KR101364354B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가습기 내에 구비된 모든 중공사막들에 균일하게 가습함으로써 연료전지에 제공될 반응가스와 상기 습기가 접촉하는 면적을 최대화함에 따라 우수한 가습 성능을 가지고 유지 및 보수 비용이 획기적으로 절감될 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 가습기는, 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하는 제 2 말단부를 포함하며, 상기 제 2 말단부의 외측면에 다수의 홀이 형성된 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 및 상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착되고, 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 유입구를 가지며, 상기 유입구로부터 공급된 수분 함유 미반응 가스가 상기 막 하우징의 다수의 홀들에 고르게 분배되도록 내부벽면에 도출부가 형성된 캡을 포함한다.

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for fuel cell}
본 발명은 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 2배 정도 효율이 높다. 또한, 소소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료전지는 환경친화적일 뿐만 아니라 화석 연료 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비해 저온에서 작동할 수 있고 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 이용가능하다.
고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 주요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체의 고분자 전해질막에 소정의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 이는, 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식이 있다.
가습 막 방식은 미반응 가스 중에 포함된 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 미반응 가스 중의 수증기를 고분자 전해질 막에 제공하는 방식으로서, 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 이점이 있다.
이러한, 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 작은 부피로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점이 있다.
도 1 및 도 6은 종래 연료전지용 가습기(100, 300)를 나타낸 것인데, 도 1은 튜브형 가습기(100)이고, 도 6은 사각기둥형 가습기(300)를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 연료전지용 가습기(100, 300)는 중공사막(120, 320) 다발을 내장하는 막 하우징(110, 310)을 포함한다. 이러한 막 하우징(110, 310) 일측에는 가습되어 연료전지(미도시)로 공급될 반응가스가 유입되는 제 1 유입구(141, 341)가 형성되어 있고, 막 하우징(110, 310)의 타측에는 가습된 반응가스를 연료전지로 공급하기 위한 제 2 배출구(152, 352)가 형성되어 있다. 이러한 막 하우징(110, 310)의 일측에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제 2 유입구(151, 351)를 갖는 제 2 캡(150, 350)이 형성되어 있고, 막 하우징(110, 310)의 타측에는 상기 제 2 유입구(151, 351)를 통해 막 하우징(110, 310) 내로 유입된 상기 미반응 가스를 배출하기 위한 제 1 배출구(142, 342)를 갖는 제 1 캡(140, 340)이 형성되어 있다. 한편, 제 2 유입구(151, 351)를 갖는 제 2 캡(150, 350)이 부착된 막 하우징(110, 310)의 외측면에는 다수의 제 2 홀(112, 312)이 형성되어 있다.
위와 같은 구조를 갖는 연료전지용 가습기(100, 300)의 경우, 제 2 유입구(151, 351)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스는 중공사막(120, 320) 다발 전체로 균일하게 분산되지 않는다는 문제가 있다. 즉, 유입되는 수분 함유 미반응 가스의 대부분이 그 직진성을 유지하기 때문에 다수의 제 2 홀(112, 312)들 중 상기 제 2 유입구(151, 351)에 비교적 근접한 홀에만 집중적으로 흐르게 된다. 그 결과, 수분 함유 미반응 가스와 접촉된 중공사막들의 중공을 흐르는 반응가스에만 수분을 제공하게 되고, 나머지 중공사막들의 중공을 흐르는 반응가스에는 수분을 제공하지 못하게 된다. 따라서, 이와 같은 나머지 중공사막들은 가습에 기여하는 정도가 미미하게 되고, 그 결과 가습기(100, 300)의 가습 성능 저하를 가져온다.
