KR20100108092A - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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KR20100108092A
KR20100108092A KR1020090026571A KR20090026571A KR20100108092A KR 20100108092 A KR20100108092 A KR 20100108092A KR 1020090026571 A KR1020090026571 A KR 1020090026571A KR 20090026571 A KR20090026571 A KR 20090026571A KR 20100108092 A KR20100108092 A KR 20100108092A
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김경주
신용철
이무석
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주식회사 코오롱
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Abstract

본 발명은 가습기 내에 구비된 모든 막들의 활용도를 균등하게 하고 가습되어야 할 반응가스와 접촉하는 막의 면적을 최대화함으로써, 우수한 가습 성능을 나타내는 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 본 발명의 연료전지용 가습기는, 반응가스 유입구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발; 및 상기 반응가스 유입구와 상기 중공사막 다발 사이에 위치하는 가스 분산판(gas distributor)을 포함한다.
연료전지, 가습기, 가스 분산판

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for Fuel Cell}
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가습기 내에 구비된 모든 막들의 활용도를 균등하게 하고 가습되어야 할 반응가스와 접촉하는 막의 면적을 최대화함으로써, 우수한 가습 성능을 나타내는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 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, 연료전지는 환경 친화적일뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
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), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 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.
고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte 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 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식이 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.
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 재 사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 연료전지용 가습기를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료전지용 가습기(100)는 중공사막(120) 다발을 내장하는 하우징(110)을 포함한다. 하우징(110)의 일측에는 연료전지로 공급될 반응가스, 즉 가습될 반응가스가 유입되는 유입구(111)가 형성되어 있고, 하우징(110)의 타측에는 반응가스를 연료전지로 공급하기 위한 배출구(112)가 형성되어 있다.
위와 같은 구조를 갖는 연료전지용 가습기의 경우, 유입구(111)를 통해 유입된 가스는 도 1의 화살표로 표시된 바와 같이 중공사막(120) 다발 전체로 균일하게 분사되지 않는다는 문제점이 있다. 즉, 유입되는 가스의 대부분이 그 직진성을 유지하며 중공사막(120) 다발로 흐르기 때문에 중공사막(120) 다발 중 중심부에 위치한 중공사막(120)들만이 실제 가습에 이용되고, 주변부에 위치한 중공사막(120)들은 반응가스의 가습에 기여하는 정도가 미미하다. 따라서, 가습기 내의 중공사막(120) 다발 전체가 균등하게 활용되지 못하고, 이는 결국 가습기의 가습 성능 저하를 야기한다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 가습기 내에 구비된 모든 막들을 균등하게 활용하고, 가습되어야 할 반응가스와 접촉하는 막의 면적을 최대화함으로써, 우수한 가습 성능을 나타내는 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술될 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 반응가스 유입구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발; 및 상기 반응가스 유입구와 상기 중공사막 다발 사이에 위치하는 가스 분산판(gas distributor)을 포함하는 연료전지용 가습기가 제공된다.
상기 가스 분산판은 상기 하우징 내표면에 밀착 고정되어 있을 수 있다. 이 경우 상기 가스 분산판에는 다수의 홀들이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 가습기는, 상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 가스의 흐름을 제어하기 위한 배플(baffle)을 상기 반응가스 유입구와 상기 가스 분산판 사이에 더 포함할 수 있다.
상기 배플은 상기 하우징 내에 밀착 고정되어 있을 수 있다. 이 경우 상기 배플에는 다수의 홀들이 형성되는 것이 바람직하다.
선택적으로, 상기 배플은 하우징 내벽과 접촉하지 않은 상태로 상기 하우징 내에 존재할 수 있다. 이 경우, 상기 배플은 상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 모든 가스의 흐름을 변경시키도록 상기 하우징 내에 정렬되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배플과 상기 가스 분산판 사이의 거리는 상기 배플과 상기 유입구 사이의 거리보다 긴 것이 바람직하다. 상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 가스의 흐름에 수직인 상기 배플의 단면의 크기는 상기 반응가스 유입구의 크기의 1.0 내지 3.0인 것이 바람직하다.
