KR20180024993A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 가습기는 ⅰ)가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, ⅱ)막 모듈부의 일측에 결합되며, 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, ⅲ)막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부와, ⅳ)제2 캡부에 구비되며, 제2 캡부의 내부로 유입된 응축수를 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 가습기 {HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지로 공급되는 반응기체를 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.

연료전지 차량의 경우에서는 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습 방식을 적용하고 있다. 이러한 막 가습 방식의 가습기는 패키지 측면에서뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.

막 가습 방식의 가습기는 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.

한편, 스택에서 생성된 물은 그 스택에서의 공기 유로(스택 매니폴드, 셀 입출구, 셀의 각 채널 등) 일부 또는 전체를 막아 반응기체의 공급을 방해하여 스택의 성능을 저하시키거나 스택의 내구성에 문제를 일으킬 수 있다.

이에 연료전지 시스템의 레이아웃 상 가습기는 통상적으로 스택의 하단에 위치하고 있다. 이 경우 스택에서 응축된 물은 대부분 중력에 의해 그 스택과 인접해 있는 가습기 쪽으로 흘러갈 수 있다.

또한, 가습기에서 가습된 공기가 스택으로 공급될 때, 외기와의 온도차에 의해 수증기가 응축되고 그 응축수는 공기의 유속이 낮을 경우, 중력에 의해 가습기로 유입되며, 셧-다운 후에 수증기가 응축되고 그 응축수는 스택이나 배관으로부터 가습기로 유입될 수 있다.

그러나, 연료전지 차량의 아이들 상태에서 급 출력 시 또는 고출력 시, 가습기에서 스택으로 공급되는 공기의 유속이 빨라지기 때문에, 가습기에 고여있는 응축수는 스택으로 유입되며 그 스택 내의 유로를 막음으로 인해 스택에서의 셀 빠짐 현상을 발생시킬 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 간단한 구성으로서 응축수의 고임 및 스택으로의 응축수 유입을 방지할 수 있도록 한 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, ⅰ)가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, ⅱ)상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, ⅲ)상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부와, ⅳ)상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부로 유입된 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 막 모듈부는 상기 가습막의 양단을 지지하는 포팅부로서의 지지부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 내부에 구비되며, 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기는, ⅰ)가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부와, ⅱ)상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부와, ⅲ)상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부와, ⅳ)상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 구비되며, 상기 제2 캡부와 상기 막 모듈부를 바이패스 연결하는 바이패스 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 막 모듈부에서 제2 캡부로 유입된 수분을 상기 막 모듈부와 제2 캡부의 압력 차에 의해 상기 막 모듈부로 바이패스 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 막 모듈부에 대응하는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 사출 성형될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 하단에 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제1 관로에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되고, 하단에 다른 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 적어도 하나의 제3 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 막 모듈부에 대응하는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 인서트 사출된 금속 배관을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 금속 배관은 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 성형된 고정부재에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 금속 배관은 하단에 입구를 형성하며 상기 고정부재에 상하 수직 방향으로 고정되는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 고정부재에 상기 막 모듈부 측으로 고정되는 제2 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 금속 배관은 상기 제1 관로에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되게 상기 고정부재에 고정되고, 하단에 다른 입구를 형성하는 적어도 하나의 제3 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제1 관로의 입구 단면적이 상기 제2 관로의 출구 단면적 보다 상대적으로 큰 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제1 관로의 입구 단면이 상기 막 모듈부를 향해 사선형으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 캡부는 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 스택으로 배출하는 공기 배출구를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출구는 상기 제2 관로에 대응하여 상기 제2 캡부의 상면에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 공기 배출구는 상기 제2 관로에 대응하여 상기 제2 캡부의 측면에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 다른 측면 측에서 내벽 면에 일체로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제1 관로의 입구는 상기 제2 캡부 내부에서의 공기 유동 방향과 다른 방향으로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향에서 수평 방향으로 연장되게 배치되고, 상기 제2 캡부 내부에서의 공기 유동 방향과 다른 방향으로 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 제2 캡부는 상기 막 모듈부에 대응하는 내벽 면에 일체로 형성되며, 하단 측에 복수의 입구를 형성하고 상측 방향으로 갈수록 폭이 점차 작아지며 상기 바이패스 관로와 연결되는 덕트부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 상기 덕트부의 상부와 연결되며, 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 형성되는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기에 있어서, 상기 바이패스 관로는, 상기 막 모듈부에 대한 상기 제2 캡부의 조립 시, 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 제2 캡부의 내벽 면에 바이패스 관로를 일체로 구성함에 따라 제2 캡부로 유입된 응축수를 바이패스 관로를 통해 막 모듈부로 바이패스시키며, 가습기 내 응축수의 고임을 방지할 수 있고, 연료전지 스택으로의 응축수 유입을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택의 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐을 방지할 수 있고, 이로 인해 연료전지 시스템의 운전 안정성을 개선할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로를 사출 성형을 통해 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 구성함에 따라, 막 모듈부와 제2 캡부의 체결만으로 바이패스 관로를 통해 막 모듈부의 제2 캡부를 바이패스 연결할 수 있으므로, 가습기 조립 시 편의를 도모할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제1 변형 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제2 변형 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제3 변형 예를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제4 변형 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제5 변형 예를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제6 변형 예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로의 제7 변형 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 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 실시 예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습공기" 라고 한다)를 연료전지 스택으로 공급한다. 이와 같은 연료전지용 가습기(100)는 기본적으로, 막 모듈부(10), 제1 캡부(30) 및 제2 캡부(50)를 포함하고 있다.

