WO2023033342A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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WO2023033342A1
WO2023033342A1 PCT/KR2022/009963 KR2022009963W WO2023033342A1 WO 2023033342 A1 WO2023033342 A1 WO 2023033342A1 KR 2022009963 W KR2022009963 W KR 2022009963W WO 2023033342 A1 WO2023033342 A1 WO 2023033342A1
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mesh hole
fuel cell
fluid
cell membrane
membrane humidifier
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PCT/KR2022/009963
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김도우
안나현
김인호
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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, and more specifically, it can be directly installed on a structure of a means of transportation such as a vehicle, ship, or aircraft, or a generator system of a building without additional equipment, thereby improving assembly convenience and providing convenience to various customers.
  • a fuel cell membrane humidifier capable of improving manufacturing convenience by meeting mounting requirements.
  • 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.
  • the present invention can be directly installed on structures of vehicles, ships, aircrafts, etc., or generator systems of buildings without additional equipment, improving assembly convenience, and improving manufacturing convenience by meeting mounting requirements of various customers. It is an object of the present invention to provide a fuel cell membrane humidifier capable of
  • a mid-case that performs water exchange between the first fluid and the second fluid, a second fluid inlet through which the second fluid flows into the mid-case, and a second fluid through which the second fluid is discharged to the outside.
  • a humidification module including an outlet and the at least one cartridge disposed in the mid-case; Caps formed at both ends of the humidification module; and a position-variable mount formed in the humidifying module so as to be position-variable and for mounting the humidifying module to a structure to be mounted.
  • the position variable mount includes a body portion having at least one second fastener fastened to the first fastener formed on the surface of the mid-case by a fastening means, and , The head portion connected to the body portion and formed with a third fastener for mounting to the mounting target structure by a fastening means, formed on the lower surface of the body portion, and sliding on a rib formed on the surface of the mid-case It may include a sliding part that is fitted to be possible.
  • the fastening means is a threaded bolt, and threads corresponding to the threads of the bolts may be formed in the first fastener, the second fastener, and the third fastener. there is.
  • a guide groove may be formed at a position corresponding to the sliding part with the rib.
  • the mid-case includes a partition wall dividing the inner space of the mid-case into a first space and a second space, and the first space penetrating the partition wall. It may include a regular bypass hole connecting the second space and the second space.
  • the cartridge is supplied to the outside after the first mesh hole portion through which the second fluid flows and the second fluid introduced through the first mesh hole portion exchanges moisture. It includes an inner case in which a second mesh hole portion to be discharged is formed, and the first mesh hole portion and the second mesh hole portion may be formed in an asymmetrical shape.
  • the total area of the mesh hole window on the side of the first mesh hole part may be formed to be larger than the total area of the mesh hole window on the side of the second mesh hole part.
  • the number of mesh holes constituting the first mesh hole part is the second mesh hole. It may be formed to be more than the number of mesh holes constituting the hole part.
  • the area of each mesh hole forming the first mesh hole part is 2 It may be formed to be larger than the area of each mesh hole constituting the mesh hole.
  • the present invention can be directly installed on a structure of a means of transportation such as a vehicle, ship, or aircraft, or a generator system of a building without additional equipment, thereby improving assembly convenience and satisfying various customer mounting requirements.
  • a structure of a means of transportation such as a vehicle, ship, or aircraft
  • a generator system of a building without additional equipment
  • FIG. 1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a variable position mount.
  • FIGS. 4 and 5 are plan views illustrating exemplary forms in which a position variable mount changes a position on a humidifying module.
  • FIG. 6 is a side view of a humidification module from which a cap of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention is removed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2 .
  • FIG. 8 is a perspective view showing a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for comparing the flow distance of the second fluid in a conventional cartridge (upper drawing) and a cartridge according to an embodiment of the present invention (lower drawing).
  • FIG. 1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a position variable mount.
