KR101660988B1 - Humidifier for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막 하우징 내를 흐르는 고습의 미반응 가스의 유속에 비례하여 중공사막의 밀집도 최적화시킴으로써 고습의 미반응 가스가 중공사막 전체에 균일한 속도로 흐르게 함에 따라 가습성능을 극대화시킨 연료전지용 가습기에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 가습기는, 제 1 홀이 형성된 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하고 제 2 홀이 형성된 제 2 말단부를 포함하고 내부에 공간이 형성된 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 설치된 분할판; 상기 분할판에 의해 형성된 각 분할 공간에 고습의 미반응 가스의 유속에 따라 밀집도를 달리하여 집적되고 양 말단이 상기 막 하우징의 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 유입시키기 위한 제 2 유입구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 1 말단부를 덮고 있는 제 1 커버부; 및 저습의 미반응 가스를 배출시키기 위한 제 2 배출구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 2 말단부를 덮고 있는 제 2 커버부를 포함한다.The present invention relates to a humidifier for a fuel cell which maximizes humidification performance by optimizing the density of the hollow fiber membrane in proportion to the flow rate of the high-humidity unreacted gas flowing in the membrane housing, . A humidifier for a fuel cell according to the present invention comprises: a membrane housing having a first end formed with a first hole and a second end located on the opposite side of the first end and having a second hole formed therein, A partition plate provided in the film housing; A hollow fiber membrane which is accumulated in each of the divided spaces formed by the partition plate in a dense manner according to the flow rate of high-humidity unreacted gas and has both ends potted at the distal end of the membrane housing; A first cover portion formed with a second inlet for introducing high-humidity unreacted gas discharged from the stack and covering a first end portion of the membrane housing; And a second cover portion covering a second end portion of the membrane housing, the second cover portion having a second outlet for discharging low-humidity unreacted gas.

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for fuel cell}[0001] Humidifier for fuel cell [0002]

본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가습성능을 향상시키기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.The present invention relates to a humidifier for a fuel cell, and more particularly, to a humidifier for a fuel cell for improving humidification performance.

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, 수소와 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.Fuel cells are electricity generating cells that produce electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike conventional chemical batteries, such as batteries and accumulators, fuel cells can produce electricity continuously as long as hydrogen and oxygen are supplied, and they are twice as efficient as internal combustion engines because they have no heat loss. In addition, since the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electric energy, the emission of pollutants is low. Therefore, the fuel cell is advantageous not only to be environmentally friendly, but also to reduce the fear of depletion of fossil fuel.

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. Such a fuel cell can be largely divided into a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, and an alkaline fuel cell depending on the type of electrolyte used.

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.One of the most important factors in improving the performance of the polymer electrolyte fuel cell is to maintain a water content by supplying a predetermined amount of water to the polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly. This is because, when the polymer electrolyte membrane is dried, the power generation efficiency sharply drops.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 건조한 반응 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식이 있다.As a method of humidifying the polymer electrolyte membrane, there is a humidifying membrane method in which moisture is supplied to a dry reaction gas using a polymer separator.

가습 막 방식은 배기 가스 중에 포함된 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 배기 가스 중의 수증기를 고분자 전해질 막에 제공하는 방식으로서, 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 이점이 있다.The humidifying membrane method has a merit that the water vapor in the exhaust gas is supplied to the polymer electrolyte membrane by using a membrane that selectively permeates only the water vapor contained in the exhaust gas, and the humidifier can be made lighter and smaller.

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 체적 내에서도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통하여 재활용할 수 있다는 이점이 있다. The selective permeable membrane used in the humidifying membrane method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when a module is formed. That is, when a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, it is possible to highly integrate a hollow fiber membrane having a large contact surface area so that the humidification of the fuel cell can be sufficiently performed even in a small volume, and a low cost material can be used. Moisture and heat contained in the unreacted gas can be recovered and recycled through the humidifier.

이러한 연료전지용 가습기는 중공부를 흐르는 반응가스에 수분을 공급하기 위한 중공사막 다발이 집적된 막 하우징과 고습의 미반응 가스를 유입시키는 유입구와 이를 배출시키는 배출구를 포함하여 이루어져 있다. The humidifier for a fuel cell includes a membrane housing in which a bundle of hollow fiber membranes for supplying moisture to a reaction gas flowing through the hollow portion is integrated, an inlet for introducing high-humidity unreacted gas, and an outlet for discharging the unreacted gas.

