KR20220091205A - 연료전지 막가습기 - Google Patents

Abstract

본 명세서에 개시된 내용은 수소연료전지의 스택으로부터 배출되는 고습 가스가 중공사막 모듈의 상부, 중부 및 하부 전체적으로 데드존(dead zone) 없이 접촉되도록 함으로서 높은 가습효율을 유지할 수 있고, 카트리지와 결합되는 메인하우징과 인렛하우징 및 아웃렛 하우징 사이의 기밀성 및 조립성이 향상된 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 연료전지로부터의 배출되는 다습 가스의 유입부를 형성하는 플로우 인 섹션과, 상기 가스의 유출부를 형성하는 플로우 아웃 섹션, 및 상기 유입부와 유출부 사이의 본체 내부에 형성되는 적어도 하나 이상의 카트리지 지지부가 일체로 형성되는 메인하우징; 상기 카트리지 지지부에 상응하여 카트리지 하우징 외측에 이격 형성된 적어도 하나 이상의 아웃터 플랜지를 구비하며, 상기 카트리지 하우징 내부에 다수의 중공사막 모듈이 배열되고, 상기 메인하우징 내에 조립시 상기 플랜지에 의해 상기 플로우 인 섹션과 플로우 아웃 섹션이 구조적으로 격리되는 중공사막 카트리지;를 포함하되, 상기 중공사막 카트리지는, 상기 카트리지 하우징의 일측 측벽에 형성되는 상류 분배구와 중류 분배구 및 하류 분배구의 배열과, 상기 카트리지 하우징의 타측 측벽에 형성되는 상류 토출구와 중류 토출구 및 하류 토출구의 배열을 포함하여 구성된다.

Description

연료전지 막가습기{Membrane Humidifier for Fuel Cell}

본 명세서에 개시되는 내용은 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 수소연료전지의 스택으로부터 배출되는 고습 가스가 중공사막 모듈의 상부, 중부 및 하부 전체적으로 데드존(dead zone) 없이 접촉되도록 함으로서 높은 가습효율을 유지할 수 있고, 카트리지와 결합되는 메인하우징과 인렛하우징 및 아웃렛 하우징 사이의 기밀성 및 조립성이 향상된 연료전지 막가습기에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로, 수소 연료와 산소의 반응시 발생하는 전기를 활용하는 수소연료전지가 고분자 전해질형 연료전지, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 이중교환막연료전지 등 여러가지 유형으로 개발되고 있다.

고분자 전해질형 연료전지의 경우, 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작하며, 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비 뿐만 아니라 수소차량과 같은 수송장비의 활용도 유망한 것으로 알려져 있다.

그러한, 고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 연료전지의 스택내부에 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane)[양성자 교환막(Proton Exchange Membrane)이라고도 지칭됨](PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는데, 이는 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.

연료전지의 성능은 스택에 공급되는 가스의 수분율에 따라 성능이 크게 영향을 받기 때문에 가스에 대해 가습을 시킴으로서 공급 가스의 수분율 혹은 습도를 요구 수준으로 유지하기 위한 막가습 기술이 매우 중요하게 요구된다.

종래 기술의 하나로서 한국특허공개 제10-2019-0138529호에 중공사막을 이용한 가습 시스템을 이용한 연료전지 막가습기가 개시되어 있다.

전술한 종래의 연료전지 막가습기는, 복수의 중공사막이 수용되는 미들 케이스; 상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스; 상기 복수의 중공사막 단부에 형성된 포팅부; 상기 캡 케이스와 상기 미들 케이스의 단부 사이에 배치되어 그 사이를 기밀하게 결합하는 조립부재; 및 상기 캡 케이스의 내측에서 상기 포팅부의 테두리 쪽으로 연장되어 상기 캡 케이스와 상기 포팅부 사이를 기밀하게 결합하는 돌출부를 포함하여 구성된다.

