KR101592423B1 - 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 공기 압축기를 통해 공급되는 건조공기의 막 가습이 이루어지며, 가습공기를 상기 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)막 모듈의 양측에 각각 연결되며, 막 모듈의 내부로 배출가스와 건조공기를 주입하고, 막 모듈의 내부로부터 수분이 제거된 배출가스와 가습공기를 배출하는 매니폴드와, ⅲ)매니폴드의 내부로 삽입되고, 막 모듈의 내부와 연결되게 구성되며, 공기 압축기로부터 공급되는 건조공기의 공급경로와 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 바이패스 라인을 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 {HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지로 공급되는 반응 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다.

가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치의 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.

가습기로는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 플레이트 타입, 흡착제 타입 그리고 막 가습 타입 등 여러 가지 방식의 것이 있지만, 연료전지 차량의 경우에서는 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습 방식을 적용하고 있다. 이러한 막 가습 방식의 가습기는 패키지 측면에서 뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.

막 가습 방식의 가습기(이하에서는 편의상 "막 가습기" 라고 한다)는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출가스와, 공기 압축기를 통해 공급되는 건조 공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식을 통해 막 가습이 이루어진다.

여기서, 상기와 같이 가습기에서 막 가습이 이루어진 가습 공기는 연료전지의 공기극으로 공급되고, 수분이 제거된 배출가스는 대기 중으로 방출된다.

예를 들면, 막 가습기는 원통 형상의 하우징 내부에 중공사막이 밀집되어 있는 막 모듈과, 그 막 모듈의 양측에 형성되는 쉘(shell) 타입의 매니폴드를 구비하고 있다.

한편, 종래 기술에서는 가습기로부터 대기 중으로 방출되는 배출가스(수분이 제거된 배출가스) 중의 수소를 희석시켜 주기 위해 공기 압축기를 통해 공급되는 건조 공기의 일부를 배출가스의 배출 경로로 분사하는 구조가 개시된 바 있다.

이는 연료전지 차량의 경우 대기 중으로 배출되는 배출가스에 수소가 혼합되어 있기 때문에, 상기한 바와 같은 방식으로 배출가스 중의 수소를 희석시켜 줌으로써 배출가스의 법적 규제를 만족하기 위함이다.

이를 위해 종래 기술에서는 공기 압축기와 가습기를 연결하는 공기 공급라인에서 분기되며 그 가습기의 배출가스 배출라인에 연결되는 바이패스 라인을 구비하고, 그 바이패스 라인의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 개폐밸브를 구비하고 있다.

그런데, 종래 기술에서는 공기 공급라인과 배출가스 배출라인을 연결하는 별도의 바이패스 라인을 구성함에 따라, 그 바이패스 라인의 설치 공간을 필요로 하고, 이로 인해 패키지 측면에서 불리하다는 단점이 있다.

즉, 막 가습기는 다른 방식의 가습기에 비해 상대적으로 부피가 작지만, 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식인 경우는 차량용 부품으로서 여전히 부피가 크기 때문에, 상기한 바와 같은 바이패스 라인을 부가적으로 적용하게 되면 패키지 측면에서 더욱 불리해질 수 있다.

더 나아가, 종래 기술에서는 막 가습기의 기능적 특성 상 그 가습기 내에서 응축된 응축수가 존재할 수 있다. 이러한 응축수는 겨울철에 얼기 때문에 가습기 내부의 공기 유로를 축소시킴으로써 압력 상승으로 인한 공기 압축기의 부담을 가중시키며, 그 공기 압축기의 소모 동력을 증가시킬 수 있고, 이로 인해 연료전지 차량의 연비를 저하시킬 수 있다.

또한, 겨울철에 가습기 내부의 응축수가 얼 경우, 이의 부피 팽창으로 인하여 가습기의 막 모듈에 손상을 가할 수 있고, 가습기의 가습 성능을 떨어뜨릴 수 있다.