그러나 통상 연료전지용 가습기의 경우 입구와 출구의 비대칭으로 인해 막 하우징 내에 유입된 고습의 미반응 가스가 입구와 출구 사이를 최단 경로로 흐르는 경향을 가지게 된다. 즉, 입구와 출구로부터 멀리 떨어진 위치에 집적된 중공사막으로는 고습의 미반응 가스가 적게 흐르게 된다. 이에 따라 중공사막마다 수분 제공이 불균일해짐으로써 가습기의 가습성능이 저하되고 미반응 가스가 편중되어 흐름으로써 가습기의 콤팩트한 설계가 불가능한 문제가 있다.However, in the case of a humidifier for a fuel cell, the high-humidity unreacted gas introduced into the membrane housing tends to flow through the shortest path between the inlet and the outlet due to the asymmetry of the inlet and the outlet. That is, the high-humidity unreacted gas flows less in the hollow fiber membrane integrated at a position far from the inlet and the outlet. As a result, the provision of moisture for each hollow fiber membrane becomes uneven, so that the humidifying performance of the humidifier is deteriorated and the unreacted gas is concentrated, thereby making it impossible to design a compact humidifier.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명은 막 하우징 내를 흐르는 고습의 미반응 가스의 유속에 따라 중공사막의 밀집도 최적화시킴으로써 고습의 미반응 가스가 중공사막 전체에 균일한 속도로 흐르게 함에 따라 가습성능을 극대화시킨 연료전지용 가습기를 제공하는 것으로 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to optimize the density of the hollow fiber membrane according to the flow rate of the high-humidity unreacted gas flowing in the membrane housing, The present invention provides a humidifier for a fuel cell, which maximizes humidification performance by allowing the humidifier to flow at a high speed.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 홀이 형성된 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하고 제 2 홀이 형성된 제 2 말단부를 포함하고 내부에 공간이 형성된 막 하우징; 상기 막 하우징 내에 설치된 분할판; 상기 분할판에 의해 형성된 각 분할 공간에 고습의 미반응 가스의 유속에 따라 밀집도를 달리하여 집적되고 양 말단이 상기 막 하우징의 말단부에 각각 포팅된 중공사막; 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 유입시키기 위한 제 2 유입구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 1 말단부를 덮고 있는 제 1 커버부; 및 저습의 미반응 가스를 배출시키기 위한 제 2 배출구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 2 말단부를 덮고 있는 제 2 커버부를 포함하는 연료전지용 가습기를 제공한다.To achieve these and other advantages and in accordance with the purpose of the present invention, as embodied and broadly described herein, there is provided a membrane device comprising: a membrane housing having a first end formed with a first hole and a second end positioned opposite to the first end, A partition plate provided in the film housing; A hollow fiber membrane which is accumulated in each of the divided spaces formed by the partition plate in a dense manner according to the flow rate of high-humidity unreacted gas and has both ends potted at the distal end of the membrane housing; A first cover portion formed with a second inlet for introducing high-humidity unreacted gas discharged from the stack and covering a first end portion of the membrane housing; And a second cover portion covering a second end portion of the membrane housing, the second cover portion being formed with a second outlet for discharging low-humidity unreacted gas.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.

본 발명의 연료전지용 가습기는 고습의 미반응 가스의 유량에 따라 중공사막을 밀집도를 조절함으로써 고습의 미반응 가스가 막 하우징 내에서 균일한 유속으로 흐르게 유도하고 이에 따라 고습의 미반응 가스가 각 중공사막에 균일하게 접촉됨으로써 각 중공사막은 균일한 가습효과를 발휘할 수 있다. The humidifier for a fuel cell of the present invention controls the density of the hollow fiber membrane according to the flow rate of the high-humidity unreacted gas to induce the high-humidity unreacted gas to flow at a uniform flow rate in the membrane housing, Uniform contact with the desert, each of the hollow fiber membranes can exhibit a uniform humidifying effect.

따라서, 본 발명의 연료전지용 가습기는 입구와 출구의 비대칭으로 인한 미반응 가스가 치우쳐 흐르는 것을 방지하고 균일한 유속을 유도함으로써 향상된 가습성능 나타내며, 중공사막의 교체주기도 연장하는 효과도 있다.Therefore, the humidifier for a fuel cell of the present invention exhibits improved humidifying performance by preventing unreacted gas from leaning due to asymmetry of inlet and outlet and inducing a uniform flow velocity, and also has an effect of extending the replacement period of the hollow fiber membrane.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 사시도이다.
도 2는 종래 연료전지용 가습기의 도 1의 I-I´절단면을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 따른 연료전지용 가습기의 종래 막 하우징 단면의 속도분포도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지용 가습기의 도 1의 I-I´절단면을 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에 따른 본 발명의 연료전지용 가습기의 막 하우징 단면의 속도분포도이다.
도 6은 본 발명의 연료전지용 가습기의 막 하우징의 평면도(a) 및 배면도(b)를 나타낸 것이다.1 is a perspective view of a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line II 'of FIG. 1 of a conventional humidifier for a fuel cell.
3 is a velocity distribution diagram of a conventional membrane housing section of the humidifier for a fuel cell according to FIG.
4 is a sectional view taken along the line II 'of FIG. 1 of the humidifier for a fuel cell according to the present invention.
5 is a velocity distribution diagram of a membrane housing cross section of the humidifier for a fuel cell according to the present invention shown in Fig.
Fig. 6 is a plan view (a) and a rear view (b) of the membrane housing of the humidifier for a fuel cell of the present invention.

