KR102017256B1 - Fluid exchange membrane module - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유체교환막 모듈은 제1유체유입구, 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며, 상기 제1유체유입구 측의 중공사막 다발의 밀집도가 상기 제1유체배출구 측의 중공사막 다발의 밀집도보다 낮게 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면 동일한 가습효율을 나타내는 데 사용되는 중공사막의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있고, 사용되는 중공사막의 부피 및 무게를 최소화함과 동시에 유체교환막 모듈의 전체 크기를 최소화시켜, 결국 연료전지 등과 같이 상기 유체교환막 모듈이 사용되는 장치의 부피 및 무게를 최소화시킴으로써 상기 연료전지 등이 사용될 수 있는 분야를 더욱 다양화할 수 있으며, 가습에 이용되는 물의 재사용 효율을 증가시킴으로써 폐수의 발생을 줄이고 별도의 수분공급장치에 대한 의존도를 낮출 수 있는 우수한 장점이 있다.The fluid exchange membrane module according to the present invention includes a housing having a first fluid inlet, a first fluid outlet, a second fluid inlet, and a second fluid outlet; And a hollow fiber membrane bundle fixed in the housing, wherein the density of the hollow fiber membrane bundle on the first fluid inlet side may be lower than the density of the hollow fiber membrane bundle on the first fluid outlet side, according to the present invention. The fluid exchange membrane module has an advantage of minimizing the amount of hollow fiber membranes used to exhibit the same humidification efficiency, and minimizes the volume and weight of the hollow fiber membranes used while minimizing the overall size of the fluid exchange membrane module. By minimizing the volume and weight of the device in which the fluid exchange membrane module is used, such as a fuel cell, it is possible to further diversify the field where the fuel cell can be used, and to reduce the generation of waste water by increasing the reuse efficiency of water used for humidification. There is an excellent advantage to lower the dependence on a separate water supply.

Description

유체교환막 모듈{FLUID EXCHANGE MEMBRANE MODULE}Fluid exchange membrane module {FLUID EXCHANGE MEMBRANE MODULE}

본 발명은 유체교환막 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유입구 측으로부터 유체의 배출구 측으로 갈수록 하우징에 내장된 중공사막 다발의 밀집도를 점차적으로 증가시켜 가습 효율 등을 향상시키는 유체교환막 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a fluid exchange membrane module, and more particularly, to a fluid exchange membrane module that gradually increases the density of the hollow fiber membrane bundle embedded in the housing from the inlet side of the fluid to the outlet side of the fluid to improve humidification efficiency and the like. .

연료전지는 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 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다. 또한 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.A fuel cell is a power generation cell that generates electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as batteries and accumulators, fuel cells can continue to produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied. Fuel cells have no heat loss and are twice as efficient as internal combustion engines. In addition, pollutant emissions are low because chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is converted directly into electrical energy. Therefore, the fuel cell is not only environmentally friendly, but also has an advantage of reducing anxiety about resource depletion due to increased energy consumption.

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), 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 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.These fuel cells can be classified into polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), phosphate fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell depending on the type of electrolyte used. SOFC), alkaline fuel cell (AFC), and the like. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is known to be most promising in transport systems as well as small stationary power generation equipment because it can operate at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high power density.

고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane:PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell is by supplying a certain amount of water to a polymer electrolyte membrane (PEM) of a membrane electrode assembly (MEA). To maintain the moisture content. This is because power generation efficiency is drastically reduced when the polymer electrolyte membrane is dried.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식의 유체교환막 모듈이 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.As a method of humidifying a polymer electrolyte membrane, there is a humidification membrane type fluid exchange membrane module that supplies moisture to a flow gas using a polymer separation membrane. The humidification membrane method is a method of providing the polymer electrolyte membrane with water vapor in the exhaust gas by using a membrane that selectively permeates only the water vapor contained in the exhaust gas, and is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.

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.The selective permeable membrane used in the humidification membrane system is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. In other words, when manufacturing a humidifier using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, low-cost materials can be used, and the fuel cell is discharged at a high temperature. The moisture and heat contained in the unreacted gas may be recovered and reused through a humidifier.

도 1은 종래 연료전지용 유체교환막 모듈(10)을 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 유체교환막 모듈(10)은 중공사막(12) 다발을 내장하는 하우징(11)을 포함한다. 중공사막(12)은 포팅부(13)에 의해 다발을 이루어 하우징(11)에 고정된다.1 is a cross-sectional view showing a conventional fluid exchange membrane module 10 for a fuel cell. As shown in FIG. 1, the fluid exchange membrane module 10 includes a housing 11 containing a bundle of hollow fiber membranes 12. The hollow fiber membrane 12 is bundled by the potting part 13 and fixed to the housing 11.

하우징(11)의 일측면에는 연료전지(미도시)로 공급될 반응유체, 즉 가습될 반응유체(이하, 작동유체라 함)가 유입되는 제1유체유입구(1a)가 형성되고, 하우징(11)의 타측면에는 가습된 작동유체를 연료전지로 공급하기 위한 제1유체배출구(1b)가 형성된다. 하우징(11)의 외면 일측(제1유체유입구(1a) 측)에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 유체(이하, 가습유체라 함)가 유입되는 제2유체유입구(2a)가 형성되고, 하우징(11)의 외면 타측(제1유체배출구(1b) 측)에는 제2유체유입구(2a)를 통해 유입된 가습유체의 일부가 배출되는 제2유체배출구(2b)가 형성된다(즉, 제2유체유입구(2a)를 통하여 유입된 가습유체에 함유된 수분의 상당 양은 중공사막을 관통하여 중공사막의 내부로 유입되어 작동유체를 가습시키는데 사용되며, 이와 같이 가습된 작동유체는 다시 연료전지로 공급된다).One side of the housing 11 is formed with a first fluid inlet 1a into which a reaction fluid to be supplied to a fuel cell (not shown), that is, a reaction fluid to be humidified (hereinafter referred to as a working fluid), is formed. On the other side of the first fluid outlet (1b) for supplying a humidified working fluid to the fuel cell is formed. On the outer side of the housing 11 (the first fluid inlet 1a side), a second fluid inlet 2a into which water-containing unreacted fluid (hereinafter referred to as a humidifying fluid) discharged from the fuel cell flows is formed, On the other side of the outer surface of the housing 11 (the first fluid outlet 1b side), a second fluid outlet 2b through which a part of the humidifying fluid introduced through the second fluid inlet 2a is discharged is formed (that is, the first fluid outlet 2b). 2 A considerable amount of moisture contained in the humidifying fluid introduced through the fluid inlet 2a flows through the hollow fiber membrane to the inside of the hollow fiber membrane and is used to humidify the working fluid. The humidified working fluid is then returned to the fuel cell. Are supplied).