  • 4 and 5 are plan views showing an exemplary form in which the variable position mount changes the position on the humidification module
  • FIG. 6 is a humidifier with the cap removed of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • a view of the module viewed from the side, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line A-A' of FIG. 2 .
  • the fuel cell membrane humidifier includes a humidifying module 110 , caps 120 , and a variable position mount 200 .
  • the humidification module 110 performs moisture exchange between a first fluid supplied from the outside and a second fluid discharged from a fuel cell stack (not shown). Caps 120 are fastened to both ends of the humidifying module 110 . A first fluid inlet 121 for supplying a first fluid supplied from the outside to the humidifying module 110 is formed on one of the caps 120, and the first fluid humidified by the humidifying module 110 is formed on the other. A first fluid outlet 122 supplying the fuel cell stack is formed.
  • the humidification module 110 includes a mid-case 111 having a second fluid inlet 112 and a second fluid outlet 113 and at least one cartridge 20 disposed within the mid-case 111 .
  • the second fluid discharged from the fuel cell stack flows into the second fluid inlet 112, exchanges moisture in the humidifying module 110, and then is discharged through the second fluid outlet 113.
  • a first fastener H1 is formed on the surface of the mid-case 111 .
  • the first fastener H1 may be engaged with a second fastener H2 to be described later by a fastening means.
  • the fluid introduced into/out of the second fluid inlet 112 or the second fluid outlet 113 is not limited to the second fluid.
  • the fluid introduced/discharged through the first fluid inlet 121 or the first fluid outlet 122 is not limited to the first fluid.
  • one of the caps 120 may supply the second fluid to the humidifying module 110 to flow inside the hollow fiber membrane, and the other cap may discharge the second fluid subjected to moisture exchange to the outside.
  • the first fluid is introduced through one of the second fluid inlet 112 and the second fluid outlet 113, and the first fluid humidified by the humidifying module 110 through the other one is fuel It can be supplied to the battery stack.
  • the flow direction of the first fluid and the flow direction of the second fluid 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 partition wall 114 may have an insertion hole H into which at least one cartridge 20 may be inserted.
  • a gasket 116 may be installed between the mid-case 111 and the cartridge 20 .
  • the gasket 116 mounts the cartridge 20 to 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 116 are simply mechanically separated from the humidification module 110, and then It is possible to repair or replace just that part.
  • a position variable mount 200 for mounting the fuel cell membrane humidifier including the humidification module 110 to a structure to be mounted is included.
  • the structure to be mounted may refer to a part of a vehicle, ship, aircraft, etc., or a part of a generator system of a building, to which a fuel cell system including a fuel cell stack and a fuel cell membrane humidifier is mounted.
  • the fuel cell membrane humidifier of the present invention will be described as an example in which it is mounted on a structure of a vehicle.
  • the position variable mount 200 may be mounted on an upper surface of the humidifying module 110 .
  • the position variable mount 200 is not limited thereto and may be mounted on the side or bottom surface of the humidifying module 110 or mounted on the surface of the cap 120 according to design.
  • the position variable mount 200 may be placed at a desired position on the surface of the humidification module 110 by an operator according to the structure shape of the vehicle to be attached to, and then fixed to the humidification module 110 through a fastening means.
  • the variable position mount 200 will be described with reference to FIG. 3 .
  • Figure 3 (a) is a front view of the variable position mount 200
  • Figure 3 (b) is a plan view
  • Figure 3 (c) is a bottom view
  • Figure 3 (d) (e) is a left and right side view am.
  • the position variable mount 200 includes a body part 210, a head part 220, and a sliding part 230.
  • the body part 210 may be formed in a predetermined shape, for example, a rectangular shape, and at least one or more second fasteners H2 are formed.
  • the position variable mount 200 may be fixed to the surface of the humidifying module 110 while the second fastener H2 is engaged with the first fastener H1 by the fastening means.
  • the fastening means may be a bolt having a thread, and threads corresponding to the threads of the bolt may be formed on inner surfaces of the first fastener H1 and the second fastener H2.
  • the head part 220 is connected to the body part 210 .
