WO2022055166A1 - 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2022055166A1
WO2022055166A1 PCT/KR2021/011612 KR2021011612W WO2022055166A1 WO 2022055166 A1 WO2022055166 A1 WO 2022055166A1 KR 2021011612 W KR2021011612 W KR 2021011612W WO 2022055166 A1 WO2022055166 A1 WO 2022055166A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
fuel cell
heat exchange
partition wall
housing
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/011612
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
양형모
김경주
안웅전
김인호
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020200117996A external-priority patent/KR20220035805A/ko
Priority claimed from KR1020200117995A external-priority patent/KR20220035804A/ko
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Priority to EP21867032.1A priority Critical patent/EP4027418A4/en
Priority to JP2022517765A priority patent/JP2023541079A/ja
Priority to CN202180006532.4A priority patent/CN114730898A/zh
Priority to US17/761,200 priority patent/US20220376281A1/en
Publication of WO2022055166A1 publication Critical patent/WO2022055166A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04134—Humidifying by coolants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/031—Two or more types of hollow fibres within one bundle or within one potting or tube-sheet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B01D63/084—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes
    • B01D63/085—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes specially adapted for two fluids in mass exchange flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B01D2313/086—Meandering flow path over the membrane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/21—Specific headers, end caps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/22—Cooling or heating elements
    • B01D2313/221—Heat exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2315/00—Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/22—Membrane contactor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • 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 moisture 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.
  • 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.
  • the fuel cell since 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.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • each of these fuel cells operates based on the same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other.
  • 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.
  • 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
  • a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve
  • 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • the humidification membrane method for 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.
  • 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 high temperature. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering moisture and heat contained in the unreacted gas.
  • high-temperature dry air generated from a compressor or blower is introduced into the fuel cell stack through a membrane humidifier.
  • 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.
  • the air cooler is disadvantageous in package application because of its large volume, increases the pressure loss of the air compressed by the blower, and additionally requires a cooling water flow path, thereby complicating the equipment and disadvantageous in miniaturization.
  • the present invention provides a fuel cell membrane humidifier capable of realizing simplification of a fuel cell system and miniaturization of a fuel cell system size by performing humidification by water exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier, and a fuel cell system including the same aim to do
  • a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention is a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • a housing part having a space separated by a partition wall; a humidification module formed in one region of the separated space, the humidification module including a plurality of hollow fiber membranes in which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside; a heat exchange module formed in another area of the separated space and cooling the first fluid flowing therein; and a flow rate controller actively controlling 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.
  • the metal plate on the humidification module side is a metal having a large coefficient of thermal expansion
  • the metal plate on the side of the heat exchange module is made of a metal having a small coefficient of thermal expansion.
  • the flow rate control unit is fixed to the end of the bimetal and opens and closes the flow path between the humidification module and the heat exchange module according to a change in the shape of the bimetal.
  • the housing part includes a housing body separated into two spaces by the partition wall, and a first fluid coupled to both ends of the housing body, into which the first fluid flows. and a housing cap each having a first fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid is discharged, wherein the housing cap having the first fluid inlet is formed with a flow rate controller for controlling a flow direction of the first fluid and the partition wall It may include a cap partition wall formed in the extending direction.
  • the housing part is separated into two spaces by the partition wall, a first fluid inlet through which the first fluid flows, and a first fluid outlet through which the first fluid flows out.
  • a housing body having a fluid outlet formed therein, and a housing cap coupled to both ends of the housing body, each having a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows,
  • the housing body may include an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
  • the housing part is separated into two spaces by the partition wall, a first fluid inlet through which the first fluid flows, and a first fluid outlet through which the first fluid flows out.
  • a housing body having a fluid outlet formed on one surface thereof, a housing cap coupled to both ends of the housing body, a second fluid inlet through which the second fluid flows, and a second fluid outlet through which the second fluid flows out, respectively.
  • the housing body includes an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and an intersection formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction crossing the extended partition wall. It may include bulkheads.
  • the heat exchange module may be a shell-and-tube type heat exchange module, a honeycomb type heat exchange module, or a plate type.
  • 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.
  • an air compression means for receiving and compressing external air to generate a first fluid
  • a fuel cell stack for generating heat and a second fluid of 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
  • a heat exchange module for cooling the first fluid
  • a fuel cell membrane humidifier including a flow rate controller actively controlling 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.
  • the metal plate on the humidification module side is a metal having a large coefficient of thermal expansion
  • the metal plate on the side of the heat exchange module is a metal having a small coefficient of thermal expansion It may be a bimetal. there is.
  • the flow rate control unit is fixed to an end of the bimetal, and an opening/closing window for opening and closing a flow path between the humidification module and the heat exchange module according to a change in the shape of the bimetal. may include more.
