KR20220127539A - Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it - Google Patents

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김경주
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of achieving the simplification of a fuel cell system and miniaturizing the fuel cell system by performing humidification by water exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier, and the fuel cell system including the same. The fuel cell membrane humidifier according to one embodiment of the present invention comprises: a housing part including a humidification module including a plurality of hollow fiber membranes in which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside and a heat exchange module cooling the first fluid, wherein the heat exchange module is formed in a concentric circle structure with the humidification module; and an active flow regulating part which actively regulates a flow direction of the first fluid according to a temperature change of the first fluid in response to an output state of a fuel cell stack.

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 {Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it}Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it

본 발명은 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same, and more particularly, by performing humidification by water exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier, simplifying the fuel cell system and the size of the fuel cell system It relates to a fuel cell membrane humidifier capable of realizing the miniaturization of a fuel cell and a fuel cell system including the same.

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. A fuel cell is a power generation type cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage batteries, fuel cells can continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and there is no heat loss, so the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.

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. In addition, since the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, the emission of pollutants is low. Accordingly, the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.

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. These fuel cells are largely classified according to the type of electrolyte used: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Solid Oxide Fuel Cell ( SOFC), and alkaline fuel cells (AFCs).

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.Although each of these fuel cells operates based on the same principle, the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is known to be the most promising not only in small-scale stationary power generation equipment but also in transportation systems because it operates at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high power density.

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. One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell is supplying a certain amount of moisture to the polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane: PEM) of the membrane-electrode assembly (MEA). This is to maintain the moisture content. This is because when the polymer electrolyte membrane is dried, the power generation efficiency is rapidly reduced.

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. As a method of humidifying a polymer electrolyte membrane, 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by filling a pressure-resistant container with water and passing a target gas through a diffuser, 2) the amount of supplied water required for fuel cell reaction There are a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.

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.Among them, the humidification membrane method of humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.

가습 막 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 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. The selective permeable membrane used in the humidification membrane method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, the high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, low-cost materials can be used, and the fuel cell discharges at a high temperature. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering moisture and heat contained in the unreacted gas.

한편, 연료전지 시스템에서 압축기 또는 블로워로부터 발생하는 고온의 건조공기는 막가습기를 통해 연료전지 스택으로 유입된다. 이때, 고온의 건조공기는 연료전지 스택의 운전 조건에 적합하도록 에어쿨러와 같은 열교환 장치를 거쳐 열교환이 이루어진 후, 막가습기를 통해 가습되어 연료전지 스택에 공급된다.Meanwhile, in the fuel cell system, high-temperature dry air generated from a compressor or blower is introduced into the fuel cell stack through a membrane humidifier. In this case, the high temperature dry air is heat-exchanged through a heat exchange device such as an air cooler to suit the operating conditions of the fuel cell stack, and then is humidified through a membrane humidifier and supplied to the fuel cell stack.

현재는 이러한 열교환과 가습(수분 제어)을 위해 열교환 장치와 막가습기를 직렬로 배치하고 있는데, 이는 막가습기와 블로워 사이에 추가적인 에어쿨러의 설치가 필요하게 한다.Currently, a heat exchange device and a membrane humidifier are arranged in series for such heat exchange and humidification (moisture control), which requires the installation of an additional air cooler between the membrane humidifier and the blower.

그러나, 에어쿨러는 부피 자체가 크기 때문에 패키지 적용에 불리하며, 블로워에 의해 압축된 공기의 압력 손실을 증가시키며, 냉각수 유로가 부가적으로 요구되어 설비가 복잡해고 소형화에 불리하는 문제점이 있다.However, since the air cooler has a large volume, it is disadvantageous to package application, increases the pressure loss of the air compressed by the blower, and requires an additional cooling water flow path, thereby complicating the equipment and disadvantageous in miniaturization.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0013304 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0057773 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0128005 대한민국 공개특허 제10-2000-0108092호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2000-0108092 대한민국 공개특허 제10-2000-0131631호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2000-0131631 대한민국 공개특허 제10-2001-0001022호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0001022 대한민국 공개특허 제10-2001-0006122호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0006122 대한민국 공개특허 제10-2001-0006128호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0006128 대한민국 공개특허 제10-2001-0021217호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0021217 대한민국 공개특허 제10-2001-0026696호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0026696 대한민국 공개특허 제10-2001-0063366호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0063366

본 발명은 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a fuel cell membrane humidifier capable of implementing humidification by water exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier, thereby simplifying the fuel cell system and reducing the size of the fuel cell system, and a fuel cell system including the same aim to do

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,A fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention,

내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈이 상기 가습 모듈과 동심원 구조로 형성되는 하우징부; 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부;를 포함한다.A humidifying module including a plurality of hollow fiber membranes in which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside, and a housing unit in which a heat exchange module for cooling the first fluid is formed in a concentric circular structure with the humidification module; and an active flow rate control unit configured to actively control a flow direction of the first fluid according to a temperature change of the first fluid according to an output state of the fuel cell stack.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는, 제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와, 상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the active-type flow rate control unit comprises: a negative thermal expansion member that expands in a first temperature range and contracts in a second temperature range greater than the first temperature range; It may include a thermal expansion member that contracts in one temperature range and expands in the second temperature range.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the negative thermal expansion member may include bismuth (Bi).

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the negative thermal expansion member is an oxide of bismuth (Bi), lanthanum (La) and nickel (Ni) or bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel ( oxides of Ni).

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈이 내부에 동심원 구조로 형성되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 양의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되고, 상기 음의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 중앙에 형성될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the housing part includes a housing body in which the humidification module and the heat exchange module are formed in a concentric circle structure, and coupled to both ends of the housing body, the first and a housing cap each having a first fluid inlet through which a fluid flows and a first fluid outlet through which the first fluid flows, wherein the positive thermal expansion member is formed on an inner wall of the first fluid inlet, and the negative thermal expansion member is formed on an inner wall of the first fluid inlet. The member may be formed in the center of the first fluid inlet.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징 몸체에는, 상기 가습 모듈과 유체 연통하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구가 형성되고, 상기 열교환 모듈과 유체 연통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성될 수 있다. In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, a second fluid inlet and a second fluid outlet are formed in the housing body in fluid communication with the humidification module, and a cooling medium inlet in fluid communication with the heat exchange module; A cooling medium outlet may be formed.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the housing unit includes a cooling medium inlet for supplying a cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which a cooling medium that has been cooled is discharged. The medium inlet may be connected to a bypass flow path that bypasses at least a portion of the outside air introduced into the air compression means.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,In addition, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention,

외기를 공급받아서 압축하여 제1 유체를 발생시키는 공기 압축수단; 수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈이 상기 가습 모듈과 동심원 구조로 형성되는 하우징부와, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기를 포함한다.an air compression means for receiving and compressing external air to generate a first fluid; a fuel cell stack for generating a second fluid of heat and high humidity by reacting hydrogen and oxygen; A humidification module for humidifying the first fluid using moisture exchange between the first fluid compressed by the air compression means and the second fluid discharged from the fuel cell stack and a heat exchange module for cooling the first fluid are the humidification module A fuel cell membrane humidifier comprising: a housing formed in a concentric circular structure with the fuel cell stack; includes

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는, 제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와, 상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the active flow rate control unit includes a negative thermal expansion member that expands in a first temperature range and contracts in a second temperature range greater than the first temperature range, and the first It may include a thermal expansion member that contracts in the temperature range and expands in the second temperature range.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the negative thermal expansion member may include bismuth (Bi).

