KR101986409B1 - 수분 교환기 및 그를 포함하는 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)을 포함하는, 2가지 기체 사이에서 수분을 전달하기 위한 수분 교환기(10)에 관한 것이다. 본 발명은, 수분 교환기(10)가 중공 섬유 멤브레인들(12) 사이에 적어도 하나의 격벽(34)을 포함하는 것, 및 상기 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)이, 적어도 이 중공 섬유 멤브레인들의 적어도 길이방향 연장부의 섹션(36)에서, 평행한 연결 영역들(38)로 세분화되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 추가로, 상기 유형의 수분 교환기(10)를 포함하는 연료 전지 장치(50)에 관한 것이다.

Description

수분 교환기 및 그를 포함하는 연료 전지 장치{MOISTURE EXCHANGER AND FUEL CELL ARRANGEMENT COMPRISING SAME}
본 발명은, 복수의 중공 섬유 멤브레인을 포함하는, 2가지 기체 사이에서 수분을 전달하기 위한 수분 교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 추가로, 상기 수분 교환기를 포함하는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
연료 전지들은, 전기 에너지를 생성하기 위해, 물을 생성하는 산소와 연료의 화학 반응을 이용한다. 이를 위해, 연료 전지들은, 핵심 부품으로서, 양자 전도성 멤브레인 및 이 멤브레인의 양 측부 상에 위치하게 되는 개별적인 전극(애노드 및 캐소드)의 조합인, 이른바 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)를 포함한다. 부가적으로, 가스 확산층들(GDL)이, 멤브레인 전극 어셈블리의 양 측부 상의 멤브레인으로부터 멀어지게 향하는 전극들의 측면들 상에 위치하게 될 수 있을 것이다. 일반적으로, 연료 전지는, 자체의 전기 출력이 가산되는, 스택(stack) 내에 배열되는, 복수의 MEA에 의해 형성된다. 연료 전지의 작동 도중에, 연료, 특히 수소(H2), 또는 수소 함유 기체 혼합물은, 애노드로 공급되며, 이 애노드에서 H2 로부터 H+로의 전기화학적 산화가 발생하여, 전자들을 방출하도록 한다. 애노드 영역으로부터 캐소드 영역으로 양자들(H+)의 (물 결합식 또는 무수식) 운반이, 반응 챔버들을 기밀 방식으로 서로 분리하며 이들을 전기적으로 절연하는 전해질 또는 멤브레인을 통해, 일어난다. 애노드에 제공되는 전자들은, 전선을 통해 캐소드로 공급된다. 캐소드는, 산소 또는 산소 함유 기체 혼합물을 공급받게 되며, 따라서 O2 로부터 O2- 로의 환원이 일어나, 전자들을 흡수하도록 한다. 이와 동시에, 이러한 산소 이온들은, 캐소드 영역 내에서, 멤브레인을 경유하여 운반된 양자들과 반응하여, 물을 형성한다. 화학적 에너지의 전기적 에너지로의 직접적인 변환으로 인해, 연료 전지들은, 카르노 계수(Carnot factor)를 회피함에 의해, 다른 에너지 변환기들에 비해, 낮은 프로세스 온도에서 상대적으로 더 높은 효율을 달성한다.
