KR102496634B1

KR102496634B1 - Humidifier for fuel cell and fuel cell system having the same

Info

Publication number: KR102496634B1
Application number: KR1020160149058A
Authority: KR
Inventors: 구진우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2023-02-07
Also published as: KR20180052020A

Abstract

본 발명은, 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 습윤 공기와 외기를 수분 교환하여 상기 외기를 가습 가능한 가습 모듈; 및 상기 외기와 상기 습윤 공기가 수분 교환될 때 발생한 응축수와 상기 외기를 열 교환하여 상기 외기를 냉각 가능한 냉각 모듈을 포함한다.The present invention relates to a humidifier for a fuel cell, comprising: a humidifying module capable of humidifying the outside air by exchanging water between moist air and outside air; and a cooling module capable of cooling the outside air by heat-exchanging condensed water generated when the outside air and the wet air exchange water with the outside air.

Description

연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}Humidifier for fuel cell and fuel cell system including the same {HUMIDIFIER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell humidifier and a fuel cell system including the same.

연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는, 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지 스택(이하, '스택'이라고 함)의 연료극(anode)으로 공급되고, 대기중의 외기가 공기 압축기와 같은 공기 공급 장치에 의해 직접 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.The fuel cell, which is the main power supply source of the fuel cell system, is a device that generates electricity while generating water by receiving oxygen and hydrogen, which is the fuel. It is supplied to the anode of the stack'), and the outside air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the stack by an air supply device such as an air compressor.

이에, 연료극에 공급된 수소는 연료극의 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어간다. 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.Accordingly, hydrogen supplied to the fuel electrode is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst of the fuel electrode, and the hydrogen ions pass to the cathode through the polymer electrolyte membrane. Oxygen supplied to the cathode is combined with electrons entering the cathode through an external wire to generate water and electrical energy.

그런데, 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아진다. 그런데, 상대습도가 낮은 반응기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 된다. 따라서, 이러한 연료전지 시스템 있어서 공급 기체의 가습은 필수적이므로, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 배출된 습윤 공기와 연료전지 스택에 공급할 외기를 중공 사막을 이용해 수분 교환 가능한 연료전지용 가습기를 구비하였다.However, as the polymer electrolyte membrane is sufficiently wetted with water, its ion conductivity increases and thus loss due to resistance decreases. However, if the supply of a reactive gas having a low relative humidity continues, the polymer electrolyte membrane eventually dries out and becomes unusable. Therefore, since humidification of supply gas is essential in such a fuel cell system, a conventional fuel cell system is provided with a fuel cell humidifier capable of exchanging moisture between the wet air discharged from the fuel cell stack and the outside air to be supplied to the fuel cell stack using a hollow fiber membrane. .

이러한 연료전지 가습기에는 공기 압축기에 의해 압축된 외기가 공급되는데, 공기 압축기는 연료전지 스택의 출력이 높아질수록 외기를 고온 고압으로 압축하여 연료전지용 가습기에 공급한다. 그런데, 적정 수준 이상의 고온을 갖는 외기가 연료전지용 가습기 및 연료전지 스택에 공급될 경우에는, 외기의 가습 효율이 떨어지고, 연료전지 스택의 성능 및 내구성에도 악 영향을 미치게 된다.Outside air compressed by an air compressor is supplied to the fuel cell humidifier. As the output of the fuel cell stack increases, the air compressor compresses the outside air to a high temperature and high pressure and supplies the air to the fuel cell humidifier. However, when outside air having a high temperature of an appropriate level or higher is supplied to the fuel cell humidifier and the fuel cell stack, the humidification efficiency of the outside air is lowered, and the performance and durability of the fuel cell stack are adversely affected.

이를 해결하기 위하여, 종래의 연료전지용 가습기는, 공기 압축기를 통과한 외기를 연료전지 스택의 냉각수를 이용해 냉각하여 연료전지용 가습기에 공급 가능한 에어 쿨러를 구비하였다. 그런데, 냉각수의 온도는 냉각수를 사용하는 구동 모터, MCU 등과 같은 다른 부품들에 의해 결정된다. 따라서, 종래의 에어쿨러는, 연료전지용 가습기로 공급되는 외기의 온도를 능동적으로 제어할 수 없고 냉각수의 온도에 의해 외기의 냉각 성능이 결정되는 수동적인 방식이라는 문제점이 있다.In order to solve this problem, a conventional fuel cell humidifier has an air cooler capable of cooling outdoor air passing through an air compressor using cooling water of a fuel cell stack and supplying the fuel cell humidifier. However, the temperature of the cooling water is determined by other components such as a driving motor and an MCU using the cooling water. Therefore, the conventional air cooler has a problem in that it cannot actively control the temperature of the outside air supplied to the fuel cell humidifier and is a passive method in which the cooling performance of the outside air is determined by the temperature of the cooling water.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지용 가습기 및 연료전지 스택에 적정 수준의 온도를 갖는 외기를 공급할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지용 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and a fuel cell humidifier having an improved structure to supply outside air having an appropriate level of temperature to the fuel cell humidifier and fuel cell stack, and a fuel cell system including the same Its purpose is to provide

나아가, 본 발명은, 다른 부품으로 인한 영향 없이 연료전지용 가습기에 공급할 외기의 온도를 능동적으로 조절 가능하도록 구조를 개선한 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지용 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a humidifier for a fuel cell with an improved structure and a system for a fuel cell including the same to actively control the temperature of outside air to be supplied to the humidifier for a fuel cell without being affected by other components.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 연료전지용 가습기는, 습윤 공기와 외기를 수분 교환하여 상기 외기를 가습 가능한 가습 모듈; 및 상기 외기와 상기 습윤 공기가 수분 교환될 때 발생한 응축수와 상기 외기를 열 교환하여 상기 외기를 냉각 가능한 냉각 모듈을 포함한다.A humidifier for a fuel cell according to an aspect of the present invention for solving the above problems includes a humidifying module capable of humidifying the outside air by exchanging moisture between the wet air and the outside air; and a cooling module capable of cooling the outside air by heat-exchanging condensed water generated when the outside air and the wet air exchange water with the outside air.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 외기의 열을 상기 응축수에 전달 가능한 적어도 하나의 히트 파이프들을 구비한다.Preferably, the cooling module includes at least one heat pipe capable of transferring the heat of the outside air to the condensed water.

바람직하게, 상기 히트 파이프들은, 상기 히트 파이프들 사이 간격으로 상기 외기가 통과할 수 있도록 미리 정해진 간격을 두고 설치된다.Preferably, the heat pipes are installed at predetermined intervals so that the outside air can pass through the intervals between the heat pipes.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 히트 파이프들 중 적어도 하나와 연결되며 상기 외기의 유동 경로 상에 배치되는 적어도 하나의 열 교환핀들을 더 구비한다.Preferably, the cooling module further includes at least one heat exchange fin connected to at least one of the heat pipes and disposed on a flow path of the outside air.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 응축수가 저장되는 저장 챔버를 더 구비하며, 상기 히트 파이프는, 가열부가 상기 외기의 유동 경로 상에 위치하고 방열부가 상기 저장 챔버에 저장된 응축수에 담기도록 설치된다.Preferably, the cooling module further includes a storage chamber in which the condensed water is stored, and the heat pipe is installed such that a heating unit is positioned on a flow path of the outside air and a heat dissipation unit is contained in the condensed water stored in the storage chamber.

바람직하게, 상기 가열부는, 상기 가습 모듈로 유입되는 외기와 열 접촉되도록 상기 가습 모듈의 입구에 배치된다.Preferably, the heating unit is disposed at an inlet of the humidifying module to be in thermal contact with outside air flowing into the humidifying module.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 응축수로부터 발생한 수증기를 연료전지 스택으로 공급 가능한 수증기 라인을 더 구비한다.Preferably, the cooling module further includes a steam line capable of supplying steam generated from the condensed water to the fuel cell stack.

