KR20140086152A

KR20140086152A - 연료전지시스템의 가습기

Info

Publication number: KR20140086152A
Application number: KR1020120156292A
Authority: KR
Inventors: 구진우; 김현유; 서상훈; 권혁률
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-08
Also published as: DE102013206703A1; US20140183763A1

Abstract

요철형상으로 절곡된 분리판; 및 상기 분리판의 상단과 하단에 각각 결합된 가습막;을 포함하고, 상기 분리판과 가습막은 연속적인 유동공간을 형성하고, 분리판은 유동공간의 상단과 하단의 가습막과 접촉되는 폭이 상이해지도록 절곡된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기가 소개된다.

Description

연료전지시스템의 가습기 {HUMIDIFIER FOR FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 열전달과 가습이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 연료전지시스템의 가습기에 관한 것이다.

연료전지 시스템에는 공기극으로 공급되는 공기의 가습을 통해 반응 효율성을 높이고자 공기에 가습을 수행한 후 공기극에 투입하도록 한다.

이러한 가습기는 그 가습의 효율 증대가 주요 목적이라고 할 수 있다.

종래의 JP2007-095459 A "반응 가스용 가습 장치"는 "반응 가스용 가습 장치 10의 실성의 향상을 도모함과 동시에,적층 방향의 강성을 확보하는 것을 가능하게 한다.반응 가스용 가습 장치 10의 적층체 56은,물투과성막 50을 끼우고 설치되는 제1 세퍼레이터 52 및 제2 세퍼레이터 54를 구비한다.제1 세퍼레이터 52는,공기 공급 연통 구멍 58a 및 공기 배출 연통 구멍 58b과 제1 유로 홈 62a,64a과의 연결부위에 대응하는 제1 볼록한 부분 62b,64b에,홈부 바닥 74a,74b이 형성된다.홈부 바닥 74a,74b에는,판상 부재 76a,76b이 설치되는 것과 동시에,상기 판상 부재 76a,76b은,물투과성막 50을 끼우고 제2 세퍼레이터 54의 실 72와 적층 방향에중합하다."를 제시한다.

그러나 이러한 종래의 기술에 의하더라도 가습막의 역할을 하는 유효막 면적이 협소하여 단위 부피당 가습 성능이 저하되고, 습윤 공기가 흐르는 유로 및 건조 공기가 흐르는 유로 형상이 수분을 전달하는데 불리하여 확산 속도가 느려지고 이 때문에 가습 효율을 떨어뜨리며, 대부분의 열이 가습막을 통해서만 전달되는 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

JP

2007-095459

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열전달과 가습이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 연료전지시스템의 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템의 가습기는, 요철형상으로 절곡된 분리판; 및 상기 분리판의 상단과 하단에 각각 결합된 가습막;을 포함하고, 상기 분리판과 가습막은 연속적인 유동공간을 형성하고, 분리판은 유동공간의 상단과 하단의 가습막과 접촉되는 폭이 상이해지도록 절곡된 것을 특징으로 한다.

상기 유동공간은 사다리꼴 형상일 수 있다.

상기 유동공간은 임의의 유동공간의 상단의 폭이 하단의 폭보다 크고, 양측으로 인접하는 유동공간은 상단의 폭이 하단의 폭보다 작도록 형성될 수 있다.

상기 가습막의 사이에 형성되는 일련의 유동공간들은 상하가 서로 반전되도록 연속되는 사다리꼴 형상일 수 있다.

상기 유동공간 중 임의의 유동공간에는 습윤공기가 유동되고, 그 유동공간의 양측방 및 상하방에 위치하는 각각의 유동공간에는 건조공기가 유동될 수 있다.

상기 분리판은 열전도체로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지시스템의 가습기에 따르면, 가습기의 수분 전달 성능과 열 전달 성능을 이분화하여 각 기능을 극대화시킬 수 있다.