  • the head portion 220 may be formed to extend from one end of the upper surface of the body portion 210 .
  • At least one or more third fasteners H3 are formed in the head part 220 .
  • the third fastener H3 allows the position variable mount 200 to be mounted on the structure of the vehicle by means of the fastening means.
  • the sliding part 230 is formed on the lower surface of the body part 210 .
  • the sliding part 230 is slidably inserted into the rib 111a protruding from the surface of the mid-case 111 .
  • the sliding part 230 may have a guide groove 231 formed at a position corresponding to the rib 111a. The sliding part 230 can be moved in the direction of the rib 111a without being separated from the rib 111a by the guide groove 231 .
  • position variable mount 200 may be integrally formed with the fuel cell membrane humidifier, the need for separate additional equipment (separate mount and bracket for this) may be reduced.
  • the position variable mount 200 can be moved while sliding along the surface of the humidifying module 110 or along the rib formed on the surface of the cap 120 according to the design, so that the customer's It is possible to reduce the design of new humidification modules to reflect mounting requirements (mounting location, assembly structure, etc.). Accordingly, it is possible to satisfy mounting requirements of various customers, thereby improving manufacturing convenience.
  • the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention may include a bypass hole 115 formed in the partition wall 114 .
  • the regular bypass hole 115 is formed through the partition wall 114 in a predetermined shape.
  • the regular bypass hole 115 connects the first space S1 and the second space S2 partitioned by the partition wall 114 .
  • a part of the second fluid introduced into the second fluid inlet 112 always flows from the first space S1 to the second space S2 through the bypass hole 115 and is discharged through the second fluid outlet 113. . Since the second fluid always flowing through the bypass hole 115 does not contact the first fluid, water exchange is not performed.
  • the regular bypass hole 115 discharges a portion of the introduced second fluid to the outside by bypassing the hollow fiber membrane, so that the increase in differential pressure can be resolved. Therefore, the regular bypass hole 115 is advantageous in downsizing the fuel cell membrane humidifier.
  • FIGS. 8 to 10 a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described.
  • 8 is a perspective view showing a cartridge mounted on a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cartridge mounted on a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • 10 is a view for comparing the flow distance of the second fluid in a conventional cartridge (upper drawing) and a cartridge according to an embodiment of the present invention (lower drawing).
  • the cartridge 20 may improve the humidification efficiency by adjusting the number or area of the mesh hole windows (W) constituting the mesh hole part.
  • 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.
  • the cartridge 20 may be formed such that the total area of the mesh hole windows W on the side of the first mesh hole part MH1 is larger than the total area of the mesh hole windows W on the side of the second mesh hole part MH2.
  • the mesh hole window W is an opening through which the second fluid is introduced and discharged.
  • the total area of the mesh hole window (W) on the side of the first mesh hole (MH1) formed on the side of the second fluid inlet 112 is increased to facilitate the inflow of the second fluid into the inner case 23, and the second fluid
  • the flow of the second fluid in the inner case 23 can be promoted by reducing the total area of the mesh hole window W on the side of the second mesh hole part MH2 formed on the discharge port 113 side.
  • the distance between the first mesh hole part MH1 and the second mesh hole part MH2 is increased compared to the case of a symmetrical shape.
  • the flow distance of the second fluid in the inner case 23 can be increased. (See reference numerals L1 and L2 in FIG. 10 .)
  • the contact time of the second fluid with the surface of the hollow fiber membrane 220 can be increased, so that the overall humidification efficiency can be improved.
  • the number of mesh holes constituting the first mesh hole part MH1 may be greater than the number of mesh holes constituting the second mesh hole part MH2.
  • the area of each mesh hole forming the first mesh hole part MH1 is larger than the area of each mesh hole forming the second mesh hole part MH2. can do.
  • the shapes of the first mesh hole part MH1 and the second mesh hole part MH2 are formed in an asymmetrical shape to promote the flow of the second fluid in the inner case 23 and As the flow distance increases, the humidification efficiency can be improved.
