KR20160129243A - 연료전지용 막가습기 - Google Patents

연료전지용 막가습기 Download PDF

Info

Publication number
KR20160129243A
KR20160129243A KR1020150061047A KR20150061047A KR20160129243A KR 20160129243 A KR20160129243 A KR 20160129243A KR 1020150061047 A KR1020150061047 A KR 1020150061047A KR 20150061047 A KR20150061047 A KR 20150061047A KR 20160129243 A KR20160129243 A KR 20160129243A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hollow fiber
fiber membrane
buffering
fiber membranes
air
Prior art date
Application number
KR1020150061047A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101766011B1 (ko
Inventor
구진우
김현유
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020150061047A priority Critical patent/KR101766011B1/ko
Priority to US14/956,262 priority patent/US9859576B2/en
Priority to DE102015225515.8A priority patent/DE102015225515A1/de
Priority to CN201510952659.1A priority patent/CN106099142B/zh
Publication of KR20160129243A publication Critical patent/KR20160129243A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101766011B1 publication Critical patent/KR101766011B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • 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
    • B01D63/021—Manufacturing thereof
    • B01D63/022—Encapsulating hollow fibres
    • B01D63/0222—Encapsulating hollow fibres using centrifugal forces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F6/00—Air-humidification, e.g. cooling by humidification
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 연료전지용 막가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 중공사막 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 삽입하여, 중공사막 간의 간격을 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 막가습기내의 각 중공사막 사이에 별도의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 끼워 넣어서, 고압의 공기에 노출되는 중공사막에 대한 완충 작용과 함께 각 중공사막 간의 간격을 유지시킬 수 있도록 함으로써, 습윤 공기가 각 중공사막 사이로 원활하게 공급되는 동시에 각 중공사막내에 건조공기가 고르게 분배 공급되어 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막가습기를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 막가습기{Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 중공사막 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 삽입하여, 중공사막 간의 간격을 조절할 수 있도록 한 연료전지용 막가습기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지의 작동을 위해서는 연료전지 내의 전해질막 가습이 필요하며, 이때의 가습장치로는 연료전지로부터 배출되는 습윤 기체의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 가습 장치가 사용되고 있다.
상기 연료전지용 가습장치는 초음파 가습, 스팀 가습, 기화식 가습장치 등의 종류가 있지만, 연료전지에 사용되는 가습장치로서 중공사막을 이용한 막가습기가 적합하게 사용되고 있다.
여기서, 종래의 연료전지용 막가습기에 대한 구성 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 연료전지 시스템의 공기공급 시스템을 나타내고, 도 2는 공기공급 시스템에 포함된 종래의 막가습기 구조를 나타낸다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템과, 실질적으로 수소 및 공기를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택 등을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 연료공급 시스템으로부터 연료전지 스택의 연료극에 수소가 공급되는 동시에 공기공급 시스템으로부터 연료전지 스택의 공기극에 산소가 공급됨으로써, 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
도 1에서 보듯이, 상기 공기공급 시스템은 연료전지 스택(200)에 가습된 공기(산소)를 공급하기 위하여 막 가습기(100) 및 공기블로워(202)를 포함한다.
따라서, 상기 공기블로워(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)의 중공사막내로 공급되는 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 반응 후의 배출가스(습윤공기)가 막 가습기(100)를 통과하게 되고, 이때 배출가스에 함유된 수분이 중공사막내로 침투되어 건조공기가 가습된다.
첨부한 도 2를 참조하면, 종래의 막가습기(100)는 일끝단부에 공기블로워로부터 건조공기(air)가 유입되는 공급구(102)가 형성되고, 타끝단부에는 가습된 건조공기를 배출하는 배출구(103)가 형성된 하우징(101)을 포함하고, 이 하우징(101)의 내부에 다수의 중공사막(106)이 밀집된 중공사막 다발이 통상의 포팅(potting) 공정에 의하여 수납된다.
또한, 상기 하우징(101)의 일측 둘레부에는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 유입구(104)가 형성되고, 그 반대편 둘레부에는 수분이 제거된 습윤공기의 배출을 위한 유출구(105)가 형성된다.
