WO2023239058A1 - 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기 - Google Patents

연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기 Download PDF

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WO2023239058A1
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gas
case
fuel cell
humidifier
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안웅전
허중근
양형모
기성관
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코오롱인더스트리 주식회사
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a humidifier for fuel cells for supplying humidified gas to a fuel cell.
  • fuel cells Unlike general chemical cells such as batteries or storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and are twice as efficient as internal combustion engines because there is no heat loss.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Solid oxide fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cells
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEM Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane
  • Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) a bubbler humidification method that supplies moisture by filling a pressure vessel with water and passing the target gas through a diffuser; 2) adjusting the amount of moisture supplied for the fuel cell reaction. There is a direct injection method that calculates and supplies moisture directly to the gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidifying membrane method that supplies moisture to the fluidized gas layer using a polymer separation membrane.
  • the membrane humidification method which humidifies the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the air supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only the water vapor contained in the exhaust gas, is advantageous in that it can lighten and miniaturize the humidifier.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane with a large permeable area per unit volume.
  • the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that sufficient humidification of the fuel cell can be achieved even with a small capacity, and low-cost materials can be used, and the discharge from the fuel cell at a high temperature is possible. It has the advantage of being able to recover moisture and heat contained in off-gas and reuse it through a humidifier.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a typical humidifier for fuel cells.
  • the humidifier 100 of a conventional membrane humidification type includes a humidification module 110 in which moisture exchange occurs between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown), and the humidifier It includes caps 120 coupled to both ends of the module 110.
  • moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 112, thereby humidifying the air flowing along the cavities of the hollow fiber membranes 112.
  • the mid-case of the humidifier for fuel cells according to the present invention includes a humidification module that humidifies dry gas to be supplied to the fuel cell stack using wet gas, a first cap coupled to one end of the humidification module, and a second cap coupled to the other end of the humidification module.
  • a humidifier for a fuel cell including a second cap, and includes a mid body that accommodates at least one cartridge including a plurality of hollow fiber membranes; A partition wall portion disposed inside the mid-body and dividing the interior of the mid-body into an inlet space through which the first gas flows in and an outlet space through which the first gas flows out; and a bypass hole formed through the partition wall such that a portion of the first gas flowing into the inlet space bypasses the cartridge and flows into the outlet space.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a typical fuel cell humidifier.
  • Figure 2 is a schematic exploded perspective view of the humidifier for fuel cells according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic exploded cross-sectional view showing the humidifier for fuel cells according to the present invention based on line I-I of Figure 2
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the humidifier for fuel cells according to the present invention based on line I-I of Figure 2
  • Figure 7 is a schematic side cross-sectional view showing the inlet space and the outlet space divided by a partition wall in the mid-case of the humidifier for fuel cells according to the present invention.
  • Figure 8 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in Figure 7.
  • Figure 9 is a schematic side cross-sectional view showing a bypass hole formed in the partition wall in the mid-case of the humidifier for fuel cells according to the present invention.
  • Figure 10 is a schematic cross-sectional view showing the mid-case of a humidifier for fuel cells according to a modified embodiment of the present invention based on line II-II in Figure 7
  • the cartridge 22 is placed inside the mid-case 21.
  • the cartridge 22 includes a plurality of hollow fiber membranes 221.
  • the hollow fiber membranes 221 can be modularized by being coupled to the cartridge 22. Accordingly, through a process of coupling the cartridge 22 to the mid-case 21, the hollow fiber membranes 221 can be installed inside the mid-case 21. Therefore, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention can improve the ease of installation, separation, and replacement of the hollow fiber membranes 221.
  • the cartridge 22 may include a first fixed layer 223.
  • the first fixed layer 223 fixes one end of the hollow fiber membranes 221.
  • the first fixed layer 223 may close the opening formed at one end of the inner case 222.
  • the first fixed layer 223 may be formed so as not to block the cavities of the hollow fiber membranes 221.
  • the first fixed layer 223 may be formed by curing a liquid resin such as liquid polyurethane resin through a casting process. A portion of the first fixed layer 223 may be located inside the inner case 222 , and a remaining portion may protrude outside the inner case 222 .
  • the first fixed layer 223 may fix one end of the hollow fiber membranes 221 and the inner case 222.
  • the second gas inlet 225 may include a plurality of inlet windows 225a formed to penetrate different parts of the inner case 222.
  • the inlet windows 225a may be arranged to form a matrix by being spaced apart from each other along the first axis direction (X-axis direction) and the second axis direction (Y-axis direction).
  • the second axis direction (Y-axis direction) is an axis direction perpendicular to the first axis direction (X-axis direction).
  • the first gas after humidifying the second gas flows out between the outer surface of the cartridge 22 and the inner surface of the mid-case 21 through the second gas outlet 226, and through the first gas outlet 226. It may leak out of the mid-case 21 through (213). In this case, the first gas may be off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • the second gas may flow out through the first port 31.
  • the second gas may exchange moisture with the first gas while sequentially passing through the second cap 4, the hollow of the hollow fiber membranes 221, and the first cap 3.
  • the second gas may flow in through the first port 31.
  • the second gas may exchange moisture with the first gas while sequentially passing through the first cap 3, the hollow of the hollow fiber membranes 221, and the second cap 4.
