WO2022164067A1 - 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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WO2022164067A1
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fuel cell
mid
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space
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양형모
김경주
안웅전
김인호
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코오롱인더스트리 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of improving humidification efficiency by introducing exhaust gas discharged from a fuel cell stack into the fuel cell membrane humidifier in both directions, 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 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 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 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, 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 off-gas.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art and a fuel cell system including the same.
  • the fuel cell system of the prior art includes a blower (B), a membrane humidifier (10), a fuel cell stack (S), and flow paths (P1, P2, P3, P3, P4).
  • P1 is a dry gas supply passage for supplying the dry gas collected by the blower (B) to the membrane humidifier 10
  • P2 is a humidifying gas supply for supplying the gas humidified by the membrane humidifier 10 to the fuel cell stack (S).
  • P3 is an exhaust gas supply passage for supplying the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to the membrane humidifier
  • P4 is an exhaust gas discharge passage for discharging the exhaust gas after water exchange to the outside.
  • the membrane humidifier 10 is a humidification module 11 and both ends of the humidification module 11 in which moisture exchange occurs between the dry gas supplied from the blower (B) and the exhaust gas (wet gas) discharged from the fuel cell stack (S). It includes caps (12, 13) coupled to.
  • a drying gas inlet 12a is formed in the cap 12 on the blower (B) side to supply the drying gas supplied from the blower (B) to the humidification module 11, and the cap 13 on the stack (S) side has a
  • the dry gas outlet 13a is formed to supply the gas humidified by the humidification module 11 to the fuel cell stack S.
  • the humidification module 11 is a mid-case having an off-gas inlet 11aa and an off-gas outlet 11ab and a mid-case 11a and a mid-case 11a). It includes a plurality of hollow fiber membranes (11b) in the. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 11b are fixed to the potting part 11c.
  • the potting part 11c is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • Dry gas supplied from the blower (B) flows along the hollow of the hollow fiber membranes (11b).
  • the exhaust gas introduced into the mid-case 11a through the exhaust gas inlet 11aa comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 11b and then is discharged from the mid-case 11a through the exhaust gas outlet 11ab.
  • moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 11b, thereby humidifying the dry gas flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 11b.
  • the concentration of the substance is relatively high, the concentration of the substance to be permeated gradually decreases over time. That is, as the exhaust gas flows from the exhaust gas inlet (11aa) side to the exhaust gas outlet (11ab) side, the concentration of the material to be transmitted through the hollow fiber membrane is gradually reduced, so that it is transmitted through the hollow fiber membrane placed on the side of the exhaust gas outlet (11ab). The amount of the material is also gradually reduced, so there is a problem in that the overall efficiency of the fuel cell is lowered.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of improving humidification efficiency by introducing exhaust gas discharged from a fuel cell stack into the fuel cell membrane humidifier in both directions, and a fuel cell system including the same.
  • 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.
  • first exhaust gas inlet formed on one side of one side of the mid-case, and a second exhaust gas inlet formed on the other side of one side of the mid-case; and a first exhaust gas outlet formed on one side of the other surface of the mid-case, and a second exhaust gas outlet formed on the other side of the other surface of the mid-case.
  • a partition wall dividing the inner space of the mid-case into a first space and a second space may be included.
  • the first exhaust gas inlet and the first exhaust gas outlet are formed in the first space, and the second exhaust gas inlet and the second exhaust gas outlet are formed in the second space.
  • the discharge guide member may be formed to extend in an upper diagonal direction to have a positive inclination from one space to another.
  • Blower for supplying dry gas; fuel cell stack; A mid-case, a first exhaust gas inlet formed on one side of one side of the mid-case, a second exhaust gas inlet formed on the other side of one side of the mid-case, and a first exhaust gas outlet formed on one side of the other side of the mid-case, It includes; a fuel cell membrane humidifier including a second exhaust gas outlet formed on the other side of the other surface of the mid-case.
  • a partition wall dividing the inner space of the mid-case into a first space and a second space may be included.
  • the first exhaust gas inlet and the first exhaust gas outlet are formed in the first space, and the second exhaust gas inlet and the second exhaust gas outlet are formed in the second space.
  • the exhaust gas introduced through the exhaust gas inlet formed in the same space is discharged through the exhaust gas outlet formed in the same space.
  • a discharge guide member may be formed.
