KR20150072075A - 연료전지용 판형 가습기 - Google Patents

Abstract

연료전지용 판형 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 판형 가습기는 다수의 분리판들 사이에 가습막을 배치하며, 가습막을 기준으로 연료전지로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공급 공기의 유동 경로를 각각 구획 형성하는 것으로서, 분리판은 양면이 평탄한 플레이트 형태로 이루어지며, 가습막과 마주하는 분리판의 평탄면에는 그 가습막을 지지하며 유동 경로를 형성하는 고분자 스트링이 구비될 수 있다.

Description

연료전지용 판형 가습기 {PLATE TYPE HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시예는 연료전지용 가습장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 반응 기체를 가습하기 위한 연료전지용 판형 가습기에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.

이러한 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템은 연료전지로 공급되는 반응기체를 가습시키는 가습장치를 채용하고 있다.

가습장치는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치로부터 공급되는 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.

가습장치로는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 플레이트 타입, 흡착제 타입 그리고 가스 투 가스(gas to gas) 막 가습 방식 등의 여러 가지 방식의 것이 있다. 이 중에서 플레이트 타입의 가습장치는 가습막을 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치되며 이들의 단위 구조체가 다수로 적층된 구조로 이루어진다.

일 예를 들면, 종래 기술에서 가습막을 기준으로 하는 일측의 분리판에는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 유동시키는 유로를 형성하고 있다. 그리고 다른 일측의 분리판에는 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 유동시키는 유로를 형성하고 있다. 이와 같은 각 분리판의 유로는 실질적으로 공기를 유동시키는 채널들과, 그 채널들 사이에 형성되며 가습막으로 밀착되는 리브들을 형성하고 있다.

따라서, 종래 기술의 판형 가습기는 일측 분리판의 유로로 고온 다습한 배출 공기를 유동시키고, 다른 일측 분리판의 유로로 건조한 공급 공기를 유동시키면, 일측 분리판의 유로에서 가습막을 통하여 다른 일측 분리판의 유로로 이동되는 배출 공기 중의 수분에 의해 공급 공기를 가습하게 된다. 이렇게 가습된 공기는 연료전지의 공기극으로 공급되며, 가습막을 통해 수분이 제거된 배출 공기는 대기 중으로 배출된다.

그런데, 종래 기술에서는 분리판들의 유로를 형성하는 리브들이 가습막에 밀착되며 그 가습막을 지지하는 구조로 이루어져 있기 때문에, 배출 공기와 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습막의 유효 면적이 줄어들어 가습막의 단위 부피당 가습 성능이 저하될 수 있다.

즉, 종래 기술에서는 고온 다습한 배출 공기가 흐르는 유로 및 건조한 공급 공기가 흐르는 유로의 형상이 가습막을 통해 수분을 전달하는 확산 속도가 느려지게 되고, 이로 인해 전체 가습기의 가습 효율을 떨어뜨릴 수 있다.

본 발명의 실시예들은 가습막의 유효 가습 면적을 최대화시키며, 분리판을 통한 열 전달과 가습막을 통한 수분 전달을 극대화시켜 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 판형 가습기를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기는, 다수의 분리판들 사이에 가습막을 배치하며, 상기 가습막을 기준으로 연료전지로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공급 공기의 유동 경로를 각각 구획 형성하는 것으로서, 상기 분리판은 양면이 평탄한 플레이트 형태로 이루어지며, 상기 가습막과 마주하는 상기 분리판의 평탄면에는 그 가습막을 지지하며 상기 유동 경로를 형성하는 고분자 스트링이 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 분리판은 서로 나란한 고분자 스트링 사이에 상기 유동 경로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 고분자 스트링은 상기 가습막과 일체로 접착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 고분자 스트링은 함수성을 지닌 고분자 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 분리판은 열 전도성을 지닌 금속 혹은 수지제로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 고분자 스트링은 우레탄 및 PEI(Polyetherimid)를 포함하는 친수성 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 고분자 스트링은 SiO₂가 첨가된 친수성 나노 파티클로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기에 있어서, 상기 분리판들의 가장자리 사이에는 가스켓이 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예는 종래 기술과 같이 분리판 자체로서 가습막을 지지하는 구조물을 형성하지 않고, 고함수성 및 친수성의 고분자 재질로 이루어진 고분자 스트링으로 가습막을 지지할 수 있으므로, 고분자 스트링을 통해 가습막의 유효 가습 면적을 최대화시킬 수 있으며, 이로 인해 전체 가습기의 가습 성능을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 고함수성 및 친수성을 지닌 고분자 스트링을 통해 가습막을 지지하며 고온 다습한 배출 공기 및 건조한 공급 공기를 각각 유동시키는 유동 경로를 구획 형성하므로, 가습막을 통한 수분 전달 성능을 극대화시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 분리판 자체로서 가습막을 지지하는 구조물을 형성하지 않으므로, 고온 다습한 배출 공기와 건조한 공급 공기에 대한 열 전달 성능을 극대화시킬 수 있으며, 이로 인해 가습막의 모세혈관 응축 효과를 극대화시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 가습막을 통한 수분 전달 성능과 고온 다습한 배출 공기와 건조한 공급 공기에 대한 열 전달 성능을 이분화하여 극대화시킬 수 있으므로, 전체 가습기의 가습 성능을 더욱더 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기의 일 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기(100)는 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 기본적으로, 연료전지들의 집합체 구조인 연료전지 스택과, 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급장치와, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급장치를 구비하고 있다.

