KR20220111462A - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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KR20220111462A
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오영석
이아름
이지윤
김경주
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 건조가스 유입구 측에 난류를 발생시켜서 중공사막에 건조가스가 균등하게 분배될 수 있도록 하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스 내에 배치되며, 블로워로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 건조가스를 가습하는 복수의 중공사막들; 상기 블로워로부터 유입되는 건조가스의 유동 방향을 변화시켜서 상기 건조가스가 상기 중공사막들에 균등하게 분배되도록 하는 난류 발생부;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 {Fuel cell membrane humidifier }
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 건조가스 유입구 측에 난류를 발생시켜서 중공사막에 건조가스가 균등하게 분배될 수 있도록 하는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 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 출력 밀도가 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 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 블로워(Blower, B)로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 습윤공기(배가스) 사이에 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12: 12a, 12b)을 포함한다.
캡들(12) 중 하나(12a)에는 건조가스 유입구(130)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나(12b)에는 건조가스 배출구(14)가 형성되어 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11aa)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11ab)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내의 다수의 중공사막들(11b)을 포함한다. 중공사막들(11b)의 다발의 양 말단들은 포팅부(11c)에 고정된다. 포팅부(11c)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
블로워(B)로부터 공급되는 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11b)을 투과함으로써 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르던 건조가스를 가습한다.
캡들(12)의 내부 공간들은 중공사막들(11b)의 중공들과만 유체 연통할 뿐, 미드-케이스(11a)의 내부 공간과는 완벽히 차단되어 있어야만 한다. 그렇지 않으면, 압력 차이에 의한 공기 누출이 발생하여 연료전지 스택으로 공급되는 가습 공기의 양이 줄어들고 연료전지의 발전 효율이 저하된다.
한편, 종래 기술에 따르면, 블로워(B)로부터 건조가스 유입구(13)로 유입되는 건조가스는, 캡(12a)의 내부 공간들을 거쳐 중공사막들(11b)로 유입된다. 이때, 대부분의 건조가스는 건조가스 유입구(13) 부근에 배치된 중공사막들(11b)(도 1의 'A' 참조)로 유입되고, 건조가스 유입구(13)와 멀리 배치된 중공사막들(11b)에는 일부의 건조가스만 유입되므로 가습 효율이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0073524호 대한민국 공개특허 제10-2014-0076385호
본 발명은 건조가스 유입구 측에 난류를 발생시켜서 중공사막에 건조가스가 균등하게 분배될 수 있도록 하는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스 내에 배치되며, 블로워로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 건조가스를 가습하는 복수의 중공사막들; 상기 블로워로부터 유입되는 건조가스의 유동 방향을 변화시켜서 상기 건조가스가 상기 중공사막들에 균등하게 분배되도록 하는 난류 발생부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 미드-케이스와 체결되는 캡을 포함하며, 상기 난류 발생부는 상기 캡에 형성된 건조가스 유입구의 내벽에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 건조가스 유입구는, 상기 블로워와 연결 형성되는 캡의 일부이거나 또는 상기 블로워와 상기 캡을 연결하는 별도의 배관일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 난류 발생부는, 상기 건조가스 유입구의 내벽에서 돌출 형성된 복수개의 돌기를 포함하며, 상기 복수개의 돌기는 지그재그 형상으로 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 난류 발생부는, 상기 건조가스 유입구 내에서의 건조가스 유동 방향과 평행한 방향으로 관통 형성된 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수의 중공사막들을 수용하는 이너 케이스와, 상기 이너 케이스 말단에 형성되는 포팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 카트리지를 포함하는 가습 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 카트리지의 양측 말단과 상기 미드-케이스 사이에는, 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체를 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 건조가스 유입구 측에 난류를 발생시켜서 중공사막에 건조가스가 균등하게 분배되도록 하여 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 난류 발생부가 확대 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 난류 발생부의 동작 상태가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 난류 발생부가 확대 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기에서 건조가스가 중공사막에 균등하게 분배되는 상태가 도시된 도면이다.