따라서, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막(106)쪽으로 공급되면, 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 유출구(105)를 통해 배출된다.
이와 동시에, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되는데, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내부을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 배출구(103)를 통하여 연료전지 스택의 공기극으로 공급된다.
그러나, 상기 중공사막 다발은 다수의 중공사막(106)이 밀집된 형태로 되어 있기 때문에, 유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 다발의 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(106) 다발의 외측을 통과하는 습윤공기가 하우징(101) 내에서 도 2의 은선 표시로 나타낸 중공사막(106) 다발의 중심부로 원활하게 침투하지 못하고, 주로 가장자리쪽 중공사막 주변으로 흐르게 되어, 결국 건조공기에 대한 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
이에, 본원 출원인은 "연료전지의 막 가습기에 사용되는 막 모듈 제조시, 포팅캡 설계 변경 등을 통해 모듈 가운데 부분에 중공사막을 적게 위치시키고, 외곽으로 갈수록 중공사막을 많이 위치시키는 새로운 형태의 중공사막 모듈 제조방식을 구현함으로써, 공기블로어로부터 유입되는 건조공기를 더 많은 중공사막이 배치되어 있는 외곽쪽으로 분산시킬 수 있는 등 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 유지할 수 있는 연료전지 막 모듈 제조방법"을 이미 특허출원하여 등록[등록번호: 10-1382672(2014.04.01)] 받은 바 있다.
그러나, 기 등록된 특허의 경우 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 가습기로 유입되는 공기의 압력이 높은 가변압 시스템의 경우에는 막가습기내에 배치된 중공사막이 한쪽으로 휘어지는 쏠림 현상이나 중공사막의 단선 위험이 있고, 그에 따라 가습효율이 급격하게 저하될 수 있다.
둘째, 중공사막을 분산 배치하기 위해 포팅하는 제조 과정에서 중공사막이 뒤틀리는 문제점이 발생할 수 있다.
셋째, 각 중공사막을 분산 배치하여 각 중공사막 간의 간격 유지를 위한 공간을 확보할 수 있지만, 불필요한 공간이 너무 많이 생성되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 막가습기내의 각 중공사막 사이에 별도의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 끼워 넣어서, 고압의 공기에 노출되는 중공사막에 대한 완충 작용과 함께 각 중공사막 간의 간격을 유지시킬 수 있도록 함으로써, 습윤 공기가 각 중공사막 사이로 원활하게 공급되는 동시에 각 중공사막내에 건조공기가 고르게 분배 공급되어 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 막가습기용 하우징내에 배치되는 다수의 중공사막 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 삽입 배치하여, 공기블로워로부터 공급되는 공기의 압력을 완충시키는 동시에 각 중공사막 간의 간격을 유지시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 중앙부쪽 중공사막 사이에 가장 많은 갯수로 배치되고, 외곽쪽 중공사막을 갈수록 상대적으로 적은 갯수로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 친수성 소재를 이용하여 만들어진 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 중공사막의 직경보다 크고 중공사막의 길이와 동일하게 만들어진 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 직선 형상, 지그재그 형상, 요철 형상, 코일스프링 형상, 크림프 형상, 메쉬 형상 중 선택된 어느 하나의 형상으로 만들어진 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물의 양단부는 중공사막의 양단부와 함께 포팅재로 포팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물에는 반경 방향을 따라 습윤공기 유도용 홀 또는 홈이 더 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 막가습기내의 각 중공사막 사이에 별도의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 배치함으로써, 공기블로워로부터 가습기로 유입되는 공기의 압력이 높은 가변압 시스템의 경우, 중공사막에 높은 공기 압력이 작용하더라도 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물의 지지 및 완충 작용에 의하여 중공사막이 한쪽으로 쏠리거나 단선되는 현상을 방지할 수 있다.
둘째, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물에 의하여 각 중공사막 간의 간격이 일정 거리로 유지될 수 있으므로, 중공사막 사이로 습윤 공기가 원활하게 공급되는 동시에 각 중공사막내에 건조공기가 고르게 분배 공급되어 가습 성능을 향상시킬 수 있다.
