KR20190085716A - Hollow fiber cartridge capable of controlling flow direction of fluid and fuel cell membrane humidifier comprising it - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of enhancing humidifying efficiency by controlling a flow direction of the fluid. The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention comprises: a hollow fiber membrane module accommodating a hollow fiber membrane in which a first fluid flows inside and a second fluid flows outside to exchange moisture between the first fluid and the second fluid; and a housing portion forming an appearance of the membrane humidifier. A fluid guide unit is formed between the hollow fiber membrane and the housing portion to induce a flow of fluid uniformly.

Description

유체의 흐름 방향 제어가 가능한 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기 {Hollow fiber cartridge capable of controlling flow direction of fluid and fuel cell membrane humidifier comprising it}[0001] The present invention relates to a hollow fiber membrane cartridge capable of controlling the flow direction of a fluid and a fuel cell membrane humidifier including the hollow fiber membrane cartridge,

본 발명은 유체의 흐름 방향 제어하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것이다. The present invention relates to a hollow fiber membrane cartridge capable of improving the humidifying efficiency by controlling the flow direction of a fluid and a fuel cell membrane humidifier including the hollow fiber membrane cartridge.

연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. Fuel cells are power generation cells that produce electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike conventional chemical batteries, such as batteries and accumulators, fuel cells can produce electricity continuously as long as hydrogen and oxygen are supplied, and they are twice as efficient as internal combustion engines because they have no heat loss.

또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. In addition, since the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electric energy, the emission of pollutants is low. Therefore, the fuel cell has an advantage that it is not only environmentally friendly but also can reduce the concern about resource exhaustion due to an increase in energy consumption.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. Such a fuel cell can be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell SOFC), and an alkaline fuel cell (AFC).

이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.Each of these fuel cells operates basically on the same principle, but the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, and the electrolyte are different from each other. Among them, polymer electrolyte fuel cells are known to be most promising not only in small size stationary power generation equipment but also in transportation system because they operate at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized because of their high output density.

고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell is to supply a predetermined amount or more of water to a polymer electrolyte membrane (PEM) of a membrane electrode assembly (MEA) Thereby maintaining the water content. When the polymer electrolyte membrane is dried, the power generation efficiency is rapidly lowered.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. The method of humidifying the polymer electrolyte membrane is as follows: 1) a bubbler humidification method in which a pressure vessel is filled with water, a subject gas is passed through a diffuser to supply water, and 2) A direct injection method in which water is directly supplied to the gas flow pipe through calculation using a solenoid valve, and 3) a humidifying membrane method in which water is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer separator.

이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.Among them, the humidifying membrane type which humidifies the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane selectively permeable to only the water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be made lighter and smaller.

가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다. The selective permeable membrane used in the humidifying membrane method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when a module is formed. That is, when the humidifier is manufactured using the hollow fiber membrane, the hollow fiber membrane having a large contact surface area can be highly integrated, so that the humidification of the fuel cell can be sufficiently performed even at a small capacity, and low cost materials can be used. Moisture and heat contained in the unreacted gas can be recovered and reused through the humidifier.

한편, 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막의 경우, 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있다. 하지만 중공사막을 고집적화시키게 되면 중공사막에 의한 저항으로 인해 중공사막 외부로 흐르는 유체의 흐름이 균일하게 형성되지 않는 문제점이 있다. On the other hand, in the case of a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume, the hollow fiber membrane can be highly integrated, and the humidification of the fuel cell can be sufficiently performed even at a small capacity. However, when the hollow fiber membrane is highly integrated, the flow of the fluid to the outside of the hollow fiber membrane due to the resistance due to the hollow fiber membrane is not uniformly formed.

또한, 유체의 흐름이 균일하게 형성되지 않음에 따라 사용되는 막의 면적이 감소하고, 일부만 쓰이게 되므로 가습 효율이 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the flow of the fluid is not uniformly formed, the area of the membrane used decreases, and only a part of the membrane is used, thereby lowering the humidification efficiency.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호Korea Patent Publication No. 10-2009-0013304 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호Korea Patent Publication No. 10-2009-0057773 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호Korean Patent Publication No. 10-2009-0128005 대한민국 공개특허 제10-2000-0108092호Korean Patent Publication No. 10-2000-0108092 대한민국 공개특허 제10-2000-0131631호Korean Patent Publication No. 10-2000-0131631 대한민국 공개특허 제10-2001-0001022호Korean Patent Publication No. 10-2001-0001022 대한민국 공개특허 제10-2001-0006122호Korean Patent Publication No. 10-2001-0006122 대한민국 공개특허 제10-2001-0006128호Korean Patent Publication No. 10-2001-0006128 대한민국 공개특허 제10-2001-0021217호Korean Patent Publication No. 10-2001-0021217 대한민국 공개특허 제10-2001-0026696호Korean Patent Publication No. 10-2001-0026696 대한민국 공개특허 제10-2001-0063366호Korean Patent Publication No. 10-2001-0063366

