WO2022149819A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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WO2022149819A1
WO2022149819A1 PCT/KR2022/000047 KR2022000047W WO2022149819A1 WO 2022149819 A1 WO2022149819 A1 WO 2022149819A1 KR 2022000047 W KR2022000047 W KR 2022000047W WO 2022149819 A1 WO2022149819 A1 WO 2022149819A1
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fuel cell
temperature range
inlet
case
cell membrane
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오영석
이아름
이지윤
김경주
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코오롱인더스트리 주식회사
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of actively controlling the flow rate of exhaust gas flowing from a fuel cell stack according to the output condition of the fuel cell.
  • 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 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
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a bubbler humidification method in which water is supplied by passing a target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, 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 membrane humidification method of humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the air 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 membrane humidification 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, 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 off-gas.
  • the fuel cell humidifier 100 of the prior art includes a humidification module 110 and a humidification module in which moisture exchange occurs between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown) It includes caps 120 coupled to both ends of 110 .
  • One of the caps 120 transfers air supplied from the outside to the humidification module 110 , and the other transfers the air humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 110 has a plurality of mid-case 111 and mid-case 111 having an off-gas inlet 111a and an off-gas outlet 111b. of hollow fiber membranes 112 . Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 112 are potted in the fixing layer 113 .
  • the fixing layer 113 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the fixing layer 113 in which the ends of the hollow fiber membranes 112 are potted and the resin layer 114 between the fixing layer 113 and the mid-case 111 fill the inner spaces of the caps 120 into the interior of the mid-case 111 . cut off from space.
  • the resin layer 114 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the exhaust gas introduced into the mid-case 111 through the exhaust gas inlet 111a comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 112 and then is discharged from the mid-case 111 through the exhaust gas outlet 111b.
  • moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 112 , thereby humidifying the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 112 .
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of actively controlling the flow rate of exhaust gas flowing from a fuel cell stack according to the output condition of the fuel cell.
  • 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 mid-case having an inlet through which the wetting gas supplied from the fuel cell stack is introduced and an outlet through which the wetting gas is discharged; a cartridge disposed inside the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes; a bypass space formed in a space between the mid-case and the cartridge; and an active blocking member for controlling the degree of opening of the bypass space according to the temperature of the wetting gas introduced through the inlet.
  • the active blocking member may be made of a thermosensitive material that can be compressed or stretched according to the temperature of the wetting gas introduced through the inlet.
  • the active blocking member expands in a first temperature range of the wetting gas introduced through the inlet and in a second temperature range smaller than the first temperature range. It may be made of a metal material that shrinks.
  • the active blocking member thermally expands in the first temperature range to partially block the bypass space, and thermally contracts in the second temperature range to bypass the bypass.
  • the space can be partially opened.
  • the first temperature range is a temperature range of the wetting gas introduced into the inlet in the first output range of the fuel cell stack
  • the second temperature range may be a temperature range of the wetting gas introduced into the inlet when the second output range is smaller than the first output range
  • a base member for fixing the active blocking member to the inner wall of the mid-case may be further included.
  • a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention is a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • a mid-case having an inlet through which the wetting gas supplied from the fuel cell stack is introduced and an outlet through which the wetting gas is discharged, wherein a plurality of receiving holes are partitioned by at least one partition member; A plurality of cartridges each disposed in the plurality of receiving holes, a plurality of hollow fiber membranes are accommodated; a plurality of bypass spaces formed in a space between the mid-case and the cartridge and a space between the partition member and the cartridge; and an active blocking member that adjusts the degree of opening of at least one of the plurality of bypass spaces according to the temperature of the wetting gas introduced through the inlet.
  • the active blocking member may be made of a thermosensitive material that can be compressed or stretched according to the temperature of the wetting gas introduced through the inlet.
  • the active blocking member expands in a first temperature range of the wetting gas introduced through the inlet and in a second temperature range smaller than the first temperature range. It may be made of a metal material that shrinks.
  • the active blocking member thermally expands in the first temperature range to partially block the bypass space, and thermally contracts in the second temperature range to bypass the bypass.
  • the space can be partially opened.
  • the first temperature range is a temperature range of the wetting gas introduced into the inlet in the first output range of the fuel cell stack
  • the second temperature range may be a temperature range of the wetting gas introduced into the inlet when the second output range is smaller than the first output range
  • a base member for fixing the active blocking member to the mid-case or the partition member may be further included.
  • the present invention it is possible to actively control the flow rate of the exhaust gas flowing from the fuel cell stack according to the output condition of the fuel cell.
