KR20130029306A - 연료전지용 막 가습기 - Google Patents

연료전지용 막 가습기 Download PDF

Info

Publication number
KR20130029306A
KR20130029306A KR1020110092686A KR20110092686A KR20130029306A KR 20130029306 A KR20130029306 A KR 20130029306A KR 1020110092686 A KR1020110092686 A KR 1020110092686A KR 20110092686 A KR20110092686 A KR 20110092686A KR 20130029306 A KR20130029306 A KR 20130029306A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
hollow fiber
humidifier
unit
membrane module
Prior art date
Application number
KR1020110092686A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101337904B1 (ko
Inventor
김현유
권혁률
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020110092686A priority Critical patent/KR101337904B1/ko
Priority to JP2011263901A priority patent/JP6032785B2/ja
Priority to US13/309,910 priority patent/US9034528B2/en
Priority to DE102011087904A priority patent/DE102011087904A1/de
Priority to CN201110462243.3A priority patent/CN103000919B/zh
Publication of KR20130029306A publication Critical patent/KR20130029306A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101337904B1 publication Critical patent/KR101337904B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/04—Elements in parallel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막 가습기 내부의 외곽부에서 중심부까지 전체적으로 중공사막의 균일한 가습이 이루어지도록 습윤공기 및 건조공기의 분배성을 개선하여 가습성능을 향상시킨 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 제1 습윤공기 유입홀과 제1 습윤공기 배출홀을 갖는 중공형의 상위 케이스와, 이 상위 케이스 내에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 다수의 단위 막모듈로 이루어진 막모듈 집합체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.

