KR20220130047A - 연료전지용 가습기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고, 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스; 상기 미드-케이스 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(Cartridge); 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 일단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제1 패킹부재; 및 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 타단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제2 패킹부재;를 포함하며, 상기 카트리지는 제1 포팅층이 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하인 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료전지에 가습된 기체를 공급하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
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 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막가습 방식의 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(110) 및 상기 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.
상기 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 상기 가습 모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
상기 가습 모듈(110)은, 배가스 습윤 기체 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 습윤 기체 유출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 상기 미드-케이스(111) 내의 복수의 중공사막(112)들을 포함한다. 상기 중공사막(112)들의 다발의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 상기 중공사막(112)들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 상기 고정층(113)과 상기 미드-케이스(111) 사이의 수지층(114)이 상기 캡들(120)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(113)과 유사하게, 상기 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 습윤 기체 유입구(111a)를 통해 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 습윤 기체 유출구(111b)를 통해 상기 미드-케이스(111)로부터 유출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(112)들을 투과함으로써 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
최근에는 수소전기차 등과 같이 다양한 사용처에 연료전지가 이용되고 있고, 연료전지의 성능을 높이기 위해 연료전지용 가습기가 높은 가습효율을 갖출 것이 요구되고 있다. 따라서, 연료전기용 가습기의 가습효율을 높일 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 연료전지가 필요로 하는 가습효율을 갖출 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함할 수 있다. 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스; 상기 미드-케이스 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(Cartridge); 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 일단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제1 패킹부재; 및 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 타단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제2 패킹부재;를 포함할 수 있다. 상기 카트리지는 양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case); 상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발; 상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구; 상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및 상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함할 수 있다. 상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층이 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하일 수 있다.
본 발명은 중공사막 다발의 비율에 관한 패킹밀도를 이용하여 연료전지가 필요로 하는 가습효율을 갖출 수 있도록 구현됨으로써, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 카트리지를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 측단면도
도 7은 도 6의 A 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 측단면도
도 8은 패킹밀도에 따른 막차압, 케이스차압, 총차압의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 패킹밀도에 따른 가습효율의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 패킹밀도에 따른 비교예들과 실시예들의 가습효율, 막차압, 케이스차압, 총차압이 기재된 표
도 11과 도 12는 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 중공사막 다발을 나타낸 개념적인 측단면도
도 13은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 2개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
도 14는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 3개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 카트리지를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 측단면도
도 7은 도 6의 A 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 측단면도
도 8은 패킹밀도에 따른 막차압, 케이스차압, 총차압의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 패킹밀도에 따른 가습효율의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 패킹밀도에 따른 비교예들과 실시예들의 가습효율, 막차압, 케이스차압, 총차압이 기재된 표
도 11과 도 12는 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 중공사막 다발을 나타낸 개념적인 측단면도
도 13은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 2개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
도 14는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 3개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 것이다. 건조 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 건조 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하는 것이다. 상기 가습 모듈(2)의 일단에는 상기 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)의 타단에는 상기 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 건조 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 습윤 기체에 의해 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 습윤 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체를 외부로 배출할 수 있다..
상기 가습 모듈(2)은 미드-케이스(Mid-case)(21), 및 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)(22)를 포함한다.
상기 미드-케이스(21)는 상기 카트리지(22)가 결합된 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 미드-케이스(21)는 양 말단들이 개방되어 있다. 이 경우, 상기 미드-케이스(21)에는 수용공(211)이 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 미드-케이스(21)를 제1 축 방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 미드-케이스(21)에는 미드 유입구(212) 및 미드 유출구(213)가 형성될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 중공사막 다발(221)의 외표면과 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 카트리지(22)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)는 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다. 이 경우, 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 카트리지(22)가 갖는 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 카트리지(22)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 카트리지(22)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다. 이 경우, 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)로부터 돌출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)에서 서로 동일한 방향으로 돌출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)에서 서로 상이한 방향으로 돌출될 수도 있다. 상기 미드 유입구(212), 상기 미드 유출구(213), 및 상기 미드-케이스(21)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21) 내에 배치되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 중공사막 다발(221)을 포함할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 복수개의 중공사막 다발(221a)을 포함할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 상기 카트리지(22)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(22)를 상기 미드-케이스(21)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막 다발(221)은 상기 미드-케이스(21)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)에 대한 설치작업, 분리작업, 및 교체작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
상기 카트리지(22)는 이너 케이스(Inner case)(222)를 포함할 수 있다.