  • Second fluid inlet 113 second fluid outlet

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Abstract

추가 장비없이도 차량, 선박, 항공기 등 이동 수단의 구조물 또는 건물의 발전기 시스템에 직접 설치될 수 있어서 조립 편의성을 향상시킬 수 있으며, 다양한 고객의 마운팅 요구 사항을 충족시킬 수 있어서 제조 편의성을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기가 개시된다. 개시된 연료전지 막가습기는, 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스와, 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구와, 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구와, 상기 미드-케이스 내에 배치되는 상기 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 양단에 형성되는 캡; 및, 상기 가습 모듈에 위치 가변 가능하도록 형성되며, 상기 가습 모듈을 장착 대상 구조물에 장착시키기 위한 위치 가변 마운트;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 추가 장비없이도 차량, 선박, 항공기 등 이동 수단의 구조물 또는 건물의 발전기 시스템에 직접 설치될 수 있어서 조립 편의성을 향상시킬 수 있으며, 다양한 고객의 마운팅 요구 사항을 충족시킬 수 있어서 제조 편의성을 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.
본 발명은 추가 장비없이도 차량, 선박, 항공기 등 이동 수단의 구조물 또는 건물의 발전기 시스템에 직접 설치될 수 있어서 조립 편의성을 향상시킬 수 있으며, 다양한 고객의 마운팅 요구 사항을 충족시킬 수 있어서 제조 편의성을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스와, 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구와, 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구와, 상기 미드-케이스 내에 배치되는 상기 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 양단에 형성되는 캡; 및, 상기 가습 모듈에 위치 가변 가능하도록 형성되며, 상기 가습 모듈을 장착 대상 구조물에 장착시키기 위한 위치 가변 마운트;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 위치 가변 마운트는, 체결 수단에 의해 상기 미드-케이스의 표면에 형성된 제1 체결구와 체결되는 적어도 하나 이상의 제2 체결구가 형성된 바디부와, 상기 바디부와 연결 형성되며, 체결 수단에 의해 상기 장착 대상 구조물에 장착되기 위한 제3 체결구가 형성된 헤드부와, 상기 바디부의 하면에 형성되며, 상기 미드-케이스의 표면에 형성된 리브에 슬라이딩 가능하도록 끼워지는 슬라이딩부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 체결 수단은 나사산이 형성된 볼트이며, 상기 제1 체결구와 제2 체결구와 제3 체결구에는 상기 볼트의 나사산과 대응하는 나사산이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 슬라이딩부는 상기 리브와 대응하는 위치에 가이드 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 미드-케이스는, 상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽과, 상기 격벽을 관통하여 상기 제1 공간과 제2 공간을 연결하는 상시 바이패스홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 카트리지는, 상기 제2 유체가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 제2 유체가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스를 포함하며, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 추가 장비없이도 차량, 선박, 항공기 등 이동 수단의 구조물 또는 건물의 발전기 시스템에 직접 설치될 수 있어서 조립 편의성을 향상시킬 수 있으며, 다양한 고객의 마운팅 요구 사항을 충족시킬 수 있어서 제조 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 3은 위치 가변 마운트가 도시된 도면이다.
도 4 및 도 5는 위치 가변 마운트가 가습 모듈 상에서 위치를 가변하는 예시적인 형태가 도시된 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이다.
도 7은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 단면도이다.
도 10은 종래의 카트리지(상부 도면)와 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(하부 도면)에서 제2 유체의 유동 거리를 비교하기 위한 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 막가습기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이며, 도 3은 위치 가변 마운트가 도시된 도면이고, 도 4 및 도 5는 위치 가변 마운트가 가습 모듈 상에서 위치를 가변하는 예시적인 형태가 도시된 평면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이고, 도 7은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 가습 모듈(110)과 캡들(120)과 위치 가변 마운트(200)를 포함한다.
