KR101765926B1 - 연료전지용 막 가습기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공사막쪽으로 연장되는 내부 관통형 유로를 이용하여 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 가습기용 하우징의 습윤공기 유입구 주변 위치에 별도의 습윤공기 유입을 위한 내부 관통형 유로를 형성하되, 중공사막 모듈내에 배치되는 중공사막 다발의 중앙부쪽으로 연장 배열되는 구조로 형성하여, 습윤공기가 내부 관통형 유로를 통해 중공사막 모듈의 중앙부까지 용이하게 침투되도록 함으로써, 중공사막 모듈의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 막 가습기{Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공사막쪽으로 연장되는 내부 관통형 유로를 이용하여 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
연료전지 스택의 작동을 위해서는 연료전지 스택내의 고분자 전해질 막에 대한 가습이 필요하며, 이에 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 별도의 막 가습기가 사용되고 있다.
가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기가 적용되고 있고, 특히 연료전지에 사용되는 막 가습기로서 중공사막을 이용한 것이 적합하게 사용되고 있다.
첨부한 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 구성중 연료전지 스택에 공기(산소)를 공급하는 공기공급 시스템에 막 가습기가 포함되며, 공기블로워(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)에 공급되고, 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출된 배출가스가 막 가습기(100)내를 통과하게 되며, 이때 배출가스에 함유된 수분이 막 가습기내의 중공사막을 통과하면서 건조공기가 가습되어진다.
첨부한 도 4 내지 도 6을 참조로, 중공사막을 포함하는 종래의 막 가습기에 대한 구성 및 작용을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 막 가습기(100)는 하우징(101: housing)을 포함하고, 이 하우징(101)에는 건조공기(air)를 도입하는 공급구(102) 및 건조공기를 배출하는 배출구(103)가 형성되어 있고, 특히 상기 하우징(101)의 내부에는 중공사막 모듈(107)이 배치되어 있으며, 또한 상기 중공사막 모듈(107) 내부에는 다수의 중공사막(106)이 수납되어 있다.
또한, 상기 하우징(101)에는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 유입구(104)가 형성되고, 그 반대편에는 습윤공기의 배출을 위한 유출구(105)가 형성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 중공사막을 이용한 막 가습기의 동작을 살펴보면, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막 모듈(107)의 내부로 공급되면, 그 내부의 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 유출구(105)를 통해 배출된다.
한편, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되는데, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내측을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 배출구(103)를 통하여 연료전지 스택쪽으로 공급되어진다.
그러나, 상기 중공사막 모듈(107)은 다수의 중공사막(106) 다발이 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 모듈의 내부로 침투하는데 어려움이 있고, 더욱이 습윤공기가 중공사막을 통해 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 습윤공기가 중공사막의 내부로 침투하는데 더욱 큰 어려움이 있다.
특히, 상기 하우징(101)에 수납되어 있는 중공사막 모듈(107)에 있어서, 중공사막 모듈(107)의 외측을 통과하는 습윤공기가 하우징(101) 내에서 도 6의 은선 박스로 나타낸 중공사막 모듈(107)의 중심부로 침투하지 못하고, 도 6의 화살표에 표시된 바와 같이 주로 가장자리로 흐르게 되어, 결국 습윤공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 건조공기에 대한 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
또한, 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도 6에서 은선 박스로 표시된 부분)으로 많이 흐르기 때문에 전체적인 가습 장치의 효율이 더욱 떨어지게 되는 문제점이 있다.
다시 말해서, 하우징(101)의 일측단부에 원주면을 따라 관통 형성된 다수개의 유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 모듈의 외곽방향을 따라 주로 흐르게 됨에 따라, 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분을 통해 주로 흐르는 건조공기와의 접촉 정도가 떨어질 수 밖에 없는 구조적 모순이 있어, 가습 효율이 떨어질 수 밖에 없다.
결국, 종래의 막 가습기는 중공사막 모듈(107)에서 모듈 중심부에 위치된 중공사막은 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이러한 이유로 인하여 가습 장치의 전체적인 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점은 첨부한 도 8의 시뮬레이션 실험 결과에서 잘 볼 수 있다.
즉, 도 8에서 보는 바와 같이 건조공기의 대부분이 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.
다시 말해서, 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기는 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도 6에서 은선 박스 표시 부분)으로 주로 흐르고, 유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤공기는 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분으로 흐르다 보니, 막 가습기의 가습 효율이 떨어지는 문제점이 발생하고 있고, 이러한 문제점은 특히 건조공기의 유량이 클 때, 즉 연료전지 스택에서 고출력을 낼 때 더 큰 영향을 미친다.