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 중공사막이 고집적화된 경우라도 유체의 흐름을 균일하게 형성하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a hollow fiber membrane cartridge and a fuel cell membrane humidifier including the hollow fiber membrane cartridge capable of improving the humidification efficiency by uniformly forming a flow of fluid even when the hollow fiber membrane is highly integrated .

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지는,In the hollow fiber membrane cartridge according to the embodiment of the present invention,

내부에 제1 유체가 흐르며 외부에서 유입된 제2 유체가 외부로 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용되는 바디부; 및, 상기 바디부의 내주면에 형성되며 상기 중공사막과 상기 바디부 사이의 유체 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부를 포함한다.A body portion in which a first fluid flows inside and a second fluid introduced from the outside flows to the outside, and a hollow fiber membrane in which the first fluid and the second fluid perform water exchange is received; And a fluid guide portion formed on an inner circumferential surface of the body portion and uniformly guiding a fluid flow between the hollow fiber membrane and the body portion.

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지에 있어서, 상기 유체 가이드부는, 상기 바디부의 내주면에 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수의 스트라이프로 이루어질 수 있다. In the hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention, the fluid guide portion may be formed of a plurality of stripes protruding from the inner circumferential surface of the body portion at a predetermined size.

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지에 있어서, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention, the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane.

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지에 있어서, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.The hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention is characterized in that the interval between the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane.

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지에 있어서, 상기 복수의 스트라이프가 중공사막 카트리지의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 한다.In the hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention, the plurality of stripes form an angle of 30 to 90 degrees with the center axis of the hollow fiber membrane cartridge.

본 발명의 실시예에 따른 중공사막 카트리지에 있어서, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며, 상기 복수의 스트라이프가 중공사막 카트리지의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 한다.In the hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention, the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane, and the interval between the plurality of stripes is 50 to 300 %, And an angle formed between the plurality of stripes and the central axis of the hollow fiber membrane cartridge is 30 to 90 degrees.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, A fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention includes:

제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구, 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구, 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구, 그리고 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부; 내부에 상기 제1 유체 유입구로부터 유입된 제1 유체가 흐르며 상기 제2 유체 유입구로부터 유입된 제2 유체가 외부로 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용되는 바디부와, 상기 바디부의 내주면에 형성되며 상기 중공사막과 상기 바디부 사이의 유체 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부를 포함하고, 상기 하우징부 내부에 설치되는 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지를 포함한다.A housing portion including a first fluid inlet through which the first fluid flows, a first fluid outlet through which the first fluid flows, a second fluid inlet through which the second fluid flows, and a second fluid outlet through which the second fluid flows out; Wherein the first fluid introduced from the first fluid inlet flows into the first fluid inlet and the second fluid introduced from the second fluid inlet flows into the outside to receive the hollow fiber membrane in which the first fluid and the second fluid perform water exchange And at least one hollow fiber membrane cartridge disposed in the housing part, the hollow fiber membrane cartridge including a fluid guide part formed on an inner circumferential surface of the body part and uniformly guiding fluid flow between the hollow fiber membrane and the body part.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 유체 가이드부는, 상기 바디부의 내주면에 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수의 스트라이프로 이루어질 수 있다. In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the fluid guide portion may include a plurality of stripes protruding from the inner circumferential surface of the body portion at a predetermined size.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the height of the plurality of stripes may be 50 to 300% of the diameter of a single hollow fiber membrane.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the interval between the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 한다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the angle formed by the plurality of stripes with the central axis of the hollow fiber membrane module is 30 to 90 degrees.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고, 상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며, 상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 한다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane, and the interval between the plurality of stripes is 50 ~ And the angle formed between the plurality of stripes and the central axis of the hollow fiber membrane module is 30 to 90 degrees.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific embodiments of various aspects of the present invention are included in the detailed description below.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 유체 가이드부에 의해 중공사막 카트리지로 유입된 유체의 흐름을 균일하게 형성할 수 있게 되어, 가습 효율을 향상시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the flow of the fluid introduced into the hollow fiber membrane cartridge by the fluid guide portion can be uniformly formed, and the humidification efficiency can be improved.