  • the discharge guide member may be formed to extend in an upper diagonal direction to have a positive inclination from one space to another space direction.
  • a fuel cell system comprising: a humidification gas supply passage for supplying the gas humidified in the fuel cell membrane humidifier to the fuel cell stack; an exhaust gas supply passage for supplying the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell membrane humidifier; It may include; branching from the exhaust gas supply passage, a first exhaust gas branch passage connected to the first exhaust gas inlet and a second exhaust gas branch passage connected to the second exhaust gas inlet.
  • the fuel cell system is formed between the first exhaust gas branch passage and the second exhaust gas branch passage, and controls the amount of exhaust gas flow to the first exhaust gas branch passage and the second exhaust gas branch passage. It may include a flow control means for.
  • the present invention it is possible to minimize the decrease in the concentration of the material to be transmitted through the hollow fiber membrane as the exhaust gas flows in from both directions through the exhaust gas inlets provided on both sides of the mid-case one surface, respectively,
  • the overall fuel cell efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art and a fuel cell system including the same.
  • FIG. 2 is a view showing a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a diagram conceptually illustrating an exhaust gas flow in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell membrane humidifier and the fuel cell system including the same include a blower (B) and a fuel cell membrane humidifier (100, hereinafter also referred to as a 'membrane humidifier') and a fuel cell stack S and flow paths P10 , P20 , P30 , and P40 connecting them.
  • the blower (B) collects gas in the atmosphere and supplies it to the membrane humidifier 100 .
  • the output size of the blower (B) may be determined according to the output size of the fuel cell stack (S).
  • a filter (not shown) for removing fine dust may be installed at the front end of the blower (B), and between the blower (B) and the membrane humidifier 100, dry gas supplied to the membrane humidifier 100
  • a cooler (not shown) may be installed to cool the .
  • the membrane humidifier 100 humidifies the dry gas and supplies it to the fuel cell stack (S).
  • the membrane humidifier 100 includes a humidification module 110 for humidifying the dry gas supplied from the blower (B) with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack (S).
  • Each of both ends of the humidification module 110 is coupled to the caps (120, 130).
  • the humidification module 110 and the caps 120 and 130 may be formed separately or may be formed integrally.
  • a drying gas inlet 121 is formed in the cap 120 on the side of the blower (B) to supply the drying gas supplied from the blower (B) to the humidification module 110, and the cap 130 on the side of the stack (S) has The dry gas outlet 131 is formed to supply the gas humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack S.
  • the dry gas inlet 121 is connected to the dry gas supply passage P10 connecting the blower B and the membrane humidifier 100, and the dry gas outlet 131 is a cap 130 on the fuel cell stack (S) side. It is connected to the humidification gas supply passage P20 connecting the fuel cell stack S and the fuel cell stack S.
  • the humidification module 110 is a device in which moisture exchange occurs between the dry gas and the exhaust gas supplied from the blower (B), and having a pair of exhaust gas inlets (111a1, 111a2) and a pair of exhaust gas outlets (111b1, 111b2) It includes a mid-case (mid-case) 111 and a plurality of hollow fiber membranes 112 accommodated in the mid-case 111 . Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 112 are fixed to the potting part 113 .
  • the exhaust gas inlet may be provided in a plurality of three or more.
  • the humidification module 110 may include at least one cartridge including a plurality of hollow fiber membranes 112 and a potting part 113 for fixing them to each other, in this case, the hollow fiber membranes 112 .
  • the potting unit 113 may be formed in a separate cartridge case (not shown, referred to as "inner case").
  • the hollow fiber membranes 112 may be accommodated in the inner case, and the potting part 113 may be formed at the end of the inner case.
  • the humidification module 110 includes a cartridge, a resin layer for fixing the cartridge is formed between both ends of the cartridge and the mid-case 111, or it may further include a gasket assembly for airtight coupling through mechanical assembly.
  • the mid-case 111 and the caps 120 and 130 may each independently be formed of a hard plastic or metal, and may have a circular or polygonal cross-section in the width direction.
  • a circle includes an ellipse, and a polygon includes a polygon with rounded corners.
  • the rigid plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), or the like.