Description

연료전지용 막 가습기 {Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막 가습기 내부의 외곽부에서 중심부까지 전체적으로 중공사막의 균일한 가습이 이루어지도록 습윤공기 및 건조공기의 분배성을 개선하여 가습성능을 향상시킨 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
연료전지 스택의 작동을 위해서는 연료전지 스택 내의 고분자 전해질 막에 대한 가습이 필요하며, 이에 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 별도의 막 가습기가 사용되고 있다.
가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기가 적용되고 있고, 특히 연료전지에 사용되는 막 가습기로서 중공사막을 이용한 것이 적합하게 사용되고 있다.
첨부한 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 구성 중 연료전지 스택에 공기(산소)를 공급하는 공기공급 시스템에 막 가습기가 포함되며, 공기블로워(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)에 공급되고, 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출된 배출가스가 막 가습기(100) 내를 통과하게 되며, 이때 배출가스에 함유된 수분이 막 가습기(100) 내의 중공사막을 통과하면서 건조공기가 가습되어진다.
첨부한 도 6을 참조로, 중공사막을 포함하는 종래의 막 가습기에 대한 구성 및 작용을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 막 가습기(100)는 하우징(101: housing)을 포함하고, 이 하우징(101)에는 건조공기(air)를 도입하는 제1유입구(102) 및 가습된 건조공기를 배출하는 제1유출구(103)가 형성되어 있고, 특히 상기 하우징(101)의 내부에는 다수의 중공사막(106)이 밀집된 중공사막 다발(107)이 수납되어 있다.
또한, 상기 하우징(101)에는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 제2유입구(104)가 형성되고, 그 반대편에는 습윤공기의 배출을 위한 제2유출구(105)가 형성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 중공사막을 이용한 막 가습기의 동작을 살펴보면, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 제2유입구(104)로부터 중공사막 다발(107) 쪽으로 공급되면, 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기 중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관 내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 제2유출구(105)를 통해 배출된다.
한편, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 제1유입구(102)를 통해 공급되는데, 제1유입구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내측을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로 이 수분에 의해 건조공기가 가습되며, 가습된 건조공기는 제1유출구(103)를 통하여 연료전지 스택 쪽으로 공급되어진다.
그러나, 상기 중공사막 다발(107)은 내부에 다수의 중공사막(106)이 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 제2유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 다발(107)의 내부로 침투하는데 어려움이 있고, 더욱이 습윤공기가 중공사막을 통해 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 습윤공기가 중공사막의 내부로 침투하는데 더욱 큰 어려움이 있다.
특히, 상기 하우징(101)의 내부에서, 중공사막 다발(107)의 외측을 통과하는 습윤공기가 하우징(101) 내에서 도 8 및 9의 은선 표시로 나타낸 중공사막 다발(107)의 중심부로 침투하지 못하고, 도 8 및 도 9의 화살표에 표시된 바와 같이 주로 가장자리로 흐르게 되어, 결국 습윤공기가 중공사막 다발(107)의 중심부 쪽으로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 건조공기에 대한 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
또한, 하우징(101)의 제1유입구(102)를 통하여 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 다발(107)의 중앙 부분(도 6 및 도 7에서 은선으로 표시된 부분)으로 많이 흐르기 때문에 가습기 내의 중공사막의 활용도가 저하되고 전체적인 가습 장치의 효율이 더욱 떨어지게 되는 문제점이 있다.
결국, 중공사막 다발(107)의 중심부에 위치된 중공사막(106)은 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이러한 이유로 인하여 가습기의 전체적인 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점은 첨부한 도 8의 시뮬레이션 실험 결과에서 확인할 수 있다.
즉, 도 8에서 보는 바와 같이 건조공기의 대부분이 중공사막 다발(107)의 중앙 부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.