  • the mid-case 21 may include a partition wall portion 214.
  • the partition wall portion 214 is disposed inside the mid body 210.
  • the partition 214 may divide the interior of the mid body 210 into an inlet space 214a and an outlet space 214b.
  • the inflow space 214a is a space into which the first gas flows, and may be connected to the first gas inlet 212. Based on the first axis direction (X-axis direction), the inflow space 214a may be disposed between the packing member 23 and the partition wall portion 214.
  • the outflow space 214b is a space through which the first gas flows out, and may be connected to the first gas outlet 213. Based on the first axis direction (X-axis direction), the outlet space 214b may be disposed between the partition wall portion 214 and the packing member 23'.
  • the partition wall portion 214 is disposed between the inlet space 214a and the outlet space 214b, so that the first gas flowing into the inlet space 214a through the first gas inlet 212 is It is possible to block the flow directly into the outflow space 214b without passing through the inside of the cartridge 22. Accordingly, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention can improve humidification efficiency by increasing the flow rate of the first gas flowing into the cartridge 22.
  • the humidifier 1 for a fuel cell can reduce the shell differential pressure using the bypass hole 215, thereby contributing to improving the efficiency of the fuel cell system.
  • the bypass hole 215 may allow a portion of the first gas flowing into the inlet space 214a through the first gas inlet 212 to pass through the outlet space 214b.
  • the first gas flowing into the outlet space 214b through the bypass hole 215 may flow out of the mid-case 21 through the first gas outlet 213.
  • the bypass hole 215 is shown as being formed in a shape having a triangular cross-section, but it is not limited to this and the bypass hole 215 flows from the inlet space 214a to the outlet space 214b.
  • it can be formed in various shapes, such as a shape with a polygonal cross-section such as a square, or a shape with a circular cross-section.
  • the bypass hole 215 is disposed between the upper surface 210b of the mid body 210 and the lower surface 210c of the mid body 210. It can be formed by penetrating. At least one of the first gas inlet 212 and the first gas outlet 213 may be disposed on the upper surface 210b of the mid body 210.
  • the bottom surface 210c of the mid body 210 may be disposed to face the upper surface 210b of the mid body 210.
  • the bottom surface 210c of the mid body 210 may be disposed in the direction in which gravity acts.
  • the bypass hole 215 has a shorter distance from the bottom surface 210c of the mid body 210 than the distance from the upper surface 210b of the mid body 210. It can be placed in a location. In this case, the bypass hole 215 can discharge condensed water existing on the bottom surface 210c of the mid body 210 to the outflow space 214b. Condensate may be generated in the process of moisture exchange between the first gas and the second gas and may be collected on the bottom surface 210c of the midstream body 210 by gravity. If the flow rate of such condensate supplied to the fuel cell stack increases, the efficiency of the fuel cell system may decrease due to a flooding phenomenon. Therefore, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention has the bypass hole 215.
  • the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention can contribute to improving the efficiency of the fuel cell system by discharging condensate using the bypass hole 215.
  • FIG. 11 shows the results of an experiment in which humidification efficiency and shell differential pressure were measured by changing only the cross-sectional area of the bypass hole 215 while fixing the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a.
  • the cross-sectional area ratio refers to the cross-sectional area ratio of the bypass hole 215 to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a.
  • Example 1 is implemented with a cross-sectional area of the bypass hole 215 of 0.5% relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a, and the humidification efficiency is 25.0RH% and the shell differential pressure is 20kPa. represents.
  • Example 2 the cross-sectional area of the bypass hole 215 relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a is 1.8%, and the humidification efficiency is 24.3RH% and the shell differential pressure is 18kPa.
  • Example 3 the cross-sectional area of the bypass hole 215 relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a is 3.6%, and the humidification efficiency is 24.0RH% and the shell differential pressure is 14kPa.
  • Example 4 the cross-sectional area of the bypass hole 215 relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a is 10.0%, and the humidification efficiency is 23.0RH% and the shell differential pressure is 10kPa.
  • Examples 1 to 4 are implemented so that the cross-sectional area of the bypass hole 215 is 0.5% to 10% of the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a, so that the humidification efficiency is 23RH% to 24.5RH%. It can be seen that the shell differential pressure is 10kPa ⁇ 20kPa.
  • Comparative Example 1 does not have the bypass hole 215, and although the humidification efficiency is 25.0RH%, the shell differential pressure is significantly increased to 30 kPa.
  • Comparative Example 1 when compared to Example 1 in which the cross-sectional area of the bypass hole 215 relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a was implemented at 0.5%, the shell differential pressure was significantly higher even though there was no significant difference in humidification efficiency. It can be seen that there is an increase. From this, it can be seen that Comparative Example 1 reduces the efficiency of the fuel cell system compared to Example 1.
  • Comparative Example 2 was implemented with a cross-sectional area of the bypass hole 215 of 11.0% relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a, showing a humidification efficiency of 22.0RH% and a shell differential pressure of 10 kPa.