상기 연료전지 막가습기는, 조립부재가 캡 케이스와 미들 케이스의 단부 사이에 배치되고, 캡 케이스와 포팅부 사이에서 돌출부가 상기 캡 케이스의 내측에서 상기 포팅부의 테두리 쪽으로 연장되도록 구성된 조립 구조를 구성하게 됨으로서 고온/고압/다습 환경에서 기밀 기능이 이뤄질 수 있는 것으로 개시되었다.

하지만, 전술한 종래의 막가습기는 스택으로부터 유입되는 가스와 중공사막의 사이의 접촉이 미들 케이스의 유입부측에서 집중됨에 의해 미들 케이스 하부에서 데드존(dead zone)이 형성되고, 데드존에서 유입가스의 가습효율이 빈약하게 되어 전체적인 가습효율을 악화시키는 문제가 있다.

한편, 막가습기를 구성하는 하우징들과 카트리지 사이의 기밀성과 더불어 조립성은 막가습기의 제조를 위한 생산성 및 가습효율을 향상시키기 위해 매우 중요한 요소이기 때문에 이에 관한 연구개발이 다양하게 시도되고 있다.

- 한국특허공개 제10-2019-0138529호(2019년 12월 13일자 공개)

개시된 발명은, 수소연료전지의 스택으로부터 배출되는 고습 가스가 메인 하우징 내에서 데드존(dead zone) 없이 중공사막 모듈의 상부, 중부 및 하부 전체적으로 접촉경로를 형성하며, 스택으로 공급되는 공기에 대해 충분한 가습이 이뤄질 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 개시된 발명은, 막가습기의 제조를 위한 생산성 및 가습효율을 위해 막가습기용 하우징들과 카트리지 사이의 기밀성 및 조립성에 유리한 구조를 갖는 연료전지 막가습기를 제공하는데 목적이 있다.

개시된 내용에 따른 발명의 한 특징은,

연료전지로부터의 배출되는 다습 가스의 유입부를 형성하는 플로우 인 섹션과, 상기 가스의 유출부를 형성하는 플로우 아웃 섹션, 및 상기 유입부와 유출부 사이의 본체 내부에 형성되는 적어도 하나 이상의 카트리지 지지부가 일체로 형성되는 메인하우징;

상기 카트리지 지지부에 상응하여 카트리지 하우징 외측에 이격 형성된 적어도 하나 이상의 아웃터 플랜지를 구비하며, 상기 카트리지 하우징 내부에 다수의 중공사막 모듈이 배열되고, 상기 메인하우징 내에 조립시 상기 플랜지에 의해 상기 플로우 인 섹션과 플로우 아웃 섹션이 구조적으로 격리되는 중공사막 카트리지;를 포함하되,

상기 중공사막 카트리지는,

상기 카트리지 하우징의 일측 측벽에 형성되는 상류 분배구와 중류 분배구 및 하류 분배구의 배열과,

상기 카트리지 하우징의 타측 측벽에 형성되는 상류 토출구와 중류 토출구 및 하류 토출구의 배열을 구비하며,

상기 분배구들은 상류로부터 하류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성되고,

상기 토출구들은 하류로부터 상류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성되는 막 가습기를 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 다른 특징은, 미들 시일(middle seal)이 상기 카트리지의 아웃터 플랜지 외측에 결합되며, 상기 미들 시일에 의해 상기 메인하우징의 지지부에 대한 기밀이 유지되는 연료전지 막가습기를 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 단턱 시일이 상기 중공사막 카트리지의 양측단부에 구성되며, 상기 단턱 시일에 의해 상기 카트리지와 상기 아웃렛 하우징 및 상기 인렛 하우징 사이의 기밀이 유지되는 연료전지 막가습기를 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 상기 분배구들의 배열은 상기 플로우 인 섹션으로부터 멀어질수록 개구면적이 커지는 관통홀을 포함하여 구성되는 연료전지 막가습기를 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 상기 토출구들의 배열은 상기 플로우 아웃 섹션으로부터 멀어질수록 개구면적이 적어지는 관통홀을 포함하여 구성되는 연료전지 막가습기을 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 단턱 시일은 V형 시일, 오링 및 면시일 중 어느 하나를 포함하여 구성되는 연료전지 막가습기를 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 메인 하우징의 일측단부에 설치되는 가스켓을 더 포함하여 구성되며, 상기 가스켓은 상기 인렛 하우징에 대한 기밀을 제공한다.