또한, 지지면의 면적을 최소화하는 구조로써 종래 기술 대비하여 유효 막면적이 넓고 이에 따라 가습 성능이 우수하다.

그리고, wet side와 dry side가 분리판을 경계로 맞닿아 있어 wet에서 dry로의 열전달 효과 뛰어나 가습효율이 상승된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 가습기의 단면도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 가습기에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 가습기의 단면도이다.

본 발명은 열전달과 가습이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 연료전지시스템의 가습기에 관한 것으로서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템의 가습기는, 요철형상으로 절곡된 분리판(100); 및 상기 분리판의 상단과 하단에 각각 결합된 가습막(300);을 포함하고, 상기 분리판(100)과 가습막(300)은 연속적인 유동공간(120)을 형성하고, 분리판(100)은 유동공간(120)의 상단(122)과 하단(124)의 가습막(300)과 접촉되는 폭이 상이해지도록 절곡된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경우 상하로 배치된 두 개의 가습막(300)의 사이에 절곡된 분리판(100)이 개재됨으로써 분리판(100)과 가습막(300)의 사이로 유동공간을 형성한다.

그리고 유동공간(120)에는 습윤공기(W)와 건조공기(D)가 교대로 유동되는데, 특히 분리판(100)의 경우 요철형상을 이루도록 하되 유동공간(120)의 상단(122)과 하단(124)의 폭이 동일하게 직사각으로 절곡된 것이 아니라, 분리판(100)이 일정 각도를 가지고 절곡되도록 함으로써 분리판(100)은 유동공간(120)의 상단(122)과 하단(124)의 가습막(300)과 접촉되는 폭이 상이해지도록 절곡되는 것을 주요 특징으로 한다.

그리고 상기 유동공간(120)은 임의의 유동공간(120)의 상단의 폭이 하단의 폭보다 크고, 양측으로 인접하는 유동공간(120')은 상단의 폭이 하단의 폭보다 작도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 유동공간 중 임의의 유동공간(120)에는 습윤공기가 유동되고, 그 유동공간의 양측방 및 상하방에 위치하는 각각의 유동공간(120')에는 건조공기가 유동될 수 있다.

바람직하게는, 도시된 바와 같이 상기 유동공간(120)은 사다리꼴 형상일 수 있다. 또한, 상기 가습막(300)의 사이에 형성되는 일련의 유동공간(120)들은 상하가 서로 반전되도록 연속되는 사다리꼴 형상일 수 있다.

또한, 상기 분리판(100)은 열전도체로 형성됨으로써 습윤공기에서 건조공기측으로 열이 전달되도록 하여 응축이 더욱 쉽게 일어날 수 있도록 한다.

구체적으로 본 발명의 원리를 설명하면, 같은 층의 분리판(100)에 습윤공기(W)와 건조공기(D)를 번갈아 공급을 해 줌으로써 분리판(100)을 통한 열전달 효과를 극대화 시킨다. 그리고 사다리꼴 유로 구조를 통해 가습막(300) 부분으로의 공기 유도 및 지지면의 면적을 줄임으로써 유효 막면적을 최대화할 수 있는 판형 가습기 유로 구조이다.

이를 통해 가습막(300)을 통한 물 전달과 분리판(100)을 통한 열 전달 역할을 이분화하는 구조를 적용함으로써 가습 성능을 극대화시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 wet side(고온다습한 스택배기)와 dry side(건조공기)가 열전달성능이 우수한 금속이나 플라스틱 적용된 분리판(100)을 통하여 열전달 성능을 극대화하고, 가습막(300)을 통하여 물질(water 또는 vapor)전달이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

연료전지에 사용되는 가습기의 역할은 물질(water and/or vapor)전달과 전달된 물질을 기체상태로 유지하기 위한 열전달이 가장 중요한 기능이다(기존 가습기의 일반적인 특징은 가습막을 통하여 물질전달 및 열전달이 이루어지게 됨). 그러나 일반적인 가습막(300)의 경우, 물질전달과 열전달이 물질전달을 향상시키려면 가습막(300)의 투과성 향상을 위해 기공 크기를 증대시켜야 하는데, 이 경우는 가습막(300)의 열전달 기능이 약화되는바, 본 발명의 경우 이러한 역할을 각각 분리시킴으로써 가습막(300)에서는 투과만이 이루어지고 열전도체로 구성된 분리판(100)에서 열전달을 수행하도록 하는 것이다.