  • the fuel cell membrane humidifier includes a housing part having a space separated by a partition wall, and the humidification module is formed in one area of the separated space, and a plurality of hollow fiber membranes in which the flowing first fluid exchanges moisture with the second fluid flowing to the outside, and the heat exchange module is formed in another region of the separated space and cools the first fluid flowing therein.
  • the housing part includes a housing body separated into two spaces by the partition wall, and a first housing body coupled to both ends of the housing body and into which the first fluid flows. and a housing cap each having a fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid is discharged, wherein the housing cap having the first fluid inlet is provided with a flow rate controller for controlling a flow direction of the first fluid and the partition wall It may include a cap partition wall formed in an extending direction.
  • the housing part is divided into two spaces by the partition wall, a first fluid inlet through which the first fluid flows, and a first fluid through which the first fluid flows out.
  • a housing body having an outlet port formed therein; a housing cap coupled to both ends of the housing body;
  • the housing body may include an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
  • the housing part is divided into two spaces by the partition wall, a first fluid inlet through which the first fluid flows, and a first fluid through which the first fluid flows out.
  • a housing body having an outlet formed on one surface thereof, and a housing cap coupled to both ends of the housing body, each having a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows.
  • the housing body includes an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and a cross partition formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction crossing the extended partition wall.
  • 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 for bypassing at least a portion of the outside air introduced into the air compression means.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view illustrating an application example of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a front view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a modified example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 4 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 4 .
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a shell-and-tube type heat exchange module.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a honeycomb heat exchange module.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a plate type heat exchange module.
  • FIG. 12 is a view illustrating that the shell-and-tube type heat exchange module of FIG. 9 is applied to a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a side view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating an application example of a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view of FIG. 16 ;
  • FIG. 18 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a modified example of another embodiment of the present invention.
  • 19 to 21 are diagrams for explaining an operation process of a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating another example of a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • 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 .
  • the air compression means 10 receives external air from the outdoor air supply passage L1, compresses it, 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.
  • the fuel cell membrane humidifier 20 receives high-temperature dry air compressed by the air compression means 10 .
  • the fuel cell membrane humidifier 20 is supplied with high-temperature, high-humidity exhaust gas discharged from the fuel cell stack 30 .
  • the humidification module 200 of the fuel cell membrane humidifier 20 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) and the fuel cell stack 30 are discharged
  • the high-humidity exhaust gas exchanges moisture.
  • the dry air is supplied to the fuel cell stack 30 while containing moisture.
  • At least a portion 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.
  • the fuel cell stack 30 is made 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 a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly in close contact with each other.
  • the separator is made in the form of a plate having conductivity, and channels for flowing fuel and air to the adhesion surface of the membrane-electrode assembly are respectively formed.
  • 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.
  • the anode oxidizes hydrogen supplied through the channel of the separator to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane functions to move the hydrogen ions to the cathode.
  • 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 .
  • 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. It has the advantage of simplifying the fuel cell system and reducing the size of the fuel cell system.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view showing an application example of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of the present invention It is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment
  • FIG. 5 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to a modified example of an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a fuel cell according to an embodiment of the present invention
  • a plan view of the battery membrane humidifier is shown
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 4
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 4 .
  • the fuel cell membrane humidifier 20 includes a housing part 100 , a humidification module 200 , a heat exchange module 300 , and a flow rate controller ( 400) is included.
  • 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 hard plastic such as polycarbonate or metal.
  • the housing body 110 is separated into two spaces by a partition wall 150, and a humidification module 200 for performing moisture exchange and a heat exchange module 300 for cooling by heat exchange are disposed in each space. . (See Fig. 7)
  • 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.
  • the circular shape may be an elliptical shape.
  • the housing body 110 in the region where the humidification module 200 is disposed includes a second fluid inlet 131 to which the second fluid is supplied and a second fluid outlet 132 through which the second fluid is discharged.
  • the first fluid may be a low-humidity fluid
  • 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 .
  • a cooling medium inlet 141 through which a cooling medium is supplied and a cooling medium outlet 142 through which the cooling medium is discharged are formed in the housing body 110 in the area where the heat exchange module 300 is disposed.
  • 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.
  • 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 .
  • a 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 housing cap 120 in which the first fluid inlet 121 is formed may include a cap partition wall 123 (refer to FIG. 12 ) formed in a direction in which the partition wall 150 formed in the housing body 110 extends.
  • the partition wall 150 and the cap partition wall 123 may be formed separately or integrally.
  • the first fluid whose direction is controlled by the flow control unit 400 is guided to the humidification module 200 or the heat exchange module 300 by the cap partition wall 123 .
  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • 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 .
  • 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 the known bar, and a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the flow rate control unit 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 flow rate control unit 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.
