WO2012023788A2 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

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Definitions

  • a fuel cell is a power generation cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as batteries and accumulators, fuel cells can continue to produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and are twice as efficient as internal combustion engines due to no heat loss. In addition, emissions of pollutants are low because chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is converted directly into electrical energy. Therefore, the fuel cell is not only environmentally friendly, but also has an advantage of reducing anxiety about fossil fuel depletion.
  • a first cap 350 having a reaction gas outlet 351 is mounted at the end of the first cover part 320.
  • the humidified reaction gas flowing along the hollow of the hollow fiber membrane 370 is discharged out of the humidifier through the reaction gas outlet 351 and supplied to the fuel cell.

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Abstract

고속 주행시 순간적인 출력 저하를 방지할 수 있는 향상된 가습 성능을 갖는 연료전지용 가습기가 개시된다. 본 발명의 연료전지용 가습기는, 제1 및 제2 말단부들을 포함하는 막 하우징; 상기 막 하우징의 내부 공간 내에 위치하고, 양 말단이 상기 막 하우징의 제1 및 제2 말단부들에 각각 포팅된 중공사막 다발; 상기 막 하우징의 내부 공간에 위치하는 습기 보유체(humidity retainer); 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 위한 유입구를 갖고 상기 막 하우징의 제 1 말단부에 장착된 제 1 커버부; 및 가습에 사용된 미반응 가스를 위한 배출구를 갖고 상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착된 제 2 커버부를 포함한다.

Description

연료전지용 가습기
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 향상된 가습 성능을 갖는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 2배 정도 효율이 높다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료전지는 환경친화적일 뿐만 아니라 화석 연료 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류할 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 주요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체의 고분자 전해질막에 소정의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 이는, 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 건조한 반응 가스에 수분을 공급하는 막 가습 방식이 있다.
막 가습 방식은 배기가스 중에 포함된 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 배기가스 중의 수증기를 고분자 전해질 막에 제공하는 방식으로서, 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 이점이 있다.
이러한, 막 가습 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 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통하여 재활용할 수 있다는 이점이 있다.
통상 연료전지용 가습기는 중공부를 흐르는 반응가스에 수분을 공급하기 위한 중공사막 다발이 집적된 막 하우징과 고습의 미반응 가스를 유입시키는 유입구와 이를 배출시키는 배출구를 포함하여 이루어져 있다.
그러나 종래의 가습기에 사용되는 중공사막은 구조상 많은 수분을 함유할 수 없는 단점을 갖는다. 따라서 자동차 운행 중 급가속으로 인해 가스 유입속도가 순간적으로 올라갈 경우 그에 대응한 신속한 가습이 불가능하다. 그 결과, 충분히 가습되지 않은 가스가 가습기로부터 연료전지로 제공되기 때문에 순간적으로 연료전지 시스템의 출력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해 중공사막의 두께를 증가시켜 중공사막의 함습 량을 향상시키는 기술이 제안될 수 있으나, 중공사막의 두께 증가로 인한 수분전달의 어려움으로 인해 가습성능이 저하되는 역효과가 초래될 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 고속 주행시 순간적인 출력 저하를 방지할 수 있는 향상된 가습 성능을 갖는 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 측면에 따라, 제1 및 제2 말단부들을 포함하는 막 하우징; 상기 막 하우징의 내부 공간 내에 위치하고, 양 말단이 상기 막 하우징의 제1 및 제2 말단부들에 각각 포팅된 중공사막 다발; 상기 막 하우징의 내부 공간에 위치하는 습기 보유체(humidity retainer); 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 위한 유입구를 갖고 상기 막 하우징의 제 1 말단부에 장착된 제 1 커버부; 및 가습에 사용된 미반응 가스를 위한 배출구를 갖고 상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착된 제 2 커버부를 포함하는 연료전지용 가습기가 제공된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 가습기는 수분을 많이 함유할 수 있는 습기 보유체를 포함하고 있어 급가속 시에도 충분한 수분을 연료 전지에 공급할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 가습기는 막 하우징 내에 분할판을 가지고 있어, 고습의 미반응 가스가 막 하우징 내에 집적된 모든 중공사막에 균일하게 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 개략도이다.