  • the opening degree of the bypass space is automatically adjusted according to the temperature of the exhaust gas flowing into the membrane humidifier from the fuel cell stack, the number of parts required for the bypass implementation and the installation space can be dramatically reduced.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded cross-sectional view illustrating the fuel cell membrane humidifier according to the present invention taken along line I-I of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a combined cross-sectional view of the fuel cell membrane humidifier according to the present invention taken along line I-I of FIG. 2 .
  • 5 and 6 are cross-sectional views illustrating an enlarged portion A of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of an embodiment in which two cartridges are coupled to a mid-case in the fuel cell membrane humidifier according to the present invention.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the fuel cell membrane humidifier according to the present invention based on II-II of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of an embodiment in which three cartridges are coupled to a mid-case in the fuel cell membrane humidifier according to the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the fuel cell membrane humidifier according to the present invention
  • FIG. 3 is an exploded cross-sectional view showing the fuel cell membrane humidifier according to the present invention along the line I-I of FIG. 2
  • FIG. 4 is the present invention
  • a fuel cell membrane humidifier according to FIG. 2 is a combined cross-sectional view taken along line I-I
  • FIGS. 5 and 6 are enlarged cross-sectional views of part A of FIG. 4 .
  • the fuel cell membrane humidifier 1 is for humidifying a gas for a cell to be supplied to a fuel cell stack (not shown).
  • the gas for cells to be supplied to the fuel cell stack may be fuel gas or air.
  • a fuel cell membrane humidifier (1) according to an embodiment of the present invention includes a humidifying module (2) for humidifying a gas for a cell, a first cap (3) coupled to one end of the humidifying module (2), and a humidifying module (2) It includes a second cap (4) coupled to the other end of the.
  • the humidification module 2 humidifies the gas for the cell to be supplied to the fuel cell stack.
  • the first cap 3 may be coupled to one end of the humidification module 2 .
  • a second cap 4 may be coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the first cap 3 may deliver the battery gas supplied from the outside to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may deliver the cell gas humidified by the humidification module 2 to the fuel cell stack.
  • the second cap 4 may deliver the battery gas supplied from the outside to the humidification module 2
  • the first cap 3 may deliver the battery gas humidified by the humidification module 2 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 2 includes a cartridge 21 , and a mid-case 22 .
  • the cartridge 21 includes a plurality of hollow fiber membranes 211 .
  • the hollow fiber membranes 211 may be implemented as a cartridge 21 to be modularized. Accordingly, through the process of coupling the cartridge 21 to the mid-case 22 , the hollow fiber membranes 211 may be installed inside the mid-case 22 . Accordingly, the fuel cell membrane humidifier 1 according to the embodiment of the present invention can improve the ease of installation, separation, and replacement of the hollow fiber membranes 211 .
  • the cartridge 21 may include an inner case 210 accommodating the hollow fiber membranes 211 .
  • the hollow fiber membranes 211 may be modularized by being disposed inside the inner case 210 .
  • the hollow fiber membranes 211 include polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin, poly It may include a polymer film formed of an esterimide resin, or a mixture of two or more thereof.
  • the cartridge 21 may include a first potting part 212 .
  • the first potting part 212 fixes one side of the hollow fiber membranes 211 .
  • the first potting part 212 may be formed so as not to block the hollowness of the hollow fiber membranes 211 .
  • the first potting part 212 may be formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting process.
  • the first potting part 212 may fix one side of the inner case 210 and the hollow fiber membranes 211 .
  • the cartridge 21 may include a second potting part 213 .
  • the second potting part 213 fixes the other side of the hollow fiber membranes 211 .
  • the second potting part 213 may be formed so as not to block the hollowness of the hollow fiber membranes 211 . Accordingly, the gas for the cell to be supplied to the fuel cell stack is supplied into the hollows of the hollow fiber membranes 211 without interfering with the second potting unit 213 and the first potting unit 212 , and after being humidified, it will be supplied to the fuel cell stack.
  • the second potting part 213 may be formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting process. The second potting part 213 may fix the inner case 210 and the other side of the hollow fiber membranes 211 .
  • the mid-case 22 is coupled to the cartridge 21 .
  • the cartridge 21 may be disposed inside the mid-case 22 .
  • the mid-case 22 may include a receiving hole for receiving the cartridge 21 .
  • the receiving hole may be formed to penetrate the mid-case 22 in the first axial direction (X-axis direction).
  • the mid-case 22 may include an inlet 221 and an outlet 222 .
  • the wetting gas containing moisture may be supplied to the inside of the inner case 210 through the inside of the mid-case 22 through the inlet 221 and then contact the outer surfaces of the hollow fiber membranes 211 . In this process, moisture contained in the wetting gas permeates the hollow fiber membranes 211 , and thus the battery gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 211 may be humidified.