  • Comparative Example 2 when compared to Example 4 in which the cross-sectional area of the bypass hole 215 relative to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a was implemented as 10.0%, the humidification efficiency was 1.0RH% even though there was no difference in shell differential pressure. It can be seen that it has decreased. From this, it can be seen that Comparative Example 2 only reduces humidification efficiency compared to Example 4, thereby deteriorating the performance of the fuel cell system.
  • the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention is implemented so that the cross-sectional area of the bypass hole 215 with respect to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a is 0.5% or more and 10% or less, so that the humidification efficiency is 23RH% ⁇
  • the shell differential pressure is 10kPa ⁇ 20kPa at 24.5RH%. Therefore, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention can not only improve the performance of the fuel cell system by smoothly supplying humidified gas to the fuel cell stack, but also improve the performance of the fuel cell system by reducing the shell differential pressure. It can contribute to improving efficiency.
  • the cross-sectional area of the bypass hole 215 may be 0.005 or more and 0.06 or less. That is, the cross-sectional area of the bypass hole 215 with respect to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a may be 0.5% or more and 6% or less.
  • the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a is 1, the cross-sectional area of the bypass hole 215 may be 0.005 or more and 0.04 or less. That is, the cross-sectional area of the bypass hole 215 with respect to the cross-sectional area of the compartment inner surface 210a may be 0.5% or more and 4% or less.
  • all of the bypass holes 215 and 215' have a shorter distance from the bottom surface 210c of the mid body 210 than the distance from the upper surface 210b of the mid body 210. Although it is shown as being placed in a position, it is not limited to this, and all of the bypass holes 215 and 215' are located at a distance greater than the distance from the bottom surface 210c of the mid body 210 to the upper surface of the mid body 210. It may also be placed at a location where the distance from 210b is shorter. Some of the bypass holes 215, 215' are disposed closer to the bottom surface 210c of the mid body 210, and some of the bypass holes 215, 215' are located closer to the bottom surface 210c of the mid body 210.
  • Figure 10 shows that two bypass holes 215 and 215' are formed in the partition wall 214, but this is not limited to this, and the partition wall part 214 has three or more bypass holes 215. ) may be formed.
  • the mid-case 21 may include an insertion hole 216.
  • the insertion hole 216 is formed through the partition wall portion 214.
  • the cartridge 22 can be inserted into the insertion hole 216.
  • the partition wall portion 214 supports the cartridge 22 inserted into the insertion hole 216, thereby allowing the cartridge 22 to be coupled to the mid body 210.
  • the cartridge 22 may be inserted into the insertion hole 216 in an interference fit manner.
  • the insertion hole 216 and the bypass hole 215 may be formed to penetrate the partition wall portion 214 at positions spaced apart from each other.
  • the mid-case 21 may include a plurality of insertion holes 216.
  • the insertion holes 216, 216', and 216" may be formed to penetrate the partition wall portion 214 at positions spaced apart from each other. Accordingly, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention has the mid- It is implemented so that a plurality of cartridges 22 can be accommodated in the case 21.
  • two insertion holes 216 and 216' are shown formed in the partition wall 214, and in Figure 10. It is shown that three insertion holes (216, 216', 216") are formed in the partition wall portion 214, but the present invention is not limited to this and four or more insertion holes 216 may be formed in the partition wall portion 214. It may be possible.

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Abstract

본 발명은 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체; 상기 미드본체의 내부에 배치되고, 상기 미드본체의 내부를 제1 기체가 유입되는 유입공간과 제1 기체가 유출되는 유출공간으로 구획하는 격벽부; 및 상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 상기 카트리지를 바이패스하여 상기 유출공간으로 유동되도록 상기 격벽부를 관통하여 형성된 바이패스홀;을 포함하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기
본 발명은 연료전지에 가습된 기체를 공급하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
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 출력밀도가 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 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 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막가습 방식의 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(110) 및 상기 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.
상기 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 상기 가습 모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
상기 가습 모듈(110)은, 배가스 습윤 기체 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 습윤 기체 유출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 상기 미드-케이스(111) 내의 복수의 중공사막(112)들을 포함한다. 상기 중공사막(112)들의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 상기 중공사막(112)들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 상기 고정층(113)과 상기 미드-케이스(111) 사이의 수지층(114)이 상기 캡들(120)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(113)과 유사하게, 상기 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 습윤 기체 유입구(111a)를 통해 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 습윤 기체 유출구(111b)를 통해 상기 미드-케이스(111)로부터 유출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(112)들을 투과함으로써 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
이 경우, 종래에는 배가스가 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 후에 상기 미드-케이스(111)로부터 유출되는 동안에, 상기 미드-케이스(111)의 내부압력에 해당하는 쉘 차압이 증가하는 경우가 있다. 이와 같이 쉘 차압이 증가하게 되면 전력 소모가 증가하는 등, 연료전지 시스템의 효율이 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제는 연료전지용 가습기가 소형화됨에 따라 더욱 심화되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 쉘 차압을 감소시킬 수 있는 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈, 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡, 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡을 포함하는 연료전지용 가습기에 구비되는 것으로, 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체; 상기 미드본체의 내부에 배치되고, 상기 미드본체의 내부를 제1 기체가 유입되는 유입공간과 제1 기체가 유출되는 유출공간으로 구획하는 격벽부; 및 상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 상기 카트리지를 바이패스하여 상기 유출공간으로 유동되도록 상기 격벽부를 관통하여 형성된 바이패스홀;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함할 수 있다. 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스, 및 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함할 수 있다. 상기 미드-케이스는 상기 카트리지가 수납되는 미드본체; 상기 미드본체의 내부에 배치되고, 상기 미드본체의 내부를 제1 기체가 유입되는 유입공간과 제1 기체가 유출되는 유출공간으로 구획하는 격벽부; 및 상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 상기 카트리지를 바이패스하여 상기 유출공간으로 유동되도록 상기 격벽부를 관통하여 형성된 바이패스홀;을 포함할 수 있다.