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.
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 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100)는, 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(110)을 포함한다. 가습 모듈(110)의 양 말단들 각각은 캡(120: 120a, 120b)과 결합된다. 가습 모듈(110)과 캡(120)은 분리 형성될 수도 있고, 일체형으로 형성될 수도 있다.
블로워(B)는 대기 중의 공기를 수집하여 연료전지 막가습기 (100)로 공급한다. 연료전지 스택(S)의 출력 크기에 따라 블로워(B)의 출력 크기가 결정될 수 있다. 선택에 따라, 블로워(B)의 전단에는 미세 먼지를 제거하는 필터(미도시)가 설치될 수 있고, 블로워(B)와 연료전지 막가습기 (100) 사이에는, 연료전지 막가습기 (100)로 공급되는 건조가스를 냉각시키는 쿨러(미도시)가 설치될 수 있다.
캡들(120) 중 하나(120a)에는 건조가스 유입구(130)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나(120b)에는 건조가스 배출구(140)가 형성되어 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
가습 모듈(110)은, 블로워(B)부터 공급되는 건조가스와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 미드-케이스(111) 내의 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 중공사막들(112)의 다발의 양 말단들은 포팅부(113)에 고정된다.
또는, 가습 모듈(110)은, 다수의 중공사막들(112) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(113)를 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 포함할 수 있으며, 이 경우, 중공사막들(112) 및 포팅부(113)는 별도의 카트리지용 케이스(이너 케이스) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 중공사막들(112)은 이너 케이스 내에 수용되고, 포팅부(113)는 이너 케이스 말단에 형성될 수 있다. 가습 모듈(110)이 카트리지를 포함할 경우, 카트리지의 양측 말단과 미드-케이스(111) 사이에는 카트리지 고정을 위한 수지층이 형성되거나, 또는 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체를 더 포함할 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다.
중공사막들(112)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(113)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
블로워(B)로부터 공급되는 건조가스는 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(112)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(111b)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(112)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(112)을 투과함으로써 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐르던 건조가스를 가습한다.
한편, 블로워(B)로부터 건조가스 유입구(130)로 유입되는 건조가스는, 건조가스 유입구(130)에 설치된 난류 발생부(150)에 의해 가습 모듈(110) 내의 중공사막들(112)에 균등하게 분배될 수 있다. 따라서, 난류 발생부(150)에 의해 가습 효율이 향상될 수 있다. 이러한 난류 발생부(150)에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 난류 발생부(150)가 확대 도시된 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 난류 발생부(150)는 건조가스 유입구(130)의 내벽에 형성되어 건조가스의 유동 방향을 변화시켜서 건조가스가 중공사막들(112)에 균등하게 분배되도록 한다. 건조가스 유입구(130)는, 블로워(B)와 연결 형성되는 캡(120a)의 일부이거나 또는 블로워(B)와 캡(120a)을 연결하는 별도의 배관일 수 있다.
난류 발생부(150)는 건조가스 유입구(130)의 내벽에 형성될 수 있다. 난류 발생부(150)는 건조가스 유입구(130)의 내벽에서 돌출 형성된 복수개의 돌기로 형성될 수 있다. 복수개의 돌기는 지그재그 형상으로 이격 배치될 수 있다. 도면에서 돌기의 형상은 구형인 것으로 예시되어 있으나, 특별히 한정되지는 않는다. 또는, 건조가스 유입구(130)의 내벽에 고정홈(미도시)이 형성되고, 난류 발생부(150)는 구체 또는 돌기 형상으로 형성되어 고정홈(미도시)에 삽입 고정될 수 있다.
도 4는 도 3의 난류 발생부(150)에 의한 건조가스 유동 상태가 도시된 도면이다.
