KR20220127536A - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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이아름
이지윤
김경주
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Abstract

본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미들 케이스의 내벽과 이격되어 형성된 외측 격벽을 포함하는 모듈 삽입부가 내부에 형성된 미들 케이스; 상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스; 상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및, 상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 {Fuel cell membrane humidifier}
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
가습 막 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 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.
한편, 막가습기 가동시에 막가습기 내외부의 압력차에 의해 가습 효율이 저하되는 문제점이 발생한다. 이를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 단면도이다. 설명의 편의를 위해, 도면에서 포팅부(P) 부분의 중공사막만 도시하였고, 나머지 부분의 중공사막은 생략해서 도시하였다. 종래 기술의 막가습기는 복수의 중공사막이 수용되는 중공사막 모듈(11)이 미들 케이스(10)의 내부에 수용된다. 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(11)은 카트리지 형태로 형성될 수 있다. 미들 케이스(10) 내부에는 카트리지 형태의 중공사막 모듈(11)이 삽입되는 모듈 삽입부(12)가 형성된다. 모듈 삽입부(12)는 미들 케이스(10) 내부에 형성된 복수개의 격벽(12a, 12b)으로 형성된다. 여기서, 모듈 삽입부(12)의 외곽을 이루는 격벽(12b)은 실질적으로 미들 케이스(10) 내벽의 일부분이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(11)의 양 측면을 격벽(12a, 12b)에끼워서 중공사막 모듈(11)이 모듈 삽입부(12)에 삽입된다. 이때, 미들 케이스(10)는 중앙 부분이 함몰된 중앙 함몰부(10a)를 구비하고, 중앙 함몰부(10a)의 내벽과 중공사막 모듈(11)이 기밀하게 밀착된다. 그 결과, 미들 케이스(10)의 미함몰부들(10b)과 중공사막 모듈(11)이 형성하는 두 유체 유동공간(A, B)은 격리된다. 중앙 함몰부(10a)와 모듈 삽입부(12)의 외곽을 이루는 격벽(12b)은 실질적으로 동일하다.
한편, 연료전지 스택(미도시)에서 배출된 제2 유체는 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)를 통해 유입되어 중공사막 모듈(11)을 통해서 유동하면서 블로워로부터 공급되어 중공사막 내부를 유동하는 제1 유체와 수분 교환을 수행한다. 캡 케이스(20)는 미들 케이스(10)와 결합되며, 캡 케이스(20)에는 제1 유체가 유입/유출되는 유체 유입구(20a)가 형성된다.
그러나, 고압의 운전 조건, 즉, 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)에서 유입되는 제2 유체가 막가습기 외부의 대기 보다 압력이 큰 고압의 유체인 경우, 막가습기 내부와 외부는 압력차가 발생하고, 막가습기 내부를 유동하는 제2 유체의 압력이 외부의 대기압 보다 크므로, 막가습기 외부 방향으로 압력 구배가 형성되어 막가습기의 일부(구체적으로는 미들 케이스의 함몰된 부분)는, 도 3에 도시된 바와 같이 막가습기 외부의 방향으로 변형이 발생한다. 한편, 내부의 격벽(12a)은 격벽 양측의 압력이 동일하므로, 압력 구배가 형성되지 않아서 변형이 발생하지 않는다.
압력 구배에 의해 발생하는 미들 케이스(10)의 형상 변경은 중공사막 모듈(11)과 미들 케이스(10) 내벽 사이에 갭(G)이 생기게 하고, 이러한 갭(G)을 통해 유체 유동공간(A)의 제2 유체는, 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하게 된다. 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않은 제2 유체는 중공사막을 통한 가습이 이루어지지 않은 유체이므로, 결과적으로 가습 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
도 4는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기(한국공개특허 2019-0138288 참조)가 도시된 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기는, 미들 케이스(10)의 내부에 모듈 삽입부(12)와 압력 버퍼부(22)를 형성하였다. 압력 버퍼부(22)는 외측 격벽(12b)과 미들 케이스(10)가 이격 형성됨으로써 생기는 공간과, 외측 격벽(12b)과 미들 케이스(10) 사이에 형성되는 연결부(21)를 포함한다. 연결부(21)는 유체 유동공간(A)과 유체 유동공간(B)를 격리시켜서 유체 출입구(20a)를 통해 유입된 유체가 중공사막 카트리지(C)를 통해서만 유동되도록 한다.
