KR20220086313A - 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기 - Google Patents

연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기 Download PDF

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KR20220086313A
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로, 말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및 상기 중공사막들 각각은 외경(External Diameter)이 변화하면서 연장되어 형성되되, 상기 중공사막들은 최대 외경을 갖는 부분들끼리 서로 접하고, 최소 외경을 갖는 부분들끼리 서로 이격된 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기{Cartridge of Humidifier for Fuel Cell and Humidifier for Fuel Cell}
본 발명은 연료전지에 가습된 기체를 공급하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 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.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 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.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
막가습 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 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막가습 방식의 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(110) 및 상기 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.
상기 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 상기 가습 모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
상기 가습 모듈(110)은, 배가스 습윤 기체 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 습윤 기체 유출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 상기 미드-케이스(111) 내의 복수의 중공사막(112)들을 포함한다. 상기 중공사막(112)들의 다발의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 상기 중공사막(112)들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 상기 고정층(113)과 상기 미드-케이스(111) 사이의 수지층(114)이 상기 캡들(120)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(113)과 유사하게, 상기 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 습윤 기체 유입구(111a)를 통해 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 습윤 기체 유출구(111b)를 통해 상기 미드-케이스(111)로부터 유출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(112)들을 투과함으로써 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
이 경우, 종래에는 상기 중공사막(112)들 간의 공극률이 낮음으로 인해 상기 미드-케이스(111)의 내부로 유입된 배가스가 상기 중공사막(112)들의 사이에서 전체적으로 확산되지 못하고 상기 미드-케이스(111)의 외부로 유출되었다. 이에 따라, 종래에는 상대적으로 외측에 위치한 중공사막(112)들을 통해 가습이 집중적으로 이루어지는 반면 상대적으로 내측에 위차한 중공사막(112)들을 통해서는 가습이 원활하게 이루어지지 않음에 따라, 전체적으로 가습성능이 낮은 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 중공사막들을 이용한 가습성능을 높일 수 있는 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함할 수 있다. 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(Mid-case), 및 상기 미드-케이스 내에 배치되며 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함할 수 있다. 상기 중공사막들 각각은 외경(External Diameter)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다. 상기 중공사막들은 최대 외경을 갖는 부분들끼리 서로 접하고, 최소 외경을 갖는 부분들끼리 서로 이격될 수 있다..
본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로, 말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및 상기 중공사막들 각각은 외경(External Diameter)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다. 상기 중공사막들은 최대 외경을 갖는 부분들끼리 서로 접하고, 최소 외경을 갖는 부분들끼리 서로 이격될 수 있다.
본 발명은 습윤 기체가 중공사막들 사이에서 원활하게 확산되도록 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 중공사막들에 대해 전체적으로 원활하게 가습이 이루어질 수 있으므로, 가습성능을 높일 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 측단면도
도 7은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 제1 습윤 기체 유입구에 대응되게 배치된 중공사막들의 부분을 나타낸 개략적인 측단면도
도 7은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 제1 습윤 기체 유입구에 대응되게 배치된 중공사막들의 부분을 나타낸 개략적인 측단면도
도 8 내지 도 10은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 막두께가 변화하는 중공사막의 실시예를 나타낸 개략적인 측단면도
도 11은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 제1 습윤 기체 유출구에 대응되게 배치된 중공사막들의 부분을 나타낸 개략적인 측단면도
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 포함될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 설명하면서 함께 설명한다. 한편, 도 6에서 두 줄의 평행한 곡선은 생략선이다. 도 7과 도 11에는 이너 케이스의 내부에 들어있는 복수개의 중공사막들 중에서 2개의 중공사막만이 도시된 것이고 나머지 중공사막들이 생략된 것이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 것이다. 건조 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 건조 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.
도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하는 것이다. 상기 가습 모듈(2)의 일단에는 상기 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)의 타단에는 상기 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 외부로부터 공급되는 건조 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다. 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에 의해 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수 있다. 상기 제2 캡(4)이 외부로부터 공급되는 건조 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달하고, 상기 제1 캡(3)이 상기 가습 모듈(2)에 의해 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수도 있다.
상기 가습 모듈(2)은 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)(21), 및 미드-케이스(Mid-case)(22)를 포함한다.