  • the humidified gas for the cell may be supplied to the fuel cell stack after being discharged from the hollow fiber membranes 211 .
  • the wetting gas is discharged to the outside of the inner case 210 and then through the inside of the mid-case 22 to the outside of the mid-case 22 through the outlet 222.
  • the inlet 221 may be connected to the fuel cell stack.
  • the wetting gas may be off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • the inner case 210 has an inlet hole 210a for introducing the wetting gas, and an outlet hole 210b for discharging the wetting gas after humidifying the battery gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 211 . ) can be formed.
  • the wetting gas is supplied between the inner surface of the mid-case 22 and the outer surface of the cartridge 21 through the inlet 221, and is supplied to the inside of the inner case 210 through the inlet hole 210a.
  • a plurality of inlet holes 210a may be formed in the inner case 210 .
  • the inlet holes 210a may be disposed to be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • a plurality of discharge holes 210b may be formed in the inner case 210 .
  • the discharge holes 210b may be disposed to be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the humidification module 2 may include a plurality of packing members 23 and 23'.
  • the packing members 23 and 23' prevent direct mixing of the cell gas to be supplied to the fuel cell stack and the wetting gas supplied into the mid-case 22 from the cartridge 21 and the mid-case ( 22) is sealed.
  • the packing members 23 and 23 ′ may be inserted between the cartridge 21 and the mid-case 22 .
  • the cartridge 21 may be inserted into the first through-holes 23a and 23a' formed in the packing members 23 and 23'.
  • the packing members 23 and 23 ′ may be disposed on both sides of the cartridge 21 , respectively.
  • resin layers may be formed on both sides of the cartridge 21 instead of the packing members 23 and 23'.
  • the resin layers may be formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the first cap 3 is coupled to one end of the humidification module 2 .
  • the space between the first cap 3 and the cartridge 21 may be sealed with respect to the space between the cartridge 21 and the mid-case 22 by the packing member 23 or the resin layer.
  • the second cap 4 is coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the space between the second cap 4 and the cartridge 21 may be sealed with respect to the space between the cartridge 21 and the mid-case 22 by the packing member 23 ′ or a resin layer.
  • the conventional fuel cell membrane humidifier forms a partition wall connecting the inner wall of the mid-case 22 and the outer wall of the cartridge 21 , so that the wetting gas introduced through the inlet 221 is inside the cartridge 21 . It was prevented from being directly discharged through the outlet 222 without being introduced into the furnace.
  • exhaust gas the amount required for humidification of the wetting gas flowing from the fuel cell stack varies according to the output of the fuel cell. That is, a large amount of humidification is required at the time of high output, and a relatively small amount of humidification is required at the time of low output.
  • a separate bypass is installed outside the membrane humidifier, and a part of the wetting gas flowing into the inlet 221 is discharged to the outside. Therefore, in order to implement this, a bypass flow path connected to the outside should be separately installed on the flow path connecting the fuel cell stack and the inlet 221 , and a valve for discharging a part of the exhaust gas to the outside should be installed, and the output condition should be controlled. Since a control unit or the like for detecting and adjusting the valve opening degree must be installed, there are problems such as an increase in the number of necessary parts and an increase in the installation space due to them.
  • the embodiment of the present invention solves such a conventional problem with a simple structure, so that it is possible to dramatically implement a reduction in cost and installation space, miniaturization, etc. according to a reduction in the number of parts.
  • an active blocking member 223 connecting the inner wall of the mid-case 22 and the outer wall of the cartridge 21 . ) is included.
  • the active blocking member 223 is made of a thermosensitive material that is compressible/stretchable according to temperature (heat).
  • the active blocking member 223 may be made of a metal material that expands at a high temperature and contracts at a low temperature.
  • a high temperature may be defined as a first temperature range
  • a low temperature may be defined as a second temperature range that is smaller than the first temperature range.
  • the active blocking member 223 thermally expands at a high temperature to partially block the space between the mid-case 22 and the cartridge 21, and at a low temperature thermally contracts to thermally expand the space between the mid-case 22 and the cartridge 21 ( Hereinafter, the bypass space 220 may be partially opened.
  • the temperature of the exhaust gas flowing into the fuel cell membrane humidifier 1 from the fuel cell stack is different depending on the output condition. That is, in the case of high output, the temperature of the exhaust gas is relatively high, and in the case of low output, the temperature of the exhaust gas is relatively low.
  • the high power may be defined as a first output range, and the low power may be defined as a second output range that is smaller than the first output range.
  • FIG. 5 is a case of a high output situation
  • FIG. 6 is a case of a low output situation.