이와 같이 구성되는 압력 버퍼부(22)는 외측 격벽(12b) 양 측의 압력이 실질적으로 동일하게 한다. 압력 버퍼부(22)에 의해 외측 격벽(12b)의 양 측에는 압력 구배가 형성되지 않으므로, 외측 격벽(12b)은 변형되지 않게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 연료전지 막가습기와는 달리 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(12b) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 되어, 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 되고, 그 결과 가습 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기에서, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에 의해, 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)에서 유입되는 제2 유체의 압력(내부 압력 P1)이 막가습기 외부의 대기압(외부 압력 P2) 보다 매우 큰 경우(P1>>P2), 도 5에 도시된 바와 같이, 압력 차에 의해 미들 케이스(10)는 외부 방향 압력을 받게 되어 외측으로 팽창(E1로 표시)할 수 있다. 이때, 외측 격벽(12b)은 연결부(21)와 연결되어 있으므로, 외측 격벽(12b)도 외측으로 팽창(E2로 표시)할 수 있다. 외측 격벽(12b)이 외측으로 팽창하면, 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(12b) 사이에 갭(gap)이 발생할 수 있다. 따라서, 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않은 제2 유체가 발생하게 되어 가습 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0138288호
본 발명은 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미들 케이스의 내벽과 이격되어 형성된 외측 격벽을 포함하는 모듈 삽입부가 내부에 형성된 미들 케이스; 상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스; 상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및, 상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 압력 버퍼부는 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스의 내벽 사이에 형성되는 경사 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 경사 구조체는, 상기 외측 격벽에 고정되며 상기 미들 케이스 방향으로 돌출되되, 상기 미들 케이스의 내벽과 이격될 수 있도록 형성된 제1 경사부재와, 상기 미들 케이스의 내벽에 형성되며 상기 외측 격벽 방향으로 돌출되되, 상기 외측 격벽과 이격될 수 있도록 형성된 제2 경사부재와, 상기 제1 경사부재와 제2 경사부재 중 적어도 어느 하나에 형성되며 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스 사이의 팽창 압력 크기에 따라 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있는 바이패스홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 경사부재와 제2 경사부재는 2 이상의 바이패스홀을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 팽창 압력이 점점 증가하면, 상기 제2 경사부재는 상기 제1 경사부재의 표면을 타고 미끄러지면서 2 이상의 바이패스홀이 순차적으로 개방 상태가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막들이 집적된 적어도 하나 이상의 중공사막 다발 또는 복수의 중공사막들이 수용된 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지를 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지와 외측 격벽 사이에 갭이 발생하는 것을 방지하거나 또는 압력차를 해소시켜서 가습 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 형태가 도시된 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 미들 케이스 일부가 도시된 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 압력 버퍼부의 일 구성인 경사 구조체의 팽창 압력에 따른 상태 변화를 확대 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 상태를 설명하기 위한 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 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 6 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 형태가 도시된 도면이다. 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(이하, '막가습기'라고도 함)는, 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)를 포함한다.
미들 케이스(110)는 캡 케이스(120)와 결합하여 막가습기의 외형을 형성한다. 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)는 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)는, 도 6 및 도 7과 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. 또는 도 8 및 도 9와 같이, 폭 방향 단면 형상이 원형일 수 있다. 상기 원형은 타원형일 수도 있다. 도 6 내지 도 9는 막가습기의 예시적인 형상일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
미들 케이스(110)에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(111)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(112)가 형성되어 있고, 미들 케이스(110) 내부에는 복수의 중공사막들이 수용된 중공사막 모듈(F)이 배치된다. 설계에 따라, 도면부호 111이 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구가 될 수 있고, 도면부호 112가 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구가 될 수 있다. 즉, 도면부호 111과 도면부호 112 중 어느 하나가 제2 유체 유입구가 되고, 나머지 하나는 제2 유체 유출구가 될 수 있다. 이하의 설명에서, 도면부호 111은 제2 유체 유입구이고, 도면부호 112은 제2 유체 유출구인 경우를 예시하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
중공사막 모듈(F)은 도 7 및 도 9와 같이 복수의 중공사막들이 집적된 중공사막 다발이거나, 도 6 및 도 8과 같이 중공사막들 또는 중공사막 다발들이 수용된 중공사막 카트리지들일 수 있다. 도 6 및 도 8에서 복수의 중공사막 카트리지들이 중공사막 모듈(F)을 형성하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 하나의 중공사막 카트리지로 중공사막 모듈(F)을 형성할 수도 있다. 이하의 설명에서는 도 6에 도시된 복수의 카트리지들(C)로 중공사막 모듈(F)을 형성하고, 폭 방향 단면 형상이 다각형인 막가습기를 예시로 설명하지만, 이는 도 7 내지 도 9의 막가습기에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 카트리지(C)의 형상도 단면의 형상이 원형 또는 사각형인 경우를 예시하였으나, 카트리지(C)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
캡 케이스(120)는 미들 케이스(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 캡 케이스(120)에는 유체 출입구(121)가 형성되어 있으며, 이 중 하나는 제1 유체 유입구가 되고, 나머지 하나는 제1 유체 유출구가 된다. 일측 캡 케이스(120)의 유체 출입구(121)로 유입된 제1 유체는 중공사막 카트리지(C, 도 1 참조) 내부에 수용된 중공사막의 내부 관로를 통과한 후, 타측 캡 케이스(120)의 유체 출입구(121)로 빠져나가게 된다. 중공사막은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone), 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PS), 폴리에테르설폰(PES) 재질의 중공사막이 될 수 있다.