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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention includes all modifications that fall within the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the humidifier for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 개략도이다. 1 is a schematic view of a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기는 제 1 홀(311)이 형성된 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하고 제 2 홀(312)이 형성된 제 2 말단부를 포함하고 내부에 공간이 형성된 막 하우징(310)이 설치되어 있다. 상기 막 하우징(310)은 내부에 공간이 형성되어 있기 때문에 중공사막(370)을 집적하는 역할을 한다. 또한, 상기 막 하우징(310)은 내부에 집적된 중공사막(370)에 고습의 미반응 가스를 공급하기 위한 제 1 말단부에 제 1 홀(311)이 상부 및 하부에 다수 형성되어 있다. 또한, 상기 막 하우징(310)은 상기 중공사막(370)에 수분을 공급한 미반응 가스를 외부로 배출시키기 위한 제 2 홀(312)이 상부 및 하부에 다수 형성되어 있다.1, a humidifier for a fuel cell according to the present invention includes a first end formed with a first hole 311 and a second end positioned opposite to the first end and having a second hole 312 formed therein, And a membrane housing 310 having a space formed therein. Since the membrane housing 310 has a space therein, it functions to accumulate the hollow fiber membrane 370. The membrane housing 310 has a plurality of first holes 311 formed at upper and lower ends thereof for supplying high-humidity unreacted gas to the hollow fiber membrane 370 integrated therein. The membrane housing 310 is formed with a plurality of second holes 312 at upper and lower portions thereof for discharging unreacted gas supplied with moisture to the hollow fiber membrane 370 to the outside.

상기 막 하우징(310) 내부에 집적된 중공사막(370)의 양쪽 말단은 각각 상기 막 하우징(310)의 양쪽 말단부에 포팅됨으로써 미반응 가스와 반응 가스는 완전히 분리되어 서로 접촉하지 않고 흐르게 된다. 상기 중공사막(370)은 중앙에 중공부가 형성됨에 따라 반응가스가 상기 중공부를 관통하여 흐르게 된다. 또한, 상기 중공사막(370)에는 소정의 직경을 갖는 다수의 미세 기공이 형성됨으로써 상기 미세 기공을 통해 상기 중공사막(370)의 외부에 흐르는 고습의 미반응 가스로부터 수분만 선택적으로 상기 중공사막(370) 내부로 이동하게 된다. Both ends of the hollow fiber membrane 370 integrated in the membrane housing 310 are respectively ported to both ends of the membrane housing 310 so that the unreacted gas and the reactive gas completely separate and flow without contacting each other. As the hollow portion is formed at the center of the hollow fiber membrane 370, the reaction gas flows through the hollow portion. A plurality of micropores having a predetermined diameter are formed in the hollow fiber membrane 370 to selectively remove water from the unreacted high-humidity gas flowing outside the hollow fiber membrane 370 through the micropores, 370).

상기 막 하우징(310)의 제 1 말단부에는 제 1 커버부(320)가 장착되어 있다. 상기 제 1 커버부(320)는 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 유입시키기 위한 제 2 유입구(321)가 형성되어 있다. 상기 제 2 유입구(321)로부터 유입된 고습의 미반응 가스는 상기 막 하우징(310)의 외부를 흐르다가 제 1 홀(311)을 통해 막 하우징(310) 내부로 공급된다. 상기 제 1 커버부(320)의 내면과 상기 막 하우징(310)의 제 1 말단부 사이에는 실링부(미도시)가 설치되어 고습의 미반응 가스가 막 하우징(310) 내부로만 흐르게 한다. 즉, 상기 제 1 커버부(320)의 제 2 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스는 다수의 제 1 홀(311)들만을 통해서 상기 막 하우징(310) 내부로 이동하도록 제 2 유입구(321)와 다수의 제 1 홀(311)들이 연통되어 있다. A first cover 320 is attached to the first end of the membrane housing 310. The first cover part 320 is formed with a second inlet 321 for introducing high-humidity unreacted gas discharged from the stack. The high-humidity unreacted gas introduced from the second inlet 321 flows outside the membrane housing 310 and is supplied into the membrane housing 310 through the first hole 311. A sealing portion (not shown) is provided between the inner surface of the first cover portion 320 and the first end portion of the membrane housing 310 to allow the high-humidity unreacted gas to flow only into the membrane housing 310. That is, the high-humidity unreacted gas introduced through the second inlet 321 of the first cover part 320 moves to the inside of the membrane housing 310 through only the first holes 311, The inlet 321 and the plurality of first holes 311 are communicated with each other.

본 발명은 상기 막 하우징(310) 내부에 분할된 공간을 형성하기 위한 분할판(360)이 설치되어 있다. 상기 분할판(360)에 의해 형성된 각 분할 공간에는 중공사막(370)들이 집적된다. 상기 분할 공간은 각각 하나의 가습기 역할을 할 수 있게 된다. In the present invention, a partition plate (360) for forming a divided space is provided inside the membrane housing (310). The hollow fiber membranes 370 are accumulated in the respective divided spaces formed by the partition plate 360. Each of the divided spaces can serve as one humidifier.