상기 이너 케이스(222)는 양 말단들이 개방된 것이다. 이 경우, 상기 이너 케이스(222)의 양 말단에는 개구(Opening)가 형성될 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 내부에는 상기 중공사막 다발(221)이 들어있다. 상기 중공사막 다발(221)은 상기 이너 케이스(222)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
상기 카트리지(22)는 제1 포팅층(223)을 포함할 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 상기 이너 케이스(222)의 일단에서 상기 중공사막 다발(221)의 일단을 고정하는 것이다. 이 경우, 상기 제1 포팅층(223)은 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 상기 이너 케이스(210)와 상기 중공사막 다발(221)의 일단을 고정할 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부에 위치할 수 있다.
상기 카트리지(22)는 제2 포팅층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 상기 이너 케이스(222)의 타단에서 상기 중공사막 다발(221)의 타단을 고정하는 것이다. 이 경우, 상기 제2 포팅층(224)은 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 건조 기체 또는 습윤 기체는 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막 다발(221)의 중공으로 공급될 수 있고, 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막 다발(221)의 중공으로부터 유출될 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 상기 이너 케이스(210)와 상기 중공사막 다발(221)의 타단을 고정할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부에 위치할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 카트리지(22)는 이너 유입구(225), 및 이너 유출구(226)를 포함할 수 있다.
상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 이너 케이스(222)의 일측은 상면(上面)에 해당할 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유입 윈도우(225a)를 포함할 수 있다. 상기 유입 윈도우(225a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제2 축 방향(Y축 방향)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 수직한 축 방향이다.
상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유출 윈도우(226a)를 포함할 수 있다. 상기 유출 윈도우(226a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 이너 유입구(225)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 이너 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다.
상기 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 이너 케이스(222)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는, 상기 이너 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 캐스팅(Casting) 공정 없이 기계적 조립을 통해 상기 미드-케이스(21)와 상기 카트리지(22) 사이를 밀폐시키도록 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 가습 모듈(2)은 제1 패킹부재(23)를 포함할 수 있다.
상기 제1 패킹부재(23)는 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 패킹부재(23)는 상기 제1 캡(3)이 상기 중공사막 다발(221)과만 유체 연통하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 패킹부재(23)는 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 차단할 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈(2)의 일단에 기밀하게 결합될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상대적으로 많은 공정시간이 요구되는 캐스팅 공정을 생략할 수 있으므로, 생산을 위한 공정시간의 단축을 통해 생산성을 증대시킬 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 탄성변형(Elastic Deformation)이 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 패킹부재(23)는 고무류로 형성될 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이를 밀폐하도록 고리 형태로 형성될 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 제2 패킹부재(24)를 포함할 수 있다.
상기 제2 패킹부재(24)는 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 패킹부재(24)는 상기 제2 캡(4)이 상기 중공사막 다발(221)과만 유체 연통하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 패킹부재(24)는 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 차단할 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈(2)의 타단에 기밀하게 결합될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상대적으로 많은 공정시간이 요구되는 캐스팅 공정을 생략할 수 있으므로, 생산을 위한 공정시간의 단축을 통해 생산성을 증대시킬 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 탄성변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제2 패킹부재(24)는 고무류로 형성될 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이를 밀폐하도록 고리 형태로 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 것이다. 상기 제1 캡(3)은 외부로부터 공급되는 건조 기체 또는 습윤 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 것이다. 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)로부터 전달된 건조 기체 또는 습윤 기체를 외부로 유출시킬 수 있다. 상기 가습 모듈(2)로부터 가습된 건조 기체가 전달된 경우, 상기 제2 캡(4)은 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수도 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 패킹밀도를 통해 가습효율을 향상시키도록 구현될 수 있다. 이에 관해, 도 2 내지 도 10을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 10에는 위에서부터 아래로 패킹밀도가 작은 것에서부터 큰 순서로 비교예들과 실시예들이 정렬되어 있다.
