KR101278398B1 - 중공사막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내습열성 및 친수성이 모두 우수할 뿐만 아니라 저가로 제조될 수 있는 중공사막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 중공사막은 중앙에 중공부가 형성된 튜브형 제1 친수성 고분자 필름; 및 상기 튜브형 제1 친수성 고분자 필름의 내표면에 코팅된 제2 친수성 고분자 필름을 포함하고, 본 발명의 중공사막의 제조방법은, 제1 친수성 고분자 물질을 이용하여 중간(intermediate) 중공사막을 제조하는 단계; 상기 중간 중공사막을 집수관이 형성된 헤더(header)에 포팅(potting)함으로써 중간 중공사막 모듈을 제조하는 단계; 및 상기 중간 중공사막의 내표면에 제2 친수성 고분자 필름을 코팅하는 단계를 포함한다.
연료전지, 가습기, 중공사막

Description

중공사막 및 그 제조방법{Hollow Fiber Membrane and Method for Manufacturing The Same}
본 발명은 중공사막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내습열성 및 친수성이 모두 우수할 뿐만 아니라 저가로 제조될 수 있는 중공사막 및 그 제조방법에 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 2배가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte 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) 내압용기에 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 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 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 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
한편, 연료전지, 특히 수송 시스템에 사용되는 연료전지의 경우에는, 장시간에 걸쳐 작동 가능한 내구성이 요구된다. 따라서, 가습기용 중공사막에 대해서도 고온 고습한 환경 하에서 장시간 열화되지 않는 내습열성이 요구된다. 이와 동시에, 가습기용 중공사막은 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시켜야 하므로, 수증기를 잘 투과시키기 위해 우수한 친수성을 가져야 하며 수증기 외의 다른 물질은 투과시키지 않는 우수한 크로스오버(crossover) 방지 특성도 가져야 한다. 그러나, 내습열성과 친수성은 상호 병행될 수 없는 서로 배타적인 특성이기 때문에 내습열성을 만족하는 중공사막은 친수성이 낮아 만족할만한 가습 성능을 나타내지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 높은 친수성으로 인해 우수한 가습 성능을 나타내는 중공사막은 내습열성이 낮아 가습기를 장시간의 작동시켜야 하는 상황에는 부적합하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내습열성 및 친수성이 모두 우수한 중공사막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 친수성 및 크로스오버(crossover) 방지 특성이 우수하면서도 저가로 제조될 수 있는 중공사막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내구성 및 가습 성능이 우수하고 저가로 제조될 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명의 중공사막은, 중앙에 중공부가 형성된 튜브형 제1 친수성 고분자 필름; 및 상기 튜브형 제1 친수성 고분자 필름의 내표면에 코팅된 제2 친수성 고분자 필름을 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명의 중공사막의 제조방법은, 제1 친수성 고분자 물질을 이용하여 중간(intermediate) 중공사막을 제조하는 단계; 상기 중간 중공사막을 집수관이 형성된 헤더(header)에 포팅(potting)함으로써 중간 중공사막 모듈을 제조하는 단계; 및 상기 중간 중공사막의 내표면에 제2 친수성 고분자 필름을 코팅하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면으로서, 본 발명 의 연료전지용 가습기는, 연료전지로 공급되는 반응가스가 유입되는 제1 유입구, 및 상기 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제2 유입구가 각각 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 제1 유입구를 통해 유입되는 상기 반응가스의 이동 경로를 제공하고, 상기 제2 유입구를 통해 유입되는 상기 수분 함유 미반응 가스 중 수분만을 상기 이동 경로로 선택적으로 투과시키기 위한 것으로서, 제1 및 제2 친수성 고분자 필름을 포함하는 중공사막을 포함한다.
