KR20220097311A - 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

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

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 {Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it}

본 발명은 막가습기 내의 건조가스 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 연료전지 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.

또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.

이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력 밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.

이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 시스템은 블로워(Blower, B)와, 연료전지 막가습기(10, 이하 "막가습기")와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P1, P2, P3, P4)을 포함한다. P1은 블로워(B)에서 수집된 건조가스를 막가습기(10)로 공급하는 건조가스 공급유로이고, P2는 막가습기(10)에서 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급하는 가습가스 공급유로이다. P3은 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스를 막가습기(10)로 공급하는 배가스 공급유로이고, P4는 수분교환 후의 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출유로이다.

막가습기(10)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스(습윤가스) 사이에 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12, 13)을 포함한다.

블로워(B) 측의 캡(12)에는 건조가스 유입구(12a)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(11)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(13)에는 건조가스 배출구(13a)가 형성되어 가습 모듈(11)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.

가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11aa)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11ab)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내의 다수의 중공사막들(11b)을 포함한다. 중공사막들(11b)의 다발의 양 말단들은 포팅부(11c)에 고정된다. 포팅부(11c)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

블로워(B)로부터 공급되는 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11b)을 투과함으로써 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르던 건조가스를 가습한다.

한편, 막가습기(10)가 정상적으로 구동하는 경우에는, 건조가스 유입구(12a)로 유입된 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르면서 가습되어 건조가스 배출구(13a)를 통해 연료전지 스택(S)으로 배출된다.

그러나, 연료전지 스택(S)의 비정상 운전, 중공사막(11b)의 파손, 중공사막(11b)의 유로 막힘 등의 여러가지 이유로 막가습기(10)가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에는, 건조가스 유입구(12a)로 유입된 건조가스가 건조가스 배출구(13a)를 통해 배출되지 못할 수도 있다. 그 결과, 막가습기(10) 내에 건조가스의 압력이 상승하면서 막가습기(10)가 파손될 우려가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0076385호

본 발명은 막가습기 내의 건조가스 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 연료전지 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,

미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되며, 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡; 및, 상기 캡에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와, 상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과, 상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,

건조가스를 공급하는 블로워; 연료전지 스택; 및, 미드-케이스와, 상기 미드-케이스와 체결되며 건조가스가 배출되는 건조가스 배출홀이 형성된 캡과, 상기 캡에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하여 상기 캡 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 버퍼 하우징 내에서 전후진하는 개폐부재와, 상기 개폐부재와 상기 버퍼 하우징의 내벽에 형성되며, 상기 캡 내의 건조가스 압력에 따라 압축 또는 신장하는 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 버퍼 하우징의 상기 건조가스 배출홀 측 개구에는 상기 캡으로부터 연장 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 버퍼 하우징에서 돌출 형성되며, 상기 개폐부재가 걸쳐질 수 있는 걸림턱이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 상단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 후방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 건조가스 배출홀과 연통하는 버퍼 하우징과, 상기 건조가스 배출홀의 하단과 힌지 연결되어 선회 운동하는 개폐부재와, 상기 개폐부재의 전방에 형성된 탄성부재와, 상기 버퍼 하우징 내로 유입된 건조가스를 외부로 배출하는 가스 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 캡의 내벽에 형성되며 상기 캡 내의 건조가스 온도 변화에 따라 팽창하는 열팽창 금속과, 상기 열팽창 금속에 형성되며 상기 열팽창 금속의 팽창에 따라 상기 건조가스 배출홀의 적어도 일부를 개방하는 관통구를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절부는, 상기 열팽창 금속의 단부에 형성되며 내열성 소재로 이루어진 스토퍼를 더 포함할 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 의하면, 막가습기 내부로 유입된 건조가스의 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있다. 따라서, 여러가지 이유로 막가습기가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에, 막가습기 내의 압력을 조절함으로써 막가습기의 파손을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 6, 8, 10 및 12는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 압력 조절부가 도시된 도면이다.
도 7, 9, 11 및 13은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 설명한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템은, 블로워(B)와, 연료전지 막가습기(100 : 101 ~ 104, 이하 '막가습기'라고도 함)와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P10, P20, P30, P40)을 포함할 수 있다.