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는, 비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the negative thermal expansion member is an oxide of bismuth (Bi), lanthanum (La) and nickel (Ni) or bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel (Ni) ) may contain oxides of

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈이 내부에 동심원 구조로 형성되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 양의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되고, 상기 음의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 중앙에 형성될 수 있다.In the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the housing part includes a housing body in which the humidification module and the heat exchange module are formed in a concentric circle structure, and is coupled to both ends of the housing body, and the first fluid and a housing cap having a first fluid inlet through which is introduced and a first fluid outlet through which the first fluid flows, respectively, wherein the positive thermal expansion member is formed on an inner wall of the first fluid inlet, and the negative thermal expansion member may be formed in the center of the first fluid inlet.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징 몸체에는, 상기 가습 모듈과 유체 연통하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구가 형성되고, 상기 열교환 모듈과 유체 연통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성될 수 있다. In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, a second fluid inlet and a second fluid outlet are formed in the housing body in fluid communication with the humidifying module, and a cooling medium inlet and cooling fluid communicating with the heat exchange module are formed. A media outlet may be formed.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the housing unit includes a cooling medium inlet for supplying a cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which a cooling medium that has been cooled is discharged, and the cooling medium The inlet may be connected to a bypass passage that bypasses at least a portion of the outside air introduced into the air compression means.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of implementations according to various aspects of the invention are included in the detailed description below.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, it is possible to implement the simplification of the fuel cell system and the miniaturization of the size of the fuel cell system by performing humidification by moisture exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 A-A' 라인에서 바라본 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 유량 조절부가 확대 도시된 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 유량 조절부의 동작 상태가 확대 도시된 단면도이다.
도 9는 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이다.
도 10은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 허니콤 방식의 열교환 모듈이다.
도 11은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 플레이트 방식의 열교환 모듈이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예가 도시된 도면이다.1 is a view showing a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
3 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
4 is a side cross-sectional view of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention as viewed from line AA′.
5 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
6 is an enlarged cross-sectional view of an active flow rate control unit of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are enlarged cross-sectional views illustrating an operating state of an active flow rate control unit of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a shell-and-tube type heat exchange module.
10 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a honeycomb heat exchange module.
11 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a plate type heat exchange module.
12 to 14 are diagrams for explaining an operation process of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating another example of a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.

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.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대해 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'comprise' or 'have' are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, and one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)을 포함한다.1 is a view showing a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention. 1 , the fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes an air compression means 10 , a fuel cell membrane humidifier 20 , and a fuel cell stack 30 .

공기 압축수단(10)은 외기 공급유로(L1)로부터 외기를 공급받아서 압축하여 연료전지 막가습기(20)로 공급한다. 공기 압축수단(10)은, 공기 등의 유체를 압축하는 장치이며, 예를 들어 블로워(blower), 압축기(compressor) 등이 될 수 있다.The air compression means 10 receives and compresses outdoor air from the outdoor air supply passage L1 and supplies it to the fuel cell membrane humidifier 20 . The air compression means 10 is a device for compressing a fluid such as air, and may be, for example, a blower, a compressor, or the like.

연료전지 막가습기(20)는 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기를 공급받는다. 또한, 연료전지 막가습기(20)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 배출가스를 공급받는다. The fuel cell membrane humidifier 20 receives compressed dry air from the air compression means 10 . In addition, the fuel cell membrane humidifier 20 receives the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 30 .

연료전지 막가습기(20)의 가습 모듈(200)에서는, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)와 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스가 수분 교환을 한다. 수분 교환 결과, 건조 공기는 수분을 함유한 채로 연료전지 스택(30)으로 공급된다.In the humidification module 200 of the fuel cell membrane humidifier 20, at least a portion of the dry air compressed by the air compression means 10 (which may be all or zero depending on operating conditions) and the fuel cell stack 30 are discharged The high-humidity exhaust gas exchanges moisture. As a result of the moisture exchange, the dry air is supplied to the fuel cell stack 30 while containing moisture.

운전 조건에 따라, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)는 가습 모듈(200)에서 가습되지 않고, 열교환 모듈(300)을 통과하면서 열만 교환하여 고온의 건조공기에서 저온의 건조공기가 된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 수분을 함유한 공기와 혼합되면서 연료전지 스택(30)으로 공급될 수 있다. 도면 부호 100은 하우징부이다.According to the operating conditions, at least a part of the dry air compressed by the air compression means 10 (which may be all or zero depending on the operating conditions) is not humidified in the humidification module 200 , but passes through the heat exchange module 300 . After only heat is exchanged from high temperature dry air to low temperature dry air, it may be supplied to the fuel cell stack 30 while being mixed with the air containing moisture that has passed through the humidification module 200 . Reference numeral 100 denotes a housing part.

연료전지 스택(30)은 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다. 단위 셀들은 막-전극 접합체와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 접합체의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성한다. 막-전극 접합체는 일면에 연료극을 형성하고, 다른 일면에 공기극을 형성하며, 이들 연료극과 공기극 사이에 전해질 막을 형성하는 구조로 이루어진다.The fuel cell stack 30 is composed of an electricity generating assembly in which a plurality of unit cells are continuously arranged, and each unit cell is provided as a unit fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction of hydrogen and air. . The unit cells include a membrane-electrode assembly and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly to be in close contact with each other. The separator is formed in the form of a plate having conductivity, and forms channels for flowing fuel and air to the adhesion surface of the membrane-electrode assembly, respectively. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode is formed on one surface, an anode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between the anode and the cathode.

