WO2023033393A1 - 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기 - Google Patents

막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기 Download PDF

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이아름
오영석
이지윤
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Definitions

  • the present invention relates to a cartridge for a membrane humidifier and a fuel cell membrane humidifier including the same, and more specifically, to a cartridge for a membrane humidifier capable of preventing a hollow fiber membrane accommodated in the cartridge from being damaged by a fluid, and a fuel cell including the same It's about a humidifier.
  • 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.
  • An object of the present invention is to provide a cartridge for a membrane humidifier capable of preventing a hollow fiber membrane accommodated in the cartridge from being damaged by a fluid, and a fuel cell membrane humidifier including the same.
  • first mesh hole part and the second mesh hole part includes an impact absorbing part formed of a material having a second hardness smaller than the first hardness.
  • the shock absorbing portion may include an absorption layer formed of a material having the second hardness and formed on a side of the hollow fiber membrane of a node formed by cutting a portion of the inner case.
  • the shock absorbing portion is formed to surround a node formed by cutting a portion of the inner case and may include an absorption layer formed of a material having the second hardness.
  • an opening is formed in the inner case, the first mesh hole part and the second mesh hole part are formed in the shock absorbing part, and the shock absorbing part is formed in the inner case.
  • It may be an absorption plate that covers the formed opening and is formed of a material having the second hardness.
  • the first hardness may be in the range of Shore D 20 to 80, and the second hardness may be in the range of Shore A 5 to 80.
  • the cartridge may include an inner case in which a hollow fiber membrane through which a first fluid flows is accommodated and formed of a material having a first hardness; a potting part for fixing an end of the hollow fiber membrane; a first mesh hole through which the second fluid flows and including a plurality of windows; and a second mesh hole portion including a plurality of windows, which is discharged after the second fluid introduced through the first mesh hole portion exchanges moisture with the first fluid through the hollow fiber membrane.
  • At least one of the first mesh hole part and the second mesh hole part includes an impact absorbing part formed of a material having a second hardness smaller than the first hardness.
  • the shock absorber may include an absorption layer formed on a hollow fiber membrane-side surface of a node formed by cutting a portion of the inner case and formed of a material having the second hardness.
  • the shock absorbing part may include an absorption layer formed of a material having the second hardness and formed to surround a node formed by cutting a part of the inner case.
  • an opening is formed in the inner case, the first mesh hole part and the second mesh hole part are formed in the shock absorbing part, and the shock absorbing part is formed in the inner case.
  • It may be an absorption plate that covers the formed opening and is formed of a material having the second hardness.
  • the first hardness may be in the range of Shore D 20 to 80, and the second hardness may be in the range of Shore A 5 to 80.
  • damage caused by repeated use for a long time can be reduced by reducing friction generated in the hollow fiber membrane when the hollow fiber membrane that fluctuates according to the direction of fluid flow contacts the soft material shock absorber.
  • 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 cross-sectional view taken along line A-A′ of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a plan view illustrating an embodiment of a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B′ of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line C-C′ of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a top plan view of the cartridge of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line D-D′ of FIG. 8 .
  • 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 is A- of FIG. This is a cross-sectional view from line A'.
  • the fuel cell membrane humidifier includes a humidifying module 110 and caps 120 .