이와 같은 구조를 갖는 종래의 유체교환막 모듈(10)은 중공사막 전체에 걸쳐 균일한 수분투과를 달성하도록 다발 형태의 중공사막이 제1유체유입구(1a) 및 제2유체유입구(2a) 측과 제1유체유출구 및 제2유체유출구 측에서 서로 동일한 간격(밀집도)으로 형성되었다. 그러나, 일반적으로 유체교환막 모듈(10)인 중공사막 모듈에서 유체가 유입구로 유입되어 배출구를 통하여 배출되기까지 상당한 시간이 소요되며, 이에 따라 유입구로 유입된 유체는 초기에는 중공사막으로 선택적으로 투과될 물질의 농도가 비교적 높지만, 시간이 흐름에 따라 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 된다. 즉, 유입구 측에서 배출구 측으로 유체가 흐름에 따라, 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 되므로, 배출구 측에 놓인 중공사막을 통하여 투과되는 물질의 양 또한 점차 감소하게 된다. 즉, 결과적으로 유입구 측 중공사막 다발 부분에서는 투과될 물질이 상대적으로 과잉 상태이고 배출구 측 중공사막 다발 부분에서는 투과될 물질이 상대적으로 부족 상태에 이르게 되므로 전체적으로 중공사막 다발에서 효율적인 물질의 투과가 이루어지지 않게 된다. 특히, 상기 유체교환막 모듈(10)이 막 가습기의 역할을 하는 경우는 중공사막의 크기(전체 표면적)에 비하여 상대적으로 가습효율이 낮아지게 되며, 상기 막 가습기가 연료전지에 사용되는 경우는 결국 연료전지의 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.The conventional fluid exchange membrane module 10 having such a structure has a bundle-shaped hollow fiber membrane having a first fluid inlet 1a and a second fluid inlet 2a so as to achieve uniform water permeation throughout the hollow fiber membrane. It was formed at equal intervals (density) from the first fluid outlet and the second fluid outlet. However, in the hollow fiber membrane module, which is generally the fluid exchange membrane module 10, it takes a considerable time for the fluid to flow into the inlet and discharge through the outlet, so that the fluid introduced into the inlet may be selectively permeated into the hollow fiber membrane initially. The concentration of the material is relatively high, but over time the concentration of the material to be permeated gradually decreases. That is, as the fluid flows from the inlet side to the outlet side, the concentration of the substance to be permeated through the hollow fiber membrane gradually decreases, so that the amount of the substance permeated through the hollow fiber membrane placed on the outlet side also gradually decreases. That is, as a result, the material to be permeated is relatively excessive at the inlet side hollow fiber membrane bundle, and at the outlet side hollow fiber membrane bundle, the material to be permeated is relatively insufficient. Will not. In particular, when the fluid exchange membrane module 10 serves as a membrane humidifier, the humidification efficiency is lowered relative to the size (total surface area) of the hollow fiber membrane, and when the membrane humidifier is used in a fuel cell, fuel is eventually used. There is a problem that the efficiency of the battery is lowered.

대한민국 공개특허 제1020100108092호, 2010.10.06Republic of Korea Patent Publication No. 1020100108092, 2010.10.06 대한민국 공개특허 제1020100131631호, 2010.12.16Republic of Korea Patent Publication No. 1020100131631, 2010.12.16

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 이용하여 유체의 유입구에서 배출구 측으로 갈수록 중공사막 다발의 밀집도가 증가하도록 형성함으로써 한정된 크기(표면적)를 갖는 중공사막 다발을 이용하여 가습효율을 최적화할 수 있는 유체교환막 모듈을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention by using a simple structure to form a hollow fiber membrane bundle having a limited size (surface area) by forming a density of the hollow fiber membrane bundle toward the outlet side of the fluid toward the outlet side It is to provide a fluid exchange membrane module that can be used to optimize the humidification efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 제1유체유입구, 상기 제1유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 상기 제2유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며, 상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 밀집도가 상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 밀집도보다 낮게 형성될 수 있다.In the fluid exchange membrane module according to an embodiment of the present invention, the first fluid inlet, the first fluid outlet for discharging the fluid introduced into the first fluid inlet, the second fluid inlet, and the fluid introduced into the second fluid inlet are A housing having a second fluid outlet being discharged; And a hollow fiber membrane bundle fixed in the housing, wherein the density of the hollow fiber membrane bundles on the first fluid inlet or the second fluid inlet side is higher than the density of the hollow fiber membrane bundles on the side of the first fluid outlet or the second fluid outlet. Can be formed low.

상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 10내지 50 면적%이고, 상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%일 수 있다.The average density of the hollow fiber membrane bundles at the first fluid inlet or the second fluid inlet side is 10 to 50 area%, and the average density of the hollow fiber membrane bundles at the first fluid outlet or the second fluid outlet side is 20 to 60 area%. Can be.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 제1유체유입구 및 상기 제2유체유입구는 상기 하우징의 제1말단 측에 형성되고, 상기 제1유체배출구 및 상기 제2유체배출구는 상기 하우징의 제2말단 측에 형성될 수 있다.In the fluid exchange membrane module according to another embodiment of the present invention, the first fluid inlet and the second fluid inlet are formed on the first end side of the housing, and the first fluid outlet and the second fluid outlet are the housing It may be formed on the second end side of the.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 상기 하우징의 제1말단 측 내부로부터 상기 하우징의 제2말단 측 내부로 갈수록 하우징 내부의 직경이 점차 감소하도록 형성될 수 있다.The fluid exchange membrane module according to another embodiment of the present invention may be formed such that the diameter of the housing gradually decreases from the inside of the first end side of the housing to the inside of the second end side of the housing.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 하우징의 내부에는 상기 하우징 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있도록 와류형성부가 더 구비될 수 있다.In the fluid exchange membrane module according to another embodiment of the present invention, the inside of the housing may be further provided with a vortex forming unit to increase the residence time of the fluid in the housing.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 하우징의 내부에는 상기 하우징의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치된 다수의 와류형성편이 구비되고, 상기 와류형성편에는 중공사막관통홀이 형성될 수 있으며, 상기 다수의 와류형성편은 상기 다수의 와류형성편에 형성된 중공사막관통홀의 직경이 상기 하우징의 제1말단 측으로부터 상기 하우징의 제2말단 측으로 갈수록 점차 감소하도록 배치될 수 있다.In the fluid exchange membrane module according to another embodiment of the present invention, the inside of the housing is provided with a plurality of vortex forming pieces protruding from the inner surface of the housing and arranged side by side, the vortex forming piece is hollow fiber membrane through Holes may be formed, and the plurality of vortex forming pieces may be disposed such that the diameter of the hollow fiber membrane through-holes formed in the plurality of vortex forming pieces gradually decreases from the first end side of the housing to the second end side of the housing. have.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈일 수 있다.The fluid exchange membrane module according to various embodiments of the present disclosure may be a moisture exchange module, a heat exchange module, a gas separation module, or a water treatment module.