  • the flow rate control unit 400 may be formed of a bimetal formed in the shape of one rod by stacking two or more metal plates having different coefficients of thermal expansion.
  • the blower when the output of the fuel cell stack 30 is low output, the first fluid supplied from the blower to the membrane humidifier 20 is relatively low temperature, and when the output of the fuel cell stack 30 is high output, the blower The first fluid supplied to the humidifier 20 has a relatively high temperature.
  • the metal plate of the humidification module 200 may be made of a metal having a high coefficient of thermal expansion
  • the metal plate of the heat exchange module 300 may be made of a metal having a low coefficient of thermal expansion
  • the flow rate controller 400 may include a bimetal 410 and an opening/closing window 420 .
  • the bimetal 410 may be manufactured in a single rod shape by stacking two or more metal plates having different coefficients of thermal expansion.
  • the metal plate on the humidification module 200 side may be made of a metal having a high coefficient of thermal expansion
  • the metal plate on the heat exchange module 300 side may be made of a metal having a low coefficient of thermal expansion.
  • the opening/closing window 420 is fixed to the end of the bimetal 410 and moves from the first fluid inlet 121 according to the shape change of the bimetal 410, and the humidification module 200 and the heat exchange module 300 side flow path. can be opened and closed.
  • the flow rate control unit 400 is configured to control the output state of the fuel cell stack without having 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. Accordingly, the first fluid actively flows evenly through the humidification module 200 and the heat exchange module 300, or a large amount flows toward either one of the humidification module 200 and the heat exchange module 300, or with the humidification module 200 The flow rate may be adjusted by controlling the heat exchange module 300 not to flow to either side.
  • 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
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a plate type heat exchange module.
  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • the heat transfer plate of the plate heat exchanger shown in FIG. 11 is made of a embossed stainless steel plate, and each of the heat transfer plates alternately arranges the herringbone pattern up and down so that the fluid is transferred to the heat transfer plate. It is evenly distributed to form a turbulent flow, and heat is exchanged with the heat source side and the contraction flows countercurrently.
  • 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 necessarily limited thereto.
  • FIG. 12 illustrates that the shell-and-tube type heat exchange module of FIG. 9 is applied to a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13 to 15 are perspective views showing a fuel cell membrane humidifier 20a according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a side view showing a fuel cell membrane humidifier 20a according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is a perspective view showing an application example of the fuel cell membrane humidifier 20a according to another embodiment of the present invention.
  • the fuel cell membrane humidifier shown in FIGS. 13 to 15 includes a housing part 100a, a humidification module 200a, a heat exchange module 300a, and a flow rate control part 400a substantially similar to the above-described embodiment.
  • a high-humidity second fluid flows in and out through the housing cap 120a
  • a dry (low-humidity) first fluid flows in and out through the housing body 100a.
  • the housing body 110a is separated into two spaces by a partition wall 150a, and a humidification module 200a for performing moisture exchange and a heat exchange module 300a for performing cooling by heat exchange are disposed in each space, respectively. .
  • a first fluid inlet 121a through which the first fluid is supplied and a first fluid outlet 122a through which the first fluid is discharged are formed in the housing body 110a of the region where the humidification module 200a is disposed.
  • a flow rate control unit 400a for controlling the flow direction of the introduced first fluid is formed in the first fluid inlet 121a.
  • the housing body 110a in which the first fluid inlet 121a is formed may include an extended partition 151a in which the partition 150a formed in the housing body 110a extends in the direction of the first fluid inlet 121a. .
  • the partition wall 150a and the extended partition wall 151a may be formed separately or integrally.
  • the first fluid whose direction is controlled by the flow rate control unit 400a is guided to the humidification module 200a or the heat exchange module 300a by the extended partition wall 151a.
  • At least a portion of the first fluid introduced into the first fluid inlet 121a flows into the humidification module 200a, and the remaining portion flows into the heat exchange module 300a. All of the first fluid may be introduced into the humidification module 200a or the heat exchange module 300a according to operating conditions.
  • a cooling medium inlet 141a through which a cooling medium is supplied and a cooling medium outlet 142a through which a cooling medium is discharged are formed in the housing body 110a of the region where the heat exchange module 300a is disposed.
  • the cooling medium inlet 141a and the cooling medium outlet 142a may be formed on a side surface of the housing body 110a.
  • the present invention is not limited thereto, and as shown in FIG. 15 , the cooling medium inlet 141a and the cooling medium outlet 142a may be formed on the upper surface or the lower surface of the housing body 110a. In this case, the cooling medium inlet 141a and the cooling medium outlet 142a pass through the upper or lower surface of the housing body 110a to be connected to the heat exchange module 300a so that the cooling medium can flow through the heat exchange module 300a. is formed
  • the housing cap 120a is coupled to both ends of the housing body 110a.
