KR100805467B1 - A nafion membrane humidifier for a fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것으로, 연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 상기 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 상기 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징; 및 상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유(114)를 수용하는 다수의 나피온 튜브(112)로 연결 형성되되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징(10)의 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공한다. 이에 나피온 튜브 번들이 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a Nafion membrane humidifier for a fuel cell, and includes an inlet (12) into which a dry reaction gas supplied to a fuel cell stack (3) flows, and a gas containing water after the reaction to the fuel cell stack (3). The outlet 14 for supplying, the sub inlet 16 through which the unreacted gas containing moisture discharged from the fuel cell stack 3 flows in, and the sub outlet 18 through which the remaining reaction gas flows out are provided. Formed housing; And a plurality of Nafion tubes 112 accommodating thousands of hollow fibers 114 through which the reaction gas passes to exchange moisture, and are wound in turn from one side to form a vortex shape of the housing 10. It provides a fuel cell Nafion membrane humidifier, characterized in that it comprises a Nafion membrane bundle humidifier for fuel cells, characterized in that it comprises a Nafion tube bundle (110) housed therein. Accordingly, the Nafion tube bundle is wound to have a vortex structure to increase the internal residence time of the humidifier of the dry air, thereby improving the humidification efficiency without additional configuration.

연료전지, 나피온 막 가습기 Fuel Cell, Nafion Membrane Humidifier

Description

연료전지용 나피온 막 가습기{A nafion membrane humidifier for a fuel cell}Nafion membrane humidifier for a fuel cell

도 1은 종래의 나피온 막 가습기가 설치된 연료전지의 작동 흐름도.1 is a flow chart of the operation of a fuel cell equipped with a conventional Nafion membrane humidifier.

도 2는 종래의 나피온 막 가습기의 사시도.2 is a perspective view of a conventional Nafion membrane humidifier.

도 3은 도 2에 따른 공기의 유동 상태를 나타낸 분석도.3 is an analysis diagram showing the flow of air according to FIG.

도 4는 본 발명의 나피온 튜브 번들을 감는 방법을 도시한 측면도.Figure 4 is a side view showing a method of winding the Nafion tube bundle of the present invention.

도 5는 본 발명의 나피온 막 가습기와 종래의 나피온 막 가습기를 비교한 측단면도.Figure 5 is a side cross-sectional view comparing the Nafion membrane humidifier of the present invention and the conventional Nafion membrane humidifier.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

100 : 나피온 막 가습기 10 : 하우징100: Nafion membrane humidifier 10: housing

110 : 나피온 튜브 번들 112 : 나피온 튜브110: Nafion Tube Bundle 112: Nafion Tube

114 : 중공 섬유114: hollow fiber

본 발명은 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나피온 튜브를 소용돌이 구조를 갖도록 감고 양단부를 외측으로 볼록한 형상을 갖도 록 가공함으로써 가습 효율을 향상시킨 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것이다.The present invention relates to a Nafion membrane humidifier for fuel cells, and more particularly, to a Nafion membrane humidifier for fuel cells, in which a humidification efficiency is improved by winding a Nafion tube to have a vortex structure and processing both ends to have a convex shape to the outside. will be.

일반적으로 연료전지용 막 가습기는 중공 섬유(hollow fiber)를 이용한 기체-기체 막 가습기(gas to gas membrane humidifier)로서, 접촉 표면적이 넓은 중공 섬유를 사용함으로써 소용량 고집적화가 가능하다. In general, a membrane humidifier for fuel cells is a gas-gas membrane humidifier using hollow fibers, and a small capacity and high density can be achieved by using hollow fibers having a large contact surface area.

중공 섬유를 사용하면 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 가습기를 통해 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수해 재사용할 수 있으므로 연료전지의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.If the hollow fiber is used, the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, and the humidifier can be used to recover the moisture and heat contained in the unreacted gas discharged at a high temperature from the fuel cell and reuse it. It can save extra moisture and energy.