  • the hollow fiber membranes 112 may include polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin, It may include a polyester imide resin, or a polymer film formed of a mixture of at least two or more thereof, and the potting part 113 is formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting. can be
  • the exhaust gas inlets 111a1 and 111a2 may be provided as a pair on both sides of one side of the mid-case 111 .
  • the exhaust gas inlets 111a1 and 111a2 may be provided on either side of the mid-case 111 in the longitudinal direction (left and right direction in the drawing) on either side of the mid-case 111, respectively.
  • the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S is introduced into the membrane humidifier 100 through the exhaust gas supply passage P30 and the exhaust gas inlets 111a1 and 111a2.
  • the exhaust gas supply passage P30 is branched into a first exhaust gas branch passage P31 and a second exhaust gas branch passage P32.
  • the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S flows through the exhaust gas supply passage P30, the first exhaust gas branch passage P31, and the second exhaust gas branch passage P32, and a pair of exhaust gas inlets 111a1 and 111a2) are each introduced into
  • a flow rate control means for adjusting the amount of exhaust gas flow to the first exhaust gas branch passage (P31) and the second exhaust gas branch passage (P32) 140 may be installed.
  • the flow rate control means 140 may be, for example, a valve.
  • the inner space of the mid-case 111 may be divided into a first space S1 and a second space S2 by the partition wall 114 .
  • the partition wall 114 may prevent the exhaust gas flowing into the first exhaust gas inlet 111a1 from flowing directly into the second exhaust gas inlet 111a2 by bypassing the hollow fiber membrane 112 without exchanging moisture.
  • the pair of exhaust gas outlets 111b1 and 111b2 is connected to the exhaust gas discharge passage P40, and may be formed as a pair on the surface opposite to the surface on which the exhaust gas inlets 111a1 and 111a2 are formed.
  • the pair of exhaust gas outlets 111b1 and 111b2 may be formed on the lower surface of the mid-case 111. have.
  • a pair of exhaust gas outlets 111b1 and 111b2 may be respectively formed in the first space S1 and the second space S2.
  • the exhaust gas introduced through the first exhaust gas inlet 111a1 may flow directly into the first exhaust gas outlet 111b1 without sufficiently exchanging moisture in the first space S1 .
  • the exhaust guide member 115 may be formed in the pair of exhaust gas outlets 111b1 and 111b2.
  • the discharge guide member 115 prevents the exhaust gas introduced through the exhaust gas inlet formed in the same space S1 or S2 from being discharged through the exhaust gas outlet formed in the same space, and the exhaust gas introduced through the exhaust gas inlet formed in another space guide it out.
  • the exhaust gas introduced into the first space S1 through the first exhaust gas inlet 111a1 is prevented from being discharged through the first exhaust gas outlet 111b1, and the second exhaust gas inlet 111a2 through the second exhaust gas inlet 111a2.
  • the exhaust gas introduced into the space S2 is guided to be discharged through the first exhaust gas outlet (111b1).
  • the discharge guide member 115 may extend from the bottom surface of the mid-case 111 in an upper diagonal direction.
  • the discharge guide member 115 may be formed to extend in an upper diagonal direction to have a positive inclination in a direction from one space (eg, S1) to another space (eg, S2).
  • FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating an exhaust gas flow in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • the exhaust gas flow is illustrated as flowing while winding the outside of the hollow fiber membranes 112 , but the exhaust gas flow is not limited thereto and may also flow into a bundle made of the hollow fiber membranes 112 , for convenience of explanation. For this reason, it is omitted.
  • the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S flows through the exhaust gas supply passage P30, the first exhaust gas branch passage P31, and the second exhaust gas branch passage P32, and a pair of exhaust gas inlets 111a1 and 111a2) are each introduced into
  • the exhaust gas introduced into the second exhaust gas branch passage P32 and the second exhaust gas inlet 111a2 flows through the second space S2 and the first space S1 while exchanging moisture with the hollow fiber membrane 112 to produce dry gas. After humidification, it is discharged to the outside through the first exhaust gas outlet (111b1).
  • the exhaust gas flows in from both directions through the exhaust gas inlets 111a1 and 111a2 provided on both sides of the mid-case 111, respectively, and the material to be transmitted through the hollow fiber membrane according to the flow. Since it is possible to minimize the reduction in concentration, it is possible to improve the overall efficiency of the fuel cell.