상기 막 모듈부(10)는 당 업계에서 "쉘-인(shell-in)이라고도 하며, 여러 다발의 중공사막인 가습막(11)이 내부에 밀집된 것으로, 원통 형상의 하우징 내부에 가습막(11)이 내장되어 있다. 상기 막 모듈부(10)는 가습막(11)의 양단을 지지하는 지지부재(13)(당 업계에서는 "포팅부" 라고도 한다)를 포함하고 있다. 예를 들면 상기 지지부재(13)는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징의 양단에 고정된 상태로 가습막(11)의 양단부를 지지한다.

여기서, 상기 막 모듈부(10)에는 연료전지 스택에서 배출되는 배출공기를 하우징의 내부로 주입하기 위한 배출공기 유입부(15)와, 수분이 제거된 배출공기를 배기 계통으로 배출하기 위한 배출공기 배출부(17)를 형성하고 있다.

상기 제1 캡부(30)는 당 업계에서 "캡-인(cap-in)" 이라고도 하며, 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 막 모듈부(10)의 내부로 주입하기 위한 것이다. 상기 제1 캡부(30)는 막 모듈부(10)의 일측 단부에 결합된다. 상기 제1 캡부(30)는 공급공기를 막 모듈부(10)로 공급하기 위한 공급공기 주입구(31)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 제2 캡부(50)는 당 업계에서 "캡-아웃(cap-out)" 이라고도 하며, 막 모듈부(10)로부터 유입된 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 것이다. 상기 제2 캡부(50)는 막 모듈부(10)의 다른 일측 단부에 결합되며, 그 가습공기를 연료전지 스택으로 배출하기 위한 공기 배출구(51)를 형성하고 있다.

한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 가습기(100)는 제2 캡부(50)의 내부로 응축수가 유입되는데, 그 응축수는 가습공기와 함께 연료전지 스택으로 유입될 수 있다.

예를 들면, 차량의 아이들 상태(저 유량 시)에서 급 출력 시 또는 고 출력 시, 가습막(11) 내부의 수분이 포함된 가습공기가 제2 캡부(50)로 다량 토출되고, 제2 캡부(50)의 내부에서 응축된 응축수가 공기 배출구(51)를 통해 연료전지 스택으로 공급됨에 따라, 연료전지 스택에서는 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐이 발생할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입된 수분을 포함한 공기의 일부를 막 모듈부(10)로 바이패스시키며, 제2 캡부(50)에 고여있는 응축수를 막 모듈부(10)의 배출공기 배출부(17)를 통해 배출할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시 예는 제2 캡부(50)로 유입된 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스시키며, 응축수의 고임을 방지할 수 있고, 연료전지 스택으로의 응축수 유입을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가습기(100)는 제2 캡부(50)로 유입된 응축수를 막 모듈부(10)로 바이패스시키기 위한 바이패스 관로(60)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 바이패스 관로(60)는 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결하는 것으로, 제2 캡부(50)에 구비된다. 나아가, 상기 바이패스 관로(60)는 제2 캡부(50)의 내부에 구비되며, 위에서 언급한 바 있는 지지부재(13)를 통해 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결한다.