다시 말해서, 하우징(101)의 제1유입구(102)를 통하여 유입되는 건조공기는 중공사막 다발(107)의 중앙 부분(도 6 및 도 7의 은선 표시 부분)으로 주로 흐르고, 제2유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤공기는 중공사막 다발(107)의 가장자리 부분으로 흐르다 보니, 막 가습기의 가습 효율이 떨어지는 문제점이 발생하고 있고, 이러한 문제점은 특히 건조공기의 유량이 클 때, 즉 연료전지 스택에서 고출력을 낼 때 더 큰 영향을 미친다.
상기와 같이, 막 가습기에 공급되는 습윤공기(air)의 경우 연료전지로부터 반응 후 배출되는 공기이며, 수증기뿐만 아니라 반응시 생성된 물 또한 습윤공기와 함께 막 가습기로 공급되어진다.
따라서, 추운 날씨의 경우 막 가습기 내부로 유입된 물이 얼게 되고, 이에 중공사막이 물의 어는 현상으로 인하여 제대로 된 가습 기능을 발휘하지 못하는 문제점이 발생하게 되며, 그리고 추운 날씨에 막 가습기를 사용하기 위해서는 중공사막에 얼어붙은 수분이 녹을 때까지 기다려야 하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 막 가습기는 중공사막의 표면이 얼었다 녹았다를 반복함으로 인하여 습윤공기가 주로 흐르게 되는 중공사막 다발의 외곽 부분, 즉 가장자리의 중공사막이 손상되거나 또는 단선되는 문제점이 있다(도 9 참조).
도 9를 참조하면, 막 가습기는 하우징(101) 내에 중공사막 다발(107)이 밀집된 상태로 내장되며, 이때 중공사막 다발(107)의 양측 단부가 포팅 물질(108)에 의해 하우징(101)의 내측 단부에 고정됨으로써 중공사막 다발(107)의 위치가 고정된다.
이에 습윤공기가 주로 흐르게 되는 중공사막 다발(107)의 외곽 단부에 있는 상기 포팅 물질(108)이 손상되거나 깨짐으로 인하여 외곽 부분의 중공사막이 단선되는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 중공사막의 표면이 얼었다 녹았다를 반복하면서 손상을 입게 되면, 결국 손상된 중공사막은 스택 성능에 있어서 치명적인 영향을 미치기 때문에, 막 가습기 전체를 교환해야 하는 문제점이 있다.
또한, 막 가습기의 제조를 위한 비용 측면에서 볼 때, 막 가습기에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 고분자 물질로 이루어진 고가의 중공사막으로, 현재 가습 성능을 좋게 유지하기 위하여 필요 이상으로 많은 중공사막 다발을 사용하고 있기 때문에 제조 비용이 고가이며, 또한 많은 중공사막 다발이 사용되다 보니 막 가습기의 크기 또한 성능에 비해 크다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 막 가습기는 하나의 중공사막 모듈로서 그 안에 다수의 중공사막이 다발 형태로 수납되어짐으로 인하여, 제조시 중공사막이 하우징 내에 균일하게 분포되어 제작되지 않고 한쪽으로 쏠리는 등 중공사막이 불균일하게 분포되어 제작되어지는 문제가 있다(도 10 참조).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 막 가습기의 상위 케이스 내부에 카트리지 형태의 단위 막모듈을 다양한 직경으로 수납 구성하여 습윤공기 및 건조공기의 분배성을 개선함으로써 외곽부에서 중심부까지 전체적으로 균일한 가습이 이루어지도록 하여 공기 가습성능을 향상시킨 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1 습윤공기 유입홀과 제1 습윤공기 배출홀을 갖는 중공형의 상위 케이스와, 이 상위 케이스 내에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 다수의 단위 막모듈로 이루어진 막모듈 집합체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.
바람직하게, 상기 막모듈 집합체는 적어도 둘 이상의 서로 다른 직경을 갖는 단위 막모듈로 혼합 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 막모듈 집합체는 상위 케이스의 중심부에 상대적으로 작은 직경을 갖는 단위 막모듈이 배치되고, 상기 상위 케이스의 중심부에서 외곽부로 갈수록 그 내측에 배치된 단위 막모듈보다 더 큰 직경을 갖는 단위 막모듈이 배치되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 단위 막모듈은 양측 단부의 외주부에 각기 제2 습윤공기 유입홀 및 제2 습윤공기 배출홀을 갖는 중공형의 하위 케이스와, 이 하위 케이스의 내부에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 중공사막 다발로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기는 상위 케이스의 내부에 서로 다른 직경을 갖는 카트리지 형태의 단위 막모듈을 수납 구성하여 습윤공기 및 건조공기의 분배성을 개선함으로써 막 가습기의 외곽부에서 중심부까지 전체적으로 균일한 가습이 이루어지게 되고, 이에 가습성능이 향상되는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막 가습기를 개략적으로 나타낸 사시도
도 3은 도 1의 연료전지용 막 가습기의 단면구조를 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기에서의 습윤공기의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면
도 5는 연료전지 시스템의 공기 공급 시스템을 나타낸 개략도