바람직하게, 상기 수증기 라인의 일단은 상기 저장 챔버와 연통되며, 상기 수증기 라인의 타단은 상기 가습 모듈로부터 외기가 배출되는 상기 가습 모듈의 출구와 연통된다.Preferably, one end of the steam line communicates with the storage chamber, and the other end of the steam line communicates with an outlet of the humidification module through which outside air is discharged from the humidification module.

바람직하게, 상기 가습 모듈이 내부에 설치되는 하우징을 더 포함하며, 상기 냉각 모듈은, 상기 응축수를 상기 하우징으로부터 상기 저장 챔버로 공급 가능한 응축수 라인을 더 구비한다.Preferably, the humidifying module further includes a housing installed therein, and the cooling module further includes a condensed water line capable of supplying the condensed water from the housing to the storage chamber.

바람직하게, 상기 응축수 라인은, 상기 하우징과 연통되는 제1 라인과, 상기 저장 챔버과 연통되는 제2 라인과, 외부와 연통되는 제3 라인을 구비한다.Preferably, the condensate line includes a first line communicating with the housing, a second line communicating with the storage chamber, and a third line communicating with the outside.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 제1 라인 내지 상기 제3 라인을 각각 개폐하여 상기 제1 라인 내지 상기 제3 라인을 상호 연결 또는 차단 가능한 연결 밸브를 더 구비한다.Preferably, the cooling module further includes a connection valve capable of connecting or disconnecting the first line to the third line by opening and closing the first line to the third line, respectively.

바람직하게, 상기 냉각 모듈은, 상기 저장 챔버의 수위를 측정 가능한 수위 센서를 더 구비하며, 상기 연결 밸브는, 상기 저장 챔버의 수위를 미리 정해진 기준 수위로 유지하도록 구동된다.Preferably, the cooling module further includes a water level sensor capable of measuring the water level in the storage chamber, and the connection valve is driven to maintain the water level in the storage chamber at a predetermined reference water level.

바람직하게, 상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 저출력으로 구동되는 경우에, 상기 제2 라인을 폐쇄함과 함께 상기 제1 라인을 상기 제3 라인과 연결한다.Preferably, the connection valve closes the second line and connects the first line to the third line when the fuel cell stack is driven with a predetermined low power.

바람직하게, 상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 중출력으로 구동되는 경우에, 상기 응축수가 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인에 미리 정해진 비율로 분배되도록 상기 제1 라인을 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인과 연결한다.Preferably, the connection valve connects the first line to the second line so that the condensed water is distributed to the second line and the third line at a predetermined ratio when the fuel cell stack is driven with a predetermined medium power. and connected to the third line.

바람직하게, 상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 고출력으로 구동되는 경우에, 상기 제3 라인을 폐쇄함과 함께 상기 제1 라인을 상기 제2 라인과 연결한다.Preferably, the connection valve closes the third line and connects the first line to the second line when the fuel cell stack is driven with a predetermined high output.

바람직하게, 상기 가습 모듈은, 상기 외기가 내부를 통과하도록 마련되는 복수의 중공 사막들을 구비하며, 상기 중공 사막들은, 상기 습윤 공기의 유동 경로 상에 배치된다.Preferably, the humidification module includes a plurality of hollow fiber membranes provided to allow the outside air to pass therein, and the hollow membrane membranes are disposed on a flow path of the humid air.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 양상에 따른 연료전지 시스템은 전술한 본 발명의 일 양상에 따른 연료전지용 가습기를 포함한다.A fuel cell system according to another aspect of the present invention for solving the above problems includes a humidifier for a fuel cell according to one aspect of the present invention described above.

본 발명에 따른 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지용 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.A humidifier for a fuel cell and a system for a fuel cell including the same according to the present invention have the following effects.

첫째, 본 발명은, 외기의 가습 시에 발생한 응축수를 이용해 가습 모듈 및 연료전지 스택으로 공급되는 외기를 냉각 가능한 냉각 모듈을 구비한다. 따라서, 본 발명은, 다름 부품들에 의해 온도가 변화되어 온도가 일정치 못한 냉각수를 이용해 외기를 냉각하는 경우에 비해 외기의 온도를 능동적으로 제어 가능하므로, 가습 모듈 및 연료전지 스택으로 공급되는 외기의 온도를 정밀하게 조절 가능하다.First, the present invention includes a cooling module capable of cooling the outside air supplied to the humidification module and the fuel cell stack using condensate generated when the outside air is humidified. Therefore, since the present invention can actively control the temperature of the outside air compared to the case where the temperature of the outside air is cooled using cooling water whose temperature is not constant due to the temperature change by other parts, the outside air supplied to the humidification module and the fuel cell stack temperature can be precisely controlled.

둘째, 본 발명은, 연료전지 스택의 출력에 따라 냉각 모듈로 공급되는 응축수의 양을 조절 가능하므로, 연료전지 스택의 출력에 대응하도록 외기의 냉각 성능을 조절 가능하다.Second, since the present invention can adjust the amount of condensed water supplied to the cooling module according to the output of the fuel cell stack, it is possible to adjust the cooling performance of the outside air to correspond to the output of the fuel cell stack.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 가습기의 측면도.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 가습기의 평면도.
도 4는 도 3에 도시된 냉각 모듈의 정면도.1 is a diagram showing a schematic configuration of a system for a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a side view of the fuel cell humidifier shown in FIG. 1;
3 is a plan view of the fuel cell humidifier shown in FIG. 2;
Figure 4 is a front view of the cooling module shown in Figure 3;

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is. Therefore, since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various alternatives can be made at the time of this application. It should be understood that there may be equivalents and variations.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.In the drawings, the size of each component or a specific part constituting the component is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of explanation. Therefore, the size of each component does not fully reflect the actual size. If it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, such description will be omitted.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템(이하, 연료전지 시스템'이라고 함)은, 연료인 수소와 산화제인 외기(A1)를 전달받아 전기를 발생 가능한 연료전지 스택(이하, '스택(10)'이라고 함)과, 스택(10)에 가습된 외기(A1)를 공급 가능한 연료전지용 가습기(이하, '가습기(20)'라고 함) 등을 포함할 수 있다. 이러한 연료전지 시스템은, 적정 수준의 온도를 갖는 외기(A1)를 가습기(20)와 스택(10)에 공급할 수 있도록 마련된다. 이하에서는, 가습기(20)에 대한 내용을 중심으로 본 발명을 설명하기로 한다.Referring to FIG. 1 , a fuel cell system (hereinafter referred to as a fuel cell system) according to a preferred embodiment of the present invention is a fuel cell stack capable of generating electricity by receiving hydrogen as fuel and outside air (A1) as an oxidizing agent ( Hereinafter referred to as 'the stack 10'), a fuel cell humidifier capable of supplying humidified outside air A1 to the stack 10 (hereinafter referred to as the 'humidifier 20'), and the like. Such a fuel cell system is provided to supply outside air (A1) having an appropriate level of temperature to the humidifier 20 and the stack 10. Hereinafter, the present invention will be described with a focus on the humidifier 20.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 가습기의 측면도이다.FIG. 2 is a side view of the fuel cell humidifier shown in FIG. 1 .

가습기(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가습기(20)의 외형을 형성하는 하우징(30)과, 외기(A1)와 습윤공기(A2)를 수분 교환하여 외기(A1)를 가습 가능한 가습 모듈(40)과, 가습 모듈(40)에 공급될 외기(A1)를 냉각 가능한 냉각 모듈(50) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the humidifier 20 is capable of humidifying the outside air A1 by exchanging moisture between the housing 30 forming the outer shape of the humidifier 20 and the outside air A1 and the wet air A2. A humidifying module 40 and a cooling module 50 capable of cooling the outside air A1 to be supplied to the humidifying module 40 may be included.