더 나아가, 상기 바이패스 관로(60)는 본 발명의 예시적인 실시 예에서 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 구비되며, 막 모듈부(10)에 대한 제2 캡부(50)의 조립 시, 지지부재(13)를 통해 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 연결할 수 있다.

여기서, 상기 바이패스 관로(60)는 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입된 수분을 포함한 공기의 일부를 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 막 모듈부(10)로 바이패스시키며, 제2 캡부(50)에 고여있는 응축수를 막 모듈부(10)의 배출공기 배출부(17)를 통해 배출할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기에 적용되는 바이패스 관로를 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 바이패스 관로(60)는 막 모듈부(10)에 대응하는 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 사출 성형된 구조로 이루어진다. 이러한 바이패스 관로(60)는 제1 관로(61)와 제2 관로(62)를 포함한다.

상기 제1 관로(61)는 하단에 입구(63)를 형성하며 제2 캡부(50)의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 연결된다. 상기 제1 관로(61)의 입구(63)는 제2 캡부(50)의 내측에서 하면과 이격되게 배치된다.

그리고, 상기 제2 관로(62)는 제1 관로(61)의 상단에 일체로 연결되고, 막 모듈부(10)와 연결되는 출구(64)를 가지며 제1 관로(61)의 상단에서 막 모듈부(10) 측으로 배치된다. 상기 제2 관로(62)는 막 모듈부(10)에 대한 제2 캡부(50)의 결합 시, 위에서 언급한 바 있는 지지부재(13)를 관통하며, 막 모듈부(10)의 내부와 출구(64)를 연결한다.

여기서, 상기 제2 캡부(50)의 공기 배출구(51)는 바이패스 관로(60)의 제2 관로(62)에 대응하여 제2 캡부(50)의 상면에 형성될 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 제2 캡부(50)의 내벽 면에 바이패스 관로(60)를 일체로 구성함으로써, 막 모듈부(10)에 대한 제2 캡부(50)의 결합 시, 바이패스 관로(60)의 제2 관로(62)를 지지부재(13)를 통해 막 모듈부(10)의 내부와 연결할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)를 통해 제2 캡부(50)의 내부와 막 모듈부(10)의 내부를 바이패스 관로(60)를 통해 바이패스 연결함에 따라, 막 모듈부(10)에서 제2 캡부(50)로 유입된 수분을 포함한 공기의 일부를 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 막 모듈부(10)로 바이패스시킬 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 캡부(50)의 내부에 고여있는 응축수를 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50) 내의 압력 차에 의해 바이패스 관로(60)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출할 수 있다.