  • a second fluid inlet 131a and a second fluid outlet 132a are formed in each housing cap 120a.
  • the flow control unit 400a is different only in that it is installed in the first fluid inlet 121a, but has substantially the same function and configuration, and thus a repeated description thereof will be omitted.
  • FIGS. 16 to 18 are perspective views showing a fuel cell membrane humidifier 20b according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a plan view of FIG. 16
  • FIG. 18 is a fuel cell according to a modified example of another embodiment of the present invention. It is a plan view showing the membrane humidifier.
  • the fuel cell membrane humidifier shown in FIGS. 16 to 18 includes a housing part 100b, a humidification module 200b, a heat exchange module 300b, and a flow rate control part 400b substantially similar to the other embodiments described above.
  • a high-humidity second fluid flows in and out through the housing cap 120b
  • a dry (low-humidity) first fluid flows in and out through the housing body 100b
  • the first fluid outlet (122b) is formed together on the upper surface or the lower surface of the housing body (100b).
  • the housing body 110b is divided into two spaces by a partition wall 150b, and a humidification module 200b for performing moisture exchange and a heat exchange module 300b for performing cooling by heat exchange are disposed in each space, respectively. .
  • a first fluid inlet 121b through which the first fluid is supplied and a first fluid outlet 122b through which the first fluid is discharged to one surface (upper surface or lower surface) of the housing body 110b in the region where the humidification module 200b is disposed. is formed.
  • a flow rate control unit 400b for controlling the flow direction of the introduced first fluid is formed in the first fluid inlet 121b.
  • a partition 150b formed in the housing body 110b is provided with a first fluid inlet 121b and a first fluid outlet ( It may include an extended partition wall 151b extending in the direction 122b) and an intersecting partition wall 152b formed in a direction crossing the extended partition wall 151b.
  • the cross partition wall 152b is formed between the first fluid inlet 121b and the first fluid outlet 122b.
  • the extended partition wall 151b and the intersecting partition wall 152b divide the space between the humidification module 200b and the heat exchange module 300b and the housing body 110b into four separate spaces.
  • a first outlet window 202b is formed so that the first fluid, which has undergone water exchange while flowing inside, flows out.
  • a second inlet window 301b for allowing the first fluid introduced through the first fluid inlet 121b to flow into the heat exchange module 300b and the heat exchange module (300b)
  • a second outlet window 302b is formed so that the first fluid, which has undergone heat exchange while flowing therein, flows out.
  • the inlet windows 201b and 301b and the outlet windows 202b and 302b are formed through a portion of one surface of the humidification module 200b and the heat exchange module 300b.
  • a cooling medium inlet 141b through which a cooling medium is supplied and a cooling medium outlet 142b through which a cooling medium is discharged are formed in the housing body 110b of the region where the heat exchange module 300b is disposed.
  • the cooling medium inlet 141b and the cooling medium outlet 142b may be formed on a side surface of the housing body 110b.
  • the housing cap 120b is coupled to both ends of the housing body 110b.
  • a second fluid inlet 131b and a second fluid outlet 132b are formed in each housing cap 120b.
  • FIG. 17 exemplifies a case in which the flow rate control unit 400b is configured only with a bimetal
  • FIG. 18 illustrates a case where the flow rate control unit 400b includes a bimetal 410 and an opening/closing window 420 .
  • the first fluid whose direction is controlled by the flow rate control unit 400b is guided to the humidification module 200b or the heat exchange module 300b by the extended partition wall 151b.
  • the first fluid flowing into the humidification module 200b or the heat exchange module 300b performs heat exchange while flowing inside the humidification module 200b or heat exchange while flowing inside the humidification module 200b, and then the first fluid outlet (122b) is mixed in the front and flows out of the fuel cell membrane humidifier 20b through the first fluid outlet 122b.
  • FIGS. 19 to 21 an operation process of the fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 to 21 .
  • the lower left diagram shows a case in which the flow rate control unit 400b is configured only with bimetal
  • the lower right diagram shows the flow rate control unit 400b includes a bimetal 410 and an opening/closing window 420 .
  • the operation process of the fuel cell membrane humidifier according to other embodiments of the present invention is substantially the same as that of the first embodiment, a repeated description will be omitted.
  • 19 is an example in which only the humidifier function is implemented by allowing the first fluid to flow only into the humidifying module 200 .
  • 19 shows a case where the output of the fuel cell stack 30 is high output, and since the first fluid is relatively high temperature, the metal plate on the side of the humidification module 200 having a large coefficient of thermal expansion expands faster, as a result
  • the 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 .
  • 20 is an example in which only the heat exchanger function is implemented by allowing the first fluid to flow only into the heat exchange module 300 .