미국등록특허 제8323844호 (2012. 12. 04. 등록) 이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 바이패스 라인을 내부에 구성하여 패키지 측면에서 유리하고, 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 공기 압축기를 통해 공급되는 건조공기의 막 가습이 이루어지며, 가습공기를 상기 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)상기 막 모듈의 양측에 각각 연결되며, 상기 막 모듈의 내부로 상기 배출가스와 건조공기를 주입하고, 상기 막 모듈의 내부로부터 상기 수분이 제거된 배출가스와 상기 가습공기를 배출하는 매니폴드와, ⅲ)상기 매니폴드의 내부로 삽입되고, 상기 막 모듈의 내부와 연결되게 구성되며, 상기 공기 압축기로부터 공급되는 건조공기의 공급경로와 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 바이패스 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 매니폴드의 외부에서 상기 바이패스 라인에는 개폐밸브가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 막 모듈은 상기 중공사막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 지지부재에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드에 삽입되며, 다른 하나의 매니폴드 내부로 연장될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 매니폴드 사이에서 상기 막 모듈의 외부로 노출될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 막 모듈 및 매니폴드 내부의 응축수가 고인 부분에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 하부에 삽입되며 그 매니폴드의 내부와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 상부에 구성되며 그 매니폴드의 내부와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인에는 상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 내부와 연결되는 연결홀들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인에는 건조공기의 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 체크밸브는 덕빌(duckbill) 밸브로 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, ⅰ)단위 연료전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기와, ⅲ)상기 공기 압축기와 연결되며, 상기 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 상기 공기 압축기를 통해 공급되는 건조공기의 막 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소탱크를 포함하며, 상기 공기 압축기와 가습기 사이의 공기 공급경로에 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 바이패스 라인을 상기 가습기의 내부에 구성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 가습기는 여러 다발의 중공사막이 내부에 밀집된 막 모듈과, 상기 막 모듈의 양측에 각각 연결되며 상기 막 모듈의 내부로 상기 배출가스와 건조공기를 주입하고 상기 막 모듈의 내부로부터 수분이 제거된 배출가스와 상기 가습공기를 배출하는 매니폴드를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인은 상기 매니폴드의 내부로 삽입되고, 상기 막 모듈의 내부와 연결되게 구성되며, 상기 공기 압축기로부터 공급되는 건조공기의 공급경로와 선택적으로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 매니폴드의 외부에서 상기 바이패스 라인에는 개폐밸브가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 라인에는 덕빌(duckbill) 체크밸브가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예는 가습기로부터 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시키기 위해 그 가습기의 내부로 공기를 공급하는 바이패스 라인을 가습기 내에 구성하므로, 가습기 내의 유로를 바이패스 공간으로서 활용할 수 있기 때문에, 건조공기의 바이패스를 위한 배관이나 호스의 설치 공간을 필요로 하지 않아 패키지 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 막 모듈 및 매니폴드 내부의 응축수가 고인 부분에 바이패스 라인을 구성할 수 있으므로, 가습기 내에서 응축된 물이나 고여있는 물을 바이패스 라인을 통해 공급되는 건조공기로서 외부로 배출할 수 있기 때문에 겨울철에 물이 얼어서 발생하는 가습기 내부의 압력 상승을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 가습기 내부의 압력 상승으로 인한 공기 압축기의 부담을 줄일 수 있고, 이로 인해 공기 압축기의 소모 동력을 저감시킬 수 있으며, 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 바이패스 라인에 의한 가습기 내의 공기 유동으로서 가습기 내부의 물을 막 가습에 이용할 수 있기 때문에, 가습기의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 라인의 체크 밸브를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 라인의 변형예들을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 예를 들면 연료전지 차량에 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 상기 연료전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10), 공기 압축기(30), 가습기(200) 그리고 수소탱크(50)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함한 공기극과 연료극이 배치된 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진다.

상기에서 연료전지의 공기극에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출가스" 라고 한다)를 배출하며, 연료전지의 연료극에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 습윤 수소를 배출한다.