즉, 상기 제2 캡부(50)에서의 압력이 통상적으로 막 모듈부(10)에서의 압력보다 크기 때문에, 제2 캡부(50)에 포집된 응축수는 그 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 압력 차에 의해 바이패스 관로(60)를 통하여 막 모듈부(10)로 바이패스 배출될 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 캡부(50) 내에 고여있는 응축수는 제1 관로(61)의 입구(63)를 통해 유입되며, 제2 관로(62)의 출구(64)를 통해 막 모듈부(10) 내로 바이패스 배출되고, 막 모듈부(10)의 배출공기 배출부(17)를 통해 배출될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가습기(100)에 의하면, 제2 캡부(50)로 유입된 응축수를 바이패스 관로(60)를 통해 막 모듈부(10)로 바이패스시키며, 가습기 내 응축수의 고임을 방지할 수 있고, 연료전지 스택으로의 응축수 유입을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택의 응축수 유입으로 인한 셀 빠짐을 방지할 수 있고, 이로 인해 연료전지 시스템의 운전 안정성을 개선할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 바이패스 관로(60)를 사출 성형을 통해 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 구성함에 따라, 막 모듈부(10)에 대한 제2 캡부(50)의 조립 시, 이들 막 모듈부(10)와 제2 캡부(50)의 체결만으로 바이패스 관로(60)를 통해 막 모듈부(10)의 제2 캡부(50)를 바이패스 연결할 수 있으므로, 가습기 조립 시 편의를 도모할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(60)는 제1 변형 예로서, 도 3에서와 같이 제1 관로(61)의 입구(63)의 단면적이 제2 관로(62)의 출구(64)의 단면적 보다 상대적으로 큰 것으로 구비될 수 있다. 이는 겨울철에 응축수가 얼어 제1 관로(61)의 입구(63)가 막히는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(60)는 제2 변형 예로서, 도 4에서와 같이, 제1 관로(61)의 입구(63)의 단면이 막 모듈부(10: 도 1 참조)를 향해 사선형으로 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 이는 제1 관로(61)의 입구(63)를 통한 응축수의 유입 량을 증대시키기 위함이다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(60)는 제3 변형 예로서, 도 5에서와 같이, 제1 관로(61)의 입구(63)가 제2 캡부(50) 내부에서의 공기 유동 방향과 다른 방향으로 배치된 구조로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 제2 캡부(50) 내부에서의 공기 유동 방향은 막 모듈부(10: 도 1 참조)에서 제2 캡부(50)의 내벽 면으로 향하는 방향으로 정의할 수 있다. 그리고, 상기 공기 유동 방향과 다른 방향은 제2 캡부(50)의 내벽 면에서 한쪽 측면으로 향하는 방향으로 정의할 수 있다.

이를 위해 상기 제3 변형 예에 따른 바이패스 관로(60)의 제1 관로(61)는 제2 캡부(50)의 내벽 면에 상하 수직 방향에서 수평 방향으로 연장되게 배치되며, 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 연결된다.

여기서, 상기 제1 관로(61)의 입구(63)는 제2 캡부(50) 내의 하측에서 공기 유동 방향과 다른 방향으로 배치되는 바, 제2 캡부(50)의 내벽 면에서 한쪽 측면을 향하여 배치된다.

그리고, 상기 바이패스 관로(60)의 제2 관로(62)는 제1 관로(61)의 상단에 일체로 연결되고, 막 모듈부(10: 도 1 참조)와 연결되는 출구(64)를 가지며 제1 관로(61)의 상단에서 막 모듈부(10: 도 1 참조) 측으로 배치된다.

상기와 같이 제1 관로(61)의 입구(63)의 방향을 공기 유동 방향과 다른 방향으로 설정한 이유는 바이패스 관로(60)를 통한 공기의 바이패스 양을 최소화하면서 응축수를 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10: 도 1 참조) 바이패스 배출하기 위함이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(60)는 제4 변형 예로서, 도 6 및 도 7에서와 같이, 제2 캡부(50)의 공기 배출구(51)에서 먼 위치의 내벽 면에 일체로 구성될 수 있다.

이에 상기 제2 캡부(50)의 공기 배출구(51)는 바이패스 관로(60)의 제2 관로(62)에 대응하여 제2 캡부(50)의 일 측면에 형성된다. 예를 들면, 상기 바이패스 관로(60)는 제2 캡부(50)의 다른 측면 측에서 내벽 면에 일체로 구비될 수 있다(도 7 참조)

이와 같이 상기 바이패스 관로(60)의 위치를 제2 캡부(50)의 공기 배출구(51)에서 먼 위치에 설정한 이유는 바이패스 관로(60)를 통한 공기의 바이패스 양을 최소화하면서 응축수를 제2 캡부(50)에서 막 모듈부(10: 도 1 참조) 바이패스 배출하기 위함이다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(60)는 제5 변형 예로서, 도 8에서와 같이, 도 1 및 도 2에서와 같은 제1 및 제2 관로(61, 62)를 기본적으로 구비하면서, 적어도 하나의 제3 관로(71)를 더 포함하고 있다.

상기에서 제3 관로(71)는 제1 관로(61)에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되고, 하단에 다른 입구(73)를 형성하며 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 연결된다.