선택적으로, 상기 배플은 원추 형상의 면 또는 곡면을 가질 수 있다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 연료전지용 가습기에 의하면, 유입되는 가스가 가습기 내에 구비된 모든 막들에 균일하게 전달되기 때문에 가습기 내의 모든 막들을 균등하게 활용할 수 있다. 즉, 가습되어야 할 반응가스와 접촉하는 가습기 내의 막의 면적을 최대화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 가습기는 향상된 가습 성능을 나타 내게 된다.
또한, 연료전지로부터 공급되는 수분을 함유한 미반응 가스가 가습기 내의 막들에 균등하게 제공됨으로써 막의 오염 현상이 어느 한 곳에 집중되지 않고 모든 막에 골고루 발생하게 되고, 결과적으로 막의 오염을 최대한 지연시켜 막의 교체 주기를 늘리는 효과를 나타낸다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연료전지용 가습기(200)는 중공사막(220) 다발을 내장하는 하우징(210)을 포함한다. 하우징(210)의 일측에는 연료전지로 공급될 반응가스가 유입되는 제1 유입구(211a)가 형성되어 있고, 하우징(210)의 타측에는 반응가스를 연료전지로 공급하기 위한 제1 배출구(212a)가 형성되어 있다.
중공사막(220) 다발의 양 말단 부분들은 하우징(210) 내에 각각 접착 제(230)로 고정되어 있다. 접착제(230)는 제1 유입구(211a) 및 제1 배출구(212a)와 하우징(210)의 중앙부 사이의 공기의 흐름을 각각 차단한다.
중공사막(220) 다발의 양 말단들은 오픈(open)되어 있으므로 상기 중공사막(220) 다발의 중공부들은 상기 제1 유입구(211a) 및 제1 배출구(212a)에 각각 연통되어 있다. 따라서, 제1 유입구(211a)를 통해 유입된 반응가스는 가습기용 중공사막(220)의 중공부만을 통해 제1 배출구(212a)가 형성되어 있는 하우징(210)의 타측으로 이동할 수 있다.
상기 제1 유입구(211a)와 상기 중공사막(220) 다발 사이에는 가스 분산판(gas distributor)(240)이 위치한다. 가스 분산판(240)은 하우징(210) 내표면에 밀착 고정되어 있다. 제1 유입구(211a)를 통해 유입되는 가스가 중공사막(220) 다발로 흘러갈 수 있도록 상기 가스 분산판(240)에는 다수의 홀들이 형성되어 있다. 따라서, 가스 분산판(240)의 면에 부딪힌 가스는 근접하게 위치한 홀을 통해 중공사막(220) 다발로 흘러가게 되고, 결과적으로 하우징(210) 내에 고정된 중공사막(220) 다발 전체로 가스가 균일하게 전달될 수 있다.
한편, 상기 하우징(210)의 중앙부에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 유입되는 제2 유입구(211b) 및 상기 제2 유입구(211b)를 통해 하우징(210)의 중앙부로 유입된 미반응 가스를 배출하기 위한 제2 배출구(212b)가 각각 형성되어 있다.
도 2에 예시된 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
연료전지로 공급될 반응가스가 제1 유입구(211a)를 통해 유입되는 것과 동시에 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 가스가 제2 유입구(211b)를 통해 하우징(210) 중앙부의 내부로 유입된다. 제1 유입구(211a)를 통해 유입된 반응가스는 가스 분산판(240)에 의해 균일하게 중공사막(220) 다발로 전달되며, 중공사막(200)의 중공부를 통해 제1 배출구(112a) 측으로 유동한다.