  • reference numeral 223a denotes a base member, which may be used to fix the metal active blocking member 223 to the plastic mid-case 22 inner wall, but is not essential.
  • the active blocking member 223 can expand/contract enough to adjust the opening degree of the bypass space 220 according to the output situation, and completely block or completely block the bypass space 220 . There is no need to open
  • the active blocking member 223 automatically adjusts the opening degree of the bypass space 220 according to the temperature of the exhaust gas flowing into the membrane humidifier from the fuel cell stack. Since it can be adjusted, it is possible to dramatically reduce the number of parts and the installation space required for bypass implementation.
  • the fuel cell membrane humidifier 1 may be implemented such that a plurality of cartridges 21 and 21 ′ are coupled to the mid-case 22 .
  • the mid-case 22 may include a plurality of accommodating holes for accommodating each of the cartridges 21 and 21 ′, and the plurality of accommodating holes may be partitioned by the partition member 224 .
  • the bypass space 220 may be formed not only between the mid-case 22 and the cartridge 21, but also between the partition member 224 and the cartridge 21, and an active blocking member ( 223 may be formed in at least one of the plurality of bypass spaces 220 .
  • the fuel cell membrane humidifier according to the present invention (1) may be implemented so that the three cartridges 21, 21', 21" are coupled to the mid-case 22.
  • the fuel cell membrane humidifier 1 according to the present invention is It may be implemented so that four or more cartridges 21 are coupled to the mid-case 22 .

Abstract

본 발명은 연료전지의 출력 상황에 따라 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 유량을 능동적으로 조절할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입구와 상기 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출구를 구비하는 미드-케이스; 상기 미드-케이스의 내부에 배치되고 복수의 중공사막이 수용된 카트리지; 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이의 공간에 형성된 바이패스 공간; 및, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 상기 바이패스 공간의 개도를 조절하는 능동형 차단부재;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지의 출력 상황에 따라 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 유량을 능동적으로 조절할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력 밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 한다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 가습기가 도시된 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습모듈(110) 및 가습모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.
캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 가습모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
가습모듈(110)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드케이스(mid-case)(111) 및 미드케이스(111) 내의 복수의 중공사막들(112)을 포함한다. 중공사막들(112)의 다발의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 중공사막들(112)의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 고정층(113)과 미드케이스(111) 사이의 수지층(114)이 캡들(120)의 내부 공간들을 미드케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 고정층(113)과 유사하게, 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(111a)를 통해 미드케이스(111) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(112)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(111b)를 통해 미드케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(112)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(112)을 투과함으로써 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
본 발명은 연료전지의 출력 상황에 따라 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 유량을 능동적으로 조절할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입구와 상기 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출구를 구비하는 미드-케이스; 상기 미드-케이스의 내부에 배치되고 복수의 중공사막이 수용된 카트리지; 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이의 공간에 형성된 바이패스 공간; 및, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 상기 바이패스 공간의 개도를 조절하는 능동형 차단부재;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 압축 또는 신장 가능한 감온 물질로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 제1 온도 범위에서 팽창하고 상기 제1 온도 범위 보다 작은 제2 온도 범위에서 수축하는 금속 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 제1 온도 범위에서 열팽창하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 차단하고, 상기 제2 온도 범위에서 열수축하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 온도 범위는, 상기 연료전지 스택의 제1 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위이며, 상기 제2 온도 범위는, 상기 제1 출력 범위 보다 작은 제2 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재를 상기 미드-케이스의 내벽에 고정하기 위한 베이스 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입구와 상기 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출구를 구비하며, 적어도 하나의 구획 부재에 의해 복수개의 수용공이 구획되어 형성되는 미드-케이스; 상기 복수개의 수용공에 각각 배치되고, 복수의 중공사막이 수용된 복수개의 카트리지; 상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이의 공간과, 상기 구획 부재와 상기 카트리지 사이의 공간에 형성된 복수개의 바이패스 공간; 및, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 상기 복수개의 바이패스 공간 중 적어도 어느 하나의 바이패스 공간의 개도를 조절하는 능동형 차단부재;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 압축 또는 신장 가능한 감온 물질로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 제1 온도 범위에서 팽창하고 상기 제1 온도 범위 보다 작은 제2 온도 범위에서 수축하는 금속 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재는, 상기 제1 온도 범위에서 열팽창하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 차단하고, 상기 제2 온도 범위에서 열수축하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 개방할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 온도 범위는, 상기 연료전지 스택의 제1 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위이며, 상기 제2 온도 범위는, 상기 제1 출력 범위 보다 작은 제2 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 차단부재를 상기 미드-케이스 또는 상기 구획 부재에 고정하기 위한 베이스 부재를 더 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 의하면, 연료전지의 출력 상황에 따라 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 유량을 능동적으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 연료전지 스택에서 막가습기로 유입되는 배가스의 온도에 따라 자동으로 바이패스 공간의 개도가 조절되므로, 바이패스 구현을 위해 요구되는 부품 수 및 설치 공간을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도 2의 I-I 선을 기준으로 도시된 분해 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도 2의 I-I 선을 기준으로 도시된 결합 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 A 부분이 확대 도시된 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 막가습기에 있어서 미드케이스에 2개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도 7의 Ⅱ-Ⅱ 기준으로 도시된 일부 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 막가습기에 있어서 미드케이스에 3개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 분해 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도 2의 I-I 선을 기준으로 도시된 분해 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 막가습기가 도 2의 I-I 선을 기준으로 도시된 결합 단면도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 A 부분이 확대 도시된 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기(1)는 연료전지 스택(미도시)으로 공급될 전지용 기체를 가습하기 위한 것이다. 연료전지 스택으로 공급될 전지용 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기(1)는 전지용 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.
