KR20100125553A - 연료전지용 막 가습기 - Google Patents

연료전지용 막 가습기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가습막 모듈의 안쪽은 저경도의 다공성 포팅물질로 적용하고, 바깥쪽은 고경도의 복합재료 포팅물질로 적용함으로써, 포팅물질 및 중공사막이 손상되는 현상을 방지하여 막 가습기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 이중포팅 구조의 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 중공사막모듈과, 이 중공사막모듈의 양단에 결합되는 하우징을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서, 상기 중공사막모듈의 케이스내에 중공사막을 내재시킨 후, 중공사막의 양단부를 각각 서로 다른 경도를 갖는 포팅물질로 이중 포팅시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.
연료전지, 막 가습기, 중공사막모듈, 포팅물질, 경도, 복합재료, 다공성

Description

연료전지용 막 가습기{Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가습막 모듈의 안쪽은 저경도의 다공성 포팅물질로 적용하고, 바깥쪽은 고경도의 복합재료 포팅물질로 적용함으로써, 포팅물질 및 중공사막이 손상되는 현상을 방지하여 막 가습기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 이중포팅 구조의 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 구성되어 있다.
상기 연료전지 시스템의 공기공급시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(10)의 공기극쪽으로 외기를 공급하는 공기블로워(30)와, 공기블로워(30)로부터의 공기를 가습시켜 스택(10)의 공기극으로 공급하는 막 가습기(20) 등을 포함하여 구성된다.
고분자 연료전지의 경우, 연료전지의 작동을 위해서 반드시 수분을 필요로 하므로, 공기를 가습시키기 위한 가습기가 필수적으로 사용되고 있으며, 가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만 연료전지 차량의 경우 그 패키지 측면의 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기를 사용하고 있다.
첨부한 도 2 및 도 3은 막 가습기의 구성을 나타내는 도면으로서, 하우징(100)과, 중공사막모듈(200)과, 매니폴드로 구성되어 있다.
상기 하우징(100)의 일측단에는 공기블로워로부터 외기(건조공기)를 도입하는 유입구(102)가 형성되고, 타측단에는 스택을 향하여 가습된 공기를 배출하는 공급구(104)가 형성되며, 또한 상기 하우징의 일측쪽 상면에는 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 받아들이는 매니폴드(106)가 형성되고, 그 반대측 하면에는 공기블로워로부터의 공기를 가습시킨 후의 습윤공기가 외부로 빠져나가는 매니폴드(108)가 형성되어 있다.
또한, 상기 중공사막모듈(200)의 내부에는 다발로 이루어진 다수의 중공사막(202)이 밀집되며 수납되어 있고, 이 중공사막모듈(200)의 양단부에 매니폴드(106,108)가 형성된 하우징(100)이 둘러싸며 결합된다.
이러한 구성을 갖는 막 가습기의 동작을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기가 하우징(100)의 매니폴드(106)를 통해 중공사막모듈(200)의 내부로 공급되면, 그 내부의 각 중공사막(202)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(202)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(202)의 내부로 이동하게 된다.
이때, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(202) 외부로 이동하여 상기 하우징(100)의 매니폴드(108)를 통해 외기로 배출된다.
상기 공기블로워(30)로부터 하우징(100)의 유입구(102)를 통해 공급되는 외기(건조공기)는 중공사막(202)의 내부를 통과하며 이동하게 되고, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 이미 중공사막(202)의 내부로 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 공급구(104)를 통하여 연료전지 스택(10)쪽으로 공급된다.
여기서, 상기와 같은 구성 및 작용을 하는 막 가습기중 중공사막모듈을 제작하는 종래의 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 케이스를 제작한 후, 케이스 안에 원하는 가닥수 만큼의 중공사막을 넣는다.
이어서, 여러 다발의 중공사막을 케이스에 고정시키기 위해 중공사막의 양쪽 끝단 부분에 고분자 물질을 주입하여 고정시키게 되는데, 이 공정을 포팅(potting) 공정이라고 부른다.
포팅을 위해 사용되는 고분자 물질로는 주로 우레탄 계통의 수지 물질이 사용되며, 포팅법으로는 디핑법과 원심성형법이 있다.
상기 디핑법은 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이 중력을 이용하는 방법으로서, 중공사막(202) 다발이 내재된 케이스(204)를 레진주입기구에 삽입한 후, 레진주입 기의 주입구를 통하여 고분자 물질을 주입하면, 주입된 고분자 물질이 중력에 의하여 서로 밀집되어 있는 각 중공사막 사이로 침투하면서 중공사막 다발을 고정시키는 방법이다.
