WO2022265294A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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WO2022265294A1
WO2022265294A1 PCT/KR2022/008144 KR2022008144W WO2022265294A1 WO 2022265294 A1 WO2022265294 A1 WO 2022265294A1 KR 2022008144 W KR2022008144 W KR 2022008144W WO 2022265294 A1 WO2022265294 A1 WO 2022265294A1
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exhaust gas
fuel cell
case
mid
cartridge
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김도우
김경주
안나현
김인호
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코오롱인더스트리 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier, and more particularly, to a fuel cell membrane humidifier capable of improving discharge performance of condensed water generated in a humidification module.
  • a fuel cell is a power-generating cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry batteries and storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and having no heat loss, 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 Solid oxide fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane electrode assembly
  • Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by passing the target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, and 2) supplying moisture required for the fuel cell reaction. There are a direct injection method that calculates and directly supplies moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method that supplies moisture to a fluidized gas layer using a polymer membrane.
  • a membrane humidification method in which a polymer electrolyte membrane is humidified by providing water vapor to air supplied to a polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in exhaust gas is advantageous in that it can reduce the weight and size of the membrane humidifier.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeable area per unit volume when forming a module.
  • a membrane humidifier using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that even a small capacity can sufficiently humidify the fuel cell, the use of low-cost materials is possible, and high temperature in the fuel cell It has the advantage of being able to recover moisture and heat contained in discharged off-gas and reuse them through a membrane humidifier.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • the prior art fuel cell membrane humidifier 10 includes a humidification module 11 and a humidification module in which moisture is exchanged between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown) It includes caps 12 coupled to both ends of (11).
  • One of the caps 12 supplies air supplied from the outside to the humidifying module 11, and the other supplies air humidified by the humidifying module 11 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 11 includes a mid-case 11a and a mid-case 11a having an off-gas inlet 11b and an off-gas outlet 11c. It includes a plurality of cartridges 20 disposed within. Each of the plurality of cartridges 20 includes an inner case 23, and inside the inner case 23, a plurality of hollow fiber membranes 21 and a potting part 22 for fixing both ends of the bundle of hollow fiber membranes 21 are provided. is formed
  • the potting part 22 is generally formed by curing a liquid polymer such as liquid polyurethane resin through a casting method.
  • a resin layer 11d is formed between the cartridge 20 and the mid-case 11a, and the resin layer 11d fixes the cartridge 20 to the mid-case 11a and covers the inner spaces of the caps 12. and the mid-case 11a to block the inner space.
  • the exhaust gas contacts the outer surface of the hollow fiber membranes 21 , moisture contained in the exhaust gas permeates the hollow fiber membranes 21 to humidify the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 21 .
  • the moisture contained in the exhaust gas may not pass through the hollow fiber membranes 21 and may be condensed and collected on the bottom surface of the mid-case 11a. Since the condensate collected on the floor lowers the humidification efficiency, a separate pipe and valve for discharging the condensate must be installed in the mid-case 11a. Therefore, there is a problem in that the total number of parts increases, manufacturing cost increases, and a space in which the added parts are installed is required, hindering the implementation of a compact system.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of improving the discharge performance of condensed water generated in a humidification module.
  • the humidification module includes a mid-case having an exhaust gas inlet through which the exhaust gas flows and an exhaust gas outlet through which the exhaust gas is discharged.
  • the exhaust gas outlet is formed on the bottom side of the mid-case to discharge condensate generated in the humidifying module to the outside.
  • At least a portion of the exhaust gas outlet may be formed to contact the bottom surface of the mid-case.
  • At least a portion of the exhaust gas outlet is in contact with the bottom surface of the mid-case, and a virtual central axis of the exhaust gas outlet is parallel to the bottom surface of the mid-case. can be formed to
  • a virtual central axis of the exhaust gas outlet is relative to the bottom surface of the mid-case. It may be formed to be inclined in the direction of gravity.
  • a plurality of cartridges disposed in the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes may be included.
  • the plurality of cartridges may include a first cartridge disposed closest to the exhaust gas inlet and a second cartridge disposed farther than the first cartridge on at least one side of the first cartridge based on the exhaust gas inlet.