본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 동일한 가습효율을 나타내는 데 사용되는 중공사막의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있다.According to the fluid exchange membrane module according to the present invention, there is an advantage to minimize the amount of hollow fiber membrane used to exhibit the same humidification efficiency.

또한, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 사용되는 중공사막의 부피 및 무게를 최소화하거나 유체교환막 모듈의 전체 부피 및 무게를 최소화시켜, 결국 연료전지 등과 같이 상기 유체교환막 모듈이 사용되는 장치의 부피 및 무게를 최소화시킴으로써 상기 연료전지 등이 사용될 수 있는 분야를 더욱 다양화할 수 있는 장점이 있다. Further, according to the fluid exchange membrane module according to the present invention, by minimizing the volume and weight of the hollow fiber membrane used, or by minimizing the total volume and weight of the fluid exchange membrane module, the volume of the device in which the fluid exchange membrane module is used, such as a fuel cell And by minimizing the weight there is an advantage that can further diversify the field where the fuel cell and the like can be used.

또한, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 가습효율을 극대화시켜 가습에 이용되는 물의 재사용 효율을 증가시킴으로써 폐수의 발생을 줄이고 별도의 수분공급장치에 대한 의존도를 낮출 수 있는 우수한 장점이 있다.In addition, according to the fluid exchange membrane module according to the present invention, by increasing the reuse efficiency of the water used for humidification by maximizing the humidification efficiency has an excellent advantage that can reduce the generation of waste water and lower the dependence on a separate water supply device.

도 1은 종래 연료전지용 막 가습기로 사용되는 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 측단면도(위) 및 모듈의 내부에 고정된 중공사막 다발의 밀집도를 보여주기 위하여 A-A' 및 B-B'를 절단한 종단면도(아래)이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 제2실시예에 따른 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 단면도이고, (b)는 본 발명에 따른 유체교환막 모듈의 일부를 구성하는 하우징(21)의 사다리꼴 단면형상을 나타내는 단면도이며, (c)는 상기 하우징(21)의 전체적인 형상을 나타내는 외부 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제3실시예에 따라 배출하우징부 및 유입하우징부로 구분되는 하우징의 형상을 나타내는 외부 사시도이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제4실시예에 따라 하우징의 내부에 와류형성부가 다양한 형태로 구비된 상태를 나타내는 외부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따라 하우징의 내부에 와류형성편이 구비된 상태를 나타내는 단면도(a) 및 사시 단면도(b)이다.
1 is a cross-sectional view showing the internal structure of a fluid exchange membrane module conventionally used as a fuel cell membrane humidifier.
2 is a side cross-sectional view (above) showing the internal structure of the fluid exchange membrane module according to the first embodiment of the present invention and cut AA 'and B-B' to show the density of the hollow fiber membrane bundle fixed inside the module One longitudinal section (bottom).
Figure 3 (a) is a cross-sectional view showing the internal structure of the fluid exchange membrane module according to the second embodiment of the present invention, (b) is a trapezoidal cross section of the housing 21 constituting a part of the fluid exchange membrane module according to the present invention It is sectional drawing which shows a shape, (c) is an external perspective view which shows the whole shape of the said housing 21. FIG.
4 (a) and 4 (b) are external perspective views showing the shape of a housing divided into a discharge housing part and an inlet housing part according to a third embodiment of the present invention.
5 (a) to (c) is an external perspective view showing a state in which the vortex forming unit is provided in various forms in the interior of the housing according to the fourth embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view (a) and a perspective cross-sectional view (b) illustrating a state in which a vortex forming piece is provided inside a housing according to a fifth embodiment of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈에 사용될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 아래에서는 연료전지 시스템에 사용되는 수분 교환 모듈을 예시로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 연료전지 시스템에 사용되는 수분 교환 모듈에 한정되지 않는다.The fluid exchange membrane module according to various embodiments of the present invention may be used in a water exchange module, a heat exchange module, a gas separation module, or a water treatment module. For convenience of description, the following description will be given as an example of a water exchange module used in the fuel cell system. However, the technical idea of the present invention is not limited to the water exchange module used in the fuel cell system.

연료전지용 유체교환막 모듈은 연료전지에서 배출되는 가습된 공기 즉 가습유체를 이용하여 건조한 연료가스 즉 작동유체에 수분을 공급하도록 되어 있다. 이미 알려진 바와 같이, 작동유체는 중공사막의 내부에 형성된 관로를 통과하고 가습유체는 중공사막 외부를 통과하며, 중공사막의 투수성에 의하여 가습유체에 함유된 수분이 중공사막에 형성된 미세구멍을 통과하여 중공사막의 내부 관로에 있는 작동유체에 공급되도록 되어 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 가습유체가 중공사막의 내부에 형성된 관로를 통과하고 작동유체는 중공사막 외부를 통과할 수도 있다.The fluid exchange membrane module for a fuel cell is configured to supply moisture to dry fuel gas, that is, working fluid using humidified air discharged from the fuel cell, that is, a humidifying fluid. As is already known, the working fluid passes through the conduit formed inside the hollow fiber membrane, the humidifying fluid passes through the outside of the hollow fiber membrane, and the moisture contained in the humidifying fluid passes through the micropores formed in the hollow fiber membrane due to the permeability of the hollow fiber membrane. It is to be supplied to the working fluid in the inner conduit of the hollow fiber membrane. However, the present invention is not limited thereto, and the humidifying fluid may pass through a conduit formed inside the hollow fiber membrane, and the working fluid may pass outside the hollow fiber membrane.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈(10)을 나타내는 측단면도 및 모듈의 내부에 고정된 중공사막 다발의 밀집도를 나타내는 중공사막 다발의 종단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈(10)은 하우징(11) 및 중공사막(12)의 다발을 포함하며, 상기 중공사막(12)의 다발은 예를 들어, 포팅부(13) 등에 의하여 상기 하우징(11) 내부에 고정되는 것이 가능하다. 2 is a longitudinal cross-sectional view showing a side cross-sectional view showing the fluid exchange membrane module 10 according to the first embodiment of the present invention, and a density of the hollow fiber membrane bundles fixed inside the module. As shown in FIG. 2, the fluid exchange membrane module 10 according to the first embodiment of the present invention includes a bundle of the housing 11 and the hollow fiber membrane 12, and the bundle of the hollow fiber membrane 12 is an example. For example, the potting part 13 may be fixed to the inside of the housing 11.

상기 하우징(11)은 유체교환막 모듈(10)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 제작될 수 있다. 하우징(11)은 원통이나 사각통 등의 다각형의 통으로 형성된다. 하우징(11)은 작동유체가 유입하는 제1유체유입구(1a)와 작동유체가 배출되는 제1유체배출구(1b)를 구비하는 한편, 가습유체가 유입하는 제2유체유입구(2a)와 가습유체가 배출되는 제2유체배출구(2b)를 구비한다.The housing 11 forms an outer shape of the fluid exchange membrane module 10 and may be made of hard plastic or metal such as polycarbonate. The housing 11 is formed by polygonal cylinders, such as a cylinder and a square cylinder. The housing 11 includes a first fluid inlet 1a through which the working fluid flows in, a first fluid outlet 1b through which the working fluid is discharged, and a second fluid inlet 2a through which the humidifying fluid flows and a humidifying fluid. It is provided with a second fluid discharge port (2b) is discharged.