  • 111 mid-case 111a1, 111a2: exhaust gas inlet
  • Blower S Fuel cell stack
  • P32 2nd flue gas branch flow path
  • P40 flue gas discharge flow path

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스를 연료전지 막가습기 내에 양 방향으로 유입시켜서 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 건조가스를 공급하는 블로워; 연료전지 스택; 미드-케이스와, 상기 미드-케이스의 일면 일측에 형성된 제1 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 일면 타측에 형성된 제2 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 타면 일측에 형성된 제1 배가스 배출구와, 상기 미드-케이스의 타면 타측에 형성된 제2 배가스 배출구를 포함하는 연료전지 막가습기;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스를 연료전지 막가습기 내에 양 방향으로 유입시켜서 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 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 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 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 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 시스템은 블로워(Blower, B)와, 막가습기(10)와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P1, P2, P3, P4)을 포함한다. P1은 블로워(B)에서 수집된 건조가스를 막가습기(10)로 공급하는 건조가스 공급유로이고, P2는 막가습기(10)에서 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급하는 가습가스 공급유로이다. P3은 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스를 막가습기(10)로 공급하는 배가스 공급유로이고, P4는 수분교환 후의 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출유로이다.
막가습기(10)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스와 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스(습윤가스) 사이에 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12, 13)을 포함한다.
블로워(B) 측의 캡(12)에는 건조가스 유입구(12a)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(11)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(13)에는 건조가스 배출구(13a)가 형성되어 가습 모듈(11)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11aa)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11ab)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내의 다수의 중공사막들(11b)을 포함한다. 중공사막들(11b)의 다발의 양 말단들은 포팅부(11c)에 고정된다. 포팅부(11c)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
블로워(B)로부터 공급되는 건조가스는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11b)을 투과함으로써 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르던 건조가스를 가습한다.
그러나, 일반적으로 배가스 유입구(11aa)를 통해 유입되어 배가스 배출구(11ab)를 통해 배출되기까지 상당한 시간이 소요되며, 이에 따라 배가스 유입구(11aa)로 유입된 배가스는 초기에는 중공사막으로 선택적으로 투과될 물질의 농도가 비교적 높지만, 시간이 흐름에 따라 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 된다. 즉, 배가스 유입구(11aa) 측에서 배가스 배출구(11ab) 측으로 배가스가 흐름에 따라, 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 되므로, 배가스 배출구(11ab) 측에 놓인 중공사막을 통하여 투과되는 물질의 양 또한 점차 감소하게 되어, 전체적인 연료전지의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스를 연료전지 막가습기 내에 양 방향으로 유입시켜서 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스의 일면 일측에 형성된 제1 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 일면 타측에 형성된 제2 배가스 유입구; 상기 미드-케이스의 타면 일측에 형성된 제1 배가스 배출구와, 상기 미드-케이스의 타면 타측에 형성된 제2 배가스 배출구;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 배가스 유입구 및 제1 배가스 배출구는 상기 제1 공간에 형성되고, 상기 제2 배가스 유입구 및 제2 배가스 배출구는 상기 제2 공간에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 배가스 배출구 및 제2 배가스 배출구에는, 동일한 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것을 방지하는 배출 가이드부재가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 배출 가이드부재는, 어느 하나의 공간에서 다른 공간 방향으로 양의 기울기를 갖도록 상부 대각 방향으로 연장 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은,
건조가스를 공급하는 블로워; 연료전지 스택; 미드-케이스와, 상기 미드-케이스의 일면 일측에 형성된 제1 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 일면 타측에 형성된 제2 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 타면 일측에 형성된 제1 배가스 배출구와, 상기 미드-케이스의 타면 타측에 형성된 제2 배가스 배출구를 포함하는 연료전지 막가습기;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 제1 배가스 유입구 및 제1 배가스 배출구는 상기 제1 공간에 형성되고, 상기 제2 배가스 유입구 및 제2 배가스 배출구는 상기 제2 공간에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 제1 배가스 배출구 및 제2 배가스 배출구에는, 동일한 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것을 방지하는 배출 가이드부재가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 배출 가이드부재는, 어느 하나의 공간에서 다른 공간 방향으로 양의 기울기를 갖도록 상부 대각 방향으로 연장 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 막가습기에서 가습된 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 가습가스 공급유로; 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배가스를 상기 연료전지 막가습기로 공급하는 배가스 공급유로; 상기 배가스 공급유로에서 분기되며, 상기 제1 배가스 유입구와 연결되는 제1 배가스 분기유로와 상기 제2 배가스 유입구와 연결되는 제2 배가스 분기유로;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 제1 배가스 분기유로와 상기 제2 배가스 분기유로 사이에 형성되며, 상기 제1 배가스 분기유로 및 제2 배가스 분기유로로의 배가스 유동량을 조절하기 위한 유량 조절수단을 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 미드-케이스 일면의 양 측에 각각 구비된 배가스 유입구를 통해 양 방향에서 배가스가 유입되어 흐름에 따라 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도 감소를 최소화할 수 있게 되어, 전체적인 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 내에서의 배가스 유동이 개념적으로 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 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템은, 블로워(B)와, 연료전지 막가습기(100, 이하 '막가습기'라고도 함)와, 연료전지 스택(S)과, 이들을 연결하는 유로들(P10, P20, P30, P40)을 포함할 수 있다.