현재 가장 진보된 연료 전지 기술은, 멤브레인 자체가 중합체 전해질로 이루어지는, 중합체 전해질 멤브레인(polymer electrolyte membrane: PEM)을 기반으로 한다. 이를 위해 흔히, 산 개질 중합체들, 특히 과불화 중합체들이 이용된다. 이러한 종류의 중합체 전해질들 중 가장 널리 보급된 대표적인 것은, 술폰화 폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체(상품명: Nafion; 테트라플루오로에틸렌과, 페르플루오로알킬비닐에테르의 술포닐산 플루오라이드 유도체로 이루어진 공중합체)로 이루어진 멤브레인이다. 이 경우, 전해질 전도는, 수화된 양자들을 통해 일어나며, 이것이 물의 존재가 양자 전도성을 위한 조건인 이유이며, 그리고 PEM 연료 전지의 작동 도중에 작동 기체들의 습윤화하는 것이 필요하다. 물에 대한 필요성으로 인해, 표준 압력 조건에서, 이러한 연료 전지들의 최대 작동 온도는 100℃ 미만으로 제한된다. 자체의 전해질 전도성이 정전기적 배위 결합(electrostatic coordinative bond)의 도움으로 중합체 전해질 멤브레인(예컨대, 인산 도핑된 폴리벤즈이미다졸(PBI) 멤브레인)의 중합체 주쇄(polymer backbone)에 결합되는 전해질을 기반으로 하며 그리고 160℃의 온도에서 작동하게 되는, 고온 중합체 전해질 멤브레인 연료 전지(HT-PEM 연료 전지)와 구별되는, 이러한 연료 전지 유형은 또한, 저온 중합체 전해질 멤브레인 연료 전지(LT-PEM 연료 전지)로도 지칭된다.
DE 10 2004 022 310 B4는, 다발(bundle) 내에 위치하게 되는 중공 섬유 멤브레인들을 포함하는 수분 교환기 모듈을 설명한다. 다발의 중심에, 자체의 축 방향 범위의 중심에서 차단 요소(blocking element)에 의해 폐쇄되는 천공된 튜브가, 축 방향으로 다발을 통해 연장된다. 또한, 중공 섬유 멤브레인들 사이에 제공되는 다발의 중공 챔버들 역시, 다발의 축 방향 범위의 중심에서 차단 요소에 의해 폐쇄된다. 작동 도중에, 연료 전지의 습윤 배기가스는, 개별적인 중공 섬유 멤브레인들을 통해 유동한다. 연료 전지로 공급되는 습윤화될 공기는, 튜브의 단부들 중 하나를 통해 튜브 내로 유입되고, 천공부(perforation)를 경유하여 차단 요소의 상류에서 튜브를 떠나게 되며, 그리고, 부분적으로 반경 방향으로 및 부분적으로 축 방향으로, 다발의 중공 챔버들을 통해 외측으로 유동한다. 그런 다음, 습윤화될 공기는, 다발 내의 차단 요소의 둘레를 따라 유동하며, 그리고 다시, 부분적으로 반경 방향으로 그리고 부분적으로 축 방향으로, 차단 요소의 다른 측부 상의 중공 챔버들을 통해 튜브의 천공부로 유동한다. 이러한 방식으로, 교차 유동 및 역류 유동 혼합형의 수분 교환기가 구현된다.
DE 10 2008 028 832 A1은, 층들 내에 위치하게 되며 그리고 층들 상의 복수의 트랙 내에 위치하게 되는 연결 수단에 의해 고정되는, 중공 섬유들을 포함하는 습윤기를 설명한다. 이 경우, 상기 트랙들은 중공 섬유들에 대해 횡방향으로 지향된다. 트랙들을 통해, 미로형 유동 가이드가 달성된다.
도 1에 따르면, 복수의 중공 섬유(12)를 구비하는, 교차 유동 원리에 따라서 설계된, 수분 교환기(10)가 추가로 공지된다. 수분 교환기(10)의 작동 도중에, 제습될 기체(14)가, 중공 섬유들(12)의 개방 단부들(13) 내로 유입되며 그리고 중공 섬유들(12)을 통해 유동한다. 동일한 중공 섬유들(12)의 반대편 개방 단부들(13)로부터, 제습된 가스(16)가 중공 섬유들(12) 밖으로 유출된다. 습윤화될 가스(18)가, 유입 매니폴드(20)(inlet manifold) 내로 유입되며 그리고 유입 매니폴드(20) 내에서 중공 섬유들(12)의 길이 및 폭에 걸쳐 분배되고, 이러한 유입 매니폴드로부터 습윤화될 가스(18)는 중공 섬유들(12)의 외표면들을 둘레로 유출 매니폴드(22)까지 유동한다. 그런 다음, 습윤화된 가스(24)는, 유출 매니폴드(22)를 경유하여, 수분 교환기(10)를 떠난다.