상기 제1유체유입구(1a), 제1유체배출구(1b), 제2유체유입구(2a), 및 제2유체배출구(2b)는 하우징(11)의 양 말단(제1말단 및 제2말단)의 외면에 형성된다. 한편, 상기 제1유체유입구(1a)에서 제1유체배출구(1b)로 향하는 유로는 상기 제2유체유입구(2a)에서 제2유체배출구(2b)로 향하는 유로와 교차되는 방향으로 형성된다. The first fluid inlet 1a, the first fluid outlet 1b, the second fluid inlet 2a, and the second fluid outlet 2b are both ends (first end and second end) of the housing 11. It is formed on the outer surface of the. On the other hand, the flow path from the first fluid inlet (1a) to the first fluid discharge port (1b) is formed in a direction intersecting with the flow path from the second fluid inlet (2a) to the second fluid discharge port (2b).

중공사막(12) 다발은 하우징(11) 내에서 하우징(11)의 길이방향과 평행하게 배치되어 고정된다. 중공사막(12) 다발의 양 단부는 포팅부(13) 등에 의해 결합되어 하우징(11)의 내면에 밀착하여 하우징(11)의 내부공간에 밀봉된다. The bundle of hollow fiber membranes 12 is disposed in and fixed to the housing 11 in parallel with the longitudinal direction of the housing 11. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 12 are joined by the potting part 13 and the like and are in close contact with the inner surface of the housing 11 to be sealed in the inner space of the housing 11.

중공사막은 수분을 선택적으로 통과시킨다. 중공사막의 재질과 구성은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 중공사막(12) 다발은 복수의 중공사막(12)이 나란히 집적된 것이다.The hollow fiber membrane selectively passes moisture. Since the material and configuration of the hollow fiber membrane are well known to those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted herein. The hollow fiber membrane 12 bundle is a plurality of hollow fiber membranes 12 are stacked side by side.

본 발명의 제1실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 내부에 구비된 중공사막(12) 다발은 제2유체유입구(2a)에서 제2유체배출구(2b) 측으로 갈수로 그 밀집도가 증가한다. 여기에서 중공사막(12) 다발의 밀집도란 각각의 중공사막(12) 가닥 간의 간격에 의해 정의할 수 있다. 즉, 동일한 외경을 갖는 다수의 중공사막(12) 간의 간격이 가까울수록 다발의 밀집도가 커지는 것이다. 한편, 이러한 밀집도는 면적의 비율로 정의할 수도 있다. 즉, 중공사막(12) 다발 전체의 종단면 면적에 대한 각 가닥의 중공사막(12)의 종단면의 단면적의 총합의 %비율 (면적%)로 상기 밀집도를 정의 할 수도 있다.The bundle of hollow fiber membranes 12 provided in the fluid exchange membrane module 10 according to the first embodiment of the present invention increases in density from the second fluid inlet 2a to the second fluid outlet 2b. . Here, the density of the hollow fiber membrane 12 bundles can be defined by the spacing between the respective hollow fiber membrane 12 strands. That is, the closer the spacing between the plurality of hollow fiber membranes 12 having the same outer diameter is, the larger the bundle density becomes. On the other hand, such a density may be defined as the ratio of the area. That is, the density may be defined as the percentage ratio (area%) of the sum of the cross-sectional areas of the longitudinal cross-sections of the hollow fiber membranes 12 of each strand with respect to the longitudinal cross-sectional area of the entire hollow fiber membrane 12 bundle.

한편, 예를 들어, 연료전지에서 전기를 만들 때, 수분을 포함하는 여러 가지 부산물이 생성되며, 이러한 부산물(가습유체)은 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된다. 이와같이 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 일정량의 수분을 함유하고 있으며 이러한 수분은 중공사막(12)에 선택적으로 투과되어 중공사막(12)의 내부 관로로 들어가 작동유체의 가습에 이용된다. 한편, 상기 가습유체는 초반에는 충분한 양의 수분을 함유하고 있으므로 중공사막(12)에 충분한 양으로 투과될 수 있으나, 상기 제2유체배출구(2b) 측으로 갈수록 상기 가습유체에 함유된 수분의 함량이 줄어들게 되어 중공사막(12)으로 투과되어 들어가는 수분의 양이 점차 감소하게 된다. On the other hand, for example, when making electricity in a fuel cell, various by-products including moisture are generated, and these by-products (humidifying fluid) flow into the second fluid inlet 2a. As such, the humidifying fluid introduced into the second fluid inlet 2a contains a certain amount of water, and the moisture is selectively permeated through the hollow fiber membrane 12 to enter the internal conduit of the hollow fiber membrane 12 to be used for humidifying the working fluid. do. On the other hand, since the humidifying fluid initially contains a sufficient amount of water, the humidifying fluid may be permeated to the hollow fiber membrane 12 in a sufficient amount, but the content of the moisture contained in the humidifying fluid increases toward the second fluid outlet 2b. The amount of water that penetrates into the hollow fiber membrane 12 is gradually reduced.

한편, 중공사막(12)은 뭉쳐있는 다발의 형태로 유체교환막 모듈(10)의 하우징(11) 내부에 구비되고 상기 제2유체유입구(2a)는 상기 하우징(11)의 외부에 형성되어 있으므로, 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 상기 다발의 테두리 부분에 위치한 중공사막(12)의 표면에 1차적으로 공급되며, 2차적으로 다발의 내부에 위치한 중공사막(12)의 표면에 공급된다. 따라서, 중공사막(12) 다발이 너무 밀집되어 형성된 경우는 다발의 내부에 위치한 중공사막(12)의 표면에 가습유체가 충분히 공급되지 못하게 된다.On the other hand, since the hollow fiber membrane 12 is provided inside the housing 11 of the fluid exchange membrane module 10 in the form of a bundle, and the second fluid inlet 2a is formed outside the housing 11, The humidifying fluid introduced into the second fluid inlet 2a is primarily supplied to the surface of the hollow fiber membrane 12 located at the edge of the bundle, and secondly, the surface of the hollow fiber membrane 12 located inside the bundle. Supplied to. Therefore, when the bundle of hollow fiber membranes 12 is too densely formed, the humidifying fluid cannot be sufficiently supplied to the surface of the hollow fiber membranes 12 located inside the bundles.