먼저, 하우징(30)은, 외기(A1)의 가습 및 냉각을 수행 가능한 공간을 제공하도록 마련된다. 이러한 하우징(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 공급구(32)와, 외기 배출구(34)와, 습윤공기 공급구(36)와, 습윤공기 배출구(38)와, 응축수 배출구(39) 등을 구비할 수 있다.First, the housing 30 is provided to provide a space capable of humidifying and cooling the outside air A1. As shown in FIG. 2, the housing 30 includes an outside air supply port 32, an outside air outlet 34, a wet air supply port 36, a wet air outlet 38, and a condensate outlet ( 39), etc. may be provided.

외기 공급구(32)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 외기 라인(60)과 연결되도록 마련된다. 제1 외기 라인(60)은 외부로부터 외기(A1)가 도입되는 라인이다. 이러한 제1 외기 라인(60)에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외기(A1)를 압축 가능한 공기 압축기(62)가 설치될 수 있다. 제1 외기 라인(60)을 통과한 외기(A1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 공급구(32)를 통해 하우징(30)의 내부로 공급된 후, 냉각 모듈(50)과 가습 모듈(40)을 순차적으로 통과하게 된다.As shown in FIG. 2 , the outside air supply port 32 is provided to be connected to the first outside air line 60 . The first outside air line 60 is a line through which outside air A1 is introduced from the outside. As shown in FIG. 1 , an air compressor 62 capable of compressing the outside air A1 may be installed in the first outside air line 60 . As shown in FIG. 2, the outside air A1 passing through the first outside air line 60 is supplied to the inside of the housing 30 through the outside air supply port 32, and then the cooling module 50 and the humidification It passes through module 40 sequentially.

외기 배출구(34)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 외기 라인(70)에 의해 연료전지 스택(10)의 공기극(14)의 공기극 입구(14a)와 연결되도록 마련된다. 가습 모듈(40)을 통과한 외기(A1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 배출구(34)를 통해 제2 외기 라인(70)으로 유입된 후, 공기극 입구(14a)로 공급된다.As shown in FIG. 1 , the outside air outlet 34 is provided to be connected to the air electrode inlet 14a of the air electrode 14 of the fuel cell stack 10 by the second air line 70 . As shown in FIG. 2 , the outside air A1 passing through the humidifying module 40 is introduced into the second outside air line 70 through the outside air outlet 34 and then supplied to the cathode inlet 14a.

습윤공기 공급구(36)는, 습윤공기 라인(80)에 의해 공기극(14)의 공기극 출구(14b)와 연결되고, 워터 트랩 라인(90)에 의해 연료극(12)의 연료극 출구(12a)와 연결되도록 마련된다. 공기극 출구(14b)에서는 스택(10)에서 생성된 생성수에 의해 가습된 습윤공기(A2)가 배출되고, 이러한 습윤공기(A2)는 습윤공기 라인(80)으로 유입된 후 습윤공기 공급구(36)를 통해 하우징(30)의 내부로 공급된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료극 출구(12a)에서는 스택(10)에서 생성된 응축수가 배출되고, 이러한 응축수는 워터 트랩 라인(90)으로 유입된다. 워터 트랩 라인(90)에는, 워터 트랩 라인(90)으로 유입된 응축수를 포집 가능한 워터 트랩(92)과, 워터 트랩(92)에서 배출된 응축수가 워터 트랩(92) 쪽으로 역류하는 것을 방지하는 체크 밸브(94)와, 체크 밸브(94)를 통과한 응축수를 증발시켜 수증기(S1)를 생성하는 응축수 히터(96) 등이 순차적으로 설치될 수 있다. 워터 트랩 라인(90)을 통과한 수증기(S1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 습윤공기 공급구(36)를 통해 하우징(30)의 내부로 공급된다.The wet air supply port 36 is connected to the air electrode outlet 14b of the air electrode 14 by the wet air line 80 and connected to the anode outlet 12a of the fuel electrode 12 by the water trap line 90. arranged to be connected. The wet air A2 humidified by the product water generated in the stack 10 is discharged from the air cathode outlet 14b, and the wet air A2 is introduced into the wet air line 80 and then supplied to the wet air supply port ( 36) is supplied to the inside of the housing 30. In addition, as shown in FIG. 1 , condensed water generated in the stack 10 is discharged from the anode outlet 12a, and the condensed water is introduced into the water trap line 90. In the water trap line 90, a water trap 92 capable of collecting the condensate flowing into the water trap line 90 and a check to prevent the condensate discharged from the water trap 92 from flowing backward toward the water trap 92 A valve 94 and a condensate heater 96 for evaporating the condensed water passing through the check valve 94 to generate steam S1 may be sequentially installed. As shown in FIG. 2 , the water vapor (S1) passing through the water trap line (90) is supplied to the inside of the housing (30) through the wet air supply port (36).

이처럼 습윤공기 공급구(36)에는 습윤공기 라인(80)을 통과한 습윤공기(A2)와 워터 트랩 라인(90)을 통과한 수증기(S1)가 각각 유입된다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 습윤공기 공급구(36)를 통해 하우징(30)의 내부로 공급된 습윤공기(A2)와 수증기(S1)를 통칭하여 습윤공기(A2)라고 명명하기로 한다.As such, the wet air A2 passing through the wet air line 80 and the water vapor S1 passing through the water trap line 90 are respectively introduced into the wet air supply port 36 . Hereinafter, for convenience of description, the wet air A2 and the water vapor S1 supplied into the housing 30 through the wet air supply port 36 will be collectively referred to as the wet air A2.

습윤공기 배출구(38)는 배기 라인(100)과 연결되도록 마련된다. 배기 라인(100)은 습윤공기(A2)를 외부로 안내하는 라인이다. 이러한 배기 라인(100)에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기 라인(100)을 개폐하여 습윤공기(A2)의 배출 압력을 조절 가능한 개폐 밸브(102)가 배치될 수 있다. 가습 모듈(40)에 의해 외기(A1)와 수분 교환된 습윤공기(A2)는 습윤공기 배출구(38)를 통해 배기 라인(100)으로 유입된 후 외부로 안내된다.The wet air outlet 38 is provided to be connected to the exhaust line 100 . The exhaust line 100 is a line for guiding the wet air A2 to the outside. As shown in FIG. 1 , an opening/closing valve 102 capable of adjusting the discharge pressure of the wet air A2 by opening and closing the exhaust line 100 may be disposed in the exhaust line 100 . The wet air A2 whose moisture has been exchanged with the outside air A1 by the humidifying module 40 is introduced into the exhaust line 100 through the wet air outlet 38 and then guided to the outside.

응축수 배출구(39)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 후술할 응축수 라인(51)의 제1 라인(51a)과 연결되도록 마련된다. 응축수 배출구(39)는 하우징(30)의 하단부에 마련되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 습윤공기(A2)와 외기(A1)가 수분 교환될 때 습윤공기(A2)가 냉각되어 발생한 응축수(C)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 응축수 배출구(39)를 통해 응축수 라인(51)의 제1 라인(51a)으로 유입된다. 응축수(C)의 유동에 대한 더욱 자세한 내용은 후술하기로 한다.As shown in FIG. 2 , the condensate outlet 39 is provided to be connected to the first line 51a of the condensate line 51 to be described later. The condensate outlet 39 is preferably provided at the lower end of the housing 30, but is not limited thereto. When the wet air (A2) and the outside air (A1) exchange moisture, the condensate (C) generated by cooling the wet air (A2) is condensed water line (51) through the condensate outlet (39) as shown in FIG. is introduced into the first line 51a of More details on the flow of the condensate (C) will be described later.

