KR101382729B1 - Membrane humidifier for fuel cell - Google Patents

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이성호
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Abstract

본 발명은 자동차의 연료전지 스택 내로 공급되는 공기를 가습하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 스택 내로 공급되는 공기의 가습을 위한 중공사막의 단면 형상을 개선하여, 예를 들면 마치 달팽이 모양의 단면 형상으로 개선하여, 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 다발 외부로부터 다발 중심부까지 흐르면서 물질/열 전달작용이 이루어지도록 한 새로운 형태의 중공사막 다발을 구현함으로써, 중공사막 다발의 전영역에서 균일한 물질/열 전달이 이루어질 수 있는 등 전체적인 가습효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막 가습기를 제공한다. The present invention relates to an apparatus for humidifying air supplied into a fuel cell stack of an automobile.
The present invention improves the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane for humidifying the air supplied into the fuel cell stack, for example, to improve the cross-sectional shape as if it is a snail, so that the humidified air from the outside of the bundle through a flow path formed between the hollow fiber membrane bundles. By implementing a new type of hollow fiber membrane bundle that allows mass / heat transfer action while flowing to the core of the bundle, fuel that can improve the overall humidification efficiency, such as uniform material / heat transfer can be achieved in all areas of the hollow fiber membrane bundle Provide a membrane humidifier for the cell.

Description

연료전지의 막 가습기{Membrane humidifier for fuel cell}Membrane humidifier for fuel cell

본 발명은 연료전지의 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 연료전지 스택 내로 공급되는 공기를 가습하는 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a membrane humidifier of a fuel cell, and more particularly, to an apparatus for humidifying air supplied into a fuel cell stack of an automobile.

일반적으로 자동차의 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 이를 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 발생시키는 장치이다. In general, a fuel cell of an automobile is a device that generates electricity by receiving oxygen in the air and hydrogen as fuel and electrochemically reacting it in a stack.

예를 들면, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지의 연료극으로 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극으로 공급되면, 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.For example, when high-purity hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank to the fuel cell fuel cell, and air in the atmosphere is directly supplied to the fuel cell air electrode using an air supply device such as an air blower, hydrogen is supplied from the catalyst of the fuel electrode. The hydrogen ions are separated into ions and electrons, and the separated hydrogen ions pass to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and oxygen supplied to the cathode combines with electrons introduced into the cathode through an external conductor to generate water while generating water.

여기서, 상기 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 결국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 사용할 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막으로 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.In this case, the polymer electrolyte membrane is sufficiently wetted with water, so that the ion conductivity increases and the loss due to resistance decreases. However, when the supply of the reaction gas having a low relative humidity is continued, the polymer electrolyte membrane eventually dries and can no longer be used. Humidification of the gas supplied to the membrane must be made essentially.

즉, 연료전지의 성능향상을 위해서는 연료전지 스택 내로 유입되는 공기의 가습이 필수적으로 요구된다. That is, in order to improve the performance of the fuel cell, humidification of air flowing into the fuel cell stack is required.

하지만, 필요 가습성능을 만족하는 가습기의 부피는 차량 연료전지 시스템의 총 부피에서 매우 큰 비중을 차지하여 패키지 구성에 어려움이 있는 것이 사실이다. However, it is true that the volume of the humidifier that satisfies the required humidification performance occupies a very large proportion of the total volume of the vehicle fuel cell system, thus making it difficult to construct the package.

이러한 가습기는 버블러(Bubbler) 타입, 인젝션(Injection) 타입 등 여러 타입이 있으며, 그 중에서 연료전지 차량의 경우 패키지 측면에서의 제약 등으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기를 대부분 적용하고 있다. There are many types of humidifiers such as bubbler type and injection type. Among them, most fuel cell vehicles apply membrane humidifiers that are small in volume and do not require special power due to restrictions on the package side. Doing.

도 1은 막 가습기가 설치되어 있는 일반적인 연료전지 시스템을 나타내는 개략도로서, 상기 연료전지 시스템은 외부의 공기를 블로어(100)로 강제 송풍하여 막 가습기(110)에 통과시키고, 이때 연료전지 스택(120)의 출구로부터 배출되는 물이 포함되어 있는 과포화 가습공기를 막 가습기(110)에 통과시켜서 과포화 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 후에 이때의 가습된 공기를 연료전지 스택(110)에 공급하는 시스템으로 이루어진다. 1 is a schematic view showing a general fuel cell system in which a membrane humidifier is installed, and the fuel cell system forcibly blows outside air to the blower 100 and passes the membrane humidifier 110 through the fuel cell stack 120. After passing the supersaturated humidified air containing the water discharged from the outlet of the through the membrane humidifier 110 to the humidification of the dry air by the exchange of water between the supersaturated humidified air and the dry air, the humidified air at this time is the fuel cell It consists of a system for supplying the stack 110.