중공사막 카트리지(C)의 일단에는 제2 유체 유입구(111)를 통해 막가습기로 유입된 제2 유체가 중공사막 카트리지의 내부로 유입되게 하는 제1 메쉬부(M1, 도 1 참조)가 형성되고, 타단에는 중공사막 카트리지 내부에서 수분 교환을 수행한 제2 유체가 중공사막 카트리지 외부로 유출되도록 하는 제2 메쉬부(M2, 도 1 참조)가 형성될 수 있다. 중공사막 카트리지(C)의 양 측면은 격벽(211, 212, 도 10 참조)에 끼워져서 모듈 삽입부(210)에 삽입된다. 또한, 선택적으로 중공사막 카트리지의 양 측면에는 걸림턱(미도시)이 형성될 수 있고, 중공사막 카트리지가 모듈 삽입부(210)에 삽입될 때, 걸림턱은 모듈 삽입부(210)를 이루는 격벽(211, 212)에 걸쳐서 끼워질 수 있다.
중공사막 카트리지 또는 중공사막 다발의 양단부에는 중공사막들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(P)가 형성된다. 이로써, 중공사막 모듈의 양단부는 포팅부(P)에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. 포팅부(P) 주위에는, 포팅부(P)와 미들 케이스(110) 사이를 채우는 수지층 (E)이 형성되거나, 기계적으로 조립을 통해 포팅부(P)와 미들 케이스(110) 사이를 기밀하게 결합하는 가스켓 조립체(미도시)가 형성될 수 있다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 미들 케이스 일부가 도시된 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 미들 케이스(110)의 내부에는 모듈 삽입부(210)와 능동형 압력 버퍼부(220)가 형성된다.
모듈 삽입부(210)에는 복수의 중공사막이 수용된 중공사막 카트리지(C)가 삽입된다. 모듈 삽입부(210)는 복수의 중공사막 카트리지(C)가 각각 삽입될 수 있도록 복수의 격벽(211, 212)으로 이루어진다. 한편, 단일의 중공사막 카트리지로 중공사막 모듈(F)을 이루는 경우, 내측 격벽(211)은 생략될 수 있다. 이 경우, 모듈 삽입부(210)는 외측 격벽(212)으로만 이루어질 수 있다.
미들 케이스의 내벽(110a)은 모듈 삽입부(210)의 외측 격벽(212)과 이격되어 형성된다. 외측 격벽(212)과 미들 케이스의 내벽(110a)이 이격 형성됨으로써 생기는 공간(S, 도 14 참조)은 능동형 압력 버퍼부(220)를 형성한다. 능동형 압력 버퍼부(220)는 외측 격벽(212)과 미들 케이스의 내벽(110a) 사이에 형성되는 경사 구조체(221)를 더 포함할 수 있다.
능동형 압력 버퍼부(220)는 외측 격벽(212)의 둘레를 걸쳐 형성될 수 있다. 능동형 압력 버퍼부(220)는 유체 유동공간(A)과 유체 유동공간(B)를 격리시켜서 유체가 중공사막 카트리지(C)를 통해서만 유동되도록 한다.
또한, 능동형 압력 버퍼부(220)의 일 구성인 경사 구조체(221)는, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에 의해, 미들 케이스(110)에 형성된 유체 유입구(111)에서 유입되는 제2 유체의 압력(내부 압력 P1)이 막가습기 외부의 대기압(외부 압력 P2) 보다 매우 큰 경우에도 압력 차에 의한 외측 격벽(212)의 외측 팽창을 방지하거나 또는 압력차를 해소시켜서 가습 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 경사 구조체(221)에 대해 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 도 11 내지 도 13은 능동형 압력 버퍼부(220)의 일 구성인 경사 구조체(221)의 팽창 압력에 따른 상태 변화를 확대 도시한 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 경사 구조체(221)는 제1 경사부재(221a)와 제2 경사부재(221b)를 포함한다. 제1 경사부재(221a)는 외측 격벽(212)에 고정되며 미들 케이스(110) 방향으로 돌출되되, 미들 케이스(110)의 내벽(110a)과 이격될 수 있도록 형성된다. 제2 경사부재(221b)는 미들 케이스(110)의 내벽(110a)에 형성되며 외측 격벽(212) 방향으로 돌출되되, 외측 격벽(212)과 이격될 수 있도록 형성된다.