다음으로, 가습 모듈(40)은, 외기(A1)와 습윤공기(A2)를 수분 교환시킬 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 가습 모듈(40)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기와 습윤공기(A2)를 수분 교환 가능한 복수의 중공 사막들(42)과, 외기와 습윤공기(A2)의 직접적인 혼합을 방지 가능한 실링 부재(44, 46)를 구비할 수 있다.Next, the humidifying module 40 is provided to exchange moisture between the outdoor air (A1) and the wet air (A2). To this end, the humidification module 40, as shown in FIG. 2, directly mixes the outdoor air and the wet air A2 with a plurality of hollow fiber membranes 42 capable of exchanging moisture between the outside air and the wet air A2. Preventable sealing members 44 and 46 may be provided.

중공 사막들(42)은 각각, 습윤공기(A2)와 외기 간에 작용하는 삼투압을 이용해 습윤공기(A2)와 외기를 수분 교환 가능하도록 마련된다. 중공 사막들(42)은 각각, 일측 개구부(42a)가 외기 공급구(32)를 향하고 상기 일측 개구부(42a)와 반대되는 타측 개구부(42b)가 외기 배출구(34) 쪽을 향하도록 배치된다.Each of the hollow fiber membranes 42 is provided to exchange moisture between the wet air A2 and the outside air by using osmotic pressure acting between the wet air A2 and the outside air. The hollow fiber membranes 42 are disposed such that one side opening 42a faces the outside air supply port 32 and the other side opening 42b opposite to the one side opening 42a faces the outside air outlet 34.

실링 부재(44, 46)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 공급구(32)를 습윤공기 공급구(36)와 습윤공기 배출구(38)로부터 격리 가능한 제1 실링 부재(44)와, 외기 배출구(34)를 습윤공기 공급구(36)와 습윤공기 배출구(38)로부터 격리 가능한 제2 실링 부재(46)를 구비할 수 있다.As shown in FIG. 2, the sealing members 44 and 46 include a first sealing member 44 capable of isolating the outside air supply port 32 from the wet air supply port 36 and the wet air outlet 38; A second sealing member 46 capable of isolating the outside air outlet 34 from the wet air supply port 36 and the wet air outlet 38 may be provided.

제1 실링 부재(44)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 공급구(32)와 습윤공기 공급구(36) 사이는 실링하되 중공 사막들(42)의 일측 개구부(42a)는 외기 공급구(32)와 연통시키도록 중공 사막들(42)에 장착된다. 또한, 제2 실링 부재(46)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 배출구(34)와 습윤공기 배출구(38) 사이는 실링하되 중공 사막들(42)의 타측 개구부(42b)는 외기 배출구(34)와 연통시키도록 중공 사막들(42)에 장착된다.As shown in FIG. 2, the first sealing member 44 seals between the outside air supply port 32 and the wet air supply port 36, but the openings 42a on one side of the hollow fiber deserts 42 supply outside air It is mounted on the hollow membranes 42 so as to communicate with the sphere 32. In addition, as shown in FIG. 2, the second sealing member 46 seals between the outside air outlet 34 and the wet air outlet 38, but the other opening 42b of the hollow fiber deserts 42 is the outside air outlet It is mounted on the hollow membranes 42 to communicate with (34).

이러한 가습 모듈(40)에 의하면, 외기 공급구(32)를 통해 공급된 외기(A1)는 중공 사막들(42)의 내부를 통과하게 되고, 습윤공기 공급구(36)를 통해 공급된 습윤공기(A2)는 중공 사막들(42)의 외부를 통과하게 된다. 그러면, 습윤공기(A2)의 수분은 중공 사막들(42)의 내부로 침투되어 중공 사막들(42)의 내부를 통과하는 외기(A1)를 가습한다. 이처럼 가습된 외기(A1)는 외기 배출구(34)와 제2 외기 라인(70)을 순차적으로 통과하여 공기극 입구(14a)로 공급된다.According to this humidifying module 40, the outside air A1 supplied through the outside air supply port 32 passes through the inside of the hollow fiber deserts 42, and the wet air supplied through the wet air supply port 36 (A2) passes through the outside of the hollow fiber deserts 42. Then, moisture in the wet air A2 permeates into the hollow fiber membranes 42 and humidifies the outside air A1 passing through the hollow membrane membranes 42 . The humidified outside air A1 passes sequentially through the outside air outlet 34 and the second outside air line 70 and is supplied to the cathode inlet 14a.

그런데, 습윤공기(A2)와 외기(A1)가 수분 교환될 때에는, 습윤공기(A2)가 냉각되어 습윤공기(A2)에 포함된 잔여 수분 중 일부가 응축됨으로써 응축수(C)가 발생한다. 그러면, 도 2에 도시된 바와 같이, 습윤공기(A2)는 습윤공기 배출구(38)와 배기 라인(100)을 순차적으로 외부로 배출되고, 응축수(C)는 하우징(30)의 바닥면으로 낙하된 후 응축수 배출구(39)를 통해 응축수 라인(51)의 제1 라인(51a)으로 유입된다.However, when moisture is exchanged between the wet air A2 and the outside air A1, the wet air A2 is cooled and some of the remaining moisture contained in the wet air A2 is condensed, resulting in condensed water C. Then, as shown in FIG. 2, the wet air A2 is sequentially discharged to the outside through the wet air outlet 38 and the exhaust line 100, and the condensate water C falls to the bottom surface of the housing 30 After that, the condensate is introduced into the first line 51a of the condensate line 51 through the condensate outlet 39.

도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 가습기의 평면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 냉각 모듈의 정면도이다.FIG. 3 is a plan view of the fuel cell humidifier shown in FIG. 2 , and FIG. 4 is a front view of the cooling module shown in FIG. 3 .

다음으로, 냉각 모듈(50)은 외기(A1)와 습윤 공기(A2)가 가습 모듈(40)에 의해 수분 교환될 때 발생한 응축수(C)와 외기(A1)를 열 교환하여 외기(A1)를 냉각 가능하게 마련된다.. 이러한 냉각 모듈(50)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 응축수 라인(51)과, 연결 밸브(52)와, 저장 챔버(53)와, 히트 파이프(54)와, 열 교환핀(55)과, 수증기 라인(56) 등을 구비할 수 있다.Next, the cooling module 50 heat-exchanges the condensed water (C) generated when the outside air (A1) and the humid air (A2) are exchanged by the humidifying module (40) and the outside air (A1) to obtain the outside air (A1). As shown in FIGS. 2 and 3, the cooling module 50 includes a condensate line 51, a connection valve 52, a storage chamber 53, and a heat pipe ( 54), a heat exchange fin 55, a steam line 56, and the like may be provided.

응축수 라인(51)은, 하우징(30)을 저장 챔버(53) 및 배기 라인(100)과 각각 연결하도록 마련된다. 이러한 응축수 라인(51)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 라인(51a)과, 제2 라인(51b)과, 제3 라인(51c)을 구비할 수 있다.The condensate line 51 is provided to connect the housing 30 to the storage chamber 53 and the exhaust line 100, respectively. As shown in FIG. 2 , the condensed water line 51 may include a first line 51a, a second line 51b, and a third line 51c.

제1 라인(51a)은, 일단이 하우징(30)의 바닥면과 연통되고 타단이 연결 밸브(52)의 제1 포트(52a)와 연통되도록 마련된다. 제2 라인(51b)은, 일단이 저장 챔버(53)와 연통되고 타단이 연결 밸브(52)의 제2 포트(52b)와 연통되도록 마련된다. 제3 라인(51c)은, 일단이 배기 라인(100)과 연통되고 타단이 연결 밸브(52)의 제3 포트(52c)와 연통되도록 마련된다.The first line 51a is provided so that one end communicates with the bottom surface of the housing 30 and the other end communicates with the first port 52a of the connection valve 52. The second line 51b is provided so that one end communicates with the storage chamber 53 and the other end communicates with the second port 52b of the connection valve 52 . The third line 51c is provided so that one end communicates with the exhaust line 100 and the other end communicates with the third port 52c of the connection valve 52 .