본 발명의 중공사막 및 그 제조방법에 의하면 내습열성, 친수성, 및 수분에 대한 선택적 투과성이 모두 우수한 중공사막을 제공할 수 있고, 결과적으로 내구성 및 가습 성능을 동시에 극대화한 연료전지용 가습기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 중공사막 및 그 제조방법에 의하면 친수성 및 크로스오버(crossover) 방지 특성이 우수한 중공사막을 저가로 제공할 수 있으며, 그 결과 가습 성능이 탁월한 연료전지용 가습기를 저가로 제공할 수 있는 효과도 갖는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 중공사막 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기(100)는 중공사막(120) 다발을 내장하는 하우징(110)을 포함한다. 하우징(110) 의 일측에는 연료전지(미도시)로 공급될 반응가스가 유입되는 제1 유입구(111a)가 형성되어 있고, 하우징(110)의 타측에는 반응가스를 연료전지로 공급하기 위한 제1 배출구(112a)가 형성되어 있다.
중공사막(120) 다발의 양 말단 부분은 하우징(110)의 양측에 각각 접착제(130)로 고정되어 있다. 접착제(130)는 제1 유입구(111a) 및 제1 배출구(112a)와 하우징(110)의 중앙부 사이의 공기의 흐름을 각각 차단한다. 한편, 중공사막(120) 다발의 양 말단부들은 오픈(open)되어 있으므로 상기 중공사막(120) 다발의 중공부(123)들은 상기 제1 유입구(111a) 및 제1 배출구(112a)에 각각 연통되어 있다. 따라서, 제1 유입구(111a)를 통해 유입된 반응가스는 중공사막(120)의 중공부(123)만을 통해 제1 배출구(112a)가 형성되어 있는 하우징(110)의 타측으로 이동할 수 있다.
한편, 상기 하우징(110)의 중앙부에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제2 유입구(111b) 및 상기 제2 유입구(111b)를 통해 하우징(110)의 중앙부로 유입된 미반응 가스를 배출하기 위한 제2 배출구(112b)가 각각 형성되어 있다.
위와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
연료전지로 공급될 반응가스가 제1 유입구(111a)를 통해 유입되는 것과 동시에 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 제2 유입구(111b)를 통해 하우징(110) 중앙부의 내부로 유입된다. 제1 유입구(111a)를 통해 유입된 반응가스는 중공사막(120) 다발의 중공부(123)들을 통해 제1 배출구(112a) 측으로 이동한다.
제1 유입구(111a)를 통해 유입된 반응가스는 건조한 상태인 반면, 제2 유입구(111b)를 통해 하우징(110)의 중앙부로 유입된 미반응 가스는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(120) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(120) 내외의 습도 차이로 인해 미반응 가스의 수분이 중공사막(120)을 통해 그 중공부(123)로 선택적으로 투과하게 되고, 중공사막(120)의 중공부(123)를 따라 제1 배출구(112a) 측으로 이동하는 반응가스의 습도가 높아지게 된다. 반면, 제2 유입구(111b)를 통해 하우징(110)의 중앙부로 유입된 연료전지로부터의 미반응 가스는 수분을 상실하게 되어 점차적으로 건조하게 되며, 이렇게 건조된 미반응 가스는 제2 배출구(112b)를 통해 밖으로 배출된다. 결과적으로, 위와 같은 본 발명의 가습기 작동에 의해, 가습기(100)에 유입되는 원래의 반응가스보다 높은 습도를 갖는 반응가스를 연료전지로 공급할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제2 유입구(111b)는 제1 배출구(112a)와 인접한 부분에 형성되고, 상기 제2 배출구(112b)는 제1 유입구(111a)와 인접한 부분에 형성되는 것이 바람직한데, 이는 하우징(110)의 내부에 위치하는 중공사막 중공부(123) 전체 부분에 걸쳐 미반응 가스에 함유된 수분을 충분히 투과시키기 위함이다. 즉, 제1 유입구(111a)로부터 제1 배출구(112a)로 이동하는 반응가스의 경우 제1 유입구(111a) 측에서는 그 습도가 낮으나 중공사막(120)을 통해 미반응 가스로부터 수분이 지속적으로 공급되기 때문에 제1 배출구(112a) 측으로 갈수록 그 습도가 증가하게 된다. 따라서, 제1 유입구(111a) 측에 위치하는 중공사막(120) 부분에 는 상대적으로 낮은 습도의 미반응 가스가 접촉하고, 제1 배출구(112a) 측에 위치하는 중공사막(120) 부분에는 상대적으로 높은 습도의 미반응 가스가 접촉하도록 함으로써 중공사막(120) 전체 부분에 걸쳐 균일한 수분 투과를 달성할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막(120)은 중앙에 중공부가 형성된 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121), 및 상기 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121)의 내표면에 코팅된 제2 친수성 고분자 필름(122)을 포함한다.