그리고, 상기 막 가습기는 가습공기용 유입구 및 배출구와 건조공기용 유입구 및 배출구를 가지는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되는 중공사막로 구성되며, 이때의 중공사막은 양쪽 단부가 포팅물질에 의해 케이스측에 고정되는 구조로 지지된다. The membrane humidifier includes a case having a humidifying air inlet and an outlet and a drying air inlet and an outlet, and a hollow fiber membrane installed inside the case, wherein both ends of the hollow fiber membrane are formed by a potting material. It is supported by the structure fixed to the side.

또한, 도 2는 종래의 중공사막에서 가습공기 유입부 단면 형상을 나타내는 단면도로서, 케이스(130)에는 스택으로부터의 가습공기가 들어오는 입구(140)와 물질/열 교환을 통해 건조된 공기가 배출되는 출구(미도시), 그리고 외부의 건조공기가 들어오는 입구(미도시)와 물질/열교환을 통해 가습된 공기가 스택을 향해 나가는 출구(미도시)가 구비되고, 케이스(130)의 내부에는 둥근 원통형의 하나의 묶음으로 되어 있는 중공사막(150)이 배치된다. In addition, Figure 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional shape of the humidifying air inlet portion in the conventional hollow fiber membrane, the case 130 is a dry air is discharged through the material / heat exchange with the inlet 140 through which humidified air from the stack enters An outlet (not shown), an inlet (not shown) through which external dry air enters, and an outlet (not shown) through which the humidified air passes through the material / heat exchange toward the stack are provided. Hollow fiber membrane 150 is arranged in a bundle of.

따라서, 가습공기가 둥근 원통형 중공사막 주위를 흐르면서 중공사막 내부로 물/열교환이 이루어지면서 스택으로 공급되는 공기의 가습이 이루어지게 된다. Therefore, the humidifying air flows around the round cylindrical hollow fiber membrane, and water / heat exchange is performed inside the hollow fiber membrane to humidify the air supplied to the stack.

그러나, 종래의 막 가습기는 중공사막의 밀집 배치 등으로 인해 공기의 흐름이 저하되면서 가습 효율이 크게 떨어지는 단점이 있다. However, the conventional membrane humidifier has a disadvantage in that the humidification efficiency is greatly reduced while the air flow is lowered due to the dense arrangement of the hollow fiber membranes.

예를 들면, 중공사막 원통형 다발의 가운데 부분은 가습공기의 접근성이 떨어져 원통형 다발 외부에 배치된 중공사막에 비해 원통형 다발 중앙부의 가습효율이 크게 떨어지는 데드존(Dead zone)이 발생한다. For example, the middle portion of the hollow fiber membrane cylindrical bundle has a dead zone in which the humidification efficiency of the center of the cylindrical bundle is significantly lower than that of the hollow fiber membrane disposed outside the cylindrical bundle due to poor access to the humidifying air.

또한, 원통형 다발 후면부(가습공기 유입방향 기준) 중공사막의 가습효율이 크게 감소한다.In addition, the humidification efficiency of the cylindrical bundle rear portion (based on the humidifying air inflow direction) hollow fiber membrane is greatly reduced.