제1 유입구(211a)를 통해 유입된 반응가스는 건조한 상태인 반면, 제2 유입구(211b)를 통해 하우징(210)의 중앙부로 유입된 미반응 가스는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(220) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(220) 내외의 습도 차이로 인해 미반응 가스의 수분이 막을 통해 그 중공부로 선택적으로 투과하게 되고, 중공사막(220)의 중공부를 따라 제1 배출구(212a) 측으로 이동하는 반응가스의 습도가 높아지게 된다.
반면, 제2 유입구(211b)를 통해 하우징(210)의 중앙부로 유입된 연료전지로부터의 미반응 가스는 수분을 상실하게 되어 점차적으로 건조하게 되며, 이렇게 건조된 미반응 가스는 제2 배출구(212b)를 통해 밖으로 배출된다. 결과적으로, 위와 같은 본 발명의 가습기 작동에 의해, 원래의 반응가스보다 높은 습도를 갖는 반응가스를 연료전지로 공급할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제2 유입구(211b)는 제1 배출구(212a)와 인접한 부분에 형성되고, 상기 제2 배출구(212b)는 제1 유입구(211a)와 인접한 부분에 형성되는 것이 바람직한데, 이는 하우징(210)의 내부에 위치하는 중공사막의 전체 부분에 걸쳐 미반응 가스에 함유된 수분을 충분히 투과시키기 위함이다.
즉, 제1 유입구(211a)로부터 제1 배출구(212a)로 이동하는 반응가스의 경우 제1 유입구(211a) 측에서는 그 습도가 낮으나 중공사막(220)을 통해 미반응 가스로부터 수분이 지속적으로 공급되기 때문에 제1 배출구(212a) 측으로 갈수록 그 습도가 증가하게 된다. 따라서, 제1 유입구(211a) 측에 위치하는 중공사막(220) 부분에는 상대적으로 낮은 습도의 미반응 가스가 접촉하고, 제1 배출구(212a) 측에 위치하는 중공사막(220) 부분에는 상대적으로 높은 습도의 미반응 가스가 접촉하도록 함으로써 중공사막(220) 전체 부분에 걸쳐 균일한 수분 투과를 달성할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 가습기용 중공사막(220)은 친수성 고분자 막을 포함한다. 가습기를 통하여 연료전지 스택으로 유입되는 공기가 가지고 있는 산소의 분압이 유지되어야 연료전지 성능이 저하되지 않기 때문에 고분자 막은 수분만을 선택적으로 투과시킬 수 있어야 한다. 가습기용 중공사막(220)에서 사용되는 친수성 고분자 막의 소재로서 대표적인 것은 Dupont사가 개발한 나피온(NafionTM)으로서 아래의 화학 구조를 갖는다.
Figure 112009018710639-PAT00001
<나피온의 화학 구조식>
그 밖에도 폴리설폰, 폴리페닐설폰, 폴리이써이미디, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 등의 단일막 또는 이들 중 2 이상이 혼합된 복합막이 연료전지용 가습막으로 이용될 수 있다.
나피온 막은 빠른 수분 전달 성능과 훌륭한 기체 장벽 효과를 가지고 있어 막 가습기 제조에 있어 선호되지만 가격이 고가라는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 저가형의 고성능 중공사막에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 예를 들어, 폴리이써이미드와 폴리페닐설폰 또는 폴리설폰과 폴리페닐설폰의 복합막은 그 비용이 저렴할 뿐만 아니라 나피온 막의 약 80% 정도의 성능을 나타낸다. 상기 복합막으로 최적의 설계를 할 경우에는 동일 부피 기준으로 나피온 막과 동일한 가습성능을 발휘하는 막 가습기를 제조할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습 시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 발명의 제1 실시예와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기(300)는, 제1 유입구(311a)를 통해 유입되어 가스 분산판(340)으로 흐르는 가스의 흐름을 제어하기 위한 배플(baffle)(350)을 더 포함한다. 배플(350)은 제1 유입구(311a)와 가스 분산판(340) 사이에 위치한다.