  • 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.
  • 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 .
  • FIG. 4 is a plan view showing an embodiment of a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B′ of FIG. 4
  • FIG. 6 is a view of FIG. This is a cross-sectional view from line C - C'.
  • the membrane humidifier cartridge 20 includes a plurality of hollow fiber membranes 21, a potting part 22, an inner case 23, and a shock absorber ( 25).
  • 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 second fluid introduced into the first space S1 of the mid-case 111 through the second fluid inlet 112 passes through the first mesh hole MH1 in which a plurality of windows W are formed, and the inner case 23 ) and comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membrane 21. Subsequently, the second fluid having exchanged water with the first fluid passes through the second mesh hole part MH2 in which a plurality of windows W is formed, into the second space S2, and then through the second fluid discharge port 113 to the middle. -Ejected from the case 111.
  • the inner case 23 is made of a material having a first hardness to protect the hollow fiber membrane 21 from the pressure of the second fluid.
  • the first hardness may be in the range of Shore D 20 to 80.
  • the inner case 23 may be formed of a hard plastic material.
  • the hollow fiber membrane 21 accommodated inside the inner case 23 by the second fluid flowing into the inner case 23 through the first mesh hole MH1 is in the direction of fluid flow. fluctuates according to The hollow fiber membrane 21 repeatedly contacts the node 24 constituting the window W while being vibrated, causing damage (scratch, disconnection, etc.) due to friction. This also occurs when the second fluid is discharged to the outside through the second mesh hole MH2.
  • the present invention includes a shock absorber 25.
  • the shock absorbing part 25 is formed of a material having a second hardness smaller than the hardness of the inner case 23 .
  • the second hardness may be in the range of Shore A 5 to 80.
  • the shock absorber 25 may be formed of a soft rubber material such as urethane or silicone.
  • the shock absorber 25 may be formed by double injection in the node 24 formed by cutting a part of the inner case 23 .
  • the window (W) may be, for example, an inner space formed by four nodes (24).
  • the shape of the window W is not limited thereto, and may be formed in various shapes such as a polygonal shape, a circular shape, and an elliptical shape.
  • the shock absorbing portion 25 may be formed of an absorbing layer formed of a material having a second hardness.
  • the absorption layer may be formed to surround the node 24 by a double injection method.
  • the absorption layer may be formed only on the hollow fiber membrane-side surface of the node 24.
  • the hollow fiber membrane 21 fluctuated by the second fluid comes into contact with the shock absorber 25. Since the shock absorber 25 is made of a soft material, the hollow fiber membrane 21 and the shock absorber 25 friction can be reduced. Therefore, damage (scratch, disconnection, etc.) due to friction can be reduced even when repeatedly contacted during long-term use.
  • FIGS. 7 to 9 are perspective views showing another embodiment of a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a plan view showing the cartridge of FIG. 7
  • FIG. 9 is D-D of FIG. 'This is a cross-sectional view from the line.
  • the membrane humidifier cartridge 20 includes a plurality of hollow fiber membranes 21, a potting part 22, an inner case 23, and a shock absorber ( 26).
  • an opening 23a is formed in the inner case 23 instead of a joint 24, and the shock absorber 26 is inserted into the opening 23a and formed in the form of an absorption plate covering the opening 23a.
  • the shock absorbing part 26 is formed of a material having a second hardness smaller than the hardness (first hardness) of the inner case 23 .
  • the shock absorber 26 may be formed of a soft rubber material such as urethane or silicone.
  • a plurality of windows W for inflow and outflow of the second fluid are formed in the shock absorber 26, and the plurality of windows W form mesh holes MH1 and MH2. That is, in this embodiment, the shock absorbing part 26 can reduce friction with the hollow fiber membrane 21 while performing the function of the mesh hole parts MH1 and MH2.
  • Second fluid inlet 113 second fluid outlet