가습 모듈(2)은 연료전지 스택으로 공급될 전지용 기체를 가습한다. 가습 모듈(2)의 일단에는 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 가습 모듈(2)의 타단에는 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 제1 캡(3)은 외부로부터 공급되는 전지용 기체를 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다. 제2 캡(4)은 가습 모듈(2)에 의해 가습된 전지용 기체를 연료전지 스택으로 전달할 수 있다. 제2 캡(4)이 외부로부터 공급되는 전지용 기체를 가습 모듈(2)로 전달하고, 제1 캡(3)이 가습 모듈(2)에 의해 가습된 전지용 기체를 연료전지 스택으로 전달할 수도 있다.
가습 모듈(2)은 카트리지(21), 및 미드-케이스(22)를 포함한다.
카트리지(21)는 복수개의 중공사막(211)을 포함한다. 중공사막(211)들은 카트리지(21)로 구현되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 카트리지(21)를 미드-케이스(22)에 결합하는 공정을 통해, 중공사막(211)들은 미드-케이스(22)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기(1)는 중공사막(211)들에 대한 설치 작업, 분리 작업, 및 교체 작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
카트리지(21)는 중공사막(211)들을 수용하는 이너케이스(210)를 포함할 수 있다. 중공사막(211)들은 이너케이스(210)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 중공사막(211)들은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
카트리지(21)는 제1 포팅부(212)를 포함할 수 있다. 제1 포팅부(212)는 중공사막(211)들의 일측을 고정한다. 제1 포팅부(212)는 중공사막(211)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 제1 포팅부(212)는 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 제1 포팅부(212)는 이너케이스(210)와 중공사막(211)들의 일측을 고정시킬 수 있다.
카트리지(21)는 제2 포팅부(213)를 포함할 수 있다. 제2 포팅부(213)는 중공사막(211)들의 타측을 고정한다. 제2 포팅부(213)는 중공사막(211)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 연료전지 스택에 공급될 전지용 기체는 제2 포팅부(213)와 제1 포팅부(212)에 방해됨에 없이 중공사막(211)들의 중공으로 공급되어서 가습된 후에 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 제2 포팅부(213)는 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 제2 포팅부(213)는 이너케이스(210)와 중공사막(211)들의 타측을 고정시킬 수 있다.
미드-케이스(22)는 카트리지(21)가 결합된다. 카트리지(21)는 미드-케이스(22)의 내부에 배치될 수 있다. 미드-케이스(22)는 카트리지(21)가 수용되기 위한 수용공을 포함할 수 있다. 수용공은 미드-케이스(22)를 제1 축방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다. 미드-케이스(22)는 유입구(221)와 배출구(222)를 포함할 수 있다. 수분이 함유된 습윤용 기체는, 유입구(221)를 통해 미드-케이스(22)의 내부를 거쳐 이너케이스(210)의 내부로 공급된 후에 중공사막(211)들의 외표면과 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤용 기체에 함유되어 있던 수분이 중공사막(211)들을 투과하여, 중공사막(211)들의 중공을 따라 흐르던 전지용 기체를 가습할 수 있다. 가습된 전지용 기체는 중공사막(211)들로부터 배출된 후에 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 전지용 기체를 가습한 이후의 습윤용 기체는, 이너케이스(210)의 외부로 배출된 후에 미드-케이스(22)의 내부를 거쳐 배출구(222)를 통해 미드-케이스(22)의 외부로 배출될 수 있다. 유입구(221)는 연료전지 스택에 연결될 수 있다. 이 경우, 습윤용 기체는 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
한편, 이너케이스(210)에는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입공(210a), 및 중공사막(211)들의 중공을 따라 흐르던 전지용 기체를 가습한 이후의 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출공(210b)이 형성될 수 있다. 이 경우, 습윤용 기체는 유입구(221)를 통해 미드-케이스(22)의 내면과 카트리지(21)의 외면 사이로 공급되고, 유입공(210a)을 통해 이너케이스(210)의 내부로 공급되어서 중공사막(211)들의 외표면에 접촉되며, 중공사막(211)들의 중공을 따라 흐르던 전지용 기체를 가습한 후에 배출공(210b)을 통해 미드-케이스(22)의 내면과 카트리지(21)의 외면 사이로 배출되고, 배출구(222)를 통해 미드-케이스(22)의 외부로 배출될 수 있다. 이너케이스(210)에는 유입공(210a)이 복수개 형성될 수도 있다. 유입공(210a)들은 제1 축방향(X축 방향)을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다. 이너케이스(210)에는 배출공(210b)이 복수개 형성될 수도 있다. 배출공(210b)들은 제1 축방향(X축 방향)을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다.