연결 밸브(52)는, 제1 라인(51a) 내지 제3 라인(51c)을 각각 선택적으로 개폐하여 제1 라인(51a) 내지 제3 라인(51c)을 상호 연결 또는 차단 가능하도록 마련된다. 이러한 연결 밸브(52)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 라인(51a)의 타단과 연통되어 제1 라인(51a)을 개폐 가능한 제1 포트(52a)와, 제2 라인(51b)의 타단과 연통되어 제2 라인(51b)을 개폐 가능한 제2 포트(52b)와, 제3 라인(51c)의 타단과 연통되어 제3 라인(51c)을 개폐 가능한 제3 포트(52c)를 구비할 수 있다.The connection valve 52 is provided to selectively open and close the first line 51a to the third line 51c to connect or disconnect the first line 51a to the third line 51c. As shown in FIG. 2, the connection valve 52 includes a first port 52a that communicates with the other end of the first line 51a to open and close the first line 51a, and a second line 51b. A second port 52b communicating with the other end of the second line 51b capable of opening and closing and a third port 52c communicating with the other end of the third line 51c capable of opening and closing the third line 51c can do.

연결 밸브(52)는, 스택(10)의 출력, 저장 챔버(53)의 수위, 외부의 온도 등의 조건에 따라 응축수(C)의 유동을 조절할 수 있다.The connection valve 52 may control the flow of the condensed water C according to conditions such as the output of the stack 10, the water level in the storage chamber 53, and the external temperature.

예를 들어, 연결 밸브(52)는, 스택(10)이 미리 정해진 저출력으로 구동될 때에는, 제2 라인(51b)을 폐쇄함과 함께 제1 라인(51a)을 제3 라인(51c)과 연결할 수 있다. 그러면, 응축수(C)는 제1 라인(51a), 제3 라인(51c), 및 배기 라인(100)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다. 이는, 스택(10)이 저출력으로 구동될 때 공기 압축기(62)는 외기(A1)를 상대적으로 저온을 갖도록 압축하므로, 가습 모듈(40)로 공급되는 외기(A1)를 응축수(C)를 이용해 냉각하지 않아도 외기(A1)의 온도를 적정 온도로 유지 가능함을 고려한 것이다.For example, the connection valve 52 closes the second line 51b and connects the first line 51a with the third line 51c when the stack 10 is driven with a predetermined low power. can Then, the condensed water (C) passes through the first line (51a), the third line (51c), and the exhaust line (100) sequentially and is discharged to the outside. This is because the air compressor 62 compresses the outside air A1 to have a relatively low temperature when the stack 10 is driven at a low power, so the outside air A1 supplied to the humidifying module 40 is converted into condensate water C using It is considered that the temperature of the outside air (A1) can be maintained at an appropriate temperature even without cooling.

예를 들어, 연결 밸브(52)는, 스택(10)이 미리 정해진 중출력으로 구동될 때에는, 응축수(C)가 제2 라인(51b) 및 제3 라인(51c)에 미리 정해진 분배 비율로 분배되도록 제1 라인(51a)을 제2 라인(51b) 및 제3 라인(51c)과 연결할 수 있다. 즉, 연결 밸브(52)를 이용해 제2 라인(51b)과 제3 라인(51c)을 미리 정해진 개도 비율로 각각 개방함으로써, 제1 라인(51a)을 통과하는 응축수(C)를 제2 라인(51b)과 제3 라인(51c)에게 각각 분배하는 것이다. 그러면, 응축수(C) 중 일부는 제1 라인(51a), 및 제2 라인(51b)을 순차적으로 통과하여 저장 챔버(53)에 저장되고, 응축수(C) 중 나머지는 일부는 제1 라인(51a), 제3 라인(51c), 및 배기라인을 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다. 이는, 스택(10)이 중출력으로 구동될 때 공기 압축기(62)는 외기(A1)를 상대적으로 중온을 갖도록 압축하므로, 가습 모듈(40)로 공급되는 외기(A1)를 일부의 응축수(C)만을 이용해 냉각하여도 응축수(C)의 온도를 적정 온도로 유지 가능함을 고려한 것이다.For example, when the stack 10 is driven with a predetermined medium power, the connection valve 52 distributes the condensed water C to the second line 51b and the third line 51c at a predetermined distribution ratio. As much as possible, the first line 51a may be connected to the second line 51b and the third line 51c. That is, by opening the second line 51b and the third line 51c at a predetermined opening ratio using the connection valve 52, the condensed water C passing through the first line 51a is transferred to the second line ( 51b) and the third line 51c, respectively. Then, some of the condensed water (C) passes through the first line (51a) and the second line (51b) sequentially and is stored in the storage chamber 53, and some of the condensed water (C) is stored in the first line ( 51a), the third line 51c, and the exhaust line sequentially pass through and are discharged to the outside. This is because when the stack 10 is driven with medium power, the air compressor 62 compresses the outside air A1 to have a relatively medium temperature, so that the outside air A1 supplied to the humidification module 40 is converted into some condensed water (C ), it is considered that it is possible to maintain the temperature of the condensate (C) at an appropriate temperature even if it is cooled using only.

예를 들어, 연결 밸브(52)는, 스택(10)이 미리 정해진 고출력으로 구동될 때에는, 제3 라인(51c)을 폐쇄함과 함께 제1 라인(51a)을 제2 라인(51b)과 연결할 수 있다. 그러면, 응축수(C)는, 제1 라인(51a), 제2 라인(51b)을 순차적으로 통과하여 저장 챔버(53)에 저장된다. 이는, 스택(10)이 고출력으로 구동될 때에는 공기 압축기(62)는 외기(A1)를 상대적으로 고온을 갖도록 압축하므로, 가습 모듈(40)로 공급되는 외기(A1)를 응축수(C) 전량을 이용해 냉각하여야 외기(A1)의 온도를 적정 온도로 유지 가능함을 고려한 것이다.For example, the connection valve 52 closes the third line 51c and connects the first line 51a to the second line 51b when the stack 10 is driven with a predetermined high output. can Then, the condensed water (C) passes through the first line (51a) and the second line (51b) sequentially and is stored in the storage chamber (53). This is because the air compressor 62 compresses the outside air A1 to have a relatively high temperature when the stack 10 is driven with high output, so that the outside air A1 supplied to the humidifying module 40 is used to reduce the total amount of the condensed water C. It is considered that it is possible to maintain the temperature of the outside air (A1) at an appropriate temperature only when it is cooled using the cooling system.