상기 원심성형법은 도 4(b)에서 보는 바와 같이 모터에 의하여 회전하는 회전판 위에 중공사막(202) 다발이 내재된 케이스(204)를 고정한 후, 포팅레진 분배기를 통하여 고분자 물질을 케이스에 주입하면, 주입된 고분자 물질이 회전판의 원심력에 의하여 서로 밀집되어 있는 각 중공사막 사이로 침투하면서 중공사막 다발을 고정시키는 방법이다.
일반적으로 원심성형법은 포팅공정 시간을 많이 단축시킬 수 있어 대량생산 시 많이 이용되고, 또한 중공사막 다발을 고정시키는 고분자 물질에 있어서 디핑법의 경우는 주로 저점도의 고분자 물질이 사용되는 것에 반해, 원심성형법의 경우 고점도의 고분자 물질이 주로 사용된다.
이러한 포팅(potting) 공정후, 고분자 물질을 건조시키고 마지막으로 커팅 장치를 이용하여 포팅된 부분의 일부끝단을 잘라내면, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같은 단면 구조를 갖는 중공사막모듈을 얻을 수 있다.
그러나, 종래의 포팅 방법으로 포팅된 막 가습기는 다음과 같은 문제점이 있었다.
중공사막모듈의 케이스내에 고분자 중공사막을 고정시키기 위한 포팅물질의 경우, 고온/고압에 잘 견디는 물질이어야 하고, 그 이유는 공기블로워에서 공급되어지는 공기의 경우 고온/고압의 압축된 공기이기 때문이며, 이러한 이유로 포팅 물질은 주로 경도가 높은 고경도의 물질이 사용되고 있다.
반면, 경도가 낮은 저경도 물질의 경우에는 고온/고압의 압축된 공기에 의하여 포팅 물질이 용출되어 스택을 오염시키거나, 또는 자체 손상을 입게 되어 가습기로서의 기능에 문제를 발생시킬 수 있다.
하지만, 고경도의 포팅 물질을 사용할 경우에도 다음과 같은 문제가 발생한다.
첫째, 연료전지 차량의 주행 진동, 급가속, 냉시동 등으로 인하여 포팅 물질이 오히려 깨지는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
둘째, 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인하여 고분자 중공사막이 팽창/수축을 반복하면서 포팅 물질에 응력(stress)을 주게 되는데, 이 응력에 의하여 중공사막과 고경도의 포팅물질이 서로 분리되어, 중공사막모듈의 기밀 유지가 파손됨과 더불어 중공사막 자체가 끊어지는 문제점이 있다.
셋째, 고경도의 포팅 물질이 포팅된 고분자 중공사막의 경우, 그 포팅된 부분은 중공사막의 기능을 상실하여 더 이상 가습막으로서의 기능을 하지 못하는 단점이 있고, 또한 포팅 두께가 두껍게 되면 될수록 가습기의 가습 성능이 떨어지는 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 케이스 내에 밀집된 중공사막의 양단을 포팅할 때, 그 포팅 구간중 케이스와 맞닿은 안쪽부분은 저경도의 다공성 포팅물질로 포팅하고, 케이스 바깥쪽 부분은 고경도의 복합재료 포팅물질로 포팅함으로써, 포팅물질 및 중공사막이 손상되는 현상을 방지하여 막 가습기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 이중포팅 구조의 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중공사막모듈과, 이 중공사막모듈의 양단에 결합되는 하우징을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서, 상기 중공사막모듈의 케이스내에 중공사막을 내재시킨 후, 중공사막의 양단부를 각각 서로 다른 경도를 갖는 포팅물질로 이중 포팅시키되, 상기 중공사막의 양단부중 케이스로 덮히는 안쪽 부분은 저경도의 다공성 포팅물질로 포팅되고, 케이스 바깥쪽 부분은 고경도의 복합재료 포팅물질로 포팅된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 저경도의 다공성 포팅물질 및 고경도의 복합재료 포팅물질은 우레탄 또는 에폭시중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 복합재료 포팅물질에는 SiO2 또는 TiO2 중 선택된 어느 하나인 친수성의 나노입자가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 중공사막모듈의 중공사막 포팅구간중 케이스 안쪽에 위치한 부분은 저경도의 다공성 포팅물질로 포팅하고, 케이스 바깥쪽에 위치한 중공사막의 양단부는 친수성의 나노입자를 포함하는 고경도의 복합재료 포팅물질로 포팅함으로써, 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인한 응력에 의하여 중공사막이 끊어지는 현상이나, 중공사막과 포팅물질간의 분리로 인한 누설(leakage)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 저경도의 다공성 포팅물질이 다공성 구조이므로 스택에서 배출된 습윤공기로부터 수분을 흡수하여 공기블로워로부터의 건조공기를 가습하는 보조 역할을 하고, 친수성의 나노입자에서도 습윤공기로부터 수분을 흡수하여 건조공기를 가습하는 보조 역할을 하게 되므로, 막 가습기의 가습 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 포팅 물질의 깨짐, 누설(leakage) 발생, 중공사막 끊어짐 현상 및 포팅물질에 의한 가습기 성능 저하를 방지하고자 이중 포팅법이 적용된 연료전지용 막 가습기을 제공하고자 한 것이다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 막 가습기의 중공사막모듈 구조를 보 면, 소정 직경의 케이스(204)와, 이 케이스(204)내에 촘촘히 밀집되며 내재된 다수의 중공사막(202)으로 구성되며, 중공사막(202)의 양단부는 서로간의 결합 및 케이스와의 결합을 위해 포팅물질로 포팅된다.