일실시예에 따른 발명의 또 다른 특징은, 상기 메인 하우징의 타측단부에 설치되는 가스켓을 더 포함하여 구성되며, 상기 가스켓은 상기 아웃렛 하우징에 대한 기밀을 제공하는 것을 연료전지 막가습기를 제공한다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 카트리지의 상류측으로부터 중류측 및 하류측에서 각각 상이한 개구면적을 갖는 분배구 및 토출구 배열 구조에 의해 다습가스는 중공사막모듈내에서 순환 유동하게 됨으로서 카트리지 내부 및 중공사막을 통과하는 건조한 압축 공기에 대해 데드존 없이 극대화된 가습효율을 제공하는 장점이 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 카트리지의 제2 아웃터 플랜지에 의해 구조적인 격리 상태가 형성됨으로서 플로우 인 섹션에 충진되는 가습 가스의 유입 흐름 및 플로우 아웃 섹션에서 형성되는 가습 가스의 배출 흐름이 안정적으로 유지되는 장점이 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 카트리지 본체와 메인하우징은 물론 인렛 하우징 및 아웃렛 하우징 사이에 구조적으로 간단한 조립요소들을 구성함으로서 교체 및 조립후 견고한 기밀성을 유지하게 되는 이점이 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 여러가지 실시예들에 따르면, 카트리지 혹은 중공사막모듈(중공사막 필터)의 손상이나 A/S 발생시 별도로 요구된 2차적인 에폭시 포팅 및 건조 공정을 제거함으로서 교체 및 조립 작업의 신속성 및 원가절감의 경제성을 제공하는 장점이 있다.

아울러, 이와 같은 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 명세서에 개시된 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 카트리지 및 시일 요소의 결합관계를 도시한 분해사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기의 작용 상태도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 메인 하우징과 인렛 하우징 및 아웃렛 하우징의 시일 결합상태를 도시한 요부 확대도,
도 5는 도 4에 도시한 단턱 시일의 일실시예로서 V-시일의 요부 확대도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오링 결합 구조를 도시한 요부 확대도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면시일 결합 구조를 도시한 요부 확대도,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 배터리팩의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

도 1은 본 명세서에 개시된 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기의 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 카트리지 및 시일 요소의 결합관계를 도시한 분해사시도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기의 작용 상태도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 메인 하우징과 인렛 하우징 및 아웃렛 하우징의 시일 결합상태를 도시한 요부 확대도, 도 5는 도 4에 도시한 단턱 시일의 일실시예로서 V-시일의 요부 확대도, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오링 결합 구조를 도시한 요부 확대도, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면시일 결합 구조를 도시한 요부 확대도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 조립과정에서 메인하우징(100)의 내측면 상에서 중공사막 카트리지(200)가 슬라이딩 방식으로 인서트되며, 메인하우징(100)의 내부에 구비된 지지부 상에 플랜지들이 각각 안착되는 조립구조를 갖는다.

보다 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 메인하우징(100)은 연료전지로부터의 배출되는 다습 가스의 유입부(1)를 형성하는 플로우 인 섹션(3)과, 상기 다습 가스의 유출부(2)를 형성하는 플로우 아웃 섹션(4), 및 상기 유입부(1)와 유출부(2) 사이의 본체(10) 내부에 형성되는 적어도 하나 이상의 카트리지 지지부(5)를 포함하며, 상기 유입부(1)와 유출부(2) 및 카트리지 지지부(5)는 성형에 의해 일체로 형성된다.

상기 플로우 인 섹션(3)은 유입부(1)를 통하여 통상적으로 수소연료전지에서 형성되는 고압의 높은 습도를 갖는 다습 가스 혹은 수증기가 유입되는 유동공간을 형성한다.