즉, 유입된 가습공기는 1차로 다발으 전면부에 부딪혀 운동에너지가 크게 손실되면서 전면부의 중공사막에서 건조공기와 물질/열교환이 활발하게 발생하게 되지만, 다발의 측면 및 뒷면으로 돌아 흐르는 가습공기의 유속은 크게 감소하여, 후면부에 위치한 중공사막으로의 대류물질전달은 상대적으로 원활하지 못하며 가습효율이 크게 감소한다.
In other words, the introduced humidifying air firstly hits the front part of the bundle, so that kinetic energy is greatly lost, and dry air and material / heat exchange are actively generated in the hollow fiber membrane at the front side. The flow rate is greatly reduced, so that convective material transfer to the hollow fiber membrane located at the rear side is relatively smooth and the humidification efficiency is greatly reduced.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택 내로 공급되는 공기의 가습을 위한 중공사막의 단면 형상을 개선하여, 예를 들면 마치 달팽이 모양의 단면 형상으로 개선하여, 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 다발 외부로부터 다발 중심부까지 흐르면서 물질/열 전달작용이 이루어지도록 한 새로운 형태의 중공사막 다발을 구현함으로써, 중공사막 다발의 전영역에서 균일한 물질/열 전달이 이루어질 수 있는 등 전체적인 가습효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been made in view of such a point, and improves the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane for humidifying the air supplied into the fuel cell stack, and for example, improves the cross-sectional shape of a snail-like, hollow fiber membrane. By implementing a new type of hollow fiber membrane bundle through which the humidification air flows from the outside of the bundle to the center of the bundle through the flow path formed between the bundles, a uniform material / heat transfer is achieved in all areas of the hollow fiber membrane bundle. The purpose is to provide a fuel cell membrane humidifier that can improve the overall humidification efficiency.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지의 막 가습기는 다음과 같은 특징이 있다. In order to achieve the above object, the membrane humidifier of the fuel cell provided in the present invention has the following characteristics.

상기 막 가습기는 연료전지 스택에서 나오는 가습공기를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 건조공기를 가습하는 것으로서, 연료전지측과 블로어측에 연결되는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되는 중공사막 다발을 기본적으로 포함하는 구조로 이루어진다. The membrane humidifier humidifies dry air entering the fuel cell stack by using humidifying air from the fuel cell stack. The membrane humidifier basically includes a case connected to the fuel cell side and the blower side, and a bundle of hollow fiber membranes installed inside the case. It consists of a structure that includes.

특히, 상기 막 가습기의 중공사막 다발은 중공사막들이 나선형으로 배열되는 동시에 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어짐으로써, 가습공기의 흐름이 중공사막 다발의 전영역에서 효과적으로 이루어질 수 있게 되고, 따라서 중공사막의 가습효율을 모두 일정하게 유지할 수 있는 등 전체 가습효율 증대시킬 수 있는 특징이 있다. Particularly, the hollow fiber membrane bundle of the membrane humidifier has a cross-sectional shape in which the hollow fiber membranes are arranged in a spiral shape and the inner and outer hollow fiber membrane arrays are spaced apart on the spiral array, so that the flow of humidified air is in the hollow fiber membrane. It can be effectively made in the entire area of the bundle, and thus there is a feature that can increase the overall humidification efficiency, such as to keep all the humidification efficiency of the hollow fiber membrane.

여기서, 상기 중공사막 다발을 이루는 중공사막들은 그물망 내에 수용되어 나선형 배열을 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. Here, the hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle are preferably accommodated in the mesh to maintain the spiral arrangement.

그리고, 가습공기가 들어오는 케이스의 초입에 가습공기를 분배하는 기능의 가이드 베인을 설치하여, 나선형 배열의 중공사막 다발과 케이스 사이의 유로측과, 중공사막 다발의 내부에 조성되는 나선형의 유로측 간에 가습공기가 균등하게 들어갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
Then, a guide vane having a function of distributing the humidifying air is provided at the beginning of the case where the humidifying air enters, and between the flow path side between the hollow fiber membrane bundle and the casing in a spiral arrangement and the spiral flow path side formed inside the hollow fiber membrane bundle. It is desirable to allow the humidified air to enter evenly.

본 발명에서 제공하는 연료전지의 막 가습기는 다음과 같은 장점이 있다. The membrane humidifier of the fuel cell provided by the present invention has the following advantages.

첫째, 가습공기의 중공사막으로의 접근성이 다발 전영역에서 균일하게 되는 등 데드존을 없앨 수 있다. First, the dead zone can be eliminated such that the access to the hollow fiber membrane of the humidified air becomes uniform in the entire bundle area.

둘째, 각 위치로 필요한 가습공기의 양을 균등하게 공급하여 다발 내의 중공사막의 가습효율을 모두 일정하게 유지하는 것이 가능하며, 결국 전체 가습효율을 증대시킬 수 있다. Second, it is possible to equally supply the amount of humidifying air required at each position to maintain a constant humidification efficiency of the hollow fiber membranes in the bundle, thereby increasing the overall humidification efficiency.