본 발명은 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 바이패스홀을 통해 카트리지를 바이패스하여 유출공간으로 유동되도록 구현된다. 이에 따라, 본 발명은 바이패스홀을 이용하여 쉘 차압을 감소시킬 수 있으므로, 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
본 발명은 미드-케이스의 크기가 감소되더라도 바이패스홀을 이용하여 쉘 차압이 과다하게 증가되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명은 소형화 구현을 통해 수소 전기차 등과 같은 다양한 사용처에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스에 있어서 유입공간과 유출공간이 격벽부에 의해 구획된 모습을 나타낸 개략적인 측단면도
도 8은 도 7의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 단면도
도 9은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스에 있어서 격벽부에 바이패스홀이 형성된 모습을 나타낸 개략적인 측단면도
도 10은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스를 도 7의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 단면도
도 11은 구획내면의 단면적을 고정시킨 상태에서 바이패스홀의 단면적만을 변경하여 가습효율과 쉘 차압을 측정한 실험결과
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 포함될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 설명하면서 함께 설명한다. 한편, 도 7과 도 9에는 중공사막들이 해칭으로 간략하게 표시되어 있고, 이너 케이스가 생략되어 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택(미도시)으로 공급할 건조 기체를 가습하는 것이다. 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 것일 수 있다. 건조 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 건조 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 건조 기체를 가습하는 것이다. 상기 가습 모듈(2)의 일단에는 상기 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)의 타단에는 상기 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)은 제1 기체와 제2 기체를 이용하여 상기 연료전지 스택에 가습된 건조 기체를 공급할 수 있다. 상기 제1 기체가 건조 기체인 경우, 상기 제2 기체는 습윤 기체일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체가 상기 제2 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제1 기체가 습윤 기체인 경우, 상기 제2 기체가 건조 기체일 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체가 상기 제1 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 미드-케이스(Mid-case)(21), 및 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)(22)를 포함한다.
상기 미드-케이스(21)는 상기 카트리지(22)가 결합된 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 미드-케이스(21)는 양 말단들이 개방되어 있다. 이 경우, 상기 미드-케이스(21)에는 수용공(211)이 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 미드-케이스(21)를 제1 축 방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)에는 적어도 하나의 카트리지(22)가 배치될 수 있다.
상기 미드-케이스(21)는 미드본체(210)를 포함할 수 있다. 상기 미드본체(210)는 상기 카트리지(22)가 수납되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드본체(210)의 내부에 배치됨으로써, 상기 미드본체(210)에 수납될 수 있다. 상기 미드본체(210)에는 적어도 하나의 카트리지(22)가 수납될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)으로 상기 미드본체(210)를 관통하여 형성될 수 있다.
상기 미드-케이스(21)에는 제1 기체 유입구(212), 및 제1 기체 유출구(213)가 형성될 수 있다. 상기 제1 기체 유입구(212)는 상기 미드본체(210)의 내부로 상기 제1 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제1 기체 유출구(213)는 상기 미드본체(210)의 내부로부터 상기 제1 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 제1 기체 유출구(213)와 상기 제1 기체 유입구(212)는 각각 상기 미드본체(210)로부터 돌출될 수 있다.
상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 다수의 중공사막(221)들을 포함한다. 상기 중공사막(221)들은 상기 카트리지(22)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(22)를 상기 미드-케이스(21)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막(221)들은 상기 미드-케이스(21)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들에 대한 설치작업, 분리작업, 및 교체작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
상기 카트리지(22)는 이너 케이스(Inner case)(222)를 포함할 수 있다.
상기 이너 케이스(222)는 양 말단에 개구(Opening)를 가지며, 상기 중공사막(221)들이 들어있는 것이다. 상기 중공사막(221)들은 상기 이너 케이스(222)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막(221)들은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
상기 카트리지(22)는 제1 고정층(223)을 포함할 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단을 고정하는 것이다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 이너 케이스(222)의 일단에 형성된 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다.
상기 카트리지(22)는 제2 고정층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단을 고정하는 것이다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 이너 케이스(222)의 타단에 형성된 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다. 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)이 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성되므로, 상기 제2 기체는 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로 공급될 수 있고, 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로부터 유출될 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 카트리지(22)는 제2 기체 유입구(225), 및 제2 기체 유출구(226)를 포함할 수 있다.
상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 일측은 상기 미드본체(210)가 갖는 측벽들 중에서 어느 하나의 측벽 쪽을 향하도록 배치될 수 있다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로 상기 제1 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유입 윈도우(225a)를 포함할 수 있다. 상기 유입 윈도우(225a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제2 축 방향(Y축 방향)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 수직한 축 방향이다.