상기 플로우 아웃 섹션(4)은 후술하는 카트리지 하우징(30) 내부를 순환하며 중공사막과 충분히 접촉된 이후의 상기 다습공기가 상기 카트리지 외부로 유동하며 배출되는 유동공간을 형성한다.

상기 카트리지 지지부(5)는 카트리지 하우징(20) 상부를 볼팅 고정하는 제1 지지부(5a)와 상기 제1 지지부(5a)로부터 길이방향 중앙측으로 이격 형성되며 상기 카트리지 하우징(30)의 측방 움직임을 구속하는 제2 지지부(5b) 및 상기 카트리지 하우징(20)의 하부를 끼움고정하는 제3 지지부(5c)를 포함하여 구성된다.

상기 제2 지지부(5b)는 본체(10) 내측으로 돌출된 단차구조를 포함한다. 상기 제3 지지부(5c)는 플랜지 삽입홈(6)을 포함하여 구성된다.

전술한 카트리지 하우징(20)의 측방 움직임은, 고압의 다습가스가 상기 플로우 인 섹션(3)으로 유입될 때 카트리지 하우징(20)에 가해지는 유체압력에 의존하여, 카트리지 하우징(20)이 받게되는 힘 및 그에 따른 미세한 움직임으로 해석될 수 있다.

또한, 전술한 카트리지 하우징(20)의 측방 움직임은, 지지부(5a,5b 또는 5c)의 구성이 없을 경우, 상기 플로우 인 섹션(3)으로부터 플로우 아웃 섹션(4) 방향으로 형성되는 유동방향에 상응하여 카트리지 하우징(20)에 가해지는 외력 및 그에 따른 미세한 움직임으로 해석될 수 있다.

인렛 하우징(30)은 상기 메인하우징(100)의 플로우 아웃 섹션(4) 측에 결합되며 상기 다습가스에 비하여 상대적으로 건조한 외기의 유입을 안내한다.

통상적으로, 인렛 하우징 내부(30)에 컴프레셔를 통해 공급되는 외기가 제공되며, 상기 외기는 고온 건조한 상태로 유입된다.

상기 아웃렛 하우징(30)은 내부에는 설치되는 쿨러(31)를 포함하여 구성되며, 상기 외기를 상기 카트리지 내부의 중공사막모듈 내부로 안내한다.

상기 쿨러(31)는 상기 외기를 미리 설정된 적정온도로 유지하는 기능을 수행하며, 이때 상기 외기는 여전히 건조한 상태이다.

한편, 아웃렛 하우징(40)은 상기 메인하우징(100)의 플로우 인 섹션(3) 측에 결합되며, 수소연료전지 측으로부터 제공되는 다습가스를 안내하는 유입구(41)와 상기 유입구(41)에 인접한 외기 배출부(42)를 포함하여 구성된다.

상기 상기 아웃렛 하우징(40)은 외기 배출부(42)는 상기 중공사막모듈의 멤브레인 영역을 통과하며 충분히 가습된 가습공기를 수소전지의 스택내부에 제공하는 경로를 형성한다.

한편, 도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 카트리지 하우징(20)은, 상기 메인하우징(100)의 카트리지 지지부(5)에 상응하여 카트리지 하우징(20) 외측에 이격 형성된 적어도 하나 이상의 아웃터 플랜지(21)를 구비하며, 상기 카트리지 하우징(20) 내부에 다수의 중공사막 모듈이 배열된다.

상기 메인하우징(100) 내에 조립시 상기 플랜지(21)에 의해 상기 플로우 인 섹션(2)과 플로우 아웃 섹션(4)이 구조적으로 격리된다.

바람직하게는, 상기 아웃터 플랜지(21)는 조립시 상기 제1 지지부(5a)에 구속되는 제1 아웃터 플랜지(21a)와 상기 제2 지지부(5b)에 구속되는 제2 아웃터 플랜지(21b)를 포함하여 구성된다.

상기 카트리지 하우징(20)의 외측에서 형성되는 플로우 인 섹션(2)과 플로우 아웃 섹션(4)은 상기 제2 지지부(5b)에 구속되는 제2 아웃터 플랜지(21b)에 의해 구조적으로 상호 분리 혹은 차단된 소정의 챔버를 형성한다.