셋째, 중공사막의 양단부를 포팅재로 포팅할 때, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 함께 포팅해줌으로써, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물의 지지 및 완충 작용에 의하여 포팅하는 제조 과정에서 중공사막이 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다.
넷째, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 친수성 소재로 만들어주는 동시에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물의 반경방향을 따라 습윤공기 유도용 홈 또는 홀을 형성해줌으로써, 습윤공기가 보다 원활하게 중공사막 사이로 흐를 수 있고, 그에 따라 가습성능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 공기공급 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 연료전지용 막가습기 구조를 나타낸 개략적 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막가습기를 나타낸 횡단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 막가습기를 나타낸 횡단면도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기를 나타낸 개략적 종단면도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물에 대한 실시예를 도시한 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 막가습기의 포팅 방법을 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막가습기를 나타낸 횡단면도이고, 첨부한 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 막가습기를 나타낸 횡단면도이다.
도 3 및 도 4에서 보듯이, 연료전지용 막가습기(100)는 일끝단부에 공기블로워로부터 건조공기(air)가 유입되는 공급구(102)가 형성되고, 타끝단부에는 가습된 건조공기를 배출하는 배출구(103)가 형성된 하우징(101)을 포함하고, 이 하우징(101)의 내부에 다수의 중공사막(106)이 밀집된 중공사막 다발이 수납된다.
또한, 상기 하우징(101)의 일측 둘레부에는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 유입구(104)가 형성되고, 그 반대편 둘레부에는 수분이 제거된 습윤공기의 배출을 위한 유출구(105)가 형성된다.
본 발명에 따르면, 상기 막가습기용 하우징(101)내에 배치되는 다수의 중공사막(106) 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)을 삽입 배치한 점에 특징이 있다.
첨부한 도 3에 보듯이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 각 중공사막(106) 사이에 중공사막(106)의 직경보다 크고 중공사막(106)과 동일한 길이를 갖는 직선형의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)을 삽입 배치된다.
또는, 첨부한 도 4에서 보듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 각 중공사막(106) 사이에 중공사막(106)의 직경보다 상하폭이 크고 중공사막(106)과 동일한 길이를 갖는 주름 형상인 크림프(crimp) 형태의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)을 삽입 배치된다.
또는, 첨부한 도 6을 참조하면, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)은 직선형(도 6의 (a) 참조) 이외에 지그재그 형상(도 6의 (b) 참조), 요철 형상(도 6의 (c) 참조), 코일스프링 형상(도 6의 (d) 참조), 원통형으로 말아진 메쉬 형상(도 6의 (e) 참조) 중 선택된 어느 하나의 형상으로 채택되어, 각 중공사막(106) 사이에 삽입 배치될 수 있다.
이렇게 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)은 여러가지 형상으로 구비되어 다발을 이루는 각 중공사막(106) 사이에 배치된 후, 공기블로워로부터 공급되는 공기의 압력에도 중공사막이 휘어지거나 단선되지 않게 완충 및 지지하는 역할을 할 뿐만아니라, 습윤공기의 흐름통로 형성을 위하여 각 중공사막 간의 간격을 유지시키는 역할을 하게 된다.
바람직하게는, 첨부한 도 5에서 보듯이 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)은 중앙부쪽 중공사막(106) 사이에 가장 많은 갯수로 촘촘히 배치되고, 외곽쪽 중공사막(106)을 갈수록 상대적으로 적은 갯수로 배치되도록 하며, 그 이유는 연료전지 스택에서 배출되는 반응 후의 습윤공기가 중공사막(106) 다발의 외곽쪽으로 공급된 후, 중공사막(106) 다발의 중심부로 원활하게 침투하지 못하기 때문이다.