도 2는 도 1의 I-I´ 절단면을 나타낸 것이다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변형을 모두 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 개략도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기는 막 하우징(310)을 포함한다. 상기 막 하우징(310)은 제1 홀들(311)이 형성된 제1 말단부 및 상기 제1 말단부의 반대 측에 위치하고 제2 홀들(312)이 형성된 제2 말단부를 포함한다. 상기 막 하우징(310)은 내부 공간을 갖는다.
상기 막 하우징(310)의 내부 공간에 중공사막들(370)이 집적되어 있다. 상기 중공사막들(370)의 양 말단은 상기 막 하우징(310)의 제1 및 제2 말단부들에 각각 포팅되어 있다. 상기 중공사막(370)의 양 말단은 개방된 상태로 존재하기 때문에 막 하우징(310)의 외부로부터의 유체가 중공사막(370)의 중공을 따라 흐를 수 있다.
막 하우징(310) 내의 중공사막들(370)에 고습의 미반응 가스를 공급하기 위해, 막 하우징(310)의 제1 말단부의 상부 및 하부에 다수의 제1 홀들(311)이 형성되어 있다. 또한, 상기 중공사막들(370)에 수분을 빼앗긴 미반응 가스를 막 하우징(310) 밖으로 배출시키기 위해, 막 하우징(310)의 제2 말단부의 상부 및 하부에 다수의 제2 홀(312)이 형성되어 있다.
연료전지에 제공될 반응가스가 중공사막(370)의 중공을 따라 흐르고 막 하우징(310)의 제1 홀들(311)을 통해 막 하우징(310)의 내부 공간에 고습의 미반응 가스가 제공될 때, 상기 반응가스와 상기 고습의 미반응 가스는 중공사막(370)에 의해 물리적으로 차단된다. 다만, 고습의 미반응 가스에 함유된 수분만이 선택적으로 중공사막(370)을 투과함으로써 중공사막(370)의 중공을 따라 흐르는 반응가스가 가습된다.
상기 막 하우징(310)의 제 1 말단부에 제 1 커버부(320)가 장착되어 있다. 상기 제1 커버부(320)에는 스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 가습기 내로 유입시키기 위한 유입구(321)가 형성되어 있다. 상기 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스는 상기 막 하우징(310)의 외부를 흐르다가 제1 홀들(311)을 통해 막 하우징(310)의 내부 공간으로 이동한다.
상기 제1 커버부(320)의 내면과 상기 막 하우징(310)의 제1 말단부 사이에는 실링부(미도시)가 설치되어 있어 고습의 미반응 가스가 막 하우징(310)의 내부 공간으로만 흐르게 된다. 즉, 상기 제1 커버부(320)의 유입구(321)가 상기 다수의 제1 홀(311)들과만 유체 연통되기 때문에 상기 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스는 다수의 제1 홀(311)들을 통해서만 상기 막 하우징(310)의 내부 공간으로 이동하게 된다.
상기 막 하우징(310)의 제 2 말단부에 제2 커버부(330)가 장착되어 있다. 상기 제2 커버부(330)에는 수분을 빼앗긴 미반응 가스를 가습기 밖으로 내보내기 위한 배출구(미도시)가 형성되어 있다.
상기 제2 커버부(330)의 내면과 상기 막 하우징(310)의 제2 말단부 사이에는 실링부(미도시)가 설치되어 있어 수분을 빼앗긴 미반응 가스가 제2 커버부(330)의 배출구를 통해서만 가습기 밖으로 배출된다.