본 발명의 과제는 증가된 효율을 갖는 수분 교환기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 복수의 중공 섬유 멤브레인을 포함하는, 2가지 기체 사이에서 수분을 전달하기 위한 수분 교환기가 제공된다. 특징으로 하는 특성으로서, 수분 교환기가, 중공 섬유 멤브레인들 사이에 위치하게 되며 그리고 복수의 중공 섬유 멤브레인을, 이 중공 섬유 멤브레인들의 적어도 길이방향 연장부의 섹션에서, 평행한 연결 영역들(parallel connected areas)로 세분화하는, 적어도 하나의 격벽을 포함하는 것이 제공된다.
적어도 하나의 격벽이 중공 섬유 멤브레인들 사이에 위치하게 됨에 따라, 그리고 복수의 중공 섬유 멤브레인이, 이 중공 섬유 멤브레인들의 길이방향 연장부의 섹션에서 평행한 연결 영역들로 세분화됨에 따라, 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들 상에서의 작동 도중에 발생하는 유동의 주 유동 방향이, 이러한 섹션 내에서, 적어도 하나의 격벽에 의해 실질적으로 한정된다. 이러한 방식으로, 역류 유동 원리에 따라 작동하게 될 수 있는 수분 교환기가, 간단한 방식으로 생성될 수 있을 것이다. 열 교환기와 유사하게, 역류 유동 원리는, 중공 섬유 멤브레인들의 내부의 중공 챔버들을 통과하는 유동의 주 유동 방향이, 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들 상에서의 유동의 주 유동 방향과 반대로 지향된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 역류 유동 원리는 수분 교환기의 효율을 증가시키며, 그럼으로써 수분 교환기는 더욱 콤펙트한 설계를 구비할 수 있을 것이다.
중공 섬유 멤브레인들의 내부의 중공 챔버들을 통과하는 유동 및 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들 상에서의 유동은, 전형적으로 기체 유동들이며, 기체 유동들 중 하나는, 다른 기체 유동보다 더 높은 농도의 물(수증기)을 갖는다. 중공 섬유 멤브레인들은 투수성 멤브레인들이다. 그에 따라, 중공 섬유 멤브레인은, 중공 섬유 멤브레인의 외표면에 중공 섬유 멤브레인의 내부 중공 챔버를 연결하는, 횡단면에서 연속적인 채널들을 포함하는 원통형 섬유를 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
복수의 중공 섬유 멤브레인은 바람직하게 동일 방향으로 위치하게 된다. 이는, 중공 섬유 멤브레인들은 다발로서, 또는 스택으로서 배열될 수도 있다는 것을 의미한다. 달리 말하면, 중공 섬유 멤브레인들은, 섬유 묶음으로서 배열될 수 있을 것이다. 동일 방향의 배열은, 중공 섬유 멤브레인들 내부의 중공 챔버들 내에서 그리고 중공 섬유 멤브레인들 사이의 중공 챔버들 내에서 유리한 유동 조건들을 결과적으로 생성한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 적어도 하나의 격벽이 섹션 내의 평행한 연결 영역들을 기밀 방식으로 서로 분리하는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 평행한 연결 영역들 사이에서의 임의의 교차 유동이 방지되며, 그리고 순수 역류형 수분 교환기가 섹션 내에 구현된다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 수분 교환기가, 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들로부터 기체를 공급하기 위해, 특히 복수의 중공 섬유 멤브레인들에 대해 횡방향으로 위치하게 되는 유입구, 및/또는 특히 복수의 중공 섬유 멤브레인들에 대해 횡방향으로 위치하게 되는 유출구를 포함하는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 유입구 및/또는 유출구는, 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들에 유동적으로 연결된다. 복수의 중공 섬유 멤브레인들 상에 유입구 및/또는 유출구를 횡방향으로 위치시킴에 의해, 수분 교환기의 콤펙트한 외부 치수를 실현할 수 있는 가운데, 재료 비용을 또한 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 평행한 연결 영역들이 열(row)을 지어 서로 나란히 위치하게 되며, 횡방향 유입구 및/또는 횡방향 유출구가 바람직하게 이러한 열의 일측 단부에 위치하게 되는 것이 제공된다. 이런 배열 형태는, 예컨대 유입구로부터 진행하는, 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들 둘레의 유동이, 평행한 연결 영역들에 차례로 도달하는 것을, 보장한다. 적어도 하나의 격벽의 도움으로, 이러한 방식으로, 특히 효과적인 역류형 수분 교환기가 구현되며, 이런 역류형 수분 교환기에서, 격벽의 도움으로, 부가적으로 외표면들 둘레의 유동 내의 사구역들(dead zone)이, 특히 쉽게, 방지되거나, 또는 적어도 감소하게 될 수 있을 것이다.