여기서, 상기 연료전지(당 업계에서는 통상적으로 "단위 셀" 이라고도 한다)는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극과 연료극이 배치된 구조로 이루어진다.

이와 같은 연료전지 시스템의 기본적인 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 연료전지 시스템으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기(100)는 연료전지들로부터 배출되는 고온 다습한 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)로서 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 가습하고 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급하기 위한 것이다.

상기 연료전지용 판형 가습기(100)는 다수의 분리판(11)들 사이에 수분 전달을 위한 가습막(13)을 배치하는 가습 집합체로서 이루어진다. 이러한 판형 가습기(100)는 가습막(13)을 기준으로 연료전지로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공급 공기의 유동 경로(15, 17)를 각각 구획 형성할 수 있다.

여기서, 한 쌍의 분리판(11) 사이에 가습막(13)을 통해 구획되며 고온 다습한 공기가 유동하는 일측의 유동 경로를 이하에서는 제1 유동 경로(15)라고 하며, 건조한 공급 공기가 유동하는 다른 일측의 유동 경로를 이하에서는 제2 유동 경로(17)라고 한다.

상기에서 가습막(13)은 고온 다습한 배출 공기의 수분이나 증기의 물질을 건조한 공급 공기 측으로 용이하게 전달할 수 있는 고분자 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 가습막(13)은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 판형 가습기에 채용되는 가습막으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 재질 및 조성물의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 판형 가습기(100)는 분리판(11)의 구조를 개선하여 가습막(13)의 유효 가습 면적을 최대화시키고, 분리판(11)을 통한 열 전달과 가습막(13)을 통한 수분 전달을 극대화시켜 가습 성능을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기(100)에서, 상기 분리판(11)은 양면이 평탄한 플레이트 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 분리판(11)은 도면을 기준할 때 상하면이 평평한 형상으로 이루어진다. 이와 같은 분리판(11)은 고온 다습한 배출 공기와 건조한 공급 공기의 열전달 성능이 우수한 금속 혹은 수지제로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 분리판(11)의 가습막(13)과 마주하는 평탄면에는 그 가습막(13)을 지지하며 위에서 언급한 바 있는 제1 및 제2 유동 경로(15, 17)를 각각 구획 형성하는 고분자 스트링(31)이 구비된다.

상기 고분자 스트링(31)은 가습막(13)과의 이탈 방지를 위해 그 가습막(13)에 일체로 접착되는 바, 분리판(11)은 가습막(13)을 기준으로 서로 나란한 고분자 스트링(31) 사이에 상기한 제1 및 제2 유동 경로(15, 17)를 각각 구획 형성할 수 있다.

여기서, 상기 고분자 스트링(31)은 수분을 머금는 고함수성을 지닌 고분자 재질로 이루어질 수 있다.