반응가스 배출구(351)를 갖는 제 1 캡(350)이 상기 제 1 커버부(320)의 말단에 장착된다. 중공사막(370)의 중공을 따라 흐르면서 가습된 반응 가스가 상기 반응가스 배출구(351)를 통해 가습기 밖으로 배출되어 연료전지로 공급된다.
반응가스 유입구(341)를 갖는 제2 캡(340)이 상기 제2 커버부(330)의 말단에 장착된다. 건조한 반응 가스가 연료전지로 공급되기 전에 상기 반응가스 유입구(341)를 통해 가습기 내로 유입된다.
도 2는 도 1의 I-I´절단면을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기는 상기 막 하우징(310)의 내부 공간에 배치된 습기 보유체(200)를 포함한다.
상기 습기 보유체(200)는 많은 양의 수분을 보유하고 있다가 인접한 중공사막(370)의 수분 함유량이 급격히 낮아질 경우 보유하고 있는 수분을 상기 중공사막(370)에 공급하는 역할을 수행한다.
종래 가습기에 사용되는 중공사막(370)은 구조상 다량의 수분을 함유할 수 없는 문제가 있다. 따라서 연료전지 자동차 운행 중 급가속 시 반응가스 유입속도가 순간적으로 올라갈 경우 반응 가스에 충분한 수분을 제공할 수 없고, 그 결과 순간적으로 연료전지 시스템의 출력이 저하되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하고자, 본 발명의 연료전지용 가습기는 고속으로 운행시 중공사막(370)의 중공에 대량의 반응가스가 급격히 유입되더라도 상기 반응가스에 수분을 충분히 공급해줄 수 있도록 많은 양의 수분을 함유할 수 있는 습기 보유체(200)를 막 하우징(310) 내의 공간에 삽입시킨다.
상기 습기 보유체(200)는 상기 막 하우징(310) 내에 집적된 중공사막 다발 내부에 삽입될 수 있다. 즉, 상기 습기 보유체(200)는 중공사막(370)들 사이에 삽입되어 인접된 상기 중공사막(370)의 수분 보유량이 급격히 떨어질 경우 이들에게 수분을 공급해 줄 수 있다. 이와 같이 상기 습기 보유체(200)가 중공사막(370)들 사이에 삽입됨에 따라 중공사막(370)들에게 단시간 내에 수분을 공급할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 습기 보유체(200)는 상기 막 하우징(310) 내에 집적된 중공사막(370) 다발 외부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 습기 보유체(200)는 중공사막(370) 다발의 외부에 배치됨에 따라 상기 중공사막(370) 다발의 수분 보유량이 급격히 떨어질 경우 용이하게 수분을 상기 중공사막(370) 다발에 공급해 줄 수 있다. 이와 같이 상기 습기 보유체(200)가 중공사막(370) 다발의 외부에 배치됨에 따라 다량의 수분을 중공사막(370) 다발에 용이하게 공급할 수 있는 이점이 있다.
상기 습기 보유체(200)는 막 하우징(310) 내부 공간 부피의 1 내지 20 %를 차지하도록 상기 중공사막(370) 사이에 삽입될 수 있다. 만일, 상기 습기 보유체(200)가 차지하는 부피가 1 % 미만일 경우 중공사막(370)에 충분한 수분을 원활하게 공급하지 못해 고속 운행시 출력이 저하될 수 있다. 반면 상기 습기 보유체(200)가 차지하는 부피가 20 %를 초과할 경우 유효 막 면적이 지나치게 줄어들어 가습 성능의 향상을 기대할 수 없다.
상기 습기 보유체(200)는 다양한 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 습기 보유체(200)는 스펀지, 중공사막, 섬유, 직물, 편물, 부직포 및 브레이드 중 적어도 하나의 형태일 수 있다.
특히, 브레이드(braid) 형태의 습기 보유체(200)는 중공사막(370)과 유사한 형상을 가짐에 따라 집적도를 향상시킬 수 있기 때문에 가습 효율을 극대화할 수 있고, 표면적이 넓기 때문에 물리적으로 다량의 수분을 함유할 수 있는 이점이 있다.