다습공기의 유동과정에서 상기 플로우 인 섹션(2)의 다습공기는 상기 제2 아웃터 플랜지(21)b의 일측으로부터 안내되어 카트리지 하우징(20) 내부의 중공사막 측으로 유도된다.

반면에, 상기 플로우 아웃 섹션(2)의 다습공기는 상기 제2 아웃터 플랜지(21b)의 타측으로부터 안내되어 유출부(2) 혹은 배출부 측으로 유도된다.

본 발명에 의한 중공사막 카트리지는, 카트리지 하우징(10)의 일측 측벽에 형성되는 상류 분배구22a)와 중류 분배구(22b) 및 하류 분배구(22c)를 포함하는 분배구 배열(22)과, 상기 카트리지 하우징(10)의 타측 측벽에 형성되는 상류 토출구(23a)와 중류 토출구(23b) 및 하류 토출구(23c)를 포함하는 토출구 배열(23)을 포함하여 구성된다.

상기 분배구(22a, 22b, 22c)들은 상류로부터 하류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성된다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 상류 분배구(22a)에 비하여 하류 분배구(22c) 측으로 갈수로 점진적으로 증가하는 갯수의 관통홀 구조를 가질 수 있다.

상기 분배구 배열(22)은 상기 플로우 인 섹션(2)으로부터 멀어질수록 개구면적이 커지는 관통홀을 포함하여 구성된다.

비록 도시하지는 않았으나, 다른 변형실시예로서 상기 상류 분배구(22a)와 중류 분배구(22b) 및 하류 분배구(22c)들은 각각 상이한 개구면적을 갖는 관통 홀 구조를 구비할 수 있으며, 원형 홀이나 삼각형 홀, 장방형 홀을 포함하는 여러가지 기하학적 변형을 가질 수 있다.

한편, 상기 토출구(23a, 23b, 23c)들은 하류로부터 상류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성된다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 하류 토출구(23c)에 비하여 상류 토출구 (23a) 측으로 갈수로 점진적으로 증가하는 갯수의 관통홀 구조를 가질 수 있다.

상기 토출구 배열(23a, 23b, 23c)은 상기 플로우 아웃 섹션(4)으로부터 멀어질수록 개구면적이 적어지는 관통홀을 포함하여 구성된다.

비록 도시하지는 않았으나, 다른 변형실시예로서 상기 상류 토출구(23a)와 중류 토출구(23b) 및 하류 토출구(23c)들은 각각 상이한 개구면적을 갖는 관통 홀 구조를 구비할 수 있으며, 원형 홀이나 삼각형 홀, 장방형 홀을 포함하는 여러가지 기하학적 변형을 가질 수 있다.

전술한 중공사막 카트리지는, 중공사막 내부에 연통되도록 카트리지 하우징(10)의 상부 및 하부에 다수의 관통홀(24)들을 포함하여 구성됨은 물론이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 미들 시일(middle seal)이 상기 카트리지 하우징(20)의 제2 아웃터 플랜지(21b) 외측에 결합된다.

바람직하게는, 상기 미들 시일(이 상기 카트리지의 제2 아웃터 플랜지 외측에 결합되며, 상기 미들 시일에 의해 상기 메인하우징의 지지부에 대한 기밀이 유지된다.

상기 미들 시일(50)이 결합된 제2 아웃터 플랜지(21b)는 조립시 상기 카트리지 하우징(10)의 외측에서 형성되는 플로우 인 섹션(2)과 플로우 아웃 섹션(4)에 대해 구조적으로 충분히 분리된 기밀 상태를 유지하게 된다.

상기 카트리지 하우징(20)의 양측단부에는 단턱 시일(60)이 구성되며, 조립시 상기 아웃렛 하우징(30) 및 상기 인렛 하우징(40) 사이의 기밀을 유지한다.