연료극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질 막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다. 그리고, 공기극은 연료극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 수소와 산소의 반응 결과 생긴 고습의 배출가스는 연료전지 스택(30)에서 연료전기 막가습기(20)로 공급된다.The anode oxidizes hydrogen supplied through the channel of the separator to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane functions to move hydrogen ions to the cathode. In addition, the cathode functions to generate water and heat by reducing the electrons, hydrogen ions, and oxygen in the air received through the separator channel from the anode side. The high-humidity exhaust gas generated as a result of the reaction of hydrogen and oxygen is supplied from the fuel cell stack 30 to the fuel cell membrane humidifier 20 .

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수분 교환을 위한 하나의 하우징부(100) 내에 가습 모듈(200)과 열교환을 위한 열교환 모듈(300)이 병렬 방식으로 일체화되어 연료전지 시스템을 간소화시키고, 연료전지 시스템의 크기를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, in the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the humidification module 200 and the heat exchange module 300 for heat exchange are integrated in a single housing part 100 for water exchange in a parallel manner to form a fuel cell system. It has the advantage of simplifying the fuel cell system and reducing the size of the fuel cell system.

이하, 도 2 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)를 설명한다.Hereinafter, a fuel cell membrane humidifier 20 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 14 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 A-A' 라인에서 바라본 측단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.2 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an embodiment of the present invention It is a cross-sectional side view of the fuel cell membrane humidifier according to the example taken along line A-A', and FIG. 5 is a plan view showing the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)는, 하우징부(100)와 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)과 능동형 유량 조절부(400)를 포함한다.2 to 5 , the fuel cell membrane humidifier 20 according to an embodiment of the present invention includes a housing 100 , a humidification module 200 , a heat exchange module 300 , and an active flow rate control unit. (400).

하우징부(100)는 막가습기(20)의 외형을 이룬다. 하우징부(100)는 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. The housing part 100 forms the outer shape of the membrane humidifier 20 . The housing part 100 may include the housing body 110 and the housing caps 120 , and may be integrally combined with them. The housing body 110 and the housing cap 120 may be made of a hard plastic such as polycarbonate or a metal.

하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폭 방향 단면 형상이 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.The housing body 110 and the housing cap 120 may have a polygonal or circular cross-sectional shape in the width direction. The polygon may be a rectangle, a square, a trapezoid, a parallelogram, a pentagon, or a hexagon, and the polygon may have a rounded corner. In addition, the circular shape may be an elliptical shape.

하우징 몸체(110) 내에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300)이 동심원 구조로 형성된다. 도 2 내지 도 5에서 하우징 몸체(110)의 중앙에 가습 모듈(200)이 형성되고, 가습 모듈(200)의 외부에 열교환 모듈(300)이 형성된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 중앙에 열교환 모듈(300)이 형성되고, 열교환 모듈(300) 외부에 가습 모듈(200)이 형성될 수도 있다.In the housing body 110 , a humidification module 200 for exchanging moisture and a heat exchange module 300 for cooling by heat exchange are formed in a concentric circle structure. 2 to 5 illustrate that the humidification module 200 is formed in the center of the housing body 110 and the heat exchange module 300 is formed on the outside of the humidification module 200, but is not necessarily limited thereto, The heat exchange module 300 may be formed in the center, and the humidification module 200 may be formed outside the heat exchange module 300 .

하우징 몸체(110)에는, 가습 모듈(200)과 유체 연통하는 제2 유체 유입구(131) 및 제2 유체 유출구(132)가 형성되고, 열교환 모듈(300)과 유체 연통하는 냉각매체 유입구(141) 및 냉각매체 유출구(142)가 형성될 수 있다. 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 보다 구체적으로 제1 유체는 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기이고, 제2 유체는 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스일 수 있다.A second fluid inlet 131 and a second fluid outlet 132 are formed in the housing body 110 in fluid communication with the humidification module 200 , and a cooling medium inlet 141 in fluid communication with the heat exchange module 300 . And a cooling medium outlet 142 may be formed. The first fluid may be a low-humidity fluid, and the second fluid may be a high-humidity fluid. More specifically, the first fluid may be dry air compressed by the air compression means 10 , and the second fluid may be high-humidity exhaust gas discharged from the fuel cell stack 30 .

제2 유체 유입구(131) 및 제2 유체 유출구(132)는 열교환 모듈(300)을 관통하여 형성될 수 있다. 제2 유체 유입구(131) 및 제2 유체 유출구(132)는 가습 모듈(200)과 일체로 형성되거나, 또는 가습 모듈(200)에 삽입되는 중공형 파이프일 수 있다. 이때, 가습 모듈(200)에는 중공형 파이프가 삽입 고정되는 삽입구가 형성될 수 있다.The second fluid inlet 131 and the second fluid outlet 132 may be formed through the heat exchange module 300 . The second fluid inlet 131 and the second fluid outlet 132 may be integrally formed with the humidification module 200 or may be a hollow pipe inserted into the humidification module 200 . At this time, the humidification module 200 may be formed with an insertion hole into which the hollow pipe is inserted and fixed.

물론, 하우징 몸체(110)의 중앙에 열교환 모듈(300)이 형성되고, 열교환 모듈(300) 외부에 가습 모듈(200)이 형성되는 경우, 부호 131과 132 각각은 냉각매체 유입구와 냉각매체 유출구가 될 수 있고, 부호 141과 142 각각은 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구가 될 수 있다.Of course, when the heat exchange module 300 is formed in the center of the housing body 110 and the humidification module 200 is formed outside the heat exchange module 300, reference numerals 131 and 132 denote a cooling medium inlet and a cooling medium outlet respectively. may be, and symbols 141 and 142 may be a second fluid inlet and a second fluid outlet, respectively.

열교환 모듈(300)에 의한 냉각 방식은, 공냉식 또는 수냉식일 수 있으며, 냉각매체는 외부에서 공급된 공기 또는 물일 수 있다.The cooling method by the heat exchange module 300 may be an air cooling type or a water cooling type, and the cooling medium may be air or water supplied from the outside.

하우징 캡(120)은 하우징 몸체(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120)에는 제1 유체 유입구(121) 및 제1 유체 유출구(122)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121)가 형성된 하우징 캡(120)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 능동형 유량 조절부(400)가 형성된다. 능동형 유량 조절부(400)에 대해서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 후술한다.The housing cap 120 is coupled to both ends of the housing body 110 . Each housing cap 120 is formed with a first fluid inlet 121 and a first fluid outlet 122 . An active flow rate control unit 400 for controlling the flow direction of the introduced first fluid is formed in the housing cap 120 in which the first fluid inlet 121 is formed. The active flow rate control unit 400 will be described later with reference to FIGS. 6 to 8 .