상기 습기 보유체(200)는 다양한 소재로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 습기 보유체(200)는 나피온, 설포네이티드 폴리설폰, 설포네이티드 폴리이미드, 및 설포네이티드 폴리아릴렌이써 중 적어도 하나로 이루어진 전도체를 포함할 수 있다. 이와 같이 전도체를 포함한 습기 보유체(200)는 화학적으로 수분과 용이하게 결합할 수 있는 친수성기를 가짐에 따라 다량의 수분을 함유할 수 있게 된다.
이러한 전도체 중 듀퐁사에 의해 개발된 상품명인 나피온은 빠른 수분 전달 성능과 훌륭한 기체 장벽 효과를 갖는 이점이 있으나 가격이 고가라는 문제점이 있다. 반면, 전도체 중 설포네이티드 폴리설폰, 설포네이티드 폴리이미드, 및 설포네이티드 폴리아릴렌이써는 비용이 저렴할 뿐만 아니라 나피온과 유사한 성능을 나타낼 수 있는 특성이 있다.
또한, 상기 습기 보유체(200)는 물리적으로 다량의 수분을 함유할 수 있는 형태를 가지며 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다량의 공극을 갖는 스폰지 또는 브레이드 형태의 폴리에틸렌은 물리적으로 다량의 수분을 함유할 수 있기 때문에 상기 중공사막(370)에 수분을 단시간 내에 원활하게 충분히 공급할 수 있게 된다.
한편, 도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 가습기는 상기 막 하우징(310)의 내부 공간을 다수의 단위 공간들로 분할하는 분할판을 더 포함할 수 있다.
상기 분할판은 이중 격벽 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 분할판은 2개의 격벽들을 포함하고, 상기 2개의 격벽들 사이에는 상기 막 하우징의 상부 및 하부를 연결하는 슬릿이 형성될 수 있다.
상기 분할판은 이와 같은 이중 격벽 구조를 적어도 일부분에 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 막 하우징(310)의 제1 및 제2 말단부들 중 적어도 하나에 대응하는 상기 분할판의 부분이 이중 격벽 구조를 가질 수 있다.
상기 분할판의 슬릿(362)은 사각형, 원형 등 다양한 형상의 단면을 가질 수 있다.
상기 분할판의 격벽(361)에는 관통홀(h)이 형성될 수 있다. 막 하우징(310)의 제1 단위 공간에 있는 미반응 가스가 격벽(361)의 관통홀(h)을 통해 제2 단위 공간으로 흐를 수 있다. 따라서, 미반응 가스가 막 하우징(310) 내부 공간 전체에 고르게 공급될 수 있다. 상기 관통홀(h)은 사각형, 원형, 타원형, 슬릿형, 사선 슬릿형, 메쉬형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
이중 격벽 구조를 갖는 분할판은 격벽들(361) 사이의 슬릿(362)을 통해 유체가 흐를 수 있다는 장점을 갖는다. 즉, 제1 커버부(320)의 제2 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스가 상기 슬릿(362)을 통해 막 하우징(310)의 상부로부터 하부로 및 그 역으로도 자유롭게 이동할 수 있다. 그 결과, 고습의 미반응 가스가 분할판에 의해 형성된 다수의 단위 공간들로 균일하게 공급될 수 있다. 또한, 막 하우징(310) 상부에서 고습의 미반응 가스가 과도하게 흐를 경우 상부를 흐르는 고습의 미반응 가스가 이중 격벽(361)의 슬릿(362)을 통해 하부로 흐르게 됨에 따라, 상기 막 하우징(310)의 상하부에 고르게 고습의 미반응 가스가 공급될 수 있다. 결과적으로, 상제1 커버부(320)의 제2 유입구(321)를 통해 유입된 고습의 미반응 가스는 상기 막 하우징(310)의 내부 공간에서 쏠림 현상이 없이 균일하게 가습에 이용될 수 있다.