블로워(B)는 대기 중의 가스를 수집하여 막가습기(100 : 101 ~ 104)로 공급한다. 연료전지 스택(S)의 출력 크기에 따라 블로워(B)의 출력 크기가 결정될 수 있다. 선택에 따라, 블로워(B)의 전단에는 미세 먼지를 제거하는 필터(미도시)가 설치될 수 있고, 블로워(B)와 막가습기(100) 사이에는, 막가습기(100)로 공급되는 건조가스를 냉각시키는 쿨러(미도시)가 설치될 수 있다.

막가습기(100)는 건조가스를 가습하여 연료전지 스택(S)으로 공급한다. 막가습기(100)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(110)을 포함한다. 가습 모듈(110)의 양 말단들 각각은 캡(120, 130)과 결합된다. 가습 모듈(110)과 캡(120, 130)은 분리 형성될 수도 있고, 일체형으로 형성될 수도 있다.

블로워(B) 측의 캡(120)에는 건조가스 유입구(121)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(110)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(130)에는 건조가스 배출구(131)가 형성되어 가습 모듈(110)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.

블로워(B) 측의 캡(120)에는, 캡(120) 내의 건조가스 압력에 따라 폐쇄 또는 개방되어 캡(120) 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)가 형성된다. 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)에 대해서는 도 6 내지 도 13을 참조하여 후술한다.

건조가스 유입구(121)는 블로워(B)와 막가습기(100)를 연결하는 건조가스 공급유로(P10)와 연결되고, 건조가스 배출구(131)는 연료전지 스택(S) 측의 캡(130)과 연료전지 스택(S)을 연결하는 가습가스 공급유로(P20)와 연결된다. 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스는 배가스 공급유로(P30)를 통해 막가습기(100)로 공급되고, 막가습기(100) 내에서 수분교환된 배가스는 배가스 배출유로(P40)를 통해 외부로 배출된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가습 모듈(110)은 블로워(B)부터 공급되는 건조가스와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(111a)와 배가스 배출구(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 미드-케이스(111) 내에 수용된 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 중공사막들(112)의 다발의 양 말단들은 포팅부(113)에 고정된다.

또는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 가습 모듈(110)은 다수의 중공사막들(22) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(23)를 포함하는 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 중공사막들(22) 및 포팅부(23)는 별도의 카트리지용 케이스인 이너 케이스(21) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 중공사막들(22)은 이너 케이스(21) 내에 수용되고, 포팅부(23)는 이너 케이스(21) 말단에 형성될 수 있다. 가습 모듈(110)이 카트리지(20)를 포함할 경우, 카트리지의 양측 말단과 미드-케이스(111) 사이에는 카트리지 고정을 위한 고정층(115)이 형성될 수 있다. 고정층(115)은 수지로 형성된 수지층, 또는 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체일 수 있다. 이너 케이스(21)는 제1 공간(S1), 제2 공간(S2)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 메쉬홀부(24)를 구비한다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽(114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 격벽(114)은 배가스 유입구(111a)로 유입된 배가스가, 중공사막(112, 22)과 수분 교환하지 않고 바이패스하여 곧바로 배가스 배출구(111b)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

또는, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(111)의 내부 공간은 미드-케이스(111)의 중앙 부분에 함몰 형성된 중앙 함몰부(116)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 중앙 함몰부(116)는 배가스 유입구(111a)로 유입된 배가스가, 중공사막(112, 22)과 수분 교환하지 않고 바이패스하여 곧바로 배가스 배출구(111b)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

미드-케이스(111)와 캡(120, 130)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다.

중공사막들(112, 22)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(113)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.

도 2 내지 도 5에 예시적으로 도시된 본 발명의 실시예들에서, 블로워(B) 측의 캡(120)에는, 캡(120) 내의 건조가스 압력에 따라 폐쇄 또는 개방되어 캡(120) 내의 건조가스 압력을 조절하는 압력 조절부(200 : 210 ~ 240)가 형성된다. 이에 대해, 도 6 내지 도 13을 참조하여 설명한다.