가습 모듈(2)은 복수개의 패킹부재(23, 23')를 포함할 수 있다. 패킹부재들(23, 23')은 연료전지 스택에 공급될 전지용 기체와 미드-케이스(22)의 내부로 공급된 습윤용 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 방지하도록 카트리지(21)와 미드-케이스(22)의 사이를 밀폐시킨다. 패킹부재들(23, 23')은 카트리지(21)와 미드-케이스(22)의 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 카트리지(21)는 패킹부재들(23, 23')에 형성된 제1 통과공(23a, 23a')에 삽입될 수 있다. 패킹부재들(23, 23')은 각각 카트리지(21)의 양측에 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 패킹부재들(23, 23')을 대신하여 카트리지(21)의 양측에는 수지층들이 형성될 수도 있다. 수지층들은 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
제1 캡(3)은 가습 모듈(2)의 일단에 결합된다. 제1 캡(3)과 카트리지(21) 사이의 공간은, 패킹부재(23) 또는 수지층에 의해 카트리지(21)와 미드-케이스(22) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
제2 캡(4)은 가습 모듈(2)의 타단에 결합된다. 제2 캡(4)과 카트리지(21) 사이의 공간은, 패킹부재(23') 또는 수지층에 의해 카트리지(21)와 미드-케이스(22) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
한편, 종래의 연료전지 막가습기는, 미드-케이스(22)의 내벽과 카트리지(21)의 외벽을 연결하는 격벽을 형성하여, 유입구(221)를 통해 유입된 습윤용 기체가 카트리지(21) 내부로 유입되지 않고 바로 배출구(222)를 통해 배출되는 것을 방지하였다.
또한 한편, 연료전지의 출력에 따라 연료전지 스택으로부터 유입되는 습윤용 기체(이하, "배가스"라고도 함) 중에서 가습에 필요한 양이 다르다. 즉, 고출력 시에는 많은 양의 가습이 필요하며, 저출력 시에는 상대적으로 적은 양의 가습이 필요하다.
이러한 출력 상황에 따른 가습량의 조절을 위해, 종래에는 막가습기 외부에 별도의 바이패스를 설치하여, 유입구(221)로 유입되는 습윤용 기체의 일부를 외부로 배출하였다. 따라서, 이를 구현하기 위해서는 연료전지 스택과 유입구(221)를 연결하는 유로 상에 별도로 외부와 연결되는 바이패스 유로를 설치하여야 하고, 배가스 일부를 외부로 배출하기 위한 밸브를 설치해야 하며, 출력 상황을 감지하여 이에 따라 밸브 개도를 조절하는 제어부 등이 설치되어야 하므로, 필요한 부품 수의 증가 및 이들로 인한 설치 공간의 증가 등의 문제가 있다.
본 발명의 실시예는 이러한 종래의 문제를 간단한 구조로 해결하여 부품수 감소에 따른 비용 및 설치 공간의 감소, 소형화 등을 획기적으로 구현할 수 있도록 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(22)의 내벽과 카트리지(21)의 외벽을 연결하는 능동형 차단부재(223)를 포함한다.
능동형 차단부재(223)는 온도(열)에 따라 압축/신장 가능한 감온 물질로 제조된다. 능동형 차단부재(223)는 고온에서 팽창하고 저온에서 수축하는 금속 물질로 이루어질 수 있다. 고온은 제1 온도 범위로 정의될 수 있고, 저온은 제1 온도 범위 보다 작은 제2 온도 범위로 정의될 수 있다.