  • the second cartridge may introduce at least a portion of the exhaust gas flowing into the exhaust gas inlet and at least a portion of the exhaust gas distributed by the first cartridge.
  • the first cartridge may be formed to have the largest first width W1 among the plurality of cartridges.
  • the second cartridge may be formed to have a second width (W2) smaller than the first width (W1).
  • the present invention it is possible to improve the discharge performance of the condensed water generated in the humidification module.
  • a separate additional component for discharging condensate can be omitted, thereby reducing manufacturing cost, and a compact fuel cell system can be realized since the space in which additional components are installed is unnecessary.
  • 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 illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view viewed from the line A-A' of FIG. 2 to the left.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view viewed from the right side along line BB′ of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view for explaining an operating state within a humidification module of a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is A-A of FIG. This is a cross section looking to the left from the line.
  • the fuel cell membrane humidifier includes a humidifying module 110 and caps 120 .
  • the humidification module 110 exchanges moisture between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown). Caps 120 are coupled to both ends of the humidifying module 110 . One of the caps 120 supplies air supplied from the outside to the humidifying module 110, and the other supplies air humidified by the humidifying module 110 to the fuel cell stack.
  • the humidifying module 110 includes a mid-case 111 having an exhaust gas inlet 112 and an exhaust gas outlet 113 and at least one cartridge 20 disposed in the mid-case 111 .
  • one of the caps 120 may supply the exhaust gas to the humidifying module 110 to flow inside the hollow fiber membrane, and the other may discharge the exhaust gas subjected to moisture exchange to the outside.
  • external air is introduced through either the exhaust gas inlet 112 or the exhaust gas outlet 113, and the air humidified by the humidifying module 110 is supplied to the fuel cell stack through the other one.
  • the flow direction of the outside air and the flow direction of the exhaust gas may be in the same direction or opposite to each other.
  • the mid-case 111 and the cap 120 may be independently formed of hard plastic or metal, and may have a circular or polygonal cross section in the width direction. Circles include ovals, and polygons include polygons with rounded corners.
  • the hard plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), or the like.
  • the inner space of the mid-case 111 may be partitioned into a first space S1 and a second space S2 by the partition wall 114 .
  • the cartridge 20 includes a plurality of hollow fiber membranes 21 , a potting part 22 , and an inner case 23 .
  • the hollow fiber membrane 21 is 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 at least two of them.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PAN polyacrylonitrile
  • PAN polyimide resin
  • polyamideimide resin poly It may include a polymer film formed of an esterimide resin or a mixture of at least two of them.
  • the potting part 22 fixes the ends of the hollow fiber membrane 21 .
  • the potting part 22 may be formed by curing a liquid resin such as liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting.
  • the inner case 23 has an opening at each end and accommodates a plurality of hollow fiber membranes 21 therein.
  • the potting part 22 in which ends of the hollow fiber membrane 21 are potted closes the opening of the inner case 23 .
  • the inner case 23 includes a first mesh hole MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the first space S1 and a second mesh hole portion MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the second space S2.
  • a mesh hole part MH2 is provided.
  • a gasket 130 is installed between the mid-case 111 and the cartridge 20 .
  • the gasket 130 is mounted on the humidifying module 110 through mechanical assembly. Therefore, when an abnormality occurs in a specific part of the humidification module 110 (for example, the cartridge 20), the mid-case 111 and the gasket 130 are simply mechanically separated from the humidification module 110, and then It is possible to repair or replace just that part.
  • the exhaust gas outlet 113 is formed on the bottom side of the mid-case 111 so that the condensed water can be naturally discharged to the outside by its own weight.
  • At least a portion of the exhaust gas outlet 113 may be formed to contact the bottom surface of the mid-case 111 .
  • a virtual central axis of the exhaust gas outlet 113 may be formed parallel to the bottom surface of the mid-case 111.
  • the imaginary central axis of the exhaust gas outlet 113 is inclined in the direction of gravity with respect to the bottom surface of the mid-case 111. It can be formed to
  • the exhaust gas outlet 113 is formed on the bottom surface of the mid-case 111, the discharge performance of the condensed water generated in the humidification module 110 can be improved.