따라서, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)에 의하여 중앙부쪽 중공사막(106)들이 습윤공기의 흐름통로 형성을 위하여 일정 간격으로 이격되는 상태가 되므로, 연료전지 스택에서 배출되는 반응 후의 습윤공기가 중공사막(106) 다발의 외곽쪽으로 공급된 후, 중공사막(106) 다발의 중심부로 원활하게 침투할 수 있다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)은 친수성 소재(예를 들어, 중공사막과 동일한 재질)를 이용하여 제작함으로써, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 표면에 습윤공기의 수분이 맺히는 동시에 인접하는 각 중공사막(106)으로 수분이 보다 용이하게 전달될 수 있으므로, 중공사막에 의한 건조공기 가습 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
이러한 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)이 각 중공사막(106) 사이에 배치될 때, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)과 중공사막(106) 간의 면접촉되는 부분이 발생됨에 따라 습윤공기의 흐름통로 즉, 각 중공사막(106) 사이의 이격공간을 보다 넓게 확보할 수 없는 한계가 있을 수 있다.
이를 감안하여, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 반경 방향을 따라 습윤공기 유도용 홀 또는 홈(112)이 더 형성해줌으로써, 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)과 중공사막(106) 간의 면접촉되는 부분을 줄일 수 있고, 그에 따라 각 중공사막(106) 사이의 이격공간으로 습윤공기가 유도될 때 중공사막에 대한 습윤공기의 접촉면적이 늘어나게 되므로, 중공사막에 의한 건조공기 가습 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 중공사막 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 고정시키는 방법은 중공사막 포팅시 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 함께 포팅재로 포팅하면 된다.
즉, 첨부한 도 7에서 보듯이 다발을 이루는 중공사막(106) 사이의 원하는 위치에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)을 배열한 다음, 중공사막(106)의 양끝단 및 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 양끝단을 일종의 고분자 몰딩수지인 포팅재(108)를 원심력을 이용하는 포팅기내에서 포팅해줌으로써, 중공사막 과 그 사이의 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물이 용이하게 고정되는 상태가 된다.
여기서, 상기한 본 발명의 연료전지용 막가습기의 가습 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택의 연료극에 수소가 공급되는 동시에 공기공급 시스템으로부터 연료전지 스택의 공기극에 산소가 공급됨으로써, 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
이러한 연료전지 스택의 반응 후에 스택으로부터 배출가스가 배출되며, 이 배출가스는 습윤상태의 습윤공기이다.
따라서, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막(106)의 외곽쪽으로 우선 공급되면, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)에 의하여 중앙부쪽 중공사막(106)들이 습윤공기의 흐름통로 형성을 위하여 일정 간격으로 이격된 상태이므로, 습윤공기가 외곽쪽 중공사막(106) 뿐만 아니라 중공사막(106) 다발의 중심부로 원활하게 침투할 수 있다.
이와 동시에, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)은 친수성 소재(예를 들어, 중공사막과 동일한 재질)이므로, 습윤공기의 수분이 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 표면에 맺히는 동시에 인접하는 각 중공사막(106)으로 수분이 보다 용이하게 전달될 수 있다.
또한, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 반경 방향을 따라 형성된 습윤공기 유도용 홀 또는 홈(112)을 통하여 습윤공기가 각 중공사막(106)으로 보다 용이하게 침투하게 된다.
이렇게 침투된 습윤공기의 수분이 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이와 동시에, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되는데, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내부을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 배출구(103)를 통하여 연료전지 스택의 공기극으로 공급된다.