예를 들어, 연결 밸브(52)는, 저장 챔버(53)의 수위를 미리 정해진 기준 수위로 유지할 수 있다. 히트 파이프(54)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 응축수(C)와 열 교환될 수 있도록 방열부(54b)가 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)에 담기도록 설치된다. 따라서, 저장 챔버(53)의 수위가 기준 수위로 유지되지 않으면, 응축수(C)와 방열부(54b) 사이의 열교환이 원활하게 이루어지기 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 연결 밸브(52)는, 저장 챔버(53)의 수위가 기준 수위에 비해 낮을 경우에는, 제3 라인(51c)을 폐쇄함과 함께 제1 라인(51a)을 제2 라인(51b)과 연결하여 가습 모듈(40)에서 생성된 응축수(C)를 저장 챔버(53)에 공급시킬 수 있다. 또한, 연결 밸브(52)는, 저장 챔버(53)의 수위가 기준 수위에 비해 높을 경우에는, 제1 라인(51a)을 폐쇄함과 함께 제2 라인(51b)을 제3 라인(51c)과 연결할 수 있다. 그러면, 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)는 제2 라인(51b), 제3 라인(51c), 및 배기 라인(100)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다. 이는, 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C) 중 일부를 외부로 배출하여 저장 챔버(533)의 수위를 기준 유지로 유지하기 위함이다.For example, the connection valve 52 may maintain the water level of the storage chamber 53 at a predetermined reference water level. As shown in FIG. 4 , the heat pipe 54 is installed such that the heat dissipation part 54b is contained in the condensed water C stored in the storage chamber 53 so as to exchange heat with the condensed water C. Therefore, if the water level in the storage chamber 53 is not maintained at the reference water level, it is difficult to smoothly exchange heat between the condensed water C and the heat dissipating part 54b. In order to solve this problem, the connection valve 52 closes the third line 51c and connects the first line 51a to the second line (when the water level of the storage chamber 53 is lower than the reference water level). 51b), the condensed water C generated in the humidification module 40 may be supplied to the storage chamber 53. In addition, when the water level of the storage chamber 53 is higher than the reference water level, the connection valve 52 closes the first line 51a and connects the second line 51b to the third line 51c. can connect Then, the condensed water (C) stored in the storage chamber 53 passes through the second line 51b, the third line 51c, and the exhaust line 100 sequentially and is discharged to the outside. This is to maintain the water level in the storage chamber 533 at a standard level by discharging some of the condensed water C stored in the storage chamber 53 to the outside.

예를 들어, 연결 밸브(52)는, 외부의 온도가 미리 정해진 기준 온도에 비해 낮은 경우에는, 제1 라인(51a)을 폐쇄함과 함께 제2 라인(51b)을 제3 라인(51c)과 연결할 수 있다. 그러면, 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)는 제2 라인(51b), 제3 라인(51c), 및 배기 라인(100)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다. 이는, 저장 챔버(C)에 저장된 응축수(C)를 외부로 배출하여 외부의 낮은 온도로 인해 응축수(C)가 얼어 저장 챔버(53)가 동파되는 것을 방지하기 위함이다.For example, when the external temperature is lower than a predetermined reference temperature, the connection valve 52 closes the first line 51a and connects the second line 51b to the third line 51c. can connect Then, the condensed water (C) stored in the storage chamber 53 passes through the second line 51b, the third line 51c, and the exhaust line 100 sequentially and is discharged to the outside. This is to prevent the condensate (C) stored in the storage chamber (C) from being frozen due to the low outside temperature by discharging the condensate (C) to the outside and freezing the storage chamber (53).

한편, 제3 라인(51c)은 배기 라인(100)과 연통되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제3 라인(51c)은 배기 라인(100)과 연통되지 않고 외부와 바로 연통될 수도 있다. 그러면, 제3 라인(51c)으로 진입된 응축수(C)는 배기 라인(100)을 거치지 않고 바로 외부로 배출될 수 있다.Meanwhile, the third line 51c has been described as communicating with the exhaust line 100, but is not limited thereto. That is, the third line 51c may directly communicate with the outside without communicating with the exhaust line 100 . Then, the condensed water (C) entering the third line (51c) can be directly discharged to the outside without passing through the exhaust line (100).

저장 챔버(53)는 가습 모듈(40)에서 생성된 응축수(C)를 내부에 저장할 수 있도록 마련된다. 저장 챔버(53)는 제2 라인(51b)으로부터 응축수(C)를 공급 받을 수 있도록 제2 라인(51b)의 타단과 연통된다. 저장 챔버(53)는 외기 공급구(32) 및 제1 실링 부재(44) 사이 공간과 대응하도록 하우징(30)의 하부에 장착되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 저장 챔버(53)에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 응축수(C)의 수위를 측정 가능한 수위 센서(57)가 설치될 수 있다.The storage chamber 53 is provided to store the condensed water C generated in the humidifying module 40 therein. The storage chamber 53 communicates with the other end of the second line 51b so that the condensed water C can be supplied from the second line 51b. The storage chamber 53 is preferably mounted on the lower part of the housing 30 to correspond to the space between the external air supply port 32 and the first sealing member 44, but is not limited thereto. As shown in FIG. 4 , a water level sensor 57 capable of measuring the water level of the condensed water C may be installed in the storage chamber 53 .

히트 파이프(54)는, 가습 모듈(40)로 공급되는 외기(A1)를 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)를 이용해 냉각 가능하도록 마련된다. 히트 파이프(54)는, 증발성 액체(미도시)를 감압된 내부 공간에 봉해 넣은 파이프로서, 일측에는 가열부(54a)가 마련되고 타측에는 방열부(54b)가 마련된다. 히프 파이프의 가열부(54a)를 가열하면 증발성 액체는 증기가 되어 방열부(54b) 쪽으로 흐르고, 증기는 방열부(54b)에서 방열하여 증발성 액체가 된 후 모세관 현상에 의해 다시 가열부(54a)로 되돌아온다. 히트 파이프(54)는, 이러한 원리를 이용해 가열부(54a)의 열을 방열부(54b)로 전달할 수 있다. The heat pipe 54 is provided to cool the outside air A1 supplied to the humidifying module 40 by using the condensed water C stored in the storage chamber 53 . The heat pipe 54 is a pipe in which an evaporative liquid (not shown) is sealed in a depressurized internal space, and a heating unit 54a is provided on one side and a heat dissipation unit 54b is provided on the other side. When the heating part 54a of the hip pipe is heated, the evaporative liquid turns into vapor and flows toward the heat radiating part 54b, and the steam radiates heat from the heat radiating part 54b to become an evaporative liquid, and then again by capillarity to the heating part ( Return to 54a). The heat pipe 54 may transfer heat from the heating unit 54a to the heat dissipation unit 54b using this principle.

이러한 히트 파이프(54)는, 일측에 마련된 가열부(54a)가 외기(A1)의 유동 경로 상에 위치하고 타측에 마련된 방열부(54b)가 응축수(C)에 담기도록 설치된다. 예를 들어, 히트 파이프(54)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 가열부(54a)가 가습 모듈(40)의 입구 즉, 중공 사막들(42)의 일측 개구부(42a) 쪽에 위치하고 방열부(54b)가 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)에 담기도록 설치된다.The heat pipe 54 is installed so that the heating unit 54a provided on one side is positioned on the flow path of the outside air A1 and the heat dissipation unit 54b provided on the other side is contained in the condensed water C. For example, as shown in FIG. 3 , in the heat pipe 54, the heating unit 54a is located at the entrance of the humidifying module 40, that is, at one side opening 42a of the hollow fiber deserts 42, and is a heat dissipation unit. (54b) is installed to be contained in the condensed water (C) stored in the storage chamber (53).

히트 파이프(54)의 설치 개수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 히트 파이프(54)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가열부들(54a) 사이 간격으로 외기(A1)가 통과할 수 있도록 미리 정해진 간격을 두고 복수 개가 설치될 수 있다. 그러면, 외기 공급구(32)를 통해 공급된 외기(A1)는 가열부들(54a)에 의해 고르게 분배되며, 이를 통해 냉각 모듈(50)의 외기 냉각 성능 및 외기 분배 성능을 향상시킬 수 있다.The installed number of heat pipes 54 is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 4 , a plurality of heat pipes 54 may be installed at predetermined intervals so that outside air A1 may pass between the heating units 54a. Then, the outdoor air A1 supplied through the outdoor air supply port 32 is evenly distributed by the heating units 54a, and through this, the cooling module 50 can improve the outdoor air cooling performance and the outdoor air distribution performance.