도 6은 제1 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 7은 제1 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 압력 조절부(210)는, 버퍼 하우징(211), 개폐부재(212), 탄성부재(213), 가스 배출구(214)를 포함할 수 있다.

버퍼 하우징(211)은 소정의 형상으로, 캡(120)에 형성된 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다. 버퍼 하우징(211)은 개폐부재(212)가 전후진할 수 있도는 공간을 제공하고, 개폐부재(212)가 후진하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스가 유동할 수 있는 공간을 제공한다.

버퍼 하우징(211)의 건조가스 배출홀(122) 측 개구에는 캡(120)으로부터 연장 형성되며, 개폐부재(212)가 걸쳐질 수 있는 걸림턱(211a)이 형성될 수 있다. 또는, 걸림턱(211a)은 버퍼 하우징(211)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 하나에서 돌출되어 형성될 수 있다.

개폐부재(212)는 건조가스 배출홀(122)의 면적보다 큰 면적을 구비하여 걸림턱(211a)에 걸쳐질 수 있으며, 건조가스 배출홀(122)을 개폐할 수 있는 형상으로 형성된다.

개폐부재(212)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(212)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(213)가 형성된다. 탄성부재(213)는 개폐부재(212)의 후면 및 버퍼 하우징(211)의 일측 내벽에 고정 형성될 수 있다. 탄성부재(213)는, 예를 들어, 스프링일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 내열성이 있는 고무, 합성 수지 등이 탄성부재(213)의 재료가 될 수 있다.

버퍼 하우징(211)의 적어도 일 면에는 가스 배출구(214)가 형성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 개폐부재(212)가 후진하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(211) 내로 유입되고, 가스 배출구(214) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.

도 8은 제2 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 9는 제2 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 압력 조절부(220)는, 버퍼 하우징(221), 개폐부재(222), 탄성부재(223), 가스 배출구(224)를 포함할 수 있다.

버퍼 하우징(221)은 소정의 형상으로, 캡(120)에 형성된 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다. 버퍼 하우징(221)은 힌지 연결된 개폐부재(222)가 선회할 수 있는 공간을 제공하고, 개폐부재(222)가 후방으로 선회하여 건조가스 배출홀(122)의 적어도 일부를 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스가 유동할 수 있는 공간을 제공한다. 여기서, 캡 내부 측을 '전방', 캡 외부 측을 '후방'이라 한다.

개폐부재(222)는 건조가스 배출홀(122)의 상단과 힌지 연결되며, 그 단부는 아치 형상으로 형성되어 건조가스 압력에 따라 마찰없이 선회될 수 있도록 한다.

개폐부재(222)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(222)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(223)가 형성된다. 탄성부재(223)는 개폐부재(222)의 후면 및 버퍼 하우징(221)의 상부 내벽에 고정 형성될 수 있다. 탄성부재(223)는, 예를 들어, 스프링일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 내열성이 있는 고무, 합성 수지 등이 탄성부재(223)의 재료가 될 수 있다.

버퍼 하우징(221)의 적어도 일 면에는 가스 배출구(224)가 형성된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 개폐부재(222)가 후방으로 선회 운동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(221) 내로 유입되고, 가스 배출구(224) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.

도 10은 제3 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 11은 제3 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 압력 조절부(230)는, 버퍼 하우징(231), 개폐부재(232), 탄성부재(233), 가스 배출구(234)를 포함할 수 있다. 제3 실시예의 압력 조절부(230)는 전술한 제2 실시예의 압력 조절부(220)와 비교하여 개폐부재(232) 및 탄성부재(233)의 설치 위치만 상이하고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.

본 실시예에서 개폐부재(232)는 건조가스 배출홀(122)의 하단과 힌지 연결되며, 그 단부는 아치 형상으로 형성되어 건조가스 압력에 따라 마찰없이 선회될 수 있도록 한다.