도 6은 종래의 연료전지용 막 가습기의 가습 원리를 설명하는 단면도
도 7은 종래의 연료전지용 막 가습기의 습윤공기의 흐름을 나타낸 단면도
도 8은 종래의 연료전지용 막 가습기에서 발생되는 문제점을 설명하는 시뮬레이션 실험 결과 그래프
도 9 및 도 10은 종래의 연료전지용 막 가습기에 따른 문제점을 설명하기 위한 개략도
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
앞서 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 일반적인 연료전지용 막 가습기는 내장된 중공사막 다발(107)을 이용한 수분교환을 통하여 건조공기의 가습이 이루어지며, 이때 건조공기(외기)는 중공사막 다발(107) 중 중앙부분에 배열된 중공사막들의 내부를 따라 주로 흐르고, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출되는 습윤공기는 중공사막 다발(107) 중 외곽부에 배열된 중공사막들의 외부를 따라 주로 흐르다 보니, 건조공기와 습윤공기 간의 접촉 정도가 감소될 수 밖에 없는 구조적 모순이 있어, 중공사막들의 활용도가 저하되고 가습 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 막 가습기의 상위 케이스(10) 내부에 카트리지 형태의 단위 막모듈(16,17,18)을 다양한 직경으로 수납 구성하여 상위 케이스(10)의 외곽부에서부터 중심부까지 습윤공기가 전체적으로 원활하게 이동할 수 있도록 하고 건조공기의 흐름을 상위 케이스(10)의 외곽부로 유도하여 중공사막들의 균일한 가습이 이루어질 수 있도록 한다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기는 중공형의 상위 케이스(10)와 이 상위 케이스(10) 내에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 다수의 단위 막모듈(16,17,18)을 포함하여 구성된다.
상기 단위 막모듈(16,17,18)은 상위 케이스(10) 내부에 다발 형태로 수납되어 막모듈 집합체(15)를 형성하게 된다.
상기 단위 막모듈(16,17,18)은 하위 케이스(20) 내부에 중공사막 다발(23)을 내장시켜 카트리지 타입으로 모듈화하여 형성되는 것으로, 상기 상위 케이스(10) 내에 다수로 내재되어 구성되며, 상기 상위 케이스(10) 내에 내재된 다수의 단위 막모듈(16,17,18) 즉, 막모듈 집합체(15)는 적어도 둘 이상의 서로 다른 직경을 갖는 단위 막모듈(16,17,18)로 혼합 구성된다.
그리고, 상기 막모듈 집합체(15)는 상위 케이스(10)의 중심부에 상대적으로 작은 직경을 갖는 단위 막모듈(16)이 배치되고, 상기 상위 케이스(10)의 외곽부로 갈수록 더 큰 직경의 단위 막모듈(17,18)이 배치되도록 구성됨이 바람직하다.
이하 상기의 막모듈 집합체가 세 가지의 서로 다른 직경을 갖는 단위 막모듈로 이루어진 실시예에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 막 가습기는 중공형의 상위 케이스(10)와 이 상위 케이스(10) 내에 내장되는 막모듈 집합체(15)를 포함하여 구성된다.
상기 막모듈 집합체(15)는 다수의 단위 막모듈(16,17,18)이 모여서 다발 형태로 형성된 것으로, 각각의 단위 막모듈(16,17,18)은 중공형의 하위 케이스(20)와 이 하위 케이스(20) 내에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 중공사막 다발(23)로 구성된다.
상기 막모듈 집합체(15)는 서로 다른 직경을 갖는 다수의 단위 막모듈(16,17,18)로 구성되며, 구체적으로 상위 케이스(10)의 중심부에 배치되는 제1 막모듈(16)과 상위 케이스(10)의 외곽부에 원주방향으로 배치되는 제3 막모듈(18) 그리고 상기 제1 및 제3 막모듈(16,18) 사이에서 원주방향으로 배치되는 제2 막모듈(17)로 형성된다.
상기 제1 막모듈(16)은 제2 및 제3 막모듈(17,18)에 비해 가장 작은 직경을 갖도록 형성되며, 상기 제2 막모듈(17)은 제3 막모듈(18)에 비해 상대적으로 작은 직경을 갖도록 형성된다.
다시 말해, 상기 막모듈 집합체(15)는 상위 케이스(10)에 내재된 단위 막모듈(16,17,18) 중 가장 작은 직경의 단위 막모듈(16)이 상위 케이스(10)의 중심부에 배치되고, 외곽으로 갈수록 그 내측에 배치된 단위 막모듈보다 더 큰 직경을 갖는 단위 막모듈이 배치된다.
이 경우 공기블로워로부터 유입되는 건조공기가 직경이 큰 단위 막모듈(직경이 작은 단위 막모듈에 비해 더 많은 중공사막이 수납되어 있음)이 위치한 외곽으로 유도되어지고, 이에 상위 케이스(10)의 중앙부분으로 주로 흐르게 되는 건조공기가 외곽으로 분산 유도되어 건조공기의 분배성이 향상되어진다.
그리고, 상위 케이스(10)로 유입되는 습윤공기의 경우, 원주방향으로 배열되어 다발 형태로 모여있는 단위 막모듈(16,17,18)들 사이로 이동되어 상위 케이스(10)의 외곽부는 물론 상위 케이스(10)의 중심부에 있는 단위 막모듈까지 도달하게 되고, 이에 각각의 단위 막모듈(16,17,18)로 전체적으로 공급되어 습윤공기의 분배성이 향상되며, 각 단위 막모듈(16,17,18)로 공급된 습윤공기 중의 수분이 하위 케이스(20)에 내장되어 있는 중공사막(24)의 모세관 작용에 의해 분리되어 중공사막(24) 내로 이동하게 된다.
여기서, 상기 중공사막(24) 내부로 이동된 수분은 중공사막(24)을 따라 그 내부로 이동하는 건조공기를 가습하게 된다.