이러한 막 하우징(310) 말단의 분할된 공간에 형성된 제 1 홀(311)들을 통해 고습의 미반응 가스가 유입되고, 이렇게 유입된 고습의 미반응 가스는 상기 막 하우징(310) 말단의 분할된 공간에 형성된 제 2 홀(312)들을 통해 배출되기 전까지 중공사막(370)의 길이 방향을 따라 분할된 각각의 공간에 머물게 된다. 이에 따라, 유입된 고습의 미반응 가스가 중공사막(370)의 길이방향으로 분할된 각각의 공간을 흐르기 때문에 각 중공사막(370)들에 수분과 열을 공급함으로써 가습 효율이 향상될 수 있게 된다. The high-humidity unreacted gas is introduced through the first holes 311 formed in the divided spaces at the end of the membrane housing 310. The high-humidity unreacted gas thus introduced flows into the divided spaces The hollow fiber membranes 370 are separated from each other along the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 370 until they are discharged through the second holes 312 formed in the hollow fibers 370. Accordingly, since the introduced high-humidity unreacted gas flows through the respective spaces divided in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 370, the humidification efficiency can be improved by supplying moisture and heat to the hollow fiber membranes 370 .

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 분할판(360)은 양 말단 또는 제 1 커버부(320) 쪽의 말단에 설치된 2중 격벽(361)을 포함할 수 있다. 상기 2중 격벽(361)의 상부로부터 하부에 이르기까지 슬릿(362)이 형성됨에 따라, 상기 분할판(360)은 상하부가 관통된 형상을 가지게 된다. 이와 같이 상하부가 관통된 형상을 갖는 분할판(360)을 가지기 때문에 제 2 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스가 자유롭게 막 하우징(310)의 상하부를 흐를 수 있고, 이에 따라 고습의 미반응 가스가 막 하우징(310) 내의 각 분할 공간에 균일하게 공급될 수 있다. 즉, 막 하우징(310) 상부로 고습의 미반응 가스가 과도하게 흐를 경우 상부를 흐르는 고습의 미반응 가스가 2중 격벽(361)의 슬릿(362)을 통해 하부로 흐르게 됨에 따라, 상기 막 하우징(310)의 상하부에 고르게 고습의 미반응 가스가 공급된다.As shown in FIG. 6, the partition plate 360 may include a double partition wall 361 provided at both ends or at the ends of the first cover part 320. As the slit 362 is formed from the upper portion to the lower portion of the double partition wall 361, the partition plate 360 has a shape penetrating the upper and lower portions. Since the partition plate 360 having the upper and lower parts penetrated as described above, the high-humidity unreacted gas introduced through the second inlet 321 can freely flow over the upper and lower portions of the membrane housing 310, Unreacted gas can be uniformly supplied to each divided space in the film housing 310. [ That is, when high-humidity unreacted gas flows excessively over the membrane housing 310, the unreacted high-humidity gas flowing in the upper portion flows downward through the slits 362 of the double partition wall 361, The unreacted gas of high humidity is uniformly supplied to the upper and lower portions of the fuel tank 310.

결과적으로, 상기 분할판(360)에 의해 막 하우징(310)의 내부가 다수의 공간으로 분할됨에 따라 유입된 고습의 미반응 가스는 상기 막 하우징(310)으로부터 배출되기 전까지 쏠림 현상이 없이 고르게 가습에 이용될 수 있다.As a result, since the inside of the membrane housing 310 is divided into a plurality of spaces by the partition plate 360, the unreacted high-humidity gas introduced into the membrane housing 310 can be uniformly humidified Lt; / RTI >

상기 분할판(360)의 슬릿(362) 형상은 사각형, 원형 등 다양한 형상을 가질 수 있고, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The shape of the slit 362 of the partition plate 360 may have various shapes such as a quadrangle and a circle, and the shape is not limited thereto.

상기 분할판(360)은 좌우 면에 천공된 형상을 가질 수 있다. 즉, 분할판(360)의 천공됨에 따라, 막 하우징(310)의 일 분할된 공간에 있는 미반응 가스가 다른 분할된 공간으로 흐르게 된다. 따라서, 미반응 가스가 막 하우징(310) 내부 전체에 보다 고르게 공급되게 된다. 상기 천공 형상은 사각형, 원형, 타원형, 슬릿형, 사선 슬릿형, 메쉬형 등 다양한 형상일 수 있고, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The partition plate 360 may have a perforated shape on the right and left sides. That is, as the partition plate 360 is perforated, unreacted gas in one divided space of the membrane housing 310 flows into another divided space. Accordingly, unreacted gas is supplied more uniformly to the entire inside of the film housing 310. The perforation shape may be various shapes such as a quadrangle, a circle, an ellipse, a slit, a slit, and a mesh, but is not limited thereto.

도 2는 종래 연료전지용 가습기의 도 1의 I-I´절단면을 나타낸 것이다. 2 is a sectional view taken along line I-I 'of FIG. 1 of a conventional humidifier for a fuel cell.