예를 들면, 상기 고분자 스트링(31)은 우레탄 및 PEI(Polyetherimid)를 포함하는 친수성 고분자 물질로 이루어질 수 있으며, SiO₂가 첨가된 친수성 나노 파티클로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서 상기 분리판들(11)의 가장자리 사이에는 그 분리판(11)과 가습막(13) 사이를 실링하는 가스켓(51)이 설치될 수 있다. 상기 가스켓(51)은 분리판들(11)의 압축 체결 시 이들 분리판(11) 사이의 고분자 스트링(31)을 보호하는 기능도 하게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 분리판들(11)의 압축 체결 시, 가스켓(51)의 압축 두께 해석을 통하여 가습막(13) 및 고분자 스트링(31)의 보호를 위한 최적의 가스켓 두께를 선정할 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시예에서는 가스켓(51)의 두께가 0.60T인 경우 그 가스켓(51)의 압축 예상 두께는 0.49mm로 18% 압축되고, 가스켓(51)의 두께가 0.85T인 경우 그 가스켓(51)의 압축 예상 두께는 0.58~0.60mm로 32~33% 압축되는 것을 실험 및 평가를 통하여 도출하였다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 판형 가습기(100)에 의하면, 가습막(13)을 기준으로 상측 분리판(11)의 제1 유동 경로(15)로 고온 다습한 배출 공기를 유동시키고, 하측 분리판(11)의 제2 유동 경로(17)로 건조한 공급 공기를 유동시킨다.

그러면, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 유동 경로(15)에서 가습막(13)을 통하여 제2 유동 경로(17)로 이동되는 배출 공기 중의 수분에 의해 공급 공기를 가습하게 된다. 이렇게 가습된 공기는 연료전지의 공기극으로 공급되며, 가습막(13)을 통해 수분이 제거된 배출 공기는 대기 중으로 배출될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 판형 가습기(100)는 분리판(11)이 평탄면을 지닌 플레이트 형상으로 이루어지고, 고함수성 및 친수성을 지닌 고분자 재질의 고분자 스트링(31)이 가습막(13)과 마주하는 분리판(11)의 평탄면에 형성되며 가습막(13)에 일체로 접착된 구조로 되어 있다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 종래 기술과 같이 분리판(11) 자체로서 가습막(13)을 지지하는 구조물을 형성하지 않고, 고함수성 및 친수성의 고분자 재질로 이루어진 고분자 스트링(31)으로 가습막(13)을 지지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 고분자 스트링(31)을 통해 가습막(13)의 유효 가습 면적을 최대화시킬 수 있으므로, 전체 가습기(100)의 가습 성능을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 고함수성 및 친수성을 지닌 고분자 스트링(31)을 통해 가습막(13)을 지지하며 고온 다습한 배출 공기를 유동시키는 제1 유동 경로(15)와 건조한 공급 공기를 유동시키는 제2 유동 경로(17)를 구획 형성하므로, 가습막(13)을 통한 수분(물이나 증기) 전달 성능을 극대화시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 분리판(11) 자체로서 가습막(13)을 지지하는 구조물을 형성하지 않으므로, 고온 다습한 배출 공기와 건조한 공급 공기에 대한 열 전달 성능을 극대화시킬 수 있으며, 이로 인해 가습막(13)의 모세혈관 응축 효과를 극대화시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 가습막(13)을 통한 수분 전달 성능과 고온 다습한 배출 공기와 건조한 공급 공기에 대한 열 전달 성능을 이분화하여 극대화시킬 수 있으므로, 전체 가습기(100)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

11... 분리판
13... 가습막
15... 제1 유동 경로
17... 제2 유동 경로
31... 고분자 스트링
51... 가스켓

Claims (8)

1. 다수의 분리판들 사이에 가습막을 배치하며, 상기 가습막을 기준으로 연료전지로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 건조한 공급 공기의 유동 경로를 각각 구획 형성하는 연료전지용 판형 가습기에 있어서,
   상기 분리판은 양면이 평탄한 플레이트 형태로 이루어지며, 상기 가습막과 마주하는 상기 분리판의 평탄면에는 그 가습막을 지지하며 상기 유동 경로를 형성하는 고분자 스트링이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 분리판은 서로 나란한 고분자 스트링 사이에 상기 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 고분자 스트링은 상기 가습막과 일체로 접착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 고분자 스트링은 함수성을 지닌 고분자 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 분리판은 열 전도성을 지닌 금속 혹은 수지제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
6. 제1 항 내지 제5 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
   상기 고분자 스트링은 우레탄 및 PEI(Polyetherimid)를 포함하는 친수성 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
7. 제1 항 내지 제5 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
   상기 고분자 스트링은 SiO₂가 첨가된 친수성 나노 파티클로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 분리판들의 가장자리 사이에는 가스켓이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 판형 가습기.

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