KR101375447B1

KR101375447B1 - 연료전지용 가습기

Info

Publication number: KR101375447B1
Application number: KR1020090050329A
Authority: KR
Inventors: 김경주; 신용철; 이무석
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2014-03-17
Also published as: KR20100131631A

Abstract

본 발명은 가습기 내에 구비된 모든 막들에서 수행되는 가습 정도를 균등하게 하고 연료전지에 제공될 반응가스에 수분을 제공할 수분 함유 미반응 가스와 접촉하는 전체 막의 면적을 최대화함으로써 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라 유지/보수 비용이 획기적으로 절감된 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 본 발명의 연료전지용 가습기는, 제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하는 제2 말단부를 포함하며, 다수의 홀들이 상기 제2 말단부의 원주면(circumferential face)에 형성된 튜브형 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 상기 제1 및 제2 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 및 연료전지로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 유입구를 갖는 캡을 포함하며, 상기 유입구와 상기 다수의 홀들이 연통될 수 있는 방식으로 상기 캡이 상기 막 하우징의 상기 제2 말단부에 장착된다.

연료전지, 가습기

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for Fuel Cell}

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가습기 내에 구비된 모든 막들에서 수행되는 가습 정도를 균등하게 하고 연료전지에 제공될 반응가스에 수분을 제공할 수분 함유 미반응 가스와 접촉하는 전체 막의 면적을 최대화함으로써 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라 유지/보수 비용이 획기적으로 절감된 연료전지용 가습기에 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 친화적일뿐만 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 연료전지(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 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식이 있다.

가습 막 방식은 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 배기 가스 중의 수증기를 고분자 전해질 막에 제공하는 방식으로서, 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.

도 1은 연료전지용 가습기(100)를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료전지용 가습기(100)는 중공사막(120) 다발을 내장하는 하우징(110)을 포함한다. 하우징(110)의 일측에는 연료전지(미도시)로 공급될 반응가스, 즉 가습될 반응가스가 유입되는 제1 유입구(111a)가 형성되어 있고, 하우징(110)의 타측에는 가습된 반응가스를 연료전지로 공급하기 위한 제1 배출구(112a)가 형성되어 있다. 하우징(110)의 중앙부에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제2 유입구(111b) 및 상기 제2 유입구(111b)를 통해 하우징(110) 내로 유입된 상기 미반응 가스를 배출하기 위한 제2 배출구(112b)가 각각 형성되어 있다.

위와 같은 구조를 갖는 연료전지용 가습기(100)의 경우, 제2 유입구(111b)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스는 중공사막(120) 다발 전체로 균일하게 분사되지 않는다는 문제점이 있다. 즉, 유입되는 수분 함유 미반응 가스의 대부분이 그 직진성을 유지하기 때문에 중공사막(120) 다발 중 상기 제2 유입구(111b)에 비교적 근접하게 위치한 중공사막들과만 접촉을 한다. 그 결과, 이 중공사막들의 중공을 흐르는 반응가스에만 수분을 제공하게 되고, 나머지 다른 중공사막들의 중공을 흐르는 반응가스에는 적절한 수분을 제공하지 못하게 된다. 따라서, 주변부에 위치한 상기 나머지 중공사막들은 가습에 기여하는 정도가 미미하게 되고, 이는 결국 가습기의 가습 성능 저하를 야기한다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

본 발명의 이점은 가습기 내에 구비된 모든 막들에서 수행되는 가습 정도를 균등하게 하고 연료전지에 제공될 반응가스에 수분을 제공할 수분 함유 미반응 가스와 접촉하는 전체 막의 면적을 최대화함으로써 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라 유지/보수 비용이 획기적으로 절감된 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술될 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하는 제2 말단부를 포함하며, 다수의 홀들이 상기 제2 말단부의 원주면(circumferential face)에 형성된 튜브형 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 상기 제1 및 제2 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 및 연료전지로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가 스를 받기 위한 유입구를 갖는 캡을 포함하며, 상기 유입구와 상기 다수의 홀들이 연통될 수 있는 방식으로 상기 캡이 상기 막 하우징의 상기 제2 말단부에 장착된 연료전지용 가습기가 제공된다.