상기 공기 압축기(30)는 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 공기(이하에서는 편의 상 "건조공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 건조공기를 압축하여 뒤에서 더욱 설명될 가습기(200)로 공급한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 가습기(200)는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 공기 압축기(30)로부터 공급되는 건조공기의 막 가습(gas to gas 수분 교환 방식)이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습공기" 라고 한다)를 연료전지의 공기극으로 공급한다. 여기서, 상기 가습기(200)는 공기 공급라인(31)을 통해 공기 압축기(30)와 연결될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기(200)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

상기에서 수소탱크(50)는 연료전지의 연료극으로 수소 가스를 공급하기 위한 것으로서, 그 수소 가스를 저장하며 연료극으로 공급할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같은 스택(10), 공기 압축기(30) 및 수소탱크(50)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 가습기(200)에서 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시키기 위해 공기 압축기(30)로부터 제공되는 건조공기의 일부를 가습기(200)로 공급할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서는 상기한 공기를 가습기(200)로 공급하는 경로를 그 가습기(200)의 내부에 구성하여 패키지 측면에서 유리하고, 가습기(200)의 가습 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 가습기(200)를 제공한다.

이하에서는 상기와 같은 연료전지 시스템(100)에 적용되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기(200)는 기본적으로, 막 모듈(110), 매니폴드(120, 130) 및 바이패스 라인(150)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서, 상기 막 모듈(110)은 여러 다발의 중공사막(111)이 내부에 밀집된 것으로, 원통 형상의 하우징(113) 내부에 중공사막(111) 다발이 내장되어 있다.

이러한 막 모듈(110)은 중공사막(111)의 양단을 지지하는 지지부재(115)를 포함하는 바, 상기 지지부재(115)는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징(113)의 양단에 고정된 상태로 중공사막(111) 다발의 양단부를 지지할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 매니폴드(120, 130)는 쉘(shell) 형태로 이루어지며, 막 모듈(110)의 양 단부에 연결된다.

상기 매니폴드(120, 130)는 스택(10)에서 배출되는 배출가스와 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 건조공기를 막 모듈(110)의 내부로 주입하기 위한 것이다.

또한, 상기 매니폴드(120, 130)는 막 모듈(110)을 통해 배출가스와 건조공기의 수분 교환으로 막 가습이 이루어진 가습공기와, 수분이 제거된 배출가스를 그 막 모듈(110)의 내부로부터 배출하기 위한 것이다.

이하에서는 상기 막 모듈(110)의 일측 단부에 연결되는 매니폴드를 제1 매니폴드(120)라 하고, 막 모듈(110)의 다른 일측 단부에 연결되는 매니폴드를 제2 매니폴드(130)라고 한다.

상기 제1 매니폴드(120)는 스택(10)에서 배출되는 배출가스를 막 모듈(110)로 도입(주입)하기 위한 제1 유입부(121)와, 상기한 가습공기를 배출하는 제1 배출부(123)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 제2 매니폴드(130)는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 건조공기를 막 모듈(110)로 도입(주입)하기 위한 제2 유입부(131)와, 상기한 수분이 제거된 배출가스를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부(133)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 제1 매니폴드(120)의 제1 배출부(123)는 가습공기를 공급하는 공급라인을 통해 스택(10)과 연결되며, 제2 매니폴드(130)의 제2 유입부(131)는 공기 공급라인(31)을 통해 공기 압축기(30)와 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 바이패스 라인(150)은 제2 매니폴드(130)의 제2 배출부(133)를 통해 대기 중으로 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시키기 위해, 공기 압축기(30)로부터 제공되는 건조공기의 일부를 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)를 통해 막 모듈(110)로 공급하기 위한 것이다.

상기 바이패스 라인(150)은 위에서 언급한 바 있는 공기 공급라인(31)에 선택적으로 연결되며, 본 발명의 실시예에 따른 가습기(200)의 내부에 구성될 수 있다.

즉, 상기 바이패스 라인(150)은 공기 압축기(30)로부터 제공되는 건조공기의 일부를 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)의 내부를 통해 막 모듈(110)의 내부로 공급할 수 있다.