개폐부재(232)의 전면은 건조가스 배출홀(122)을 개폐하고, 개폐부재(232)의 후면에는 캡(120) 내의 건조가스 압력 크기에 따라 압축 또는 신장할 수 있는 탄성부재(233)가 형성된다. 탄성부재(233)는 개폐부재(232)의 전면 및 건조가스 배출홀(122)의 내벽에 고정 형성될 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 개폐부재(232)가 후방으로 선회 운동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방할 때, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122)을 통해 버퍼 하우징(231) 내로 유입되고, 가스 배출구(234) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.

도 12는 제4 실시예에 따른 압력 조절부가 도시된 도면이고, 도 13은 제4 실시예에 따른 압력 조절부의 동작 과정이 도시된 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제4 실시예의 압력 조절부(240)는, 열팽창 금속(241), 관통구(242), 스토퍼(243), 가스 배출구(244)를 포함할 수 있다.

열팽창 금속(241)은 캡(120)의 내벽에서 건조가스 배출홀(122) 근처에서 대체로 막대 형상으로 형성된다. 열팽창 금속(241)은 건조가스의 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 금속 물질로 이루어진다.

열팽창 금속(241)의 소정 위치에는 열팽창 금속(241)을 관통하는 관통구(242)가 형성된다. 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)의 형상과 대응하는 형상으로 형성되어, 열팽창 금속(241)의 팽창에 따라 건조가스 배출홀(122)의 적어도 일부를 개방하고, 열팽창 금속(241)의 수축에 따라 건조가스 배출홀(122)를 폐쇄할 수 있다.

열팽창 금속(241)의 단부에는 스토퍼(243)가 형성될 수 있다. 스토퍼(243)는 열팽창 금속(241)에 비해 건조가스의 온도 변화에 따른 팽창/수축이 작은 내열성 소재로 이루어져서, 열팽창 금속(241)의 팽창/수축의 기점 역할을 수행한다.

가스 배출구(244)는 건조가스 배출홀(122)과 연통하도록 형성된다.

막가습기가 정상적으로 작동할 경우, 캡(120) 내의 건조가스는 일정한 압력을 갖게 되고 온도도 일정하게 유지될 수 있다. (이상기체 상태 방정식) 이 경우, 도 12와 같이 열팽창 금속(241)은 팽창하지 않은 상태를 유지하게 되고, 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)을 폐쇄하는 위치를 유지한다.

막가습기가 비정상적으로 작동할 경우, 캡(120) 내의 건조가스 압력은 상승하고 이에 따라 온도도 상승하게 된다. 이 경우, 도 13과 같이 열팽창 금속(241)은 팽창하게 되고, 열팽창 금속(241)의 팽창에 따라 관통구(242)가 이동하여 건조가스 배출홀(122)을 개방하는 위치에 배치된다.

건조가스 배출홀(122)이 개방되면, 캡(120) 내의 건조가스는 건조가스 배출홀(122), 가스 배출구(244) 및 배가스 배출유로(P40, 도 2 참조)를 통해 외부로 배출된다.

일정 시간 경과후, 건조가스가 배출되어 압력이 하강하면 온도도 하강하고, 열팽창 금속(241)은 수축되면서 관통구(242)가 원위치로 복귀되면서 도 12와 같이 관통구(242)는 건조가스 배출홀(122)을 폐쇄하게 된다.

이와 같은, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 의하면, 막가습기 내부로 유입된 건조가스의 압력에 따라 건조가스를 외부로 배출하여 막가습기 내의 건조가스 압력을 조절할 수 있다.

따라서, 여러가지 이유로 막가습기가 정상적으로 구동하지 못하는 경우에, 막가습기 내의 압력을 조절함으로써 막가습기의 파손을 방지할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 (101 ~ 104) : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 : 중공사막 113 : 포팅부
114 : 격벽 116 : 중앙 함몰부
111a : 배가스 유입구 111b : 배가스 배출구
20 : 카트리지 21 : 이너 케이스
22 : 중공사막 23 : 포팅부
24 : 메쉬홀부
120, 130 : 캡
200 (210 ~ 240) : 압력 조절부
B : 블로워 S : 연료전지 스택
P10 : 건조가스 공급유로 P20 : 가습가스 공급유로
P30 : 배가스 공급유로 P40 : 배가스 배출유로

Claims (17)

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

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