바람직하게, 횡방향 유입구 및 횡방향 유출구가 열의 대향하는 단부들 상에 위치하게 되는 것이 제공된다. 그에 따라, 유입구 및 유출구는 또한 복수의 중공 섬유 멤브레인의 대향하는 측면들 상에 배치된다. 평행한 연결 영역들로 인해, 유동들은 따라서 동일한 길이의 경로들을 커버하여, 그럼으로써 평행한 연결 영역들은 유동에 관하여 서로 동일하다.
본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 관류 가능한 단면적이, 횡방향 유입구 및/또는 횡방향 유출구로부터 출발하여, 유입구 및/또는 유출구에서 가장 멀리 떨어져 위치하게 되는 평행한 연결된 영역을 향해, 점진적으로 감소하는 것이 제공된다. 그에 따라, 바람직하게, 단면적들의 값은, 유입구 및/또는 유출구로부터 출발하여 가장 멀리 떨어져 위치하게 되는 평행하게 연결된 영역을 향해, (엄격히) 단조롭게 감소하게 된다. 이러한 구현예들은, 유입구 및/또는 유출구를 평행한 연결 영역들에 연결하는 관류 가능한 단면적이, 체적 유량에 적합하게 맞춰지게 되는 것을 보장한다. 이러한 방식으로, 유입구 및/또는 유출구와 평행한 연결 영역들 사이의 유동 속도가, 바람직하게 일정하게 유지될 수 있으며, 그럼으로써 손실은 감소하게 된다.
본 발명의 추가의 바람직한 구현예에서, 횡방향 유입구 및 횡방향 유출구가 복수의 중공 섬유 멤브레인의 길이방향 연장부의 대향하는 단부들 상에 위치하게 된다. 이러한 방식으로, 중공 섬유 멤브레인들의 길이는 수분 전달을 위해 최적으로 활용된다.
바람직하게, 적어도 하나의 격벽은, 중공 섬유 멤브레인들의 길이방향 연장 방향에서, 횡방향 유입구와 횡방향 유출구 사이에 위치하게 된다. 이는, 유동 편향을 방지하며 그리고 그에 따라 압력 손실을 최소화한다.
바람직하게, 수분 교환기가, 유입구 및/또는 유출구와 중공 섬유 멤브레인들 사이에, 개별적인 매니폴드를 포함하는 것이 제공된다. 복수의 중공 섬유 멤브레인의 길이방향 연장 방향으로, 매니폴드는, 바람직하게, 유입구 및/또는 유출구의 최대 연장부를 갖는다. 추가로, 매니폴드의 연장부는, 복수의 중공 섬유 멤브레인의 길이방향 연장 방향으로, 유입구 및/또는 유출구의 연장부를, 최대 100%만큼, 특히 최대 50% 만큼, 바람직하게 최대 25%만큼 초과할 수 있을 것이다. 나아가, 매니폴드는 바람직하게, 복수의 중공 섬유 멤브레인의 전체 폭을 가로질러 연장된다. 이러한 방식으로, 습윤화될 기체를 수분 교환기의 전체 폭을 가로질러 분배할 수 있으며, 그리고 이러한 습윤화될 가스를 중공 섬유 멤브레인들의 전체 길이의 둘레에 가질 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 수분 교환기를 포함하는 연료 전지 장치가 제공된다. 연료 전지 장치는, 수분 교환기의 높은 효율로 인해, 특히 자체의 콤팩트한 설계를 특징으로 한다.