가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 제1 유체와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양단에 체결된다. 캡들(120) 중 어느 하나에는 외부로부터 공급되는 제1 유체를 가습 모듈(110)로 공급하는 제1 유체 유입구(121)가 형성되고, 다른 하나에는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 제1 유체를 연료전지 스택으로 공급하는 제1 유체 배출구(122)가 형성된다.
가습 모듈(110)은, 제2 유체 유입구(112)와 제2 유체 배출구(113)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다. 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 제2 유체는 제2 유체 유입구(112)로 유입되어 가습 모듈(110) 내에서 수분 교환한 후, 제2 유체 배출구(113)로 배출된다. 미드-케이스(111)의 표면에는 제1 체결구(H1)가 형성된다. 제1 체결구(H1)는, 체결 수단에 의해 후술하는 제2 체결구(H2)와 체결될 수 있다.
본 명세서에서, 제2 유체 유입구(112) 또는 제2 유체 배출구(113)로 유입/배출되는 유체는 제2 유체에 한정되지 않는다. 또한, 제1 유체 유입구(121) 또는 제1 유체 배출구(122)로 유입/배출되는 유체는 제1 유체에 한정되지 않는다.
설계에 따라 캡들(120) 중 하나는 제2 유체를 가습 모듈(110)로 공급하여 중공사막 내부를 흐르게 하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 제2 유체를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 제2 유체 유입구(112) 또는 제2 유체 배출구(113) 중 어느 하나를 통해 제1 유체가 유입되고, 나머지 하나를 통해 가습 모듈(110)에 의해 가습된 제1 유체가 연료전지 스택으로 공급되도록 할 수 있다. 제1 유체의 유동 방향과 제2 유체의 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. 격벽(114)은 적어도 하나 이상의 카트리지(20)가 삽입될 수 있는 삽입구(H)를 구비할 수 있다.
미드-케이스(111)와 카트리지(20) 사이에는 가스켓(116)이 설치될 수 있다. 가스켓(116)은 기계적 조립을 통해 카트리지(20)를 가습 모듈(110)에 장착시킨다. 따라서, 가습 모듈(110)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(20))에 이상이 발생할 경우, 미드-케이스(111)와 가스켓(116)을 가습 모듈(110)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에서, 가습 모듈(110)을 포함하는 연료전지 막가습기를 장착 대상 구조물에 장착시키기 위한 위치 가변 마운트(200)를 포함한다. 장착 대상 구조물이란, 연료전지 스택 및 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 장착되는 차량, 선박, 항공기 등 이동 수단의 일부분 또는 건물의 발전기 시스템의 일부분을 의미할 수 있다. 이하, 본 발명의 연료전지 막가습기가 차량의 구조물에 장착되는 것을 예시로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 위치 가변 마운트(200)는 가습 모듈(110)의 상면에 장착될 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고 위치 가변 마운트(200)는 가습 모듈(110)의 측면 또는 하면에 장착되거나, 또는 설계에 따라 캡(120)의 표면에 장착될 수 있다.
위치 가변 마운트(200)는 부착 대상 차량의 구조물 형상에 맞춰서 작업자에 의해 가습 모듈(110)의 표면의 원하는 위치에 배치된 후, 체결 수단을 통해 가습 모듈(110)에 고정될 수 있다. 이러한 위치 가변 마운트(200)에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3의 (a)는 위치 가변 마운트(200)의 정면도이고, 도 3의 (b)는 평면도이며, 도 3의 (c)는 저면도이고, 도 3의 (d) (e)는 좌우 측면도이다.
도 3을 참조하면, 위치 가변 마운트(200)는 바디부(210)와 헤드부(220)와 슬라이딩부(230)를 포함한다.
바디부(210)는 소정의 형상, 예를 들어 사각형 형상으로 형성될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 제2 체결구(H2)가 형성된다. 체결 수단에 의해 제2 체결구(H2)는 제1 체결구(H1)와 체결되면서 위치 가변 마운트(200)는 가습 모듈(110)의 표면에 고정될 수 있다. 예를 들어, 체결 수단은 나사산이 형성된 볼트일 수 있으며, 제1 체결구(H1)와 제2 체결구(H2)의 내면에는 볼트의 나사산과 대응하는 나사산이 형성될 수 있다.