이때, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 유출구(105)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)에 의하여 중공사막(106)의 사이공간(특히, 중앙부쪽의 중공사막들 사이공간) 즉, 습윤공기의 흐름통로가 용이하게 확보될 수 있는 점, 상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)이 친수성 소재로 적용된 점, 그리고 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)의 반경 방향을 따라 습윤공기 유도용 홀 또는 홈(112)이 형성된 점 등으로 인하여, 습윤공기가 각 중공사막(106) 사이로 보다 용이하게 침투하게 되므로, 결국 막가습기의 가습 효율을 종래 대비 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 공기블로워로부터 가습기로 유입되는 공기의 압력이 높은 가변압 시스템의 경우, 중공사막에 높은 공기 압력이 작용하여 중공사막이 한쪽으로 휘어지거나 단선될 우려가 있지만, 중공사막에 높은 공기 압력이 작용하더라도 중공사막(106) 사이에 배치된 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물(110)이 중공사막(106)을 지지 및 완충하게 되므로, 중공사막이 한쪽으로 쏠리거나 단선되는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
100 : 막 가습기
101 : 하우징
102 : 공급구
103 : 배출구
104 : 유입구
105 : 유출구
106 : 중공사막
108 : 포팅재
110 : 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물
112 : 습윤공기 유도용 홀 또는 홈
200 : 연료전지 스택
202 : 공기블로워

Claims (7)

  1. 막가습기용 하우징내에 배치되는 다수의 중공사막 사이에 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물을 삽입 배치하여, 공기블로워로부터 공급되는 공기의 압력을 완충시키는 동시에 각 중공사막 간의 간격을 유지시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 중앙부쪽 중공사막 사이에 가장 많은 갯수로 배치되고, 외곽쪽 중공사막을 갈수록 상대적으로 적은 갯수로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 친수성 소재를 이용하여 만들어진 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 중공사막의 직경보다 크고, 중공사막의 길이와 동일하게 만들어진 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물은 직선 형상, 지그재그 형상, 요철 형상, 코일스프링 형상, 크림프 형상, 메쉬 형상 중 선택된 어느 하나의 형상으로 만들어진 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물의 양단부는 중공사막의 양단부와 함께 포팅재로 포팅되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공사막 완충 및 간격 조절용 구조물에는 반경 방향을 따라 습윤공기 유도용 홀 또는 홈이 더 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막가습기.
KR1020150061047A 2015-04-30 2015-04-30 연료전지용 막가습기 KR101766011B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150061047A KR101766011B1 (ko) 2015-04-30 2015-04-30 연료전지용 막가습기
US14/956,262 US9859576B2 (en) 2015-04-30 2015-12-01 Membrane humidifier for fuel cell
DE102015225515.8A DE102015225515A1 (de) 2015-04-30 2015-12-16 Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle
CN201510952659.1A CN106099142B (zh) 2015-04-30 2015-12-17 用于燃料电池的膜加湿器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150061047A KR101766011B1 (ko) 2015-04-30 2015-04-30 연료전지용 막가습기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160129243A true KR20160129243A (ko) 2016-11-09
KR101766011B1 KR101766011B1 (ko) 2017-08-07

Family

ID=57135751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150061047A KR101766011B1 (ko) 2015-04-30 2015-04-30 연료전지용 막가습기

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9859576B2 (ko)
KR (1) KR101766011B1 (ko)
CN (1) CN106099142B (ko)
DE (1) DE102015225515A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019132606A1 (ko) * 2017-12-29 2019-07-04 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
KR20190085716A (ko) * 2018-01-11 2019-07-19 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기
KR20210144114A (ko) * 2020-05-21 2021-11-30 주식회사 케이퓨얼셀 가습효율이 개선된 연료전지용 막가습기
WO2023033393A1 (ko) * 2021-09-02 2023-03-09 코오롱인더스트리 주식회사 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10054022B2 (en) * 2016-02-23 2018-08-21 Tenneco Automotive Operating Company Inc. Exhaust treatment system having membrane module for water removal
WO2019235800A1 (ko) * 2018-06-04 2019-12-12 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기
