KR20080001951A

KR20080001951A - 연료전지용 나피온 막 가습기

Info

Publication number: KR20080001951A
Application number: KR1020060060435A
Authority: KR
Inventors: 김치명
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-04
Also published as: KR100805467B1

Abstract

본 발명은 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것으로, 연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 상기 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 상기 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징; 및 상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유(114)를 수용하는 다수의 나피온 튜브(112)로 연결 형성되되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징(10)의 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공한다. 이에 나피온 튜브 번들이 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있다.

연료전지, 나피온 막 가습기

Description

연료전지용 나피온 막 가습기{A nafion membrane humidifier for a fuel cell}

도 1은 종래의 나피온 막 가습기가 설치된 연료전지의 작동 흐름도.

도 2는 종래의 나피온 막 가습기의 사시도.

도 3은 도 2에 따른 공기의 유동 상태를 나타낸 분석도.

도 4는 본 발명의 나피온 튜브 번들을 감는 방법을 도시한 측면도.

도 5는 본 발명의 나피온 막 가습기와 종래의 나피온 막 가습기를 비교한 측단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 나피온 막 가습기 10 : 하우징

110 : 나피온 튜브 번들 112 : 나피온 튜브

114 : 중공 섬유

본 발명은 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나피온 튜브를 소용돌이 구조를 갖도록 감고 양단부를 외측으로 볼록한 형상을 갖도 록 가공함으로써 가습 효율을 향상시킨 연료전지용 나피온 막 가습기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지용 막 가습기는 중공 섬유(hollow fiber)를 이용한 기체-기체 막 가습기(gas to gas membrane humidifier)로서, 접촉 표면적이 넓은 중공 섬유를 사용함으로써 소용량 고집적화가 가능하다.

중공 섬유를 사용하면 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 가습기를 통해 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수해 재사용할 수 있으므로 연료전지의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

첨부된 도 1은 종래의 나피온 막 가습기가 설치된 연료전지의 작동 흐름도이고, 도 2는 종래의 나피온 막 가습기의 사시도이며, 도 3은 도 2에 따른 공기의 유동 상태를 나타낸 분석도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 나피온 막 가습기(1)는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(3)과 공기 블로워(5)의 사이에 설치된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 나피온 막 가습기(1)는 연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 배출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징(10)과, 하우징(10)의 내부에 수용되어 반응 가스와 반응하는 나피온 막(20)으로 구성된다.

나피온 막(20)은 수천 개의 중공 섬유가 나피온 재질(양이온만을 선택적으로 투과시키는 물질)의 튜브에 각각 들어 있는 나피온 튜브 다발을 펼쳐놓고 양쪽 끝단에서 각각의 튜브 사이에 접착제를 바르면서 둥글게 마는 과정에 의해 만들어지며, 나피온 막(20)의 길이 방향 양단부는 평평한 모양을 이룬다.

그런데 이러한 방법으로 제조된 나피온 막은 낮은 공기 유속에서는 큰 문제가 없으나, 많은 양의 공기가 빠른 속도로 가습기 안으로 유입되면 도 3에 도시된 바와 같이 가습 역할을 하지 못하는 영역(dead zone, A)이 발생하게 된다.

원래 설계된 구조에서 일부 영역만이 가습 반응에 사용되므로 연료전지 스택이 필요로 하는 상대습도(RH) 65% 이상을 만족하지 못하게 되고, 결국 차량의 가속 성능을 저하시키고 연료전지 스택의 열화를 가속시키는 원인이 될 수 있다.

본 발명의 목적은 나피온 튜브를 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 감긴 나피온 튜브의 양단부를 둥글게 가공하여 건조 공기와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료 전지 스택에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구와, 반응 후 수분이 함유된 가스가 유출되는 유출구와, 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구가 형성된 하우징; 및 상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유를 수용하는 다수의 나피온 튜브를 연결하되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징의 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기를 제공한다.

상기 나피온 튜브 번들은 양 단부가 외측으로 볼록한 형상을 갖도록 가공되는 것이 바람직하다.

이하에서는 자동차용 연료전지에 사용하는 나피온 막 가습기를 본 발명의 일 실시예로 하고 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 또한 종래 기술과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하여 설명하고 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도 4는 본 발명의 나피온 튜브 번들을 감는 방법을 도시한 측면도이고, 도 5는 본 발명의 나피온 막 가습기와 종래의 나피온 막 가습기를 비교한 측단면도이다.

본 발명의 나피온 막 가습기(100)는 연료전지 스택(3)과 공기 블로워(5) 사이에 설치된다(도 1 참조)되며, 하우징(10)과 하우징(10) 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들(110)로 구성된다.

대기중의 건조한 공기가 공기 블로워(5)를 통해 나피온 막 가습기(100)의 내부로 유입되고, 연료전지 스택(3)으로부터 배출된 미반응 가스 역시 나피온 막 가 습기(100)로 공급된다.