제1 유체 유입구(121)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 가습 모듈(200) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 열교환 모듈(300) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 유입될 수 있다.At least a portion of the first fluid introduced into the first fluid inlet 121 flows into the humidification module 200 , and the remaining portion flows into the heat exchange module 300 . All of the first fluid may be introduced into the humidification module 200 or the heat exchange module 300 according to operating conditions.

가습 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(H)이 수용된 중공사막 다발이 배치될 수 있다. 또는, 복수의 중공사막이 수용된 복수의 카트리지(C)가 배치될 수 있다. 중공사막(H)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질, 폴리이미드(polyimide) 재질, 폴리설폰(polysulfone) 재질, 폴리에스테르설폰(polyether sulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다. 중공사막(H)은 수분 교환의 정도 차이는 있으나, 대체적으로 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분을 교환하는 기능을 수행한다.A hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes H for selectively passing moisture are accommodated may be disposed inside the humidification module 200 . Alternatively, a plurality of cartridges (C) in which a plurality of hollow fiber membranes are accommodated may be disposed. The hollow fiber membrane (H) is, for example, a Nafion material, a polyetherimide material, a polyphenylsulfone material, a polyimide material, a polysulfone material, and a polyester sulfone material. It may be a hollow fiber membrane made of (polyether sulfone) material. Although there is a difference in the degree of moisture exchange, the hollow fiber membrane H generally performs a function of exchanging moisture between the first fluid and the second fluid.

가습 모듈(200)로 유입된 제1 유체는 중공사막의 내부 관로를 통과하고 가습 모듈(200) 외부로 유출된 후, 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다.The first fluid introduced into the humidification module 200 passes through the inner conduit of the hollow fiber membrane, flows out of the humidification module 200, is mixed with the first fluid that has passed through the heat exchange module 300, and is mixed with the first fluid outlet ( 122) and flows into the fuel cell stack 30 .

가습 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(H)들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(미도시)가 형성된다. 이로써, 가습 모듈(200)은 양단부가 포팅부에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.A potting part (not shown) is formed at both ends of the humidification module 200 to fill the voids between the hollow fiber membranes while binding the hollow fiber membranes (H). As a result, both ends of the humidification module 200 are blocked by the potting part, and a flow path through which the second fluid passes is formed. The material of the potting part is according to a known bar, and a detailed description thereof will be omitted herein.

도 6을 참조하여 능동형 유량 조절부(400)에 대해 설명한다. 도 6은 능동형 유량 조절부(400)가 확대 도시된 단면도이다. 도 6 내지 도 8에서 좌측 도면은 단면도의 일부이며, 우측 도면은 능동형 유량 조절부(400)를 제1 유체의 유동 방향으로 바라본 도면이다. The active flow rate control unit 400 will be described with reference to FIG. 6 . 6 is an enlarged cross-sectional view of the active flow rate controller 400 . 6 to 8 , the left drawing is a part of a cross-sectional view, and the right drawing is a view looking at the active flow rate controller 400 in the flow direction of the first fluid.

도 6을 참조하면, 능동형 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 출력상태에 따라 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입되는 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. 능동형 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. Referring to FIG. 6 , the active flow rate controller 400 adjusts the flow direction of the first fluid flowing into the humidification module 200 and the heat exchange module 300 according to the output state of the fuel cell stack. The active flow rate controller 400 actively adjusts the flow direction of the first fluid according to a temperature change of the first fluid according to the high or low output of the fuel cell stack.

능동형 유량 조절부(400)는 양의 열팽창부재(410)와 음의 열팽창부재(420)를 포함한다. 양의 열팽창부재(410)는 제1 유체 유입구(121)의 내벽에 형성되고, 음의 열팽창부재(420)는 제1 유체 유입구(121)의 중앙에 형성될 수 있다. 제1 유체 유입구(121)에는 음의 열팽창부재(420)를 중앙에 위치시키면서 지지하는 지지부재(421)가 형성될 수 있다. 양의 열팽창부재(410)과 음의 열팽창부재(420)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 양의 열팽창부재(410)는 링 형상으로 형성되고, 음의 열팽창부재(420)는 구 형상으로 형성될 수 있다.The active flow rate control unit 400 includes a positive thermal expansion member 410 and a negative thermal expansion member 420 . The positive thermal expansion member 410 may be formed on the inner wall of the first fluid inlet 121 , and the negative thermal expansion member 420 may be formed at the center of the first fluid inlet 121 . A support member 421 for supporting the negative thermal expansion member 420 may be formed at the center of the first fluid inlet 121 . The shapes of the positive thermal expansion member 410 and the negative thermal expansion member 420 are not particularly limited, but, for example, the positive thermal expansion member 410 is formed in a ring shape, and the negative thermal expansion member 420 is It may be formed in a spherical shape.

양의 열팽창부재(410)는 제1 온도 범위에서 수축하고, 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 팽창하는 열팽창 물질을 포함할 수 있다. 즉, 양의 열팽창부재(410)는 저온에서는 수축하고 고온에서는 팽창하는 열팽창 물질을 포함할 수 있다.The positive thermal expansion member 410 may include a thermally expandable material that contracts in a first temperature range and expands in a second temperature range greater than the first temperature range. That is, the positive thermal expansion member 410 may include a thermally expandable material that contracts at a low temperature and expands at a high temperature.

음의 열팽창부재(420)는 제1 온도 범위에서 팽창하고, 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창 물질을 포함할 수 있다. 음의 열팽창부재(420)는 저온에서는 팽창하고 고온에서는 수축할 수 있다.The negative thermal expansion member 420 may include a negative thermal expansion material that expands in a first temperature range and contracts in a second temperature range greater than the first temperature range. The negative thermal expansion member 420 may expand at a low temperature and contract at a high temperature.

대부분의 물질은 온도가 상승하면 열 팽창에 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.Most materials increase in length or volume according to thermal expansion when the temperature rises, but on the contrary, negative thermal expansion materials have a property of contracting when the temperature rises. The negative thermal expansion material may be a material including bismuth (Bi).

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.Specifically, the negative thermal expansion material may be a material including oxides of bismuth (Bi), lanthanum (La), and nickel (Ni). More specifically, it may be Bi 0.95 La 0.05 NiO 3 (bismuth/lanthanum nickel oxide). Bi 0.95 La 0.05 NiO 3 shows a negative thermal expansion of 82/million (-82Х10 -6 /℃) per 1°C of temperature rise.