상기 카트리지(21)는 상기 미드-케이스(22) 내에 배치되며, 다수의 중공사막(211)들을 포함한다. 상기 중공사막(211)들은 상기 카트리지(21)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(21)를 상기 미드-케이스(22)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막(211)들은 상기 미드-케이스(22)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들에 대한 설치작업, 분리작업, 및 교체작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
상기 카트리지(21)는 이너 케이스(Inner case)(212)를 포함할 수 있다.
상기 이너 케이스(212)는 말단에 개구(Opening)를 가지며, 상기 다수의 중공사막(211)들이 들어있는 것이다. 상기 중공사막(211)들은 상기 이너 케이스(212)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막(211)들은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
상기 카트리지(21)는 고정층(213, 214)을 포함할 수 있다.
상기 고정층(213, 214)은 상기 다수의 중공사막(211)들의 말단부들이 포팅되어 있으며, 상기 이너 케이스(212)의 개구를 폐쇄시키는 것이다. 상기 다수의 중공사막(211)들의 일측이 상기 고정층(213)에 의해 고정되고, 상기 다수의 중공사막(211)들의 타측이 상기 고정층(214)에 의해 고정될 수 있다. 상기 고정층(213, 214)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 고정층(213, 214)은 상기 다수의 중공사막(211)들의 말단부들과 상기 이너 케이스(212)를 고정시킬 수도 있다.
상기 고정층(213, 214)은 상기 다수의 중공사막(211)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 공급된 건조 기체는 상기 고정층(213, 214)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(211)들의 중공으로 공급되어서 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
상기 카트리지(21)는 제1 습윤 기체 유입구(215), 및 제1 습윤 기체 유출구(216)를 포함할 수 있다.
상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)에 형성된 것이다. 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)의 일측(2120)에 형성될 수 있다. 도 6을 기준으로 할 때, 상기 이너 케이스(212)의 일측(2120)은 상면(上面)에 해당할 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)의 내부로 습윤 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 이너 케이스(212)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유입 윈도우(215a)를 포함할 수 있다. 상기 유입 윈도우(215a)들은 제1 축 방향(X축 방향)과 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향)은 서로 수직한 축 방향이다.
상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)에 형성된 것이다. 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)의 일측(2120)에 형성될 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)의 내부로부터 습윤 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)는 상기 이너 케이스(212)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유출 윈도우(216a)를 포함할 수 있다. 상기 유출 윈도우(216a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 제1 습윤 기체 유출구(216)와 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라, 습윤 기체는 상기 미드-케이스(22)의 내부로 공급된 후에 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)를 통해 상기 이너 케이스(212)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(211)들의 외표면에 접촉되며, 상기 중공사막(211)들의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습한 후에 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)를 통해 상기 이너 케이스(212)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(22)의 외부로 유출될 수 있다.
상기 미드-케이스(22)는 상기 카트리지(21)가 결합된 것이다. 상기 카트리지(21)는 상기 미드-케이스(22)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 미드-케이스(22)는 양 말단들이 개방되어 있다. 이 경우, 상기 미드-케이스(22)에는 수용공(221)이 형성될 수 있다. 상기 수용공(221)은 상기 미드-케이스(22)를 상기 제1 축 방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 미드-케이스(22)에는 제2 습윤 기체 유입구(222) 및 제2 습윤 기체 유출구(223)가 형성될 수 있다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)는 상기 미드-케이스(22)의 내부로 습윤 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)는 상기 미드-케이스(22)의 내부로부터 습윤 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)와 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다. 수분이 함유된 습윤 기체는, 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)를 통해 상기 미드-케이스(22)의 내부로 공급된 후에, 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)를 통해 상기 카트리지(21)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(211)들의 외표면과 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(211)들을 투과함으로써, 상기 중공사막(211)들의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막(211)들로부터 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)를 통해 상기 카트리지(21)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(22)의 내부를 거쳐 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)를 통해 상기 미드-케이스(22)의 외부로 유출될 수 있다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)는 상기 연료전지 스택에 연결될 수 있다. 이 경우, 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 제2 습윤 기체 유입구(222)와 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)는 미드 본체(220)로부터 돌출될 수 있다. 상기 미드 본체(220)는 상기 미드-케이스(22)의 전체적인 외관을 이루는 것이다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)와 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)는 상기 미드 본체(220)에서 동일한 방향으로 돌출될 수 있다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222)와 상기 제2 습윤 기체 유출구(223)는 상기 미드 본체(220)에서 서로 상이한 방향으로 돌출될 수도 있다. 상기 제2 습윤 기체 유입구(222), 상기 제2 습윤 기체 유출구(223), 및 상기 미드 본체(220)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 가습 모듈(2)은 복수개의 패킹부재들(23, 23')을 포함할 수 있다.