또한, 제1 경사부재(221a)와 제2 경사부재(221b) 각각에는 적어도 하나 이상의 바이패스홀(221aa, 221ba)이 형성될 수 있다. 바이패스홀(221aa, 221ba)은 외측 격벽(212)과 미들 케이스(110) 사이의 팽창 압력 크기에 따라 적어도 부분적으로 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있다.
연료전지의 저출력 상황 또는 정상 출력 상황에서, 팽창 압력(제2 유체의 압력)이 정상적인 경우, 바이패스홀(221aa, 221ba)은 경사부재(221a, 221b)에 의해 닫혀진 상태가 된다. (도 11 참조) 즉, 제1 경사부재(221a)의 바이패스홀(221aa)은 제2 경사부재(221b)에 의해 닫혀진 상태가 되고, 제2 경사부재(221b)의 바이패스홀(221ba)은 제1 경사부재(221a)에 의해 닫혀진 상태가 된다.
연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서, 제2 유체의 압력이 상대적으로 크게 되면, 큰 압력 차에 의해 미들 케이스(110)는 팽창 압력을 받게 되어 외측으로 팽창(E1로 표시)하게 된다. 이때, 미들 케이스(110)에 형성된 제2 경사부재(221b)가 미들 케이스(110)와 함께 외측으로 팽창하면서, 제1 경사부재(221a)의 표면을 타고 미끄러지면서 하나의 바이패스홀(221aa, 221ba)이 개방된 상태가 된다. (도 12 참조)
고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 지속되거나 더 악화되면 제2 유체의 압력이 더욱 커지게 되고, 제2 경사부재(221b)는 제1 경사부재(221a)의 표면을 타고 더욱 더 미끄러지면서 복수개의 바이패스홀(221aa, 221ba)이 개방된 상태가 된다. (도 13 참조)
도 12 및 13과 같이 적어도 하나의 바이패스홀(221aa, 221ba)이 개방된 상태가 되면, 유체 유동공간(A)의 유체가 바이패스홀(221aa, 221ba)을 통해 유체 유동공간(B)로 유동한 후, 제2 메쉬부(M2) 및 제2 유체 유출구(112)를 통해 배출되면서 유체 유동공간(A)를 유동하는 유체의 압력을 해소할 수 있게 된다.
이후, 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 해소될 경우, 즉, 연료전지가 저출력 상황 또는 정상 출력 상황으로 복귀할 경우, 제2 유체의 압력이 상대적으로 작아지게 되므로, 팽창 압력이 점점 작아지게 되고 제2 경사부재(221b)는 외측 격벽(212) 방향으로 복귀하게 된다. 이에 따라, 슬라이딩 공간(SS)은 원상태로 복귀하면서 바이패스홀(221aa, 221ba)은 다시 닫힘 상태가 되어 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈(F)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 된다. (도 14 참조)
한편, 제2 유체의 압력이 더욱 커지면, 제1 경사부재(221a)와 제2 경사부재(221b)가 접촉한 상태를 벗어날 수도 있으나, 운전시의 제2 유체의 압력 범위를 획득하고, 이로부터 제1 경사부재(221a)와 제2 경사부재(221b)의 경사각 및/또는 각 부재의 길이를 실험에 의해 적절히 설정하면 제1 경사부재(221a)와 제2 경사부재(221b)의 접촉 상태가 유지되도록 할 수 있다.
이와 같이 구성되는 능동형 압력 버퍼부(220)는, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지와 외측 격벽 사이에 갭이 발생하는 것을 방지하거나 또는 압력차를 해소시켜서 가습 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이에 대해, 도 14를 참조하면, 격벽들(211, 212) 사이에 중공사막 카트리지(C)가 배치되고, 연료전지 스택(미도시)에서 배출되어 제2 유체 유입구(111)로 유입된 제2 유체는, 제1 메쉬부(M1)를 통해 카트리지(C) 내부로 유입되어 중공사막 외부를 흐르면서 수분 교환을 수행한 후, 제2 메쉬부(M2)를 통해 카트리지 외부로 유출된다. 이때, 중공사막 카트리지(C)를 통해 유동하는 유체의 압력(P1)이 동일하므로, 내측 격벽(211) 양 측의 압력은 평형을 이루어서 변형이 발생하지 않는다.