  • 20 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 metal plate on the side of the humidification module 200 having a large coefficient of thermal expansion contracts more quickly, as a result
  • the 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.
  • 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 . there is.
  • 21 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 .
  • 21 shows a case in which 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, the thermal expansion coefficients of the two metals constituting the bimetal are somewhat similar to the humidification module
  • the (200) side flow path or the heat exchange module 300 side flow path is partially opened. 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.
  • the fuel cell system 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).
  • 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.
  • 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.
  • a bypass valve (V) for controlling the flow rate to be bypassed is formed in the outdoor air supply passage (L1).
  • the heat exchange module 300 cools the first fluid using a cooling medium supplied from the outside.
  • 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.
  • At least a portion of the outside air introduced into the air compression means 10 is supplied to the heat exchange module 300 through the bypass passage 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.
  • housing part 110 housing body
  • bimetal 420 opening and closing window

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

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 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 유량 조절부를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
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.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 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.
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.
현재는 이러한 열교환과 가습(수분 제어)을 위해 열교환 장치와 막가습기를 직렬로 배치하고 있는데, 이는 막가습기와 블로워 사이에 추가적인 에어쿨러의 설치가 필요하게 한다.
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.
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.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 유량 조절부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 유량 조절부는, 상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 유량 조절부는, 상기 바이메탈의 단부에 고정 형성되며, 상기 바이메탈의 형상 변화에 따라 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈 측의 유로를 개폐하는 개폐 윈도우를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 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 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 열교환 모듈은, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식일 수 있다.
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.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,
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 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 유량 조절부는, 상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 유량 조절부는, 상기 바이메탈의 단부에 고정 형성되며, 상기 바이메탈의 형상 변화에 따라 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈 측의 유로를 개폐하는 개폐 윈도우를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 막가습기는, 격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부를 포함하며, 상기 가습 모듈은 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 상기 제1 유체가 외부에 흐르는 상기 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하며, 상기 열교환 모듈은 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 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 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함할 수 있다.
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 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
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.
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 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 7은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이다.
도 8은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 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 12는 도 9의 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 적용된 것이 예시된 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 측면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 17은 도 16의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예가 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대해 설명한다.
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.
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.
연료전지 막가습기(20)는 공기 압축수단(10)에서 압축된 고온의 건조공기를 공급받는다. 또한, 연료전지 막가습기(20)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 고온 고습의 배출가스를 공급받는다.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이고, 도 7은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이며, 도 8은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 단면도이다.
도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)는, 하우징부(100)와 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)과 유량 조절부(400)를 포함한다.
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.
하우징 몸체(110)는 격벽(150)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300)이 각각 배치된다. (도 7 참조)
또한, 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.
도 8을 참조하면, 가습 모듈(200)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(131)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(132)가 형성되어 있다. 상기에서 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.
열교환 모듈(300)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142)가 형성된다. 열교환 모듈(300)에 의한 냉각 방식은, 공냉식 또는 수냉식일 수 있으며, 냉각매체는 외부에서 공급된 공기 또는 물일 수 있다.
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 유량 조절부(400)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121)가 형성된 하우징 캡(120)에는 하우징 몸체(110)에 형성된 격벽(150)이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽(123, 도 12 참조)을 포함할 수 있다. 설계에 따라 격벽(150)과 캡 격벽(123)은 각각 별도로 형성되거나 또는 일체로 형성될 수 있다. 유량 조절부(400)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 캡 격벽(123)에 의해 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 가이드된다.
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.
가습 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(H)이 수용된 중공사막 다발이 배치될 수 있다. 또는, 도 3에 예시된 바와 같이, 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.
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.
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.
유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 출력상태에 따라 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입되는 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절한다.
이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 유량 조절부(400)는 열팽창률이 상이한 2개 이상의 금속판을 포개어 하나의 막대 형상으로 제조된 바이메탈로 형성될 수 있다.
연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우, 막가습기(20)에서의 가습량은 상대적으로 적으며, 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우, 막가습기(20)에서의 가습량은 상대적으로 커지게 된다.
또한, 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우, 블로워에서 막가습기(20)로 공급되는 제1 유체는 상대적으로 저온이며, 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우, 블로워에서 막가습기(20)로 공급되는 제1 유체는 상대적으로 고온이다.
따라서, 유량 조절부(400)는 가습 모듈(200) 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 열교환 모듈(300) 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성될 수 있다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유량 조절부(400)는 바이메탈(410)과 개폐 윈도우(420)를 포함할 수 있다. 바이메탈(410)은 열팽창률이 상이한 2개 이상의 금속판을 포개어 하나의 막대 형상으로 제조될 수 있다. 바이메탈(410)은 가습 모듈(200) 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 열교환 모듈(300) 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성될 수 있다. 개폐 윈도우(420)는 바이메탈(410)의 단부에 고정 형성되며, 바이메탈(410)의 형상 변화에 따라 제1 유체 유입구(121)에서 이동하면서 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 측의 유로를 개폐할 수 있다.