이때, 상기 중공사막(202)의 양단부에서 포팅물질이 포팅되는 구간은 케이스(204)의 안쪽부분 및 케이스(204)의 바깥쪽으로 돌출된 부분이 된다.
여기서, 본 발명에 따른 막 가습기를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 이중포팅 구조의 중공사막모듈을 보여주는 개략도이고, 도 8은 본 발명에 따른 이중포팅 구조의 중공사막모듈을 포함하는 막 가습기를 나타내는 사진이다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 중공사막모듈(200)의 케이스(204)내에 중공사막(202)이 내재된 상태에서, 중공사막(202)의 양단부를 각각 서로 다른 경도를 갖는 포팅물질로 이중 포팅시키게 된다.
보다 상세하게는, 상기 중공사막(202)의 양단부 포팅 구간중 케이스(204)의 안쪽에 위치되는 부분은 저경도의 포팅물질(206)로 포팅시키고, 케이스(204)의 바깥쪽에 위치하는 부분은 고경도의 포팅물질(208)로 포팅시키는 등 이중 포팅을 실시하게 된다.
본 발명에 따른 이중 포팅법이란, 기존에 중공사막 양단부를 고경도 포팅 물질만을 사용하여 포팅한 것과 달리, 두 가지 종류의 포팅 물질을 사용하여 포팅하는 것을 말하며, 첨부한 도 6에서 보는 바와 같이 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 안쪽 부분은 저경도의 포팅 물질(206)로 포팅하여 중공사막(202)끼리 그리 고 중공사막(202)과 케이스(204)간의 상호 고정이 이루어지게 되고, 또한 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 바깥쪽 부분은 고경도의 포팅물질(208)로 포팅하여 중공사막(202)끼리의 결합이 이루어지게 된다.
이렇게 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 바깥쪽에 위치한 중공사막(202)의 양끝단 부분을 고경도의 포팅물질(208)로 포팅하는 이유는 공기블로워로부터 고온/고압의 공기(외기)가 가습기로 유입될 때, 직접적으로 고온/고압의 공기가 중공사막과 접촉하게 되므로, 고온/고압에 강건하게 잘 견디는 고경도의 포팅 물질을 포팅하는 것이다.
반면, 상기 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 안쪽에 위치한 중공사막(202)의 양단부를 저경도의 포팅 물질(206)로 포팅하는 이유는 고온/고압의 공기와 직접 맞닿지 않으므로 저경도의 포팅 물질을 포팅하는 이유도 있지만, 더 큰 이유는 저경도의 포팅물질은 중공사막들 사이에서 어느 정도의 유연성을 가지게 되므로, 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인한 응력에 의하여 중공사막이 끊어지는 현상이나, 중공사막과 포팅물질간의 분리로 인한 누설(leakage)이 발생되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르면, 상기 중공사막모듈(200)의 중공사막 포팅구간중 케이스(204) 안쪽에 위치한 부분은 저경도의 다공성 포팅물질(206: 도 7의 전자 현미경 사진 참조)로 포팅하여 중공사막(202)끼리 그리고 중공사막(202)과 케이스(204)간의 상호 고정이 이루어지게 하고, 또한 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 바깥쪽에 위치한 부분은 친수성의 나노입자를 포함하는 고경도의 복합재료 포팅물질(208)로 포팅하여 중공사막(202)끼리의 결합이 이루어지게 하는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 상기 저경도의 다공성 포팅물질 및 고경도의 복합재료 포팅물질은 우레탄 또는 에폭시중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있고, 바람직하게는 경도 조절이 용이한 우레탄을 사용하는 것이 바람직하다.