첨부된 도 1은 종래의 나피온 막 가습기가 설치된 연료전지의 작동 흐름도이고, 도 2는 종래의 나피온 막 가습기의 사시도이며, 도 3은 도 2에 따른 공기의 유동 상태를 나타낸 분석도이다.1 is a flowchart illustrating an operation of a fuel cell in which a conventional Nafion membrane humidifier is installed, FIG. 2 is a perspective view of a conventional Nafion membrane humidifier, and FIG. 3 is an analysis diagram illustrating a flow state of air according to FIG. 2.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 나피온 막 가습기(1)는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(3)과 공기 블로워(5)의 사이에 설치된다.As shown in FIG. 1, a conventional Nafion membrane humidifier 1 is installed between a fuel cell stack 3 and an air blower 5 in a fuel cell system.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 나피온 막 가습기(1)는 연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 배출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징(10)과, 하우징(10)의 내부에 수용되어 반응 가스와 반응하는 나피온 막(20)으로 구성된다.As shown in FIG. 2, the conventional Nafion membrane humidifier 1 includes an inlet 12 through which a dry reaction gas supplied to the fuel cell stack 3 flows in, and a gas containing moisture after the reaction. (3) an outlet 14 for supplying to the outlet, a sub inlet 16 through which the unreacted gas containing moisture discharged from the fuel cell stack 3 flows in, and a sub outlet through which the reacted residual gas is discharged ( 18 is formed of a housing 10 and a Nafion membrane 20 accommodated in the housing 10 and reacting with a reaction gas.

나피온 막(20)은 수천 개의 중공 섬유가 나피온 재질(양이온만을 선택적으로 투과시키는 물질)의 튜브에 각각 들어 있는 나피온 튜브 다발을 펼쳐놓고 양쪽 끝단에서 각각의 튜브 사이에 접착제를 바르면서 둥글게 마는 과정에 의해 만들어지며, 나피온 막(20)의 길이 방향 양단부는 평평한 모양을 이룬다.The Nafion membrane 20 is rounded by spreading a bundle of Nafion tubes each containing thousands of hollow fibers in a tube of Nafion material (a material that selectively transmits only cations) and applying adhesive between each tube at both ends. It is made by the rolling process, both ends of the longitudinal direction of the Nafion membrane 20 forms a flat shape.

그런데 이러한 방법으로 제조된 나피온 막은 낮은 공기 유속에서는 큰 문제가 없으나, 많은 양의 공기가 빠른 속도로 가습기 안으로 유입되면 도 3에 도시된 바와 같이 가습 역할을 하지 못하는 영역(dead zone, A)이 발생하게 된다.By the way, the Nafion membrane prepared in this way is not a problem at low air flow rate, but when a large amount of air flows into the humidifier at a high speed, as shown in FIG. Will occur.

원래 설계된 구조에서 일부 영역만이 가습 반응에 사용되므로 연료전지 스택이 필요로 하는 상대습도(RH) 65% 이상을 만족하지 못하게 되고, 결국 차량의 가속 성능을 저하시키고 연료전지 스택의 열화를 가속시키는 원인이 될 수 있다.Because only a few areas of the original design are used for the humidification reaction, the fuel cell stack does not meet the required relative humidity (RH) of more than 65%, which in turn degrades the vehicle's acceleration performance and accelerates the deterioration of the fuel cell stack. It can be cause.

본 발명의 목적은 나피온 튜브를 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a Nafion membrane humidifier for a fuel cell which can improve the humidification efficiency without additional configuration by increasing the residence time of the humidifier in the dry air by winding the Nafion tube to have a vortex structure.

본 발명의 다른 목적은 감긴 나피온 튜브의 양단부를 둥글게 가공하여 건조 공기와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell Nafion membrane humidifier that can improve humidification efficiency by rounding both ends of a wound Nafion tube to increase the contact area with dry air.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료 전지 스택에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구와, 반응 후 수분이 함유된 가스가 유출되는 유출구와, 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구가 형성된 하우징; 및 상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유를 수용하는 다수의 나피온 튜브를 연결하되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징의 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an inlet for the dry reaction gas supplied to the fuel cell stack, an outlet for outflow of the gas containing water after the reaction, and the water discharged from the fuel cell A housing including a sub inlet through which unreacted gas flows in and a sub outlet through which residual gas is reacted out; And a Nafion tube bundle that is connected to a plurality of Nafion tubes containing thousands of hollow fibers through which the reaction gas passes through to exchange moisture, and is housed inside the housing in a spiral shape wound from one side in turn. A Nafion membrane humidifier for a fuel cell is provided.

상기 나피온 튜브 번들은 양 단부가 외측으로 볼록한 형상을 갖도록 가공되는 것이 바람직하다.The Nafion tube bundle is preferably processed so that both ends have a convex shape to the outside.

이하에서는 자동차용 연료전지에 사용하는 나피온 막 가습기를 본 발명의 일 실시예로 하고 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 또한 종래 기술과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하여 설명하고 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, a Nafion membrane humidifier used in an automobile fuel cell will be described in detail with reference to the accompanying drawings as an embodiment of the present invention. In addition, the same components as in the prior art will be described using the same reference numerals and redundant descriptions will be omitted.