또한, 중공사막과 중공사막 카트리지 사이에서 유체 가이드부가 일정한 높이로 형성됨에 따라 중공사막과 중공사막 카트리지의 내주면이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있게 되어 중공사막 카트리지의 내주면에 의한 중공사막의 손상을 방지할 수 있다.Further, since the fluid guide portion is formed at a predetermined height between the hollow fiber membrane and the hollow fiber membrane cartridge, direct contact between the hollow fiber membrane and the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane cartridge can be prevented so that the hollow fiber membrane can be prevented from being damaged by the inner surface of the hollow fiber membrane cartridge. can do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 변형예가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지가 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A' 라인에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 가이드부가 도시된 도면이다.
도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 바라본 단면도이다.1 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are views showing various modifications of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a hollow fiber membrane cartridge according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG.
5 is a view showing a fluid guide portion according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line BB 'of FIG.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments and is intended to illustrate and describe the specific embodiments in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 중공사막 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 설명한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprises" or "having" are used to designate the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof. Hereinafter, a hollow fiber membrane cartridge capable of controlling the flow direction of a fluid according to an embodiment of the present invention and a fuel cell membrane humidifier including the same will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 변형예가 도시된 도면이다.FIG. 1 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) to 2 (c) are diagrams showing various modifications of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2(도 2a 내지 도 2c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 하우징부(100)와 중공사막 모듈(200)을 포함한다.As shown in FIGS. 1 and 2 (FIGS. 2A to 2C), the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention includes a housing part 100 and a hollow fiber membrane module 200.

하우징부(100)는 막가습기의 외형을 이룬다. 하우징부(100)는 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. The housing part 100 forms the outer shape of the membrane humidifier. The housing part 100 may include a housing body 110 and a housing cap 120, and may be integrally formed with the housing body 110 and the housing cap 120. The housing body 110 and the housing caps 120 may be made of hard plastic such as polycarbonate or metal.

또한, 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은, 도 1 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 폭 방향 단면 형상이 원형이거나 또는, 도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 폭 방향 단면 형상이 다각형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.1 and 2B, the housing body 110 and the housing cap 120 may have a circular cross-sectional shape in the width direction or may have a cross-sectional shape in the width direction as shown in Figs. 2A and 2C, This may be a polygon. The polygon may be a square, a square, a trapezoid, a parallelogram, a pentagon, a hexagon, or the like, and the polygon may be rounded. Also, the circular shape may be an elliptical shape.

하우징 몸체(110)의 양단에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(131)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(132)가 형성되어 있다. 상기에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 또는, 제2 유체가 저습의 유체이고, 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다. At both ends of the housing body 110, a second fluid inlet 131 through which a second fluid is supplied and a second fluid outlet 132 through which a second fluid is discharged are formed. The first fluid may be a low-humidity fluid and the second fluid may be a high-humidity fluid. Alternatively, the second fluid may be a low-humidity fluid, and the first fluid may be a high-humidity fluid.

하우징 캡(120)은 하우징 몸체(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120)에는 제1 유체 유입구(121) 및 제1 유체 유출구(122)가 형성되어 있다. 일측 하우징 캡(120)의 제1 유체 유입구(121)로 유입된 제1 유체는 중공사막 모듈(200) 내부로 유입되어 중공사막의 내부 관로를 통과하고 중공사막 모듈(200) 외부로 유출된 후, 타측 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가게 된다.The housing cap 120 is coupled to both ends of the housing body 110. Each housing cap 120 has a first fluid inlet 121 and a first fluid outlet 122 formed therein. The first fluid introduced into the first fluid inlet 121 of the one housing cap 120 flows into the hollow fiber membrane module 200 and passes through the inner pipe of the hollow fiber membrane module 200 and flows out of the hollow fiber membrane module 200 , And then escapes to the first fluid outlet 122 of the other housing cap 120.

중공사막 모듈(200) 내부에는 중공사막 카트리지(210)가 배치되고, 중공사막 카트리지(210) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(F) 다발이 배치될 수 있다. A hollow fiber membrane cartridge 210 is disposed in the hollow fiber membrane module 200 and a plurality of bundles of hollow fiber membranes F selectively passing moisture through the hollow fiber membrane cartridge 210 are disposed.