본 발명의 다른 측면으로, 제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하는 제2 말단부를 포함하며, 다수의 제1 홀들이 상기 제1 말단부의 원주면에 형성되어 있고, 다수의 제2 홀들이 상기 제2 말단부의 원주면에 형성된 튜브형 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 상기 제1 및 제2 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 외부로부터 반응가스를 받기 위한 제1 유입구를 갖는 제1 캡; 및 연료전지로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 제2 유입구를 갖는 제2 캡을 포함하며, 상기 제1 유입구와 상기 중공사막의 중공이 연통될 수 있는 방식으로 상기 제1 캡이 상기 막 하우징의 상기 제1 말단부에 장착되고, 상기 제2 유입구와 상기 다수의 제2 홀들이 연통될 수 있는 방식으로 상기 제2 캡이 상기 막 하우징의 상기 제2 말단부에 장착된 연료전지용 가습기가 제공된다.

위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 연료전지용 가습기에 의하면, 유입되는 수분 함유 미반응 가스가 가습기 내에 구비된 모든 막들에 균일하게 전달되기 때문에 가습기 내의 막들을 통과하는 모든 반응가스가 균등하게 가습될 수 있다. 즉, 연료전지에 제공될 반응 가 스에 수분을 제공하는 수분 함유 미반응 가스와 접촉하는 가습기 내의 막의 전체 면적을 최대화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 가습기는 향상된 가습 성능을 나타내게 된다.

또한, 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기 내의 막들에 균등하게 제공됨으로써 막의 오염 현상이 어느 한 곳에 집중되지 않고 모든 막에 골고루 발생하게 되고, 결과적으로 막의 오염을 최대한 지연시켜 막의 교체 주기를 늘리는 효과를 나타낸다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도 및 사시도이다.

연료전지용 가습기(200)는 양 말단이 개방된 튜브형 막 하우징(210)을 포함한다. 막 하우징(210)은 제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하는 제2 말단부를 포함한다. 상기 제1 말단부의 원주면에는 다수의 제1 홀들(211)이 형성되어 있고, 상기 제2 말단부의 원주면에는 다수의 제2 홀들(212)이 형성되어 있다.

상기 막 하우징(210) 내에 중공사막(220) 다발이 위치한다. 중공사막(210)의 양 말단은 상기 막 하우징(210)의 상기 제1 및 제2 말단부에 각각 포팅제(230)를 이용하여 포팅되어 있다. 중공사막(210)의 양 말단은 개방된 상태로 존재하기 때문에 막 하우징(210) 외부의 공기가 중공사막(220)의 중공을 관통하여 흐를 수 있다. 또한, 막 하우징(210)의 양 말단은 상기 포팅제(230)로 채워져 있기 때문에, 막 하우징(210) 내부로의 공기 유입 및 배출은 상기 막 하우징(210)의 제1 및 제2 홀들(211, 212)을 통해서만 이루어질 수 있다.

막 하우징(210)의 제1 말단부에는 제1 캡(240)이 장착된다. 상기 제1 캡(240)은 연료전지에 제공될 반응가스를 외부로부터 받기 위한 제1 유입구(241)를 갖는다. 제1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210)의 제1 말단부 사이에는 실링부(260)가 위치하여 상기 제1 유입구(241)를 통해 유입된 반응가스가 상기 다수의 제1 홀들(211)로 흐르는 것을 차단한다. 즉, 제1 캡(240)의 상기 제1 유입구(241)가 상기 중공사막(220)의 중공과만 연통되기 때문에, 상기 제1 유입구(241)를 통하여 유입된 반응가스는 오직 중공사막(220)의 중공으로만 흘러들어가게 된다.

막 하우징(210)의 제2 말단부에는 제2 캡(250)이 장착된다. 상기 제2 캡(250)은 연료전지(미도시)로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 제2 유입구(251)를 갖는다. 제2 캡(250)의 내면과 막 하우징(210)의 제2 말단부 사이에는 실링부(260)가 위치하여 상기 제2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스가 중공사막(220)의 중공으로 흐르는 것을 차단한다. 즉, 제2 캡(250)의 상기 제2 유입구(251)가 상기 다수의 제2 홀들(212)과만 연통되기 때문에, 상기 제 2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스는 오직 다수의 제2 홀들(212)을 통해서만 상기 막 하우징(210) 내부로 유동하게 된다. 제2 홀들(212)을 통해 막 하우징(210) 내부로 흘러들어온 수분 함유 미반응 가스는, 중공사막(220)의 중공을 따라 흐르고 있는 반응가스에 수분을 제공하게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다수의 제2 홀들(212)은 막 하우징(210)의 제2 말단부의 원주면을 따라 형성되어 있어, 제2 유입구(251)를 통해 유입된 수분 함유 미반응 가스가 막 하우징(210) 내의 중공사막(220) 다발들 모두와 균일하게 접촉할 수 있게 된다. 따라서, 중공사막(220) 다발 내의 모든 반응가스에 수분이 균등하게 제공될 수 있고, 결과적으로 가습기(200)의 가습 성능이 향상되게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 유입구(251)의 중심축에 비해 상기 다수의 제2 홀들(212)의 중심축들이 상기 막 하우징(210)의 제2 말단부에 포팅된 중공사막(220)의 말단에 더 근접하다.