상기 단턱 시일(60)은 카트리지 혹은 중공사막모듈(중공사막 필터)의 손상이나 A/S 발생시 별도로 에폭시 포팅 및 건조 공정이 필요없시 간단한 시일조립을 통해서 교체 및 조립 작업의 신속성 및 원가절감의 경제성을 제공하는 구성이다.

부연하면, 전술한 단턱 시일(60)이 구성된 본 발명의 막가습장치는 종래에 카트리지 및 중공사막필터 교체작업에 필수적으로 요구된 복잡한 2차 포팅 및 건조 공정을 제거함으로서 교체작업 공수가 대폭 저감된다.

바람직하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 단턱 시일(60)은 구조적으로 V형 시일 혹은 립시일(60a)을 포함하며, 상기 카트리지 하우징(20)의 일측 연결부 및 타측 연결부에 각각 구성된다. 그에 따라, 별도의 포팅 및 건조공정 없이 카트리지 하우징(20)의 양측에 조립되는 인렛 및 아웃렛 하우징(30, 40) 사이의 기밀이 유지된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 단턱 시일(60)은 오링, (60b) 혹은 면시일(60c) 타입으로 변형될 수 있으며, 시일 성능 및 요구사양에 따라 전술한 V형 시일(립 시일)이나 오링 및 면시일 중 어느 하나를 선택적으로 구성할 수 있다.

한편, 상기 메인 하우징(10)의 일측단부에는 가스켓(70a)이 구성되며, 상기 가스켓(70a)은 상기 인렛 하우징(40)에 대한 견고한 기밀을 제공한다.

상기 메인 하우징(70)의 타측단부에 가스켓(70b)이 더 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 가스켓(70b)은 상기 아웃렛 하우징(30)에 대한 기밀을 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지 막가습기의 작동원리를 설명한다.

도 3을 참조하면, 수소연료전지 스택에서 생성된 다습가스는 아웃렛 하우징(40)의 다습가스 유입구멍(41)을 통하여 내부에 공급된다.

상기 공급된 다습가스는 메인 하우징(10)의 내부와 카트리지 하우징(20)의 아웃터 플랜지 사이의 공간, 예를 들면 제2 아웃터 플랜지(21b)의 외측에 형성된 메인하우징(10)의 플로우 인 섹션(3)에 1차적으로 충진된다.

이때, 카트리지 하우징(20)의 제2 아웃터 플랜지(21b)에 의해 구조적인 격리 상태가 형성됨으로서 플로우 인 섹션(3)에 충진되는 가습 가스의 유입 흐름이 안정적으로 유지된다.

통상적으로 수소연료전지 스택으로부터 공급되는 다습가스는 미리 설정된 고압의 수증기 형태로 제공되는 바, 플로우 인 섹션(3)에 충진된 다습가스는 카트리지 하우징(10)의 일측벽에 순차적으로 구비된 상류 분배구(22a)와 중류 분배구(22b) 및 하류 분배구(22c)를 통하여 중공사막모듈 내부에 유입된다.

이 과정에서, 공급되는 다습가스는 카트리지 하우징(10)의 상류측로부터 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가된 개구면적(예를 들면 관통홀 직경)을 갖도록 배열된 분배구 배열(22)에 의한 측면 유입 경로(F1 내지 F3)들을 통과하며 중공사막모듈 내부에 진입한다.

상기 유입 경로(F1 내지 F3)들을 통하여 진입되는 가습가스는 카트리지 하우징(20) 내의 중공사막 상부,중부 및 하부 영역들 사이에서 소정의 순환기류 및 와류(도 3의 나선 화살표 참조)를 형성하며 토출구 측으로 진출하게 된다.

궁극적으로, 가습가스는 카트리지 하우징내에서 중공사막 상하부는 물론 양측의 데드존 없이 중공사막들을 통과한 후, 카트리지 하우징(10)의 하류측로부터 상류측으로 갈수록 점진적으로 증가된 개구면적(예를 들면 관통홀 직경)을 갖도록 배열된 토출구(23a, 23b, 23c)들을 통하여 플로우 아웃 섹션(4)에 도달한 후, 유출부(2)을 통하여 진출된다.