바람직하게, 수분 교환기의 복수의 중공 섬유 멤브레인의 외표면들이, 수분 교환기가 역류형 수분 교환기로서 작동 가능한 방식으로, 연료 전지 장치의 연료 전지의 캐소드 유입구 및 캐소드 유출구와 유동적으로 연결되는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 연료 전지의 작동 도중에, 연료 전지 반응 도중에 발생하는 물이, 수분 교환기의 도움으로 연료 전지의 배기가스로부터 인출되며 그리고 신선 공기 유동으로 공급된다. 이러한 방식으로, 연료 전지의 멤브레인의 충분한 습윤화가 보장된다. 역류형 수분 교환기로서 수분 교환기를 작동시킴에 의해, 최적의 효율이 달성된다.
본 발명의 추가적인 바람직한 구현예들이, 종속 청구항들에 설명되는 나머지 특징들로부터 추론된다.
본 출원에 설명되는 본 발명의 다양한 구체적인 실시형태들은, 개별적인 경우에서 상이하게 설계되지 않는 한, 유리하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 이하에서, 첨부 도면들에 기초하게 되는 예시적 실시예들에서 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 수분 교환기를 도시하고;
도 2는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기의 내부 구성을 도시하며;
도 3은 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기를 도시한 도면이고;
도 4는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 다른 수분 교환기를 도시한 도면이며; 그리고
도 5는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 연료 전지 장치를 도시한다.
도 1은 이미 종래 기술과 관련하여 다루어졌다.
도 2는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기(10)의 내부 구성을 도시한다. 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)이, 하우징(29)의 일부분인 하우징 프레임(26) 내에, 예를 들어 섬유 묶음 형태로로 배열되도록, 성형된다. 중공 섬유 멤브레인들(12)은, 그들의 2개의 단부 각각에, 하우징 프레임(26)을 관통하여 연장되는 개방 단부(13)를 포함한다. 추가로, 중공 섬유 멤브레인들(12)은, 도시되지 않은 채널들에 의해, 개방 단부들(13) 사이에 위치하게 되는 중공 섬유 멤브레인들(12)의 내부의 중공 챔버들과 연결되는, 외표면들(15)을 구비한다. 채널들을 통해, 수분 교환기(10)의 작동 도중에, 물(H2O)은 중공 섬유 멤브레인들(12)을 관통하여 이러한 중공 섬유 멤브레인들의 외표면들(15) 상으로 도달한다. 물은, 제습되어야 할 가스(14)로부터 유래하며 그리고 습윤화될 기체(18)로 전달된다.
도 3은 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기(10)를 도시한다. 도 2에서 제시되는 하우징 프레임(26)은, 상향 및 하향으로 하우징 커버들(28)에 의해 폐쇄되며, 이 하우징 커버들은, 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15)에 공급하기 위한, 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)에 대해 횡방향으로 위치하게 되는 유입구(30) 및/또는 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)에 대해 횡방향으로 위치하게 되는 유출구(32)를 포함한다. 그에 따라, 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15)은, 유입구(30) 및 유출구(32)를 제외하고 폐쇄되며 그리고 하우징 프레임(26) 및 하우징 커버들(28)을 포함하는, 하우징(29) 내에 위치하게 된다. 간소화된 도해를 위해, 하우징은, 도 3에서 부분적으로 투명한 도해로 도시된다. 유입구(30) 및 유출구(32)는, 그들의 가장 단순한 실시예에서, 하우징(29)의 벽 내의 연속적인 개구들이다. 나아가, 유입구(30) 및/또는 유출구(32)는 또한, 습윤화될 기체(18)가 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)의 전체 폭에 걸쳐 분배되며, 및/또는 습윤화된 기체(24)가 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)의 전체 폭에 걸쳐 수집되는 방식으로, 설계될 수도 있을 것이다.