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Abstract

카트리지 내에 수용되는 중공사막이 유체에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 개시한다. 개시된 막가습기용 카트리지는, 내부에 제1 유체가 유동하는 중공사막이 수용되며 제1 경도를 가진 재질로 형성된 이너 케이스; 상기 중공사막의 말단을 고정하는 포팅부; 제2 유체가 유입되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제1 메쉬홀부; 및, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 상기 제2 유체가 상기 중공사막을 통해 상기 제1 유체와 수분 교환을 수행한 후, 배출되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제2 메쉬홀부;를 포함한다. 상기 제1 메쉬홀부와 제2 메쉬홀부 중 적어도 어느 하나는, 상기 제1 경도 보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된 충격 흡수부를 포함한다.

Description

막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기
본 발명은 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 카트리지 내에 수용되는 중공사막이 유체에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 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 카트리지 내에 수용되는 중공사막이 유체에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 막가습기용 카트리지는,
내부에 제1 유체가 유동하는 중공사막이 수용되며 제1 경도를 가진 재질로 형성된 이너 케이스; 상기 중공사막의 말단을 고정하는 포팅부; 제2 유체가 유입되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제1 메쉬홀부; 및, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 상기 제2 유체가 상기 중공사막을 통해 상기 제1 유체와 수분 교환을 수행한 후, 배출되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제2 메쉬홀부;를 포함한다. 상기 제1 메쉬홀부와 제2 메쉬홀부 중 적어도 어느 하나는, 상기 제1 경도 보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된 충격 흡수부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 막가습기용 카트리지에 있어서, 상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디의 중공사막측 면에 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막가습기용 카트리지에 있어서, 상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디를 둘러싸도록 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막가습기용 카트리지에 있어서, 상기 이너 케이스에는 개구가 형성되고, 상기 제1 메쉬홀부 및 제2 메쉬홀부는 상기 충격 흡수부에 형성되며, 상기 충격 흡수부는 상기 이너 케이스에 형성된 개구를 커버하고 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수 플레이트일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막가습기용 카트리지에 있어서, 상기 제1 경도는 Shore D 20 ~ 80 범위이고, 상기 제2 경도는 Shore A 5 ~ 80 범위일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스; 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구; 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구; 및, 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함한다. 상기 카트리지는, 내부에 제1 유체가 유동하는 중공사막이 수용되며 제1 경도를 가진 재질로 형성된 이너 케이스; 상기 중공사막의 말단을 고정하는 포팅부; 제2 유체가 유입되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제1 메쉬홀부; 및, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 상기 제2 유체가 상기 중공사막을 통해 상기 제1 유체와 수분 교환을 수행한 후, 배출되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제2 메쉬홀부;를 포함한다. 상기 제1 메쉬홀부와 제2 메쉬홀부 중 적어도 어느 하나는, 상기 제1 경도 보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된 충격 흡수부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디의 중공사막측 면에 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디를 둘러싸도록 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 이너 케이스에는 개구가 형성되고, 상기 제1 메쉬홀부 및 제2 메쉬홀부는 상기 충격 흡수부에 형성되며, 상기 충격 흡수부는 상기 이너 케이스에 형성된 개구를 커버하고 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수 플레이트일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 경도는 Shore D 20 ~ 80 범위이고, 상기 제2 경도는 Shore A 5 ~ 80 범위일 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 유체 흐름 방향에 따라 요동치는 중공사막이 연질 소재의 충격 흡수부에 접촉함으로써 중공사막에 발생하는 마찰을 줄여서 장시간 반복 사용에 의한 손상을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 3은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지의 일 실시예가 도시된 평면도이다.
도 5는 도 4의 B - B'라인에서 바라본 단면도이다.
도 6은 도 4의 C - C'라인에서 바라본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지의 다른 실시예가 도시된 사시도이다.
도 8은 도 7의 카트리지가 도시된 평면도이다.
도 9는 도 8의 D - D'라인에서 바라본 단면도이다.