이 경우, 상기 제3 관로(71)는 제1 관로(61)에서 수평 방향을 따라 양측으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되게 배치된다. 이에 본 변형 예에서는 제1 관로(61)의 입구(63) 및 제3 관로(71)의 입구(73)를 통해 제2 캡부(50) 내의 응축수를 유입할 수 있으므로, 이들 입구(63, 73)를 통한 응축수의 유입 량을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(160)는 제 6 변형 예로서, 도 9 및 도 10에서와 같이, 막 모듈부(10: 도 1 참조)에 대응하는 제2 캡부(50)의 내벽 면에 인서트 사출된 금속 배관(180)을 포함할 수 있다.

이와 같이 상기 제2 캡부(50)의 내벽 면에 금속 배관(180)을 인서트 사출한 이유는 제2 캡부(50)에 대한 바이패스 관로(160)의 내구성을 증대시키기 위함이다. 여기서, 상기 금속 배관(180)은 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 성형된 고정부재(55)에 고정될 수 있다.

구체적으로, 상기 금속 배관(180)은 도 9에서와 같이, 제1 관로(181)와 제2 관로(182)를 포함한다. 상기 제1 관로(181)는 하단에 입구(183)를 형성하며 고정부재(55)에 상하 수직 방향으로 고정된다. 그리고 상기 제2 관로(182)는 제1 관로(181)의 상단에 일체로 연결되고, 막 모듈부(10: 도 1 참조)와 연결되는 출구(184)를 가지며 고정부재(55)에 막 모듈부(10: 도 1 참조) 측으로 고정된다.

더 나아가, 상기 금속 배관(180)은 도 10에서와 같이, 도 9에서와 같은 제1 및 제2 관로(181, 182)를 기본적으로 구비하면서, 적어도 하나의 제3 관로(191)를 더 포함하고 있다.

상기에서 제3 관로(191)는 제1 관로(181)에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되고, 고정부재(55)에 고정되는 바, 하단에는 다른 입구(193)를 형성하고 있다. 이 경우, 상기 제3 관로(191)는 제1 관로(181)에서 수평 방향을 따라 양측으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되게 배치된다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 바이패스 관로(260)는 제 7 변형 예로서, 도 11에서와 같이, 막 모듈부(10: 도 1 참조)에 대응하는 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 형성된 덕트부(91)에 연결되게 구성될 수 있다.

여기서, 상기 덕트부(91)는 하단 측에 복수 개의 입구(93)를 형성하며 상측 방향으로 갈수록 폭이 점차 작아지는 형상의 덕트 유로로서 구비된다.

본 변형 예에서, 상기 바이패스 관로(260)는 덕트부(91)와 연결되는 제1 관로(261)와, 제1 관로(261)와 연결되는 제2 관로(262)를 포함하고 있다. 상기 제1 관로(261)는 제2 캡부(50)의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 덕트부(91)의 상부와 연결되며, 제2 캡부(50)의 내벽 면에 일체로 형성된다. 그리고, 상기 제2 관로(262)는 제1 관로(261)의 상단에 일체로 연결되고, 막 모듈부(10: 도 1 참조)와 연결되는 출구(264)를 가지며 제1 관로(261)의 상단에서 막 모듈부(10: 도 1 참조) 측으로 배치된다.

따라서, 본 변형 예에서는 제2 캡부(50) 내에 고여있는 응축수를 덕트부(91)를 통해 유입하며, 바이패스 관로(260)를 통하여 막 모듈부(10: 도 1 참조)로 바이패스시킬 수 있다.

이와 같이 본 변형 예에서는 제2 캡부(50)의 덕트부(91)에 바이패스 관로(260)를 연결함에 따라, 그 덕트부(91)의 입구(93)를 통한 응축수의 유입 량을 더욱 증대시킬 수 있다.

