KR102216355B1 - 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기 - Google Patents

유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체의 흐름 방향 제어하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
내부에 제1 유체가 흐르고, 외부에 제2 유체가 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용된 중공사막 모듈과 막가습기의 외형을 이루는 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서, 상기 중공사막과 상기 하우징부 사이에 유체의 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부가 형성된다.

Description

유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기 {Fuel cell membrane humidifier capable of controlling flow direction of fluid }
본 발명은 유체의 흐름 방향 제어하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 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, 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막의 경우, 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있다. 하지만 중공사막을 고집적화시키게 되면 중공사막에 의한 저항으로 인해 중공사막 외부로 흐르는 유체의 흐름이 균일하게 형성되지 않는 문제점이 있다.
또한, 유체의 흐름이 균일하게 형성되지 않음에 따라 사용되는 막의 면적이 감소하고, 일부만 쓰이게 되므로 가습 효율이 저하되는 문제점이 있다.
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 대한민국 공개특허 제10-2001-0063366호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 중공사막이 고집적화된 경우라도 유체의 흐름을 균일하게 형성 및 미사용 가습막으로 유체의 흐름을 유도함으로써 가습 효율을 향상시킬 수 있는 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 중공사막이 수용된 중공사막 모듈과 막가습기의 외형을 이루는 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서, 상기 중공사막과 상기 하우징부 사이에 유체의 흐름을 균일하게 유도하거나 원하는 방향으로 유체의 흐름을 유도하는 유체 가이드부가 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 유체 가이드부는, 상기 중공사막을 감싸는 베이스부와, 상기 베이스부 위에 형성되며 기설정된 크기로 돌출 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출부는 복수의 스트라이프로 이루어지며, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출부는 복수의 스트라이프로 이루어지며, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출부는 복수의 스트라이프로 이루어지며, 상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출부는 복수의 스트라이프로 이루어지며, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며, 상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 유체는 고습한 제2 유체일 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 유체 가이드부에 형성된 돌출부에 의해 중공사막 모듈로 유입된 유체의 흐름을 균일하게 형성 또는 원하는 방향으로 유도할 수 있게 되어, 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 중공사막과 하우징부 사이에 일정한 높이의 베이스부와 돌출부로 이루어진 2층 구조의 망 구조물을 형성함에 따라 중공사막과 하우징부의 내벽이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있게 되어 하우징부의 내벽에 의한 중공사막의 손상을 방지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 중공사막 모듈이 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A' 라인에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 가이드부가 도시된 도면이다.
도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 바라본 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 이종 재질의 중공사막을 구비한 중공사막 모듈 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 하우징부(100)와 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, 도 1에 도시된 바와 같이, 폭 방향 단면 형상이 원형이거나 또는, 도 2에 도시된 바와 같이, 폭 방향 단면 형상이 다각형일 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. 상기에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 또는, 제2 유체가 저습의 유체이고, 제1 유체가 고습의 유체일 수도 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.
중공사막 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(210) 다발이 배치될 수 있다. 중공사막 다발은 카트리지 형태로 배치될 수도 있다.
중공사막(210)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다.
중공사막(210) 주위에는 유체의 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부(220)가 형성된다. 여기서, 유체는 고습의 유체일 수 있다. 유체 가이드부(220)에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하여 후술한다.
중공사막 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(210) 및 유체 가이드부(220)를 결속하면서 중공사막의 사이의 공극을 메우는 포팅부(미도시)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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기의 중공사막 모듈이 도시된 도면이고, 도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 가이드부(220)가 도시된 도면이고, 도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 바라본 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유체 가이드부(220)는 2층 구조로 그물 형태의 망 구조물을 형성하여 유체의 흐름을 균일하게 유도한다. 유체 가이드부(220)는 베이스부(221)와 돌출부(222)를 포함한다.
