KR102170523B1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이종 직경 중공사막을 구비하여 공급 공기의 유량에 따라 가습량 조절이 가능한 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
내부에 제1 유체가 흐르고, 외부에 제2 유체가 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막들이 수용된 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서, 상기 하우징부는, 상기 제1 유체가 유동하는 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구와, 상기 제2 유체가 유동하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구를 포함하며, 상기 하우징부 내부에는 제1 직경을 구비한 제1 중공사막들과, 제2 직경을 구비한 제2 중공사막들이 수용된다.

Description

연료전지 막가습기 {Fuel cell membrane humidifier}

본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이종 직경 중공사막을 구비하여 공급 공기의 유량에 따라 가습량 조절이 가능한 연료전지 막가습기에 관한 것이다.

연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다.

또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다.

이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 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.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.

이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

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 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

한편, 저 전류영역에서는 충분한 가습이 필요하나 고 전류영역, 고 출력영역에서는 캐소드에 생성되는 물의 양이 많아지게 되어, 캐소드에서의 물질전달 저항을 증가시켜서 플러딩의 원인이 된다. 캐소드에서 생성된 많은 양의 물이 공기의 공급을 막기 때문에 공기 공급이 부족해지는 현상이 발생하며, 결국 연료전지 촉매의 열화를 가속화시켜 연료전지의 내구성을 크게 저하시키게 된다.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호 대한민국 공개특허 제10-2000-0108092호 대한민국 공개특허 제10-2000-0131631호 대한민국 공개특허 제10-2001-0001022호 대한민국 공개특허 제10-2001-0006122호 대한민국 공개특허 제10-2001-0006128호 대한민국 공개특허 제10-2001-0021217호 대한민국 공개특허 제10-2001-0026696호 대한민국공개특허제10-2001-0063366호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 이종 직경 중공사막을 구비하여 공급 공기의 유량에 따라 가습량 조절이 가능한 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,

내부에 제1 유체가 흐르고, 외부에 제2 유체가 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막들이 수용된 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서, 상기 하우징부는, 상기 제1 유체가 유동하는 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구와, 상기 제2 유체가 유동하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구를 포함하며, 상기 하우징부 내부에는 제1 직경을 구비한 제1 중공사막들과, 상기 제1 직경과 상이한 제2 직경을 구비한 제2 중공사막들이 수용된다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 중공사막들은 상기 하우징부 내부의 일 영역에 수용되고, 상기 제2 중공사막들은 상기 하우징부 내부의 타 영역에 수용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 중공사막들이 수용된 제1 카트리지와, 상기 제2 중공사막들이 수용된 제2 카트리지를 포함하며, 상기 제1 및 제2 카트리지가 상기 하우징부 내부에 수용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 제1 유체 유입구와, 상기 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 캡과, 상기 제2 유체 유입구와, 상기 제2 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징 캡과 상기 하우징 몸체는 일체형으로 형성될 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 추가적인 장비없이도 공급 공기의 유량에 따라 가습량 조절이 가능하게 된다. 그 결과, 저출력 영역에서는 충분한 가습을 수행할 수 있고, 고 출력영역에서는 캐소드에 생성되는 물의 양을 줄일 수 있게 되어, 캐소드에서 발생하는 플러딩을 예방할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 4는 도 2의 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이고, 도 4는 도 2의 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 하우징부(100), 중공사막 모듈(200)을 포함한다.

하우징부(100)는 막가습기의 외형을 이룬다. 하우징부(100)는 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다.

또한, 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폭 방향 단면 형상이 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.

하우징 몸체(110)의 양단에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(131)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(132)가 형성되어 있다.

하우징 캡(120)은 하우징 몸체(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120)에는 제1 유체 유입구(121) 및 제1 유체 유출구(122)가 형성되어 있다. 일측 하우징 캡(120)의 제1 유체 유입구(121)로 유입된 제1 유체는 중공사막 모듈(200) 내부로 유입되어 중공사막의 내부 관로를 통과하고 중공사막 모듈(200) 외부로 유출된 후, 타측 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가게 된다. 상기에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 또는, 제2 유체가 저습의 유체이고, 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다.

중공사막 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막이 수용된 중공사막 다발이 배치되거나, 복수의 중공사막이 수용된 복수의 카트리지(C, 도 2 참조)가 배치될 수 있다.

중공사막 모듈(200) 내부 또는 카트리지(C) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막이 수용된다. 중공사막(210)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다. 상기 중공사막(210)은 수분 교환의 정도 차이는 있으나, 대체적으로 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분을 교환하는 기능을 수행한다.

중공사막 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(210)들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(140)가 형성된다. 이로써, 중공사막 모듈(200)은 양단부가 포팅부에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에서, 중공사막 모듈(200) 내부에는 적어도 2이상의 직경의 크기가 상이한 중공사막이 수용된다. 상이한 직경의 중공사막 중에서 제1 직경을 구비한 중공사막들은 하우징부 내부의 일 영역에 수용되고, 제2 직경을 구비한 중공사막들은 하우징부 내부의 타 영역에 수용될 수 있다.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 직경을 구비한 제1 중공사막(210a)들이 하우징부(100) 내부의 상부 영역에 수용되고, 제2 직경을 구비한 제2 중공사막(210b)들이 하우징부(100) 내부의 하부 영역에 수용될 수 있다. 제1 중공사막(210a)들과 제2 중공사막(210b)들 사이에는 공간을 구획하는 격벽(220)이 형성될 수 있다.