즉, 중공사막(12) 다발의 밀집도를 상기 제2유체유입구(2a)와 제2유체배출구(2b)측에서 동일하게 형성하게 되면, 제2유체유입구(2a) 측에서는 중공사막(12)의 이용가능한 전체 표면적에 비하여 가습유체에 함유된 수분의 함량이 높고, 제2유체배출구(2b) 측에서는 중공사막(12)의 이용가능한 전체 표면적에 비하여 가습유체에 함유된 수분의 함량이 상대적으로 낮아, 전체적으로 중공사막(12)을 효율적으로 이용하지 못하게 된다. That is, when the density of the bundles of hollow fiber membranes 12 is formed at the second fluid inlet 2a and the second fluid outlet 2b, the hollow fiber membrane 12 is used at the second fluid inlet 2a. The amount of water contained in the humidifying fluid is high compared to the total surface area possible, and the content of water contained in the humidifying fluid is relatively low compared to the total available surface area of the hollow fiber membrane 12 on the second fluid outlet port 2b. The hollow fiber membrane 12 cannot be used efficiently.

따라서, 본 발명의 일 실시예와 같이 제2유체유입구(2a) 측에서는 중공사막(12) 다발의 밀집도를 낮추어 중공사막(12) 간의 공간을 넓게 형성함으로써 다발의 내부에 존재하는 중공사막(12)에서도 충분히 수분이 투과될 수 있도록 하고, 제2유체배출구(2b) 측에서는 중공사막(12) 다발의 밀집도를 상대적으로 높임으로써 상기 가습유체에 낮은 함량으로 존재하는 수분이 다발의 외측에 존재하는 중공사막(12)을 통하여 내부 관로로 투과되도록 함으로써 중공사막(12)의 낭비 없이 전체적으로 효율적인 가습효율을 얻을 수 있게 된다.Therefore, the hollow fiber membrane 12 existing inside the bundle by forming a wide space between the hollow fiber membranes 12 by lowering the density of the hollow fiber membranes 12 at the second fluid inlet 2a side as in an embodiment of the present invention. In order to allow sufficient moisture to pass through, and to increase the density of the bundle of the hollow fiber membrane 12 on the second fluid outlet (2b) side, the hollow fiber membrane having a low content of the moisture in the humidifying fluid exists outside the bundle. By allowing the internal pipe to penetrate through 12, the overall humidification efficiency can be obtained without wasting the hollow fiber membrane 12.

이에 따라, 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 10 내지 50 면적%이고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%일 수 있고, 바람직하게 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 30 내지 40 면적% 이고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 40 내지 50 면적%일 수 있다. Accordingly, the average density of the bundles of the hollow fiber membranes 12 on the side of the first fluid inlet 1a or the second fluid inlet 2a is 10 to 50 area%, and the first fluid outlet 1b or the second fluid. The average density of the hollow fiber membrane 12 bundles on the outlet 2b side may be 20 to 60 area%, and preferably, the hollow fiber membrane 12 on the side of the first fluid inlet 1a or the second fluid inlet 2a. The average density of the bundles may be 30 to 40 area%, and the average density of the bundles of the hollow fiber membranes 12 on the side of the first fluid outlet 1b or the second fluid outlet 2b may be 40 to 50 area%.

상기 평균 밀집도는 상기 중공사막(12) 다발의 최외곽 기준 전체 단면적 중 중공사막이 차지하고 있는 단면적의 비율로 측정하여 구할 수 있다. 이때, 상기 중공사막(12) 다발의 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 무수히 존재하는 횡단면 중 어느 하나의 횡단면을 선택하여 측정할 수 있다. 다만, 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도를 구하기 위한 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 까지의 거리 보다 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 까지의 거리가 더 짧은 위치에 존재하는 횡단면이어야 하고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도를 구하기 위한 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 까지의 거리 보다 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 까지의 거리가 더 짧은 위치에 존재하는 횡단면이어야 한다.The average density can be obtained by measuring the ratio of the cross-sectional area occupied by the hollow fiber membrane in the outermost reference total cross-sectional area of the bundle of the hollow fiber membrane 12. In this case, the cross section of the bundle of hollow fiber membranes 12 may be measured by selecting any one of cross sections existing innumerably along the longitudinal direction of the bundle of hollow fiber membranes 12. However, a cross section for obtaining an average density of the hollow fiber membranes 12 bundles on the side of the first fluid inlet 1a or the second fluid inlet 2a is a first fluid along the longitudinal direction of the bundles of the hollow fiber membranes 12. The first fluid inlet 1a or the second fluid inlet (2a) is located in a position shorter than the distance to the outlet (1b) or the second fluid outlet (2b), and the first fluid The cross section for obtaining the average density of the hollow fiber membranes 12 bundles on the outlet 1b or the second fluid outlet 2b side is formed in the first fluid inlet 1a or the first along the longitudinal direction of the bundles of the hollow fiber membranes 12. The distance to the first fluid outlet 1b or the second fluid outlet 2b is shorter than the distance to the second fluid inlet 2a.

본 발명에 따른 유체교환막 모듈(10)에서, 상기 제1유체유입구(1a) 및 상기 제2유체유입구(2a)는 상기 하우징(11)의 제1말단 측에 형성되고, 상기 제1유체배출구(1b) 및 상기 제2유체배출구(2b)는 상기 하우징(11)의 제2말단 측에 형성될 수 있다.In the fluid exchange membrane module 10 according to the present invention, the first fluid inlet 1a and the second fluid inlet 2a are formed at the first end side of the housing 11, and the first fluid outlet ( 1b) and the second fluid outlet 2b may be formed at the second end side of the housing 11.