상기 패킹부재들(23, 23')은 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 방지하도록 상기 카트리지(21)와 상기 미드-케이스(22)의 사이를 밀폐시키는 것이다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 카트리지(21)와 상기 미드-케이스(22)의 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 카트리지(21)는 상기 패킹부재들(23, 23')에 형성된 제1통과공(23a, 23a')에 삽입될 수 있다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 각각 상기 카트리지(21)의 양측에 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 패킹부재들(23, 23')을 대신하여 상기 카트리지(21)의 양측에는 수지층들이 형성될 수도 있다. 상기 수지층들은 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 것이다. 상기 제1 캡(3)과 상기 카트리지(21) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23) 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(21)와 상기 미드-케이스(22) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 것이다. 상기 제2 캡(4)은 상기 제1 캡(3)으로부터 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 이격된 위치에서 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 상기 제2 캡(4)과 상기 카트리지(21) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23') 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(21)와 상기 미드-케이스(22) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습성능을 향상시키기 위해 상기 중공사막(211)들이 다음과 같이 구현될 수 있다.
상기 중공사막(211)들은 각각 외경(External Diameter)(ED)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다. 상기 외경(ED)은 습윤 기체와 접촉되는 중공사막(211)들의 외면의 직경을 의미할 수 있다. 상기 외경(ED)이 변화하면서 연장됨에 따라, 상기 중공사막(211)들의 외면은 곡면을 이루며 사인파(Sine Wave) 형태로 형성될 수 있다. 상기 중공사막(211)들은 각각 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 외경(ED)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다.
상기 중공사막(211)들은 최대 외경(ED1)을 갖는 부분[이하, '대경부분(2111)'이라 함]들끼리 서로 접하고, 최소 외경(ED2)을 갖는 부분[이하, '소경부분(2112)'이라 함]들끼리 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 이용하여 상기 중공사막(211)들에 대한 공극률을 높일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 이너 케이스(212)의 내부로 유입된 습윤 기체가 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 통해 원활하게 유동할 수 있으므로, 상대적으로 외측에 위치한 중공사막(211)들뿐만 아니라 상대적으로 내측에 위치한 중공사막(211)들에 대해서도 가습이 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들 전체적으로 가습이 원활하게 이루어지도록 구현됨으로써, 가습성능을 높일 수 있다.
상기 중공사막(211)들 각각은 최대 외경(ED1)과 최소 외경(ED2) 간의 차이가 500㎛ 이하로 구현될 수 있다. 상기 중공사막(211)들 각각의 최대 외경(ED1)과 최소 외경(ED2) 간의 차이가 500㎛ 초과인 경우, 상기 중공사막(211)들의 최대 외경(ED1)이 과다하게 증가함에 따라 상기 이너 케이스(212)의 내부에 위치 가능한 중공사막(211)들의 개수가 감소되어서 가습성능이 저하될 우려가 있다. 이를 고려하여, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들의 최대 외경(ED1)과 최소 외경(ED2) 간의 차이가 500㎛ 이하로 구현됨으로써, 상기 이너 케이스(212)의 내부에 위치 가능한 중공사막(211)들의 개수를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 습윤 기체가 공극을 통해 원활하게 유동 가능하도록 구현될 수 있다.
상기 중공사막(211)들 각각은 상기 대경부분(2111)들 간의 간격(P, 도 8에 도시됨)이 10㎜ 이상 50㎜ 이하로 구현될 수 있다. 상기 대경부분(2111)들 간의 간격(P)이 10㎜ 미만인 경우, 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극이 현저하게 감소하여 가습성능이 저하될 우려가 있다. 상기 대경부분(2111)들 간의 간격(P)이 50㎜ 초과인 경우, 상기 중공사막(211)들이 서로 접하는 간격이 과다하게 증가하여 습윤 기체의 압력에 의한 진동, 흔들림이 증가함으로써 상기 중공사막(211)들이 손상 내지 파손될 위험이 높아질 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들의 대경부분(2111)들 간의 간격(P)이 10㎜ 이상 50㎜ 이하로 구현됨으로써, 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 이용하여 가습성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 습윤 기체의 압력에 의한 진동, 흔들림을 감소시켜서 상기 중공사막(211)들이 손상 내지 파손될 위험을 낮출 수 있다.