예를 들면, 상기와 같은 바이패스 라인(150)은 공기 공급라인(31)에서 분기되며, 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)의 내부로 삽입되고, 막 모듈(110)의 내부와 연결되게 구성될 수 있다.

더 나아가, 상기 바이패스 라인(150)은 공기 공급라인(31)과 선택적으로 연결되며, 제2 매니폴드(130)에 삽입되고, 제1 매니폴드(120)로 연장될 수 있다.

구체적으로, 상기 바이패스 라인(150)은 제2 매니폴드(130)에 삽입 및 관통하며 막 모듈(110)의 길이 방향을 따라 연장되고, 제1 매니폴드(120)에 삽입될 수 있다.

여기서, 상기 바이패스 라인(150)은 제1 매니폴드(120)의 내부에서 언급한 바 있는 지지부재(115)에 고정되며, 제1 및 제2 매니폴드(120, 130) 사이에서 막 모듈(110)의 외부로 노출될 수 있다.

이 경우, 상기 공기 공급라인(31)과 바이패스 라인(150)의 연결 지점에는 바이패스 라인(150)을 선택적으로 개폐하기 위한 개폐밸브(70)가 설치된다. 즉 상기 개폐밸브(70)는 제2 매니폴드(130)의 외부에서 바이패스 라인(150)에 설치될 수 있다.

상기한 개폐밸브(70)는 전기적인 신호에 의해 공기 공급라인(31)과 바이패스 라인(150)을 선택적으로 연결하는 통상적인 구조의 3-웨이(3-way) 밸브로 구비될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 의한 상기 바이패스 라인(150)에는 제2 매니폴드(130)의 내부와 연결되는 연결홀들(151)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 바이패스 라인(150)은 제2 매니폴드(130)의 내부에서 연결홀들(151)을 통해 막 모듈(110)의 내부와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 바이패스 라인(150)의 공기 유동 경로에는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 건조공기가 역류되는 것을 방지하기 위한 체크 밸브(155)가 설치될 수 있다.

상기 체크 밸브(155)는 덕빌(duckbill) 체크 밸브로 구비될 수 있다. 이러한 덕빌 체크 밸브는 유체가 유입되는 입구 단(157)과, 유체가 배출되는 오리의 부리 형태의 출구 단(159)을 가진 체크 밸브로서 구비된다.

즉, 상기 덕빌 체크 밸브는 도 4의 (a)에서와 같이, 유체가 흐르는 방향(유체 공급 방향)을 기준으로, 그 유체의 압력에 의해 부리 형태의 출구 단(159)이 탄성 변형되며 밸브 통로(158)를 개방할 수 있다.

그리고, 상기 덕빌 체크 밸브는 도 4의 (b)에서와 같이, 유체가 반대 방향으로 역류하는 경우, 그 부리 형태의 출구 단(159)이 원래의 형상으로 복원되며 밸브 통로(158)를 폐쇄할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)를 포함하는 연료전지 시스템(100)의 작동을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 연료전지들에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 연료전지들의 공기극에서는 고온 다습한 배출가스를 배출한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 공기극으로부터 배출되는 배출가스를 제1 매니폴드(120)의 제1 유입부(121)를 통해 막 모듈(110)로 공급한다.

이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 건조공기를 제2 매니폴드(130)의 제2 유입부(131)를 통해 막 모듈(110)로 공급한다.

여기서, 상기 공기 압축기(30)로부터 제공되는 건조공기는 공기 공급라인(31)을 통해 제2 유입부(131)로 공급된다. 그리고 개폐밸브(70)는 공기 공급라인(31)을 개방하며, 바이패스 라인(150)을 폐쇄한 상태에 있다.