대칭적인 형태를 갖는 원통형 가습기의 경우 입구 및 출구의 비대칭으로 인한 공기 흐름의 편중 현상은 무시할만 하다. 하지만, 도 2에 도시한 바와 같이, 장착 용이성 및 콤팩트화를 위하여 개발된 박스 형태를 갖는 각형 가습기는 중공사막(370)이 막 하우징(310) 내에 균일한 밀집도로 집적될 경우 입구 및 출구의 비대칭성으로 인한 공기 흐름의 편중 현상이 필연적으로 발생하게 된다. In the case of a cylindrical humidifier with a symmetrical shape, the bias of air flow due to asymmetry of inlet and outlet is negligible. However, as shown in FIG. 2, when the hollow fiber membrane 370 is integrated in the membrane housing 310 at a uniform density, the rectangular type humidifier having a box shape developed for ease of mounting and compacting causes asymmetry of the inlet and the outlet The air flow due to the sex is inevitably generated.

도 3은 도 2에 따른 종래 연료전지용 가습기의 막 하우징(310) 단면의 속도분포도인데, 실제 물리적인 변수 값을 가지고 유동의 수치해석을 수행한 결과이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 고온 고습의 미반응 가스가 유입된 후 배출구 쪽으로 유속이 빠르게 형성됨을 알 수 있고, 특히 출구에서 먼 부분(상대적으로 밝은 부분)의 흐름 속도가 상대적으로 떨어짐을 알 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 유속이 빠른 분할 공간에는 고습의 미반응 가스가 많이 흐르게 되고 상대적으로 유속이 느린 분할 공간에는 고습의 미반응 가스가 적게 흐르게 된다. 그 결과, 분할 공간의 위치에 따라 집적된 중공사막(370)들은 불균일한 수분을 공급받기 때문에 가습 효율이 떨어지고, 중공사막(370)의 오염 편중 현상이 심해짐에 따라 중공사막(370)의 교체주기가 짧아지는 문제가 발생한다.FIG. 3 is a velocity distribution diagram of a cross-sectional view of the membrane housing 310 of the conventional humidifier for fuel cell according to FIG. 2, which is a result of numerical analysis of the flow with actual physical variable values. As shown in FIG. 3, it can be seen that the flow velocity is rapidly formed toward the discharge port after the unreacted gas of high temperature and high humidity is introduced, and in particular, the flow rate of the portion far from the outlet (relatively bright portion) have. Accordingly, a high-humidity unreacted gas flows in a relatively high-speed divided space, and a small amount of high-humidity unreacted gas flows in a relatively low-speed divided space. As a result, the hollow fiber membranes 370 integrated according to the position of the divided space are supplied with irregular moisture, so that the humidification efficiency is lowered and the phenomenon of contamination biases of the hollow fiber membranes 370 becomes worse, The problem of shortening the cycle occurs.

도 4는 본 발명의 연료전지용 가습기의 도 1의 I-I´절단면을 나타낸 것이다. 도 5는 도 4에 따른 본 발명의 연료전지용 가습기의 막 하우징(310) 단면의 속도분포도이다.4 is a sectional view taken along line I-I 'of FIG. 1 of the humidifier for a fuel cell according to the present invention. FIG. 5 is a velocity distribution diagram of a cross-sectional view of the membrane housing 310 of the humidifier for a fuel cell according to the present invention shown in FIG.

본 발명의 연료전지용 가습기는 1 내지 2개의 가로 분할판(360) 또는 2 내지 10개의 세로 분할판(360) 또는 1 내지 2 개의 가로 분할판(360)과 2 내지 20 개의 세로 분할판(360)이 동시에 설치됨으로써 막 하우징(310) 내부 공간을 2 내지 33 개의 분할 공간으로 나눌 수 있다. The humidifier for a fuel cell of the present invention may include one or two horizontal partition plates 360 or two to ten vertical partition plates 360 or one or two horizontal partition plates 360 and two to twenty vertical partition plates 360, The inner space of the membrane housing 310 can be divided into 2 to 33 divided spaces.

상술한 바와 같이 입구 및 출구의 비대칭으로 인한 미반응 가스의 유속 흐름의 편중 현상으로 인한 가습기 효율의 저하를 방지하기 위하여 2 내지 33 개의 분할 공간 중, 도 4에 도시한 바와 같이, 미반응 가스의 유속이 상대적으로 빠른 부분의 분할 공간은 중공사막(370)의 밀집도를 높임으로써 유속의 저항을 높이고, 미반응 가스의 유속이 상대적으로 느린 분할 공간은 중공사막(370)의 밀집도를 낮춤으로써 유속의 저항을 낮춘다. 즉, 막 하우징(310)에 집적된 중공사막(370)들은 입구 및 출구의 위치에 따른 유속의 편차를 방지하기 위해 각 위치의 유속에 따라 다른 밀집도를 갖는다.As shown in FIG. 4, among the 2 to 33 divided spaces, in order to prevent the lowering of the efficiency of the humidifier due to unbalanced flow of the unreacted gas due to the asymmetry of the inlet and outlet as described above, The divided space where the flow velocity is relatively fast increases the density of the hollow fiber membrane 370 to increase the resistance of the flow velocity and the divided space in which the flow rate of the unreacted gas is relatively slow decreases the density of the hollow fiber membrane 370, Lower resistance. That is, the hollow fiber membranes 370 integrated in the membrane housing 310 have different density depending on the flow rate of each position in order to prevent the fluctuation of the flow velocity depending on the positions of the inlet and the outlet.