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.Also, specifically, the negative thermal expansion material may be a material including oxides of bismuth (Bi), iron (Fe), and nickel (Ni). More specifically, it may be an oxide BiNi 1-x Fe x O 3 (bismuth nickel iron oxide) having a structure called 'perovskite'. BiNi 1-x Fe x O 3 exhibits negative thermal expansion of 187/million (-187Х10 -6 /°C) per 1°C of temperature rise in the temperature region near room temperature. Therefore, compared to Bi 0.95 La 0.05 NiO 3 , Even with half the amount, substantially the same effect can be exhibited.

양의 열팽창부재(410)와 음의 열팽창부재(420)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 하나는 팽창/수축하고 나머지는 그와 반대로 수축/팽창하면서, 밸브 등의 추가 기구없이도 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절할 수 있다. 이에 대해, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.One of the positive thermal expansion member 410 and the negative thermal expansion member 420 expands/contracts according to the temperature change of the first fluid according to the high or low output of the fuel cell stack, and the other expands/contracts in the opposite direction. It is possible to actively control the flow direction of the first fluid without an additional mechanism such as the like. This will be described with reference to FIGS. 7 and 8 .

도 7 및 도 8은 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태가 확대 도시된 단면도이다. 도 7는 고출력 환경에서의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태를 보여주고, 도 8은 저출력 환경에서의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태를 보여준다. 한편, 도 6은 저출력과 고출력 사이의 능동형 유량 조절부(400)의 동작 상태일 수 있다.7 and 8 are enlarged cross-sectional views illustrating the operating state of the active flow rate control unit 400 . 7 shows an operating state of the active flow rate control unit 400 in a high-output environment, and FIG. 8 shows an operating state of the active flow rate control unit 400 in a low-output environment. Meanwhile, FIG. 6 may be an operating state of the active flow rate control unit 400 between a low output and a high output.

연료전지 스택(30)의 출력이 대체적으로 40kW 미만인 경우, 저출력 환경이라 할 수 있다. 저출력 환경에서는 블로워(10)에서 상대적으로 저온의 건조가스가 공급된다. 여기서, 저온은 대략 50℃ 미만의 제1 온도 범위일 수 있다. When the output of the fuel cell stack 30 is generally less than 40 kW, it may be referred to as a low-output environment. In a low-output environment, a relatively low-temperature dry gas is supplied from the blower 10 . Here, the low temperature may be a first temperature range of less than about 50°C.

또한, 연료전지 스택(30)의 출력이 대체적으로 40kW 이상인 경우, 고출력 환경이라 할 수 있다. 고출력 환경에서는 블로워(10)에서 상대적으로 고온의 건조가스가 공급된다. 여기서, 고온은 대략 50 ~ 150℃ 범위로 제1 온도 범위 보다 큰 제2 온도 범위일 수 있다.In addition, when the output of the fuel cell stack 30 is generally 40 kW or more, it may be referred to as a high-output environment. In a high-output environment, a relatively high-temperature dry gas is supplied from the blower 10 . Here, the high temperature may be a second temperature range greater than the first temperature range in a range of approximately 50 to 150°C.

도 7의 고출력 환경에서 상대적으로 고온의 건조가스가 공급된다. 고온의 건조가스에 의해 음의 열팽창부재(420)의 직경은 L10에서 L11로 수축하고, 양의 열팽창부재(410)의 직경은 L20에서 L21로 팽창하게 된다. 이에 따라, 양의 열팽창부재(410)와 음의 열팽창부재(420) 사이의 공간이 좁아지게 된다. 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 양의 열팽창부재(410)와 음의 열팽창부재(420)에 의해 좁아진 공간을 따라 유동하면서 가습 모듈(200) 방향으로 편향하게 된다. 즉, 고출력 환경시 건조가스는 가습 모듈(200)로 유입하게 된다. (도 12 참조)In the high-output environment of FIG. 7 , a relatively high-temperature dry gas is supplied. The diameter of the negative thermal expansion member 420 contracts from L 10 to L 11 by the high temperature drying gas, and the diameter of the positive thermal expansion member 410 expands from L 20 to L 21 . Accordingly, the space between the positive thermal expansion member 410 and the negative thermal expansion member 420 is narrowed. The dry gas introduced through the first fluid inlet 121 is deflected toward the humidification module 200 while flowing along the space narrowed by the positive thermal expansion member 410 and the negative thermal expansion member 420 . That is, in a high-output environment, the dry gas flows into the humidification module 200 . (See Fig. 12)

도 8의 저출력 환경에서는 상대적으로 저온의 건조가스가 공급된다. 저온의 건조가스에 의해 음의 열팽창부재(420)는 L10에서 L12로 팽창하고, 양의 열팽창부재(410)는 L20에서 L22로 수축하게 된다. 양의 열팽창부재(410)의 수축에 따라, 양의 열팽창부재(410)와 음의 열팽창부재(420) 사이의 공간은 제1 유체 유입구(121)의 중앙에서 외측 방향으로 확장된다. 이때, 음의 열팽창부재(420)의 팽창에 따라, 제1 유체 유입구(121)의 중앙 부분의 유로는 막히게 된다. 따라서, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 중앙 부분을 흐르지 않고 외측 방향으로 흐르게 된다. 즉, 저출력 환경시 건조가스는 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다. (도 13 참조)In the low-output environment of FIG. 8 , a relatively low-temperature dry gas is supplied. By the low-temperature dry gas, the negative thermal expansion member 420 expands from L 10 to L 12 , and the positive thermal expansion member 410 contracts from L 20 to L 22 . As the positive thermal expansion member 410 contracts, the space between the positive thermal expansion member 410 and the negative thermal expansion member 420 expands outward from the center of the first fluid inlet 121 . At this time, according to the expansion of the negative thermal expansion member 420 , the flow path of the central portion of the first fluid inlet 121 is blocked. Accordingly, the dry gas introduced through the first fluid inlet 121 flows outward without flowing through the central portion. That is, in a low-output environment, the dry gas flows into the heat exchange module 300 . (See Fig. 13)

이러한 능동형 유량 조절부(400)는 제1 유체 유량 조절을 위한 밸브나 제1 유체의 유량을 센싱하기 위한 센서, 그리고, 밸브의 동작을 제어하기 위한 제어부를 구비하지 않고도, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 능동적으로 제1 유체가 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)에 고르게 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한 쪽으로 많이 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한쪽에는 흐르지 않도록 조절하여 유량을 조절할 수도 있다.The active flow rate control unit 400 does not include a valve for controlling the first fluid flow rate, a sensor for sensing the flow rate of the first fluid, and a control unit for controlling the operation of the valve, the output state of the fuel cell stack Actively, the first fluid flows evenly in the humidification module 200 and the heat exchange module 300, or a lot of the first fluid flows in either one of the humidification module 200 and the heat exchange module 300, or the humidification module 200 It is also possible to adjust the flow rate by controlling so as not to flow to either side of the heat exchange module 300 .