상기 배플(350)은 하우징(310) 내표면에 밀착 고정되어 있다. 제1 유입구(311a)를 통해 유입되는 가스가 가스 분산판(340)으로 흘러갈 수 있도록 하기 위하여 상기 배플(350)에는 다수의 홀들이 형성되어 있다. 따라서, 배플(350)의 면에 부딪힌 가스는 근접하게 위치한 홀을 통해 가스 분산판(340) 전체로 균일하게 흐르게 된다. 다만, 제1 유입구(311a)를 통해 유입된 가스가 배플(350)에 형성된 홀들 모두를 균일하게 통과하도록 하기 위하여 상기 제1 유입구(311a)에 대응하는 배플(350)의 영역에는 홀이 형성되지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습 시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배플(450)은 하우징(410) 내벽과 접촉하지 않은 상태로 상기 하우징(410) 내에 존재할 수 있다.
제1 유입구(411a)를 통해 유입되는 모든 가스의 흐름을 변경시킬 수 있도록 하기 위하여, 배플(450)은 상기 하우징(410) 내에서 제1 유입구(411a)에 대응하는 위치로 정렬되고, 또한 유입되는 가스의 흐름에 수직인 배플(450)의 단면의 크기는 제1 유입구(411a)의 크기보다 크며, 상기 배플(450)과 가스 분산판(440) 사이의 거리는 배플(450)과 제1 유입구(411a) 사이의 거리보다 길다.
따라서, 유입되는 반응가스가 적어도 한 번은 배플(450)에 부딪히게 되어 가스 분산판(440)의 전영역으로 균일하게 공급될 수 있다. 한편, 배플(450)의 단면 크기가 지나치게 클 경우에는 가스 공급의 균일성을 저해할 수 있기 때문에, 상기 배플(450)의 단면 크기는 제1 유입구(411a)의 크기에 대하여 1.0 내지 3.0배인 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 적용될 수 있는 배플의 다양한 형상을 보여주고 있다.
가스 분사판(440)로 반응가스를 더욱 균일하게 공급하기 위하여, 본 발명의 배플(451)은 도 5에 도시된 바와 같이 원추 형상의 면을 가질 수 있다. 선택적으로 본 발명의 배플(452)은 도 6에 도시된 바와 같이 곡면을 가질 수 있다. 단만, 이와 같은 배플(450)의 형상은 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 배플(450)이 이들 형상에 국한되는 것은 아니다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 연료전지용 가습기를 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 나타낸 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 나타낸 단면도이며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 적용될 수 있는 배플의 다양한 형상을 나타낸 도면이다.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
100, 200, 300, 400 : 연료전지용 막 가습기
110, 210, 310, 410 : 하우징 111 : 유입구
211a, 311a, 411a : 제1 유입구 112 : 배출구
212a, 312a, 412a : 제1 배출구 211b, 311b, 411b : 제2 유입구
212b, 312b, 412b : 제2 배출구 220, 320, 420 : 가습기용 중공사막
230, 330, 430 : 접착제 240, 340, 440 : 가스 분산판
350, 450, 451, 452 : 배플(baffle)

Claims (10)

  1. 반응가스 유입구를 갖는 하우징;
    상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발; 및
    상기 반응가스 유입구와 상기 중공사막 다발 사이에 위치하는 가스 분산판(gas distributor)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분산판에는 다수의 홀들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분산판은 상기 하우징 내표면에 밀착 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유입구와 상기 가스 분산판 사이에 위치하며, 상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 가스의 흐름을 제어하는 배플(baffle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플은 상기 하우징 내에 밀착 고정되어 있으며, 상기 배플에는 다수의 홀들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플과 상기 가스 분산판 사이의 거리는 상기 배플과 상기 유입구 사이의 거리보다 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배플은 상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 모든 가스의 흐름을 변경시키도록 상기 하우징 내에 정렬된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응가스 유입구를 통해 유입되는 가스의 흐름에 수직인 상기 배플의 단면의 크기는 상기 반응가스 유입구의 크기의 1.0 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 배플은 원추 형상의 면을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 배플은 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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