KR100911563B1 - 연료전지 차량용 가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공사막의 외부에 흐르는 습윤가스가 최대한 난류로 형성될 수 있도록 중공사막 다발을 회전시켜, 연료전지에서 배출되는 습윤가스와 연료전지에 공급되는 건조가스 간에 물질 전달률을 최대로 하는 연료전지 차량용 가습기에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 상측과 하측의 일단부에 제1유출구와 제1유입구가 각각 구성된 원통형의 하우징; 회전 가능하도록 상기 하우징 양측에 베어링으로 결합 구성되는 원판; 상기 원판에 양단부가 고정되고, 내부로 건조가스가 흐르는 다수의 중공사막; 상기 원판의 바깥쪽에 배치된 중공사막에 원주방향으로 형성되어 건조공기를 배출하면서 회전력을 발생시키는 제3유출구;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가습기를 제공한다.

연료전기, 가습기, 중공사막, 베어링, 실링, 난류

Description

연료전지 차량용 가습기{Humidifier for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량용 가습기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중공사막의 외부에 흐르는 습윤가스가 최대한 난류로 형성될 수 있도록 중공사막 다발을 회전시켜, 연료전지에서 배출되는 습윤가스와 연료전지에 공급되는 건조가스 간에 물질 전달률을 최대로 하는 연료전지 차량용 가습기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 내부에서 공기와 수소가 반응하여 열과 전기 및 물을 생성하고, 생성된 물은 배출되는 가스와 함께 배출된다.

첨부한 도 7과 도 8은 종래 연료전지 차량용 가습기를 도시한 사시도이다.

연료전지가 작동하기 위해서는 가습된 공기가 연료전지로 공급되어야 하고, 이를 위해 연료전지 시스템에는 가습기가 포함되어 구성된다.

상기 가습기는 연료전지에서 물과 함께 배출되는 다습한 가스, 즉 습윤가스를 이용하여 연료전지로 공급되는 건조가스를 가습 및 가열한다.

즉, 습윤가스가 가습기 내부로 유입되고 외부로부터 가습기로 유입되는 건조 공기가 공급되면, 가습기 내부에 설치된 중공사막의 내부와 외부를 각각 통과하는 건조가스와 습윤가스의 수분 함유량의 차이에 의해 수분이 전달되도록 작동하는 것이다.

이때, 수분의 전달을 촉진하기 위해서는 유체의 유동이 난류가 되어야 한다.

종래에는 가스의 주입각도를 조절하거나 가습기 내부에 배플(baffle) 등을 설치하여 난류를 유도하고 있으나, 그 적용에는 한계가 있어 중공사막이 충분한 수분을 공급받지 못하고 가습 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 가습기 내부에서 중공사막으로 골고루 침투하지 못하는 습윤가스가 최대한 난류로 형성되어 중공사막에 골고루 침투될 수 있도록, 중공사막 다발 전체가 회전할 수 있는 연료전지 차량용 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상측과 하측의 일단부에 제1유출구와 제1유입구가 각각 구성된 원통형의 하우징; 회전 가능하도록 상기 하우징 양측에 베어링으로 결합 구성되는 원판; 상기 원판에 양단부가 고정되고, 내부로 건조가스가 흐르는 다수의 중공사막; 상기 원판의 바깥쪽에 배치된 중공사막에 원주방향으로 형성되어 건조공기를 배출하면서 회전력을 발생시키는 제3유출구;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가습기를 제공한다.

바람직하게, 상기 중공사막은 실링되어 원판에 고정되고, 상기 베어링은 실링된 베어링으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

더욱 바람직하게, 상기 제1유입구와 제1유출구가 상기 하우징에 대해 편심되게 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상측과 하측의 일단부에 제1유출구와 제1유입구가 각각 편심되게 구성된 원통형의 하우징; 내부로 건조가스가 흐르는 중공사막 다발의 양단부가 고정되고, 상기 하우징 양측에 고정 장착되는 원판; 상기 하우징과 상기 중공사막 다발 사이에 양단부가 밀봉되어 장착되고, 외주면을 따라 다수의 구멍이 형성되는 회전관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가습기도 제공한다.