이와 같은 위치에 유입구 및 유출구를 형성하는 경우는 가습유체가 중공사막(12)의 표면과 접촉할 수 있는 충분한 시간을 제공함으로써 효율적인 가습효율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 즉, 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체가 낮은 밀집도의 다발로 형성된 중공사막(12)에 충분히 공급되고 연이어 제2유체배출구(2b) 측으로 흐름을 형성하면서 높은 밀도로 형성된 중공사막(12) 다발의 외측에 위치하는 중공사막(12)에 공급되도록 함으로써 가습유체에 함유된 수분의 밀도 및 가습유체가 중공사막(12)과 접촉하는 시간을 고려하여 최적의 가습효율을 얻을 수 있게 된다. In the case where the inlet and the outlet are formed at such a position, there is an advantage that an efficient humidification efficiency can be obtained by providing a sufficient time for the humidifying fluid to contact the surface of the hollow fiber membrane 12. That is, the humidifying fluid introduced into the second fluid inlet 2a is sufficiently supplied to the hollow fiber membrane 12 formed by the bundle of low density, and subsequently forms a flow toward the second fluid outlet 2b to form a hollow fiber membrane of high density. (12) By supplying to the hollow fiber membrane 12 located outside the bundle to obtain the optimum humidification efficiency in consideration of the density of the moisture contained in the humidifying fluid and the time the humidifying fluid is in contact with the hollow fiber membrane (12) do.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 내부구조를 나타내는 단면도 및 외부 사시도이다. 도 3의 (a)를 참고하면, 유체교환막 모듈(10)을 구성하는 하우징(21)은 유체의 흐름방향에 따라 하우징(21)의 내부 직경이 점차적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 도 3의 (b)는 본 발명의 제2실시예의 특징인 하우징(21)의 단면 구조를 나타내고 있고 (c)는 이를 외부에서 바라본 사시도이다. 이들 도면을 살펴보면, 하우징(21)의 단면 형상이 전체적으로 사다리꼴을 이루고 있음을 알 수 있다. 즉, 상기 제2유체유입구(2a) 및 제2유체배출구(2b)의 직경이 동일한 것으로 가정하면, 상기 제2유체유입구(2a)측에서 일정한 유압을 형성하면서 가습유체가 유입되는 경우에 상기 제2유체유입구(2a) 부분의 하우징(21) 내부의 유체의 압력보다 상기 제2유체배출구(2b) 부분의 하우징(21) 내부의 유체의 압력이 더 높게 형성된다. 즉, 이와 같이 하우징(21)의 내부직경이 점차적으로 감소하도록 형성함으로써 하우징(21) 내부를 흐르는 유체에 대하여 "압력 구배"를 형성시킬 수 있게 된다.3 is a cross-sectional view and an external perspective view showing the internal structure of the fluid exchange membrane module 10 according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3A, the housing 21 constituting the fluid exchange membrane module 10 may be formed such that the inner diameter of the housing 21 gradually decreases according to the flow direction of the fluid. Figure 3 (b) shows a cross-sectional structure of the housing 21, which is a feature of the second embodiment of the present invention (c) is a perspective view from the outside. Looking at these figures, it can be seen that the cross-sectional shape of the housing 21 is entirely trapezoidal. That is, assuming that the diameters of the second fluid inlet 2a and the second fluid outlet 2b are the same, when the humidifying fluid is introduced while forming a constant hydraulic pressure at the second fluid inlet 2a, The pressure of the fluid in the housing 21 of the second fluid outlet 2b is higher than the pressure of the fluid in the housing 21 of the second fluid inlet 2a. That is, by forming the inner diameter of the housing 21 to gradually decrease in this way, it is possible to form a "pressure gradient" with respect to the fluid flowing inside the housing 21.

이와 같이 형성된 압력 구배를 이용하여 중공사막(12)의 내부로 투과되는 수분의 양을 극대화할 수 있게 된다. 즉, 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 상대적으로 높은 농도로 수분을 함유하고 있으며, 이와 같이 함유된 수분의 상당한 양은 다발형태의 중공사막(12)의 표면을 투과하여 중공사막(12) 내부의 관로로 충분히 들어가게 된다. 한편, 제2유체배출구(2b)로 향하는 가습유체는 상대적으로 적은 농도로 수분을 함유하고 있으나, 좁아진 하우징(21)의 구조로 인하여 유체의 압력이 높아지게 되므로 낮은 유체압력을 형성하는 제2유체유입구(2a) 부근보다 상대적으로 더욱 효율적으로 수분이 중공사막(12)을 투과할 수 있게 된다.By using the pressure gradient formed as described above, it is possible to maximize the amount of moisture that is permeated into the hollow fiber membrane 12. That is, the humidifying fluid introduced into the second fluid inlet 2a contains water at a relatively high concentration, and a considerable amount of the water contained therein penetrates the surface of the hollow fiber membrane 12 in the form of a hollow fiber membrane ( 12) It is enough to enter the internal pipeline. On the other hand, the humidifying fluid directed to the second fluid outlet (2b) contains water in a relatively small concentration, but the second fluid inlet to form a low fluid pressure because the pressure of the fluid is increased due to the structure of the narrower housing 21 Moisture can penetrate the hollow fiber membrane 12 more efficiently than near (2a).

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(31,32)의 구조를 나타내는 외부 사시도이다. 상기 하우징(31,32)의 내부구조는 외부 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있다(도 3의 (b)참고). 도 4를 참고하면, 상기 실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 하우징(31,32)은 각각 유입하우징부(311,321) 및 배출하우징부(312,322)를 구비한다. 상기 유입하우징부(311,321)는 전체적으로 배출구 측으로 갈수록 내부 직경이 감소하는 사다리꼴 단면형상을 갖도록 형성되어 있으며, 상기 배출하우징부(312,322)는 전체적으로 좁아진 내부 직경이 배출구까지 일정하게 유지되도록 형성되어 있다. 이와 같은 형상으로 하우징(31,32)의 구조를 형성하는 경우는 높아진 압력을 갖는 유체가 비교적 오랫동안 중공사막(12)의 표면과 접촉할 수 있으므로 가습효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.4 is an external perspective view showing the structure of the housings 31 and 32 that can be applied to the fluid exchange membrane module 10 according to the third embodiment of the present invention. The internal structure of the housings 31 and 32 has a shape corresponding to the external shape (see FIG. 3B). Referring to FIG. 4, the housings 31 and 32 of the fluid exchange membrane module 10 according to the embodiment include inlet housings 311 and 321 and discharge housings 312 and 322, respectively. The inflow housing parts 311 and 321 are formed to have a trapezoidal cross-sectional shape in which the inner diameter decreases toward the outlet side as a whole, and the discharge housing parts 312 and 322 are formed so that the entire inner diameter is kept constant until the outlet. In the case of forming the structures of the housings 31 and 32 in such a shape, since the fluid having a high pressure can be in contact with the surface of the hollow fiber membrane 12 for a relatively long time, the humidification efficiency can be further improved.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(41,42,43)의 구조를 나타내는 외부사시도이다. 상기 하우징(41,42,43)의 내부구조는 외부 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있다(도 3의 (b)참고). 상기 실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용되는 하우징(41,42,43)은 유입하우징부(411,421,431), 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)를 포함하며, 특히 상기 유입하우징부(411,421,431) 및 중간하우징부(412,422,432)를 연결하는 부분 및 상기 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)를 연결하는 부분에 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)가 구비되어 있다. 이와 같은 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)는 유체의 흐름을 방해하여 와류가 형성되도록 함으로써 유체가 하우징(41,42,43) 내부에 체류하는 시간을 늘이는 역할을 하게 된다. 즉, 가습효율을 높이기 위해 유입되는 유체는 일정한 압력을 가지게 되지만, 압력이 높아지는 만큼 유체의 유속 또한 증가하여 가습유체가 중공사막(12)의 표면에 접촉할 수 있는 기회가 줄어들게 된다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 각 하우징부가 연결되는 부위에 단턱을 형성함으로써 유체의 흐름을 방해하여 와류가 형성되도록 구성하게 되면, 유체의 압력이 높아짐에도 유체의 체류시간을 길게 하여 결과적으로 가습효율을 증가시킬 수 있게 된다.FIG. 5 is an external perspective view showing the structure of the housings 41, 42, and 43 that can be applied to the fluid exchange membrane module 10 according to the fourth embodiment of the present invention. The internal structure of the housings 41, 42, 43 has a shape corresponding to the external shape (see Fig. 3 (b)). The housings 41, 42, and 43 applied to the fluid exchange membrane module 10 according to the embodiment include an inlet housing 411, 421, 431, an intermediate housing 412, 422, 432, and an outlet housing 413, 423, 433, in particular the inlet. Vortex forming portions 411a, 412a, 421a, 422a, 431a, at portions connecting the housing portions 411, 421, 431 and the intermediate housing portions 412, 422, 432 and portions connecting the intermediate housings 412, 422, 432 and the discharge housing portions 413, 423, 433. 432a). Such vortex forming parts 411a, 412a, 421a, 422a, 431a, 432a serve to increase the time for the fluid to stay inside the housings 41, 42, 43 by disturbing the flow of fluid to form vortices. do. That is, the fluid flowing in order to increase the humidification efficiency has a constant pressure, but as the pressure increases, the flow rate of the fluid also increases, thereby reducing the chance of the humidifying fluid contacting the surface of the hollow fiber membrane 12. Therefore, as in the present embodiment, when the stepped portion is formed at the portion where the housing part is connected, the flow of the fluid is prevented by forming a vortex, thereby increasing the residence time of the fluid even though the pressure of the fluid is increased, resulting in a humidification efficiency. Can be increased.