중공사막(F)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다. The hollow fiber membrane F may be, for example, a hollow fiber membrane made of a Nafion material, a polyetherimide material, or a polyphenylsulfone material.

도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(200) 내부에는 하나의 중공사막 카트리지가 배치될 수 있다. 한편, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(200) 내부에는 복수개의 중공사막 카트리지(210)가 배치될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2A, a single hollow fiber membrane cartridge may be disposed in the hollow fiber membrane module 200. Meanwhile, as shown in FIGS. 2B and 2C, a plurality of hollow fiber membrane cartridges 210 may be disposed in the hollow fiber membrane module 200.

중공사막 카트리지(210) 내주면에는 중공사막(F) 주위를 흐르는 유체의 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부(212)가 형성된다. 여기서, 유체는 고습의 유체일 수 있다. 유체 가이드부(212)에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하여 후술한다. On the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane cartridge 210, a fluid guide portion 212 for uniformly guiding the flow of the fluid flowing around the hollow fiber membrane F is formed. Here, the fluid may be a high-humidity fluid. The fluid guide portion 212 will be described later with reference to FIG. 3 to FIG.

중공사막 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(F)을 결속하면서 중공사막의 사이의 공극을 메우는 포팅부(미도시)가 형성된다. 이로써, 중공사막 모듈(200)은 양단부가 포팅부에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.At both ends of the hollow fiber membrane module 200, a potting portion (not shown) for binding the hollow fiber membrane F and filling the gap between the hollow fiber membranes is formed. As a result, the hollow fiber membrane module 200 has both ends thereof blocked by the potting portion, and a flow path through which the second fluid passes is formed therein. The material of the potting part is well known in the art and will not be described in detail here.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 중공사막 모듈이 도시된 도면이고, 도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 가이드부(212)가 도시된 도면이고, 도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 바라본 단면도이다.FIG. 3 is a view showing a hollow fiber membrane module of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a sectional view taken along line A-A 'of FIG. 3, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line BB 'of FIG. 5. FIG.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지(210)는 바디부(211)와 유체 가이드부(212)를 포함한다.3 and 4, the hollow fiber membrane cartridge 210 according to an embodiment of the present invention includes a body part 211 and a fluid guide part 212.

바디부(211)는 중공사막 카트리지(210)의 외형을 이루며, 외주면에는 하우징부(100)의 내부에 설치되기 위한 구조물이 형성될 수 있다. 바디부(211)는 제2 유체 유입구(131)로 유입된 제2 유체가 중공사막 카트리지(210) 내부로 유입되도록 하는 제1 메쉬부(213)와 중공사막 카트리지(210) 내부에서 수분 교환을 수행한 제2 유체가 중공사막 카트리지(210) 외부로 유출되도록 하는 제2 메쉬부(214)를 포함할 수 있다. 제2 메쉬부(214)를 통해 유출된 제2 유체는 제2 유체 유출구(132)를 통해 막가습기 외부로 유출된다.The body part 211 may be formed as an outer shape of the hollow fiber membrane cartridge 210 and a structure may be formed on the outer peripheral surface of the hollow part to be installed inside the housing part 100. The body part 211 includes a first mesh part 213 for allowing the second fluid introduced into the second fluid inlet 131 to flow into the hollow fiber membrane cartridge 210 and water exchange inside the hollow fiber membrane cartridge 210 And a second mesh portion 214 for allowing the second fluid to flow out of the hollow fiber membrane cartridge 210. The second fluid flowing out through the second mesh portion 214 flows out of the membrane humidifier through the second fluid outlet 132.

유체 가이드부(212)는 중공사막 카트리지(210) 내주면에 형성되어 유체의 흐름을 균일하게 유도한다. 유체 가이드부(212)는 제1 메쉬부(213)를 통해 중공사막 카트리지(210) 내부로 유입된 제2 유체의 흐름을 중공사막(F) 쪽으로 유도하여 가습 효율을 향상시킨다. 구체적으로, 유체 가이드부(212)는 바디부의 내주면에 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수의 스트라이프로 이루어질 수 있다.The fluid guide part 212 is formed on the inner peripheral surface of the hollow fiber membrane cartridge 210 to uniformly guide the flow of the fluid. The fluid guide part 212 guides the flow of the second fluid introduced into the hollow fiber membrane cartridge 210 through the first mesh part 213 toward the hollow fiber membrane F to improve the humidifying efficiency. Specifically, the fluid guide portion 212 may be formed of a plurality of stripes protruding from the inner circumferential surface of the body portion at a predetermined size.