특히, 도 7에 나타낸 바와 같이, 튜브형 가습기(100)와 달리 사각기둥형 가습기(300)는 충돌할 수 있는 방해물이 거의 없기 때문에, 제 2 유입구(351)를 통해 유입된 미반응 가스의 대부분이 직진성을 유지하게 되고, 이로 인해 제 2 유입구(351)에 비교적 근접한 중공사막에 더 집중적으로 접촉한다. 그 결과, 사각기둥형 가습기(300)의 가습 성능은 더욱 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 종래의 문제점들을 해결할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다. 본 발명의 이점은 가습기 내에 구비된 모든 중공사막들에서 수행되는 가습 정도를 균일하게 함으로써 연료전지에 제공될 반응가스와 접촉하는 전체 중공사막의 면적을 최대화함에 따라 우수한 가습 성능을 나타낼 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은, 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명의 연료전지용 가습기는, 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하는 제 2 말단부를 포함하며, 상기 제 2 말단부의 외측면에 다수의 홀이 형성된 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 및 상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착되고, 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 유입구를 가지며, 상기 유입구로부터 공급된 수분 함유 미반응 가스가 상기 막 하우징의 다수의 홀들에 고르게 분배되도록 내부벽면에 도출부가 형성된 캡을 포함한다.
본 발명의 연료전지용 가습기에 의하면, 유입되는 수분 함유 미반응 가스가 가습기 내에 구비된 모든 중공사막에 균일하게 전달되기 때문에 가습기 내의 중공사막들을 통과하는 모든 반응가스가 균등하게 가습될 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 가습기는 향상된 가습 성능을 나타내게 된다.
또한, 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기 내의 막들에 균등하게 제공됨으로써 중공사막의 오염의 편중 현상을 방지하고, 결과적으로 중공사막의 교체주기를 연장하는 효과를 나타낸다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 튜브형 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지용 가습기의 단면도 및 개략도이다.
도 6 및 7은 종래기술에 따른 사각기둥형 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 사각기둥형 연료전지용 가습기의 단면도 및 개략도이다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변형을 모두 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 가습기(200)의 단면도 및 개략도이다.
튜브형 가습기(200)는 양 말단이 개방된 튜브형 막 하우징(210)을 포함한다. 상기 막 하우징(210)은 제 1 말단부와 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하는 제 2 말단부를 포함한다. 상기 제 1 말단부의 원주면에는 다수의 제 1 홀(211)들이 형성되어 있고, 상기 제 2 말단부의 원주면에는 다수의 제 2 홀(212)들이 형성되어 있다. 상기 막 하우징(210) 내에 중공사막(220) 다발이 위치한다. 상기 중공사막(220)의 양 말단은 상기 막 하우징(210)의 상기 제 1 및 제 2 말단부에 각각 포팅제(230)에 의해 포팅되어 있다. 상기 중공사막(220)의 양 말단은 개방된 상태로 존재하기 때문에 막 하우징(210)의 외부의 유체가 중공사막의 중공을 관통하여 흐를 수 있다. 또한, 막 하우징(210)의 양 말단은 상기 포팅제(230)에 의해 채워져 있기 때문에, 막 하우징(210) 내부로의 유체 유입 및 배출은 상기 막 하우징(210)의 제 1 홀(211) 및 제 2 홀(212)들을 통해서만 이루어질 수 있다.
상기 막 하우징(210)의 제 1 말단부에는 제 1 캡(240)이 부착된다. 상기 제 1 캡(240)은 연료전지에 제공될 반응가스를 외부로부터 받기 위한 제 1 유입구(241)를 갖는다. 제 1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210)의 제 1 말단부 사이에는 실링부(260)가 위치하여 상기 제 1 유입구(241)를 통해 유입된 반응가스가 상기 다수의 제 1 홀(211)들을 통해 막 하우징(210) 내부로 흐르는 것을 차단한다. 즉, 제 1 캡(240)의 상기 제 1 유입구(241)가 상기 중공사막(220)의 중공에만 연통되어 있기 때문에 상기 제 1 유입구(241)를 통하여 유입된 반응가스는 오직 중공사막(220)의 중공으로만 흘러들어간다.