그리고, 상기 회전관 내벽에 다양한 형태로 형성하여 다수로 적용될 수 있는 핀이 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 차량용 가습기는 중공사막 다발이 회전함에 따라 중공사막의 외부로 흐르는 습윤가스가 난류로 형성되어 중공사막 내부로 흐르는 건조가스와 상기 습윤가스 간에 열 및 물질전달률이 상승되고 가습 효율이 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 바람직한 일실시 예에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

또한, 설명에 사용되는 도면에 있어서, 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

바람직한 일실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 더욱 잘 이해할 수 있게 되며, 이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 차량용 가습기의 일실시 예를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 중공사막의 일실시 예를 일부 확대 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 중공사막의 다른 실시 예를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가습기의 다른 실시 예를 도시한 개략적인 사시도이다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가습기의 또 다른 실시 예를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 회전관을 도시한 사시도와 그 내벽을 도시한 단면도이다.

본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 차량용 가습기의 일실시 예는 연료전지에서 배출되는 습윤가스가 가습기에 공급되는 건조가스와 열 및 수분전달이 원활하게 이루어지도록 하기 위하여, 가습기 내부에 중공사막 다발 자체를 회전시켜 가스 간에 물질 전달률이 최대가 될 수 있도록 구성하고 중공사막의 외부에 흐르는 습윤가스를 난류로 형성한다.

이를 위하여 먼저, 본 발명의 일실시 예는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통 모양의 하우징(10) 양측에 둥근 플레이트 형상의 원판(13)이 장착되고, 이 하우징(10)의 하측과 상측 일단부에 연료전지로부터 물과 함께 배출되는 다습한 가스 즉, 습윤가스가 유입되는 제1유입구(11)와 중공사막(20)의 외부를 흘러 배출되는 제1유출구(12)가 각각 구성된다.

상기 원판(13)에는 중공사막(20) 다발의 양단부가 각각 고정되며, 이 원판(13)은 하우징(10)에 베어링(14)을 통해 장착되어 축 방향을 따라 자유롭게 회전될 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 중공사막(20)의 외부로 흐르는 습윤가스가 누설되지 않도록 중공사막(20) 다발은 원판(13)에 실링으로 고정된다.

그리고, 상기 원판(13)은 볼베어링이나 니들베어링 등의 베어링(14)을 사용하여 하우징(10)에 결합 가능하며, 중공사막(20) 외부로 흐르는 습윤가스가 누설되지 않도록 실링이 되어있는 베어링을 장착한다.

그리고, 필요에 따라 밀봉 성능을 높이기 위해 상기와 같은 실링을 위한 구조가 여러 번 추가될 수 있다.

한편, 외부에서 연료전지로 공급되기 위해 가습기를 통과하는 건조가스는 제2유입구(21)를 통해 중공사막(20)의 내부로 유입되어 수분을 흡수한 다음, 제2유출구(22)와 제3유출구(23)로 유출되어 연료전지로 공급된다.

이때, 상기 중공사막(20)에서 유출되는 건조가스가 상기 원판(13)의 원주방향으로 유출되어 상기 원판(13)이 축 방향으로 회전될 수 있도록, 상기 제3유출구(23)를 도 2에 도시된 바와 같이 상기 원판(13)의 바깥쪽에 배치된 중공사막(20)의 적절한 측면 위치에 구성하면, 접선 방향의 힘으로 인해 상기 원판(13)이 회전하게 된다.

상기 제3유출구(23)는 도 3에 도시된 바와 같은 형태의 다른 실시 예로 구성 되는 것이 가능하며, 상기 중공사막(20) 다발을 회전시켜 하우징(10) 내부에 난류를 형성할 수 있다면 또 다른 형태의 실시 예로 구성되는 것도 가능하다.

또한, 연료전지의 용량에 따라 중공사막(20) 다발이 하우징(10) 내부에 다수로 구성될 수도 있다.

이와 같이 구성되는 중공사막(20) 다발의 회전수는 유출되는 건조가스의 유량에 의해 달라지며, 이는 실험을 통해 적절하게 결정되어야 한다.

이 외에도 중공사막(20) 다발의 회전수는 유출되는 건조가스의 유출 각도와 건조가스가 원판(13)의 원주 방향으로 유출되는 중공사막의 개수에도 영향을 받으며, 중공사막의 외부로 흐르는 습윤가스에도 영향을 받을 수 있다.

그리고, 제1유입구(11)로 유입되는 습윤가스의 주입각 및 편심 정도에도 영향을 받는다.

첨부한 도 4는 상기 하우징(10)에 대하여 제1유입구(11)와 제1유출구(12)가 편심되게 구성됨으로써, 중심축을 벗어나 편심하여 유입되는 습윤가스에 의해 중공사막(20) 다발이 회전되는 상태를 도시한 도면이다.

