡(120) 내의 건조가스는 일정한 압력을 갖게 되고 온도도 일정하게 유지될 수 있다. (이상기체 상태 방정식) 이 경우, 도 12와 같이 열팽창 금속(241)은 팽창하지 않은 상태를 유지하게 되고, 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)을 폐쇄하는 위치를 유지한다.
막가습기가 비정상적으로 작동할 경우, 캡(120) 내의 건조가스 압력은 상승하고 이에 따라 온도도 상승하게 된다. 이 경우, 도 13과 같이 열팽창 금속(241)은 팽창하게 되고, 열팽창 금속(241)의 팽창에 따라 관통구(242)가 이동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방하는 위치에 배치된다.
건조가스 배출홀(122)이 개방되면, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122), 가스 배출구(244) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.
일정 시간 경과후, 건조가스가 배출되어 압력이 하강하면 온도도 하강하고, 열팽창 금속(241)은 수축되면서 관통구(242)가 원위치로 복귀되면서 도 12와 같이 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)을 폐쇄하게 된다.
이와 같은, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 의하면, 막가습기 내부로 유입된 건조가스의 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있다.
따라서, 여러가지 이유로 막가습기가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에, 막가습기 내의 압력을 조절함으로써 막가습기의 파손을 방지할 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.
[부호의 설명]
100 (101 ~ 104) : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 : 중공사막 113 : 포팅부
114 : 격벽 116 : 중앙 함몰부
111a : 배가스 유입구 111b : 배가스 배출구
20 : 카트리지 21 : 이너 케이스
22 : 중공사막 23 : 포팅부
24 : 메쉬홀부
120, 130 : 캡
200 (210 ~ 240) : 압력 조절부
B : 블로워 S : 연료전지 스택
P10 : 건조가스 공급유로 P20 : 가습가스 공급유로
P30 : 배가스 공급유로 P40 : 배가스 배출유로

Claims (17)

  1. 미드-케이스;
    상기 미드-케이스와 체결되며, 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡; 및,
    상기 캡에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성되는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성되는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과,
    상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼
    를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
  9. 건조가스를 공급하는 블로워;
    연료전지 스택; 및,
    미드-케이스와, 상기 미드-케이스와 체결되며 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡과, 상기 캡에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성되는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성되는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과,
    상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와,
    상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와,
    상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과,
    상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 압력 조절부는,
    상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼
    를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료전지 막가습기에서 가습된 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 가습가스 공급유로;
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 배가스를 상기 연료전지 막가습기로 공급하는 배가스 공급유로; 및
    상기 연료전지 막가습기에서 수분교환된 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출유로
    를 포함하는 연료전지 시스템.
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