이러한 히트 파이프들(54)은, 가열부(54a)를 통과하는 외기(A1)의 열을 흡수하여 방열부(54b)를 통해 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)에 전달할 수 있다. 그러면, 히트 파이프들(54)에 의해 외기(A1)는 냉각되고 응축수(C)는 가열된다. 냉각 모듈(50)은, 이러한 원리를 이용해 외기(A1)를 적정 온도까지 냉각함으로써, 외기(A1)의 고온으로 인해 가습 모듈(40)의 가습 효율이 떨어지는 것과 스택(10)의 성능 및 내구성이 떨어지는 것 등을 방지할 수 있다. 또한, 냉각 모듈(50)은, 구동 모터, MCU 등과 같은 다른 부품으로부터 열을 전달 받지 않는 응축수(C)를 이용해 외기(A1)를 냉각하므로, 다른 부품으로 인한 영향 없이 외기(A1)의 온도를 능동적으로 제어할 수 있다. 따라서, 냉각 모듈(50)은, 다른 부품으로 인해 온도가 결정되는 전장 냉각수를 이용해 외기(A1)를 냉각하는 종래의 에어 쿨러에 비해 외기(A1)의 온도를 정밀하게 조절할 수 있다.The heat pipes 54 may absorb heat from the outside air A1 passing through the heating unit 54a and transfer it to the condensed water C stored in the storage chamber 53 through the heat dissipation unit 54b. Then, the outside air A1 is cooled and the condensed water C is heated by the heat pipes 54 . The cooling module 50 cools the outside air A1 to an appropriate temperature using this principle, thereby reducing the humidification efficiency of the humidification module 40 due to the high temperature of the outside air A1 and improving the performance and durability of the stack 10. Falling can be prevented. In addition, since the cooling module 50 cools the outdoor air A1 using the condensed water C, which does not receive heat from other components such as drive motors and MCUs, the temperature of the outdoor air A1 is maintained without being affected by other components. can be actively controlled. Therefore, the cooling module 50 can precisely control the temperature of the outside air A1 compared to a conventional air cooler that cools the outside air A1 using electric cooling water whose temperature is determined by other components.

열 교환핀(55)은 외기(A1)의 유로 경로 상에 배치되도록 히트 파이프들(54) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 예를 들어, 열 교환핀(55)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 인접하는 가열부(54a)들을 연결하도록 마련될 수 있다. 열 교환핀(55)의 설치 개수는 특별히 한정되지 않으며, 외기(A1)의 유량 등을 고려해 적어도 하나의 열 교환핀들(55)이 설치될 수 있다. 이러한 열 교환핀(55)은, 냉각 모듈(50)의 외기 냉각 성능 및 외기 분배 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.The heat exchange fin 55 may be connected to at least one of the heat pipes 54 to be disposed on the flow path of the outside air A1. For example, as shown in FIG. 4 , the heat exchange fins 55 may be provided to connect adjacent heating units 54a to each other. The number of installed heat exchange pins 55 is not particularly limited, and at least one heat exchange pin 55 may be installed in consideration of the flow rate of the outside air A1. These heat exchange fins 55 can further improve the cooling module 50's outside air cooling performance and outside air distribution performance.

수증기 라인(56)은, 저장 챔버(53)에 저장된 응축수(C)로부터 발생한 수증기(S2)를 스택(10)으로 공급 가능하게 마련된다. 이를 위하여, 수증기 라인(56)의 일단은 저장 챔버(53)와 연통되며, 수증기 라인(56)의 타단은 가습 모듈(40)의 출구 즉, 중공 사막들(42)의 타측 개구부(42b)와 연통된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 수증기 라인(56)의 일단은 하우징(30)의 바닥면을 관통하여 저장 챔버(53)의 상단부와 연통되며, 수증기 라인(56)의 타단은 중공 사막들(42)의 타측 개구부(42b)와 외기 배출구(34) 사이의 공간과 연통된다. 수증기 라인(56)의 중간부는, 수증기 라인(56)의 일단과 타단을 연결하도록 마련된다. 예를 들어, 수증기 라인(56)의 중간부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 공급구(32)와 중공 사막들(42)의 일측 개구부(42a) 사이의 공간, 제1 실링 부재(44), 제1 실링 부재(44)와 제2 실링 부재(46) 사이의 공간, 및 제2 실링 부재(46)를 순차적으로 통과하도록 배치된다.The vapor line 56 is provided to supply the vapor S2 generated from the condensed water C stored in the storage chamber 53 to the stack 10 . To this end, one end of the steam line 56 communicates with the storage chamber 53, and the other end of the steam line 56 communicates with the outlet of the humidifying module 40, that is, the other opening 42b of the hollow fiber membranes 42. communicated For example, as shown in FIG. 2, one end of the steam line 56 penetrates the bottom surface of the housing 30 and communicates with the upper end of the storage chamber 53, and the other end of the steam line 56 is hollow. It communicates with the space between the other side opening 42b of the deserts 42 and the outdoor air outlet 34. The middle part of the steam line 56 is provided to connect one end and the other end of the steam line 56 . For example, the middle portion of the steam line 56, as shown in FIG. 2, the space between the outside air supply port 32 and the one side opening 42a of the hollow fiber deserts 42, the first sealing member 44 ), the space between the first sealing member 44 and the second sealing member 46, and the second sealing member 46 in order.

수증기 라인(56)의 설치 개수는 특별히 한정되지 않으며, 적어도 하나 이상의 수증기 라인(56)들이 설치될 수 있다. 예를 들어, 수증기 라인(56)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 히트 파이프들(54)의 양측 외곽에 각각 위치하도록 한 쌍이 설치될 수 있다.The number of installed steam lines 56 is not particularly limited, and at least one steam line 56 may be installed. For example, as shown in FIG. 3 , a pair of steam lines 56 may be installed so as to be located on both sides of the heat pipes 54 .

이러한 수증기 라인(56)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 응축수(C)가 히트 파이프들(54)을 매개로 외기(A1)로부터 전달된 열에 의해 가열되어 생성된 수증기(S2)를 중공 사막들(42)의 타측 개구부(42b)와 외기 배출구(34) 사이의 공간으로 안내할 수 있다. 이처럼 안내된 수증기(S2)는 가습 모듈(40)에 의해 가습된 외기(A1)와 함께 공기극 입구(14a)로 공급될 수 있다. 따라서, 수증기 라인(56)은 공기극(14)으로 더욱 많은 수분을 공급할 수 있도록 가습 모듈(40)을 보조하는 보조 가습 모듈로서 기능할 수 있다.As shown in FIGS. 2 and 3 , the steam line 56 generates steam S2 generated when the condensed water C is heated by the heat transferred from the outside air A1 through the heat pipes 54. may be guided to the space between the other side opening 42b of the hollow fiber membranes 42 and the outside air outlet 34. The guided water vapor S2 may be supplied to the air cathode inlet 14a together with the outside air A1 humidified by the humidifying module 40 . Accordingly, the water vapor line 56 may function as an auxiliary humidifying module that assists the humidifying module 40 so as to supply more moisture to the cathode 14 .