블로워(B)로부터 건조가스 유입구(130)로 유입되는 건조가스의 일부는 건조가스 유입구(130)의 내벽에 형성된 구체 또는 돌기 형상의 난류 발생부(150)에 충돌하여 그 유동 방향이 바뀌면서 주변의 건조가스의 유동 방향에 영향을 주어 전체적으로 난류가 형성되도록 한다. 난류 발생부(150)에 의해 난류화된 건조가스는 건조가스 유입구(130)의 단부에서 확산되면서 건조가스 유입구(130) 부근에 배치된 중공사막들 뿐만 아니라, 건조가스 유입구(130)와 멀리 배치된 중공사막들에도 유입된다. 그 결과, 건조가스 유입구(130)로 유입되는 건조가스의 대부분은 가습 모듈(110) 내의 중공사막들(112)에 균등하게 분배될 수 있다. (도 6 참조)
한편, 난류 발생부(150)는 중공사막들(112)에 건조가스가 균등하게 분배될 수 있도록 할 수 있으나, 그와 동시에, 건조가스가 난류 발생부(150)에 충돌함에 따른 건조가스의 압력 손실을 발생시킨다. 이로 인해 건조가스의 유동 속도가 저하되어 가습 효율이 저하될 수 있다.
이러한 압력 손실에 따른 가습 효율의 저하를 감소시키기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 난류 발생부(150)에 추가적으로 관통홀(151)을 형성할 수 있다. 관통홀(151)은 난류 발생부(150)의 적어도 일부를 관통하여 형성된다. 관통홀(151)은 건조가스 유입구(130) 내에서의 건조가스 유동 방향과 평행한 방향으로 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 건조가스 유입구(130)로 유입되는 건조가스의 일부는 난류 발생부(150)에 충돌하여 그 유동 방향이 바뀌게 되나, 나머지 일부는 관통홀(151)을 통해 직진하게 된다. 유동 방향이 바뀐 건조가스는 난류 형성에 기여하고, 관통홀(151)을 통해 직진한 일부의 건조가스는 압력 손실없이 그대로 흐르게 된다.
따라서, 전체적으로 건조가스는 난류(직진성을 상실한 건조가스 흐름)와 직류(직진성을 유지한 건조가스 흐름)와 혼합되어, 중공사막들(112)에 건조가스가 상대적으로 균등하게 분배되면서, 또한 건조가스의 압력 손실을 줄일 수 있게 된다.
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.
100 : 연료전지 막가습기 110 : 가습 모듈
120 : 캡 130 : 건조가스 유입구
140 : 건조가스 배출구 150 : 난류 발생부
B : 블로워 S : 연료전지 스택

Claims (7)

  1. 미드-케이스 내에 배치되며, 블로워로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 건조가스를 가습하는 복수의 중공사막들;
    상기 블로워로부터 유입되는 건조가스의 유동 방향을 변화시켜서 상기 건조가스가 상기 중공사막들에 균등하게 분배되도록 하는 난류 발생부;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미드-케이스와 체결되는 캡을 포함하며,
    상기 난류 발생부는 상기 캡에 형성된 건조가스 유입구의 내벽에 형성되는, 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 건조가스 유입구는, 상기 블로워와 연결 형성되는 캡의 일부이거나 또는 상기 블로워와 상기 캡을 연결하는 별도의 배관인, 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 난류 발생부는,
    상기 건조가스 유입구의 내벽에서 돌출 형성된 복수개의 돌기를 포함하며,
    상기 복수개의 돌기는 지그재그 형상으로 이격 배치되는, 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 난류 발생부는,
    상기 건조가스 유입구 내에서의 건조가스 유동 방향과 평행한 방향으로 관통 형성된 관통홀을 더 포함하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 중공사막들을 수용하는 이너 케이스와, 상기 이너 케이스 말단에 형성되는 포팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 카트리지를 포함하는 가습 모듈을 포함하는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 카트리지의 양측 말단과 상기 미드-케이스 사이에는, 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체를 포함하는 연료전지 막가습기.
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