이에 따라, 상기 막 모듈(110)에서는 배출가스와 건조공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식에 의한 막 가습이 이루어지며, 그 가습 공기는 제1 매니폴드(120)의 제1 배출부(123)를 통해 배출되며 연료전지들의 공기극으로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 막 모듈(110)의 내부에서 수분이 제거된 배출가스는 제2 매니폴드(130)의 제2 배출부(133)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상술한 바와 같은 일련의 과정을 거치는 동안, 제2 매니폴드(130)의 제2 배출부(133)를 통해 대기 중으로 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시킬 필요가 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서는 개폐밸브(70)를 통해 바이패스 라인(150)을 개방한다. 그러면, 공기 압축기(30)로부터 제공되는 건조공기의 일부는 바이패스 라인(150)을 통해 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)의 내부로 공급되며, 이들 매니폴드(120, 130)를 통해 막 모듈(110)의 내부로 공급될 수 있다.

여기서, 상기 건조공기는 바이패스 라인(150)을 통해 제2 매니폴드(130)의 내부를 통과하여 제1 매니폴드(120)의 내부로 공급되는 바, 제2 매니폴드(130)의 내부에서 바이패스 라인(150)의 연결홀들(151)을 통해 제2 매니폴드(130)의 내부로 공급될 수 있다. 이에 상기 건조공기는 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)를 통해 막 모듈(110)의 내부로 공급될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기 바이패스 라인(150)을 통해 건조공기를 제1 및 제2 매니폴드(120, 130)의 내부로 공급하는 과정에, 체크 밸브(155)를 통해 건조공기가 역류되는 것을 방지할 수 있다.

이 경우, 상기 체크 밸브(155)는 도 4의 (a)에서와 같이, 건조공기가 흐르는 방향을 기준으로, 건조공기의 압력에 의해 부리 형태의 출구 단이 탄성 변형되며 밸브 통로를 개방할 수 있다.

그리고, 상기 체크 밸브(155)는 도 4의 (b)에서와 같이 건조공기가 유동 반대 방향으로 역류하는 경우, 그 부리 형태의 출구 단이 원래의 형상으로 복원되며 밸브 통로를 폐쇄하면서 건조공기가 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)에 의하면, 가습기(200)에서 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시키기 위해 가습기(200)로 건조공기를 공급하는 바이패스 라인(150)을 가습기(200)의 내부에 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 가습기(200)로부터 배출되는 배출가스 중의 수소를 희석시키기 위해 그 가습기(200)의 내부로 공기를 공급하는 바이패스 라인(150)을 가습기(200) 내에 구성하므로, 가습기(200) 내의 유로를 바이패스 공간으로서 활용할 수 있기 때문에, 건조공기의 바이패스를 위한 배관이나 호스의 설치 공간을 필요로 하지 않아 패키지 측면에서 유리하다는 잇점이 있다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 라인의 변형예들을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 라인(150)의 제1 변형예는 막 모듈(110) 및 매니폴드(120, 130) 내부의 응축수가 고인 부분에 바이패스 라인(150)을 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 가습기(200) 내에서 응축된 물이나 고여있는 물을 바이패스 라인(150)을 통해 공급되는 건조공기로서 외부로 배출할 수 있으므로, 겨울철에 물이 얼어서 발생하는 가습기(200) 내부의 압력 상승을 방지할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 가습기(200) 내부의 압력 상승으로 인한 공기 압축기(30)의 부담을 줄일 수 있고, 이로 인해 공기 압축기(30)의 소모 동력을 저감시킬 수 있으며, 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 가습기(200) 내에서 응축된 물이나 고여있는 물을 바이패스 라인(150)을 통해 공급되는 건조공기로서 외부로 배출할 수 있으므로, 가습기(200) 내의 공기 유동에 의해 내부의 물을 막 가습에 이용할 수 있기 때문에 가습기(200)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 라인(150)의 제2 변형예는 제2 매니폴드(130)의 하부에 삽입되며 그 매니폴드(130)의 내부와 연결되는 바이패스 라인(150)을 구성할 수 있다.

여기서, 상기 바이패스 라인(150)은 제2 매니폴드(130)의 하부를 삽입 관통하지 않고, 제2 매니폴드(130)의 하부에 삽입된 상태로 제2 매니폴드(130)의 내부와 연결될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 라인(150)의 제3 변형예는 제2 매니폴드(130)의 상부에 삽입되며 그 매니폴드(130)의 내부와 연결되는 바이패스 라인(150)을 구성할 수 있다.