즉, 도 2의 A-A' 라인을 따라 절단한 본 발명의 연료전지용 가습기의 단면도인 도 4 및 도 2의 B-B' 라인을 따라 절단한 본 발명의 연료전지용 가습기의 단면도인 도 5를 참조하면, 제2 유입구(251)를 통해 가습기(200) 내로 유입된 수분 함유 미반응 가스는 일단 막 하우징(210)의 외벽에 부딪혀 그 외주면을 따라 분산되게 된다. 이러한 분산으로 말미암아 미반응 가스는 다수의 제2 홀들(212)에 더욱 균일하게 배분될 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 가습기에 의하면, 반응 가스에 수분을 제공할 수분 함유 미반응 가스가 중공사막(220) 다발에 균일하게 제 공될 수 있어 우수한 가습 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 수분의 선택적 전달 기능을 하는 중공사막(220) 다발의 막 오염이 일부 중공사막(220)에만 집중되는 현상을 방지할 수 있어 가스빅(200)의 유지 및 보수 비용을 절감할 수 있다.

한편, 제2 유입구(251) 및 다수의 제2 홀들(212)을 순차적으로 통과하여 막 하우징(210) 내부로 인입된 수분 함유 미반응 가스는 점차적으로 수분을 상실하여 건조하게 된다. 본 발명의 제1 캡(240)은 이렇게 건조된 미반응 가스를 가습기(200) 밖으로 배출하기 위한 제1 배출구(242)를 갖는다.

더욱 구체적으로는, 막 하우징(210) 내의 건조된 미반응 가스는 다수의 제1 홀들(211)을 통해 막 하우징(210) 외부로 배출된 후, 상기 제1 배출구(242)를 통해서 가습기(200) 외부로 배출된다. 실링부(260)가 상기 막 하우징(210) 외부로 배출된 미반응 가스의 제1 유입구(241) 측으로의 흐름을 차단하기 때문에, 다수의 제1 홀들(211)로부터 배출된 미반응 가스는 제1 배출구(242)를 통해서만 가습기(200) 외부로 배출된다.

한편, 제1 유입구(241)를 통해 가습기(200) 내로 인입된 반응 가스는 중공사막(220)의 중공을 따라 흐르면서 수분을 전달받아 습하게 된다. 본 발명의 제2 캡(250)은 이렇게 가습된 반응 가스를 연료전지로 전달하기 위한 제2 배출구(252)를 갖는다. 상기 제2 배출구(252)는 중공사막(220)의 중공과 연통되어 있기 때문에, 중공사막(220)의 중공으로부터 배출된 가습된 반응 가스는 상기 제2 배출구(252)를 통해 연료전지로 공급된다.

즉, 제2 캡(250)의 내면과 막 하우징(210) 사이에 위치하는 실링부(260)는 제2 캡(250)의 내면과 막 하우징(210) 사이의 공간을 제1 공간(S1)및 제2 공간(S2)으로 나눈다. 상기 제1 공간(S1)은 중공사막(220)의 중공과 제2 배출구(252) 사이의 가스 유동 경로를 제공하고, 상기 제2 공간(S2)은 상기 제2 유입구(251)와 상기 다수의 제2 홀들(212) 사이의 가스 유동 경로를 제공한다.

마찬가지로, 제1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210) 사이에 위치하는 실링부(260)도 제1 캡(240)의 내면과 막 하우징(210) 사이의 공간을 2개로 나눔으로써, 제1 유입구(241)와 중공사막(220)의 중공 사이의 가스 유동 경로 및 다수의 제1 홀들(211)과 제1 배출구(242) 사이의 가스 유동 경로를 각각 제공한다.