이러한 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 12는 도 9의 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 적용된 것을 예시하고 있다.
다음으로, 도 13 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)가 도시된 사시도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)가 도시된 측면도이며, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 13 내지 도 15에 도시된 연료전지 막가습기는 전술한 일 실시예와 실질적으로 유사하게 하우징부(100a)와 가습 모듈(200a)과 열교환 모듈(300a)과 유량 조절부(400a)를 구비한다. 다만, 본 실시예에서는 하우징 캡(120a)을 통해 고습의 제2 유체가 유입 및 유출되고, 하우징 몸체(100a)를 통해 건조(저습)한 제1 유체가 유입 및 유출된다.
하우징 몸체(110a)는 격벽(150a)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200a)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300a)이 각각 배치된다.
가습 모듈(200a)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110a)에는 제1 유체가 공급되는 제1 유체 유입구(121a)와 제1 유체가 배출되는 제1 유체 유출구(122a)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121a)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부(400a)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121a)가 형성된 하우징 몸체(110a)에는 하우징 몸체(110a)에 형성된 격벽(150a)이 제1 유체 유입구(121a) 방향으로 연장되는 연장 격벽(151a)을 포함할 수 있다. 설계에 따라 격벽(150a)과 연장 격벽(151a)은 각각 별도로 형성되거나 또는 일체로 형성될 수 있다. 유량 조절부(400a)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 연장 격벽(151a)에 의해 가습 모듈(200a) 또는 열교환 모듈(300a)로 가이드된다.
제1 유체 유입구(121a)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 가습 모듈(200a) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 열교환 모듈(300a) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200a) 또는 열교환 모듈(300a)로 유입될 수 있다.
열교환 모듈(300a)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110a)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141a)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142a)가 형성된다. 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 하우징 몸체(110a)의 측면에 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 도 15에 도시된 바와 같이 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 하우징 몸체(110a)의 상면 또는 저면에 형성될 수도 있다. 이 경우, 냉각 매체가 열교환 모듈(300a)을 유동할 수 있도록 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 열교환 모듈(300a)과 연결되도록 하우징 몸체(110a)의 상면 또는 저면을 관통하여 형성된다.
하우징 캡(120a)은 하우징 몸체(110a)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120a)에는 제2 유체 유입구(131a) 및 제2 유체 유출구(132a)가 형성되어 있다.
가습 모듈(200a)과 열교환 모듈(300a)은 전술한 일 실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 또한, 유량 조절부(400a)는 제1 유체 유입구(121a)에 설치되는 점에서 상이할 뿐, 기능 및 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
다음으로, 도 16 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 16는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20b)가 도시된 사시도이고, 도 17은 도 16의 평면도이며, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 16 내지 도 18에 도시된 연료전지 막가습기는 전술한 다른 실시예와 실질적으로 유사하게 하우징부(100b)와 가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)과 유량 조절부(400b)를 구비한다. 본 실시예에서는 하우징 캡(120b)을 통해 고습의 제2 유체가 유입 및 유출되고, 하우징 몸체(100b)를 통해 건조(저습)한 제1 유체가 유입 및 유출되되, 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체 유출구(122b)가 하우징 몸체(100b)의 상면 또는 하면에 함께 형성된다.
하우징 몸체(110b)는 격벽(150b)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200b)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300b)이 각각 배치된다.
가습 모듈(200b)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체가 공급되는 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체가 배출되는 제1 유체 유출구(122b)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121b)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부(400b)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121b) 및 제1 유체 유출구(122b)가 형성된 하우징 몸체(110b)에는 하우징 몸체(110b)에 형성된 격벽(150b)이 제1 유체 유입구(121b) 및 제1 유체 유출구(122b) 방향으로 연장되는 연장 격벽(151b)과, 연장 격벽(151b)과 교차하는 방향으로 형성된 교차 격벽(152b)을 포함할 수 있다. 교차 격벽(152b)은 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체 유출구(122b) 사이에 형성된다. 연장 격벽(151b)과 교차 격벽(152b)은 가습 모듈(200b) 및 열교환 모듈(300b)과 하우징 몸체(110b)가 이루는 공간은 4개의 분리된 공간으로 구획한다.
가습 모듈(200b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체 유입구(121b)를 통해 유입된 제1 유체가 가습 모듈(200b) 내부로 유입되도록 하는 제1 유입 윈도우(201b)와 가습 모듈(200b) 내부를 유동하면서 수분 교환을 수행한 제1 유체가 유출되도록 하는 제1 유출 윈도우(202b)가 형성된다.