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

10... 막 모듈부 11... 가습막
13... 지지부재 15... 배출공기 유입부
17... 배출공기 배출부 30... 제1 캡부
31... 공급공기 주입구 50... 제2 캡부
51... 공기 배출구 55... 고정부재
60, 160, 260... 바이패스 관로 61, 181, 261... 제1 관로
62, 182, 262... 제2 관로 63, 73, 93, 183, 193.... 입구
64, 184, 264... 출구 71, 191... 제3 관로
91... 덕트부 180... 금속 배관

Claims (20)

1. 가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부;
   상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부;
   상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부; 및
   상기 제2 캡부에 구비되며, 상기 제2 캡부의 내부로 유입된 응축수를 상기 막 모듈부로 바이패스시키는 바이패스 관로;
   를 포함하는 연료전지용 가습기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 막 모듈부는 상기 가습막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함하고,
   상기 바이패스 관로는 상기 제2 캡부의 내부에 구비되며, 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
3. 가습막을 내부에 수용하는 막 모듈부;
   상기 막 모듈부의 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로 공급공기를 공급하는 제1 캡부;
   상기 막 모듈부의 다른 일측에 결합되며, 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 배출하는 제2 캡부; 및
   상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 구비되며, 상기 제2 캡부와 상기 막 모듈부를 바이패스 연결하는 바이패스 관로;
   를 포함하는 연료전지용 가습기.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 바이패스 관로는,
   상기 막 모듈부에서 제2 캡부로 유입된 수분을 상기 막 모듈부와 제2 캡부의 압력 차에 의해 상기 막 모듈부로 바이패스 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 바이패스 관로는,
   상기 막 모듈부에 대응하는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 바이패스 관로는,
   하단에 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 제1 관로와,
   상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 바이패스 관로는,
   상기 제1 관로에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되고, 하단에 다른 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 적어도 하나의 제3 관로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
8. 제3 항에 있어서,
   상기 바이패스 관로는,
   상기 막 모듈부에 대응하는 상기 제2 캡부의 내벽 면에 인서트 사출된 금속 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 금속 배관은,
   상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 성형된 고정부재에 고정되되,
   하단에 입구를 형성하며 상기 고정부재에 상하 수직 방향으로 고정되는 제1 관로와,
   상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 고정부재에 상기 막 모듈부 측으로 고정되는 제2 관로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 금속 배관은,
    상기 제1 관로에서 수평 방향으로 분기되며 그 분기 방향에서 상하 수직 방향으로 연장되게 상기 고정부재에 고정되고, 하단에 다른 입구를 형성하는 적어도 하나의 제3 관로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
11. 제6 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제1 관로의 입구 단면적이 상기 제2 관로의 출구 단면적 보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
12. 제6 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제1 관로의 입구 단면이 상기 막 모듈부를 향해 사선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
13. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 캡부는 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 스택으로 배출하는 공기 배출구를 형성하며,
    상기 공기 배출구는 상기 제2 관로에 대응하여 상기 제2 캡부의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
14. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 캡부는 상기 막 모듈부로부터 유입된 가습공기를 스택으로 배출하는 공기 배출구를 형성하며,
    상기 공기 배출구는 상기 제2 관로에 대응하여 상기 제2 캡부의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제2 캡부의 다른 측면 측에서 내벽 면에 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
16. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 관로의 입구는,
    상기 제2 캡부 내부에서의 공기 유동 방향과 다른 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
17. 제5 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향에서 수평 방향으로 연장되게 배치되고, 상기 제2 캡부 내부에서의 공기 유동 방향과 다른 방향으로 입구를 형성하며 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 연결되는 제1 관로와,
    상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
18. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 캡부는,
    상기 막 모듈부에 대응하는 내벽 면에 일체로 형성되며, 하단 측에 복수의 입구를 형성하고 상측 방향으로 갈수록 폭이 점차 작아지며 상기 바이패스 관로와 연결되는 덕트부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로는,
    상기 제2 캡부의 내벽 면에 상하 수직 방향으로 배치되고, 상기 덕트부의 상부와 연결되며, 상기 제2 캡부의 내벽 면에 일체로 형성되는 제1 관로와,
    상기 제1 관로의 상단에 일체로 연결되고, 상기 막 모듈부와 연결되는 출구를 가지며 상기 제1 관로의 상단에서 상기 막 모듈부 측으로 배치되는 제2 관로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
20. 제3 항에 있어서,
    상기 막 모듈부는 상기 가습막의 양단을 지지하는 지지부재를 포함하며,
    상기 바이패스 관로는, 상기 막 모듈부에 대한 상기 제2 캡부의 조립 시, 상기 지지부재를 통해 상기 제2 캡부의 내부와 상기 막 모듈부의 내부를 바이패스 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.

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