이에 따라 본 발명은, 기존의 막 가습기에서 건조공기가 중공사막 다발의 중앙부분으로 주로 흐르고 습윤공기가 중공사막 다발의 외곽부분으로 주로 흐름으로 인한 문제를 개선할 수 있으며, 결과적으로 상위 케이스(10) 내부의 단위 막모듈(16,17,18)에 수납된 중공사막(24)들에 대하여 전체적으로 균일한 가습이 유도되어 가습성능을 향상시킬 수 있게 된다.
참고로, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 단위 막모듈(16,17,18)은 포팅 물질에 의해 상위 케이스(10) 내부에 고정될 수 있다. 상기 포팅 물질은 통상의 중공사막 모듈에서 중공사막 다발을 그 내부에 고정시키기 위해 사용하는 물질이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 습윤공기의 출입을 위하여, 상기 상위 케이스(10)는 양측 단부의 외주부에 각기 제1 습윤공기 유입홀(11) 및 제1 습윤공기 배출홀(12)이 원주방향으로 다수 형성되어 있고, 상기 하위 케이스(20)는 양측 단부의 외주부에 각기 제2 습윤공기 유입홀(21) 및 제2 습윤공기 배출홀(22)이 원주방향으로 다수 형성되어 있다.
특히, 상기 제2 습윤공기 유입홀(21) 및 배출홀(22)은 하위 케이스(20)의 양측 단부에서 하위 케이스(20)의 원주방향을 따라 다수로 형성됨과 더불어 길이방향으로 일정 구간에 걸쳐 다수열로 형성되어 있다.
상기한 구성을 갖는 막 가습기의 동작을 살펴보면, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출되는 습윤공기가 상위 케이스(10)의 제1 습윤공기 유입홀(11)로 유입되어 단위 막모듈(16,17,18) 사이를 통과하여 이동하게 되고, 이에 상위 케이스(10)의 외곽부에 위치한 단위 막모듈부터 상위 케이스(10)의 중심부에 위치한 단위 막모듈까지 습윤공기가 이동하여 상위 케이스(10) 내부에 전체적으로 균일하게 도달하게 된다.
각각의 단위 막모듈(16,17,18)에 도달한 습윤공기는 도 4와 같이 하위 케이스(20)의 제2 습윤공기 유입홀(21)로 유입되어 내재되어 있는 각 중공사막(24)의 모세관 작용에 의해 습윤공기 중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(24)의 모세관을 투과하면서 응축되어 중공사막(24)의 내부로 이동하게 된다.
한편, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 상위 케이스(10)로 유입되는데, 상기 상위 케이스(10)의 일단 개구부(13)로 유입된 건조공기는 직경이 큰 단위 막모듈이 위치되어 있는 외곽부분으로 분산 유도되어 상위 케이스(10)의 중심부에서 외곽부까지 고르게 분산되어 이동되고, 각 단위 막모듈(16,17,18)의 중공사막(24) 안으로 유입되어 중공사막(24)의 내부를 따라 이동하게 된다.
이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(24) 내부로 이동된 상태이므로 이 수분에 의해 건조공기가 가습되며, 가습된 건조공기는 상위 케이스(10)의 타단 개구부(14)를 통하여 배출되어 연료전지 스택 쪽으로 공급되어진다.
그리고, 수분이 분리된 습윤공기는 단위 막모듈(16,17,18)의 중공사막 다발(23)의 외부를 따라 이동하여 하위 케이스(20)의 제2 습윤공기 배출홀(22)을 통해 배출되어 상위 케이스(10)의 제1 습윤공기 배출홀(12)을 통해 대기로 배출된다.
상기와 같은 본 발명의 연료전지용 막 가습기는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 상위 케이스의 내부에 카트리지 형태의 단위 막모듈을 다양한 직경으로 수납 구성하고 상위 케이스의 중심부에서 외곽부로 갈수록 더 큰 직경의 단위 막모듈을 배치함에 따라 습윤공기 및 건조공기의 분배성이 개선되어 전체적으로 중공사막의 균일한 가습이 이루어지게 되고, 이에 막 활용도가 향상되며 가습성능이 증대된다.
2. 습윤공기의 분배성이 개선됨으로써, 기존의 막 가습기에서 습윤공기가 중공사막 다발의 외곽부분으로 주로 흐름으로 인하여 외곽부분의 중공사막이 손상되거나 또는 단선되는 문제를 해결할 수 있다.
3. 기존의 막 가습기의 경우 다수의 중공사막이 커다란 다발 형태로 내부에 수납되어 구성됨으로 인하여 제조시 중공사막이 한쪽으로 쏠리는 등 불균일하게 분포되어 제작되는 문제가 발생하는 반면(도 10 참조), 본 발명의 막 가습기는 작은 다발 형태의 중공사막 다발이 내재된 카트리지 형태의 단위 막모듈이 상위 케이스 내부에 다수로 수납되어짐으로 인하여 제조시 중공사막이 전체적으로 균일하게 분포되어 제작되어지고 따라서 기존의 중공사막이 불균일하게 분포되는 문제를 해결할 수 있다.
4. 중공사막의 손상 또는 단선으로 인한 문제 발생시, 문제가 발생된 중공사막이 내장되어 있는 단위 막모듈만 교체할 수 있으므로 교체시 발생하는 비용을 크게 절감할 수 있다.
5. 가습성능이 증대됨으로 인하여 기존에 비해 막 가습기 제조시 사용되는 중공사막의 가닥수를 줄일 수 있으며, 이에 기존의 막 가습기 대비 제조원가를 절감할 수 있고, 또한 막 가습기의 사이즈도 줄일 수 있어 패키지 측면에 있어 유리하게 된다.
6. 카트리지 형태의 단위 막모듈의 사용을 통하여 습윤공기의 분배성이 향상됨으로, 가습기 내 단위 막모듈에 걸리는 압력강하량을 감소시킬 수 있고, 이에 공기블로워의 부하를 낮출 수 있다.
10 : 상위 케이스
11 : 제1 습윤공기 유입홀
12 : 제1 습윤공기 배출홀
13 : 상위 케이스의 일단 개구부
14 : 상위 케이스의 타단 개구부
15 : 막모듈 집합체
16,17,18 : 단위 막모듈
20 : 하위 케이스
21 : 제2 습윤공기 유입홀
22 : 제2 습윤공기 배출홀
23 : 중공사막 모듈
24 : 중공사막