상기 중공사막(211)들은 각각 내경(Internal Diameter)(ID)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다. 상기 내경(ID)은 건조 기체와 접촉되는 중공사막(211)들의 내면의 직경을 의미할 수 있다. 상기 내경(ID)이 변화하면서 연장됨에 따라, 상기 중공사막(211)들의 내면은 곡면을 이루며 사인파(Sine Wave) 형태로 형성될 수 있다. 상기 중공사막(211)들은 각각 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 내경(ID)이 변화하면서 연장되어 형성될 수 있다.
상기 중공사막(211)들 각각은 최대 내경(ID1)과 최소 내경(ID2) 간의 차이가 400㎛ 이하로 구현될 수 있다. 상기 중공사막(211)들 각각의 최대 내경(ID1)과 최소 내경(ID2) 간의 차이가 400㎛ 초과인 경우, 최대 내경(ID1)으로 형성된 부분의 막두께(T)가 과다하게 감소되어서 내구성이 저하될 우려가 있다. 이를 고려하여, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들의 최대 내경(ID1)과 최소 내경(ID2) 간의 차이가 400㎛ 이하로 구현됨으로써, 상기 중공사막(211)들 각각의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 중공사막(211)들은 상기 내경(ID)이 일정하게 유지되면서 연장되어 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 중공사막(211)들은 상기 외경(ED)이 변화함과 아울러 상기 내경(ID)이 일정하게 유지되면서 연장되어 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 상기 중공사막(211)들 각각은 막두께(T)를 갖도록 형성될 수 있다. 막두께(T)는 외경(ED)과 내경(ID)의 차이값에 대응되는 것이다. 이 경우, 막두께(T)는 외경(ED)에서 내경(ID)을 감산한 값의 절반에 해당할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중공사막(211)들 각각은 동일한 막두께(T)로 연장되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 대경부분(2111)과 상기 소경부분(2112)은 서로 동일한 막두께(T)로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 대경부분(2111)에 비해 상기 소경부분(2112)이 더 큰 압축률로 압축되어 형성되므로, 상기 소경부분(2112)은 상기 대경부분(2111)에 비해 더 큰 강도를 갖도록 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 통해 유동하는 습윤 기체의 압력에 의해 상기 소경부분(2112)들이 손상 내지 파손될 위험을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 소경부분(2112)에 비해 상대적으로 더 약한 강도를 갖는 대경부분(2111)들이 서로 접하므로, 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 통해 유동하는 습윤 기체의 압력이 작용하라도, 상기 대경부분(2111)들에 흔들림, 진동 등이 발생하는 정도를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 습윤 기체의 압력에 의해 상기 대경부분(2111)들이 손상 내지 파손될 위험을 줄일 수 있다. 상기 중공사막(211)들 각각은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 동일한 막두께(T)로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 중공사막(211)들 각각은 막두께(T)가 변화하면서 연장되어 형성될 수도 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중공사막(211)들 각각은 상기 대경부분(2111)에서 최소 막두께(T1)로 형성되고, 상기 소경부분(2112)에서 최대 막두께(T2)로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 대경부분(2111)은 최대 외경(ED1)과 최대 내경(ID1)을 갖도록 형성되어서 최소 막두께(T1)로 형성될 수 있다. 상기 소경부분(2112)은 최소 외경(ED2)과 최소 내경(ID2)을 갖도록 형성되어서 최대 막두께(T2)로 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 소경부분(2112)의 강도를 더 강화할 수 있도록 구현된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 소경부분(2112)들 사이의 공극을 통해 유동하는 습윤 기체의 압력에 의해 상기 소경부분(2112)들이 손상 내지 파손될 위험을 더 줄일 수 있으므로, 상기 중공사막(211)들에 대한 사용수명을 더 연장할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 중공사막(211)들 각각에 있어서 상기 대경부분(2111)은 최대 외경(ED1)과 최소 내경(ID2)을 갖도록 형성되어서 최대 막두께(T2)로 형성될 수도 있다. 상기 소경부분(2112)은 최소 외경(ED2)과 최대 내경(ID1)을 갖도록 형성되어서 최소 막두께(T1)로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 중공사막(211)들 각각은 상기 대경부분(2111)에서 최대 막두께(T2)로 형성되고, 상기 소경부분(2112)에서 최소 막두께(T1)로 형성될 수 있다.