능동형 차단부재(223)는 고온에서는 열팽창하여 미드-케이스(22)와 카트리지(21) 사이의 공간을 부분적으로 차단하고, 저온에서는 열수축하여 미드-케이스(22)와 카트리지(21) 사이의 공간(이하, 바이패스 공간(220))을 부분적으로 개방할 수 있다.
연료전지 스택에서 연료전지 막가습기(1)로 유입되는 배가스는 출력 상황에 따라 온도가 상이하다. 즉, 고출력인 경우 배가스의 온도는 상대적으로 고온이며, 저출력인 경우 배가스의 온도는 상대적으로 저온이다. 고출력은 제1 출력 범위로 정의될 수 있고, 저출력은 제1 출력 범위 보다 작은 제2 출력 범위로 정의될 수 있다.
도 5는 고출력 상황인 경우이며, 도 6은 저출력 상황인 경우이다. 도 5 및 도 6에서 부호 223a는 베이스 부재로서, 금속 재질의 능동형 차단부재(223)를 플라스틱 재질의 미드-케이스(22) 내벽에 고정하기 위해 사용될 수 있으며, 반드시 필수적인 것은 아니다.
도 5와 같이, 고출력 상황인 경우, 배가스의 온도는 고온이며, 유입구(221)를 통해 유입된 배가스의 일부는 이너케이스(210)의 유입공(210a)을 통해 카트리지(21) 내부로 유입되어 유동하면서 수분 교환을 수행하고, 나머지 일부는 미드-케이스(22)와 카트리지(21) 사이의 바이패스 공간(220)을 유동하면서 능동형 차단부재(223)에 열을 전달하게 된다. 배가스로부터 열을 흡수한 능동형 차단부재(223)는 열팽창하여 도 5와 같이 바이패스 공간(220)을 차단한다. 이에 따라, 유입공(210a)으로 유입되지 않은 일부의 배가스는 능동형 차단부재(223)에 의해 방향 전환되면서 유입공(210a)을 통해 카트리지(21) 내부로 유입되어 유동하면서 수분 교환을 수행한다.
도 6과 같이, 저출력 상황인 경우, 배가스의 온도는 저온이며, 유입구(221)를 통해 유입된 배가스의 일부는 이너케이스(210)의 유입공(210a)을 통해 카트리지(21) 내부로 유입되어 유동하면서 수분 교환을 수행하나, 나머지 일부는 바이패스 공간(220)을 유동하면서 능동형 차단부재(223)의 열을 흡수하게 된다. 배가스에 의해 열을 빼앗긴 능동형 차단부재(223)는 열수축하여 도 6과 같이 바이패스 공간(220)을 부분적으로 개방한다. 이에 따라, 유입공(210a)으로 유입되지 않은 일부의 배가스는 개방된 능동형 차단부재(223)를 통해 바이패스 공간(220)을 유동한 후, 배출구(222)를 통해 미드-케이스(22)의 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에서 능동형 차단부재(223)는 출력 상황에 따라 바이패스 공간(220)의 개도를 조절할 수 있을 정도로 팽창/수축할 수 있으면 충분하며, 바이패스 공간(220)을 완전히 차단하거나 완전히 개방할 필요는 없다.
상기와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 의하면, 연료전지 스택에서 막가습기로 유입되는 배가스의 온도에 따라 능동형 차단부재(223)가 자동으로 바이패스 공간(220)의 개도를 조절할 수 있게 되므로, 바이패스 구현을 위해 요구되는 부품 수 및 설치 공간을 획기적으로 감소할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 막가습기(1)는 미드-케이스(22)에 복수개의 카트리지들(21, 21')이 결합되도록 구현될 수 있다. 이 경우, 미드-케이스(22)는 카트리지들(21, 21') 각각을 수용하기 위한 복수개의 수용공을 포함할 수 있으며, 복수개의 수용공은 구획 부재(224)에 의해 구획될 수 있다. 또한 이 경우, 바이패스 공간(220)은 미드-케이스(22)와 카트리지(21) 사이에만 형성되는 것이 아니라, 구획 부재(224)와 카트리지(21) 사이에도 형성될 수 있으며, 능동형 차단부재(223)는 복수개의 바이패스 공간(220) 중 적어도 어느 하나 이상에 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8에는 미드-케이스(22)에 2개의 카트리지들(21, 21')이 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 막가습기(1)는 미드-케이스(22)에 3개의 카트리지들(21, 21', 21")이 결합되도록 구현될 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 연료전지 막가습기(1)는 미드-케이스(22)에 4개 이상의 카트리지(21)들이 결합되도록 구현될 수도 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 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.