한편, 미설명된 도면 부호 '16'은 연료극(12)과 공기극(14) 사이에 개재되는 고분자 전해질막을 말한다.Meanwhile, reference numeral '16', which has not been described, refers to a polymer electrolyte membrane interposed between the fuel electrode 12 and the air electrode 14.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below and the technical spirit of the present invention by those skilled in the art to which the present invention belongs. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

10 : 연료전지 스택
12 : 연료극
12a : 연료극 출구
14 : 공기극
14a : 공기극 입구
14b : 공기극 출구
20 : 연료전지용 가습기
30 : 하우징
32 : 외기 공급구
34 : 외기 배출구
36 : 습윤공기 공급구
38 : 습윤공기 배출구
40 : 가습 모듈
42 : 중공 사막
42a : 일측 개구부
42b : 타측 개구부
44 : 제1 실링 부재
46 : 제2 실링 부재
50 : 냉각 모듈
51 : 응축수 라인
51a : 제1 라인
51b : 제2 라인
51c : 제3 라인
52 : 연결 밸브
52a : 제1 포트
52b : 제2 포트
52c : 제3 포트
53 : 저장 챔버
54 : 히트 파이프
54a : 가열부
54b : 방열부
55 : 열 교환핀
56 : 수증기 라인
57 : 수위 센서
60 : 제1 외기 라인
62 : 공기 압축기
70 : 제2 외기 라인
80 : 습윤공기 라인
90 : 워터 트랩 라인
92 : 워터 트랩
94 : 체크 밸브
96 : 응축수 히터
100 : 배기 라인
102 : 개폐 밸브10: fuel cell stack
12: fuel electrode
12a: fuel electrode outlet
14: air electrode
14a: air cathode inlet
14b: air cathode outlet
20: Humidifier for fuel cell
30: housing
32: outside air supply port
34: outdoor air outlet
36: wet air supply port
38: wet air outlet
40: humidification module
42 : Hollow Desert
42a: one side opening
42b: other side opening
44: first sealing member
46: second sealing member
50: cooling module
51: condensate line
51a: first line
51b: second line
51c: third line
52: connection valve
52a: first port
52b: second port
52c: third port
53: storage chamber
54: heat pipe
54a: heating unit
54b: heat sink
55: heat exchange pin
56: steam line
57: water level sensor
60: first outside air line
62: air compressor
70: 2nd outside air line
80: wet air line
90: water trap line
92: Water Trap
94: check valve
96: condensate heater
100: exhaust line
102: open/close valve

Claims

습윤 공기와 외기를 수분 교환하여 상기 외기를 가습 가능한 가습 모듈; 및
상기 외기와 상기 습윤 공기가 수분 교환될 때 발생한 응축수와 상기 외기를 열 교환하여 상기 외기를 냉각 가능한 냉각 모듈을 포함하되,
상기 냉각 모듈은,
상기 외기의 열을 상기 응축수에 전달 가능한 적어도 하나의 히트 파이프들; 및
상기 응축수가 저장되는 저장 챔버;를 포함하고,
상기 히트 파이프는, 가열부가 상기 외기의 유동 경로 상에 위치하고 방열부가 상기 저장 챔버에 저장된 응축수에 담기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.a humidification module capable of humidifying the outside air by exchanging moisture between the humid air and the outside air; and
A cooling module capable of cooling the outdoor air by heat-exchanging condensed water generated when the outdoor air and the wet air exchange water with the outdoor air,
The cooling module,
at least one heat pipe capable of transferring the heat of the outside air to the condensed water; and
Including; a storage chamber in which the condensed water is stored,
The humidifier for a fuel cell according to claim 1 , wherein the heat pipe is installed such that a heating part is positioned on a flow path of the outside air and a heat dissipation part is contained in the condensed water stored in the storage chamber.

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제1항에 있어서,
상기 히트 파이프들은, 상기 히트 파이프들 사이 간격으로 상기 외기가 통과할 수 있도록 미리 정해진 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
The heat pipes are humidifiers for fuel cells, characterized in that installed at predetermined intervals so that the outside air can pass through the intervals between the heat pipes.

제1항에 있어서,
상기 냉각 모듈은, 상기 히트 파이프들 중 적어도 하나와 연결되며 상기 외기의 유동 경로 상에 배치되는 적어도 하나의 열 교환핀들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
The cooling module may further include at least one heat exchange fin connected to at least one of the heat pipes and disposed on a flow path of the outside air.

삭제delete

제1항에 있어서,
상기 가열부는, 상기 가습 모듈로 유입되는 외기와 열 접촉되도록 상기 가습 모듈의 입구에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
The heating unit is a humidifier for a fuel cell, characterized in that disposed at the inlet of the humidifying module to thermally contact the outside air flowing into the humidifying module.

제1항에 있어서,
상기 냉각 모듈은, 상기 응축수로부터 발생한 수증기를 연료전지 스택으로 공급 가능한 수증기 라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
The cooling module may further include a steam line capable of supplying steam generated from the condensed water to a fuel cell stack.

제7항에 있어서,
상기 수증기 라인의 일단은 상기 저장 챔버와 연통되며, 상기 수증기 라인의 타단은 상기 가습 모듈로부터 외기가 배출되는 상기 가습 모듈의 출구와 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 7,
A humidifier for a fuel cell, characterized in that one end of the steam line communicates with the storage chamber, and the other end of the steam line communicates with an outlet of the humidification module through which outside air is discharged from the humidification module.

제1항에 있어서,
상기 가습 모듈이 내부에 설치되는 하우징을 더 포함하며,
상기 냉각 모듈은, 상기 응축수를 상기 하우징으로부터 상기 저장 챔버로 공급 가능한 응축수 라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
Further comprising a housing in which the humidifying module is installed,
The cooling module may further include a condensed water line capable of supplying the condensed water from the housing to the storage chamber.

제9항에 있어서,
상기 응축수 라인은, 상기 하우징과 연통되는 제1 라인과, 상기 저장 챔버과 연통되는 제2 라인과, 외부와 연통되는 제3 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 9,
The condensate line is a humidifier for a fuel cell, characterized in that it comprises a first line communicating with the housing, a second line communicating with the storage chamber, and a third line communicating with the outside.

제10항에 있어서,
상기 냉각 모듈은, 상기 제1 라인 내지 상기 제3 라인을 각각 개폐하여 상기 제1 라인 내지 상기 제3 라인을 상호 연결 또는 차단 가능한 연결 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 10,
The cooling module may further include a connection valve capable of opening or closing the first line to the third line to interconnect or block the first line to the third line.

제11항에 있어서,
상기 냉각 모듈은, 상기 저장 챔버의 수위를 측정 가능한 수위 센서를 더 구비하며,
상기 연결 밸브는, 상기 저장 챔버의 수위를 미리 정해진 기준 수위로 유지하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 11,
The cooling module further includes a water level sensor capable of measuring a water level in the storage chamber;
The connection valve is a humidifier for a fuel cell, characterized in that driven to maintain the water level in the storage chamber at a predetermined reference water level.

제11항에 있어서,
상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 저출력으로 구동되는 경우에, 상기 제2 라인을 폐쇄함과 함께 상기 제1 라인을 상기 제3 라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 11,
The connection valve closes the second line and connects the first line to the third line when the fuel cell stack is driven at a predetermined low power.

제11항에 있어서,
상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 중출력으로 구동되는 경우에, 상기 응축수가 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인에 미리 정해진 비율로 분배되도록 상기 제1 라인을 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 11,
The connection valve connects the first line to the second line and the third line so that the condensed water is distributed to the second line and the third line at a predetermined ratio when the fuel cell stack is driven with a predetermined medium power. A humidifier for a fuel cell, characterized in that connected to 3 lines.

제11항에 있어서,
상기 연결 밸브는, 연료전지 스택이 미리 정해진 고출력으로 구동되는 경우에, 상기 제3 라인을 폐쇄함과 함께 상기 제1 라인을 상기 제2 라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 11,
The connection valve closes the third line and connects the first line to the second line when the fuel cell stack is driven at a predetermined high output.

제1항에 있어서,
상기 가습 모듈은, 상기 외기가 내부를 통과하도록 마련되는 복수의 중공 사막들을 구비하며,
상기 중공 사막들은, 상기 습윤 공기의 유동 경로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.According to claim 1,
The humidification module includes a plurality of hollow fiber membranes provided to allow the outside air to pass through the inside,
The hollow fiber membranes are humidifiers for fuel cells, characterized in that disposed on the flow path of the wet air.

제1항, 제3항 내지 제4항, 제6항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 가습기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising the humidifier for a fuel cell according to any one of claims 1, 3 to 4, and 6 to 16.