상기 중공사막(211)들 각각은 최대 막두께(T2)와 최소 막두께(T1) 간의 차이가 80㎛ 이상 200㎛ 이하로 구현될 수 있다. 최대 막두께(T2)와 최소 막두께(T1) 간의 차이가 80㎛ 미만인 경우, 상기 중공사막(211)들에서 최대 막두께(T2)로 형성된 부분의 막강도가 저하됨과 아울러 최소 막두께(T1)로 형성된 부분의 가습성능이 저하될 수 있다. 최대 막두께(T2)와 최소 막두께(T1) 간의 차이가 200㎛ 초과인 경우, 상기 중공사막(211)들의 내부에서 건조 기체의 유동이 불안정하게 될 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(211)들 각각이 최대 막두께(T2)와 최소 막두께(T1) 간의 차이가 80㎛ 이상 200㎛ 이하로 구현됨으로써, 막강도 강화와 가습성능을 향상을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 건조 기체의 유동에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 2, 도 5, 및 도 7을 참고하면, 상기 중공사막(211)들 각각에서 상기 유입 윈도우(215a)들 각각에 대응되는 부분에는 상기 대경부분(2111)에 비해 상기 소경부분(2112)이 더 큰 비중으로 배치될 수 있다. 도 7을 기준으로 할 때, 상기 유입 윈도우(215a)의 수직 하방에 위치한 공간에는 상기 대경부분(2111)에 비해 상기 소경부분(2112)이 더 많이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 소경부분(2112)이 상기 대경부분(2111)에 비해 더 강한 강도를 갖도록 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)를 통해 유입되는 습윤 기체의 압력이 강하게 작용하는 공간에 상기 소경부분(2112)이 더 많이 배치되므로, 상기 제1 습윤 기체 유입구(215)를 통해 유입되는 습윤 기체의 압력으로 인해 상기 중공사막(211)이 손상 내지 파손될 위험을 더 줄일 수 있다. 한편, 도 7에는 동일한 막두께로 연장되는 중공사막(211)들이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 막두께가 변화하면서 연장되는 중공사막(211)들이 이용될 수도 있다.
도 2, 도 5, 및 도 11을 참고하면, 상기 중공사막(211)들 각각에서 상기 유출 윈도우(216a)들 각각에 대응되는 부분에는 상기 대경부분(2111)에 비해 상기 소경부분(2112)이 더 큰 비중으로 배치될 수 있다. 도 11을 기준으로 할 때, 상기 유출 윈도우(216a)의 수직 하방에 위치한 공간에는 상기 대경부분(2111)에 비해 상기 소경부분(2112)이 더 많이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 소경부분(2112)이 상기 대경부분(2111)에 비해 더 강한 강도를 갖도록 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)를 통해 유출되는 습윤 기체의 압력이 강하게 작용하는 공간에 상기 소경부분(2112)이 더 많이 배치되므로, 상기 제1 습윤 기체 유출구(216)를 통해 유출되는 습윤 기체의 압력으로 인해 상기 중공사막(211)이 손상 내지 파손될 위험을 더 줄일 수 있다. 한편, 도 11에는 동일한 막두께로 연장되는 중공사막(211)들이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 막두께가 변화하면서 연장되는 중공사막(211)들이 이용될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 연료전지용 가습기 2 : 가습 모듈
3 : 제1 캡 4 : 제2 캡
21 : 카트리지 211 : 중공사막
2111 : 대경부분 2112 : 소경부분
212 : 이너 케이스 2120 : 이너 케이스의 일측
213, 214 : 고정층 215 : 제1 습윤 기체 유입구
215a : 유입 윈도우 216 : 제1 습윤 기체 유출구
216a : 유출 윈도우 22: 미드-케이스
220 : 미드 본체 221 : 수용공
212 : 제2 습윤 기체 유입구 223 : 제2 습윤 기체 유출구
23, 23' : 패킹부재 23a, 23a' : 통과공
ED, ED1, ED2 : 외경 ID, ID1, ID2 : 내경
T, T1, T2 : 막두께 P : 간격

Claims (24)

  1. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈;
    상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및
    상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고,
    상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(Mid-case), 및 상기 미드-케이스 내에 배치되며 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함하며,
    상기 중공사막들 각각은 외경(External Diameter)이 변화하면서 연장되어 형성되며,