한편, 내습열성과 친수성은 상호 병행될 수 없는 서로 배타적인 특성이기 때문에 하나의 친수성 고분자 필름만으로는 가습기의 내구성 및 가습성능을 동시에 만족시킬 수 없다. 즉, 내습열성을 만족하는 고분자 필름은 그 친수성이 상대적으로 낮아 만족할만한 가습 성능을 나타내지 못하는 문제점이 있고, 반대로, 높은 친수성으로 인해 우수한 가습 성능을 나타내는 고분자 필름은 내습열성이 낮아 가습기를 장시간의 작동시켜야 하는 상황에는 부적합하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 친수성 고분자 필름(121, 122)은 서로 다른 내습열성 및 친수성을 갖는 서로 다른 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 중공사막에 따르면, 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121)이 그 내표면에 코팅된 제2 친수성 고분자 필름(122)에 비해 내습열성이 상대적으로 우수한 반면, 제2 친수성 고분자 필름(122)은 제1 친수성 고분자 필 름(121)보다 친수성 및 수분에 대한 선택적 투과성(또는 crossover 방지 특성)이 상대적으로 우수하다. 중공사막 전체의 친수성 및 선택적 투과성은 상대적으로 우수한 친수성 및 선택적 투과성을 갖는 고분자 필름이 중공사막의 외피 및 내피 중 어디에 위치하는 지에 크게 영향을 받지 않으나, 중공사막 전체의 내습열성을 향상시키기 위해서는 상대적으로 우수한 내습열성을 갖는 고분자 필름이 중공사막의 외피에 위치하는 것이 보다 유리하기 때문이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 친수성 고분자 필름(121)은 폴리에테르이미드(polyetherimide: PEI)으로 형성되며, 제2 친수성 고분자 필름(123)은 퍼플루오르화 술폰산 공중합체(perfluorinated sulfonic acid copolymer: 예를 들면, Dupont사의 NAFIONTM)으로 형성되지만, 본 발명의 친수성 고분자 필름은 이들에 국한되지 않으며, 친수성을 가진 고분자 필름이라면 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 제1 친수성 고분자 필름(121)은 폴리에테르이미드(Polyetherimide: PEI), 폴리이미드(Polyimide: PI), 폴리아미드이미드(Polyamideimide: PAI), 폴리설폰(Polysulfone), 또는 폴리에테르설폰(Polyethersulfone)으로 형성될 수 있으며, 상기 제2 친수성 고분자 필름(122)은 퍼플루오르화 술폰산 공중합체(perfluorinated sulfonic acid copolymer), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol: PVA), 또는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile: PAN)로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따라 제2 친수성 고분자 필름(122)의 제조에 사 용되는 퍼플루오르화 술폰산 공중합체는 그 친수성 및 크로스오버(crossover) 방지 특성이 매우 높아 가습기용 중공사막의 물질로서 선호되고 있으나 그 제조공정의 어려움으로 인해 그 단가가 매우 비싼 편이라는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막은 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121)으로는 상대적으로 단가가 저렴한 폴리에테르이미드를 사용하고, 상기 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121)의 내표면에 코팅되는 제2 친수성 고분자 필름(122)으로서 퍼플루오르화 술폰산 공중합체를 소량 사용함으로써 전체 생산 단가를 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 제1 친수성 고분자 물질을 이용하여 중간(intermediate) 중공사막을 제조한다(S100). 이와 같은 중간 중공사막의 제조는 통상적인 중공사막의 제조방법 그 어느 것이라도 사용할 수 있는데, 예를 들어, 폴리에테르이미드 등의 친수성 고분자 물질, 유기용매 및 첨가제로 구성된 방사도프와 글리콜류 화합물 또는 유기용매 및 물을 함유하는 용액으로 구성된 내부 응고액을 이중 관형 노즐을 통하여 공기 중으로 토출한 후 외부 응고액이 있는 응고조에 침지시켜 고화하고, 이를 세정, 건조 및 권취하여 중간 중공사막을 제조한다.