상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로부터 상기 제1 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유출 윈도우(226a)를 포함할 수 있다. 상기 유출 윈도우(226a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)와 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 제1 기체가 습윤 기체인 경우, 상기 제1 기체는 상기 제1 기체 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 카트리지(22)의 외면 사이로 공급되고, 상기 제2 기체 유입구(225)를 통해 상기 카트리지(22)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 제1 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 제2 기체를 가습할 수 있다. 가습된 제2 기체는 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제1 캡(3) 또는 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제2 기체를 가습한 이후의 제1 기체는, 상기 제2 기체 유출구(226)를 통해 상기 카트리지(22)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 제1 기체 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 제1 기체가 건조 기체인 경우, 상기 제1 기체는 상기 제1 기체 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 카트리지(22)의 외면 사이로 공급되고, 상기 제2 기체 유입구(225)를 통해 상기 카트리지(22)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 제2 기체의 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 카트리지(22)의 내부로 유입된 제1 기체를 가습할 수 있다. 가습된 제1 기체는, 상기 제2 기체 유출구(226)를 통해 상기 카트리지(22)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 제1 기체 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제1 기체를 가습한 이후의 제2 기체는, 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제1 캡(3) 또는 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 복수개의 패킹부재들(23, 23')을 포함할 수 있다.
상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 방지하도록 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이를 밀폐시키는 것이다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 카트리지(22)는 상기 패킹부재들(23, 23')에 형성된 제1통과공(23a, 23a')에 삽입될 수 있다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 각각 상기 카트리지(22)의 양단에 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 패킹부재들(23, 23')을 대신하여 상기 카트리지(22)의 양단에는 수지층들이 형성될 수도 있다. 상기 수지층들은 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 것이다. 상기 제1 캡(3)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23) 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 제1 포트(31)를 포함할 수 있다. 상기 제1 포트(31)는 상기 제2 기체가 유동하기 위한 것이다. 상기 제1 포트(31)는 상기 중공사막(221)들과 연통될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기체가 상기 제1 캡(3)과 상기 중공사막(221)들 간에 유동되는 과정에서, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유입 또는 유출될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 것이다. 상기 제2 캡(4)은 상기 제1 캡(3)으로부터 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 이격된 위치에서 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 상기 제2 캡(4)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23') 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다. 상기 제2 캡(4)은 제2 포트(41)를 포함할 수 있다. 상기 제2 포트(41)는 상기 제2 기체가 유동하기 위한 것이다. 상기 제2 포트(41)는 상기 중공사막(221)들과 연통될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기체가 상기 제2 캡(4)과 상기 중공사막(221)들 간에 유동되는 과정에서, 상기 제2 기체는 상기 제2 포트(41)를 통해 유입 또는 유출될 수 있다. 상기 제2 기체가 상기 제2 포트(41)를 통해 유입되는 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 제2 캡(4), 상기 중공사막(221)들의 중공, 및 상기 제1 캡(3)을 순차적으로 거치면서 상기 제1 기체와 수분 교환을 할 수 있다. 상기 제2 기체가 상기 제2 포트(41)를 통해 유출되는 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유입될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 캡(3), 상기 중공사막(221)들의 중공, 및 상기 제2 캡(4)을 순차적으로 거치면서 상기 제1 기체와 수분 교환을 할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체가 상기 제1 기체 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부로 유입된 후에 상기 제1 기체 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)로부터 유출되는 동안에, 상기 미드-케이스(21)의 내부압력에 해당하는 쉘 차압이 과다하게 증가되는 것을 방지하도록 구현될 수 있다. 이를 위해, 상기 미드-케이스(21)는 다음과 같이 구현될 수 있다.
도 2 내지 도 8을 참고하면, 상기 미드-케이스(21)는 격벽부(214)를 포함할 수 있다.
상기 격벽부(214)는 상기 미드본체(210)의 내부에 배치되는 것이다. 상기 격벽부(214)는 상기 미드본체(210)의 내부를 유입공간(214a)과 유출공간(214b)으로 구획할 수 있다. 상기 유입공간(214a)은 상기 제1 기체가 유입되는 공간으로, 상기 제1 기체 유입구(212)에 연통될 수 있다. 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여, 상기 유입공간(214a)은 상기 패킹부재(23)와 상기 격벽부(214)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 유출공간(214b)은 상기 제1 기체가 유출되는 공간으로, 상기 제1 기체 유출구(213)에 연통될 수 있다. 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여, 상기 유출공간(214b)은 상기 격벽부(214)와 상기 패킹부재(23')의 사이에 배치될 수 있다. 상기 격벽부(214)는 상기 유입공간(214a)과 상기 유출공간(214b)의 사이에 배치됨으로써, 상기 제1 기체 유입구(212)를 통해 상기 유입공간(214a)으로 유입된 제1 기체가 상기 카트리지(22)의 내부를 거치지 않고 상기 유출공간(214b)으로 바로 유동되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 카트리지(22)의 내부로 유입되는 제1 기체의 유량을 늘림으로써, 가습효율을 향상시킬 수 있다.