제2 유체 유입구(131)로 유입된 고습한 제2 유체는 중공사막(F)의 외부를 흐르기 전에, 복수의 스트라이프에 의해 일정하게 흐름이 유도된 후, 중공사막(F) 외부를 흐르면서 중공사막(F) 내부를 흐르는 저습한 제1 유체와 수분 교환을 수행한다.The high-humidity second fluid introduced into the second fluid inlet 131 is flowed constantly by a plurality of stripes before flowing outside the hollow fiber membrane F, and then flows through the hollow fiber membrane F, And performs moisture exchange with the low-humidity first fluid flowing in the interior space (F).

복수의 스트라이프는 고습한 유체의 흐름 방향을 효과적으로 제어하기 위해 일정한 높이와 간격, 그리고 각도를 이루도록 형성된다.The plurality of stripes are formed to have a constant height, an interval, and an angle to effectively control the flow direction of the high-humidity fluid.

도 5및 도 6을 참조하면, 복수의 스트라이프(S)는 고습한 유체가 흐르는 유로(F)를 형성하며, 복수의 스트라이프(S)의 높이 h는 유로(F)의 깊이에 해당한다. 5 and 6, a plurality of stripes S form a flow path F through which a high-humidity fluid flows, and the height h of the plurality of stripes S corresponds to the depth of the flow path F. FIG.

복수의 스트라이프(S)의 높이 h는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 단일 중공사막 직경은, 예를 들어 약 1mm일 수 있으며, 따라서 복수의 스트라이프(S)의 높이는 0.5 ~ 3mm 크기로 형성될 수 있다.The height h of the plurality of stripes S is preferably 50 to 300% of the size of the single hollow fiber membrane. Here, the diameter of the single hollow fiber membrane may be, for example, about 1 mm, and accordingly, the height of the plurality of stripes S may be 0.5 to 3 mm in height.

복수의 스트라이프(S)의 높이 h가 단일 중공사막 직경 크기의 50% 미만인 경우, 충분한 깊이의 유로가 형성되지 못하여 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체가 유로(F)를 따라 흐르지 못하고, 외부로 유출될 수 있다. 또한, 복수의 스트라이프(S)의 높이 h가 단일 중공사막 직경 크기의 300%를 초과하는 경우, 그 효과가 300% 이하와 동일하므로 소형화에 적합하지 않은 문제가 있다.When the height h of the plurality of stripes S is less than 50% of the diameter of the single hollow fiber membrane, a flow path having a sufficient depth can not be formed and the fluid flowing into the hollow fiber membrane module 200 can not flow along the flow path F, Lt; / RTI > When the height h of the plurality of stripes S exceeds 300% of the diameter of the single hollow fiber membrane, the effect is equal to 300% or less, which is not suitable for miniaturization.

스트라이프(S) 간의 간격(W)은, 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 단일 중공사막 직경은, 예를 들어 약 1mm일 수 있으며, 따라서 스트라이프(S) 간의 간격은 0.5 ~ 3mm 크기로 형성될 수 있다.The interval W between the stripes S is preferably 50 to 300% of the size of the single hollow fiber membrane. Here, the single hollow fiber membrane diameter may be, for example, about 1 mm, so that the interval between the stripes S may be formed to a size of 0.5 to 3 mm.

스트라이프(S) 간의 간격(W)이 단일 중공사막 직경 크기의 50% 미만인 경우 와, 스트라이프(S) 간의 간격(W)이 단일 중공사막 직경 크기의 300%를 초과하는 경우, 그 크기가 매우 작거나 커 유체의 흐름을 조절하는 효과가 미미하다는 문제가 있다.When the interval W between the stripes S is less than 50% of the single hollow fiber diameter size and the interval W between the stripes S exceeds 300% of the single hollow fiber diameter size, Or the effect of controlling the flow of the fluid is insignificant.