도 2 및 도3에 예시된 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

연료전지로 공급될 반응가스가 제1 유입구(241)를 통해 가습기(200)로 유입되는 것과 동시에, 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 제2 유입구(251) 및 다수의 제2 홀들(212)을 통해 막 하우징(210) 내부로 유입된다. 제1 유입구(241)를 통해 유입된 반응가스는 중공사막(220) 다발로 전달되며, 중공사막(200)의 중공을 따라 제2 배출구(252) 측으로 유동한다.

제1 유입구(241)를 통해 유입된 반응가스는 건조한 상태인 반면, 제2 유입구(251) 및 다수의 제2 홀들(212)을 통해 막 하우징(210) 내부로 유입된 미반응 가스는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(220) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(220) 내외의 습도 차이로 인해 미반응 가스의 수분이 중공사막(220)을 통해 그 중공으로 선택적으로 투과하게 되고, 중공사막(220)의 중공을 따라 제2 배출구(252) 측으로 이동하는 반응가스의 습도가 높아지게 된다.

반면, 제2 유입구(251) 및 다수의 제2 홀들(212)을 통해 막 하우징(210) 내부로 유입된 연료전지로부터의 미반응 가스는 수분을 상실하게 되어 점차적으로 건조하게 되며, 이렇게 건조된 미반응 가스는 다수의 제1 홀들(211) 및 제1 배출구(242)을 순차적으로 통과하여 가습기(200) 밖으로 배출된다.

결과적으로, 위와 같은 본 발명의 가습기(200) 작동에 의해, 원래의 반응가스보다 높은 습도를 갖는 반응가스를 연료전지로 공급할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 연료전지에 공급될 반응가스를 받기 위한 제1 유입구(241) 및 연료전지로부터 제공되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 제2 유입구(251)가 서로 다른 캡에 형성된다. 이는 하우징(210)의 내부에 위치하는 중공사막(220)의 전체 부분에 걸쳐 미반응 가스에 함유된 수분을 충분히 투과시키기 위함이다. 즉, 제1 유입구(241)로부터 제2 배출구(252)로 이동하는 반응가스의 경우 제1 유입구(241) 측에서는 그 습도가 낮으나 중공사막(220)을 통해 미반응 가스로부터 수분을 지속적으로 공급 받기 때문에 제2 배출구(252) 측으로 갈수록 그 습도가 증가하게 된다. 따라서, 제1 유입구(241) 측에 위치하는 중공사막(220) 부분에는 상대적으로 낮은 습도의 미반응 가스가 접촉하고, 제2 배출구(252) 측에 위치하는 중공사막(220) 부분에는 상대적으로 높은 습도의 미반응 가스가 접촉하도록 함으로써 중공사막(220) 전체 부분에 걸쳐 균일한 수분 투과를 달성할 수 있게 된다.

선택적으로, 연료전지에 공급될 반응가스 및 연료전지로부터 제공되는 미 반응 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 배출구들이 형성될 것이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 가습기용 중공사막(220)은 친수성 고분자 막으로 제조된다. 가습기를 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 반응 가스가 가지고 있는 산소의 분압이 유지되어야 연료전지 성능이 저하되지 않기 때문에 고분자 막은 수분만을 선택적으로 투과시킬 수 있어야 한다. 가습기용 중공사막(220)에서 사용되는 친수성 고분자 막의 소재로서 대표적인 것은 Dupont사가 개발한 나피온(Nafion^TM)으로서 아래의 화학 구조를 갖는다.

<나피온의 화학 구조식>

그 밖에도 폴리설폰, 폴리페닐설폰, 폴리이써이미디, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 등의 단일막 또는 이들 중 2 이상이 혼합된 복합막이 연료전지용 가습막으로 이용될 수 있다.

나피온 막은 빠른 수분 전달 성능과 훌륭한 기체 장벽 효과를 가지고 있어 막 가습기 제조에 있어 선호되지만 가격이 고가라는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 저가형의 고성능 중공사막에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 예를 들어, 폴리이써이미드와 폴리페닐설폰 또는 폴리설폰과 폴리페닐설폰의 복합막은 그 비용이 저렴할 뿐만 아니라 나피온 막의 약 80% 정도의 성능을 나타낸다. 상기 복합막으로 최적의 설계를 할 경우에는 동일 부피 기준으로 나피온 막과 동일한 가습성능을 발휘하는 막 가습기를 제조할 수도 있다.