상기 격벽부(214)는 상기 미드본체(210)의 구획내면(210a)을 차단하도록 상기 미드본체(210)에 결합될 수 있다. 상기 구획내면(210a)은 상기 격벽부(214)가 배치되는 미드본체(210)의 내면에 해당할 수 있다. 상기 구획내면(210a)과 상기 격벽부(214)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여 상기 제1 기체 유입구(212)와 상기 제1 기체 유출구(213)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여, 상기 구획내면(210a)과 상기 격벽부(214)는 상기 제1 기체 유입구(212)와 상기 제1 기체 유출구(213) 각각으로부터 동일한 거리로 이격된 지점에 배치될 수 있다. 상기 격벽부(214)와 상기 미드본체(210)는 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 격벽부(214)는 상기 구획내면(210a)으로부터 상기 미드본체(210)의 내부 쪽으로 돌출되게 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 9를 참고하면, 상기 미드-케이스(21)는 바이패스홀(215)을 포함할 수 있다.
상기 바이패스홀(215)은 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성된 것이다. 상기 바이패스홀(215)을 통해, 상기 유입공간(214a)으로 유입된 제1 기체의 일부는 상기 카트리지(22)를 바이패스하여 상기 유출공간(214b)으로 유동될 수 있다. 즉, 상기 제1 기체의 일부는 상기 카트리지(22)의 내부를 거치지 않고 상기 유입공간(214a)에서 상기 유출공간(214b)으로 바로 유동될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 다음과 같은 작용효과를 도모할 수 있다.
우선, 상기 바이패스홀(215)이 없는 경우, 상기 유입공간(214a)으로 유입된 제1 기체의 전부는 상기 카트리지(22)의 내부를 거쳐야만 상기 유출공간(214b)으로 유동될 수 있다. 이에 따라, 상기 유입공간(214a)으로 유입되는 제1 기체의 유량이 증가하거나 상기 유출공간(214b)으로부터 유출되는 제1 기체의 유량이 감소하는 경우 등과 같이 상기 미드-케이스(21)의 내부에 체류하는 제1 기체의 유량이 증가하면, 쉘 차압이 증가하게 된다. 쉘 차압의 증가는 전력 소모를 증가시키는 등, 연료전지 시스템의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 이러한 쉘 차압의 증가로 인한 연료전지 시스템의 효율 저하는, 상기 미드-케이스(21)가 소형화될수록 더욱 심화된다. 따라서, 상기 바이패스홀(215)이 없는 경우, 전체적인 크기가 소형화되기 어렵다.
다음, 상기 바이패스홀(215)이 있는 경우, 상기 유입공간(214a)으로 유입된 제1 기체의 일부는 상기 바이패스홀(215)을 통해 상기 카트리지(22)를 바이패스하여 상기 유출공간(214b)으로 유동될 수 있다. 즉, 상기 제1 기체의 일부는 상기 바이패스홀(215)을 통해 상기 카트리지(22)의 내부를 거치지 않고 바로 상기 유입공간(214a)에서 상기 유출공간(214b)으로 유동될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 바이패스홀(215)을 이용하여 쉘 차압을 감소시킬 수 있으므로, 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 미드-케이스(21)의 크기가 감소되더라도 상기 바이패스홀(215)을 이용하여 쉘 차압이 과다하게 증가되는 것을 방지할 수 있으므로, 소형화 구현을 통해 수소 전기차 등과 같은 다양한 사용처에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다.
상기 바이패스홀(215)은 상기 제1 기체 유입구(212)를 통해 상기 유입공간(214a)으로 유입된 제1 기체의 일부를 상기 유출공간(214b)으로 통과시킬 수 있다. 상기 바이패스홀(215)을 통해 상기 유출공간(214b)으로 유입된 제1 기체는 상기 제1 기체 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 도 8에는 상기 바이패스홀(215)이 삼각형의 단면을 갖는 형태로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 바이패스홀(215)은 상기 유입공간(214a)에서 상기 유출공간(214b)으로 상기 제1 기체를 통과시킬 수 있는 형태이면 사각형 등과 같이 다각형의 단면을 갖는 형태, 원형의 단면을 갖는 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 상기 바이패스홀(215)은 상기 미드본체(210)의 상면(210b)과 상기 미드본체(210)의 저면(210c) 사이에 배치되도록 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 미드본체(210)의 상면(210b)에는 상기 제1 기체 유입구(212)와 상기 제1 기체 유출구(213) 중에서 적어도 하나가 배치될 수 있다. 상기 미드본체(210)의 저면(210c)은 상기 미드본체(210)의 상면(210b)에 대해 대향되게 배치될 수 있다. 상기 미드본체(210)의 저면(210c)은 중력이 작용하는 방향 쪽에 배치될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스홀(215)은 상기 미드본체(210)의 저면(210c)으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체(210)의 상면(210b)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스홀(215)은 상기 미드본체(210)의 상면(210b)으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체(210)의 저면(210c)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 바이패스홀(215)은 상기 미드본체(210)의 저면(210c) 쪽에 존재하는 응축수를 상기 유출공간(214b)으로 배출시킬 수 있다. 응축수는 상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 수분 교환을 하는 과정에서 발생되어서 중력에 의해 상기 미드본체(210)의 저면(210c) 쪽에 모일 수 있다. 이러한 응축수가 상기 연료전지 스택으로 공급되는 유량이 증가되면 플러딩(Flooding) 현상으로 인해 연료전지 시스템의 효율이 저하될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 바이패스홀(215)을 이용하여 응축수를 상기 유출공간(214b)으로 배출시킨 후에 상기 제1 기체 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 배출시키도록 구현된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 바이패스홀(215)을 이용한 응축수 배출을 통해 상기 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
도 2 내지 도 11을 참고하면, 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 상기 구획내면(210a)의 단면적에 따라 결정될 수 있다. 이 경우, 단면적은 상기 유입공간(214a)과 상기 유출공간(214b)이 서로 이격된 방향에 대해 수직한 축 방향을 기준으로 하는 단면의 면적에 해당할 수 있다. 상기 유입공간(214a)과 상기 유출공간(214b)이 서로 이격된 방향은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 평행할 수 있다. 상기 단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 단면의 면적일 수 있다. 상기 구획내면(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.005 이상 0.1 이하로 구현될 수 있다. 즉, 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.5% 이상 10% 이하일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 소정 범위 이내의 가습효율과 쉘 차압을 갖도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.5% 이상 10% 이하일 때 소정 범위 이내의 가습효율과 쉘 차압을 갖도록 구현되는 것은, 도 11의 실험결과를 통해 확인할 수 있다. 도 11은 상기 구획내면(210a)의 단면적을 고정시킨 상태에서, 상기 바이패스홀(215)의 단면적만을 변경하여 가습효율과 쉘 차압을 측정한 실험결과이다. 도 11에서 단면적 비율은 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적 비율을 의미한다.