첨부된 도 4는 본 발명의 나피온 튜브 번들을 감는 방법을 도시한 측면도이고, 도 5는 본 발명의 나피온 막 가습기와 종래의 나피온 막 가습기를 비교한 측단면도이다.4 is a side view illustrating a method of winding the Nafion tube bundle of the present invention, and FIG. 5 is a side cross-sectional view comparing the Nafion membrane humidifier of the present invention and a conventional Nafion membrane humidifier.

본 발명의 나피온 막 가습기(100)는 연료전지 스택(3)과 공기 블로워(5) 사이에 설치된다(도 1 참조)되며, 하우징(10)과 하우징(10) 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들(110)로 구성된다.The Nafion membrane humidifier 100 of the present invention is installed between the fuel cell stack 3 and the air blower 5 (see FIG. 1), and the Nafion tube housed inside the housing 10 and the housing 10. It consists of a bundle 110.

대기중의 건조한 공기가 공기 블로워(5)를 통해 나피온 막 가습기(100)의 내부로 유입되고, 연료전지 스택(3)으로부터 배출된 미반응 가스 역시 나피온 막 가 습기(100)로 공급된다. Dry air in the atmosphere is introduced into the Nafion membrane humidifier 100 through the air blower 5, and the unreacted gas discharged from the fuel cell stack 3 is also supplied to the moisture 100. .

이때, 다수의 나피온 튜브(112)에는 약 10,000 가닥의 중공 섬유가 분할 삽입된다(자동차용 연료전지 가습을 위해서 일반적으로 사용되는 분량). 연료전지 스택(3)에서 고온으로 배출되는 미반응 가스 중의 수분과 열이 나피온 재질로 만들어진 나피온 튜브(112)의 표면을 통해 외부에서 공급되는 건조한 공기와 반응하여 건조 공기에 수분을 공급함으로써 연료전지의 가습과 온도 유지에 재이용된다.In this case, about 10,000 strands of hollow fibers are dividedly inserted into the plurality of Nafion tubes 112 (a quantity generally used for fuel cell humidification for automobiles). Moisture and heat in the unreacted gas discharged at a high temperature from the fuel cell stack 3 react with dry air supplied from the outside through the surface of the Nafion tube 112 made of Nafion to supply moisture to the dry air. It is reused to humidify and maintain the temperature of fuel cells.

도 4에 도시된 바와 같이, 나피온 튜브 번들(110)은 수천 개의 중공 섬유를 수용한 다수의 나피온 튜브(112)가 연결된 뭉치를 펼쳐 놓고, 일측으로부터 차례로 감으면서 접착제를 이용해 소용돌이(swirl) 모양으로 고정함으로써 만들어진다. As shown in FIG. 4, the Nafion tube bundle 110 unfolds a bundle in which a plurality of Nafion tubes 112 containing thousands of hollow fibers are connected, and is swirled using an adhesive while winding from one side in turn. It is made by fixing in shape.

나피온 튜브 번들(110)을 소용돌이 모양으로 감으면 종래의 나피온 튜브 다발을 양측에서부터 감아서 만든 나피온 막(20)에 비해 공기 블로워(5)를 통해 공급되는 건조 공기가 나피온 막 가습기(100) 내부에서 잔류하는 시간이 늘어나게 된다. When the Nafion tube bundle 110 is wound in a spiral shape, the dry air supplied through the air blower 5 is compared to the Nafion membrane 20 made by winding a conventional Nafion tube bundle from both sides. 100) The time remaining inside is increased.

잔류 시간이 늘어나면서 건조 공기와 연료전지 스택(3)으로부터 배출된 미반응 가스 내의 수분이 반응하는 양이 늘어나게 되고, 이는 가습할 수 있는 막의 면적을 늘린 것과 같은 효과를 가져온다. 따라서 보다 많은 가습 양을 확보할 수 있어 가습 효율이 향상된다.As the residence time increases, the amount of reaction between the dry air and the unreacted gas discharged from the fuel cell stack 3 increases, which has the same effect as increasing the area of the membrane that can be humidified. Therefore, a larger amount of humidification can be ensured, and the humidification efficiency is improved.