셋째, 가습공기의 운동에너지 손실을 최소화하면서 유로 측면 중공사막에 의한 난류 증대로 중공사막 내부로의 물질/열 전달 속도를 증대시킬 수 있다. Third, while minimizing the loss of kinetic energy of the humidified air, it is possible to increase the speed of mass / heat transfer into the hollow fiber membrane by increasing turbulence by the hollow fiber membrane on the side of the channel.

넷째, 중공사막 가습기의 가습 효율 증대를 통한 가습기의 부피 절감이 가능하며, 따라서 차량 패키지에 유리하다. Fourth, it is possible to reduce the volume of the humidifier by increasing the humidification efficiency of the hollow fiber membrane humidifier, which is advantageous for the vehicle package.

도 1은 막 가습기가 설치되어 있는 일반적인 연료전지 시스템을 나타내는 개략도로서,
도 2는 종래의 중공사막에서 가습공기 유입부 단면 형상을 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 폭방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 길이방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기의 사용상태를 나타내는 개략도1 is a schematic diagram showing a typical fuel cell system in which a membrane humidifier is installed.
Figure 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional shape of the humidified air inlet portion in a conventional hollow fiber membrane
Figure 3 is a cross-sectional view showing a shape cut in the width direction the film humidifier according to an embodiment of the present invention
Figure 4 is a cross-sectional view showing a shape cut in the longitudinal direction the membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
Figure 5 is a schematic diagram showing the state of use of the membrane humidifier according to an embodiment of the present invention

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 폭방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 길이방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing a shape in which the membrane humidifier is cut in the width direction according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing a shape in which the membrane humidifier is cut in the longitudinal direction according to an embodiment of the present invention.

도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 막 가습기는 중공사막 다발의 배열형태를 개선하여 가습공기의 흐름이 다발 전체 영역에서 균일하게 이루어질 수 있도록 한 구조로 이루어진다. As shown in Figure 3 and 4, the membrane humidifier is made of a structure to improve the arrangement of the hollow fiber membrane bundle so that the flow of humidified air can be made uniform in the entire area of the bundle.

이를 위하여, 상기 막 가습기는 가습공기와 건조공기 간의 물질/열 전달을 위한 중공사막 다발(11)과, 이 중공사막 다발(11)을 내장하는 케이스(10)를 포함하여 구성된다. To this end, the membrane humidifier comprises a hollow fiber membrane bundle 11 for mass / heat transfer between the humidifying air and the dry air, and a case 10 containing the hollow fiber membrane bundle 11.

여기서, 상기 케이스(10)에는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기를 도입하는 가습공기 입구(도 5에서 도면부호 15)와, 블로어를 통해 공급되는 공기를 도입하는 건조공기 입구(도 5에서 도면부호 16)와, 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 공기를 연료전지측으로 배출하는 공급공기 출구(17)와, 중공사막 다발(11)을 통해 수분이 제거된 공기를 대기 중으로 배출하는 배출공기 출구(18)가 형성된다. Here, the case 10 has a humidified air inlet (15 in FIG. 5) for introducing hot and humid air discharged from the cathode of the fuel cell, and a dry air inlet for introducing air supplied through the blower (FIG. 5). In reference numeral 16, the supply air outlet 17 for discharging the humidified air to the fuel cell through the exchange of moisture between the humidifying air and the dry air, and the air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane bundle 11 A discharge air outlet 18 for discharging to the middle is formed.

상기 중공사막 다발(11)은 여러 가닥의 중공사막을 소정의 형태로 배열시켜서 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환이 이루어지도록 한 것으로서, 중공사막 축선을 통해서 건조공기가 흐르고 중공사막 외부로부터 가습공기가 부딪히게 되면서 가습공기와 건조공기 간의 물질/열 교환이 이루어지게 되고, 결국 연료전지측으로 공급되는 건조공기에 대한 가습이 이루어질 수 있게 된다. The hollow fiber membrane bundle 11 is to arrange a plurality of strands of the hollow fiber membrane in a predetermined form to exchange moisture between the humidifying air and the dry air, and the dry air flows through the hollow fiber membrane axis and the humidifying air flows from the outside of the hollow fiber membrane. When hit, material / heat exchange is performed between the humidified air and the dry air, and eventually, humidification of the dry air supplied to the fuel cell can be achieved.