한편, 외측 격벽(212)에서는, 일 측에는 중공사막 카트리지(C)를 통해 고압(P1)의 제2 유체가 유동하고, 타 측에서는 중공사막 카트리지(C)를 유동하지 않는 고압(P1')의 제2 유체가 유동한다. 외측 격벽(212) 양 측을 유동하는 제2 유체는 실질적으로 동일한 압력(P1=P1')을 가지므로, 외측 격벽(212) 양 측의 압력은 평형을 이루어서 변형이 발생하지 않는다.
한편, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서, 능동형 압력 버퍼부(220)를 유동하는 제2 유체의 압력(P1)과 미들 케이스(110) 외부의 대기압(P2) 간의 압력차가 클 경우에는, 경사 구조체(221)의 제2 경사부재(221b)가 미들 케이스(110)와 함께 외측으로 팽창할 뿐, 제1 경사부재(221a)는 외측 격벽(212)에 고정된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 외측 격벽(212)과 중공사막 카트리지(C)의 기밀성은 유지되어, 제2 유체가 외측 격벽(212)과 중공사막 카트리지(C) 사이로 유출되지 않는다.
한편, 능동형 압력 버퍼부(220)로 유입된 제2 유체는 경사 구조체(221)에서 터닝한 후, 중공사막 카트리지(C) 내부로 흐르게 된다. 따라서, 종래와는 달리, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(212) 사이에는 갭(gap)이 발생하지 않게 되어, 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈(F)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 되고, 그 결과 가습 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
나아가, 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 지속되거나 더 악화되면 제2 유체의 압력이 더욱 커지게 되고, 제2 경사부재(221b)가 제1 경사부재(221a)의 표면을 타고 미끄러지면서 경사부재(221a, 221b)에 의해 닫혀진 상태에 있던 바이패스홀(221aa, 221ba)은 개방된 상태가 된다. 바이패스홀(221aa, 221ba)이 개방된 상태가 되면, 유체 유동공간(A)의 유체가 바이패스홀(221aa, 221ba)을 통해 유체 유동공간(B)로 유동한 후, 제2 메쉬부(M2) 및 제2 유체 유출구(112)를 통해 배출되면서 유체 유동공간(A)를 유동하는 유체의 압력을 해소할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 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.
110 : 미들 케이스 120 : 캡 케이스
210 : 모듈 삽입부 211 : 내측 격벽
212 : 외측 격벽 220 : 능동형 압력 버퍼부
221 : 경사 구조체 221a : 제1 경사부재
221b : 제2 경사부재 221ab, 221ba : 바이패스홀
A, B : 유체 유동공간
C : 중공사막 카트리지
F : 중공사막 모듈

Claims (6)

  1. 미들 케이스의 내벽과 이격되어 형성된 외측 격벽을 포함하는 모듈 삽입부가 내부에 형성된 미들 케이스;
    상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스;
    상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및,
    상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동형 압력 버퍼부는 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스의 내벽 사이에 형성되는 경사 구조체를 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 경사 구조체는,
    상기 외측 격벽에 고정되며 상기 미들 케이스 방향으로 돌출되되, 상기 미들 케이스의 내벽과 이격될 수 있도록 형성된 제1 경사부재와,
    상기 미들 케이스의 내벽에 형성되며 상기 외측 격벽 방향으로 돌출되되, 상기 외측 격벽과 이격될 수 있도록 형성된 제2 경사부재와,
    상기 제1 경사부재와 제2 경사부재 중 적어도 어느 하나에 형성되며, 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스 사이의 팽창 압력 크기에 따라 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있는 바이패스홀
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 경사부재와 제2 경사부재는 2 이상의 바이패스홀을 구비하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 팽창 압력이 점점 증가하면, 상기 제2 경사부재는 상기 제1 경사부재의 표면을 타고 미끄러지면서 2 이상의 바이패스홀이 순차적으로 개방 상태가 되는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막들이 집적된 적어도 하나 이상의 중공사막 다발 또는 복수의 중공사막들이 수용된 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지를 포함하는 연료전지 막가습기.
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Citations (1)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101896333B1 (ko) * 2016-10-04 2018-09-07 현대자동차 주식회사 연료전지용 가습기
KR102170523B1 (ko) * 2017-11-15 2020-10-27 주식회사 하이필 연료전지 막가습기
KR20210011204A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190138288A (ko) 2018-06-04 2019-12-12 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기

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