KR102265021B1 (ko) * 2018-06-05 2021-06-14 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막가습기
KR20200122211A (ko) * 2019-04-17 2020-10-27 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기 및 그것을 위한 패킹 부재
KR20210067366A (ko) * 2019-11-29 2021-06-08 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
KR20210067365A (ko) * 2019-11-29 2021-06-08 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기
KR20220127538A (ko) * 2021-03-11 2022-09-20 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기
KR20230032781A (ko) * 2021-08-31 2023-03-07 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2287934A1 (fr) * 1974-10-15 1976-05-14 Rhone Poulenc Ind Appareil a membranes tubulaires sur supports pour le traitement des fluides
US4293418A (en) * 1979-03-28 1981-10-06 Toray Industries, Inc. Fluid separation apparatus
DE3805414C1 (ko) * 1988-02-22 1989-09-07 Secon Gesellschaft Fuer Separations- Und Concentrationstechnik Mbh, 3402 Dransfeld, De
US4961760A (en) * 1989-02-09 1990-10-09 The Dow Chemical Company Hollow fiber membrane fluid separation device adapted for boreside feed
US5198110A (en) * 1990-07-02 1993-03-30 Asahi Medical Co., Ltd. Bundle of permselective hollow fibers and a fluid separator containing the same
DE59508062D1 (de) * 1995-03-11 2000-04-27 Akzo Nobel Nv Hohlfadenbündel sowie Stoff- und/oder Wärmetauscher
US5779897A (en) * 1996-11-08 1998-07-14 Permea, Inc. Hollow fiber membrane device with inert filaments randomly distributed in the inter-fiber voids
US6136073A (en) * 1998-11-02 2000-10-24 Mg Generon Boreside feed modules with permeate flow channels
JP3927344B2 (ja) * 2000-01-19 2007-06-06 本田技研工業株式会社 加湿装置
DE10007327A1 (de) * 2000-02-17 2001-08-30 Fresenius Medical Care De Gmbh Filtervorrichtung, vorzugsweise Hohlfaserdialysator mit gelockten Hohlfasern
DE10106722B4 (de) * 2001-02-14 2008-11-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Spezielles Hohlfaser-Membranmodul für den Einsatz in stark durch fouling beeinträchtigten Prozessen und seine Herstellung
JP2002289229A (ja) 2001-03-22 2002-10-04 Nok Corp 加湿器およびその使用方法
US7160455B2 (en) * 2001-11-05 2007-01-09 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Hollow fiber membrane module
AU2003209418A1 (en) * 2002-01-29 2003-09-02 Amersham Biosciences Membrane Separations Corp. Spiraled surface hollow fiber membranes
DE10227721B4 (de) * 2002-06-21 2008-03-13 Hermsdorfer Institut Für Technische Keramik E.V. Verfahren zur Herstellung eines Bündels keramischer Kapillaren für ein Separationsmodul
DE10259661A1 (de) * 2002-10-16 2004-04-29 Beko Technologies Gmbh Hohlfaser-Modul
JP2004311287A (ja) * 2003-04-09 2004-11-04 Nissan Motor Co Ltd 加湿装置
DE102004004212B4 (de) * 2004-01-27 2007-02-08 Koch Membrane Systems Gmbh Membranfiltereinheit und Verfahren zur Herstellung der Membranfiltereinheit
CA2687959A1 (en) * 2007-05-22 2008-11-27 Asahi Kasei Chemicals Corporation Hollow fiber membrane module, process for manufacturing the same, hollow fiber membrane module assembly and method of purifying raw water with use thereof
DE102009017413A1 (de) * 2009-04-14 2010-11-18 Fresenius Medical Care Deutschland Gmbh Filtervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Filtervorrichtung
JP5523458B2 (ja) * 2009-07-24 2014-06-18 本田技研工業株式会社 水分交換用中空糸膜モジュール
CN101628203A (zh) * 2009-08-12 2010-01-20 江苏中科膜技术有限公司 一种用于沉浸式膜生物反应器的中空纤维膜组件
DE102009038814A1 (de) * 2009-08-31 2011-03-10 Uhde Gmbh Verfahren zur Pottung keramischer Kapillarmembranen
