WO2022169351A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier, and more particularly, to a fuel cell membrane humidifier capable of preventing a decrease in humidification efficiency caused by a pressure difference between the inside and outside of the membrane humidifier.
  • a fuel cell is a power generation type cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage batteries, fuel cells can continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and there is no heat loss, so the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.
  • the fuel cell since chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, the emission of pollutants is low. Accordingly, the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • AFCs alkaline fuel cells
  • each of these fuel cells operates based on the same principle, the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other.
  • the polymer electrolyte fuel cell is known to be the most promising not only in small-scale stationary power generation equipment but also in transportation systems because it operates at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high power density.
  • a bubbler humidification method in which water is supplied by filling a pressure-resistant container with water and passing a target gas through a diffuser, 2) the amount of supplied water required for fuel cell reaction
  • a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve
  • 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • the humidification membrane method for humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.
  • the selective permeable membrane used in the humidification membrane method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a membrane humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, the high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, and low-cost materials can be used, and the fuel cell can be heated at high temperature. There is an advantage in that moisture and heat contained in the discharged unreacted gas can be recovered and reused through a humidifier.
  • FIGS. 1 to 3 are cross-sectional views of a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • a hollow fiber membrane module 11 in which a plurality of hollow fiber membranes are accommodated is accommodated in the middle case 10 .
  • the hollow fiber membrane module 11 may be formed in the form of a cartridge.
  • a module insertion part 12 into which the hollow fiber membrane module 11 in the form of a cartridge is inserted is formed inside the middle case 10 .
  • the module insertion part 12 is formed of a plurality of partition walls 12a and 12b formed inside the middle case 10 .
  • the partition wall 12b forming the outer periphery of the module insertion part 12 is substantially a part of the inner wall of the middle case 10 .
  • both sides of the hollow fiber membrane module 11 are inserted into the partition walls 12a and 12b so that the hollow fiber membrane module 11 is inserted into the module insertion part 12 .
  • the middle case 10 has a central recessed part 10a in which the central part is recessed, and the inner wall of the central recessed part 10a and the hollow fiber membrane module 11 are in close contact with each other.
  • the two fluid flow spaces A and B formed by the non-depressed portions 10b of the middle case 10 and the hollow fiber membrane module 11 are isolated.
  • the central recessed portion 10a and the partition wall 12b forming the outer periphery of the module insertion portion 12 are substantially the same.
  • the second fluid discharged from the fuel cell stack flows in through a fluid inlet (not shown) formed in the middle case 10 and flows through the hollow fiber membrane module 11 while being supplied from the blower to the inside of the hollow fiber membrane.
  • performing water exchange with the first fluid flowing through the The cap case 20 is coupled to the middle case 10 , and a fluid inlet 20a through which the first fluid flows in/out is formed in the cap case 20 .
  • the inside and outside of the membrane humidifier are Since a pressure difference occurs and the pressure of the second fluid flowing inside the membrane humidifier is greater than the atmospheric pressure outside, a pressure gradient is formed toward the outside of the membrane humidifier, and a part of the membrane humidifier (specifically, the recessed part of the middle case) is , deformation occurs in the direction of the outside of the membrane humidifier as shown in FIG.
  • a pressure gradient is not formed and thus deformation does not occur.
  • the shape change of the middle case 10 caused by the pressure gradient causes a gap between the hollow fiber membrane module 11 and the inner wall of the middle case 10, and the fluid flow space A through this gap ), the second fluid flows into the fluid flow space B without flowing through the hollow fiber membrane module 11 . Since the second fluid that does not flow through the hollow fiber membrane module 11 is a fluid that has not been humidified through the hollow fiber membrane, as a result, there is a problem in that humidification efficiency is lowered.
  • FIG. 4 is a view showing a fuel cell membrane humidifier (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2019-0138288) according to another prior art for solving the problems of the fuel cell membrane humidifier according to the prior art shown in FIG.
  • another conventional fuel cell membrane humidifier has a module insertion part 12 and a pressure buffer part 22 formed inside the middle case 10 .
  • the pressure buffer part 22 includes a space formed by the separation of the outer partition wall 12b and the middle case 10 and a connection part 21 formed between the outer partition wall 12b and the middle case 10 .
  • the connection part 21 isolates the fluid flow space (A) and the fluid flow space (B) so that the fluid introduced through the fluid inlet (20a) flows only through the hollow fiber membrane cartridge (C).
  • the pressure buffer part 22 configured in this way makes the pressure on both sides of the outer partition wall 12b substantially equal. Since a pressure gradient is not formed on both sides of the outer barrier rib 12b by the pressure buffer unit 22, the outer barrier rib 12b is not deformed. Therefore, unlike the fuel cell membrane humidifier shown in FIG. 1, a gap does not occur between the hollow fiber membrane cartridge (C) and the outer partition wall (12b), so that the fluid in the fluid flow space (A) is transferred to the hollow fiber membrane module. It is possible to prevent from flowing into the fluid flow space (B) without flowing, and as a result, it is possible to prevent a decrease in humidification efficiency.
  • the pressure (internal pressure P1) of the membrane humidifier is much greater than the atmospheric pressure (external pressure P2) outside the membrane humidifier (P1>>P2), as shown in FIG. can expand outward (denoted by E1).