블로워(B)는 대기 중의 가스를 수집하여 막가습기(100)로 공급한다. 연료전지 스택(S)의 출력 크기에 따라 블로워(B)의 출력 크기가 결정될 수 있다. 선택에 따라, 블로워(B)의 전단에는 미세 먼지를 제거하는 필터(미도시)가 설치될 수 있고, 블로워(B)와 막가습기(100) 사이에는, 막가습기(100)로 공급되는 건조가스를 냉각시키는 쿨러(미도시)가 설치될 수 있다.
막가습기(100)는 건조가스를 가습하여 연료전지 스택(S)으로 공급한다. 막가습기(100)는 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 연료전지 스택(S)으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(110)을 포함한다. 가습 모듈(110)의 양 말단들 각각은 캡(120, 130)과 결합된다. 가습 모듈(110)과 캡(120, 130)은 분리 형성될 수도 있고, 일체형으로 형성될 수도 있다.
블로워(B) 측의 캡(120)에는 건조가스 유입구(121)가 형성되어 블로워(B)로부터 공급되는 건조가스를 가습 모듈(110)로 공급하고, 스택(S) 측의 캡(130)에는 건조가스 배출구(131)가 형성되어 가습 모듈(110)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택(S)으로 공급한다.
건조가스 유입구(121)는 블로워(B)와 막가습기(100)를 연결하는 건조가스 공급유로(P10)와 연결되고, 건조가스 배출구(131)는 연료전지 스택(S) 측의 캡(130)과 연료전지 스택(S)을 연결하는 가습가스 공급유로(P20)와 연결된다.
가습 모듈(110)은, 블로워(B)부터 공급되는 건조가스와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 한 쌍의 배가스 유입구(111a1, 111a2)와 한 쌍의 배가스 배출구(111b1, 111b2)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 미드-케이스(111) 내에 수용된 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 중공사막들(112)의 다발의 양 말단들은 포팅부(113)에 고정된다. 물론, 설계에 따라 배가스 유입구는 3개 이상의 복수개로 구비될 수도 있다.
또는, 가습 모듈(110)은, 다수의 중공사막들(112) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(113)를 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 포함할 수 있으며, 이 경우, 중공사막들(112) 및 포팅부(113)는 별도의 카트리지용 케이스(미도시, "이너 케이스"라 함) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 중공사막들(112)은 이너 케이스 내에 수용되고, 포팅부(113)는 이너 케이스 말단에 형성될 수 있다. 가습 모듈(110)이 카트리지를 포함할 경우, 카트리지의 양측 말단과 미드-케이스(111) 사이에는 카트리지 고정을 위한 수지층이 형성되거나, 또는 기계적인 조립을 통해 기밀 결합하는 가스켓 조립체를 더 포함할 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120, 130)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다.
중공사막들(112)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(113)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 배가스 유입구(111a1, 111a2)는 미드-케이스(111)의 일면 양측에 한 쌍으로 구비될 수 있다. 배가스 유입구(111a1, 111a2)는 미드-케이스(111)의 어느 일면에서 미드-케이스(111)의 길이 방향(도면에서 좌우 방향) 양측에 각각 구비될 수 있다.