도 3은, 중공 섬유 멤브레인들(12) 사이에 위치하게 되는, 본 발명에 따른 격벽들(34)을 도시한다. 격벽들(34)은, 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)을, 적어도 이 중공 섬유 멤브레인들의 길이방향 연장부 섹션(36)에서, 평행한 연결 영역들(38)로 분할한다. 나아가, 격벽들(34)은, 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)을, 이 중공 섬유 멤브레인들의 전체 폭 상에서 분할한다. 예시에서, 격벽들(34)은, 하우징(29)의 일측 측부로부터 하우징(29)의 반대편 측부로 연장되며 그리고 기밀 구성을 갖는다. 그 결과, 섹션(36)에서의 평행한 연결 영역들(38)은, 격벽들(34)에 의해 기밀 방식으로 서로 분리된다. 격벽들(34)은 하우징 내로, 특히, 예컨대 합성 수지로 형성되는 하우징 프레임(26) 내로, 성형될 수 있다.
또한, 평행한 연결 영역들(38)이 열을 지어 서로 나란히 위치하게 되며 그리고 횡방향 유입구(30) 및 횡방향 유출구(32)가 이러한 열의 대향하는 단부들 상에 배치되는 것이 명백하다. 나아가, 횡방향 유입구(30) 및 횡방향 유출구(32)가 복수의 중공 섬유 멤브레인(12)의 길이방향 연장부의 대향하는 단부들에 위치하게 된다는 것이 명백하다. 더불어, 격벽들(34)은 횡방향 유입구(30)와 횡방향 유출구(32) 사이에 위치하게 된다.
격벽들(34)을 구비하는 않는 수분 교환기에 비해, 격벽들(34)은, 유동적 사구역들(40)(다시 말해 단지 불충분한 유동만 발생하거나 또는 전혀 유동이 발생하지 않는 영역들)을 효과적으로 감소시킨다.
도 4는, 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기(10)의 내부 구성을 훨씬 더 상세하게 도시한다. 도 4에 도시되는 수분 교환기(10)는, 격벽들(34)이 서로 치우치게 위치하게 된다는 점에서, 도 3의 수분 교환기와 상이하다. 치우침은, 관류를 허용하는 단면적(39)이, 횡방향 유입구(30)로부터 출발하여 유입구(30)로부터 가장 멀리 떨어져 위치하게 되는 평행한 연결 영역(38)을 향해, 점진적으로 감소하는 방식으로, 설계된다. 더불어, 관류를 허용하는 단면적(39)이, 횡방향 유출구(32)로부터 출발하여 유출구(32)에서 가장 멀리 떨어져 위치하게 되는 평행한 연결 영역(38)을 향해, 점진적으로 감소한다. 이러한 구현예는, 사구역들(40)에 가장 가까운 격벽들(34)이 사구역들(40)에 더 가까워질 수 있기 때문에, 사구역들(40)을 더 감소시킬 수 있을 것이다. 도 2 및 도 4에 도시되는 중공 섬유 멤브레인들(12)은 또한, 느슨하게 파형을 이루는 윤곽(loosely undulated profile)을 구비할 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 연료 전지 장치(50)를 도시한다. 연료 전지 장치(50)는, 캐소드 측부(54) 및 애노드 측부(56)를 구비하는, 연료 전지(52)를 포함한다. 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15)은, 연료 전지(52)의 캐소드 유입구(58)와 연결되며 그리고, 중공 섬유 멤브레인들(12)의 개방 단부들은 연료 전지(52)의 캐소드 유출구(60)와 유동적으로 연결된다. 연료 전지 장치(50)는, 도시되지 않은, 차량을 구동하기 위해 전기 모터로 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있을 것이다.
이하에, 본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따른 수분 교환기(10) 및 연료 전지 장치(50)의 작동 원리가 설명된다.