상기 막 하우징(310)에서의 쏠림 현상을 효과적으로 방지하기 위해서 분할판(360)에 의해 형성되는 단위 공간들은 되도록 많을수록 바람직하지만, 제조의 곤란성 및 제조비용 등을 감안하여 상기 막 하우징(310)은 2 내지 10 개의 단위 공간들을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
연료전지로 공급될 건조한 반응가스가 제2 캡(340)의 반응가스 유입구(341)를 통해 가습기로 유입되는 것과 동시에, 스택으로부터 배출되는 고습의 미반응 가스가 제1 커버부(320)의 유입구(321)를 통해 가습기로 유입된다.
건조한 반응가스는 중공사막(370)의 개방된 말단을 통해 그 중공으로 공급되고, 고습의 미반응 가스는 제1 홀들(311)을 통해 막 하우징(310)의 내부 공간으로 공급된다. 이때, 고습의 미반응 가스는 격벽들(361) 사이의 슬릿들(362)을 통해 막 하우징(310)의 상부에서 하부로 및 그 반대로 자유롭게 흐르면서 막 하우징(310)의 단위 공간들 전체에 균일하게 공급된다.
막 하우징(310)의 내부 공간으로 유입된 다량의 수분을 함유하고 있는 미반응 가스는 중공사막들(370) 및 습기 보유체(200)와 접촉하고 이들에게 수분을 전달한다.
이렇게 수분이 축적된 중공사막(370)은 수분의 밀도 차이에 의해 중공사막(370)의 중공을 따라 흐르는 건조한 반응가스에 수분을 공급한다. 가습된 반응가스는 반응가스 배출구(331)를 통해 연료전지로 보내진다.
이때, 만일 고속 운전으로 인해 제2 캡(340)의 반응가스 유입구(341)를 통해 급격히 다량의 반응가스가 유입되어 상기 중공사막(370)이 단시간 내에 수분을 다량 빼앗길 경우 습기 보유체(200)는 저습의 상기 중공사막(370)에 수분을 신속하게 전달함으로써 상기 중공사막(370)이 계속해서 반응가스에 수분을 충분히 공급할 수 있도록 도와준다. 그 결과, 고속 주행 중 출력 저하가 방지될 수 있다.

Claims (11)

  1. 제1 및 제2 말단부들을 포함하는 막 하우징;
    상기 막 하우징의 내부 공간 내에 위치하고, 양 말단이 상기 막 하우징의 제1 및 제2 말단부들에 각각 포팅된 중공사막 다발;
    상기 막 하우징의 내부 공간에 위치하는 습기 보유체(humidity retainer);
    스택으로부터 배출된 고습의 미반응 가스를 위한 유입구를 갖고 상기 막 하우징의 제 1 말단부에 장착된 제 1 커버부; 및
    가습에 사용된 미반응 가스를 위한 배출구를 갖고 상기 막 하우징의 제 2 말단부에 장착된 제 2 커버부를 포함하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 상기 중공사막 다발 내부에 삽입된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 상기 중공사막 다발 외부에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 상기 막 하우징의 내부 공간 부피의 1 내지 20 %를 차지하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 스펀지, 중공사막, 섬유, 직물, 편물, 부직포 및 브레이드 중 적어도 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 나피온, 설포네이티드 폴리설폰, 설포네이티드 폴리이미드, 및 설포네이티드 폴리아릴렌이써 중 적어도 하나로 형성된 전도체를 포함하는 연료전지용 가습기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 습기 보유체는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 적어도 하나로 이루어지고 물리적으로 다량의 수분을 함유할 수 있는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 막 하우징의 내부 공간을 다수의 단위 공간들로 분할하는 분할판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분할판은 이중 격벽 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분할판은 2개의 격벽들을 포함하고,
    상기 2개의 격벽들 사이에는 상기 막 하우징의 상부 및 하부를 연결하는 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 격벽들에는 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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