연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스는 배가스 공급유로(P30) 및 배가스 유입구(111a1, 111a2)를 통해 막가습기(100) 내부로 유입된다. 배가스 공급유로(P30)는 제1 배가스 분기유로(P31), 제2 배가스 분기유로(P32)로 분기된다. 연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스는 배가스 공급유로(P30) 및 제1 배가스 분기유로(P31), 제2 배가스 분기유로(P32)를 통해 유동하면서, 한 쌍의 배가스 유입구(111a1, 111a2)로 각각 유입된다.
필요에 따라, 제1 배가스 분기유로(P31)와 제2 배가스 분기유로(P32) 사이에는 제1 배가스 분기유로(P31) 및 제2 배가스 분기유로(P32)로의 배가스 유동량을 조절하기 위한 유량 조절수단(140)이 설치될 수 있다. 유량 조절수단(140)은, 예를 들어 밸브가 될 수 있다.
한편, 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽(114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 격벽(114)은 제1 배가스 유입구(111a1)로 유입된 배가스가, 중공사막(112)과 수분 교환하지 않고 바이패스하여 곧바로 제2 배가스 유입구(111a2)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 한 쌍의 배가스 배출구(111b1, 111b2)는 배가스 배출유로(P40)와 연결되며, 배가스 유입구(111a1, 111a2)가 형성된 면의 반대측 면에 한 쌍으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 배가스 유입구(111a1, 111a2)가 미드-케이스(111)의 상면에 형성되면, 한 쌍의 배가스 배출구(111b1, 111b2)는 미드-케이스(111)의 하면에 형성될 수 있다. 한 쌍의 배가스 배출구(111b1, 111b2)는 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)에 각각 형성될 수 있다.
배가스 배출구(111b1, 111b2)가 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)에 각각 형성될 경우, 배가스 유입구(111a1, 111a2)로 유입된 배가스가 중공사막(112)과 수분 교환하지 않고 바로 대응하는 배가스 배출구(111b1, 111b2)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제1 배가스 유입구(111a1)를 통해 유입된 배가스는 제1 공간(S1)에서 충분히 수분 교환하지 않고, 곧 바로 제1 배가스 배출구(111b1)로 흐를 수 있다.
이를 방지하기 위해, 한 쌍의 배가스 배출구(111b1, 111b2)에는 배출 가이드부재(115)가 형성될 수 있다. 배출 가이드부재(115)는 동일한 공간(S1 또는 S2)에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것을 방지하고, 다른 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 배출되도록 가이드한다.
예를 들어, 제1 배가스 유입구(111a1)를 통해 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스가 제1 배가스 배출구(111b1)를 통해 배출되는 것을 방지하고, 제2 배가스 유입구(111a2)를 통해 제2 공간(S2)으로 유입된 배가스가 제1 배가스 배출구(111b1)를 통해 배출되도록 가이드한다.
이러한 배출 가이드부재(115)는 미드-케이스(111)의 저면에서 상부 대각 방향으로 연장 형성될 수 있다. 배출 가이드부재(115)는 어느 하나의 공간(예를 들어, S1)에서 다른 공간(예를 들어, S2) 방향으로 양의 기울기를 갖도록 상부 대각 방향으로 연장 형성될 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 내에서의 배가스 유동에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기 내에서의 배가스 유동이 개념적으로 도시된 도면이다. 도 3에서 배가스 유동은 중공사막(112)들의 외측을 감으면서 유동하는 것으로 도시되어 있으나, 배가스 유동은 이에 한정되지 않고 중공사막(112)들로 이루어진 다발 속으로도 유동할 수 있으며, 설명의 편의를 위해 이는 생략하여 도시하였다.
연료전지 스택(S)에서 배출되는 배가스는 배가스 공급유로(P30) 및 제1 배가스 분기유로(P31), 제2 배가스 분기유로(P32)를 통해 유동하면서, 한 쌍의 배가스 유입구(111a1, 111a2)로 각각 유입된다.
제1 배가스 분기유로(P31) 및 제1 배가스 유입구(111a1)로 유입된 배가스는 제1 공간(S1) 및 제2 공간(S2)을 유동하면서 중공사막(112)과 수분 교환을 수행하여 건조가스를 가습한 후, 제2 배가스 배출구(111b2)를 통해 외부로 배출된다. (도 3의 F1 참조)
제2 배가스 분기유로(P32) 및 제2 배가스 유입구(111a2)로 유입된 배가스는 제2 공간(S2) 및 제 공간(S1)을 유동하면서 중공사막(112)과 수분 교환을 수행하여 건조가스를 가습한 후, 제1 배가스 배출구(111b1)를 통해 외부로 배출된다.