이와 같이, 입구 및 출구의 위치에 따라 중공사막(370)의 밀집도를 달리함에 따라, 도 5에 도시한 바와 같이, 막 하우징(310) 내부의 각 분할 공간을 흐르는 미반응 가스는 균일한 유속을 가지게 된다. 5, the unreacted gas flowing through each divided space inside the membrane housing 310 has a uniform flow rate as shown in FIG. 5 as the density of the hollow fiber membrane 370 varies according to the positions of the inlet and the outlet. I have.

상기 막 하우징(310) 내부의 상기 분할판(360)에 의해 형성된 해당 구역에서의 밀집도가 아래의 수학식 1을 만족할 수 있다. The density in the corresponding region formed by the partition plate 360 inside the film housing 310 can satisfy the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

평균 밀집도×(1+유속 편차-0.05) ≤ 해당 구역 밀집도 ≤ 평균 밀집도×(1+유속 편차+0.05)Average density × (1 + flow velocity deviation -0.05) ≤ area density ≤ average density × (1+ flow velocity deviation +0.05)

이때, 상기 유속 편차는 수학식 2를 만족하고, 상기 평균 밀집도는 수학식 3을 만족한다. At this time, the flow velocity deviation satisfies Equation (2), and the average density satisfies Equation (3).

[수학식 2]&Quot; (2) "

유속 편차 = [(해당 구역의 평균 유속 - 전체 평균 유속)/전체 평균 유속]Velocity deviation = [(average flow rate in the area - total average flow rate) / total average flow rate]

[수학식 3]&Quot; (3) "

상기 평균 밀집도 = 중공사막의 단면적/(하우징의 내부 단면적-분할판의 단면적)The average density = the cross-sectional area of the hollow fiber membrane / (the internal cross-sectional area of the housing-the cross-

예를 들어, 전체 평균 유속보다 10 % 빠른 유속을 갖는 분할 공간은 중공사막(370)을 평균 밀집도보다 10 % 더 넣어 줌으로써 유속을 10 % 정도 감속시킬 수 있고, 반대로 전체 평균 유속보다 10% 느린 유속을 갖는 분할 공간은 중공사막(370)을 평균 밀집도보다 10 % 덜 넣어 줌으로써 유속을 10 % 정도 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 막 하우징(310)의 각 분할 공간에 집적된 중공사막(370)들은 균일하게 가습될 수 있다. For example, the divided space having a flow rate 10% higher than the average average flow velocity can reduce the flow velocity by about 10% by inserting the hollow fiber membrane 370 by 10% more than the average density, and conversely, The flow rate can be increased by about 10% by inserting the hollow fiber membrane 370 by 10% less than the average density. Accordingly, the hollow fiber membranes 370 integrated in the respective divided spaces of the membrane housing 310 can be uniformly humidified.

결국, 각형 가습기의 비대칭성으로 인한 가습 효율의 저하를 극복하고 연료전지 가습기를 균일하게 작동시킴으로써 가습 효율을 극대화시킬 수 있기 때문에 콤팩트한 가습기의 설계 제작이 가능하게 된다. As a result, the humidification efficiency can be maximized by overcoming the deterioration of the humidification efficiency due to the asymmetry of the square type humidifier and operating the fuel cell humidifier uniformly, thus making it possible to design and manufacture a compact humidifier.

상기 막 하우징(310)의 제 2 말단부에는 저습의 미반응 가스를 외부로 배출하기 위한 제 2 배출구(331)가 형성된 제 2 커버부(330)가 형성되어 있다. 상기 제 2 배출구(331)는 상기 제 2 커버부(330) 하부에 형성될 수 있고 직사각형 형상을 가질 수 있다.The second cover part 330 is formed at the second end of the membrane housing 310 with a second outlet 331 for discharging low-humidity unreacted gas to the outside. The second outlet 331 may be formed under the second cover 330 and may have a rectangular shape.

상기 제 2 커버부(330)의 내면과 상기 막 하우징(310)의 제 2 말단부 사이에는 실링부(미도시)가 설치되어 수분을 상실한 미반응 가스가 제 2 배출구(331)로만 배출되도록 한다.A sealing portion (not shown) is provided between the inner surface of the second cover portion 330 and the second end portion of the membrane housing 310 so that unreacted gas having moisture loss is discharged to the second outlet 331 only.

상기 제 1 커버부(320)의 말단에는 제 1 배출구(351)가 형성된 제 1 캡(350)이 장착된다. 상기 제 1 배출구(351)를 통해 중공사막(370)으로부터 수분을 부여받은 반응 가스가 배출되어 연료전지에 공급된다.A first cap 350 having a first outlet 351 is mounted at a distal end of the first cover 320. The reactant gas supplied with moisture from the hollow fiber membrane 370 through the first outlet 351 is discharged and supplied to the fuel cell.