이때, 다수의 나피온 튜브(112)에는 약 10,000 가닥의 중공 섬유가 분할 삽입된다(자동차용 연료전지 가습을 위해서 일반적으로 사용되는 분량). 연료전지 스택(3)에서 고온으로 배출되는 미반응 가스 중의 수분과 열이 나피온 재질로 만들어진 나피온 튜브(112)의 표면을 통해 외부에서 공급되는 건조한 공기와 반응하여 건조 공기에 수분을 공급함으로써 연료전지의 가습과 온도 유지에 재이용된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 나피온 튜브 번들(110)은 수천 개의 중공 섬유를 수용한 다수의 나피온 튜브(112)가 연결된 뭉치를 펼쳐 놓고, 일측으로부터 차례로 감으면서 접착제를 이용해 소용돌이(swirl) 모양으로 고정함으로써 만들어진다.

나피온 튜브 번들(110)을 소용돌이 모양으로 감으면 종래의 나피온 튜브 다발을 양측에서부터 감아서 만든 나피온 막(20)에 비해 공기 블로워(5)를 통해 공급되는 건조 공기가 나피온 막 가습기(100) 내부에서 잔류하는 시간이 늘어나게 된다.

잔류 시간이 늘어나면서 건조 공기와 연료전지 스택(3)으로부터 배출된 미반응 가스 내의 수분이 반응하는 양이 늘어나게 되고, 이는 가습할 수 있는 막의 면적을 늘린 것과 같은 효과를 가져온다. 따라서 보다 많은 가습 양을 확보할 수 있어 가습 효율이 향상된다.

또한, 매우 빠른 속도의 건조 공기가 가습기 내부를 단순히 통과할 때와는 다르게 소용돌이 모양을 따라 수차례 돌아서 나가기 때문에 연료전지 스택(3)에서 배출된 반응 생성수를 포함한 습한 공기나 가습기 내부 구조에 크게 영향을 받지 않고 반응할 수 있게 된다. 따라서 나피온 막 가습기(100)의 강건 설계 측면에서도 보다 쉽게 내구성을 보완하여 나피온 튜브 번들(110)을 고정할 수 있는 구조로 고안해 나갈 수 있게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 나피온 튜브 번들(110)이 만들어지면 중공 섬유가 노출되는 양단부를 외측으로 볼록한 모양을 갖도록 가공한다.

자동차와 같은 고출력의 연료전시 시스템을 운전할 때는 4,000~6,000slpm(온도 20℃, 대기압 14.7psi에서 측정한 유량(liter/minute))의 많은 양의 공기가 빠른 속도로 가습기 안으로 유입된다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 평편한 단부를 갖는 나피온 막(20)을 사용하면 나피온 막 가습기(100)의 내부에서 가습의 역할을 하지 못하는 영역(dead zone, A)이 발생하게 된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 유입구(12)의 너비만큼의 영역(종래 형상의 점선 부분)만 가습에 사용되므로 가습 효율이 저하된다.

그러나 나피온 튜브 번들(110)의 양단부가 도 5와 같이 부분 호 형상으로 볼록하게 형성되면 하우징(10) 내부로 공기의 유입된 후 단면을 따라 확산되므로 종래보다 넓은 면적(본 발명 형상의 점선 부분)이 반응에 사용될 수 있다.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 나피온 막 가습기는 나피온 튜브 번들이 소용돌이 구조를 갖도록 감아 건조 공기의 가습기 내부 잔류 시간을 늘림으로써 별도의 추가적인 구성 없이도 가습 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 나피온 튜브의 양단부를 둥글게 가공하여 건조 공기와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 가습 효율을 향상시키는 장점이 있다.

Claims

연료전지 스택(3)에 공급되는 건조한 반응 가스가 유입되는 유입구(12)와, 반응 후 수분이 함유된 가스를 상기 연료전지 스택(3)으로 공급하기 위한 유출구(14)와, 상기 연료전지 스택(3)으로부터 배출되는 수분이 함유된 미반응 가스가 유입되는 서브 유입구(16)와, 반응이 끝난 잔여 가스가 유출되는 서브 유출구(18)가 형성된 하우징; 및

상기 반응 가스가 통과하여 수분 교환이 이루어지는 수천 개의 중공 섬유(114)를 수용하는 다수의 나피온 튜브(112)로 연결 형성되되, 일측으로부터 차례로 감겨 소용돌이 형상을 이룬 상태에서 상기 하우징(10)의 내부에 수납되는 나피온 튜브 번들(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기.
제1항에 있어서,

상기 나피온 튜브 번들(110)은 양 단부가 외측으로 볼록한 형상을 갖도록 가공되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 나피온 막 가습기.