본 발명은 상기와 같은 기존의 막 가습기가 갖는 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 하우징의 습윤공기 유입구 주변 위치에 별도의 습윤공기 유입을 위한 내부 관통형 유로를 형성하되, 중공사막 모듈내에 배치되는 중공사막 다발의 중앙부쪽으로 연장 배열되는 구조로 형성하여, 습윤공기가 내부 관통형 유로를 통해 중공사막 모듈의 중앙부까지 용이하게 침투되도록 함으로써, 중공사막 모듈의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일측단부의 원주면을 따라 다수개의 습윤공기 유입구가 관통 형성된 중공형 하우징과, 이 하우징의 내부에 배치되는 중공사막 모듈을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서, 상기 습윤공기 유입구의 주변 위치에 하우징의 내부로 연장되는 내부 관통형 유로를 일체로 형성하여, 습윤공기가 내부 관통형 유로를 따라 중공사막 모듈의 내부까지 공급될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 내부 관통형 유로는 각 습윤공기 유입구의 사이 위치에 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 내부 관통형 유로는 각 습윤공기 유입구의 사이 위치에 관통된 유도구와, 표면에 습윤공기 배출홀이 관통된 중공형 구조로서 유도구로부터 하우징의 내부로 연장되는 습윤공기 유도체로 구성된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 습윤공기 유도체는 하우징의 내부로 갈수록 점차 좁아지는 다각기둥 형상으로 형성되고, 다각기둥을 이루는 전체 표면에 걸쳐 다수의 습윤공기 배출홀이 관통 형성된 것임을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 가습기용 하우징의 습윤공기 유입구 주변 위치에 별도의 습윤공기 유입을 위한 내부 관통형 유로를 일체로 형성하되, 중공사막 모듈내에 배치되는 중공사막 다발의 중앙부쪽으로 연장 배열되는 구조로 형성하여, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 나온 습윤공기가 내부 관통형 유로를 통해 중공사막 모듈의 중앙부까지 공급되도록 함으로써, 중공사막 모듈의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 내부 관통형 유로를 통해 중공사막 다발의 중심부쪽까지 습윤공기가 용이하게 공급됨에 따라, 중공사막 다발의 중심부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습이 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 내부 관통형 유로가 차지하는 공간에 중공사막 다발이 배열되지 않게 되므로, 고가의 중공사막 다발 수를 줄여서 원가 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 종단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 횡단면도,
도 4는 종래의 연료전지용 막 가습기를 나타내는 사시도,
도 5는 종래의 연료전지용 막 가습기를 나타내는 종단면도,
도 6은 종래의 연료전지용 막 가습기를 나타내는 횡단면도,
도 7은 연료전지 시스템의 공기 공급 시스템을 설명하는 개략도,
도 8은 종래의 연료전지용 가습기에서 발생되는 문제점을 설명하는 시뮬레이션 실험 결과 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 공기블로워의 구동에 의하여 가습기용 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기(외기)는 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분 즉, 다수의 다발을 이루는 중공사막들중 그 중앙부에 배열된 중공사막들의 내부를 따라 주로 흐르고, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출되는 습윤공기는 하우징(101)의 유입구(104)를 통하여 유입되어 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분즉, 다수의 다발을 이루는 중공사막들중 외주부에 배열된 중공사막들의 외부를 따라 주로 흐르다 보니, 건조공기와 습윤공기 간의 접촉 정도가 떨어질 수 밖에 없는 구조적 모순이 있어, 가습 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 건조공기가 주로 흐르는 중공사막 다발의 중앙부쪽으로 습윤공기를 공급하여, 건조공기와 습윤공기 간의 접촉 정도를 증가시켜 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명은 가습기용 하우징(101)에 내부로 연장되는 내부 관통형 유로(110)를 일체로 형성하여, 습윤공기가 내부 관통형 유로(110)를 따라 중공사막 다발들중 중심부에 배열된 중공사막들에 도달되도록 한다.
상기 하우징(101)은 중공형 구조로서, 하우징(101)의 일측 개방부는 공기블로워로부터 유입되는 건조공기의 공급구(102)로 형성되고, 타측 개방부는 가습된 건조공기가 연료전지 스택으로 배출되는 배출구(103)로 형성되며, 또한 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 나온 습윤공기가 유입되는 다수개의 유입구(104)가 배출구(103)의 외주부에서 그 둘레방향을 따라 등간격으로 형성되고, 잔여 습윤공기가 빠져나가는 다수개의 유출구(105)가 공급구(102)의 외주부에 형성된다.