또한, 열교환 모듈(300b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체 유입구(121b)를 통해 유입된 제1 유체가 열교환 모듈(300b) 내부로 유입되도록 하는 제2 유입 윈도우(301b)와 열교환 모듈(300b) 내부를 유동하면서 열 교환을 수행한 제1 유체가 유출되도록 하는 제2 유출 윈도우(302b)가 형성된다.
유입 윈도우(201b, 301b)와 유출 윈도우(202b, 302b)는 가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)의 일면 일부를 관통하여 형성된다.
열교환 모듈(300b)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110b)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141b)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142b)가 형성된다. 냉각매체 유입구(141b)와 냉각매체 유출구(142b)는 하우징 몸체(110b)의 측면에 형성될 수 있다.
하우징 캡(120b)은 하우징 몸체(110b)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120b)에는 제2 유체 유입구(131b) 및 제2 유체 유출구(132b)가 형성되어 있다.
가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)은 전술한 일 실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 또한, 유량 조절부(400b)는 제1 유체 유입구(121b)에 설치되는 점에서 상이할 뿐, 기능 및 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 도 17은 유량 조절부(400b)가 바이메탈로만 구성된 경우를 예시하고, 도 18은 유량 조절부(400b)가 바이메탈(410)과 개폐 윈도우(420)로 구성된 경우를 예시한다.
유량 조절부(400b)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 연장 격벽(151b)에 의해 가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 가이드된다.
제1 유체 유입구(121b)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 제1 유입 윈도우(201b)를 통해 가습 모듈(200b) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 제2 유입 윈도우(301b)를 통해 열교환 모듈(300b) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 유입될 수 있다. 이때, 교차 격벽(152b)은 제1 유체가 유입 윈도우(201b, 301b)로 유입되지 않고 곧 바로 제1 유체 유출구(122b)를 통해 배출되는 것을 방지한다.
가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 유입된 제1 유체는 가습 모듈(200b) 내부를 유동하면서 수분 교환 또는 열교환 모듈(300b) 내부를 유동하면서 열 교환을 수행한 후, 제1 유체 유출구(122b) 전방에서 혼합되어 제1 유체 유출구(122b)를 통해 연료전지 막가습기(20b) 외부로 유출된다.
다음으로, 도 19 내지 도 21를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명한다. 각각의 도면에서, 좌측 하부의 도면은 유량 조절부(400b)가 바이메탈로만 구성된 경우이고, 우측 하부의 도면은 유량 조절부(400b)가 바이메탈(410)과 개폐 윈도우(420)로 구성된 경우이다. 한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정은 일 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
도 19는 가습 모듈(200)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 가습기 기능만 구현한 예이다. 도 19는 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 고온이므로, 열팽창률이 큰 가습 모듈(200) 측의 금속판이 더 빨리 팽창하게 되어, 그 결과 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.
도 20은 열교환 모듈(300)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 열교환기 기능만 구현한 예이다. 도 20은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 저온이므로, 열팽창률이 큰 가습 모듈(200) 측의 금속판이 더 빨리 수축하게 되어, 그 결과 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.
도 21은 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 제1 유체가 유입되도록 하여 가습 및 열교환 기능을 구현한 예이다. 도 21은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력과 고출력 사이인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 저온과 고온 사이의 온도이므로, 바이메탈을 이루는 두 금속의 열팽창률은 어느 정도 유사하여 가습 모듈(200) 측 유로 또는 열교환 모듈(300) 측 유로를 부분적으로 개방하게 된다. 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.
다음으로, 도 22를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예를 설명한다.
도 22에 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.
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.
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.
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.
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.
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.
[부호의 설명]
10 : 공기 압축수단 20 : 연료전지 막가습기
30 : 연료전지 스택
100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 200 : 가습 모듈
300 : 열교환 모듈 400 : 유량 조절부
410 : 바이메탈 420 : 개폐 윈도우
L1 : 외기 공급유로 L2 : 바이패스 유로

Claims (16)

  1. 격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부;
    상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈;
    상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및,
    연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 유량 조절부
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유량 조절부는,
    상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈인 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 유량 조절부는,
    상기 바이메탈의 단부에 고정 형성되며, 상기 바이메탈의 형상 변화에 따라 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈 측의 유로를 개폐하는 개폐 윈도우
    를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 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 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환 모듈은,
    쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈인 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 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.