상기 바이패스 라인(150)은 제2 매니폴드(130)의 상부를 삽입 관통하지 않고, 제2 매니폴드(130)의 상부에 삽입된 상태로 제2 매니폴드(130)의 내부와 연결될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 스택 30... 공기 압축기
31... 공기 공급라인 50... 수소탱크
70... 개폐밸브 110... 막 모듈
111... 중공사막 113... 하우징
115... 지지부재 120... 제1 매니폴드
121... 제1 유입부 123... 제1 배출부
130... 제2 매니폴드 131... 제2 유입부
133... 제2 배출부 150... 바이패스 라인
151... 연결홀 155... 체크 밸브
157... 입구단 158... 밸브 통로
159... 출구단 100... 연료전지 시스템
200... 가습기

Claims (16)

1. 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 공기 압축기를 통해 공급되는 건조공기의 막 가습이 이루어지며, 가습공기를 상기 공기극으로 공급하는 연료전지용 가습기로서,
   여러 다발의 중공사막이 내부에 밀집된 막 모듈;
   상기 막 모듈의 양측에 각각 연결되며, 상기 막 모듈의 내부로 상기 배출가스와 건조공기를 주입하고, 상기 막 모듈의 내부로부터 수분이 제거된 배출가스와 상기 가습공기를 배출하는 매니폴드; 및
   상기 매니폴드의 내부로 삽입되고, 상기 막 모듈의 내부와 연결되게 구성되며, 상기 공기 압축기로부터 공급되는 건조공기의 공급경로와 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 바이패스 라인;을 포함하며,
   상기 바이패스 라인은 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드에 삽입되며, 다른 하나의 매니폴드 내부로 연장되게 구비되되, 상기 매니폴드 사이에서 상기 막 모듈의 외부로 노출되게 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 매니폴드의 외부에서 상기 바이패스 라인에는 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 막 모듈은 상기 중공사막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함하며,
   상기 바이패스 라인은 상기 지지부재에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 바이패스 라인은,
   상기 막 모듈 및 매니폴드 내부의 응축수가 고인 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 바이패스 라인은,
   상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 하부에 삽입되며 그 매니폴드의 내부와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 바이패스 라인은,
   상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 상부에 구성되며 그 매니폴드의 내부와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 바이패스 라인에는,
   상기 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드 내부와 연결되는 연결홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 바이패스 라인에는 건조공기의 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 체크밸브는 덕빌(duckbill) 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
12. 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지는 스택;
    상기 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기;
    상기 공기 압축기와 연결되며, 상기 공기극으로부터 배출되는 배출가스와 상기 공기 압축기를 통해 공급되는 건조공기의 막 가습이 이루어지는 가습기; 및
    상기 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소탱크;를 포함하며,
    상기 공기 압축기와 가습기 사이의 공기 공급경로에 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 바이패스 라인을 가습기의 내부에 구성하되,
    상기 가습기는 여러 다발의 중공사막이 내부에 밀집된 막 모듈과, 상기 막 모듈의 양측에 각각 연결되며 그 막 모듈의 내부로 배출가스와 건조공기를 주입하고 상기 막 모듈의 내부로부터 수분이 제거된 배출가스와 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 매니폴드를 포함하고,
    상기 바이패스 라인은 수분이 제거된 배출가스를 배출하는 어느 하나의 매니폴드에 삽입되며, 다른 하나의 매니폴드 내부로 연장되게 구비되되, 상기 매니폴드 사이에서 상기 막 모듈의 하우징 외부로 노출되게 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
13. 삭제
14. 제12 항에 있어서,
    상기 바이패스 라인은,
    상기 매니폴드의 내부로 삽입되고, 상기 막 모듈의 내부와 연결되게 구성되며, 상기 공기 압축기로부터 공급되는 건조공기의 공급경로와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 매니폴드의 외부에서 상기 바이패스 라인에는 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
16. 제14 항에 있어서,
    상기 바이패스 라인에는 덕빌(duckbill) 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

Images