US8661830B2 (en) * 2009-11-02 2014-03-04 General Electric Company Hybrid multichannel porous structure for hydrogen separation
KR101144076B1 (ko) 2009-11-30 2012-05-23 기아자동차주식회사 연료전지용 가습장치
WO2012091070A1 (ja) * 2010-12-27 2012-07-05 旭化成ケミカルズ株式会社 吸着分離膜モジュール、吸着分離膜モジュールの製造方法、及び仕切部材
US8540081B2 (en) * 2011-03-16 2013-09-24 Markel Corporation Fluoropolymer hollow fiber membrane with fluoro-copolymer and fluoro-terpolymer bonded end portion(s) and method to fabricate
KR101337904B1 (ko) * 2011-09-14 2013-12-09 기아자동차주식회사 연료전지용 막 가습기
KR101382672B1 (ko) * 2011-12-09 2014-04-07 기아자동차주식회사 연료전지 막 모듈 제조방법
AU2012355957B2 (en) * 2011-12-22 2017-12-07 Refine Technology, Llc Hollow fiber cartridges and components and methods of their construction
CA2867883C (en) * 2012-03-28 2020-06-02 Rasirc, Inc. Method of delivering a process gas from a multi-component solution
US9034083B2 (en) * 2012-04-10 2015-05-19 Vivonics, Inc. Array of hollow fibers and a system and method of manufacturing same
EP2866922B1 (en) * 2012-06-28 2018-03-07 Evoqua Water Technologies LLC A potting method
KR101382729B1 (ko) 2012-07-17 2014-04-08 현대자동차주식회사 연료전지의 막 가습기
KR101449115B1 (ko) 2012-08-22 2014-10-08 현대자동차주식회사 구조물 적용 연료전지용 막 가습기
DE102012022349A1 (de) * 2012-11-15 2014-05-15 Mann + Hummel Gmbh Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle
US9340297B2 (en) * 2013-02-19 2016-05-17 The Boeing Company Counter-flow gas separation modules and methods
KR101673667B1 (ko) * 2014-07-31 2016-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 막 가습기의 중공사막 밀집도 분배 장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019132606A1 (ko) * 2017-12-29 2019-07-04 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
US11469428B2 (en) 2017-12-29 2022-10-11 Kolon Industries, Inc. Fuel cell membrane humidifier capable of controlling flow direction of fluid
KR20190085716A (ko) * 2018-01-11 2019-07-19 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기
KR20210144114A (ko) * 2020-05-21 2021-11-30 주식회사 케이퓨얼셀 가습효율이 개선된 연료전지용 막가습기
WO2023033393A1 (ko) * 2021-09-02 2023-03-09 코오롱인더스트리 주식회사 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기

Also Published As

Publication number Publication date
CN106099142B (zh) 2021-04-16
DE102015225515A1 (de) 2016-11-03
US9859576B2 (en) 2018-01-02
US20160322654A1 (en) 2016-11-03
CN106099142A (zh) 2016-11-09
KR101766011B1 (ko) 2017-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101766011B1 (ko) 연료전지용 막가습기
JP6461586B2 (ja) 燃料電池用膜加湿器の中空糸膜密集度分配装置
CN102834958B (zh) 用于燃料电池的加湿器
KR100821770B1 (ko) 연료전지용 하이브리드 가습 장치
KR101337904B1 (ko) 연료전지용 막 가습기
JP2007046801A (ja) 加湿装置
KR101449115B1 (ko) 구조물 적용 연료전지용 막 가습기
KR102252042B1 (ko) 조립형 카트리지 블록 및 이를 포함하는 중공사막 모듈
KR20140099752A (ko) 중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈
JP2008309371A (ja) 加湿器及び燃料電池システム
KR102216355B1 (ko) 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
JP2006501629A (ja) 燃料電池反応物及び副生物用システム
KR101371905B1 (ko) 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 막 모듈
JP2002358988A (ja) 中空糸膜モジュール
US8114549B2 (en) Fuel cell
KR101382729B1 (ko) 연료전지의 막 가습기
JP3553200B2 (ja) 燃料電池用ガス加湿装置および燃料電池
JP2007220611A (ja) 燃料電池の加湿装置
JP2006079982A (ja) 燃料電池
KR20200055346A (ko) 연료전지용 막가습기
JP2002298883A (ja) 加湿モジュール
JP2005235727A (ja) 燃料電池、燃料電池用薄膜及び燃料電池用薄膜の製造方法
KR101694027B1 (ko) 연료전지 셀의 가습장치 및 이의 제작 방법
JP2010145009A (ja) 加湿器
JP2004241227A (ja) 加湿装置

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