Claims (4)

  1. 제1 습윤공기 유입홀과 제1 습윤공기 배출홀을 갖는 중공형의 상위 케이스와, 이 상위 케이스 내에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 다수의 단위 막모듈로 이루어진 막모듈 집합체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 막모듈 집합체는 적어도 둘 이상의 서로 다른 직경을 갖는 단위 막모듈로 혼합 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 막모듈 집합체는 상위 케이스의 중심부에 상대적으로 작은 직경을 갖는 단위 막모듈이 배치되고, 상기 상위 케이스의 중심부에서 외곽부로 갈수록 그 내측에 배치된 단위 막모듈보다 더 큰 직경을 갖는 단위 막모듈이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 막모듈은 양측 단부의 외주부에 각기 제2 습윤공기 유입홀 및 제2 습윤공기 배출홀을 갖는 중공형의 하위 케이스와, 이 하위 케이스의 내부에 건조공기의 이동방향으로 길게 수납되는 중공사막 다발로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
KR1020110092686A 2011-09-14 2011-09-14 연료전지용 막 가습기 KR101337904B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110092686A KR101337904B1 (ko) 2011-09-14 2011-09-14 연료전지용 막 가습기
JP2011263901A JP6032785B2 (ja) 2011-09-14 2011-12-01 燃料電池用膜加湿器
US13/309,910 US9034528B2 (en) 2011-09-14 2011-12-02 Membrane humidifier for fuel cell
DE102011087904A DE102011087904A1 (de) 2011-09-14 2011-12-07 Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle
CN201110462243.3A CN103000919B (zh) 2011-09-14 2011-12-12 用于燃料电池的膜加湿器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110092686A KR101337904B1 (ko) 2011-09-14 2011-09-14 연료전지용 막 가습기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130029306A true KR20130029306A (ko) 2013-03-22
KR101337904B1 KR101337904B1 (ko) 2013-12-09