이어서, 상기 S100 단계의 반복 수행에 의해 얻어진 다수 개의 중간 중공사막 다발을 집수관이 형성된 헤더(header)에 포팅(potting)함으로써 중간 중공사막 모듈을 제조한다(S200). 상기 헤더는 가습기의 하우징(110)을 포함한다.
이렇게 얻어진 중간 중공사막 모듈을 통해 제2 친수성 고분자 용액을 펌프를 이용하여 순환시킨다(S300). 제2 친수성 고분자 용액이 중간 중공사막의 중공부 전체를 흐르게 된 후 제2 친수성 고분자 용액의 순환을 정지시킨다. 이어서, 중간 중공사막의 내표면에 잔류하는 제2 친수성 고분자 용액을 건조시킴으로써 제2 친수성 고분자 필름(122)을 튜브형 제1 친수성 고분자 필름(121)의 내표면에 형성시킨다(S400).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막의 단면을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
100 : 연료전지용 가습기 110 : 하우징
111a : 제1 유입구 111b : 제2 유입구
112a : 제1 배출구 112b : 제2 배출구
120 : 중공사막 121 : 제1 친수성 고분자 필름
122 : 제2 친수성 고분자 필름 123 : 중공부
130 : 접착제

Claims (16)

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  8. 연료전지용 가습기를 위한 중공사막의 제조방법에 있어서,
    상기 연료전지용 가습기는,
    연료전지로 공급될 반응가스가 유입되는 제1 유입구, 및 상기 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제2 유입구가 각각 형성된 하우징; 및
    상기 하우징 내부에 설치되는 중공사막을 포함하고,
    상기 중공사막의 중공부는 상기 제1 유입구를 통해 유입되는 상기 반응가스의 이동 경로를 제공하고,
    상기 중공사막은 상기 제2 유입구를 통해 유입되는 상기 수분 함유 미반응 가스 중 수분만을 상기 이동 경로로 선택적으로 투과시키며,
    상기 중공사막의 제조방법은,
    제1 친수성 고분자 물질을 이용하여 중간(intermediate) 중공사막을 제조하는 단계;
    상기 중간 중공사막을 집수관이 형성된 헤더(header)에 포팅(potting)함으로써 중간 중공사막 모듈을 제조하는 단계;
    상기 중간 중공사막의 중공부를 통해 제2 친수성 고분자 물질을 포함하는 용액을 순환시키는 단계; 및
    상기 중간 중공사막의 중공부 내에 잔류하는 상기 용액을 건조시키는 단계를 포함하며,
    상기 제2 친수성 고분자 물질은 퍼플루오르화 술폰산 공중합체이고,
    상기 제1 친수성 고분자 물질은 상기 퍼플루오르화 술폰산 공중합체에 비해 더 높은 내습열성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기를 위한 중공사막의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 친수성 고분자 물질은 폴리에테르이미드인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기를 위한 중공사막의 제조방법.
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