헤드부(220)는 바디부(210)와 연결 형성된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 헤드부(220)는 바디부(210)의 상면 일단에서 연장되어 형성될 수 있다. 헤드부(220)에는 적어도 하나 이상의 제3 체결구(H3)가 형성된다. 제3 체결구(H3)는 체결 수단에 의해 위치 가변 마운트(200)가 차량의 구조물에 장착되도록 한다.
슬라이딩부(230)는 바디부(210)의 하면에 형성된다. 슬라이딩부(230)는 미드-케이스(111)의 표면에 돌출 형성된 리브(111a)에 슬라이딩 가능하도록 끼워진다. 슬라이딩부(230)는 리브(111a)와 대응하는 위치에 가이드 홈(231)이 형성될 수 있다. 가이드 홈(231)에 의해 슬라이딩부(230)는 리브(111a)에서 이탈되지 않으면서 리브(111a)의 방향으로 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 위치 가변 마운트(200)는 연료전지 막가습기와 일체로 형성될 수 있으므로, 별도의 추가 장비(별도의 마운트 및 이를 위한 브라켓 등)가 필요성을 줄일 수 있다.
또한, 위치 가변 마운트(200)는, 도 4 및 도 5와 같이, 가습 모듈(110)의 표면 또는 설계에 따라 캡(120)의 표면에 형성되는 리브를 따라 슬라이딩하면서 이동될 수 있으므로, 고객의 마운팅 요구 사항(마운팅 위치, 조립 구조 등)을 반영하기 위한 새로운 가습 모듈의 설계를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 다양한 고객의 마운팅 요구 사항을 충족시킬 수 있어서 제조 편의성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 격벽(114)에 형성된 상시 바이패스홀(115)을 포함할 수 있다.
상시 바이패스홀(115)은 소정 형상으로 격벽(114)을 관통하여 형성된다. 상시 바이패스홀(115)은 격벽(114)에 의해 구획된 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)을 연결한다.
제2 유체 유입구(112)로 유입된 제2 유체의 일부는 상시 바이패스홀(115)을 통해 제1 공간(S1)에서 제2 공간(S2)으로 흘러서 제2 유체 배출구(113)로 배출된다. 상시 바이패스홀(115)을 흐르는 제2 유체는 제1 유체와 접촉하지 않으므로 수분 교환을 수행하지 않는다.
연료전지 막가습기의 부피가 소형화되면, 연료전지 스택으로부터 유입되는 제2 유체에 의해 연료전지 막가습기 내의 차압이 증가하게 된다. 이와 같이 증가한 차압은 연료전지 막가습기의 효율에 악영향을 주므로, 차압 해소가 필요하다. 상시 바이패스홀(115)은 유입된 제2 유체의 일부를 중공사막을 바이패스시켜서 외부로 배출시키므로 차압 증가를 해소할 수 있게 된다. 따라서, 상시 바이패스홀(115)은 연료전지 막가습기의 소형화에 유리하다.
다음, 도 8 내지 도 10를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지에 대해 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 단면도이며, 도 10은 종래의 카트리지(상부 도면)와 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(하부 도면)에서 제2 유체의 유동 거리를 비교하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에서 카트리지(20)는 메쉬홀부를 이루는 메시홀 윈도우(W)의 개수나 면적을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수도 있다.
도 9를 참조하면, 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.
제2 유체 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 제2 유체는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 제1 유체와 수분 교환한 제2 유체는 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 제2 유체 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
카트리지(20)는 제1 메쉬홀부(MH1) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적이 제2 메쉬홀부(MH2) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적보다 크도록 형성될 수 있다. 메쉬홀 윈도우(W)는 제2 유체가 유입되고 배출되는 개구이다.