스트라이프(S)가 중공사막 모듈(200)의 중심축(X, 도 3 및 도 5 참조)과 이루는 각도(O)는 30 ~ 90°인 것이 바람직하다. 각도(O)가 30° 미만인 경우, 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체가 유로(F)에 충분히 머물지 못하고 바로 빠져나갈 가능성이 크다. 한편, 각도(O)는 X축을 기준으로 하는 축대칭, 점 O를 기준으로 하는 점대칭인 경우, 즉, 각도(O)가 90 ~ 360°를 이루는 2 ~ 4 사분면 경우, 유체의 관점에서 1사분면(각도(O)가 0 ~ 90°인 경우)과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.It is preferable that the angle O between the stripe S and the center axis X of the hollow fiber membrane module 200 (see FIG. 3 and FIG. 5) is 30 to 90 degrees. When the angle O is less than 30 degrees, there is a high possibility that the fluid introduced into the hollow fiber membrane module 200 does not sufficiently stay in the flow path F, On the other hand, when the angle O is an axisymmetric with respect to the X axis and a point symmetry with respect to the point O, that is, when the angle O is 2 to 4 quadrants with an angle O of 90 to 360, (In the case where the angle O is 0 to 90 degrees), the description thereof will be omitted.

다음으로, 상기와 같이 구성되는 막가습기에서 제1 유체 및 제2 유체의 수분 교환 과정에 대해 설명한다. 아래의 설명에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 또는, 제2 유체가 저습의 유체이고, 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다. Next, the moisture exchange process of the first fluid and the second fluid in the membrane humidifier constructed as above will be described. In the following description, the first fluid may be a low-humidity fluid and the second fluid may be a high-humidity fluid. Alternatively, the second fluid may be a low-humidity fluid, and the first fluid may be a high-humidity fluid.

제1 유체는 중공사막 모듈(200)의 중공사막(F) 내부로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 한편, 제1 유체는 제1 유체 유출구(122)로 유입되어 제1 유체 유입구(121)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다. The first fluid flows into the hollow fiber membrane F of the hollow fiber membrane module 200 and is discharged to the outside of the membrane humidifier through the first fluid outlet 122 of the housing cap 120 on the other side. Meanwhile, it is also possible that the first fluid flows into the first fluid outlet 122 and flows into the first fluid inlet 121.

제2 유체는 하우징 몸체(110)의 제2 유체 유입구(131)를 통하여 상기 하우징 몸체(110)로 공급된 후, 중공사막(F)의 외부로 흐른 후, 하우징 몸체(110)의 제2 유체 유출구(132)를 통하여 외부로 배출된다. The second fluid is supplied to the housing body 110 through the second fluid inlet 131 of the housing body 110 and then flows to the outside of the hollow fiber membrane F and then flows into the second fluid of the housing body 110 And is discharged to the outside through the outlet 132.

이때, 제2 유체는 복수의 스트라이프(S)로 이루어지는 유체 가이드부(212)에 의해 일정하게 흐름이 유도된 후, 중공사막(F) 외부를 흐르면서 중공사막(F) 내부를 흐르는 저습한 제1 유체와 수분 교환을 수행한다.At this time, the second fluid is guided uniformly by the fluid guide part 212 composed of a plurality of stripes (S), and then flows through the hollow fiber membrane F while flowing outside the hollow fiber membrane F, Perform fluid exchange with the fluid.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 유체 가이드부에 의해 중공사막 모듈(200)로 유입된 유체의 흐름을 균일하게 형성할 수 있게 되어, 가습 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the flow of the fluid introduced into the hollow fiber membrane module 200 can be uniformly formed by the fluid guide portion, thereby improving the humidification efficiency.

또한, 중공사막과 중공사막 카트리지(210) 사이에서 유체 가이드부(212)가 일정한 높이로 형성됨에 따라 중공사막과 중공사막 카트리지(210)의 내주면이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있게 되어 중공사막 카트리지(210)의 내주면에 의한 중공사막의 손상을 방지할 수 있다.Also, since the fluid guide part 212 is formed at a predetermined height between the hollow fiber membrane and the hollow fiber membrane cartridge 210, it is possible to prevent direct contact between the hollow fiber membrane and the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane cartridge 210, It is possible to prevent the hollow fiber membrane from being damaged by the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane 210.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 121 : 제1유체 유입구
122 : 제1유체 유출구 131 : 제2유체 유입구
132 : 제2유체 유출구 200 : 중공사막 모듈
210 : 중공사막 카트리지 211 : 바디부
212 : 유체 가이드부 213 : 제1메쉬부
214 : 제2메쉬부 F : 중공사막100: housing part 110: housing body
120: housing cap 121: first fluid inlet
122: first fluid outlet 131: second fluid inlet
132: second fluid outlet 200: hollow fiber membrane module
210: hollow fiber membrane cartridge 211:
212: fluid guide portion 213: first mesh portion
214: second mesh portion F: hollow fiber membrane