상기 패킹밀도는 상기 이너 케이스(222)의 내부체적과 상기 중공사막 다발(221) 간의 비율에 관한 것이다. 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에서 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적이 큰 것이고, 상기 패킹밀도가 감소될수록 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에서 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적이 작은 것이다. 상기 패킹밀도의 증가는, 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 증가 및 상기 이너 케이스(222)의 내부체적의 감소 중에서 적어도 하나에 의해 이루어질 수 있다. 상기 패킹밀도의 감소는, 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 감소 및 상기 이너 케이스(222)의 내부체적의 증가 중에서 적어도 하나에 의해 이루어질 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 증가와 감소는, 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)들의 개수의 증가와 감소에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 패킹밀도는 막단면적과 포팅단면적을 기초로 하여 산출될 수 있다.
상기 막단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 중공사막 다발(221)의 단면적에 해당할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)의 단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)들 각각의 단위단면적들을 합한 값일 수 있다. 상기 단위단면적은 상기 중공사막(221a)의 외경(External Diameter)(221D, 도 7에 도시됨)을 기초로 하여 산출될 수 있다. 이 경우, 상기 단위단면적은 상기 중공사막(221a)이 갖는 중공(221b, 도 7에 도시됨)의 단면적을 포함하는 값이다.
상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 제1 포팅층(223)이 포팅되는 이너 케이스(222)의 일단 내부에 대한 단면적에 해당할 수 있다. 이 경우, 상기 이너 케이스(222)의 일단 내부에 대한 단면적이 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에 해당하는 값으로 간주되어서, 상기 패킹밀도가 산출될 수 있다. 상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 상기 제1 포팅층(223)의 단면적과 상기 막단면적을 합한 값에 해당할 수 있다. 이 경우, 상기 포팅단면적은 상기 이너 케이스(222)의 폭(222H, 도 6에 도시됨)과 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T, 도 6에 도시됨)를 곱한 값일 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 폭(222H)과 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T)는 상기 이너 케이스(222)의 내면을 기준으로 하는 것이다. 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 모두에 대해 수직한 제3 축 방향(Z축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 한편, 상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 제2 포팅층(224)이 포팅되는 이너 케이스(222)의 타단 내부에 대한 단면적과 동일한 값일 수 있다.
상술한 바와 같은 포팅단면적과 막단면적을 기초로 하여, 상기 패킹밀도가 산출될 수 있다. 상기 패킹밀도는 상기 막단면적을 상기 포팅단면적으로 나눈 값일 수 있다. 이 경우, 상기 패킹밀도는 상기 포팅단면적에서 상기 막단면적이 차지하는 비율로 정의될 수 있다. 상기 패킹밀도를 통해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)의 가습효율이 변경될 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
우선, 상기 패킹밀도가 증가되면, 상기 막단면적이 증가될 수 있다. 상기 막단면적이 증가됨에 따라 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공(221b)들의 단면적을 합한 값이 증가되므로, 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 증가될 수 있다. 이에 따라, 건조 기체 또는 습윤 기체가 상기 중공사막 다발(221)을 통과할 때 작용하는 차압[이하, '막차압'이라 함]이 감소된다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 막차압이 감소되는 것으로부터 확인할 수 있다.
다음, 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 막차압이 감소되므로 가습효율이 계속하여 증가되어야 할 것이나, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 패킹밀도가 증가되더라도 가습효율은 계속하여 증가되는 않음을 알 수 있다. 그 이유는, 상기 막단면적이 증가됨에 따라 상대적으로 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 감소되므로, 습윤 기체 또는 건조 기체가 상기 이너 케이스(222)의 내부를 통과할 때 작용하는 차압[이하, '케이스차압'이라 함]이 증가되면서 가습효율에 영향을 미치기 때문이다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 케이스차압이 증가되는 것으로부터 확인할 수 있다. 상기 패킹밀도가 변화됨에 따라 상기 막차압에 비해 상기 케이스차압이 더 크게 변화되므로, 결과적으로 상기 패킹밀도가 변화됨에 따라 상기 카트리지(22)에 작용하는 전체적인 차압[이하, '총차압'이라 함]의 변화는 상기 케이스차압의 변화에 더 큰 영향을 받는다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 총차압과 상기 총차압이 유사한 형태로 표시된 것으로부터 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)의 개수를 늘리면 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 증가되므로 상기 패킹밀도가 증가될수록 가습효율이 계속하여 향상되리라 예상할 수 있으나, 실제로는 상기 패킹밀도가 증가되면서 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 감소됨에 따라 상기 케이스차압이 증가되므로, 가습효율이 계속하여 향상되지 않음을 알 수 있다.