한편, 중공사막(20) 다발의 회전으로 인해 중공사막의 처짐과 같은 문제가 발생할 경우, 이를 방지하면서 하우징(10) 내부에 난류를 형성하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 가습기를 구성하는 것이 가능하다.

도 5에 도시된 실시 예는 도 1에 도시된 실시 예에서 제3유출구(23)와 베어링(14)을 삭제하여 원판(13)이 회전하지 않도록 하우징(10)에 고정하여 장착하고, 중공사막(20) 다발과 상기 하우징(10) 사이에 회전관(30)의 양단부를 밀봉하여 장 착한다.

그리고, 제1유입구(11)로 유입되는 습윤가스가 편심되게 유입되어 회전관(30) 벽과의 마찰에 의해 상기 회전관(30)에 회전력을 줄 수 있도록 제1유입구(11)와 제1유출구(12)를 하우징(10)에 대하여 편심되도록 제작한다.

또한, 상기 제1유입구(11)로 유입되는 습윤가스가 상기 회전관(30) 내부로 유입되어 중공사막(20)을 지나 제1유출구(12)로 유출될 수 있도록, 상기 제1유입구(11)나 제1유출구(12)에 근접한 위치에 회전관(30)의 외주면을 따라 다수의 구멍(31)을 형성한다.

이때, 상기 제1유입구(11)를 통해 편심되어 들어오는 습윤가스는 상기 구멍(31)에 부딪히면서 상기 회전관(30)에 회전력을 부여할 수도 있다.

그리고, 상기 제1유입구(11)를 통과한 습윤가스가 제1유출구(12)를 통해 바로 빠져나가지 않도록 회전관(30) 중간에 실링을 해주는 것이 바람직하다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 회전관(30)은 내벽에 핀(fin)(32)을 설치하여 중공사막(20) 외부로 흐르는 난류가 더 활발하게 일어나도록 구성한다.

이때, 상기 핀(32)은 다양한 형태로 형성하여 다수로 적용될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 일실시 예의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료전지 내부에서 공기와 수소가 반응하여 열과 전기, 물이 생성되면, 생성된 물은 배출되는 가스와 함께 배출된다.

물과 함께 배출되어 다습한 가스 즉, 습윤가스는 도 1에 도시된 제1유입 구(11)를 통해 유입되어 중공사막(20) 다발을 지나 제1유출구(12)를 통해 유출된다.

이때, 제2유입구(21)를 통해 공급되는 건조가스가 중공사막 내부를 흘러 제2유출구(22)와 제3유출구(23)로 유출되고, 상기 제3유출구(23)를 통해 유출되는 건조가스는 원주방향으로 배출되면서 접선 방향으로 힘이 발생되어 원판(13)을 회전시켜 중공사막(20) 다발이 회전하게 된다.

이 회전으로 인해 중공사막(20) 외부에 난류가 형성되고, 이로 인해 습윤가스가 하우징(10) 내부에 고루 퍼지면서 흐르게 된다.

이때, 중공사막(20)의 내부를 통과하는 건조가스와 외부를 통과하는 습윤가스의 수분 함유량의 차이에 의해 습윤가스의 수분이 건조가스로 전달되고, 이 두 가스의 흐름방향은 보다 원활한 수분전달을 위해 카운터 플로우(counter flow)로 한다.

이렇게 수분을 함유하게 된 건조가스는 연료전지로 공급되어 내부 반응에 이용된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 차량용 가습기의 일실시 예를 도시한 개략적인 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 중공사막의 일실시 예를 일부 확대 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 중공사막의 다른 실시 예를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가습기의 다른 실시 예를 도시한 개략적인 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가습기의 또 다른 실시 예를 도시한 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 회전관을 도시한 사시도와 그 내벽을 도시한 단면도,

도 7과 도 8은 종래 연료전지 차량용 가습기를 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하우징 11 : 제1유입구

12 : 제1유출구 13 : 원판

14 : 베어링

20 : 중공사막 21 : 제2유입구

22 : 제2유출구 23 : 제3유출구

30 : 회전관 31 : 구멍

32 : 핀

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 상측과 하측의 일단부에 제1유출구와 제1유입구가 각각 편심되게 구성된 원통형의 하우징;

   내부로 건조가스가 흐르는 중공사막 다발의 양단부가 고정되고, 상기 하우징 양측에 고정 장착되는 원판;

   상기 하우징과 상기 중공사막 다발 사이에 양단부가 밀봉되어 장착되고, 외주면을 따라 다수의 구멍이 형성되는 회전관;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가습기.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 회전관의 내벽에는 다수의 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가습기.

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