이 과정에서, 카트리지 하우징(10)의 제2 아웃터 플랜지(21b)에 의해 구조적인 격리 상태가 형성됨으로서 플로우 아웃 섹션(4)에서 형성되는 가습 가스의 배출 흐름도 안정적으로 유지된다.

한편, 인렛 하우징(30) 측으로부터 도입된 건조한 외기는 가습가스의 수분을 여과한 상태의 중공사막을 통과하며 데드존 없이 충분히 가습받게 되며, 이와 같이 충분히 가습된 공기(가습된 압축공기를 의미함)는 아웃렛 하우징의 외기 유출부(42)를 통하여 수소연료전지에 제공된다.

이와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 막가습기는, 가습가스에 대해 중공사막 모듈의 상-중-하 배열 전체적으로 고른 접촉이 형성되도록 함으로서 인렛 하우징으로부터 진입하는 건조한 압축공기에 대해 데드존 없이 충분한 가습작용을 형성하게 됨으로서 극대화된 가습효율을 달성하게 된다.

본 발명의 설명에 있어서, 전술한 순환기류 혹은 와류의 다습가스 유동과정에서, 중공사막(멤브레인 영역)의 수분여과 작용은 공지이므로 자세한 설명은 생략한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 메인 하우징
20 : 카트리지 하우징
22 : 분배구 배열
23 : 토출구 배열
30 : 인렛 하우징
40 : 아웃렛 하우징

Claims (8)

1. 연료전지로부터의 배출되는 다습 가스의 유입부를 형성하는 플로우 인 섹션과, 상기 가스의 유출부를 형성하는 플로우 아웃 섹션, 및 상기 유입부와 유출부 사이의 본체 내부에 형성되는 적어도 하나 이상의 카트리지 지지부가 일체로 형성되는 메인하우징;
   상기 카트리지 지지부에 상응하여 카트리지 하우징 외측에 이격 형성된 적어도 하나 이상의 아웃터 플랜지를 구비하며, 상기 카트리지 하우징 내부에 다수의 중공사막 모듈이 배열되고, 상기 메인하우징 내에 조립시 상기 플랜지에 의해 상기 플로우 인 섹션과 플로우 아웃 섹션이 구조적으로 격리되는 중공사막 카트리지;를 포함하되,
   
   상기 중공사막 카트리지는,
   상기 카트리지 하우징의 일측 측벽에 형성되는 상류 분배구와 중류 분배구 및 하류 분배구의 배열과,
   상기 카트리지 하우징의 타측 측벽에 형성되는 상류 토출구와 중류 토출구 및 하류 토출구의 배열을 구비하며,
   
   상기 분배구들은 상류로부터 하류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성되고,
   상기 토출구들은 하류로부터 상류로 갈수록 점직적으로 개구면적이 증가되도록 다수의 복층 배열으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
2. 제1항에 있어서,
   미들 시일(middle seal)이 상기 카트리지의 아웃터 플랜지 외측에 결합되며, 상기 미들 시일에 의해 상기 메인하우징의 지지부에 대한 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
3. 제1항에 있어서,
   단턱 시일이 상기 중공사막 카트리지의 양측단부에 구성되며, 상기 단턱 시일에 의해 상기 카트리지와 상기 아웃렛 하우징 및 상기 인렛 하우징 사이의 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 분배구들의 배열은 상기 플로우 인 섹션으로부터 멀어질수록 개구면적이 커지는 관통홀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 토출구들의 배열은 상기 플로우 아웃 섹션으로부터 멀어질수록 개구면적이 적어지는 관통홀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
6. 제3항에 있어서,
   단턱 시일은 V형 시일, 오링 및 면시일 중 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   메인 하우징의 일측단부에 설치되는 가스켓을 더 포함하여 구성되며, 상기 가스켓은 상기 인렛 하우징에 대한 기밀을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 메인 하우징의 타측단부에 설치되는 가스켓을 더 포함하여 구성되며, 상기 가스켓은 상기 아웃렛 하우징에 대한 기밀을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
   

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