상기 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)는 다양하게 형성할 수 있다. 즉, 도 5의 (a)와 같이 수직단턱으로 형성할 수 있고, 도 5의 (b) 및 (c)와 같이 직선 또는 곡선으로 경사지게 형성할 수도 있다. The vortex forming parts 411a, 412a, 421a, 422a, 431a, and 432a may be variously formed. That is, it may be formed as a vertical step as shown in Fig. 5 (a), it may be formed to be inclined in a straight line or curve as shown in Fig. 5 (b) and (c).

한편, 상기 제4실시예에 적용되는 하우징(41,42,43)은 도 5에 유입하우징부(411,421,431), 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)가 모두 직경이 일정한 원통형으로 도시되어 있으나, 이들이 각각 배출구 측으로 갈수록 직경이 작아지는 형상으로 형성될 수도 있다.On the other hand, the housing (41, 42, 43) applied to the fourth embodiment is shown in Figure 5 the inlet housing (411, 421, 431), the middle housing (412, 422, 432) and the discharge housing (413, 423, 433) all have a cylindrical shape with a constant diameter Although they are, respectively, they may be formed in a shape that decreases in diameter toward the outlet side.

도 6은 본 발명에 따른 유체교환막 모듈(10)의 제5실시예에 적용될 수 있는 하우징(51)의 내부구조를 나타내는 단면도(a) 및 사시 단면도(b)이다.6 is a cross-sectional view (a) and a perspective cross-sectional view (b) showing the internal structure of the housing 51 that can be applied to the fifth embodiment of the fluid exchange membrane module 10 according to the present invention.

도 6을 참고하면, 상기 하우징(51)의 내부에는 상기 하우징(51)의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치되어 유체의 흐름을 방해하여 유체의 와류를 형성함으로써 하우징(51) 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있는 다수의 와류형성편(511,512,513)이 구비될 수 있다. 상기 와류형성편은 판형상으로 이루어질 수 있으며, 내부 중앙에는 중공사막(12) 다발이 관통배치되는 중공사막관통홀(511a,512a,513a)이 구비된다. 상기 중공사막관통홀(511a,512a,513a)의 형상은 원형, 다각형 또는 무정형 등 다양한 형상의 구멍으로 이루어질 수 있으며, 다수의 와류형성편은 그 내부에 형성된 중공사막관통홀(511a,512a,513a)이 상기 하우징(51)의 유체유입구 측으로부터 상기 하우징(51)의 유체배출구 측으로 갈수록 그 크기가 점차 감소하도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 6, the inside of the housing 51 is formed to protrude from an inner side surface of the housing 51 and is disposed side by side at intervals to hinder the flow of the fluid to form a vortex of the fluid within the housing 51. A plurality of vortex forming pieces (511, 512, 513) can be provided to increase the residence time of the fluid. The vortex forming piece may be formed in a plate shape, and the hollow fiber membrane through-holes 511a, 512a, and 513a through which the hollow fiber membrane 12 bundles are disposed are disposed in the inner center thereof. The hollow fiber membrane through-holes (511a, 512a, 513a) may be formed in a variety of shapes, such as circular, polygonal or amorphous, a plurality of vortex forming pieces are hollow fiber membrane through-holes (511a, 512a, 513a formed therein) ) May be disposed such that its size gradually decreases from the fluid inlet side of the housing 51 toward the fluid outlet side of the housing 51.

도 6에는 본 발명의 제5실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(51)의 직경이 일정하게 도시되어 있으나, 유체유입구 측으로부터 유체배출구 측으로 갈수록 내부 직경이 감소하는 형상으로 형성될 수도 있다.In Figure 6, the diameter of the housing 51 that can be applied to the fluid exchange membrane module 10 according to the fifth embodiment of the present invention is constantly shown, but the inner diameter decreases from the fluid inlet side toward the fluid outlet side It may be formed.

상기 본 발명의 일 실시예들에서는 상기 제2유체가 제2유체유입구(2a)로 유입되고 제2유체유출구(2b)를 통하여 유출되는 것으로 기재되었으나, 상기 제2유체는 제2유체유출구(2b)로 유입되고 제2유체유입구(2a)를 통하여 유출될 수도 있다.
In one embodiment of the present invention, the second fluid is described as being introduced into the second fluid inlet (2a) and outflow through the second fluid outlet (2b), the second fluid is the second fluid outlet (2b) ) And may flow through the second fluid inlet (2a).

[실시예: 수분 교환 모듈의 제조]Example: Preparation of Moisture Exchange Module

(실시예 1)(Example 1)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 30 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 40 면적%였다.14,000 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) were placed in a bundle inside a rectangular housing (250 mm wide, 250 mm long, 500 mm high). At this time, one side average density of the said hollow fiber membrane bundle was 30 area%, and the other side average density was 40 area%.

상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡을 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.The pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundle and the space between the hollow fiber membrane bundle and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutout to form a potting part, and then housings at both ends of the housing. A cap was prepared to prepare a moisture exchange module.

(실시예 2)(Example 2)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 40 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 50 면적%였다.14,000 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) were placed in a bundle inside a rectangular housing (250 mm wide, 250 mm long, 500 mm high). At this time, one side average density of the said hollow fiber membrane bundle was 40 area%, and the other side average density was 50 area%.

상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡을 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.The pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundle and the space between the hollow fiber membrane bundle and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutout to form a potting part, and then housings at both ends of the housing. A cap was prepared to prepare a moisture exchange module.