또한, 매우 빠른 속도의 건조 공기가 가습기 내부를 단순히 통과할 때와는 다르게 소용돌이 모양을 따라 수차례 돌아서 나가기 때문에 연료전지 스택(3)에서 배출된 반응 생성수를 포함한 습한 공기나 가습기 내부 구조에 크게 영향을 받지 않고 반응할 수 있게 된다. 따라서 나피온 막 가습기(100)의 강건 설계 측면에서도 보다 쉽게 내구성을 보완하여 나피온 튜브 번들(110)을 고정할 수 있는 구조로 고안해 나갈 수 있게 된다.In addition, the very high speed of the dry air is rotated several times along the vortex, unlike simply passing through the inside of the humidifier, so that the humid air or humidifier internal structure including the reaction product discharged from the fuel cell stack (3) is greatly increased. You can react without being affected. Therefore, in terms of the robust design of the Nafion membrane humidifier 100, it is possible to devise a structure capable of fixing the Nafion tube bundle 110 by easily supplementing durability.

도 5에 도시된 바와 같이, 나피온 튜브 번들(110)이 만들어지면 중공 섬유가 노출되는 양단부를 외측으로 볼록한 모양을 갖도록 가공한다. As shown in FIG. 5, when the Nafion tube bundle 110 is made, both ends of the hollow fiber exposed are processed to have a convex shape to the outside.

자동차와 같은 고출력의 연료전시 시스템을 운전할 때는 4,000~6,000slpm(온도 20℃, 대기압 14.7psi에서 측정한 유량(liter/minute))의 많은 양의 공기가 빠른 속도로 가습기 안으로 유입된다. When operating a high power fuel display system such as a car, a large amount of air flows into the humidifier at high speeds of 4,000 to 6,000 slps (liter / minute measured at 20 ° C and 14.7 psi at atmospheric pressure).

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 평편한 단부를 갖는 나피온 막(20)을 사용하면 나피온 막 가습기(100)의 내부에서 가습의 역할을 하지 못하는 영역(dead zone, A)이 발생하게 된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 유입구(12)의 너비만큼의 영역(종래 형상의 점선 부분)만 가습에 사용되므로 가습 효율이 저하된다.Therefore, as shown in FIG. 3, when the Nafion membrane 20 having a conventional flat end is used, a dead zone A that does not play a role of humidification occurs in the Nafion membrane humidifier 100. Done. That is, as shown in Fig. 5, since only the area (the conventional dotted line portion) of the width of the inlet 12 is used for humidification, the humidification efficiency is lowered.

그러나 나피온 튜브 번들(110)의 양단부가 도 5와 같이 부분 호 형상으로 볼록하게 형성되면 하우징(10) 내부로 공기의 유입된 후 단면을 따라 확산되므로 종래보다 넓은 면적(본 발명 형상의 점선 부분)이 반응에 사용될 수 있다.However, if both ends of the Nafion tube bundle 110 are convexly formed in a partial arc shape as shown in FIG. ) Can be used for the reaction.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.On the other hand, the present invention will be practiced by those of ordinary skill in the art without departing from the spirit of the invention.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 나피온 막 가습기는 나피온 튜브 번들이 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the Nafion membrane humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention may improve the humidification efficiency without additional configuration by increasing the internal residence time of the humidifier by drying the Nafion tube bundle to have a swirl structure. Can be.

또한, 나피온 튜브의 양단부를 둥글게 가공하여 건조 공기와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 가습 효율을 향상시키는 장점이 있다.In addition, by processing both ends of the Nafion tube rounded, there is an advantage to improve the humidification efficiency by increasing the contact area with the dry air.

Claims (2)

연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 상기 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 상기 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징; 및An inlet 12 through which the dry reaction gas supplied to the fuel cell stack 3 is introduced, an outlet 14 for supplying a gas containing moisture to the fuel cell stack 3 after the reaction, and the fuel cell stack A housing including a sub inlet 16 through which unreacted gas containing moisture discharged from (3) flows and a sub outlet 18 through which the remaining reaction gas flows out; And 상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유(114)를 수용하는 다수의 나피온 튜브(112)로 연결 형성되되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징(10)의 내부에 수납되며, 양 단부가 외측으로 볼록한 형상을 갖도록 가공된 나피온 튜브 번들(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기.The reaction gas is connected to a plurality of Nafion tube 112 to accommodate the thousands of hollow fibers 114 through which water exchange is made, and the inside of the housing 10 in a vortex shape wound in turn from one side A Nafion membrane humidifier for a fuel cell, characterized in that it comprises a Nafion tube bundle (110) housed in, and processed at both ends to have an outwardly convex shape. 삭제delete
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