한편, 하우징부(100) 내부에는 복수의 중공사막들이 적어도 2 이상의 카트리지(C) 형태로 수용될 수 있다. 이때, 각각의 카트리지에 상이한 직경의 중공사막들이 수용될 수 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징부(100)에 4개의 카트리지(C)가 수용될 수 있고, 4개의 카트리지 중에서 상부 2개의 카트리지에는 제1 직경의 제1 중공사막(210a)들이 수용되고, 하부 2개의 카트리지에는 제2 직경의 제2 중공사막(210b)들이 수용될 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고, 각각의 카트리지에 각각 상이한 직경의 중공사막들이 수용될 수도 있다.

도면에서는 제1 중공사막(210a)들이 작은 직경, 제2 중공사막(210b)들이 큰 직경을 가지는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시일 뿐, 제1 중공사막(210a)들이 큰 직경, 제2 중공사막(210b)들이 작은 직경을 가질 수도 있다.

다음으로, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명한다. 설명의 편의상, 제1 중공사막(210a)들이 수용된 영역을 제1 모듈(201), 제2 중공사막(210b)들이 수용된 영역을 제2 모듈(202)이라 한다.

외부의 블로워(미도시)에 의해 막가습기로 공기가 공급된다. 즉, 블로워에 의해 압축된 공급 공기(제1 유체)는 제1 유체 유입구(121)로 유입된다. 이때, 블로워에 의해 유입되는 공기의 양이 상대적으로 적은 저유량 출력인 경우, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 제1 유체는 유동 저항이 적은 방향으로 유동하도록 유도된다. 즉, 직경이 큰 중공사막들이 수용된 제2 모듈(202)로 제1 유체가 유동되도록 한다. 물론, 제1 모듈(201)의 입구가 막혀있는 것은 아니어서, 모든 제1 유체가 제2 모듈(202)로 유동되는 것은 아니나, 제1 모듈(201) 보다 제2 모듈(202)로 유입되는 제1 유체의 양이 더 많게 된다.

한편, 블로워에 의해 유입되는 공기의 양이 상대적으로 큰 고유량 출력인 경우, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 제1 유체는, 흐름 압력에 의해, 상대적으로 더 많은 양의 제1 유체가 제1 모듈(201)로 유입하게 된다.

즉, 저유량 출력인 경우, 블로워에서 막가습기로 공급된 제1 유체는, 직경이 큰 중공사막들이 수용되어 상대적으로 유동 저항이 적은 제2 모듈(202)로 더 많이 유동하게 되고, 고유량 출력인 경우, 흐름 압력에 의해 상대적으로 더 많은 양의 제1 유체가 제1 모듈(201)로 유입하게 되어, 추가적인 장비없이도 공급 공기의 유량에 따라 가습량 조절이 가능하게 된다. 그 결과, 저출력 영역에서는 충분한 가습을 수행할 수 있고, 고 출력영역에서는 캐소드에 생성되는 물의 양을 줄일 수 있게 되어, 캐소드에서 발생하는 플러딩을 예방할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 200 : 중공사막 모듈
201 : 제1 모듈 202 : 제2 모듈
210a : 제1 중공사막 210b : 제2 중공사막

Claims (5)

1. 내부에 제1 유체가 흐르고, 외부에 제2 유체가 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막들이 수용된 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서,
   상기 하우징부는, 상기 제1 유체가 유동하는 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구와, 상기 제2 유체가 유동하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구를 포함하며,
   상기 하우징부 내부에는 제1 직경을 구비한 제1 중공사막들이 수용되며 상기 하우징부 내부의 일 영역에 형성된 제1 모듈과, 상기 제1 직경 보다 직경이 큰 제2 직경을 구비한 제2 중공사막들이 수용되며 상기 하우징부 내부의 타 영역에 형성된 제2 모듈을 포함하고,
   상기 하우징부는, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 캡과, 상기 제2 유체 유입구와 상기 제2 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체가 일체형으로 형성되며,
   외부의 블로워에 의해 압축된 제1 유체는 상기 제1 유체 유입구로 유입되고,
   상기 블로워에 의해 유입되는 공기의 양이 상대적으로 적은 저유량 출력인 경우, 상기 제1 유체 유입구를 통해 유입된 제1 유체는 상기 제1 직경 보다 직경이 큰 제2 직경을 구비한 제2 중공사막들이 수용된 상기 제2 모듈로 유동되고,
   상기 블로워에 의해 유입되는 공기의 양이 상대적으로 큰 고유량 출력인 경우, 상기 제1 유체 유입구를 통해 유입된 제1 유체는, 흐름 압력에 의해, 상대적으로 더 많은 양의 제1 유체가 상기 제1 모듈로 유입되는,
   것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
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