  • a separate additional component for discharging condensate can be omitted, thereby reducing manufacturing cost, and a compact fuel cell system can be realized since the space in which additional components are installed is unnecessary.
  • FIGS. 5 to 7 are exploded perspective views of a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken from the line BB′ of FIG. 5 to the right
  • FIG. 7 is a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention. It is a perspective view for explaining the operating state in the humidification module of the battery membrane humidifier.
  • the cartridges 20 are arranged in plurality in the mid-case 111.
  • three cartridges 20-1, 20-2, and 20-3 may be disposed.
  • the cartridge 20-1 disposed closest to the exhaust gas inlet 112 among the plurality of cartridges is referred to as a first cartridge, and the remaining cartridges 20-2 and 20-3 are referred to as second cartridges.
  • the first cartridge 20-1 disposed closest to the exhaust gas inlet 112 is formed to have the largest first width W1 among the cartridges 20-1, 20-2 and 20-3, and the other cartridges 20-1, 20-2 and 20-3.
  • the two cartridges 20-2 and 20-3 are formed to have a second width W2 smaller than the first width W1.
  • the drawing illustrates that the cartridge 20-1 disposed in the center is formed to have a first width W1, this may vary depending on the position of the exhaust gas inlet 112. That is, when the position of the exhaust gas inlet 112 is formed on the upper side, the cartridge 20-2 may be formed to have a first width W1.
  • the first cartridge 20-1 is formed to have the largest first width W1, one side thereof is disposed closest to the exhaust gas inlet 112.
  • the other sides of the cartridges 20-1, 20-2 and 20-3 may be arranged in a line as shown in FIG.
  • the other sides of the cartridges 20-1, 20-2 and 20-3 may not necessarily be arranged in a line. Even in this case, one side of the first cartridge 20-1 is disposed closest to the exhaust gas inlet 112.
  • the exhaust gas introduced into the mid-case 111 through the exhaust gas inlet 112 is introduced into the inner case 23 through the first mesh hole MH1 formed in the inner case 23, and the After contacting the outer surface, it flows out of the inner case 23 through the second mesh hole MH2, and then is discharged from the mid-case 111 through the exhaust gas outlet 113.
  • moisture contained in the exhaust gas permeates the hollow fiber membranes 21 to humidify the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 21 .
  • the second cartridge (20-2, 20-3) while having a smaller width than the width of the first cartridge (20-1), the exhaust gas inlet 112 and the side of the first cartridge (20-1) far Since it is disposed at a spaced apart position, the second cartridges 20-2 and 20-3 receive at least a portion of the exhaust gas guided by the first cartridge 20-1.
  • the second cartridges 20-2 and 20-3 do not necessarily receive only the exhaust gas guided by the first cartridge 20-1.
  • the cartridge 20 has the same width and is disposed regardless of the position of the exhaust gas inlet 112, the cartridge disposed far from the exhaust gas inlet 112 is not sufficiently supplied with the exhaust gas and the exhaust gas inlet ( 112), the cartridges disposed close to each other receive excessive exhaust gas, and the humidification efficiency varies for each cartridge.
  • the first cartridge 20-1 having the largest first width W1 in consideration of the position of the exhaust gas inlet 112 while the cartridge 20 has different widths is the exhaust gas When disposed closest to the inlet 112, each of the cartridges 20-1, 20-2, and 20-3 can be supplied with evenly distributed exhaust gas.
  • the exhaust gas outlet 113 is formed on the bottom side of the mid-case 111, so that condensed water can be naturally discharged to the outside by its own weight.
  • a description of the exhaust gas outlet 113 is substantially the same as that of the above-described embodiment.