  9. 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 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 유량 조절부는,
    상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈인 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 유량 조절부는,
    상기 바이메탈의 단부에 고정 형성되며, 상기 바이메탈의 형상 변화에 따라 상기 가습 모듈과 상기 열교환 모듈 측의 유로를 개폐하는 개폐 윈도우
    를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 연료전지 막가습기는,
    격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부를 포함하며,
    상기 가습 모듈은 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 상기 제1 유체가 외부에 흐르는 상기 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하며,
    상기 열교환 모듈은 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 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 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와,
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
    상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 청구항 9 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
    상기 냉각매체 유입구는 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 시스템.
PCT/KR2021/011612 2020-09-14 2021-08-30 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 WO2022055166A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21867032.1A EP4027418A4 (en) 2020-09-14 2021-08-30 HUMIDIFIER FOR FUEL CELL MEMBRANE AND FUEL CELL SYSTEM THEREFROM
JP2022517765A JP2023541079A (ja) 2020-09-14 2021-08-30 燃料電池膜加湿器及びそれを含む燃料電池システム
CN202180006532.4A CN114730898A (zh) 2020-09-14 2021-08-30 燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统
US17/761,200 US20220376281A1 (en) 2020-09-14 2021-08-30 Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system having same

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2020-0117995 2020-09-14
KR1020200117996A KR20220035805A (ko) 2020-09-14 2020-09-14 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR1020200117995A KR20220035804A (ko) 2020-09-14 2020-09-14 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR10-2020-0117996 2020-09-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022055166A1 true WO2022055166A1 (ko) 2022-03-17

Family

ID=80632268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2021/011612 WO2022055166A1 (ko) 2020-09-14 2021-08-30 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220376281A1 (ko)
EP (1) EP4027418A4 (ko)
JP (1) JP2023541079A (ko)
CN (1) CN114730898A (ko)
WO (1) WO2022055166A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115824690B (zh) * 2023-02-15 2023-06-23 山东省产品质量检验研究院 一种燃料电池加湿器性能测试装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008108473A (ja) * 2006-10-23 2008-05-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用加湿システム
KR20090025668A (ko) * 2007-09-06 2009-03-11 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치
KR20120124666A (ko) * 2011-05-04 2012-11-14 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
KR20150072666A (ko) * 2013-12-20 2015-06-30 현대자동차주식회사 연료전지 공기극 공급 공기의 열교환기 장치 및 열 교환 방법
WO2020180169A1 (ko) * 2019-03-07 2020-09-10 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3698038B2 (ja) * 2000-09-12 2005-09-21 日産自動車株式会社 固体高分子膜型燃料電池
US7618733B2 (en) * 2004-03-31 2009-11-17 Nec Corporation Fuel cell
AT502353B1 (de) * 2006-06-29 2007-07-15 Avl List Gmbh Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines o2-hältigen gases
JP2008262752A (ja) * 2007-04-10 2008-10-30 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタック及びその暖機方法
US20130233283A1 (en) * 2012-03-09 2013-09-12 GM Global Technology Operations LLC Bimetallic thermostatic flow valve for diesel fuel systems
DE202013009357U1 (de) * 2013-06-27 2015-01-16 Dana Canada Corporation Integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
KR102216355B1 (ko) * 2017-12-29 2021-02-16 코오롱인더스트리 주식회사 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
KR102598949B1 (ko) * 2018-08-20 2023-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008108473A (ja) * 2006-10-23 2008-05-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用加湿システム
KR20090025668A (ko) * 2007-09-06 2009-03-11 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치
KR20120124666A (ko) * 2011-05-04 2012-11-14 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
KR20150072666A (ko) * 2013-12-20 2015-06-30 현대자동차주식회사 연료전지 공기극 공급 공기의 열교환기 장치 및 열 교환 방법
WO2020180169A1 (ko) * 2019-03-07 2020-09-10 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4027418A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023541079A (ja) 2023-09-28
US20220376281A1 (en) 2022-11-24
EP4027418A1 (en) 2022-07-13
CN114730898A (zh) 2022-07-08
EP4027418A4 (en) 2024-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020180169A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2020213990A1 (ko) 연료전지용 가습기 및 그것을 위한 패킹 부재
WO2019235800A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2016208878A1 (ko) 중공사막 모듈
WO2019235683A1 (ko) 연료전지용 막가습기
WO2021107679A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2022055166A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2022097870A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
US7067209B2 (en) High temperature reactant recycling for PEM fuel cell humidification
WO2022196963A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2022169351A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022146068A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2022164140A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2022169177A1 (ko) 바이패스 유량 조절이 가능한 연료전지 시스템
WO2022191608A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022191557A1 (ko) 바이패스 유량 조절이 가능한 연료전지 시스템
WO2022191610A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022164067A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2022245001A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2022149819A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022191606A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2023033343A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022139172A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2023033418A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022139169A1 (ko) 연료전지용 가습시스템

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022517765

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21867032

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021867032

Country of ref document: EP

Effective date: 20220408

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE