KR20220117604A - 연료전지 막가습기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중공사막들 사이에서 유동하는 유체의 온도에 따라 중공사막들 사이의 공극을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 공기를 가습하는 복수의 중공사막들; 상기 복수의 중공사막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 중공사막들과 열팽창율이 다른 물질로 형성되어 상기 배가스의 온도에 따라 상기 복수의 중공사막들 사이의 공극을 조절하는 공극 조절관;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 공기를 가습하는 복수의 중공사막들; 상기 복수의 중공사막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 중공사막들과 열팽창율이 다른 물질로 형성되어 상기 배가스의 온도에 따라 상기 복수의 중공사막들 사이의 공극을 조절하는 공극 조절관;을 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 중공사막들 사이에서 유동하는 유체의 온도에 따라 중공사막들 사이의 공극을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 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 막가습기를 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 막가습기를 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 막가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12)을 포함한다.
캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 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.
외부로부터 공급되는 공기는 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 공기를 가습한다.
본 발명은 중공사막들 사이에서 유동하는 유체의 온도에 따라 중공사막들 사이의 공극을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 공기를 가습하는 복수의 중공사막들; 상기 복수의 중공사막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 중공사막들과 열팽창율이 다른 물질로 형성되어 상기 배가스의 온도에 따라 상기 복수의 중공사막들 사이의 공극을 조절하는 공극 조절관;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 공극 조절관은, 제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 공극 조절관은, 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 공극 조절관은, 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 공극 조절관은, 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 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 단부가 삽입되는 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 홀에 삽입된 상기 카트리지 단부와 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부; 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부; 및, 상기 카트리지와 상기 패킹부를 접촉하도록 형성되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 실링부;를 포함하는 가스켓 조립체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바디 부재는 2개 이상의 카트리지들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 카트리지들 각각의 단부와 접촉 형성되며, 상기 실링부는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 카트리지들 각각과 상기 패킹부를 접촉하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출 부재는, 탄성력에 의해 상기 카트리지의 단부를 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 에지부는, 양 방향으로 돌출된 에지 윙을 구비하며, 상기 에지 윙은 상기 미드-케이스 단부에 형성된 홈을 채우면서 개재되어, 상기 미드-케이스의 내부와 외부, 그리고 상기 미드-케이스와 상기 캡을 밀봉할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 30 내지 70 Shore A의 제1 경도를 갖고, 상기 패킹부의 적어도 일부와 상기 에지부의 적어도 일부에 삽입되어 형성되며 상기 제1 경도 보다 높은 제2 경도를 갖는 보강 부재를 더 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 의하면, 중공사막들 사이에 중공사막들과 열팽창율이 다른 공극 조절관이 배치되어 중공사막들 사이에서 유동하는 유체의 온도에 따라 중공사막들 사이의 공극을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
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 실시예들에 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100)는 가습 모듈(110)과 캡들(120)을 포함한다.
가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된다.
캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.
가습 모듈(110)은, 배가스 유입구(111a)와 배가스 배출구 (111b)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 수용된 복수의 중공사막(112)을 포함한다. 또한, 중공사막(112) 사이에는 공극 조절관(115)이 배치된다.
중공사막(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 있다.
중공사막(112) 다발의 양 말단들은 포팅부(113)에 고정된다. 포팅부(113)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 또한, 공극 조절관(115)의 양 말단들도 포팅부(113)에 고정될 수 있다.
공극 조절관(115)은 중공사막(112)과 열팽창율이 다른 물질로 형성된다. 공극 조절관(115)은 내부에 중공이 형성되거나 또는 중공이 형성되지 않을 수 있다. 열팽창율은 체적팽창율인 것이 바람직하다. 즉, 공극 조절관(115)은 중공사막(112)과 체적팽창율이 다른 물질로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
구체적으로, 공극 조절관(115)은 제1 온도 범위에서 팽창하고, 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함할 수 있다. 즉, 공극 조절관(115)은 저온에서 팽창하고 고온에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함할 수 있다.
대부분의 물질은 온도가 상승하면 열팽창에 따라 길이나 부피가 증가하지만, 이와 반대로 음의 열팽창 물질은 온도가 상승하면 수축하는 성질이 있다. 이러한 음의 열팽창 물질은, 비스무트(Bi)를 포함하는 물질일 수 있다.
구체적으로, 음의 열팽창 물질은 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 물질일 수 있다. 보다 구체적으로 Bi0.95La0.05NiO3(비스무트·란탄 니켈 산화물)일 수 있다. Bi0.95La0.05NiO3는 온도 상승 1℃ 당 100만 분의 82(-82Х10-6/℃)라는 음의 열 팽창을 나타낸다.
또한, 구체적으로, 음의 열팽창 물질은 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 물질일 수 있다. 보다 구체적으로 '페로브스카이트'라는 구조를 가진 산화물 BiNi1-xFexO3(비스무트·니켈·철 산화물)일 수 있다. BiNi1-xFexO3는 실온 부근의 온도 영역에서 온도 상승 1℃ 당 100만 분의 187(-187Х10-6/℃)이라는 음의 열 팽창을 나타낸다. 따라서, Bi0.95La0.05NiO3에 비해 절반의 양으로도 실질적으로 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
상기와 같이 구성되는, 공극 조절관(115)의 동작에 대해, 도 3을 참조하여 설명한다.
외부로부터 공급되는 공기는 중공사막(112)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 중공사막(112)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(111b)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막(112)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막(112)을 투과함으로써 중공사막(112)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
이때, 연료전지 스택의 출력에 따라 배가스의 온도가 달라진다. 도 3의 (a)는 연료전지 스택의 출력이 고출력인 경우이고, 도 3의 (b)는 연료전지 스택의 출력이 저출력인 경우이다. 연료전지 스택의 출력이 대체적으로 40kW 미만인 경우, 저출력 환경이라 할 수 있고, 연료전지 스택의 출력이 대체적으로 40kW 이상인 경우, 고출력 환경이라 할 수 있다.
고출력 환경에서는 연료전지 스택에서 상대적으로 고온의 배가스가 공급되고, 저출력 환경에서는 연료전지 스택에서 상대적으로 저온의 배가스가 공급된다. 여기서, 고온은 대략 50 ~ 150℃ 범위로 제1 온도 범위 보다 큰 제2 온도 범위일 수 있다. 여기서, 저온은 대략 50℃ 미만의 제1 온도 범위일 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 배가스가 고온이므로, 음의 열 팽창 성질을 갖는 공극 조절관(115)은 수축하여 중공사막(112)들 사이의 공극은 확장되고, 이에 따라 고온의 배가스가 유동할 수 있는 공간이 확장되어 배가스에 의한 건조 공기의 가습량 및 가습 속도가 커지도록 조절될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 배가스가 저온이므로, 음의 열 팽창 성질을 갖는 공극 조절관(115)은 팽창하여 중공사막(112)들 사이의 공극은 축소되고, 이에 따라 저온의 배가스가 유동할 수 있는 공간이 축소되어 배가스에 의한 건조 공기의 가습량 및 가습 속도가 작아지도록 조절될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 별도의 추가 부품없는 간단한 구조로 구성되면서도, 연료전지 스택의 출력 상황에 따라, 중공사막(112)들 사이의 공극을 자동으로 조절할 수 있으므로, 막가습기의 크기를 소형화할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
다음, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 1의 종래 막가습기(10)를 참조하면, 다수의 중공사막들(11b)의 말단들이 고정되어 있는 포팅부(11c) 및 포팅부(11c)와 미드-케이스(11a) 사이의 수지층(11d)이 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(11a)의 내부 공간을 차단한다. 포팅부(11c)와 유사하게, 수지층(11d)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 그러나, 수지층(11d) 형성을 위한 캐스팅 공정은 상대적으로 많은 공정 시간을 요구하기 때문에 막가습기(10)의 생산성을 저하시킨다.
또한, 수지층(11d)이 포팅부(11c)는 물론이고 미드-케이스(11a)의 내벽에도 접착되어 있기 때문에, 중공사막(11b)에 문제가 발생할 경우 가습 모듈(11) 전체를 교체하여야만 해서 막대한 유지보수 비용이 유발된다.
더욱이, 연료전지의 반복적 운전은 수지층(11d)과 미드-케이스(11a) 사이에 갭(gap)을 야기시킬 개연성이 높다. 즉, 연료전지의 운전 및 정지가 반복됨에 따라 수지층(11d)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 미드-케이스(11a)와 수지층(11d)의 열팽창계수 차이로 인해 수지층(11d)이 미드-케이스(11a)로부터 떨어지게 될 개연성이 높다. 전술한 바와 같이, 수지층(11d)과 미드-케이스(11a) 사이에 갭이 야기되면, 압력 차이에 의한 공기 누출이 발생하여 연료전지 스택으로 공급되는 가습 공기의 양이 줄어들고 연료전지의 발전 효율이 저하된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 막가습기(200)는, 가습 모듈(210)과 캡(220)과 가스켓 조립체(230)를 포함한다.
가습 모듈(210)은 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습한다. 가습 모듈(210)의 양 말단들 각각은 캡(220)과 결합된다. 캡(220)들 중 어느 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(210)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(210)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다. 가스켓 조립체(230)는 가습 모듈(210)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합된다.
가습 모듈(210)은 외부로부터 공급되는 공기와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(211a)와 배가스 배출구(211b)를 갖는 미드-케이스(211) 및 미드-케이스(211) 내에 배치되는 적어도 하나의 카트리지(212)를 포함할 수 있다.
미드-케이스(211)와 캡(220)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. 미드-케이스(211)의 내부 공간은 격벽들(partitions)(211c)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. (도 8 참조)
카트리지(212)는 다수의 중공사막(212a) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(212b)를 포함할 수 있다. 중공사막(212a)의 말단들은 포팅부(212b)에 고정될 수 있다. 또한, 중공사막(212a) 사이에는 공극 조절관(215)이 배치된다. 공극 조절관(215)은 전술한 제1 실시예의 공극 조절관(115)과 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
가스켓 조립체(230)는 가습 모듈(210)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합될 수 있다. 가스켓 조립체(230)의 기계적 조립을 통해 미드-케이스(211)와 캡(220) 사이의 공기 누출을 방지하기 때문에 종래 기술의 캐스팅 공정(즉, 액상 수지를 주형에 주입하고 경화하는 공정) 및 추가적 실링 공정(즉, 실런트를 도포하고 경화시키는 공정) 등을 생략할 수 있다.
또한, 가스켓 조립체(230)는 기계적 조립을 통해 가습 모듈(200)에 장착되기 때문에 가습 모듈(210)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(212))에 이상이 발생할 경우, 가스켓 조립체(230)를 가습 모듈(210)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.
가스켓 조립체(230)는 패킹부(231), 에지부(232), 실링부(233)를 포함한다. 패킹부(231)와 에지부(232)는 20 내지 70 Shore A, 바람직하게는 30 내지 60 Shore A의 제1 경도를 갖는 탄성 물질(예를 들어, 실리콘, 고무 등)로 형성될 수 있다. 실링부(233)는 고상 실링재, 액상 실링재 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 고상 실링재는 실리콘, 아크릴 러버, EPDM, NBR 등과 같은 재질로 제조될 수 있으며, 액상 실링재는 실리콘, 우레탄 등과 같은 재질로 제조될 수 있다.
패킹부(231)는 카트리지(212)의 단부(예를 들어, 포팅부(212b))가 삽입되는 홀(H)을 구비하며 미드-케이스(211)와 카트리지(212) 사이에 개재된다. 패킹부(231)는 바디 부재(231a)와 돌출 부재(231b)를 포함한다.
바디 부재(231a)는 카트리지(212) 단부(예를 들어, 포팅부(212b))가 삽입되는 홀(H)을 구비하며, 홀(H)은 카트리지(212) 단부의 형상과 대응하는 형상으로 형성된다. 바디 부재(231a)에서 미드-케이스(211) 측으로 돌출 형성된 하부 바디 부재(231aa)는 단면이 다각 형상(예를 들어, 사다리꼴 형상)으로 형성될 수 있고, 캡(220) 측으로 형성된 상부 바디 부재(231ab)는 평면 형상으로 형성될 수 있다. 하부 바디 부재(231aa)와 카트리지 포팅부(212b) 사이에는 실링부(233)가 배치될 공간이 형성된다. 또한, 하부 바디 부재(231aa)와 에지부(232) 사이에는 미드-케이스(211)의 단부(211d)가 끼워지는 홈(G)이 형성된다.
돌출 부재(231b)는 홀(H)에 삽입된 카트리지 포팅부(212b)와 접촉하도록 바디 부재(231a)의 일단에 형성된다. 돌출 부재(231b)는 바디 부재(231a)의 일단부에서 돌출된 적어도 1개 이상의 환형 돌기일 수 있다. 돌출 부재(231b)는 탄성력에 의해 카트리지 포팅부(212b)를 가압하면서 접촉하여 미드-케이스(211)의 공간과 캡(220)에 의한 공간을 기밀할 수 있다. 따라서, 돌출 부재(231b)는 미드-케이스(211) 내의 유체가 캡(220) 측에 형성된 공간으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 돌출 부재(231b)는 탄성을 갖고 있기 때문에 진동 완충 기능을 수행할 수 있고, 따라서, 가습기(200)의 진동으로 인한 손상을 방지할 수 있다.
에지부(232)는 바디 부재(231a)의 타단에 형성된다. 에지부(232)는 미드-케이스의 단부에 형성된 홈(211e)과 캡의 단부(220a)에 의해 형성된 공간에 개재될 수 있다. 에지부(232)는 양 방향으로 돌출된 에지 윙(232a, 132b)을 구비할 수 있다. 에지 윙(232a, 132b)은 가습 모듈(210)의 길이 방향으로 형성될 수 있다. 조립시에, 미드-케이스 단부의 홈(211e)에 에지 윙(232a, 232b)을 삽입하고, 캡의 단부(220a)가 에지 윙(232b)을 가압한 후, 볼트(B) 등의 체결 수단으로 체결시켜서 조립할 수 있다. 이때, 에지 윙(232a, 232b)은 탄성을 지닌 물질로 이루어지므로 에지 윙(232a, 232b)은 미드-케이스 단부의 홈(211e) 공간을 일정 부분 채우면서 개재될 수 있다. 미드-케이스(211)와 캡(220)의 단부 측면에는 볼트 체결을 위한 체결공이 형성된 체결 절편(211c, 220c)이 형성될 수 있다. 에지 윙(232a, 232b)은 미드-케이스 단부의 홈(211e)을 기밀시켜서 미드-케이스(211)의 내부와 외부, 그리고 미드-케이스(211)와 캡(220)을 밀봉시킬 수 있다.
실링부(233)는 카트리지(212)와 패킹부(231) 사이에서 카트리지(212)와 패킹부(231)를 접촉하도록 형성된다. 구체적으로, 실링부(233)는 카트리지의 포팅부(212b)와 패킹부의 하부 바디 부재(231aa)를 동시에 접촉(또는 접착)하도록 형성된다. 실링부(233)는 미드-케이스(211)의 공간과 캡(220)의 공간을 기밀하여 미드-케이스(211) 내의 유체가 캡(220) 측으로 유동하는 것을 방지한다.
또한, 가스켓 조립체(230)는 보강 부재(234)를 더 포함할 수 있다. 보강 부재(234)는 제1 경도보다 높은 제2 경도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 부재(234)는 금속, 열가소성 또는 열경화성 수지 등으로 형성될 수 있다. 보강 부재(234)는 가스켓 조립체(230) 성형시, 금형에 금속 플레이트를 삽입한 후에 제조함으로써 가스켓 조립체(230) 내에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(234)는 패킹부(231)의 적어도 일부와 에지부(232)의 적어도 일부에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(234)는 가스켓 조립체(230) 중에서 변형에 취약한 부분(홈(G)이 형성된 부분)에 형성될 수 있다. 패킹부(231) 및 에지부(232) 보다 높은 경도를 갖는 보강 부재(234)는, 가스켓 조립체(230)를 가습 모듈(210)에 기계적으로 조립할 때 또는 가습기 운전 중에 바디 부재(231a)의 변형이 야기되는 것을 방지함으로써 공기 누출을 더욱 확실히 담보할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 가스켓 조립체(230)의 기계적 조립을 통해 미드-케이스(211)와 캡(220) 사이의 공기 누출을 방지하기 때문에 종래 기술의 캐스팅 공정(즉, 액상 수지를 주형에 주입하고 경화하는 공정) 및 추가적 실링 공정(즉, 실런트를 도포하고 경화시키는 공정) 등을 생략할 수 있다. 따라서, 미드-케이스(211)와 캡(220) 사이의 공기 누출을 방지하면서도 연료전지 막가습기(200)의 생산 공정 시간을 단축시킴으로써 그 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 가스켓 조립체(230)는 기계적 조립을 통해 가습 모듈(210)에 장착되기 때문에 가습 모듈(210)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(212))에 이상이 발생할 경우, 가스켓 조립체(230)를 가습 모듈(210)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 연료전지 막가습기(200)의 유지보수 비용을 상당히 절감할 수 있다.
다음, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예를 설명한다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예(200a, 200b)는, (i) 미드-케이스(211)의 내부 공간이 격벽들(partitions)(211c)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획되고, (ii) 카트리지(212)가 이너 케이스(inner case)(212c)를 더 포함하고 있다는 것을 제외하고는, 전술한 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기(200)와 실질적으로 동일하다.
이너 케이스(212c)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 중공사막(212a) 및 공극 조절관(215)이 그 안에 들어 있다. 중공사막(212a)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(212b)는 이너 케이스(212c)의 개구를 폐쇄시킨다.
도 7에 도시된 바와 같이, 포팅부(212b)의 적어도 일부가 이너 케이스(212c) 밖에 위치할 수 있으며, 가스켓 조립체(230)의 돌출 부재(231b)는 포팅부(212b)에 밀착할 수 있다. 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 포팅부(212b) 전체가 이너 케이스(212c) 내에 위치하며 가스켓 조립체(230)의 돌출 부재(231b)가 포팅부(212b)가 아닌 이너 케이스(212c)에 밀착할 수 있다.
이너 케이스(212c)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제1 메쉬 홀들')(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제2 메쉬 홀들')(MH2)을 구비한다.
배가스 유입구(211a)를 통해 미드-케이스(211)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬 홀들(MH1)을 통해 이너 케이스(212c) 내로 흘러 들어 중공사막(212a)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬 홀들(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(211b)를 통해 미드-케이스(211)로부터 배출된다. 이와 같은 이너 케이스(212c)를 포함하는 카트리지(212)는 미드-케이스(211)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있다는 장점을 갖는다.
다음, 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 그 변형예를 설명한다. 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이며, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 가습기(300)는, (i) 가습 모듈(210)이 2개 이상의 카트리지(212)들을 포함하고, (ii) 가스켓 조립체(330)는 카트리지(212)들이 각각 삽입되는 2개 이상의 홀들(H)을 구비하며, (iii) 카트리지 포팅부(212b)와 접촉하도록 바디 부재(231a)의 일단에 형성되는 2개 이상의 돌출 부재(231b)를 포함하고, (iv) 카트리지(212)와 패킹부(231) 사이에서 카트리지(212)와 패킹부(231)를 접촉하도록 형성되는 2개 이상의 실링부(233)를 포함하는 점을 제외하고는, 전술한 제2 실시예에 따른 연료전지 가습기(200)와 실질적으로 동일하다.