상기 중공사막 다발(11)은 소정의 배열 형태로 이루어질 수 있게 되는데, 예를 들면 중공사막들이 길이방향을 따라 나란하게 연접된 상태에서 나선형으로 배열되고, 또 이러한 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어질 수 있게 된다. The hollow fiber membrane bundle 11 may be formed in a predetermined arrangement, for example, the hollow fiber membranes are arranged in a spiral in a state in which the hollow fiber membranes are connected side by side in the longitudinal direction, and the inner and outer hollow fiber membranes are arranged on the spiral array. The arrangement may be made in the form having a cross section of a shape that maintains the spacing.

다시 말해, 상기 중공사막 다발(11)은 배열 한쪽 끝이 중심부를 출발하여 원형 또는 다각형의 궤적을 그리면서 일방향으로 진행함과 더불어 배열 간의 일정간격을 유지하면서 점차 직경이 커지도록 연장되는 마치 달팽이 모양과도 같은 단면 형상을 갖게 된다. In other words, the hollow fiber membrane bundle 11 is a snail-like shape that one end of the array extends to gradually increase in diameter while maintaining a constant distance between the arrays while moving in one direction while drawing a circular or polygonal trajectory starting from the center of the array. It has an excessive cross-sectional shape.

그리고, 나선형 배열을 이루는 중공사막들은 그물망(12)의 내부에 수용되어, 그 배열 형태를 유지할 수 있게 되며, 이러한 배열 형태를 가지는 중공사막 다발(11)의 양단부는 폴딩 공정에 의해 일체 결속될 수 있게 된다. In addition, the hollow fiber membranes forming the helical array can be accommodated inside the mesh 12 to maintain the arrangement, and both ends of the hollow fiber membrane bundle 11 having such an arrangement can be integrally bound by a folding process. Will be.

이와 같은 중공사막 다발(11)은 케이스(10)의 내부에 동심원상으로 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 양단부가 폴딩케이스 내벽에 기밀구조로 지지되므로서, 케이스 내부로 들어오는 가습공기의 경로와 건조공기의 경로가 구분될 수 있게 된다. The hollow fiber membrane bundle 11 is arranged concentrically inside the case 10, and both ends of the hollow fiber membrane bundle 11 are supported in an airtight structure on the inner wall of the folding case, and thus the path and drying of the humidifying air entering the case. Air paths can be distinguished.

특히, 중공사막들의 나선형 배열상에서 배열 간에 조성되는 간격은 가습공기의 유로(13)로 조성되며, 이때의 유로(13)를 통해 흐르는 가습공기 역시도 도면의 화살표 방향에서 볼 수 있듯이 나선형의 중공사막 배열을 따라가면서 나선형의 흐름을 보일 수 있게 된다. In particular, the spacing formed between the arrays on the spiral arrangement of the hollow fiber membranes is formed by the flow path 13 of the humidifying air, and the humidifying air flowing through the flow path 13 at this time also has a spiral hollow fiber membrane array as shown in the arrow direction of the drawing. As you follow, you will see a spiral flow.

즉, 케이스(10)의 내부로 도입된 가습공기는 나선형 흐름으로 유도되어 다발의 중앙부까지 흐를 수 있게 되고, 가습공기의 중공사막으로의 접근성이 좋아지면서 결국 중공사막 다발 전체 영역에 걸쳐 가습공기가 균일하게 접촉할 수 있게 된다. That is, the humidified air introduced into the case 10 is guided by the helical flow to flow to the center portion of the bundle, and the accessibility of the humidified air to the hollow fiber membrane is improved, and eventually the humidified air is spread over the entire hollow fiber membrane bundle area. The contact can be made uniform.

그리고, 상기 케이스(10)의 가습공기 입구(15)에는 케이스 내부로 들어오는 가습공기를 적절히 분배하는 역할의 가이드 베인(14)가 설치된다. And, the humidifying air inlet 15 of the case 10 is provided with a guide vane 14 that serves to properly distribute the humidifying air coming into the case.

이러한 가이드 베인(14)은 가습공기가 들어오는 케이스 초입에 위치되어 케이스측에 양단 고정되면서 가습공기를 다발의 중심부쪽과 다발의 외곽쪽으로 나누어 보낼 수 있게 된다. The guide vane 14 is located at the beginning of the case in which the humidifying air enters and is fixed at both ends of the case side so that the humidifying air can be divided into the central side of the bundle and the outer side of the bundle.