상기 제 2 커버부(330)의 말단에는 제 1 유입구(341)가 형성된 제 2 캡(340)이 장착된다. 상기 제 1 유입구(341)를 통해 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스가 유입된다. A second cap 340 having a first inlet 341 is mounted at the end of the second cover 330. High-humidity unreacted gas discharged from the stack flows through the first inlet 341.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Next, the operation of the humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

연료전지로 공급될 반응가스가 제 1 유입구(341)를 통해 가습기로 유입되는 것과 동시에, 스택으로부터 배출되는 고습의 미반응 가스가 제 2 유입구(321)를 통해 제 1 커버부(320) 내부로 유입된다. 이렇게 유입된 고습의 미반응 가스는 제 1 홀(311)을 통해 막 하우징(310) 내부로 공급된다. 이때, 고습의 미반응 가스는 2중 격벽(361)의 슬릿(362)을 통해 막 하우징(310)의 상부 및 하부로 자유롭게 흐르고, 이에 따라 고르게 막 하우징(310) 전체에 고습의 미반응 가스가 공급된다. The reactive gas to be supplied to the fuel cell flows into the humidifier through the first inlet port 341 and the unreacted high-humidity gas discharged from the stack flows into the first cover portion 320 through the second inlet port 321 ≪ / RTI > The high-temperature unreacted gas thus introduced is supplied into the film housing 310 through the first hole 311. At this time, the high-humidity unreacted gas flows freely through the slits 362 of the double partition wall 361 to the upper and lower portions of the membrane housing 310, .

한편, 입구 및 출구의 비대칭으로 인해 발생하는 미반응 가스의 각 분할 공간에서의 유속 편차를 줄이기 위해, 도 4와 같이 중공사막(370)의 밀집도를 분할 공간 유속을 고려하여 조절한다. 상기 중공사막(370)의 밀집도가 조절된 막 하우징(310)의 각 분할 공간을 고습의 미반응 가스는 균일한 속도로 흐르게 된다. 이때, 제 1 유입구(341)를 통해 유입된 반응가스는 중공사막(370)의 중공부를 따라 흐르고 제 2 배출구(331)를 통해 연료전지 내로 보내진다. 제 1 유입구(341)를 통해 유입된 반응가스는 건조한 상태이지만, 막 하우징(310) 내부로 유입된 미반응 가스는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(370) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(370) 내외의 습도 차이로 인해 미반응 가스의 수분이 중공사막(370)을 통해 선택적으로 투과하게 되고 상기 중공사막(370)의 중공부를 흐르는 반응가스에 공급된다.4, the density of the hollow fiber membrane 370 is adjusted in consideration of the divided space flow rate in order to reduce the fluctuation in the flow velocity in each divided space of the unreacted gas generated due to the asymmetry of the inlet and the outlet. The high-humidity unreacted gas flows through each divided space of the membrane housing 310 in which the concentration of the hollow fiber membrane 370 is adjusted at a uniform rate. At this time, the reaction gas introduced through the first inlet 341 flows along the hollow portion of the hollow fiber membrane 370 and is sent into the fuel cell through the second outlet 331. Since the unreacted gas introduced into the membrane housing 310 contains a large amount of water, the humidity difference occurs inside and outside the hollow fiber membrane 370 do. Due to the difference in humidity inside and outside the hollow fiber membrane 370, moisture of the unreacted gas is selectively transmitted through the hollow fiber membrane 370 and supplied to the reaction gas flowing through the hollow part of the hollow fiber membrane 370.

반면, 미반응 가스는 중공사막(370)을 통해 반응 가스에 수분을 공급함으로써 점차 건조되고, 이렇게 건조된 미반응 가스는 다수의 제 2 홀(312) 및 제 2 배출구(331)를 통해 가습기 밖으로 배출된다.On the other hand, the unreacted gas is gradually dried by supplying moisture to the reaction gas through the hollow fiber membrane 370, and the unreacted gas thus dried is discharged through the plurality of second holes 312 and the second outlet 331 to the outside of the humidifier .

결과적으로, 상술한 작동 원리에 의해, 원래의 반응가스보다 높은 습도를 갖는 반응가스를 연료전지에 공급할 수 있게 된다.As a result, according to the above-described operating principle, it becomes possible to supply the fuel cell with a reaction gas having a higher humidity than the original reaction gas.

본 발명의 연료전지용 가습기에 의하면, 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기 내의 각 중공사막(370)에 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. According to the humidifier for a fuel cell of the present invention, the unreacted gas containing water is uniformly supplied to the hollow fiber membranes 370 in the humidifier, so that the contamination of the membrane is not concentrated in any one place, It is possible to delay the contamination of the membrane as much as possible and increase the replacement cycle of the film, thereby reducing maintenance and repair costs of the humidifier.