Claims (12)

  1. 연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입구와 상기 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출구를 구비하는 미드-케이스;
    상기 미드-케이스의 내부에 배치되고 복수의 중공사막이 수용된 카트리지;
    상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이의 공간에 형성된 바이패스 공간; 및,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 상기 바이패스 공간의 개도를 조절하는 능동형 차단부재;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 압축 또는 신장 가능한 감온 물질로 제조되는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 제1 온도 범위에서 팽창하고 상기 제1 온도 범위 보다 작은 제2 온도 범위에서 수축하는 금속 물질로 이루어지는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 제1 온도 범위에서 열팽창하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 차단하고, 상기 제2 온도 범위에서 열수축하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 개방하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 온도 범위는, 상기 연료전지 스택의 제1 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위이며,
    상기 제2 온도 범위는, 상기 제1 출력 범위 보다 작은 제2 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위인, 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동형 차단부재를 상기 미드-케이스의 내벽에 고정하기 위한 베이스 부재를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
  7. 연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤용 기체가 유입되기 위한 유입구와 상기 습윤용 기체가 배출되기 위한 배출구를 구비하며, 적어도 하나의 구획 부재에 의해 복수개의 수용공이 구획되어 형성되는 미드-케이스;
    상기 복수개의 수용공에 각각 배치되고, 복수의 중공사막이 수용된 복수개의 카트리지;
    상기 미드-케이스와 상기 카트리지 사이의 공간과, 상기 구획 부재와 상기 카트리지 사이의 공간에 형성된 복수개의 바이패스 공간; 및,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 상기 복수개의 바이패스 공간 중 적어도 어느 하나의 바이패스 공간의 개도를 조절하는 능동형 차단부재;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 온도에 따라 압축 또는 신장 가능한 감온 물질로 제조되는 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 유입구를 통해 유입된 습윤용 기체의 제1 온도 범위에서 팽창하고 상기 제1 온도 범위 보다 작은 제2 온도 범위에서 수축하는 금속 물질로 이루어지는 연료전지 막가습기.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 능동형 차단부재는,
    상기 제1 온도 범위에서 열팽창하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 차단하고, 상기 제2 온도 범위에서 열수축하여 상기 바이패스 공간을 부분적으로 개방하는 연료전지 막가습기.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 온도 범위는, 상기 연료전지 스택의 제1 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위이며,
    상기 제2 온도 범위는, 상기 제1 출력 범위 보다 작은 제2 출력 범위시 상기 유입구로 유입되는 습윤용 기체의 온도 범위인, 연료전지 막가습기.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 능동형 차단부재를 상기 미드-케이스 또는 상기 구획 부재에 고정하기 위한 베이스 부재를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101795224B1 (ko) * 2016-03-17 2017-11-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템
KR20180001227A (ko) * 2016-06-27 2018-01-04 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 가습 모듈
KR20200017059A (ko) * 2018-08-08 2020-02-18 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR20200055345A (ko) * 2018-11-13 2020-05-21 코오롱머티리얼 주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어방법
KR20200107874A (ko) * 2019-03-07 2020-09-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101278398B1 (ko) 2007-08-01 2013-06-24 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 및 그 제조방법
KR101398779B1 (ko) 2007-12-03 2014-05-28 코오롱인더스트리 주식회사 내한성이 향상된 연료전지용 가습기
KR20090128005A (ko) 2008-06-10 2009-12-15 주식회사 코오롱 연료전지용 가습 시스템 및 이를 이용한 연료전지 시스템
KR20100108092A (ko) 2009-03-27 2010-10-06 주식회사 코오롱 연료전지용 가습기
KR20110001022A (ko) 2009-06-29 2011-01-06 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR20110006122A (ko) 2009-07-13 2011-01-20 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR101577828B1 (ko) 2009-07-13 2015-12-28 코오롱인더스트리 주식회사 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템 및 그를 이용한 고분자 전해질막 제조방법
KR20110021217A (ko) 2009-08-25 2011-03-04 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR20110026696A (ko) 2009-09-08 2011-03-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기 및 그 제조방법
WO2011068383A2 (en) 2009-12-04 2011-06-09 Kolon Industries, Inc. Humidifier for fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101795224B1 (ko) * 2016-03-17 2017-11-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템
KR20180001227A (ko) * 2016-06-27 2018-01-04 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 가습 모듈
KR20200017059A (ko) * 2018-08-08 2020-02-18 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기
KR20200055345A (ko) * 2018-11-13 2020-05-21 코오롱머티리얼 주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어방법
KR20200107874A (ko) * 2019-03-07 2020-09-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

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