이를 기반으로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하로 구현될 수 있다. 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 백분율로 나타내면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 40.5% 이상 62.5% 이하로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율을 높일 수 있는 패킹밀도를 갖도록 구현됨으로써, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다. 이를 도 8 내지 도 10을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
우선, 상기 패킹밀도가 0.405 미만(백분율 : 40.5% 미만)인 경우, 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 증가로 상기 케이스차압은 낮지만 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 감소로 상기 막차압이 현저하게 높으므로, 상기 총차압이 높아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.405 미만인 경우, 27% 미만의 낮은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.38(백분율 : 38%)인 비교예 1의 경우, 상기 케이스차압이 4.3kPa로 낮지만 상기 막차압이 14.1kPa로 현저하게 높으므로, 18.4kPa의 높은 총차압을 나타낸다. 따라서, 비교예 1은 23.5%의 낮은 가습효율을 나타낸다.
이와 달리, 상기 패킹밀도가 0.405 이상(백분율 : 40.5% 이상)인 경우, 상기 패킹밀도가 0.405 미만(백분율 : 40.5% 미만)인 경우와 대비하여 상기 케이스차압이 다소 높지만 상기 막차압이 현저하게 낮으므로, 상기 총차압이 현저하게 낮아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.405 이상인 경우, 27% 이상의 높은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.405(백분율 : 40.5%)인 실시예 1의 경우, 비교예 1과 대비하여 상기 케이스차압이 5.1kPa로 다소 높지만 상기 막차압이 9.7kPa로 현저하게 낮으므로, 14.8kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 1은 비교예 1과 대비하여 더 높은 27.1%의 가습효율을 나타낸다.
다음, 상기 패킹밀도가 0.625 초과(백분율 : 62.5% 초과)인 경우, 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 증가로 상기 막차압이 낮지만 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 감소로 상기 케이스차압이 현저하게 높으므로, 상기 총차압이 높아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.625 초과인 경우, 27% 미만의 낮은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.65(백분율 : 65%)인 비교예 2의 경우, 상기 막차압이 4.1kPa로 낮지만 상기 케이스차압이 13.8kPa로 현저하게 높으므로, 17.9kPa의 높은 총차압을 나타낸다. 따라서, 비교예 2는 23.1%의 낮은 가습효율을 나타낸다.
이와 달리, 상기 패킹밀도가 0.625 이하(백분율 : 62.5% 이하)인 경우, 상기 패킹밀도가 0.625 초과(백분율 : 62.5% 초과)인 경우와 대비하여 상기 막차압이 다소 높지만 상기 케이스차압이 현저하게 낮으므로, 상기 총차압이 현저하게 낮아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.625 이하인 경우, 27% 이상의 높은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.625(백분율 : 62.5%)인 실시예 2의 경우, 비교예 2와 대비하여 상기 막차압이 5.3kPa로 다소 높지만 상기 케이스차압이 9.9kPa로 현저하게 낮으므로, 15.2kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 2는 비교예 2와 대비하여 더 높은 27%의 가습효율을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하로 구현됨으로써, 상기 패킹밀도가 0.405 이하 또는 0.625 초과로 구현된 비교예와 대비할 때 상기 총차압을 현저하게 낮춤으로써 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택으로 공급되는 기체의 가습율을 높일 수 있으므로, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상(백분율 : 51% 이상)으로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 더 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
상기 패킹밀도가 0.51(백분율 : 51%)인 실시예 3은 상기 막차압이 6.5kPa이고 상기 케이스차압이 6.4kPa이어서 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 매우 작으므로, 12.9kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 3은 30%에 매우 근접한 29.9%의 높은 가습효율을 나타낸다. 이러한 실시예 3의 가습효율은 상기 패킹밀도가 0.405(백분율 : 40.5%)인 실시예 1의 27.1%의 가습효율과 대비하여 향상된 것이다.