Claims (12)

내부에 제1 유체가 흐르며 외부에서 유입된 제2 유체가 외부로 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용되는 바디부; 및,
상기 바디부의 내주면에 형성되며 상기 중공사막과 상기 바디부 사이의 유체 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부
를 포함하는 중공사막 카트리지.
A body portion in which a first fluid flows inside and a second fluid introduced from the outside flows to the outside, and a hollow fiber membrane in which the first fluid and the second fluid perform water exchange is received; And
A fluid guide part formed on an inner peripheral surface of the body part and uniformly guiding a fluid flow between the hollow fiber membrane and the body part;
And a hollow fiber membrane cartridge.
청구항 1에 있어서, 상기 유체 가이드부는,
상기 바디부의 내주면에 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수의 스트라이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지.
[2] The apparatus according to claim 1,
And a plurality of stripes protruding from the inner circumferential surface of the body portion in a predetermined size.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지.
The method of claim 2,
Wherein the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지.
The method of claim 2,
Wherein the interval between the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 스트라이프가 중공사막 카트리지의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지.
The method of claim 2,
Wherein an angle formed between the plurality of stripes and the central axis of the hollow fiber membrane cartridge is 30 to 90 degrees.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고,
상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며,
상기 복수의 스트라이프가 중공사막 카트리지의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지.
The method of claim 2,
Wherein the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane diameter,
Wherein the interval between the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane diameter,
Wherein an angle formed between the plurality of stripes and the central axis of the hollow fiber membrane cartridge is 30 to 90 degrees.
제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구, 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구, 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구, 그리고 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부;
내부에 상기 제1 유체 유입구로부터 유입된 제1 유체가 흐르며 상기 제2 유체 유입구로부터 유입된 제2 유체가 외부로 흐르면서 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 수분 교환을 수행하는 중공사막이 수용되는 바디부와, 상기 바디부의 내주면에 형성되며 상기 중공사막과 상기 바디부 사이의 유체 흐름을 균일하게 유도하는 유체 가이드부를 포함하고, 상기 하우징부 내부에 설치되는 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지
를 포함하는 연료전지 막가습기.
A housing portion including a first fluid inlet through which the first fluid flows, a first fluid outlet through which the first fluid flows, a second fluid inlet through which the second fluid flows, and a second fluid outlet through which the second fluid flows out;
Wherein the first fluid introduced from the first fluid inlet flows into the first fluid inlet and the second fluid introduced from the second fluid inlet flows into the outside to receive the hollow fiber membrane in which the first fluid and the second fluid perform water exchange And a fluid guiding part formed on an inner circumferential surface of the body part and uniformly guiding a fluid flow between the hollow fiber membrane and the body part, wherein at least one hollow fiber membrane cartridge
The fuel cell membrane humidifier comprising:
청구항 7에 있어서, 상기 유체 가이드부는,
상기 바디부의 내주면에 기설정된 크기로 돌출 형성된 복수의 스트라이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
The fluid control apparatus according to claim 7,
And a plurality of stripes protruding from the inner circumferential surface of the body portion in a predetermined size.
청구항 8에 있어서,
상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 8,
Wherein the height of the plurality of stripes is in the range of 50 to 300% of the size of the single hollow fiber membrane diameter.
청구항 8에 있어서,
상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 8,
Wherein the spacing between the plurality of stripes is in the range of 50 to 300% of the size of the single hollow fiber membrane diameter.
청구항 8에 있어서,
상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 8,
Wherein an angle formed between the plurality of stripes and a central axis of the hollow fiber membrane module is 30 to 90 degrees.
청구항 8에 있어서,
상기 복수의 스트라이프의 높이는 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되고,
상기 복수의 스트라이프 간의 간격은 단일 중공사막 직경 크기의 50 ~ 300% 크기로 형성되며,
상기 복수의 스트라이프가 상기 중공사막 모듈의 중심축과 이루는 각도는 30 ~ 90°인 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.The method of claim 8,
Wherein the height of the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane diameter,
Wherein the interval between the plurality of stripes is 50 to 300% of the size of a single hollow fiber membrane diameter,
Wherein an angle formed between the plurality of stripes and a central axis of the hollow fiber membrane module is 30 to 90 degrees.
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