도 11을 통해 알 수 있듯이, 실시예 1은 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 0.5%로 구현된 것으로, 가습효율이 25.0RH%이고 쉘 차압이 20kPa을 나타낸다. 실시예 2는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 1.8%로 구현된 것으로, 가습효율이 24.3RH%이고 쉘 차압이 18kPa을 나타낸다. 실시예 3은 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 3.6%로 구현된 것으로, 가습효율이 24.0RH%이고 쉘 차압이 14kPa을 나타낸다. 실시예 4는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 10.0%로 구현된 것으로, 가습효율이 23.0RH%이고 쉘 차압이 10kPa을 나타낸다. 이와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 0.5% 이상 10%이하로 구현됨으로써, 가습효율이 23RH% ~ 24.5RH%이면서 쉘 차압이 10kPa ~ 20kPa을 나타냄을 알 수 있다.
이와 달리, 비교예 1은 상기 바이패스홀(215)이 없는 것으로, 가습효율이 25.0RH%이지만 쉘 차압이 30kPa로 현저하게 높아진다. 이러한 비교예 1은 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 0.5%로 구현된 실시예 1과 대비할 때, 가습효율에 큰 차이가 없음에도 쉘 차압이 현저하게 증가함을 알 수 있다. 이로부터, 비교예 1은 실시예 1과 대비할 때 연료전지 시스템의 효율을 저하시킴을 알 수 있다.
또한, 비교예 2는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 11.0%로 구현된 것으로, 가습효율이 22.0RH%이고 쉘 차압이 10kPa을 나타낸다. 이러한 비교예 2는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 10.0%로 구현된 실시예 4와 대비할 때, 쉘 차압에 차이가 없음에도 가습효율이 1.0RH% 감소되었음을 알 수 있다. 이로부터, 비교예 2는 실시예 4와 대비할 때 가습효율만 감소되므로, 연료전지 시스템의 성능을 저하시킴을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적이 0.5% 이상 10%이하로 구현됨으로써, 가습효율이 23RH% ~ 24.5RH%이면서 쉘 차압이 10kPa ~ 20kPa을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 연료전지 스택에 가습된 기체를 원활하게 공급함으로써 상기 연료전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 쉘 차압의 감소를 통해 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
상기 구획내면(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.005 이상 0.06 이하로 구현될 수도 있다. 즉, 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.5% 이상 6% 이하일 수 있다. 상기 구획내면(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.005 이상 0.04 이하로 구현될 수도 있다. 즉, 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀(215)의 단면적은 0.5% 이상 4% 이하일 수 있다.
상기 격벽부(214)에는 상기 바이패스홀(215)이 복수개가 형성될 수도 있다. 상기 바이패스홀들(215, 215')은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 격벽부(214)의 서로 다른 위치에서 상기 제1 기체를 바이패스시킬 수 있도록 구현된다. 이 경우, 상기 구획내면(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀들(215, 215') 각각의 단면적을 합산한 값이 0.005 이상 0.1 이하로 구현될 수 있다. 즉, 상기 구획내면(210a)의 단면적에 대한 상기 바이패스홀들(215, 215') 각각의 단면적을 합산한 값이 0.5% 이상 10%이하일 수 있다.
도 10에는 상기 바이패스홀들(215, 215') 모두가 상기 미드본체(210)의 상면(210b)으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체(210)의 저면(210c)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 바이패스홀들(215, 215') 모두가 상기 미드본체(210)의 저면(210c)으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체(210)의 상면(210b)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치될 수도 있다. 상기 바이패스홀들(215, 215') 중에서 일부가 상기 미드본체(210)의 저면(210c)에 더 가까운 위치에 배치되고, 상기 바이패스홀들(215, 215') 중에서 일부가 상기 미드본체(210)의 상면(210b)에 더 가까운 위치에 배치될 수도 있다. 또한, 도 10에는 상기 격벽부(214)에 2개의 바이패스홀들(215, 215')이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 격벽부(214)에는 3개 이상의 바이패스홀(215)이 형성될 수도 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 상기 미드-케이스(21)는 삽입홀(216)을 포함할 수 있다.