상기 막 하우징(210)의 제 2 말단부에는 제 2 캡(250)이 장착된다. 상기 제 2 캡(250)은 연료전지(미도시)로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제 2 유입구(251)를 갖는다. 상기 제 2 캡(250)의 내면과 상기 막 하우징(210)의 제 2 말단부 사이에는 실링부(260)가 설치되어 상기 제 2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스가 중공사막(220)의 중공으로 흐르는 것이 차단된다. 즉, 상기 제 2 캡(250)의 제 2 유입구(251)가 상기 다수의 제 2 홀(212)들에만 연통되기 때문에 상기 제 2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스는 다수의 제 2 홀(212)들을 통해서만 상기 막 하우징(210) 내부로 이동하게 된다. 제 2 홀(212)들을 통해 막 하우징(210) 내부로 흘러들어온 수분 함유 미반응 가스는 막을 통해 상기 중공사막(220)의 중공을 흐르는 반응가스에 수분을 제공한다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 튜브형 가습기(100)는 다수의 제 2 홀(112)들이 막 하우징(110)의 제 2 말단부의 원주면을 따라 형성되어 있기 때문에, 상기 제 2 유입구(151)와 근접된 제 2 홀(112)과 상기 제 2 유입구(151)와 멀리 위치된 제 2 홀(112)에 흐르는 수분 함유 미반응 가스의 양이 달라진다. 즉, 수분 함유 미반응 가스는 직진성을 나타내기 때문에 상기 제 2 유입구(151)와 근접된 제 2 홀(112)에는 상대적으로 다량의 수분 함유 미반응 가스가 흐르게 되고 상기 제 2 유입구(151)와 멀리 위치된 제 2 홀(112)에는 상대적으로 소량의 수분 함유 미반응 가스가 흐르게 된다. 그 결과, 상기 제 2 유입구(151)와 근접된 제 2 홀(112)은 하부에 위치된 중공사막(120)들의 중공을 흐르는 반응가스에는 수분이 다량 제공되고, 상기 제 2 유입구(151)와 먼 제 2 홀(112) 하부에 위치된 중공사막(120)들의 중공을 흐르는 반응가스에는 수분이 소량 제공된다. 즉, 상기 제 2 유입구(151)와 상대적으로 먼 거리에 위치된 중공사막(120)들의 중공을 흐르는 반응가스에는 거의 수분이 공급되지 않는다. 따라서, 상기 제 2 유입구(151)와 상대적으로 먼 거리에 위치된 중공사막(120)들은 반응가스의 가습에 기여하는 정도가 미미하게 되고, 이는 결국 가습기의 성능을 떨어뜨린다.
반면, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 가습기(200)는 막 하우징(210)의 제 2 말단부의 원주면을 따라 형성된 제 2 홀(212)들의 상부에 위치되어 있고 제 2 캡(250)의 내부벽면에 형성된 도출부(253)를 포함하고 있다. 상기 돌출부(253)는 제 2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스가 직선적으로 흐르는 것을 방지함에 따라 상기 미반응 가스가 막 하우징(210) 내의 중공사막(220)들 모두와 균일하게 접촉하게 한다. 따라서, 중공사막(220)들의 중공을 흐르는 모든 반응가스에 수분이 균일하게 제공될 수 있고, 결과적으로 가습기의 가습 성능이 향상하게 된다.
즉, 본 발명의 튜브형 가습기(200)의 단면도인 도 5를 참고하면, 제 2 유입구(251)를 통해 가습기 내로 유입된 수분 함유 미반응 가스는 제 2 캡(250)의 내부벽면에 형성된 도출부(253)에 부딪혀 직류에서 와류로 변함에 따라, 수분 함유 미반응 가스가 제 2 유입구(251)에 근접된 제 2 홀(212)에만 흐르는 것이 방지된다. 이러한 와류의 수분 함유 미반응 가스는 상기 제 2 캡(250)의 내부면 및 상기 막 하우징(210)의 외주면을 따라 먼 거리까지 분산하게 된다. 이러한 미반응 가스가 다수의 제 2 홀(212)들에 균일하게 분배됨에 따라 수분 함유 미반응 가스가 중공사막(220)들에 균일하게 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 튜브형 가습기(200)는 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 일부의 중공사막(220)들에만 오염이 편중되는 현상을 방지할 수 있어 가습기의 유지 및 보수 비용을 절감할 수 있다.