한편, 상기 패킹밀도가 0.435(백분율 : 43.5%)인 실시예 4는 상기 막차압이 7.9kPa이고 상기 케이스차압이 6kPa이어서 실시예 3과 대비하여 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 크므로, 실시예 3과 대비하여 더 큰 13.9kPa의 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 4는 실시예 3과 대비하여 더 낮은 29%의 가습효율을 나타낸다. 그러나, 실시예 4 또한 비교예 1과 대비하여 현저하게 높은 가습효율을 나타내는 것일 뿐만 아니라, 실시예 1과 대비하여서도 더 높은 가습효율을 나타내는 것이다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.53 이하(백분율 : 53% 이하)로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 더 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
상기 패킹밀도가 0.53(백분율 : 53%)인 실시예 5는 상기 막차압이 6.3kPa이고 상기 케이스차압이 6.6kPa이어서 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 매우 작으므로, 12.9kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 5는 30%를 넘는 30.1%의 높은 가습효율을 나타낸다. 이러한 실시예 5의 가습효율은 상기 패킹밀도가 0.625(백분율 : 62.5%)인 실시예 2의 27%의 가습효율과 대비하여 향상된 것이다.
한편, 상기 패킹밀도가 0.595(백분율 : 59.5%)인 실시예 6은 상기 막차압이 6.5kPa이고 상기 케이스차압이 8.1kPa이어서 실시예 5와 대비하여 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 크므로, 실시예 5와 대비하여 더 큰 14.3kPa의 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 6은 실시예 5와 대비하여 더 낮은 28.9%의 가습효율을 나타낸다. 그러나, 실시예 6 또한 비교예 2와 대비하여 현저하게 높은 가습효율을 나타내는 것일 뿐만 아니라, 실시예 2와 대비하여서도 더 높은 가습효율을 나타내는 것이다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상 0.53 이하(백분율 : 51% 이상 53% 이하)로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 높은 가습효율을 갖출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 총차압과 가습효율에 대한 안정성을 갖출 수 있다. 이는 상기 패킹밀도가 0.51(백분율 : 51%)인 실시예 3 및 상기 패킹밀도가 0.53(백분율 : 53%)인 실시예 5가 상기 막차압이 12.9kPa로 동일한 점, 가습효율이 대략 30%로 거의 동일한 점, 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 0.3kPa 이하로 거의 동일하여 건조 기체와 습윤 기체가 거의 동일한 유동성을 갖는 점으로부터 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상 0.53 이하(백분율 : 51% 이상 53% 이하)로 구현됨으로써, 사용자에게 일정 수준 이상의 품질을 보장하는 것이 가능하므로 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 12를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)을 1이라 할 때, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)는 0.1 이상 0.8 이하로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 다양한 가습효율을 갖추도록 구현됨으로써, 다양한 사용처에 이용되는 연료전지에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다. 이하에서 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)에 대한 비율은, 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)이 1인 것을 전제로 하는 것이다.
우선, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)는 상기 제3 축 방향(Z축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)는 상기 이너 케이스(222)의 내면의 두께(222T)와 일치하거나 상기 이너 케이스(222)의 내면의 두께(222T)에 비해 작을 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)은 상기 이너 케이스(222)의 내면의 폭(222H)과 일치하거나 상기 이너 케이스(222)의 내면의 폭(222H)에 비해 작을 수 있다.
다음, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 미만인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 너무 얇아져서 충분한 개수의 중공사막(221a)을 구비하기 어렵다. 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.8 초과인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 너무 두꺼워져서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 너무 낮아질 수 있다.
이와 달리, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 이상 0.8 이하로 구현됨으로써, 충분한 개수의 중공사막(221a)을 구비할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.6 초과 0.8 이하인 경우, 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 다소 낮아질 수 있으나, 그 대신에 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명이 더 늘어날 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율에 비해 사용수명이 더 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.1 이상 0.2 미만인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명이 다소 짧아질 수 있으나, 그 대신에 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 더 증가될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 사용수명에 비해 가습효율이 더 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.2 이상 0.6 이하인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명과 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 균형있게 구현될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율과 사용수명 간의 균형이 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 이상 0.8 이하로 구현됨으로써, 다양한 가습효율과 사용수명을 갖추도록 구현될 수 있으므로 다양한 사용처에 이용되는 연료전지에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다.