이에, 우레탄 또는 에폭시의 점도 내지 공극률을 조절하여 경도 및 다공도를 달리 결정할 수 있으므로, 고경도로 조절되면 고경도의 복합재료 포팅물질로 사용되고, 저경도로 조절되면 저경도의 다공성 포팅물질로 사용될 수 있다.
이렇게 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 안쪽에 위치한 중공사막(202)의 양단부를 저경도의 다공성 포팅물질(206)로 포팅함으로써, 외부 응력에 의해 중공사막이 끊어지는 현상이나, 중공사막과 포팅물질간의 분리에 의한 누설 문제를 해결할 수 있는 것은 물론이고, 저경도의 다공성 포팅물질(206)이 다공성 구조이므로 스택으로부터의 습윤공기와 만나면 수분을 흡수하는 동시에 이를 중공사막(202)으로 전달하여, 결국 공기블로워로부터의 건조공기를 가습하는 보조 역할을 하게 되어 막 가습기의 가습 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2,5,6에서 도면부호 110은 잠금홀이며, 이 잠금홀에 포팅물질이 채워지도록 함으로써, 포팅된 중공사막과 케이스가 서로 헛돌듯이 분리되는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서 중공사막모듈(200)의 케이스(204) 바깥쪽에 위치한 중공사막(202)의 양단부를 친수성의 나노입자를 포함하는 고경도의 복합재료 포 팅물질(208)로 포팅하는 바, 이 친수성의 나노입자는 SiO2 또는 TiO2를 사용한다.
따라서, 친수성의 나노입자에서 스택으로부터의 습윤공기로부터 수분을 흡수하는 동시에 이를 중공사막(202)내로 전달하여, 공기블로워로부터의 건조공기를 가습하는 보조 역할을 하게 되므로, 막 가습기의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이중포팅 구조의 연료전지용 막 가습기를 제조하는 방법은 상술한 종래의 디핑법 또는 원심성형법을 이용하되, 중공사막 포팅구간중 케이스(204) 바깥쪽에 위치한 부분을 친수성의 나노입자를 포함하는 고경도의 복합재료 포팅물질로 먼저 포팅시켜 경화시킨 후, 케이스(204) 안쪽에 위치한 부분에 저경도의 다공성 포팅물질(206)을 재차 포팅시켜 경화시키는 방법으로 진행될 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 공기공급시스템 구성을 설명하는 개략도,
도 2 및 도 3은 막 가습기의 구성을 나타내는 사시도 및 단면도,
도 4는 막 가습기에 포함된 중공사막모듈에 대한 종래의 포팅법을 설명하는 개략도,
도 5는 포팅된 후의 중공사막모듈을 보여주는 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 이중포팅 구조의 중공사막모듈을 보여주는 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 이중포팅 물질중 저경도의 다공성 물질을 보여주는 전자 현미경 사진,
도 8은 본 발명에 따른 이중포팅 구조의 중공사막모듈을 포함하는 막 가습기를 나타내는 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 20 : 막가습기
30 : 공기블로워 100 : 하우징
102 : 유입구 104 : 공급구
106,108 : 매니폴드 200 : 중공사막모듈
202 : 중공사막 204 : 케이스
206 : 저경도의 포팅물질 또는 저경도의 다공성 포팅물질
208 : 고경도의 포팅물질 또는 고경도의 복합재료 포팅물질

Claims (4)

  1. 중공사막모듈과, 이 중공사막모듈의 양단에 결합되는 하우징을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서,
    상기 중공사막모듈의 케이스내에 중공사막을 내재시킨 후, 중공사막의 양단부를 각각 서로 다른 경도를 갖는 포팅물질로 이중 포팅시키되, 상기 중공사막의 양단부중 케이스로 덮히는 안쪽 부분은 저경도의 다공성 포팅물질로 포팅되고, 케이스 바깥쪽 부분은 고경도의 복합재료 포팅물질로 포팅된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 저경도의 다공성 포팅물질 및 고경도의 복합재료 포팅물질은 우레탄 또는 에폭시중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 복합재료 포팅물질에는 친수성의 나노입자가 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 친수성의 나노입자는 SiO2 또는 TiO2 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
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