다음, 도 9 내지 도 11을 참조하여 열교환 모듈(300)에 대해 설명한다. 도 9은 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이고, 도 10는 허니콤 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이며, 도 11은 플레이트 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이다.Next, the heat exchange module 300 will be described with reference to FIGS. 9 to 11 . 9 is a diagram illustrating a shell-and-tube type heat exchange module, FIG. 10 is a diagram illustrating a honeycomb type heat exchange module, and FIG. 11 is a diagram illustrating a plate type heat exchange module.

도 9에 도시된 쉘앤튜브(Shell & Tube) 방식의 열교환 모듈은, 내부에 튜브 다발이 수용된 쉘로 구성되며, 하나의 유체가 튜브를 통해 흐르고 다른 유체가 쉘을 통해 흐르면 두 유체 사이에서 열이 전달되어 교환되는 방식이다. 튜브 번들은 평평한 튜브, 세로로 핀 모양의 튜브 등 여러 종류의 튜브로 구성될 수 있다. The shell & tube type heat exchange module shown in FIG. 9 is composed of a shell in which a tube bundle is accommodated, and when one fluid flows through the tube and the other fluid flows through the shell, heat is transferred between the two fluids. in a way that is exchanged. A tube bundle may consist of several types of tubes, such as flat tubes and longitudinally finned tubes.

제1 유체(공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기)의 적어도 일부가 튜브를 통해 흐르면(직선 화살표로 표시), 냉각매체 유입구(141)를 통해 유입된 냉각매체는 쉘 내부를 흐르면서(곡선 화살표로 표시) 튜브와 접촉하면서 제1 유체를 냉각시킨 후, 냉각매체 유출구(142)를 통해 외부로 유출된다.When at least a part of the first fluid (dry air compressed in the air compression means 10) flows through the tube (indicated by a straight arrow), the cooling medium introduced through the cooling medium inlet 141 flows inside the shell (curved) After cooling the first fluid while in contact with the tube), it flows out through the cooling medium outlet 142 .

도 10에 도시된 허니콤(Honeycomb) 방식의 열교환 모듈은, 세라믹 재질의벌집 형태로 구현된 열교환기로 제1 유체(Air로 표시)가 벌집형 관로 내부를 흐르면, 냉각매체(water로 표시)가 관로와 교차하는 방향으로 공급되어 제1 유체를 냉각하는 방식이다.The honeycomb type heat exchange module shown in FIG. 10 is a heat exchanger implemented in the form of a honeycomb made of a ceramic material. This is a method of cooling the first fluid by being supplied in a direction crossing the pipeline.

도 11에 도시된 플레이트 방식의 열교환 모듈(Plate heat exchanger)의 전열판은 양각 형태의 스테인리스판으로 되어 있고, 각각의 전열판들은 헤링본 패턴(herringbone pattern)의 방향을 위아래로 엇갈리게 번갈아 배치함으로써 유체가 전열판에 고르게 분배되어 난류를 형성하면서 열원측과 수축이 향류 유동을 하면서 열을 교환한다.The heat plate of the plate heat exchanger shown in FIG. 11 is made of a embossed stainless steel plate, and each of the heat plates is alternately arranged in the direction of a herringbone pattern up and down so that the fluid is transferred to the heat plate. It is evenly distributed to form a turbulent flow, and heat is exchanged with the heat source side and the contraction flows countercurrently.

전술한 바와 같은 열교환 모듈(300)로 유입된 제1 유체는 열교환 모듈(300)을 구성하는 열교환장치의 내부를 통과하고 열교환 모듈(300) 외부로 유출된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다. 상기 도 9 내지 도 11의 열교환 모듈은 설명을 위한 예시일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The first fluid introduced into the heat exchange module 300 as described above passes through the inside of the heat exchange device constituting the heat exchange module 300 and flows out to the outside of the heat exchange module 300 , and then passes through the humidification module 200 . It is mixed with the first fluid and flows out through the first fluid outlet 122 to be introduced into the fuel cell stack 30 . The heat exchange module of FIGS. 9 to 11 is only an example for description, and is not limited thereto.

다음으로, 도 12 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명한다. Next, an operation process of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 14 .

도 12는 주로 가습 모듈(200)로 제1 유체가 유입되도록 하여 주로 가습기 기능을 구현한 예이다. 도 12는 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 고온이므로, 음의 열팽창부재(420)는 수축하고 양의 열팽창부재(410)는 팽창한다. 그 결과, 음의 열팽창부재(420)와 양의 열팽창부재(410) 사이의 공간은 가습 모듈(200) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 가습 모듈(200)로 유입하게 된다. 즉, 능동형 유량 조절부(400)는 가습 모듈(200) 측의 유로를 개방하고 열교환 모듈(300) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 가습 모듈(200) 내부에 있는 중공사막들 내부로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체는 제2 유체 유입구(131)를 통해 유입된 제2 유체와 수분 교환을 한다.12 is an example in which the humidifier function is mainly implemented by allowing the first fluid to mainly flow into the humidifying module 200 . 12 shows a case in which the output of the fuel cell stack 30 is high, and since the first fluid is relatively high in temperature, the negative thermal expansion member 420 contracts and the positive thermal expansion member 410 expands. As a result, the space between the negative thermal expansion member 420 and the positive thermal expansion member 410 is deflected toward the humidification module 200, and the dry gas introduced through the first fluid inlet 121 forms the deflected space. It flows along and flows into the humidification module 200 . That is, the active flow rate control unit 400 opens the flow path on the humidification module 200 side and closes the flow path on the heat exchange module 300 side. Most of the dry air (first fluid) compressed by the air compression means 10 flows into the hollow fiber membranes inside the humidification module 200 through the first fluid outlet 122 of the housing cap 120 on the other side. It is discharged to the outside of the membrane humidifier. In this process, the first fluid exchanges moisture with the second fluid introduced through the second fluid inlet 131 .