Family

ID=47740016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110092686A KR101337904B1 (ko) 2011-09-14 2011-09-14 연료전지용 막 가습기

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9034528B2 (ko)
JP (1) JP6032785B2 (ko)
KR (1) KR101337904B1 (ko)
CN (1) CN103000919B (ko)
DE (1) DE102011087904A1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015147511A1 (ko) * 2014-03-24 2015-10-01 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
WO2016105021A1 (ko) * 2014-12-23 2016-06-30 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법
WO2016208878A1 (ko) * 2015-06-22 2016-12-29 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
US9859576B2 (en) 2015-04-30 2018-01-02 Hyundai Motor Company Membrane humidifier for fuel cell
WO2020138852A1 (ko) * 2018-12-27 2020-07-02 코오롱인더스트리 주식회사 멀티 채널 중공사막을 포함하는 연료전지용 막가습기
WO2020138854A1 (ko) * 2018-12-28 2020-07-02 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막가습기

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101673667B1 (ko) * 2014-07-31 2016-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 막 가습기의 중공사막 밀집도 분배 장치
CN107126843A (zh) * 2017-03-02 2017-09-05 华南理工大学 一种中空纤维膜组件及其应用
CN107195928B (zh) * 2017-05-15 2020-07-10 中国东方电气集团有限公司 加湿装置及具有其的燃料电池动力系统
KR102252042B1 (ko) * 2017-09-26 2021-05-13 코오롱인더스트리 주식회사 조립형 카트리지 블록 및 이를 포함하는 중공사막 모듈
KR102216355B1 (ko) * 2017-12-29 2021-02-16 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
KR102598949B1 (ko) * 2018-08-20 2023-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR20210067365A (ko) * 2019-11-29 2021-06-08 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기
CN111947952B (zh) * 2020-07-13 2022-05-27 山东大学 一种燃料电池加湿器测试系统及测试方法
CN118043125A (zh) 2021-08-23 2024-05-14 帕克-汉尼芬公司 燃料电池加湿灌封粘合剂罩套
KR20230032781A (ko) * 2021-08-31 2023-03-07 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289229A (ja) 2001-03-22 2002-10-04 Nok Corp 加湿器およびその使用方法
DE10244707A1 (de) 2002-09-24 2004-04-01 Daimlerchrysler Ag Vorrichtung zum Austausch von Feuchtigkeit zwischen einem feuchten und einem trockenen Gasstrom
JP3928948B2 (ja) * 2002-11-14 2007-06-13 本田技研工業株式会社 燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム
JP2004209418A (ja) * 2003-01-07 2004-07-29 Nok Corp 中空糸膜モジュール
JP2005158517A (ja) 2003-11-26 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd 中空糸膜加湿器
WO2007017054A2 (en) * 2005-07-27 2007-02-15 Ird Fuel Cells A/S Modified fuel cells with internal humidification and/or temperature control systems
JP4730019B2 (ja) 2005-08-16 2011-07-20 トヨタ自動車株式会社 加湿装置
KR100821770B1 (ko) * 2006-09-28 2008-04-14 현대자동차주식회사 연료전지용 하이브리드 가습 장치
KR101028030B1 (ko) * 2007-09-06 2011-04-13 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치
KR101000650B1 (ko) * 2008-03-06 2010-12-10 기아자동차주식회사 연료전지용 가습장치
KR20100100325A (ko) 2009-03-06 2010-09-15 현대자동차주식회사 연료전지용 막 가습기
KR101144076B1 (ko) * 2009-11-30 2012-05-23 기아자동차주식회사 연료전지용 가습장치
EP2507860B1 (en) * 2009-12-04 2017-10-18 Kolon Industries, Inc. Humidifier for fuel cell