베이스부(221)는 소정의 높이를 갖는 복수개의 제1 스트라이프(stripe, S1, 도 6 참조)로서, 기설정된 간격을 유지하면서 중공사막(210) 주위를 감싸면서 형성된다. 이러한 베이스부(221)는 중공사막(210)이 흔들리지 않도록 고정 지지하는 기능을 수행한다.
돌출부(222)는 베이스부(221) 위에 형성되며 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수개의 제2 스트라이프(S2, 도 6 참조)이다. 돌출부(222)는 중공사막 모듈(200)로 유입된 고습한 유체의 흐름이 균일해지도록 유도한다. 예를 들어, 제2 유체 유입구(131)로 유입된 고습한 제2 유체는 중공사막(210)의 외부를 흐르기 전에, 돌출부(222)에 의해 일정하게 흐름이 유도된 후, 중공사막(210) 외부를 흐르면서 중공사막(210) 내부를 흐르는 저습한 제1 유체와 수분 교환을 수행한다.
돌출부(222)는 고습한 유체의 흐름 방향을 효과적으로 제어하기 위해 일정한 높이와 간격, 그리고 각도를 이루도록 형성된다.
도 5및 도 6을 참조하면, 돌출부(222)는 고습한 유체가 흐르는 유로(F)를 형성하며, 돌출부(222)의 높이 h는 유로(F)의 깊이에 해당한다.
돌출부(222)의 높이 h는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 단일 중공사막 직경은, 예를 들어 약 1mm일 수 있으며, 따라서 돌출부(222)의 높이는 0.5 ~ 3mm 크기로 형성될 수 있다.
돌출부(222)의 높이 h가 단일 중공사막 직경 크기의 50% 미만인 경우, 충분한 깊이의 유로가 형성되지 못하여 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체가 유로(F)를 따라 흐르지 못하고, 외부로 유출될 수 있다. 또한, 돌출부(222)의 높이 h가 단일 중공사막 직경 크기의 300%를 초과하는 경우, 그 효과가 300% 이하와 동일하므로 소형화에 적합하지 않은 문제가 있다.
돌출부(222)를 이루는 제2 스트라이프(S2) 간의 간격(W)은, 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 단일 중공사막 직경은, 예를 들어 약 1mm일 수 있으며, 따라서 제2 스트라이프(S2) 간의 간격은 0.5 ~ 3mm 크기로 형성될 수 있다.
제2 스트라이프(S2) 간의 간격(W)이 단일 중공사막 직경 크기의 50% 미만인 경우와 스트라이프(S2) 간의 간격(W)이 단일 중공사막 직경 크기의 300%를 초과하는 경우, 그 크기가 매우 작거나 커 유체의 흐름을 조절하는 효과가 미미하다는 문제가 있다.
돌출부(222)를 이루는 제2 스트라이프(S2)가 중공사막 모듈(200)의 중심축(X, 도 3 및 도 5 참조)과 이루는 각도(O)는 30 ~ 90°인 것이 바람직하다. 각도(O)가 30° 미만인 경우, 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체가 유로(F)에 충분히 머물지 못하고 바로 빠져나갈 가능성이 크다. 한편, 각도(O)는 X축을 기준으로 하는 축대칭, 점 O를 기준으로 하는 점대칭인 경우, 즉, 각도(O)가 90 ~ 360°를 이루는 2 ~ 4 사분면 경우, 유체의 관점에서 1사분면(각도(O)가 0 ~ 90°인 경우)과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 막가습기에서 제1 유체 및 제2 유체의 수분 교환 과정에 대해 설명한다. 아래의 설명에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 또는, 제2 유체가 저습의 유체이고, 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다.
제1 유체는 중공사막 모듈(200)의 중공사막(210) 내부로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 한편, 제1 유체는 제1 유체 유출구(122)로 유입되어 제1 유체 유입구(121)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다.
제2 유체는 하우징 몸체(110)의 제2 유체 유입구(131)를 통하여 상기 하우징 몸체(110)로 공급된 후, 중공사막(210)의 외부로 흐른 후, 하우징 몸체(110)의 제2 유체 유출구(132)를 통하여 외부로 배출된다.
이때, 제2 유체는 중공사막(210)의 외부를 흐르기 전에, 돌출부(222)를 이루는 제2 스트라이프에 의해 일정하게 흐름이 유도된 후, 베이스부(221)를 이루는 제1 스트라이프 사이의 공간으로 유입되어 중공사막(210) 외부를 흐르면서 중공사막(210) 내부를 흐르는 저습한 제1 유체와 수분 교환을 수행한다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 유체 가이드부에 형성된 돌출부에 의해 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체의 흐름을 균일하게 형성할 수 있게 되어, 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 중공사막과 하우징부 사이에 일정한 높이의 베이스부와 돌출부로 이루어진 2층 구조의 망 구조물을 형성함에 따라 중공사막과 하우징부의 내벽이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있게 되어 하우징부의 내벽에 의한 중공사막의 손상을 방지시킬 수 있다.
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
210 : 중공사막 220 : 유체 가이드부
221 : 베이스부 222 : 돌출부

Claims (7)

  1. 내부에 제1 유체가 흐르고, 외부에 제2 유체가 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용된 중공사막 모듈과 막가습기의 외형을 이루는 하우징부를 포함하는 연료전지 막가습기로서,
    상기 중공사막과 상기 하우징부 사이에 유체의 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부가 형성되어 있고,
    상기 유체 가이드부는 상기 중공사막을 감싸는 베이스부와, 상기 베이스부 위에 형성되며 기설정된 크기로 돌출 형성된 돌출부를 포함하고,
    상기 돌출부는 복수의 스트라이프로 이루어지며,
    상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고,
    상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며,
    상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인,
    연료전지 막가습기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유체는 상기 제1 유체보다 고습한 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
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