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 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 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 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 가습 모듈(110)과 캡들(120)을 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.
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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지의 일 실시예가 도시된 평면도이고, 도 5는 도 4의 B - B'라인에서 바라본 단면도이며, 도 6은 도 4의 C - C'라인에서 바라본 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막가습기용 카트리지(20)는 다수의 중공사막(21), 포팅부(22), 이너 케이스(23), 그리고 충격 흡수부(25)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 복수개의 윈도우(W)가 형성된 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 제1 유체와 수분 교환한 제2 유체는 복수개의 윈도우(W)가 형성된 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 제2 유체 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
한편, 제2 유체의 흐름 방향이 제1 유체 유입구(121)로 유입되는 제1 유체의 흐름 방향과 반대 방향인 경우, 제2 유체 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)의 제2 공간(S2)으로 유입된 제2 유체는 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 제1 유체와 수분 교환한 제2 유체는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 제1 공간(S1)으로 빠져나간 후 제2 유체 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
이러한 이너 케이스(23)는 제2 유체의 압력으로부터 중공사막(21)을 보호하기 위해 제1 경도를 가진 재질로 형성된다. 예를 들어, 제1 경도는 Shore D 20 ~ 80 범위일 수 있다. 구체적으로 이너 케이스(23)는 경질 소재의 플라스틱으로 형성될 수 있다.
한편, 종래의 막가습기용 카트리지에서, 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내부로 유입되는 제2 유체에 의해 이너 케이스(23) 내부에 수용된 중공사막(21)이 유체 흐름 방향에 따라 요동치게 된다. 중공사막(21)은 요동치면서 윈도우(W)를 이루는 마디(24)와 반복적으로 접촉하면서 마찰에 의해 손상(스크래치, 단선 등)이 발생하게 된다. 이는 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 제2 유체가 외부로 배출되는 경우에도 발생하게 된다.
이러한 중공사막(21) 손상을 방지하기 위해 본 발명에서는 충격 흡수부(25)를 포함한다.
충격 흡수부(25)는 이너 케이스(23)의 경도보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된다. 예를 들어, 제2 경도는 Shore A 5 ~ 80 범위일 수 있다. 보다 구체적으로, 충격 흡수부(25)는 우레탄, 실리콘 등 연질고무 소재로 형성될 수 있다.
충격 흡수부(25)는 이너 케이스(23)의 일부가 절개되어 형성된 마디(24)에 이중 사출의 방식으로 형성될 수 있다. 윈도우(W)는, 예를 들어, 4개의 마디(24)에 의해 형성된 내부 공간일 수 있다. 물론, 윈도우(W)의 형상은 이에 한정되지 않고, 다각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 충격 흡수부(25)는 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층으로 형성될 수 있다. 흡수층은 이중 사출 방식에 의해 마디(24)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또는, 흡수층은 마디(24)의 중공사막측 면에만 형성될 수도 있다.
제2 유체에 의해 요동치는 중공사막(21)은 충격 흡수부(25)에 접촉하게 되는 데, 충격 흡수부(25)는 연질 소재로 이루어지므로, 중공사막(21)과 충격 흡수부(25)의 마찰을 줄일 수 있다. 따라서, 장시간 사용하면서 반복적으로 접촉되어도 마찰에 의해 손상(스크래치, 단선 등)을 줄일 수 있게 된다.
다음, 도 7 내지 도 9를 참조하여 막가습기용 카트리지의 다른 실시예를 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지의 다른 실시예가 도시된 사시도이고, 도 8은 도 7의 카트리지가 도시된 평면도이며, 도 9는 도 8의 D - D'라인에서 바라본 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 막가습기용 카트리지(20)는 다수의 중공사막(21), 포팅부(22), 이너 케이스(23), 그리고 충격 흡수부(26)를 포함한다.
중공사막(21), 포팅부(22)에 대한 설명은 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 이너 케이스(23)에는 마디(24) 대신 개구(23a)가 형성하고, 충격 흡수부(26)는 개구(23a)에 삽입되어 개구(23a)를 커버하는 흡수 플레이트 형태로 형성된다. 충격 흡수부(26)는 이너 케이스(23)의 경도(제1 경도)보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된다. 예를 들어, 충격 흡수부(26)는 우레탄, 실리콘 등 연질고무 소재로 형성될 수 있다.
또한, 충격 흡수부(26)에는 제2 유체의 유출입을 위한 복수개의 윈도우(W)가 형성되며, 복수개의 윈도우(W)들은 메쉬홀부들(MH1, MH2)을 이루게 된다. 즉, 본 실시예에서 충격 흡수부(26)는 메쉬홀부들(MH1, MH2)의 기능을 수행하면서 중공사막(21)과의 마찰을 줄일 수 있다.
충격 흡수부(26)에 형성된 윈도우(W)들을 통해 유입되는 제2 유체에 의해 요동치는 중공사막(21)은 충격 흡수부(26)에 접촉하게 되는 데, 충격 흡수부(26)는 연질 소재로 이루어지므로, 중공사막(21)과 충격 흡수부(26)의 마찰을 줄일 수 있다. 따라서, 장시간 사용하면서 반복적으로 접촉되어도 마찰에 의해 손상(스크래치, 단선 등)을 줄일 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
[부호의 설명]
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 ; 제2 유체 유입구 113 : 제2 유체 배출구
114 : 격벽 120 : 캡
20 : 카트리지 21 : 중공사막
22 : 포팅부 23 : 이너 케이스
24 : 마디 25, 26 : 충격 흡수부
MH1 : 제1 메쉬홀부 MH2 : 제2 메쉬홀부