이너 케이스(212c)를 각각 포함하는 복수의 카트리지(212)들이 일정 간격을 두고 미드-케이스(211) 내에 장착됨으로써 미드-케이스(211) 내에 존재하는 모든 중공사막들(212a)에게 배가스가 균일하게 분배될 수 있을 뿐만 아니라, 문제가 발생한 특정 카트리지(212)만을 선별적으로 교체할 수 있어 연료전지 가습기(300)의 유지보수 비용을 더욱 절감할 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예(300a)는, 카트리지(212) 각각의 포팅부(212b) 전체가 그에 대응하는 이너 케이스(212c) 내에 위치하며 가스켓 조립체(330)의 돌출 부재(231b)들이 포팅부들(212b)이 아닌 이너 케이스들(212c)에 각각 밀착한다는 것을 제외하고는, 전술한 제3 실시예에 따른 연료전지 가습기(300)와 실질적으로 동일하다.
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, 200, 200a, 200b, 300, 300a : 연료전지 막가습기
110, 210 : 가습 모듈 111, 211 : 미드-케이스
111a, 211a ; 배가스 유입구 111b, 211b : 배가스 배출구
211c : 격벽 212 : 카트리지
112, 212a : 중공사막 113, 212b : 포팅부
212c : 이너 케이스 115, 215 : 공극 조절관
120, 220 : 캡 230, 330 : 가스켓 조립체
231 : 패킹부 231a : 바디 부재
231b : 돌출 부재 232 : 에지부
233 : 실링부 234 : 보강 부재
110, 210 : 가습 모듈 111, 211 : 미드-케이스
111a, 211a ; 배가스 유입구 111b, 211b : 배가스 배출구
211c : 격벽 212 : 카트리지
112, 212a : 중공사막 113, 212b : 포팅부
212c : 이너 케이스 115, 215 : 공극 조절관
120, 220 : 캡 230, 330 : 가스켓 조립체
231 : 패킹부 231a : 바디 부재
231b : 돌출 부재 232 : 에지부
233 : 실링부 234 : 보강 부재
Claims (11)
- 미드-케이스;
상기 미드-케이스와 체결되는 캡;
상기 미드-케이스 내에 배치되며, 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택으로부터 유입된 배가스와 수분 교환하여 상기 공기를 가습하는 복수의 중공사막들;
상기 복수의 중공사막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 중공사막들과 열팽창율이 다른 물질로 형성되어 상기 배가스의 온도에 따라 상기 복수의 중공사막들 사이의 공극을 조절하는 공극 조절관;
을 포함하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 1에 있어서, 상기 공극 조절관은,
제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 2에 있어서, 상기 공극 조절관은,
비스무트(Bi)를 포함하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 2에 있어서, 상기 공극 조절관은,
비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 2에 있어서, 상기 공극 조절관은,
비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 막가습기.
- 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.
- 청구항 6에 있어서,
상기 카트리지의 단부가 삽입되는 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 홀에 삽입된 상기 카트리지 단부와 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부;
상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부; 및,
상기 카트리지와 상기 패킹부를 접촉하도록 형성되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 실링부;
를 포함하는 가스켓 조립체를 포함하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 바디 부재는 2개 이상의 카트리지들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 카트리지들 각각의 단부와 접촉 형성되며, 상기 실링부는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 카트리지들 각각과 상기 패킹부를 접촉하도록 형성되는, 연료전지 막가습기.
- 청구항 7에 있어서, 상기 돌출 부재는,
탄성력에 의해 상기 카트리지의 단부를 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 7에 있어서, 상기 에지부는,
양 방향으로 돌출된 에지 윙을 구비하며,
상기 에지 윙은 상기 미드-케이스 단부에 형성된 홈을 채우면서 개재되어, 상기 미드-케이스의 내부와 외부, 그리고 상기 미드-케이스와 상기 캡을 밀봉하는 연료전지 막가습기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 30 내지 70 Shore A의 제1 경도를 갖고,
상기 패킹부의 적어도 일부와 상기 에지부의 적어도 일부에 삽입되어 형성되며 상기 제1 경도 보다 높은 제2 경도를 갖는 보강 부재를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
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