예를 들면, 케이스(10)의 내부에서 나선형 배열을 이루는 중공사막 다발(11)의 바깥쪽 끝 부분에 인접 위치되며, 이에 따라 가습공기 입구(15)를 통해 들어온 가습공기는 나선형 배열의 중공사막 다발(11)의 외곽과 케이스(10)의 내벽 사이의 유로(13a)로 보내질 수 있게 되고, 이와 동시에 중공사막 다발(11)의 내부에 조성되는 나선형의 유로(13b)로 보내져 나선형 흐름을 보이면서 다발 중심부까지 흘러갈 수 있게 된다. For example, the inside of the case 10 is located adjacent to the outer end portion of the hollow fiber membrane bundle 11 forming a spiral arrangement, so that the humidified air entering through the humidifying air inlet 15 is a hollow fiber membrane of the spiral arrangement It can be sent to the flow path (13a) between the outer periphery of the bundle (11) and the inner wall of the case 10, and at the same time sent to the spiral flow path (13b) formed inside the hollow fiber membrane bundle (11) showing a spiral flow It will flow to the center of the bundle.

이렇게 다발 내부에서의 흐름을 보면, 가습공기의 유동방향과 유로의 방향이 일치하도록 설계되므로서, 가습공기의 운동에너지 손실량을 최소화할 수 있게 된다. Looking at the flow in the bundle in this way, the flow direction of the humidified air and the direction of the flow path is designed to match, it is possible to minimize the amount of kinetic energy loss of the humidified air.

여기서, 다발 외부의 유로(13a)와 다발 내부의 유로(13b)로 정확한 비율의 유량이 들어갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the flow rate of the correct ratio enters the flow path 13a outside the bundle and the flow path 13b inside the bundle.

일 예로서, 유로(13a) : 유로(13b) = 유로(13a)의 길이 : 유로(13b)의 길이×2의 비율이 되도록 하는 것이 바람직하다. As an example, it is preferable to make ratio of the flow path 13a: the flow path 13b = the length of the flow path 13a: the length x 2 of the flow path 13b.

따라서, 이와 같이 구성되는 연료전지의 막 가습기에 대한 사용상태를 살펴보면 다음과 같다. Therefore, the state of use of the membrane humidifier of the fuel cell configured as described above is as follows.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기의 사용상태를 나타내는 개략도이다. Figure 5 is a schematic diagram showing the use of the membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시한 바와 같이, 연료전지 운전 중 연료전지의 공기극에서는 미반응 공기로서의 고온 다습한 공기를 배출하게 되고, 이렇게 배출되는 가습공기는 막 가습기의 케이스(10)에 있는 가습공기 입구(15)를 통해 그 속으로 유입된다. As shown in FIG. 5, during operation of the fuel cell, the cathode of the fuel cell discharges hot and humid air as unreacted air, and the humidified air thus discharged is humidified air inlet 15 in the case 10 of the membrane humidifier. Through it).

이와 함께 대기 중의 공기는 블로어를 통해 흡입되어 케이스(10)에 있는 건조공기 입구(16)를 통해 그 속으로 유입된다. At the same time, air in the air is sucked through the blower and introduced into the air through the dry air inlet 16 in the case 10.

계속해서, 상기 가습공기 입구(15)를 통해 유입된 가습공기는 가이드 베인에 의해 분배되어 다발 외부와 다발 중심부로 흐르게 되고, 건조공기 입구(16)를 통해 유입된 건조공기는 중공사막 다발(11)을 따라 흐르게 된다. Subsequently, the humidified air introduced through the humidified air inlet 15 is distributed by the guide vanes and flows to the outside of the bundle and the center of the bundle, and the dry air introduced through the dry air inlet 16 bundles the hollow fiber membranes 11. ) Will flow along.

이때, 달팽이 모양으로 감긴 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 외부에서 다발의 중앙부까지 흐르면서 측면의 중공사막으로 물질/열 전달이 일어나게 된다. At this time, through the flow path formed between the bundle of hollow fiber membrane wound in the snail shape, the humidification air flows from the outside to the center portion of the bundle to cause the material / heat transfer to the hollow fiber membrane on the side.