제2 유체 유입구(112) 측에 형성되는 제1 메쉬홀부(MH1) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적을 크게 하여 이너 케이스(23) 내부로의 제2 유체 유입을 원활히 하고, 제2 유체 배출구(113) 측에 형성되는 제2 메쉬홀부(MH2) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적을 작게 하여 이너 케이스(23) 내에서의 제2 유체 유동을 촉진시킬 수 있다.
또한, 제1 메쉬홀부(MH1)와 제2 메쉬홀부(MH2)를 비대칭적으로 형성함으로써, 대칭 형상의 경우 보다, 제1 메쉬홀부(MH1)와 제2 메쉬홀부(MH2) 간의 거리가 증가하게 되고, 이에 의해 이너 케이스(23) 내에서의 제2 유체의 유동 거리를 증가시킬 수 있다. (도 10의 부호 L1, L2 참조) 제2 유체 유동 거리가 증가함에 따라 제2 유체가 중공사막(220)의 표면과 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있게 되어 전체적으로 가습 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
양측 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우(W)의 크기가 동일한 경우, 제1 메쉬홀부(MH1)를 이루는 메쉬홀 개수가 제2 메쉬홀부(MH2)를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 할 수 있다.
또한, 양측 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우(W)의 개수가 동일한 경우, 제1 메쉬홀부(MH1)를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 제2 메쉬홀부(MH2)를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 제1 메쉬홀부(MH1)와 제2 메쉬홀부(MH2)의 형상을 비대칭 형상으로 형성하여, 이너 케이스(23) 내에서의 제2 유체 유동 촉진과 제2 유체 유동 거리 증가에 따른 가습 효율을 향상을 도모할 수 있다.
이상, 본 발명의 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 ; 제2 유체 유입구 113 : 제2 유체 배출구
114 : 격벽 115 : 상시 바이패스홀
120 : 캡
200 : 위치 가변 마운트 210 : 바디부
220 : 헤드부 230 : 슬라이딩부
20 : 카트리지 21 : 중공사막
22 : 포팅부 23 : 이너 케이스
MH1 : 제1 메쉬홀부 MH2 : 제2 메쉬홀부

Claims (10)

  1. 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스와, 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구와, 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구와, 상기 미드-케이스 내에 배치되는 상기 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 가습 모듈;
    상기 가습 모듈의 양단에 형성되는 캡; 및,
    상기 가습 모듈에 위치 가변 가능하도록 형성되며, 상기 가습 모듈을 장착 대상 구조물에 장착시키기 위한 위치 가변 마운트;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 위치 가변 마운트는,
    체결 수단에 의해 상기 미드-케이스의 표면에 형성된 제1 체결구와 체결되는 적어도 하나 이상의 제2 체결구가 형성된 바디부와,
    상기 바디부와 연결 형성되며, 체결 수단에 의해 상기 장착 대상 구조물에 장착되기 위한 제3 체결구가 형성된 헤드부와,
    상기 바디부의 하면에 형성되며, 상기 미드-케이스의 표면에 형성된 리브에 슬라이딩 가능하도록 끼워지는 슬라이딩부
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 체결 수단은 나사산이 형성된 볼트이며, 상기 제1 체결구와 제2 체결구와 제3 체결구에는 상기 볼트의 나사산과 대응하는 나사산이 형성되는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 슬라이딩부는 상기 리브와 대응하는 위치에 가이드 홈이 형성되는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 미드-케이스는,
    상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽과, 상기 격벽을 관통하여 상기 제1 공간과 제2 공간을 연결하는 상시 바이패스홀을 포함하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 카트리지는,
    상기 제2 유체가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 제2 유체가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스를 포함하며, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성되는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성되는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성되는 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성되는 연료전지 막가습기.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 장착 대상 구조물은,
    이동 수단의 구조물 또는 건물의 발전기 시스템인 연료전지 막가습기.
PCT/KR2022/009963 2021-08-31 2022-07-08 연료전지 막가습기 WO2023033342A1 (ko)

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