    상기 중공사막들은 최대 외경을 갖는 부분들끼리 서로 접하고, 최소 외경을 갖는 부분들끼리 서로 이격된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경과 내경(Internal Diameter)의 차이값에 대응되는 막두께를 갖도록 형성되되, 최대 외경을 갖는 부분에 비해 최소 외경을 갖는 부분이 더 강한 강도를 갖도록 동일한 막두께로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경과 내경의 차이값에 대응되는 막두께를 갖도록 형성되되, 막두께가 변화하면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 막두께와 최소 막두께 간의 차이가 80㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경이 변화함과 아울러 내경이 일정하게 유지되면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 내경이 변화하면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 내경과 최소 내경 간의 차이가 400㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경을 갖는 부분에서 최대 내경을 갖도록 형성되어서 최소 막두께로 형성되고, 최소 외경을 갖는 부분에서 최소 내경을 갖도록 형성되어서 최대 막두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 내경이 변화하면서 연장되어 형성되되, 최대 외경을 갖는 부분에서 최소 내경으로 형성되고 최소 외경을 갖는 부분에서 최대 내경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경과 최소 외경 간의 차이가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경을 갖는 부분들 간의 간격이 10㎜ 이상 50㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는 양 말단들이 개방되어 있고 상기 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case), 및 상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 제1 습윤 기체 유입구와 제1 습윤 기체 유출구를 포함하고,
    상기 제1 습윤 기체 유입구는 복수개의 유입 윈도우를 포함하며,
    상기 중공사막들 각각은 최소 외경을 갖는 부분이 최대 외경을 갖는 부분에 비해 더 강한 강도를 갖도록 형성되고,
    상기 중공사막들 각각에서 상기 유입 윈도우들 각각에 대응되는 부분에는 최대 외경을 갖는 부분에 비해 최소 외경을 갖는 부분이 더 큰 비중으로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  13. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로,
    말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및
    상기 중공사막들 각각은 외경(External Diameter)이 변화하면서 연장되어 형성되며,
    상기 중공사막들은 최대 외경을 갖는 부분들끼리 서로 접하고, 최소 외경을 갖는 부분들끼리 서로 이격된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경과 내경(Internal Diameter)의 차이값에 대응되는 막두께를 갖도록 형성되되, 최대 외경을 갖는 부분에 비해 최소 외경을 갖는 부분이 더 강한 강도를 갖도록 동일한 막두께로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경과 내경의 차이값에 대응되는 막두께를 갖도록 형성되되, 막두께가 변화하면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 막두께와 최소 막두께 간의 차이가 80㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 외경이 변화함과 아울러 내경이 일정하게 유지되면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 내경이 변화하면서 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 내경과 최소 내경 간의 차이가 400㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경을 갖는 부분에서 최대 내경을 갖도록 형성되어서 최소 막두께로 형성되고, 최소 외경을 갖는 부분에서 최소 내경을 갖도록 형성되어서 최대 막두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 내경이 변화하면서 연장되어 형성되되, 최대 외경을 갖는 부분에서 최소 내경으로 형성되고 최소 외경을 갖는 부분에서 최대 내경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경과 최소 외경 간의 차이가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 중공사막들 각각은 최대 외경을 갖는 부분들 간의 간격이 10㎜ 이상 50㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 제1 습윤 기체 유입구와 제1 습윤 기체 유출구를 포함하고,
    상기 제1 습윤 기체 유입구는 복수개의 유입 윈도우를 포함하며,
    상기 중공사막들 각각은 최소 외경을 갖는 부분이 최대 외경을 갖는 부분에 비해 더 강한 강도를 갖도록 형성되고,
    상기 중공사막들 각각에서 상기 유입 윈도우들 각각에 대응되는 부분에는 최대 외경을 갖는 부분에 비해 최소 외경을 갖는 부분이 더 큰 비중으로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
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