이러한 과정에서, 중공사막에 의한 물질/열 전달이 이루어지면서 연료전지측으로 공급되는 공기는 가습이 되고, 또 가습을 마친 공기는 수분으로 배출된다. In this process, while the material / heat transfer by the hollow fiber membrane is made, the air supplied to the fuel cell side is humidified, and the humidified air is discharged as moisture.

즉, 상기 막 가습기의 케이스(10) 내부에서는 중공사막 다발(11)에 의한 공급공기(건조공기)와 배출공기(가습공기)의 수분 교환에 의해 공급공기의 가습이 이루어지게 되며, 이렇게 가습된 공기는 공급공기 출구(17)를 빠져나와 연료전지측으로 공급된다. That is, inside the case 10 of the membrane humidifier, the supply air (dry air) and the exhaust air (humidification air) by the moisture exchange between the supply air (dry air) by the bundle 11 of the hollow fiber membrane is made of humidification, Air exits the supply air outlet 17 and is supplied to the fuel cell side.

그리고, 케이스(10)의 내부에서 중공사막 다발(11)을 통해 수분이 제거된 배출공기, 즉 소정의 습기와 열을 포함한 배출공기는 케이스(10)의 배출공기 출구(18)를 통해 대기 중으로 배출된다.Then, the discharged air from which moisture is removed through the hollow fiber membrane bundle 11 inside the case 10, that is, the discharged air including the predetermined moisture and heat is discharged into the atmosphere through the discharged air outlet 18 of the case 10. Discharged.

이와 같이, 본 발명에서는 중공사막을 달팽이 모양의 다발로 배치하여 적용함으로써, 가습공기가 다발의 중앙부까지 흐를 수 있게 되고, 결국 각 위치로 필요한 가습공기의 양을 균등하게 공급할 수 있는 등 가습공기의 운동에너지 손실을 최소화하면서 중공사막의 가습효율을 향상시킬 수 있게 된다.
Thus, in the present invention, by applying the hollow fiber membrane in a snail-shaped bundle, the humidifying air can flow to the center of the bundle, and thus, the amount of humidifying air required for each position can be evenly supplied. It is possible to improve the humidification efficiency of the hollow fiber membrane while minimizing the kinetic energy loss.

10 : 케이스 11 : 중공사막 다발
12 : 그물망 13,13a,13b : 유로
14 : 가이드 베인 15 : 가습공기 입구
16 : 건조공기 입구 17 : 공급공기 출구
18 : 배출공기 출구10 case 11 hollow fiber membrane bundle
12: net 13,13a, 13b: euro
14: guide vane 15: humidified air inlet
16: dry air inlet 17: supply air outlet
18: outlet air outlet

Claims (3)

삭제delete 연료전지 스택에서 나오는 가습공기를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 건조공기를 가습하는 것으로서,
연료전지측과 블로어측에 연결되는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 설치되는 중공사막 다발(11)을 포함하며, 상기 중공사막 다발(11)은 중공사막들이 나선형으로 배열되는 동시에 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어지고,
상기 중공사막 다발(11)을 이루는 중공사막들은 그물망(12) 내에 수용되어 나선형 배열을 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기.
By humidifying the dry air entering the fuel cell stack by using the humidifying air from the fuel cell stack,
And a case 10 connected to a fuel cell side and a blower side, and a hollow fiber membrane bundle 11 installed inside the case 10, wherein the hollow fiber membrane bundle 11 includes hollow fiber membranes arranged spirally. At the same time, the inner and outer hollow fiber membrane array on the spiral array is formed in a shape having a cross section of the shape to maintain a gap,
Membrane humidifier of the fuel cell, characterized in that the hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle (11) is accommodated in the net (12) to maintain the spiral arrangement.
청구항 2에 있어서, 가습공기가 들어오는 케이스(10)의 초입에는 나선형 배열의 중공사막 다발(11)과 케이스(10) 사이의 유로(13a)측과, 중공사막 다발(11)의 내부에 조성되는 나선형의 유로(13b)측에 가습공기를 분배하는 가이드 베인(14)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기. The method of claim 2, wherein the humidification air is formed in the opening of the case 10 is formed inside the flow path (13a) between the hollow fiber membrane bundle 11 and the case 10 and the hollow fiber membrane bundle 11 in a spiral arrangement. A membrane humidifier for a fuel cell, characterized in that a guide vane (14) for distributing humidified air is provided on the side of the spiral flow passage (13b).
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