여기서, 상기 습윤공기 유입구(104)의 주변 위치에 하우징(101)의 내부로 연장되는 중공형의 내부 관통형 유로(110)가 일체로 형성됨으로써, 습윤공기가 내부 관통형 유로(110)를 따라 중공사막 모듈(107)의 중심부 즉, 중공사막 다발들중의 중심부에 배열된 중공사막 다발들에 까지 공급될 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 내부 관통형 유로(110)는 각 습윤공기 유입구(104)로 습윤공기가 유입되는 것을 방해하지 않도록 각 습윤공기 유입구(104)의 사이 위치에 일체로 형성되도록 한다.
보다 상세하게는, 상기 내부 관통형 유로(110)는 각 습윤공기 유입구(104)의 사이 위치에 관통 형성되는 유도구(112)와, 이 유도구(112)의 주변에 일체가 되면서 하우징(101)의 내부로 연장되는 습윤공기 유도체(116)로 구성되고, 이 습윤공기 유도체(116)의 전체 표면에는 다수의 습윤공기 배출홀(114)이 관통 형성된다.
특히, 상기 습윤공기 유도체(116)는 하우징(101)의 내부로 갈수록 점차 좁아지는 다각기둥 형상으로 형성하는 것이 좋으며, 그 이유는 하우징(101)의 내부에 배열되는 중공사막 다발이 적정의 갯수로 배열될 수 있는 공간을 확보하기 위함에 있다.
물론, 상기 습윤공기 유도체(116)는 하우징(101)의 내부로 갈수록 점차 그 단면적이 좁아지는 다각기둥 이외에 원추형, 원형 또는 타원형 기둥 등의 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 막 가습기의 가습 동작을 살펴보면 다음과 같다.
공기블로워의 구동에 의하여 건조공기(외기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되면, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내부 통하여 이동하게 된다.
이때, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막 모듈(107)로 공급되면, 각 중공사막의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 각 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이와 함께, 상기 습윤공기가 내부 관통형 유로(110)의 유도구(112)를 통해 유입되어, 습윤공기 유도체(116)를 따라 이동하는 동시에 습윤공기 유도체(116)에 형성된 습윤공기 배출홀(114)을 통해 중공사막 다발들중 중심부에 배열된 중공사막들에 공급된다.
따라서, 중공사막 다발들중 중심부에 배열된 중공사막(106)에까지 습윤공기가 공급되어, 마찬가지로 중공사막의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중심부에 배열된 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이와 같이, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)를 통과하여 중공사막 모듈(107)의 구성중 외곽쪽에 배열된 중공사막들에 공급되는 동시에 습윤공기가 내부 관통형 유로(110)를 통해 중심부에 배열된 중공사막들에도 공급됨으로써, 전체 중공사막 다발의 내부를 흐르는 건조공기에 대한 고른 가습이 이루어질 수 있다.
특히, 중공사막 다발중 중심부에 배열된 중공사막들을 따라 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 습윤공기로부터 분리된 수분이 모세관 현상에 의하여 각 중공사막(106)의 내측으로 이동되면, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되고, 가습된 건조공기는 하우징(101)의 배출구(103)를 빠져나가서 연료전지 스택쪽으로 공급된다.
100 : 막 가습기 101 : 하우징
102 : 공급구 103 : 배출구
104 : 유입구 105 : 유출구
106 : 중공사막 107 : 중공사막 모듈
110 : 내부 관통형 유로 112 : 유도구
114 : 습윤공기 배출홀 116 : 습윤공기 유도체
200 : 연료전지 스택 202 : 공기블로워

Claims (4)

  1. 일측단부의 원주면을 따라 다수개의 습윤공기 유입구(104)가 관통 형성된 중공형 하우징(101)과, 이 하우징(101)의 내부에 배치되는 중공사막 모듈(107)을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서,
    상기 습윤공기 유입구(104)의 주변 위치에 하우징(101)의 내부로 연장되는 내부 관통형 유로(110)를 일체로 형성하여, 습윤공기가 내부 관통형 유로(110)를 따라 중공사막 모듈(107)의 중심부 영역까지 공급될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 관통형 유로(110)는 각 습윤공기 유입구(104)의 사이 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 관통형 유로(110)는 각 습윤공기 유입구(104)의 사이 위치에 관통된 유도구(112)와, 표면에 습윤공기 배출홀(114)이 관통된 중공형 구조로서 유도구(112)로부터 하우징(101)의 내부로 연장되는 습윤공기 유도체(116)로 구성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 습윤공기 유도체(116)는 하우징의 내부로 갈수록 점차 좁아지는 형상으로 형성되고, 그 전체 표면에 걸쳐 다수의 습윤공기 배출홀(114)이 관통 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
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