상기 도출부(253)의 형상은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 반원통, 반구, 꼭지점이 둥근 원뿔과 같은 굴곡진 형상이나, 다각뿔, 원뿔, 다각기둥, 다각구형과 같은 각진 형상 등을 예로 들 수 있으나, 와류를 용이하게 생성하고 흐름을 크게 방해하지 않는 굴곡진 형상과 같은 유선형이 더 바람직할 수 있다. 또한, 상기 도출부(253)는 제 2 홀(212)들의 상부에 위치됨으로써 미반응 가스의 편중현상을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 한편, 상기 도출부(253)는 적절한 개수로 제 2 캡(250)의 내부벽면에 형성될 수 있는데, 모든 제 2 홀(212)들에 고르게 수분 함유 미반응 가스가 흘러들어갈 수 있도록 상기 제 2 홀(212)들과 일대일 대응이 되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 2 유입구(251) 및 다수의 제 2 홀(212)들을 순차적으로 통과하여 막 하우징(210) 내부로 인입된 수분 함유 미반응 가스는 점차 수분을 상실함에 따라 건조된다. 이와 같이 건조된 미반응 가스는 제 1 캡(240)에 형성된 제 1 배출구(242)를 통해 외부로 배출된다.
즉, 막 하우징(210) 내의 건조된 미반응 가스는 다수의 제 1 홀(211)들을 통해 막 하우징(210) 외부로 배출된 후, 상기 제 1 배출구(242)를 통해 가습기의 외부로 배출된다. 실링부(260)가 상기 막 하우징(210) 외부로 배출된 미반응 가스의 제 1 유입구(241)로의 흐름을 차단하기 때문에 다수의 제 1 홀(211)들로부터 배출된 미반응 가스는 제 1 배출구(242)를 통해서만 가습기 외부로 배출된다.
한편, 제 1 유입구(241)를 통해 가습기 내로 인입된 반응 가스는 중공사막(220)의 중공을 따라 흐르면서 수분을 전달받아 습하게 된다. 제 2 캡(250)은 상기 가습된 반응 가스를 연료전지로 전달하기 위한 제 2 배출구(252)를 갖는다. 상기 제 2 배출구(252)는 중공사막(220)의 중공과 연통되어 있기 때문에 중공사막(220)의 중공으로부터 배출된 가습된 반응 가스는 상기 제 2 배출구(252)를 통해 연료전지로 공급된다.
즉, 제 2 캡(250)의 내면과 막 하우징(210) 사이에 위치하는 실링부(260)는 제 2 캡(250)의 내면과 막 하우징(210) 사이의 공간을 제 1 공간(S1) 및 제 2 공간(S2)으로 나눈다. 상기 제 1 공간간(S1)은 중공사막(220)의 중공과 제 2 배출구(252) 사이의 가스 유동 경로를 제공하고, 상기 제 2 공간(S2)은 상기 제 2 유입구(251)와 상기 다수의 제 2 홀(212)들 사이의 가스 유통 경로를 제공한다.
마찬가지로, 제 1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210) 사이에 위치하는 실링부(260)도 제 1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210) 사이의 공간을 2개로 나눔으로써, 제 1 유입구(241)와 중공사막(220)의 중공 사이의 가스 유동 경로 및 다수의 제 1 홀(211)들과 제 1 배출구(242) 사이의 가스 유동 경로를 각각 제공한다.
본 발명의 다른 실시예인, 상술한 튜브형 대신 다각기둥형 중 하나인 사각기둥형 가습기(400)에 대해 설명한다.
본 발명의 사각기둥형 가습기(400)는 튜브형 가습기(200)와 유사한 구성으로 이루어져 있다. 다만, 사각기둥형 가습기(400)는 튜브형 가습기(200)와는 달리 사각기둥형 막 하우징(410)과 상기 사각기둥형 막 하우징(410)과 대응하도록 사각기둥형 내부를 갖는 캡을 가지고 있다.
상기 사각기둥형 가습기(400)의 막 하우징(410)은 사각기둥형으로 되어 있기 때문에 상기 막 하우징(410) 내부에 다수의 중공사막(420) 다발들을 고밀도로 충진할 수 있고, 그 결과 중공사막(420)의 집적률을 높일 수 있다. 이에 따라 사각기둥형 가습기(400)는 튜브형 가습기(200)보다 대용량의 연료전지에 더 적합할 수 있다.
상기 막 하우징(410)은 내부에 중공사막(420) 다발을 나누는 격벽(미도시)이 설치될 수 있다. 이러한 격벽에 의해 막 하우징(410) 내부의 중고사막들이 다수의 중공사막(420) 다발로 나뉘면 습윤한 미반응 가스가 다발 내부의 중공사막(420)에 도달하는 시간이 짧아지기 때문에 가습기의 효율을 더 높일 수 있다.