도시된 바와 같은 사다리꼴 유로 구조는, 아랫부분에 비해 윗부분이 단면적이 작아 부분적으로 윗부분의 압력이 더 높아진다. 따라서 유로를 흐르는 공기는 단면적이 넓은 부분에서 대부분 흐르게 되며 이에 따라 습윤공기와 건조공기가 가습막을 사이에 두고 접촉하는 시간이 증대된다. 따라서, 습윤공기가 건조공기로 확산되는 속도를 증가시키게 한다.

또한, 습윤공기 중 수분이 가습막(300)을 통과하여 건조공기 유로로 전달되기 위해서는 습윤공기의 수증기가 습윤공기측 가습막(300)의 표면에서 응축된 후 건조공기측의 가습막(300) 표면으로 전달되어야 한다. 따라서 수분의 응축을 위해서는 온도를 저하시켜야 하고, 이를 위해 열전달 성능이 우수한 분리판(100)을 적용한 것이다.

이에 따라 습윤공기(W)와 건조공기(D)가 분리판(100)을 사이에 두고 분리판(100)을 통해 고온의 습윤공기의 열을 저온의 건조공기로 전달하고, 막 표면에서의 수분 응축에 의한 수분 전달을 용이하게 할 수 있다.

즉, wet side와 dry side가 분리판(100)을 경계로 맞닿아 있어 wet에서 dry로의 열전달 효과가 우수하고 이에 따라 가습 효과를 극대화할 수 있으며, 종래 기술에 비해 사다리꼴의 유로 구조는 습윤공기가 건조 공기 유로로 확산되는 속도를 증가시켜 가습 효율을 증대시킨다.

또한, 가습막(300)측으로 공기가 집중될 수 있는 구조를 통해 가습막(300)과 공기와의 접촉을 더욱 원활하게 해 줄 수 있고, 스택에서 배출된 습윤한 공기(wet air)가 가습막(300)을 통해 건조 공기(dry air) 전달되는 구조에 있어서, 사다리꼴 유로 구조를 통해 가습막(300) 부분에 유동이 집중되어 물 전달 성능을 향상시킴과 동시에 지지면 면적을 최소화하여 유효 막면적을 높이고 이를 통해 가습 성능을 향상시킨다.

그리고, 열전달 성능이 우수한 분리판(100)을 통하여 열이 wet side에서 dry side로 전달됨으로써 가습막(300)을 통하여 보다 원활하게 가습이 될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 분리판 300 : 가습막

Claims

요철형상으로 절곡된 분리판; 및
상기 분리판의 상단과 하단에 각각 결합된 가습막;을 포함하고,
상기 분리판과 가습막은 연속적인 유동공간을 형성하고, 분리판은 유동공간의 상단과 하단의 가습막과 접촉되는 폭이 상이해지도록 절곡된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 유동공간은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 유동공간은 임의의 유동공간의 상단의 폭이 하단의 폭보다 크고, 양측으로 인접하는 유동공간은 상단의 폭이 하단의 폭보다 작도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 가습막의 사이에 형성되는 일련의 유동공간들은 상하가 서로 반전되도록 연속되는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 유동공간 중 임의의 유동공간에는 습윤공기가 유동되고, 그 유동공간의 양측방 및 상하방에 위치하는 각각의 유동공간에는 건조공기가 유동되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 분리판은 열전도체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가습기.