상기 삽입홀(216)은 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성된 것이다. 상기 삽입홀(216)에는 상기 카트리지(22)가 삽입될 수 있다. 상기 격벽부(214)는 상기 삽입홀(216)에 삽입된 카트리지(22)를 지지함으로써, 상기 카트리지(22)를 상기 미드본체(210)에 결합시킬 수 있다. 상기 카트리지(22)는 상기 삽입홀(216)에 억지 끼워맞춤(Interference Fit) 방식으로 삽입될 수 있다. 상기 삽입홀(216)과 상기 바이패스홀(215)은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성될 수 있다.
상기 미드-케이스(21)는 상기 삽입홀(216)을 복수개 포함할 수도 있다. 상기 삽입홀들(216, 216', 216")은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부(214)를 관통하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 미드-케이스(21)에 복수개의 카트리지(22)들이 수납될 수 있도록 구현된다. 도 8에는 상기 격벽부(214)에 2개의 삽입홀들(216, 216')이 형성된 것으로 도시되어 있고, 도 10에는 상기 격벽부(214)에 3개의 삽입홀들(216, 216', 216")이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 격벽부(214)에는 4개 이상의 삽입홀(216)들이 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈, 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡, 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡을 포함하는 연료전지용 가습기에 구비되는 미드-케이스로,
    다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체;
    상기 미드본체의 내부에 배치되고, 상기 미드본체의 내부를 제1 기체가 유입되는 유입공간과 제1 기체가 유출되는 유출공간으로 구획하는 격벽부; 및
    상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 상기 카트리지를 바이패스하여 상기 유출공간으로 유동되도록 상기 격벽부를 관통하여 형성된 바이패스홀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미드-케이스는 상기 격벽부를 관통하여 형성된 삽입홀을 포함하고,
    상기 삽입홀에는 상기 카트리지가 삽입되며,
    상기 바이패스홀과 상기 삽입홀은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 미드본체의 구획내면을 차단하도록 상기 미드본체에 결합되고,
    상기 구획내면의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀의 단면적은 0.005 이상 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부에는 상기 바이패스홀이 복수개가 형성되고,
    상기 바이패스홀들은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 미드본체의 구획내면을 차단하도록 상기 미드본체에 결합되고,
    상기 구획내면의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀들 각각의 단면적을 합산한 값은 0.005 이상 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미드-케이스는 상기 유입공간으로 제1 기체를 유입시키기 위한 제1 기체 유입구, 및 상기 유출공간으로부터 제1 기체를 유출시키기 위한 제1 기체 유출구를 포함하고,
    상기 바이패스홀은 상기 제1 기체 유입구를 통해 상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부를 상기 유출공간 쪽으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스홀은 상기 미드본체의 상면으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체의 저면으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치되어서 상기 미드본체의 저면 쪽에 존재하는 응축수를 상기 유출공간으로 배출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
  8. 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈;
    상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및
    상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고,
    상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스, 및 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함하며,
    상기 미드-케이스는,
    상기 카트리지가 수납되는 미드본체;
    상기 미드본체의 내부에 배치되고, 상기 미드본체의 내부를 제1 기체가 유입되는 유입공간과 제1 기체가 유출되는 유출공간으로 구획하는 격벽부; 및
    상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부가 상기 카트리지를 바이패스하여 상기 유출공간으로 유동되도록 상기 격벽부를 관통하여 형성된 바이패스홀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미드-케이스는 상기 격벽부를 관통하여 형성된 삽입홀을 포함하고,
    상기 삽입홀에는 상기 카트리지가 삽입되며,
    상기 바이패스홀과 상기 삽입홀은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 미드본체의 구획내면을 차단하도록 상기 미드본체에 결합되고,
    상기 구획내면의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀의 단면적은 0.005 이상 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 격벽부에는 상기 바이패스홀이 복수개가 형성되고,
    상기 바이패스홀들은 서로 이격된 위치에서 상기 격벽부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 미드본체의 구획내면을 차단하도록 상기 미드본체에 결합되고,
    상기 구획내면의 단면적을 1이라 할 때, 상기 바이패스홀들 각각의 단면적을 합산한 값은 0.005 이상 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 미드-케이스는 상기 유입공간으로 제1 기체를 유입시키기 위한 제1 기체 유입구, 및 상기 유출공간으로부터 제1 기체를 유출시키기 위한 제1 기체 유출구를 포함하고,
    상기 바이패스홀은 상기 제1 기체 유입구를 통해 상기 유입공간으로 유입된 제1 기체의 일부를 상기 유출공간 쪽으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 바이패스홀은 상기 미드본체의 상면으로부터 이격된 거리보다 상기 미드본체의 저면으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치되어서 상기 미드본체의 저면 쪽에 존재하는 응축수를 상기 유출공간으로 배출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
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