도 13은 주로 열교환 모듈(300)로 제1 유체가 유입되도록 하여 주로 열교환기 기능을 구현한 예이다. 도 13은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 저온이므로, 음의 열팽창부재(420)는 팽창하고 양의 열팽창부재(410)는 수축하게 된다. 그 결과, 음의 열팽창부재(420)와 양의 열팽창부재(410) 사이의 공간은 열교환 모듈(300) 방향으로 편향하게 되고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 편향된 공간을 따라 유동하면서 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다. 즉, 능동형 유량 조절부(400)는 열교환 모듈(300) 측의 유로를 개방하고 가습 모듈(200) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체와 제2 유체의 수분 교환은 이루어지지 않고, 제1 유체와 냉각매체 간의 열교환만 발생한다. 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량 등을 조절하여 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 온도를 원하는 대로 조절할 수 있다.13 is an example in which a function of a heat exchanger is mainly implemented by mainly allowing the first fluid to flow into the heat exchange module 300 . 13 shows a case in which the output of the fuel cell stack 30 is low, and since the first fluid is relatively low temperature, the negative thermal expansion member 420 expands and the positive thermal expansion member 410 contracts. . As a result, the space between the negative thermal expansion member 420 and the positive thermal expansion member 410 is deflected toward the heat exchange module 300 , and the dry gas introduced through the first fluid inlet 121 forms the deflected space. It flows along and flows into the heat exchange module 300 . That is, the active flow rate control unit 400 opens the flow path on the heat exchange module 300 side and closes the flow path on the humidification module 200 side. Most of the dry air (first fluid) compressed by the air compression means 10 flows into the heat exchange module 300 and is discharged to the outside of the membrane humidifier through the first fluid outlet 122 of the housing cap 120 on the other side. In this process, moisture exchange between the first fluid and the second fluid is not performed, and only heat exchange between the first fluid and the cooling medium occurs. At this time, the temperature of the first fluid discharged through the first fluid outlet 122 and introduced into the fuel cell stack 30 can be adjusted as desired by adjusting the temperature and flow rate of the cooling medium input to the heat exchange module 300 . have.

도 14는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 제1 유체가 유입되도록 하여 가습 및 열교환 기능을 구현한 예이다. 도 14는 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력과 고출력 사이인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 저온과 고온 사이의 온도이므로, 음의 열팽창부재(420)와 양의 열팽창부재(410)는 어느 정도 평형을 이루게 된다. 그 결과, 음의 열팽창부재(420)와 양의 열팽창부재(410) 사이의 공간은 어느 한 방향으로 편향하지 않고, 제1 유체 유입구(121)를 통해 유입된 건조가스는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입하게 된다. 14 is an example in which humidification and heat exchange functions are implemented by allowing the first fluid to flow into the humidification module 200 and the heat exchange module 300 . 14 shows a case where the output of the fuel cell stack 30 is between a low output and a high output, and since the first fluid is a temperature between a low temperature and a high temperature, a negative thermal expansion member 420 and a positive thermal expansion member 410 . is balanced to some extent. As a result, the space between the negative thermal expansion member 420 and the positive thermal expansion member 410 is not biased in either direction, and the dry gas introduced through the first fluid inlet 121 is combined with the humidification module 200 and It flows into the heat exchange module 300 .

공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)의 적어도 일부는 가습 모듈(200)로, 나머지는 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체는 혼합된 상태로 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되며, 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량을 조절하여 혼합 상태의 제1 유체의 온도를 조절할 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 가습 상태 및 온도를 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.At least a portion of the dry air (first fluid) compressed by the air compression means 10 flows to the humidification module 200, and the remainder flows to the heat exchange module 300, and the first fluid outlet of the housing cap 120 on the other side ( 122) to the outside of the membrane humidifier. The first fluid passing through the humidification module 200 and the first fluid passing through the heat exchange module 300 are discharged through the first fluid outlet 122 in a mixed state and introduced into the fuel cell stack 30 , at this time , it is possible to adjust the temperature of the first fluid in the mixed state by adjusting the temperature and flow rate of the cooling medium input to the heat exchange module 300 . As a result, the humidification state and temperature of the first fluid flowing into the fuel cell stack 30 can be adjusted as desired.

다음으로, 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예를 설명한다.Next, another example of a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 15 .

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)과, 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함한다.15 , the fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes an air compression means 10 , a fuel cell membrane humidifier 20 , a fuel cell stack 30 , and a bypass flow path ( L2) and a bypass valve (V).

본 실시예의 연료전지 시스템은 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함하는 점에서 전술한 일 실시예와 상이할 뿐, 다른 구성은 동일하므로 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)에 대한 상세한 설명은 생략한다.The fuel cell system of this embodiment is different from the above-described embodiment in that it includes the bypass flow path L2 and the bypass valve V, but other configurations are the same, so the air compression means 10 and the fuel cell A detailed description of the membrane humidifier 20 and the fuel cell stack 30 will be omitted.

본 실시예의 연료전지 시스템은 공기 압축수단(10)의 전방 상류측에 설치된 외기 공급유로(L1)으로부터 분기하여 열교환 모듈(300)의 냉각매체 유입구(141)와 연결되는 바이패스 유로(L2)를 포함한다. 외기 공급유로(L1)에는 바이패스되는 유량을 조절하는 바이패스 밸브(V)가 형성된다.In the fuel cell system of this embodiment, the bypass flow path L2 is branched from the outside air supply flow path L1 installed on the front upstream side of the air compression means 10 and is connected to the cooling medium inlet 141 of the heat exchange module 300. include A bypass valve (V) for controlling the flow rate to be bypassed is formed in the outdoor air supply passage (L1).

전술한 일 실시예의 연료전지 시스템에서, 열교환 모듈(300)은 외부에서 공급되는 냉각매체를 이용하여 제1 유체를 냉각시킨다. 이 경우, 이 냉각매체를 공급하기 위해 별도의 냉각매체 저장수단을 구비하여야 하며, 이로 인해, 시스템의 간소화 및 소형화에 제한이 있을 수 있다.In the fuel cell system of the above-described embodiment, the heat exchange module 300 cools the first fluid using a cooling medium supplied from the outside. In this case, a separate cooling medium storage means must be provided in order to supply the cooling medium, which may limit the simplification and miniaturization of the system.

본 실시예에서는 공기 압축수단(10)으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스 유로(L2)를 통해 열교환 모듈(300)로 공급하여 제1 유체를 냉각시킨다. 따라서, 공냉식 열교환기인 경우, 냉각매체 공급을 위한 별도의 냉각매체 저장수단을 구비할 필요가 없게 되어 더욱 더 간소화/소형화된 연료전지 시스템을 구축할 수 있게 된다.In this embodiment, at least a portion of the outside air flowing into the air compression means 10 is supplied to the heat exchange module 300 through the bypass flow path L2 to cool the first fluid. Accordingly, in the case of the air-cooled heat exchanger, there is no need to provide a separate cooling medium storage means for supplying the cooling medium, so that a more simplified/miniaturized fuel cell system can be constructed.