Abstract

가습 모듈 내에서 생성되는 응축수의 배출 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 개시된 연료전지 막가습기는, 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및, 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함한다. 상기 가습 모듈은, 상기 배가스가 유입되는 배가스 유입구와 상기 배가스가 배출되는 배가스 배출구가 형성된 미드-케이스;를 포함한다. 상기 배가스 배출구는, 상기 미드-케이스의 바닥면 측에 형성되어 상기 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수를 외부로 배출한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수의 배출 성능을 향상시킬 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 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 막가습기를 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 막가습기를 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 막가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12)을 포함한다.
캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.
가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11b)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11c)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내에 배치된 다수의 카트리지(20)를 포함한다. 다수의 카트리지(20) 각각은 이너 케이스(23)를 구비하며, 이너 케이스(23) 내부에는 다수의 중공사막(21)과 중공사막(21) 다발의 양 말단들을 고정하는 포팅부(22)가 형성된다. 포팅부(22)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
카트리지(20)와 미드-케이스(11a) 사이에는 수지층(11d)이 형성되며, 수지층(11d)은 카트리지(20)를 미드-케이스(11a)에 고정하고 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(11a)의 내부 공간을 차단한다.
외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(21)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11b)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 이너 케이스(23)에 형성된 일측 메시 홀을 통해 이너 케이스(23) 내부로 유입되어 중공사막들(21)의 외표면과 접촉한 후, 타측 메시 홀을 통해 이너 케이스(23) 외부로 유출된 후, 배가스 배출구(11c)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(21)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(21)을 투과함으로써 중공사막들(21)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
한편, 일부의 배가스에 함유된 수분은 중공사막들(21)을 투과하지 않고, 응축되어 미드-케이스(11a)의 바닥면에 모이게 될 수 있다. 바닥면에 모이는 응축수는 가습 효율을 저하시키기 때문에, 응축수를 배출하기 위한 별도의 배관과 밸브를 미드-케이스(11a)에 설치해야 한다. 따라서, 전체적으로 부품이 증가하여 제조 비용이 상승하고, 추가된 부품이 설치된 공간이 필요하게 되어 콤팩트한 시스템 구현을 저해하는 문제가 있다.
본 발명은 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수의 배출 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및, 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함한다. 상기 가습 모듈은, 상기 배가스가 유입되는 배가스 유입구와 상기 배가스가 배출되는 배가스 배출구가 형성된 미드-케이스;를 포함한다. 상기 배가스 배출구는, 상기 미드-케이스의 바닥면 측에 형성되어 상기 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수를 외부로 배출한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하면서, 상기 배가스 배출구의 가상의 중심축이 상기 미드-케이스의 바닥면과 평행하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하면서, 상기 배가스 배출구의 가상의 중심축이 상기 미드-케이스의 바닥면에 대해 중력 방향으로 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 복수개의 카트리지를 포함할 수 있다. 상기 복수개의 카트리지는 상기 배가스 유입구와 가장 가깝게 배치되는 제1 카트리지와, 상기 배가스 유입구를 기준으로 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 상기 제1 카트리지 보다 먼 위치에 배치되는 제2 카트리지를 포함할 수 있다. 상기 제2 카트리지는 상기 배가스 유입구로 유입되는 적어도 일부의 배가스와 상기 제1 카트리지에 의해 분배된 배가스의 적어도 일부를 유입할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 카트리지는, 상기 복수개의 카트리지 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제2 카트리지는, 상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수의 배출 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 응축수 배출을 위한 별도의 추가 부품을 생략할 수 있게 되어 제조 비용을 절감할 수 있고, 추가 부품의 설치된 공간이 불필요하게 되어 콤팩트한 연료전지 시스템 구현할 수 있다. 또한, 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시켜서 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 4는 도 2의 A-A' 라인에서 좌측으로 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 우측으로 바라본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 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 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이며, 도 4는 도 2의 A-A' 라인에서 좌측으로 바라본 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 가습 모듈(110)과 캡들(120)을 포함한다.
가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된다. 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.
가습 모듈(110)은, 배가스 유입구(112)와 배가스 배출구(113)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다.