이와 같이 가습기의 효율을 높이기 위해 격벽을 다수 개 설치할 수 있는데, 격벽이 지나치게 많이 막 하우징(410) 내부에 설치될 경우 중공사막(420)이 차지하는 면적이 줄어들어 가습기의 효율이 떨어질 수 있기 때문에 3 내지 7 개의 격벽이 막 하우징(410) 내부에 설치될 수 있다.
종래 사각기둥형 가습기(300)는, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 제 2 홀(312)들이 있는 막 하우징(310)의 상부 평면과 이와 마주하는 제 2 캡(350)의 내부벽면 사이에 사각 통로가 형성되어 있다. 이에 따라, 상기 제 2 유입구(351)로부터 유입된 수분 함유 미반응 가스는 상기 사각 통로를 통해 큰 저항 없이 직선적으로 흐르게 되고, 그 결과 상기 미반응 가스가 제 2 유입구(351)와 근접된 제 2 홀(312)에만 집중적으로 흐르게 된다. 특히, 미반응 가스가 상기 사각 통로를 따라 흐르는 종래 사각기둥형 가습기(300)는, 미반응 가스가 벽면과 부딪치면서 둥근 통로를 따라 흐르는 튜브형 가습기(100)보다 수분 함유 미반응 가스와 접촉하는 중공사막(320)과 접촉하지 못하는 중공사막(320)에 대한 편중 현상이 더욱 심해지게 된다.
하지만, 본 발명의 사각기둥형 가습기(400)는, 막 하우징(410)의 상부 측면에 형성된 제 2 홀(412)들과 대응되는 다수의 도출부(453)가 제 2 캡(450)의 내부벽면에 형성되어 있기 때문에 제 2 유입구(451)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스가 막 하우징(410) 내의 중공사막(420) 다발들 모두와 균일하게 접촉할 수 있게 된다.
즉, 도 9의 B′-B″라인을 따라 절단한 사각기둥형 가습기(400)의 단면도인 도 10을 참조하면, 제 2 유입구(451)를 통해 가습기 내로 유입된 수분 함유 미반응 가스는 막 하우징(410)의 제 2 홀(412)의 상부에 위치하고 제 2 캡(450)의 내부벽면에 형성된 도출부(453)에 부딪히게 된다. 이와 같이 도출부(453)에 부딪친 미반응 가스는 직류성을 상실하고 와류로 변하게 되고, 이에 따라 상기 제 2 유입구(451)로부터 먼 위치까지 흐르게 된다. 그 결과, 미반응 가스는 다수의 제 2 홀(412)들에 더욱 균일하게 배분될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 사각기둥형 가습기(400)는, 반응가스에 수분을 제공할 수분 함유 미반응 가스가 중공사막(420) 다발에 균일하게 제공될 수 있어 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 수분의 선택적 전달 기능을 하는 중공사막(420) 다발의 막 오염이 일부 중공사막(420)에 편중되는 현상을 방지할 수 있어 가습기의 유지 및 보수 비용을 절감할 수 있다.
도 3 내지 5 및 도 8 내지 10에 예시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기(200, 400)의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
연료전지로 공급될 반응가스가 제 1 유입구(241, 441)를 통해 가습기(200, 400)로 유입되는 것과 동시에, 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 제 2 유입구(251, 451) 및 다수의 제 2 홀(212, 412)들을 통해 막 하우징(210, 410) 내부로 유입된다. 제 1 유입구(241, 441)를 통해 유입된 반응가스는 중공사막(220, 420) 다발로 전달되며, 중공사막(220, 420)의 중공을 따라 제 2 배출구(252, 452) 쪽으로 이동한다.
제 1 유입구(241, 441)를 통해 유입된 반응가스는 건조한 상태인 반면, 제 2 유입구(251, 451) 및 다수의 제 2 홀(212, 412)들을 통해 막 하우징(210, 410) 내부로 유입된 미반응 가스는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(220, 420) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(220, 420) 내외의 습도 차이로 인해 미반응 가스의 수분이 중공사막(220, 420)을 통해 그 중공으로 선택적으로 투과하게 되고, 중공사막(220, 420)의 중공을 따라 제 2 배출구(252, 452) 쪽으로 이동하는 반응가스의 습도가 높아지게 된다.