(실시예 3)(Example 3)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 30 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 50 면적%였다.14,000 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) were placed in a bundle inside a rectangular housing (250 mm wide, 250 mm long, 500 mm high). At this time, one side average density of the said hollow fiber membrane bundle was 30 area%, and the other side average density was 50 area%.

상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡을 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.The pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundle and the space between the hollow fiber membrane bundle and the housing, and then cured and sealed. After the cap for forming the potting part is removed, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut to form the potting part so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutting part, and then housings are formed at both ends of the housing. A cap was prepared to prepare a moisture exchange module.

(비교예)(Comparative Example)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 및 타측 평균 밀집도는 동일하게 40 면적%였다.14,000 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) were placed in a bundle inside a rectangular housing (250 mm wide, 250 mm long, 500 mm high). At this time, the average density of one side and the other side of the hollow fiber membrane bundle was equal to 40 area%.

상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡을 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.The pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundle and the space between the hollow fiber membrane bundle and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutout to form a potting part, and then housings at both ends of the housing. A cap was prepared to prepare a moisture exchange module.

[실험예: 제조된 포팅부의 성능 측정]Experimental Example: Measurement of the Performance of a Potted Part

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈의 중공사막 내부와 외부에 각각 50g/sec의 건조공기를 유입하고 중공사막 외부는 온도 70℃, 습도 90RH% 로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40℃, 습도 10RH%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다. 50 g / sec of dry air flows into the inside and outside of the hollow fiber membranes of the moisture exchange modules prepared in Examples and Comparative Examples, respectively, and the outside of the hollow fiber membranes is fixed at a temperature of 70 ° C. and a humidity of 90 RH%, and the inside of the hollow fiber membranes is a temperature of 40 ° C. The gas-gas humidification was performed by fixing to 10 RH% of humidity.

가습 성능은 상기 중공사막 내부를 흐르는 공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The humidification performance was measured in terms of dew point by measuring the temperature and humidity at the point where the air flowing inside the hollow fiber membrane is humidified, and the results are shown in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예Comparative example 가습성능(℃)Humidification Performance (℃) 5555 5757 5858 4949

상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 수분 교환 모듈은 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈에 비하여 가습 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
Referring to Table 1, it can be seen that the moisture exchange module manufactured in the above example has better humidification performance than the moisture exchange module prepared in the comparative example.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 그 응용분야가 매우 다양하며, 예를 들어 가스교환기, 막 가습기 또는 수처리기등으로 응용될 수 있을 것이다.
As described above, the fluid exchange membrane module according to various embodiments of the present invention has a wide variety of applications, and may be applied to, for example, a gas exchanger, a membrane humidifier or a water processor.

1a: 제1유체유입구 1b: 제1유체배출
2a: 제2유체유입구 2b: 제2유체배출
10: 유체교환막 모듈 11: 하우
12: 중공사막 13: 포팅
21: 하우징 31,32: 하우
311,321: 유입하우징부 312,322: 배출하우징
41,42,43: 하우징 411,421,431: 유입하우징부
412,422,432: 중간하우징부 413,423,433: 배출하우징부
411a,412a: 와류형성부 421a,422a: 와류형성부
431a,432a: 와류형성부 51: 하우징
511,512,513: 와류형성편 511a,512a,513a: 중공사막관통홀
1a: first fluid inlet 1b: first fluid discharge
2a: second fluid inlet 2b: second fluid outlet
10: fluid exchange membrane module 11: how
12: hollow fiber membrane 13: potting
21: housing 31, 32: howe
311,321: inflow housing 312,322: discharge housing
41, 42, 43: housing 411, 421, 431: inlet housing
412,422,432: intermediate housing 413,423,433: discharge housing
411a and 412a: vortex forming unit 421a and 422a: vortex forming unit
431a and 432a: vortex forming part 51: housing
511,512,513: Vortex forming piece 511a, 512a, 513a: Hollow fiber membrane through hole

Claims (7)

제1유체유입구, 상기 제1유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 상기 제2유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및
상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며,
상기 제1유체유입구 및 상기 제2유체유입구는 상기 하우징의 제1말단 측에 형성되고,
상기 제1유체배출구 및 상기 제2유체배출구는 상기 하우징의 제2말단 측에 형성되며,
상기 중공사막 다발의 밀집도는 상기 하우징의 제1말단 측으로부터 상기 하우징의 제2말단 측으로 갈수록 점점 커지도록 배치되는 유체교환막 모듈.
A housing having a first fluid inlet, a first fluid outlet for discharging the fluid introduced into the first fluid inlet, a second fluid inlet, and a second fluid outlet for discharging the fluid introduced into the second fluid inlet; And
And a hollow fiber membrane bundle fixed in the housing.
The first fluid inlet and the second fluid inlet are formed on the first end side of the housing,
The first fluid outlet and the second fluid outlet are formed on the second end side of the housing,
The density of the hollow fiber membrane bundle is arranged so as to increase gradually from the first end side of the housing toward the second end side of the housing.
제1항에 있어서,
상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 10내지 50 면적%이고,
상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%인 유체교환막 모듈.
The method of claim 1,
The average density of the hollow fiber membrane bundle at the first fluid inlet or the second fluid inlet is 10 to 50 area%,
An average density of the hollow fiber membrane bundle of the first fluid outlet or the second fluid outlet side is 20 to 60 area% of the fluid exchange membrane module.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 하우징의 제1말단 측 내부로부터 상기 하우징의 제2말단 측 내부로 갈수록 하우징 내부의 직경이 점차 감소하는 유체교환막 모듈.
The method of claim 1,
And a diameter of the housing gradually decreases from the inside of the first end side of the housing to the inside of the second end side of the housing.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부에는 상기 하우징 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있도록 와류형성부가 더 구비된 유체교환막 모듈.
The method of claim 1,
The fluid exchange membrane module is further provided with a vortex forming unit in the housing to increase the residence time of the fluid in the housing.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부에는 상기 하우징의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치된 다수의 와류형성편이 구비되며,
상기 와류형성편에는 중공사막관통홀이 형성되고,
상기 다수의 와류형성편은
상기 다수의 와류형성편에 형성된 중공사막관통홀의 직경이 상기 하우징의 제1말단 측으로부터 상기 하우징의 제2말단 측으로 갈수록 점차 감소하도록 배치된 유체교환막 모듈.
The method of claim 1,
The inside of the housing is provided with a plurality of vortex forming pieces protruding from the inner surface of the housing arranged side by side at intervals,
Hollow fiber membrane through-hole is formed in the vortex forming piece,
The plurality of vortex forming pieces
And a diameter of the hollow fiber membrane through-holes formed in the plurality of vortex forming pieces gradually decreases from the first end side of the housing toward the second end side of the housing.
제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 유체교환막 모듈.
The method according to any one of claims 1, 2 and 4 to 6,
The fluid exchange membrane module is any one selected from the group consisting of a water exchange module, a heat exchange module, a gas separation module and a water treatment module.
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