물론, 설계에 따라 캡들(120) 중 하나는 배가스를 가습 모듈(110)로 공급하여 중공사막 내부를 흐르게 하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 배가스를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 배가스 유입구(112) 또는 배가스 배출구(113) 중 어느 하나를 통해 외부의 공기가 유입되고, 나머지 하나를 통해 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기가 연료전지 스택으로 공급되도록 할 수 있다. 외부 공기의 유동 방향과 배가스의 유동 방향은 같은 방향이거나 또는 서로 반대 방향일 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120)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. 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽 (114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다.
카트리지(20)는 다수의 중공사막(21), 포팅부(22), 이너 케이스(23)를 포함한다.
중공사막(21)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 있다.
포팅부(22)는 중공사막(21)의 말단들을 고정한다. 포팅부(22)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
이너 케이스(23)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 내부에 다수의 중공사막(21)을 수용한다. 중공사막(21)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(22)는 이너 케이스(23)의 개구를 폐쇄시킨다. 이너 케이스(23)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제2 메쉬홀부(MH2)를 구비한다.
배가스 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀부(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
미드-케이스(111)와 카트리지(20) 사이에는 가스켓(130)이 설치된다. 가스켓(130)은 기계적 조립을 통해 가습 모듈(110)에 장착된다. 따라서, 가습 모듈(110)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(20))에 이상이 발생할 경우, 미드-케이스(111)와 가스켓(130)을 가습 모듈(110)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.
상기와 같은 가습 모듈(110)에서 배가스 배출구(113)는 미드-케이스(111)의 바닥면 측에 형성되어, 응축수는 자중에 의해 자연스럽게 외부로 배출될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 배가스 배출구(113)의 적어도 일부가 미드-케이스(111)의 바닥면과 접하도록 형성될 수 있다.
배가스 배출구(113)의 적어도 일부가 미드-케이스(111)의 바닥면과 접하면서, 배가스 배출구(113)의 가상의 중심축이 미드-케이스(111)의 바닥면과 평행하도록 형성될 수 있다.
또는, 배가스 배출구(113)의 적어도 일부가 미드-케이스(111)의 바닥면과 접하면서, 배가스 배출구(113)의 가상의 중심축이 미드-케이스(111)의 바닥면에 대해 중력 방향으로 경사지도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 배가스 배출구(113)가 미드-케이스(111)의 바닥면에 형성됨에 따라, 가습 모듈(110) 내에서 생성되는 응축수의 배출 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 응축수 배출을 위한 별도의 추가 부품을 생략할 수 있게 되어 제조 비용을 절감할 수 있고, 추가 부품의 설치된 공간이 불필요하게 되어 콤팩트한 연료전지 시스템 구현할 수 있다.
다음, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 B-B' 라인에서 우측으로 바라본 단면도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 사시도이다.
본 실시예에서, 카트리지(20)는 미드-케이스(111) 내에 복수개로 배치된다. 예를 들어, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 3개의 카트리지(20-1, 20-2, 20-3)가 배치될 수 있다. 물론, 이는 설명을 위한 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다. 복수개의 카트리지 중에서 배가스 유입구(112)와 가장 가깝게 배치된 카트리지(20-1)를 제1 카트리지라고 하고, 나머지 카트리지(20-2, 20-3)를 제2 카트리지라고 한다.
배가스 유입구(112)와 가장 가깝게 배치된 제1 카트리지(20-1)는 카트리지(20-1, 20-2, 20-3)들 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되고, 나머지 제2 카트리지(20-2, 20-3)는 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성된다. 도면에서 중앙에 배치된 카트리지(20-1)가 제1 폭(W1)으로 형성되어 있는 것을 예시하고 있으나, 이는 배가스 유입구(112)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 즉, 배가스 유입구(112)의 위치가 상측에 형성되는 경우, 카트리지(20-2)가 제1 폭(W1)으로 형성될 수 있다.
제1 카트리지(20-1)는 가장 큰 제1 폭(W1)으로 형성되면서, 그 일측은 배가스 유입구(112)와 가장 가깝게 배치된다. 이때, 카트리지들(20-1, 20-2, 20-3)의 타측은 도 6과 같이 일렬로 배열될 수 있다. 물론, 카트리지들(20-1, 20-2, 20-3)의 타측은 반드시 일렬로 배열되지 않을 수도 있다. 이 경우에도, 제1 카트리지(20-1)의 일측이 배가스 유입구(112)와 가장 가깝게 배치되도록 한다.