반면, 제 2 유입구(251, 451) 및 다수의 제 2 홀(212, 412)들을 통해 막 하우징(210, 410) 내부로 유입된 연료전지로부터의 미반응 가스는 수분을 상실하게 되어 점차 건조되며, 이렇게 건조된 미반응 가스는 다수의 제 1 홀(211, 411)들 및 제 1 배출구(242, 442)를 순차적으로 통과하여 가습기 밖으로 배출된다.
결과적으로, 상술한 작동 원리에 의해, 원래의 반응가스보다 높은 습도를 갖는 반응가스를 연료전지에 공급할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에 공급될 반응가스를 받기 위한 제 1 유입구(241, 441) 및 연료전지로부터 제공되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 제 2 유입구(251, 451)가 서로 다른 캡에 형성된다. 이는 막 하우징(210, 410)의 내부에 위치하는 중공사막(220, 420)의 전체 부분에 걸쳐 미반응 가스에 함유된 수분을 충분히 투과시키기 위함이다. 즉, 제 1 유입구(241, 441)로부터 제 2 배출구(252, 452)로 이동하는 반응가스의 경우 제 1 유입구(241, 441) 측에서는 습도가 낮으나 중공사막(220, 420)을 통해 미반응 가스로부터 수분을 지속적으로 공급받기 때문에 제 2 배출구(252, 452) 측으로 갈수록 습도가 증가하게 된다. 따라서, 제 1 유입구(241, 441) 측에 위치하는 중공사막(220, 420) 부분에는 상대적으로 낮은 습도의 미반응 가스가 접촉하고, 제 2 배출구(252, 452) 측에 위치하는 중공사막(220, 420) 부분에는 상대적으로 높은 습도의 미반응 가스가 접촉하도록 함으로써 중공사막(220, 420) 전체 부분에 걸쳐 균일한 수분 투과를 달성할 수 있게 된다.
선택적으로, 연료전지에 공급될 반응가스 및 연료전지로부터 제공되는 미반응 가스를 받기 위한 유입구들을 동일한 캡에 형성할 수도 있다. 이 경우, 가습기의 반대 편에 장착되는 다른 캡에는 가습된 반응 가스 및 수분을 상실한 미반응 가스를 각각 배출하기 위한 배출구가 형성될 것이다.
본 발명의 연료전지형 가습기(200, 400)에 의하면, 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기 내의 중공사막(220, 420) 다발에 균등하게 제공됨으로써 막의 오염 현상이 어느 한 곳에 집중되지 않고 모든 막에 골고루 발생하게 되고, 결과적으로 막의 오염을 최대한 지연시켜 막의 교체 주기를 늘려 가습기의 유지 및 보수 비용을 절감하는 효과가 있다.
100,200,300,400 : 연료전지용 가습기 110,210,310,410 : 막 하우징
111,211,311,411 : 제 1 홀 112,212,312,412 : 제 2 홀
120,220,320,420 : 중공사막 130,230,330,430 : 포팅제
140,240,340,440 : 제 1 캡 150,250,350,450 : 제 2 캡
160,260,360,460 : 실링부 253,453 : 도출부

Claims (7)

  1. 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하는 제 2 말단부를 포함하며, 상기 제 2 말단부의 외측면에 다수의 홀이 형성된 막 하우징;
    상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 및
    상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착되고, 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 유입구를 가지며, 상기 유입구로부터 공급된 수분 함유 미반응 가스가 상기 막 하우징의 다수의 홀들에 고르게 분배되도록 내부벽면에 도출부가 형성된 캡을 포함하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도출부는 상기 막 하우징의 각 홀들과 상호 일대일 대응되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도출부는 상기 막 하우징의 각 홀들의 상부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 막 하우징은 튜브형 또는 다각기둥형인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다각기둥형 막 하우징은 내부에 격벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 다각기둥형 막 하우징은 사각기둥형 막 하우징인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캡은 상기 중공사막의 중공과 연통되는 배출구를 더 포함하고, 상기 중공사막의 중공으로부터 배출되는 가습된 반응 가스가 상기 배출구를 통해 상기 연료전지로 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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