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.In the above, although embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by such as, and it will be said that it is also included within the scope of the present invention.

10 : 공기 압축수단 20 : 연료전지 막가습기
30 : 연료전지 스택
100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 200 : 가습 모듈
300 : 열교환 모듈 400 : 능동형 유량 조절부
410 : 양의 열팽창부재 420 : 음의 열팽창부재
L1 : 외기 공급유로 L2 : 바이패스 유로10: air compression means 20: fuel cell membrane humidifier
30: fuel cell stack
100: housing part 110: housing body
120: housing cap 200: humidification module
300: heat exchange module 400: active flow control unit
410: positive thermal expansion member 420: negative thermal expansion member
L1: External air supply flow path L2: Bypass flow path

Claims (14)

내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈이 상기 가습 모듈과 동심원 구조로 형성되는 하우징부;
연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부;
를 포함하는 연료전지 막가습기.
A humidifying module including a plurality of hollow fiber membranes in which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside, and a housing unit in which a heat exchange module for cooling the first fluid is formed in a concentric circular structure with the humidification module;
an active flow rate control unit configured to actively control a flow direction of the first fluid according to a temperature change of the first fluid according to an output state of the fuel cell stack;
A fuel cell membrane humidifier comprising a.
 청구항 1에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는,
제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와,
상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재
를 포함하는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 1, The active flow control unit,
A negative thermal expansion member that expands in a first temperature range and contracts in a second temperature range greater than the first temperature range;
A positive thermal expansion member that contracts in the first temperature range and expands in the second temperature range
A fuel cell membrane humidifier comprising a.
 청구항 2에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
비스무트(Bi)를 포함하는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 2, The negative thermal expansion member,
A fuel cell membrane humidifier containing bismuth (Bi).
 청구항 2에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 2, The negative thermal expansion member,
A fuel cell membrane humidifier comprising oxides of bismuth (Bi), lanthanum (La) and nickel (Ni) or oxides of bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel (Ni).
 청구항 2에 있어서, 상기 하우징부는,
상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈이 내부에 동심원 구조로 형성되는 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 양의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되고,
상기 음의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 중앙에 형성되는, 연료전지 막가습기.
The method according to claim 2, The housing unit,
a housing body in which the humidification module and the heat exchange module are formed in a concentric circle structure;
and a housing cap coupled to both ends of the housing body, each having a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid outlet through which the first fluid flows,
The positive thermal expansion member is formed on the inner wall of the first fluid inlet,
The negative thermal expansion member is formed in the center of the first fluid inlet, a fuel cell membrane humidifier.
 청구항 5에 있어서, 상기 하우징 몸체에는,
상기 가습 모듈과 유체 연통하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구가 형성되고, 상기 열교환 모듈과 유체 연통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성되는, 연료전지 막가습기.
The method according to claim 5, The housing body,
A second fluid inlet and a second fluid outlet in fluid communication with the humidification module are formed, and a cooling medium inlet and a cooling medium outlet in fluid communication with the heat exchange module are formed.
 청구항 1에 있어서, 상기 하우징부는,
상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 1, The housing unit,
a cooling medium inlet for supplying a cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooling medium that has been cooled is discharged;
The inlet of the cooling medium is connected to a bypass passage for bypassing at least a portion of the outside air introduced into the air compression means.
 외기를 공급받아서 압축하여 제1 유체를 발생시키는 공기 압축수단;
수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택;
상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈이 상기 가습 모듈과 동심원 구조로 형성되는 하우징부와, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 능동형 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기
를 포함하는 연료전지 시스템.
an air compression means for receiving and compressing external air to generate a first fluid;
a fuel cell stack for generating a second fluid of heat and high humidity by reacting hydrogen and oxygen;
A humidification module for humidifying the first fluid using moisture exchange between the first fluid compressed by the air compression means and the second fluid discharged from the fuel cell stack and a heat exchange module for cooling the first fluid are the humidification module A fuel cell membrane humidifier comprising: a housing formed in a concentric circular structure with the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising a.
 청구항 8에 있어서, 상기 능동형 유량 조절부는,
제1 온도 범위에서 팽창하고, 상기 제1 온도 범위보다 큰 제2 온도 범위에서 수축하는 음의 열팽창부재와,
상기 제1 온도 범위에서 수축하고, 상기 제2 온도 범위에서 팽창하는 양의 열팽창부재
를 포함하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 8, The active flow control unit,
A negative thermal expansion member that expands in a first temperature range and contracts in a second temperature range greater than the first temperature range;
A positive thermal expansion member that contracts in the first temperature range and expands in the second temperature range
A fuel cell system comprising a.
 청구항 9에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
비스무트(Bi)를 포함하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 9, The negative thermal expansion member,
A fuel cell system comprising bismuth (Bi).
 청구항 9에 있어서, 상기 음의 열팽창부재는,
비스무트(Bi)와 란탄(La)과 니켈(Ni)의 산화물 또는 비스무트(Bi)와 철(Fe)과 니켈(Ni)의 산화물을 포함하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 9, The negative thermal expansion member,
A fuel cell system comprising an oxide of bismuth (Bi), lanthanum (La) and nickel (Ni) or an oxide of bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel (Ni).
 청구항 9에 있어서, 상기 하우징부는,
상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈이 내부에 동심원 구조로 형성되는 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 양의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 내벽에 형성되고,
상기 음의 열팽창부재는 상기 제1 유체 유입구의 중앙에 형성되는, 연료전지 시스템.
The method according to claim 9, The housing unit,
a housing body in which the humidification module and the heat exchange module are formed in a concentric circle structure;
and a housing cap coupled to both ends of the housing body, each having a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid outlet through which the first fluid flows,
The positive thermal expansion member is formed on the inner wall of the first fluid inlet,
The negative thermal expansion member is formed in the center of the first fluid inlet port.
 청구항 12에 있어서, 상기 하우징 몸체에는,
상기 가습 모듈과 유체 연통하는 제2 유체 유입구 및 제2 유체 유출구가 형성되고, 상기 열교환 모듈과 유체 연통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성되는, 연료전지 시스템.
The method according to claim 12, The housing body,
A second fluid inlet and a second fluid outlet in fluid communication with the humidification module are formed, and a cooling medium inlet and a cooling medium outlet in fluid communication with the heat exchange module are formed.
 청구항 8에 있어서, 상기 하우징부는,
상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 시스템.The method according to claim 8, The housing unit,
a cooling medium inlet for supplying a cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooling medium that has been cooled is discharged;
The cooling medium inlet is connected to a bypass passage for bypassing at least a portion of the outside air introduced into the air compression means.
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