Claims (10)

  1. 내부에 제1 유체가 유동하는 중공사막이 수용되며 제1 경도를 가진 재질로 형성된 이너 케이스;
    상기 중공사막의 말단을 고정하는 포팅부;
    제2 유체가 유입되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제1 메쉬홀부; 및,
    상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 상기 제2 유체가 상기 중공사막을 통해 상기 제1 유체와 수분 교환을 수행한 후, 배출되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제2 메쉬홀부;를 포함하며,
    상기 제1 메쉬홀부와 제2 메쉬홀부 중 적어도 어느 하나는,
    상기 제1 경도 보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된 충격 흡수부
    를 포함하는 막가습기용 카트리지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 충격 흡수부는,
    상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디의 중공사막측 면에 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층
    을 포함하는 막가습기용 카트리지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 충격 흡수부는,
    상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디와,
    상기 마디를 둘러싸도록 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층
    을 포함하는 막가습기용 카트리지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이너 케이스에는 개구가 형성되고,
    상기 제1 메쉬홀부 및 제2 메쉬홀부는 상기 충격 흡수부에 형성되며,
    상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스에 형성된 개구를 커버하고 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수 플레이트인, 막가습기용 카트리지.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 경도는 Shore D 20 ~ 80 범위이고, 상기 제2 경도는 Shore A 5 ~ 80 범위인, 막가습기용 카트리지.
  6. 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며,
    미드-케이스;
    상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구;
    상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구; 및,
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함하며,
    상기 카트리지는,
    내부에 제1 유체가 유동하는 중공사막이 수용되며 제1 경도를 가진 재질로 형성된 이너 케이스;
    상기 중공사막의 말단을 고정하는 포팅부;
    제2 유체가 유입되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제1 메쉬홀부; 및,
    상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 상기 제2 유체가 상기 중공사막을 통해 상기 제1 유체와 수분 교환을 수행한 후, 배출되고 복수개의 윈도우를 포함하는 제2 메쉬홀부;를 포함하며,
    상기 제1 메쉬홀부와 제2 메쉬홀부 중 적어도 어느 하나는,
    상기 제1 경도 보다 작은 제2 경도를 가진 재질로 형성된 충격 흡수부
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 충격 흡수부는,
    상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디의 중공사막측 면에 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 충격 흡수부는,
    상기 이너 케이스의 일부가 절개되어 형성된 마디와,
    상기 마디를 둘러싸도록 형성되며 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수층
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 충격 흡수부는,
    상기 이너 케이스에는 개구가 형성되고,
    상기 제1 메쉬홀부 및 제2 메쉬홀부는 상기 충격 흡수부에 형성되며,
    상기 충격 흡수부는, 상기 이너 케이스에 형성된 개구를 커버하고 상기 제2 경도를 가진 재질로 형성된 흡수 플레이트인, 연료전지 막가습기.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 경도는 Shore D 20 ~ 80 범위이고, 상기 제2 경도는 Shore A 5 ~ 80 범위인, 연료전지 막가습기.
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