작동 도중에, 연료 전지(52)는, 애노드 측부(56)를 통해, 연료를, 예컨대 수소를, 공급받게 된다. 연료 전지(52)는, 캐소드 측부(54)을 통해, 신선 공기(반응 공기)를, 공급받게 된다. 연료 전지(52)의 중합체 전해질 멤브레인(PEM)이 건조해지는 것을 방지하기 위해, 공급되는 신선 공기는 습윤화된다. 이는, 연료 전지(52)의 배기가스 유동, 다시 말해 제습될 기체(14)로부터 수분을 추출하며 그리고 신선 공기 유동, 다시 말해 습윤화될 기체(18)로 수분을 공급하는, 수분 교환기(10)에 의해 일어난다. 이 경우, 배기가스 유동 내에 존재하는 수분은, 연료 전지 반응으로부터 유래하며 그리고 수분 교환기(10)에 의해 연료 전지(52)로 다시 순환된다.
수분의 전달은, 제습될 기체(14)가, 중공 섬유 멤브레인들(12)의 일측 단부의 개방 단부들(13)을 통과하여 유입되고, 중공 섬유 멤브레인들(12)을 통해 유동하며, 그리고 중공 섬유 멤브레인들(12)의 타측 단부에서 개방 단부들(13)을 통해 제습된 가스(16)로서 유출되는 것인, 수분 교환기(10)에 의해 일어난다. 중공 섬유 멤브레인들(12)의 내부에서, 수분은, 외표면들(15)을 중공 섬유 멤브레인들(12)의 내부 중공 챔버와 연결하는, 채널들 내에서의 모세관 응축으로 인해 응축된다. 습윤화될 기체(18)는, 유입구(30) 내로 유입되며 그리고 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15) 둘레에서 유동한다. 외표면들 둘레에서의 유동 도중에, 채널들 내의 응축된 수분은 증발되며 그리고 유동에 의해 반출된다. 이와 동시에, 응축된 물은, 채널들을 기밀 방식으로 밀봉한다. 습윤화된 기체(24)는, 유출구(32)를 통해, 수분 교환기(10)에서 유출되며 그리고 이어서 연료 전지(52)로 공급된다.
도 3 및 도 4에 따른 수분 교환기(10)는, 이제 역류 유동 원리에 따른 작동이 본 발명에 따라 위치하게 되는 격벽들(34)에 의해 가능해진다는 점에서, 앞서 공지된 (예컨대 도 1에 따른) 수분 교환기들과 구별된다. 이를 위해, 중공 섬유 멤브레인들(12) 외부의 습윤화될 기체(18)의 주 유동 방향이, 평행한 연결 영역들(38)에서 중공 섬유 멤브레인들(12) 내부의 제습될 기체(14)의 주 유동 방향과 반대로 지향된다.
2가지 기체(14, 18)의 유동 가이드는, 중공 섬유 멤브레인들(12)의 멤브레인들을 가로질러 존재하는, 2가지 기체(14, 18)의 수분 함량의 농도 차에 결정적인 영향을 미친다. 앞서 구현된 도 1에 따른 교차 유동 가이드에 비해, 이제 역류 유동 가이드는, 2가지 기체(14, 18) 사이의 농도 차가 수분 교환기(10) 내에서의 위치와 무관하게 대략 일정하다는 이점을 제공하는 반면, 교차 유동 가이드의 경우 농도 차는 증가하는 수분 교환과 더불어 더 작아진다. 나아가, 도 1에 따른 수분 교환기(10)는, 유입구와 유출구 사이에서 평균화되며, 그리고 외표면들(15)의 상대적으로 큰 섹션들 둘레에서의 유동이 불가능하고, 그로 인해 상대적으로 큰 사구역들(40)이 생성된다는 단점을 초래하는, 중공 섬유 멤브레인들(12) 외부에서의 주 유동 방향(42)을 갖는다.
복수의 중공 섬유 멤브레인(12)의 세분화 부재로서 역할을 하는, 본 발명에 따른 적어도 하나의 격벽(34)에 의해, 한편으로 사구역들(40)[다시 말해 중공 섬유 멤브레인들(12)의 이용되지 않는 부분들]은 감소하게 되고, 다른 한편으로 유동은, 수분 교환기(10) 내에 역류 유동 가이드가 생성되는 방식으로, 지향된다.