310 : 막 하우징 311 : 제 1 홀
312 : 제 2 홀 320 : 제 1 커버부
321 : 제 2 유입구 330 : 제 2 커버부
331 : 제 2 배출구 340 : 제 2 캡
341 : 제 1 유입구 350 : 제 1 캡
351 : 제 1 배출구 360 : 분할판
361 : 2중 격벽 362 : 슬릿
370 : 중공사막 310: membrane housing 311: first hole
312: second hole 320: first cover part
321: second inlet port 330: second cover portion
331: second outlet 340: second cap
341: first inlet port 350: first cap
351: first outlet 360: partition plate
361: Double partition wall 362: Slit
370: hollow fiber membrane

Claims (7)

제 1 홀이 형성된 제 1 말단부 및 상기 제 1 말단부의 반대 측에 위치하고 제 2 홀이 형성된 제 2 말단부를 포함하고 내부에 공간이 형성된 막 하우징;
상기 막 하우징 내에 설치된 분할판;
상기 분할판에 의해 형성된 다수의 분할 공간들에 각각 집적되는 중공사막들 - 상기 분할 공간들은 상기 중공사막들의 길이방향에 수직인 방향으로 나란히 배열되어 있고, 적어도 2개의 상기 분할 공간들 내에는 상기 중공사막들이 상이한 밀집도로 각각 집적되며, 상기 중공사막들 각각의 양 말단들은 상기 막 하우징의 양 말단부들에 각각 포팅되어 있음 -;
스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 유입시키기 위한 제 2 유입구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 1 말단부를 덮고 있는 제 1 커버부; 및
저습의 미반응 가스를 배출시키기 위한 제 2 배출구가 형성되고 상기 막 하우징의 제 2 말단부를 덮고 있는 제 2 커버부를 포함하는 연료전지용 가습기.A membrane housing including a first end formed with a first hole and a second end positioned on the opposite side of the first end and having a second hole formed therein, the membrane housing having a space therein;
A partition plate provided in the film housing;
Wherein the hollow spaces are arranged side by side in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membranes, and at least two of the hollow spaces are filled with hollow The deserts are respectively integrated at different densities, wherein both ends of each of the hollow fiber membranes are respectively ported at both ends of the membrane housing;
A first cover portion formed with a second inlet for introducing high-humidity unreacted gas discharged from the stack and covering a first end portion of the membrane housing; And
And a second cover portion covering a second end portion of the membrane housing, the second cover portion being formed with a second outlet for discharging low-humidity unreacted gas. 제1항에 있어서,
상기 분할판은 양 말단부 또는 제 1 말단부에 2중 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.The method according to claim 1,
Wherein the partition plate is formed with a double partition wall at both end portions or at a first end portion thereof. 제1항에 있어서,
상기 분할판은 1 내지 2개의 가로 분할판 또는 2 내지 10개의 세로 분할판 또는 1 내지 2 개의 가로 분할판과 2 내지 10 개의 세로 분할판이 동시에 설치된 분할판을 포함하는 연료전지용 가습기.The method according to claim 1,
Wherein the partition plate includes one to two horizontal partition plates or two to ten vertical partition plates or one or two horizontal partition plates and two to ten vertical partition plates at the same time. 제1항에 있어서,
상기 막 하우징 내부의 상기 분할판에 의해 형성된 해당 분할 공간에서의 해당 구역 밀집도가 아래의 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기:
[수학식 1]
평균 밀집도×(1+유속 편차-0.05) ≤ 해당 구역 밀집도 ≤ 평균 밀집도×(1+유속 편차+0.05)
이때, 상기 유속 편차는 수학식 2를 만족하고, 상기 평균 밀집도는 수학식 3을 만족한다.
[수학식 2]
유속 편차 = [(해당 구역의 평균 유속 - 전체 평균 유속)/전체 평균 유속]
[수학식 3]
상기 평균 밀집도 = 중공사막의 단면적/(하우징의 내부 단면적-분할판의 단면적)The method according to claim 1,
Wherein the density of the zone in the divided space defined by the partition plate inside the membrane housing satisfies the following expression (1): < EMI ID = 1.0 >
[Equation 1]
Average density × (1 + flow velocity deviation -0.05) ≤ area density ≤ average density × (1+ flow velocity deviation +0.05)
At this time, the flow velocity deviation satisfies Equation (2), and the average density satisfies Equation (3).
&Quot; (2) "
Velocity deviation = [(average flow rate in the area - total average flow rate) / total average flow rate]
&Quot; (3) "
The average density = the cross-sectional area of the hollow fiber membrane / (the inner cross-sectional area of the housing-the cross- 제1항에 있어서,
상기 제 1 커버부에 장착되고 반응가스를 배출하는 제 1 배출구가 형성된 제 1 캡을 더 포함하는 연료전지용 가습기.The method according to claim 1,
And a first cap mounted on the first cover portion and having a first outlet for discharging the reaction gas. 제1항에 있어서,
상기 제 2 커버부에 장착되고 반응가스가 유입되는 제 2 유입구가 형성된 제 2 캡을 더 포함하는 연료전지용 가습기.The method according to claim 1,
And a second cap mounted on the second cover portion and having a second inlet through which a reaction gas is introduced. 제1항에 있어서,
상기 연료전지용 가습기는 각형을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.The method according to claim 1,
Wherein the humidifier for a fuel cell has a square shape.
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