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015147511A1 (ko) * 2014-03-24 2015-10-01 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
KR20150110050A (ko) * 2014-03-24 2015-10-02 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
US10478779B2 (en) 2014-03-24 2019-11-19 Kolon Industries, Inc. Hollow fiber membrane module
WO2016105021A1 (ko) * 2014-12-23 2016-06-30 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법
KR20160076618A (ko) * 2014-12-23 2016-07-01 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법
US10381663B2 (en) 2014-12-23 2019-08-13 Kolon Industries, Inc. Hollow fiber membrane cartridge-type humidification module and method for manufacturing same
US9859576B2 (en) 2015-04-30 2018-01-02 Hyundai Motor Company Membrane humidifier for fuel cell
WO2016208878A1 (ko) * 2015-06-22 2016-12-29 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈
US10668432B2 (en) 2015-06-22 2020-06-02 Kolon Industries, Inc. Hollow fiber membrane module
WO2020138852A1 (ko) * 2018-12-27 2020-07-02 코오롱인더스트리 주식회사 멀티 채널 중공사막을 포함하는 연료전지용 막가습기
WO2020138854A1 (ko) * 2018-12-28 2020-07-02 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막가습기

Also Published As

Publication number Publication date
JP6032785B2 (ja) 2016-11-30
US20130065140A1 (en) 2013-03-14
DE102011087904A1 (de) 2013-03-14
KR101337904B1 (ko) 2013-12-09
US9034528B2 (en) 2015-05-19
CN103000919A (zh) 2013-03-27
JP2013062225A (ja) 2013-04-04
CN103000919B (zh) 2017-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101337904B1 (ko) 연료전지용 막 가습기
CN102834958B (zh) 用于燃料电池的加湿器
KR102098641B1 (ko) 중공사막 모듈
KR102002386B1 (ko) 중공사막 모듈
KR101393558B1 (ko) 연료 전지용 가습장치
JP4879510B2 (ja) 水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュール
JP7175343B2 (ja) 組立型カートリッジブロック及びこれを含む中空糸膜モジュール
KR102170523B1 (ko) 연료전지 막가습기
KR20120102988A (ko) 연료전지용 막 가습기
KR101449115B1 (ko) 구조물 적용 연료전지용 막 가습기
KR20160076618A (ko) 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법
US11469428B2 (en) Fuel cell membrane humidifier capable of controlling flow direction of fluid
KR101655186B1 (ko) 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기
KR101428186B1 (ko) 연료전지용 막 가습 장치
KR101558357B1 (ko) 연료 전지용 가습장치
KR101262004B1 (ko) 연료전지용 막 가습기
KR101447496B1 (ko) 중공사막 모듈
KR101382729B1 (ko) 연료전지의 막 가습기
KR101765926B1 (ko) 연료전지용 막 가습기
KR102576913B1 (ko) 연료전지용 막가습기 및 이의 제조 방법
KR20230033822A (ko) 연료전지 막가습기
JP2004241227A (ja) 加湿装置
JP2005158517A (ja) 中空糸膜加湿器

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191127

Year of fee payment: 7