도 13 및 도 14를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 미드-케이스(21) 내에는 2개 이상의 카트리지(22)들이 배치될 수도 있다. 도 13에 도시된 바와 같이 상기 미드-케이스(21) 내에는 2개의 카트리지들(22, 22')이 배치될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이 상기 미드-케이스(21) 내에는 3개의 카트리지들(22, 22', 22")이 배치될 수도 있다. 도시되지 않았지만, 상기 미드-케이스(21) 내에는 4개 이상의 카트리지(22)들이 배치될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 연료전지용 가습기
2 : 가습 모듈
3 : 제1 캡 4 : 제2 캡
21 : 미드-케이스 211 : 수용공
212 : 미드 유입구 213 : 미드 유출구
22, 22', 22" : 카트리지 221 : 중공사막 다발
221H : 중공사막 다발의 폭 221T : 중공사막 다발의 두께
221a : 중공사막 221b: 중공
221D : 중공사막의 외경 222 : 이너 케이스
222H : 이너 케이스의 폭 222T : 이너 케이스의 두께
223 : 제1 포팅층 224 : 제2 포팅층
225 : 이너 유입구 225a : 유입 윈도우
226 : 이너 유출구 226a : 유출 윈도우
23 : 제1 패킹부재 24 : 제2 패킹부재
3 : 제1 캡 4 : 제2 캡
21 : 미드-케이스 211 : 수용공
212 : 미드 유입구 213 : 미드 유출구
22, 22', 22" : 카트리지 221 : 중공사막 다발
221H : 중공사막 다발의 폭 221T : 중공사막 다발의 두께
221a : 중공사막 221b: 중공
221D : 중공사막의 외경 222 : 이너 케이스
222H : 이너 케이스의 폭 222T : 이너 케이스의 두께
223 : 제1 포팅층 224 : 제2 포팅층
225 : 이너 유입구 225a : 유입 윈도우
226 : 이너 유출구 226a : 유출 윈도우
23 : 제1 패킹부재 24 : 제2 패킹부재
Claims (10)
- 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈;
상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및
상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고,
상기 가습 모듈은,
양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스;
상기 미드-케이스 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(Cartridge);
기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 일단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제1 패킹부재; 및
기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 타단에 기밀하게 결합되어서 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이를 밀폐시키는 제2 패킹부재;를 포함하며,
상기 카트리지는,
양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case);
상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발;
상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구;
상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및
상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함하고,
상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층이 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 막단면적은 상기 중공사막 다발이 갖는 중공사막들 각각의 외경(External Diameter)을 기초로 하는 단위단면적들을 합한 값이고,
상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향을 기준으로 하는 상기 제1 포팅층의 단면적과 상기 막단면적을 합한 값이며,
상기 패킹밀도는 상기 막단면적을 상기 포팅단면적으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 0.51 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 패킹밀도는 0.53 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 중공사막 다발의 폭을 1이라 할 때, 상기 중공사막 다발의 두께는 0.1 이상 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 0.435 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 0.595 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 건조 기체 또는 습윤 기체가 상기 중공사막 다발을 통과할 때 작용하는 막차압이 5.3 kPa 이상 9.7 kPa 이하이고, 습윤 기체 또는 건조 기체가 상기 이너 케이스의 내부를 통과할 때 작용하는 케이스차압이 5.1 kPa 이상 9.9 kPa 이하로 되도록 0.405 이상 0.625 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 건조 기체 또는 습윤 기체가 상기 중공사막 다발을 통과할 때 작용하는 막차압이 6.5 kPa 이상 9.7 kPa 이하이고, 습윤 기체 또는 건조 기체가 상기 이너 케이스의 내부를 통과할 때 작용하는 케이스차압이 5.1 kPa 이상 8.1 kPa 이하로 되도록 0.405 이상 0.595 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기. - 제1항에 있어서,
상기 패킹밀도는 건조 기체 또는 습윤 기체가 상기 중공사막 다발을 통과할 때 작용하는 막차압이 6.5 kPa 이상 7.9 kPa 이하이고, 습윤 기체 또는 건조 기체가 상기 이너 케이스의 내부를 통과할 때 작용하는 케이스차압이 6 kPa 이상 8.1 kPa 이하로 되도록 0.435 이상 0.595 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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