배출 가이드부재(115)에 의해, 어느 한 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스는 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것이 방지된다. (도 3의 F2 참조)
종래 기술에 의하면, 배가스 유입구(11aa)를 통해 유입되어 배가스 배출구(11ab)를 통해 배출되기까지 상당한 시간이 소요되고, 배가스 유입구(11aa) 측에서 배가스 배출구(11ab) 측으로 배가스가 흐름에 따라, 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 되어, 배가스 배출구(11ab) 측에 놓인 중공사막을 통하여 투과되는 물질의 양 또한 점차 감소하게 되어, 전체적인 연료전지의 효율이 저하되는 문제가 있지만,
본 발명의 일 실시예에 의하면, 미드-케이스(111) 일면의 양 측에 각각 구비된 배가스 유입구(111a1, 111a2)를 통해 양 방향에서 배가스가 유입되어 흐름에 따라 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도 감소를 최소화할 수 있게 되어, 전체적인 연료전지의 효율을 향상시킬 수 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.
[부호의 설명]
100 : 연료전지 막가습기 110 : 가습 모듈
111 : 미드-케이스 111a1, 111a2 : 배가스 유입구
111b1, 111b2 : 배가스 배출구 115 : 배출 가이드부재
B : 블로워 S : 연료전지 스택
P10 : 건조가스 공급유로 P20 : 가습가스 공급유로
P30 : 배가스 공급유로 P31 : 제1 배가스 분기유로
P32 : 제2 배가스 분기유로 P40 : 배가스 배출유로

Claims (12)

  1. 미드-케이스;
    상기 미드-케이스의 일면 일측에 형성된 제1 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 일면 타측에 형성된 제2 배가스 유입구; 및,
    상기 미드-케이스의 타면 일측에 형성된 제1 배가스 배출구와, 상기 미드-케이스의 타면 타측에 형성된 제2 배가스 배출구
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 배가스 유입구 및 제1 배가스 배출구는 상기 제1 공간에 형성되고, 상기 제2 배가스 유입구 및 제2 배가스 배출구는 상기 제2 공간에 형성되는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 배가스 배출구 및 제2 배가스 배출구에는, 동일한 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것을 방지하는 배출 가이드부재가 형성되는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 배출 가이드부재는,
    어느 하나의 공간에서 다른 공간 방향으로 양의 기울기를 갖도록 상부 대각 방향으로 연장 형성되는 연료전지 막가습기.
  6. 건조가스를 공급하는 블로워;
    연료전지 스택; 및,
    미드-케이스와, 상기 미드-케이스의 일면 일측에 형성된 제1 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 일면 타측에 형성된 제2 배가스 유입구와, 상기 미드-케이스의 타면 일측에 형성된 제1 배가스 배출구와, 상기 미드-케이스의 타면 타측에 형성된 제2 배가스 배출구를 포함하는 연료전지 막가습기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 배가스 유입구 및 제1 배가스 배출구는 상기 제1 공간에 형성되고, 상기 제2 배가스 유입구 및 제2 배가스 배출구는 상기 제2 공간에 형성되는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 배가스 배출구 및 제2 배가스 배출구에는, 동일한 공간에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입된 배가스가 동일한 공간에 형성된 배가스 배출구를 통해 배출되는 것을 방지하는 배출 가이드부재가 형성되는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 배출 가이드부재는,
    어느 하나의 공간에서 다른 공간 방향으로 양의 기울기를 갖도록 상부 대각 방향으로 연장 형성되는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지 막가습기에서 가습된 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 가습가스 공급유로;
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 배가스를 상기 연료전지 막가습기로 공급하는 배가스 공급유로;
    상기 배가스 공급유로에서 분기되며, 상기 제1 배가스 유입구와 연결되는 제1 배가스 분기유로와 상기 제2 배가스 유입구와 연결되는 제2 배가스 분기유로;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 배가스 분기유로와 상기 제2 배가스 분기유로 사이에 형성되며, 상기 제1 배가스 분기유로 및 제2 배가스 분기유로로의 배가스 유동량을 조절하기 위한 유량 조절수단을 포함하는 연료전지 시스템.
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