10: 수분 교환기 12: 중공 섬유 멤브레인
13: 중공 섬유 멤브레인의 개방 단부 14: 제습될 기체
15: 중공 섬유 멤브레인의 외표면 16: 제습된 기체
18: 습윤화될 기체 20: 유입 매니폴드
22: 유출 매니폴드 24: 습윤화된 기체
26: 하우징 프레임 28: 하우징 커버
29: 하우징 30: 유입구
32: 유출구 34: 격벽
36: 복수의 중공 섬유 멤브레인의 길이방향 연장부의 섹션
38: 평행한 연결 영역들 39: 관류 가능한 단면적
40: 사구역 42: 실제 주 유동 방향
50: 연료 전지 장치 52: 연료 전지
54: 캐소드 측부 56: 애노드 측부
58: 캐소드 유입구 60: 캐소드 유출구

Claims (10)

  1. 2가지 가스(14, 18) 사이에서 수분을 전달하기 위한 수분 교환기(10)로서,
    길이 방향으로 연장되고, 횡방향 및 폭 방향으로 서로 이격되고, 폭 방향으로 나란하게 이격된 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12);
    상기 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)을 수용하는 하우징;
    상기 길이 방향 및 상기 폭 방향으로 연장되는 적어도 하나의 격벽(34); 및
    상기 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15)로 가스(18)를 공급하기 위한, 상기 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)에 대해 횡방향으로 위치하는 유입구(30)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 격벽(34)은 상기 하우징 내에서 상기 중공 섬유 멤브레인들(12) 사이에 배치되고, 상기 적어도 하나의 격벽(34)은 상기 하우징 내에 상기 길이 방향 및 상기 폭 방향으로 연장되는 복수의 평행한 연결 영역들(38)을 형성하여, 상기 가스(18)가 상기 복수의 평행한 연결 영역들(38) 내에서 상기 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)의 전체 폭에 걸쳐 상기 길이 방향으로 유동하도록 하고,
    상기 복수의 평행한 연결 영역들(38)은 상기 가스(18)의 폭 방향 분배를 허용하도록 상기 나란한 중공 섬유 멤브레인들(12) 사이에서 개방되는 것인 수분 교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수분 교환기(10)는, 상기 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)에 대해 횡방향으로 위치하는 유출구(32)를 포함하고, 상기 유출구(32) 및 상기 유입구(30) 사이에 상기 적어도 하나의 격벽(34)이 위치하는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 평행한 연결 영역들(38)은 열을 지어 서로 나란하게 위치하게 되며, 상기 횡방향 유입구(30) 및 상기 횡방향 유출구(32) 중 적어도 하나는 상기 열의 일측 단부에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 횡방향 유입구(30) 및 상기 횡방향 유출구(32)는 상기 열의 대향하는 단부들에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    관류 가능한 단면적(39)이, 상기 횡방향 유입구(30) 및 상기 횡방향 유출구(32) 중 적어도 하나로부터 출발하여 상기 유입구(30) 및 상기 유출구(32) 중 적어도 하나로부터 가장 멀리 떨어져 위치하게 되는 평행한 연결 영역을 향해, 점진적으로 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 횡방향 유입구(30) 및 상기 횡방향 유출구(32)는, 상기 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)의 길이방향 연장부의 대향하는 단부들에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 격벽(34)은, 상기 중공 섬유 멤브레인들(12)의 길이방향 연장 방향에서, 상기 횡방향 유입구(30)와 상기 횡방향 유출구(32) 사이에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 격벽(34)은, 상기 중공 섬유 멤브레인들(12)의 길이방향 연장부 섹션(36)에서 상기 평행한 연결 영역들(38)을 기밀 방식으로 서로 분리하는 것을 특징으로 하는 수분 교환기.
  9. 연료 전지 장치(50)로서,
    제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따르는 수분 교환기(10)를 포함하는 연료 전지 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 수분 교환기(10)의 복수의 중공 섬유 멤브레인들(12)의 외표면들(15)은, 상기 수분 교환기(10)가 역류형 수분 교환기로서 작동할 수 있는 방식으로, 상기 연료 전지 장치(50)의 연료 전지(52)의 캐소드 유입구(58) 및 캐소드 유출구(60)와 유동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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