그러나, 치밀한 미세 구조를 갖는 나피온 막과는 달리, 폴리이써이미드, 폴리페닐설폰, 폴리설폰, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 등의 단일막 또는 이들 중 2 이상이 혼합된 복합막은 다공성 구조를 갖기 때문에 막 표면의 오염에 특히 취약하다.

즉, 치밀한 미세 구조를 갖는 나피온 막은 화학적 반응에 의해 수분을 선택적으로 투과시키기 때문에 막 오염의 영향이 상대적으로 작지만, 다공성 막은 물리적 반응에 의해 수분을 선택적으로 투과시키기 때문에 그 표면의 오염에 의해 기공이 막히게 되면 성능 저하의 정도가 나피온 막에 비해 심각하다. 따라서, 다공성 막이 채택된 막 가습기의 경우 시간의 경과에 따른 막 오염을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 만약 수분의 전이가 중공사막 다발 중 일부를 통해서만 이루어진다면 위와 같은 막 오염이 상기 일부 중공사막들에 집중될 것이고, 이는 결국 가습기의 교체 주기를 짧게 하여 유지 및 보수 비용의 증가를 야기하게 된다.

본 발명의 연료전지형 가습기에 의하면, 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기(200) 내의 중공사막(220) 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 가습기(200)의 유지 및 보수 비용을 절감하는 효과를 나타낸다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.

도 1은 연료전지용 가습기의 단면도이고,

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도 및 사시도이고,

도 4는 도 2의 A-A' 라인을 따라 절단한 본 발명의 연료전지용 가습기의 단면도이며,

도 5는 도 2의 B-B' 라인을 따라 절단한 본 발명의 연료전지용 가습기의 단면도이다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

100, 200 : 연료전지용 막 가습기

110 : 하우징 111a, 241 : 제1 유입구

111b, 251 : 제2 유입구 112a, 242 : 제1 배출구

112b, 252 : 제2 배출구 120, 220 : 중공사막

130, 230 : 포팅제 210 : 막 하우징

211 : 제1 홀 212 : 제2 홀

240 : 제1 캡 250 : 제2 캡

260 : 실링부

Claims

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연료전지용 가습기에 있어서,

제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하는 제2 말단부를 포함하며, 다수의 제1 홀들이 상기 제1 말단부의 원주면에 형성되어 있고, 다수의 제2 홀들이 상기 제2 말단부의 원주면에 형성된 튜브형 막 하우징;

상기 막 하우징 내에 위치하며, 양 말단이 상기 막 하우징의 상기 제1 및 제2 말단부에 각각 포팅된 중공사막;

외부로부터 반응가스를 받기 위한 제1 유입구를 갖는 제1 캡; 및

연료전지로부터 공급되는 수분 함유 미반응 가스를 받기 위한 제2 유입구를 갖는 제2 캡을 포함하며,

상기 제1 유입구와 상기 중공사막의 중공이 연통될 수 있는 방식으로 상기 제1 캡이 상기 막 하우징의 상기 제1 말단부에 장착되고,

상기 제2 유입구와 상기 다수의 제2 홀들이 연통될 수 있는 방식으로 상기 제2 캡이 상기 막 하우징의 상기 제2 말단부에 장착되고,

상기 제2 유입구의 중심축에 비해 상기 다수개의 제2 홀들의 중심축들이 상기 막 하우징의 상기 제2 말단부에 포팅된 상기 중공사막의 말단에 더 근접하고,

상기 제1 캡은 상기 막 하우징 내로 유입된 상기 수분 함유 미반응 가스를 배출하기 위한 제1 배출구를 더 포함하고,

상기 수분 함유 미반응 가스는 상기 다수의 제1 홀들 및 상기 제1 배출구를 순차적으로 통과하여 상기 연료전지용 가습기 밖으로 배출되고,

상기 제2 캡은 상기 중공사막의 중공과 연통되는 제2 배출구를 더 포함하고,

상기 중공사막의 중공을 따라 흐르면서 가습된 상기 반응 가스가 상기 제2 배출구를 통해 상기 연료전지로 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제 6 항에 있어서,

상기 제1 유입구를 통해 제공된 상기 반응가스가 상기 중공사막의 중공 내로 유동하고,

상기 제2 유입구를 통해 제공된 상기 수분 함유 미반응 가스는 상기 다수의 제2 홀들을 통해서만 상기 막 하우징 내로 유동하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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