상기와 같이 구성되는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-1)의 동작에 대해, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(21)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 이너 케이스(23)에 형성된 제1 메쉬홀(MH1)을 통해 이너 케이스(23) 내부로 유입되어 중공사막들(21)의 외표면과 접촉한 후, 제2 메쉬홀(MH2)을 통해 이너 케이스(23) 외부로 유출된 후, 배가스 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(21)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(21)을 투과함으로써 중공사막들(21)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
이때, 배가스 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스의 일부는 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖는 제1 카트리지(20-1)의 일측에 부딪히면서 측면으로 가이드된다. 한편, 제2 카트리지(20-2, 20-3)는 제1 카트리지(20-1)의 폭 보다 작은 폭으로 가지면서, 제1 카트리지(20-1)의 측면에 배가스 유입구(112)와 멀리 이격된 위치에 배치되므로, 제2 카트리지(20-2, 20-3)는 제1 카트리지(20-1)에 의해 가이드된 적어도 일부의 배가스를 유입받는다. 물론, 제2 카트리지(20-2, 20-3)가 반드시 제1 카트리지(20-1)에 의해 가이드된 배가스만을 유입받는 것은 아니다.
한편, 이와 달리, 카트리지(20)가 동일한 폭을 가지면서 배가스 유입구(112)의 위치와 관계없이 배치되는 경우, 배가스 유입구(112)와 멀리 떨어져서 배치된 카트리지는 배가스를 충분히 공급받지 못하고 배가스 유입구(112)와 가깝게 배치된 카트리지 과도한 배가스를 공급받게 되어, 카트리지 별로 가습 효율이 달라지게 된다.
반면, 도 5 내지 도 7와 같이, 카트리지(20)가 상이한 폭을 가지면서 배가스 유입구(112)의 위치를 고려하여 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖는 제1 카트리지(20-1)가 배가스 유입구(112)와 가장 가깝도록 배치하는 경우, 각각의 카트리지들(20-1, 20-2, 20-3)은 고르게 분배된 배가스를 공급받을 수 있게 된다.
아울러, 배가스 배출구(113)는 미드-케이스(111)의 바닥면 측에 형성되어, 응축수는 자중에 의해 자연스럽게 외부로 배출될 수 있다. 배가스 배출구(113)에 대한 설명은 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일하다.
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]
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 ; 배가스 유입구 113 : 배가스 배출구
114 : 격벽 120 : 캡
20 : 카트리지 21 : 중공사막
22 : 포팅부 23 : 이너 케이스

Claims (7)

  1. 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및,
    상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함하되,
    상기 가습 모듈은,
    상기 배가스가 유입되는 배가스 유입구와 상기 배가스가 배출되는 배가스 배출구가 형성된 미드-케이스;를 포함하며,
    상기 배가스 배출구는, 상기 미드-케이스의 바닥면 측에 형성되어 상기 가습 모듈 내에서 생성되는 응축수를 외부로 배출하는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하면서, 상기 배가스 배출구의 가상의 중심축이 상기 미드-케이스의 바닥면과 평행하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배가스 배출구의 적어도 일부가 상기 미드-케이스의 바닥면과 접하면서, 상기 배가스 배출구의 가상의 중심축이 상기 미드-케이스의 바닥면에 대해 중력 방향으로 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 복수개의 카트리지를 포함하고,
    상기 복수개의 카트리지는 상기 배가스 유입구와 가장 가깝게 배치되는 제1 카트리지와, 상기 배가스 유입구를 기준으로 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 상기 제1 카트리지 보다 먼 위치에 배치되는 제2 카트리지를 포함하며,
    상기 제2 카트리지는 상기 배가스 유입구로 유입되는 적어도 일부의 배가스와 상기 제1 카트리지에 의해 분배된 배가스의 적어도 일부를 유입하는,
    것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 카트리지는,
    상기 복수개의 카트리지 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 카트리지는,
    상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성되는 연료전지 막가습기.
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