  • the outer barrier rib 12b since the outer barrier rib 12b is connected to the connection part 21 , the outer barrier rib 12b may also expand outwardly (indicated by E2 ).
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of preventing a decrease in humidification efficiency caused by a pressure difference between the inside and outside of the membrane humidifier.
  • a fuel cell membrane humidifier includes: a middle case having a module insert formed therein; a cap case coupled to the middle case; a hollow fiber membrane module inserted into the module insertion part; and an active type that is formed between the middle case and the module insertion unit and prevents expansion of the module insertion unit due to a pressure difference between the inside and outside of the middle case or eliminates the pressure difference depending on the output condition of the fuel cell. It includes a pressure buffer unit.
  • the module insertion part includes an outer partition wall formed to be spaced apart from the inner wall of the middle case, and the active pressure buffer unit is located between the outer partition wall and the inner wall of the middle case. and a sliding structure formed therein.
  • the sliding structure includes a first sliding member fixed to the outer partition wall and protruding in the middle case direction to be spaced apart from the inner wall of the middle case; , a second sliding member formed on the inner wall of the middle case and protruding in the direction of the outer partition wall to be spaced apart from the outer partition wall.
  • the fuel cell membrane humidifier is formed on at least one of the first sliding member and the second sliding member, and is opened or closed depending on the size of the expansion pressure between the outer partition wall and the middle case. It may include a bypass hole that can be in a state.
  • the first sliding member and the second sliding member may include sliding protrusions protruding in opposite directions.
  • a sliding space may be formed between the sliding projection of the first sliding member and the sliding projection of the second sliding member.
  • the second sliding member expands outwardly together with the middle case, and the first sliding member is fixed to the outer partition wall. state can be maintained.
  • the hollow fiber membrane module may include at least one or more hollow fiber membrane bundles in which a plurality of hollow fiber membranes are integrated, or at least one or more hollow fiber membrane cartridges in which a plurality of hollow fiber membranes are accommodated. have.
  • the embodiment of the present invention it is possible to prevent a decrease in humidification efficiency caused by a pressure difference between the inside and outside of the membrane humidifier.
  • 1 to 3 are views for explaining the problems of the fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • FIG. 4 is a view showing a fuel cell membrane humidifier according to another prior art for solving the problem of the fuel cell membrane humidifier according to the prior art shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view for explaining a problem of the fuel cell membrane humidifier according to another prior art shown in FIG.
  • FIG. 6 to 9 are views showing various forms of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a part of a middle case of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • 11 and 12 are enlarged cross-sectional views illustrating a first embodiment of a sliding structure that is a component of an active pressure buffer of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are enlarged cross-sectional views illustrating a second embodiment of a sliding structure that is a component of an active pressure buffer of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a cross-sectional view for explaining an operating state of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 to 9 are views showing various forms of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • a fuel cell membrane humidifier (hereinafter, also referred to as a 'membrane humidifier') according to an embodiment of the present invention includes a middle case 110 and a cap case 120 .
  • the middle case 110 is combined with the cap case 120 to form the outer shape of the membrane humidifier.
  • the middle case 110 and the cap case 120 may be made of hard plastic such as polycarbonate or metal.
  • the middle case 110 and the cap case 120 may have a polygonal cross-sectional shape in the width direction, as shown in FIGS. 6 and 7 .
  • the polygon may be a rectangle, a square, a trapezoid, a parallelogram, a pentagon, or a hexagon, and the polygon may have a rounded corner.
  • the cross-sectional shape in the width direction may be circular.
  • a second fluid inlet 111 through which the second fluid is supplied and a second fluid outlet 112 through which the second fluid is discharged are respectively formed in the middle case 110 , and a plurality of hollow fiber membranes are formed inside the middle case 110 .
  • the hollow fiber membrane module (F) accommodated is arranged.
  • reference numeral 111 may be a second fluid outlet through which the second fluid is discharged
  • reference numeral 112 may be a second fluid inlet through which the second fluid is supplied. That is, any one of reference numerals 111 and 112 may be the second fluid inlet, and the other may be the second fluid outlet.
  • reference numeral 111 denotes a second fluid inlet and reference numeral 112 denotes a second fluid outlet is exemplified, but the present invention is not limited thereto.
  • the hollow fiber membrane module F may be a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are integrated as shown in FIGS. 7 and 9, or hollow fiber membranes or hollow fiber membrane cartridges in which the hollow fiber membrane bundles are accommodated as shown in FIGS. 6 and 8 .
  • 6 and 8 illustrate that a plurality of hollow fiber membrane cartridges form the hollow fiber membrane module (F), but the present invention is not limited thereto, and the hollow fiber membrane module (F) may be formed with one hollow fiber membrane cartridge.
  • a hollow fiber membrane module (F) is formed with a plurality of cartridges (C) shown in FIG. 6 and a membrane humidifier having a polygonal cross-sectional shape in the width direction is described as an example, but this is the membrane of FIGS.
  • the shape of the cartridge (C) also exemplifies a case in which the cross-sectional shape is a circle or a rectangle, the shape of the cartridge (C) is not limited thereto.
  • the cap case 120 is coupled to both ends of the middle case 110 .
  • Each cap case 120 is formed with a fluid inlet 121, one of which is a first fluid inlet, and the other is a first fluid outlet.
  • the first fluid flowing into the fluid inlet 121 of the cap case 120 on one side passes through the inner conduit of the hollow fiber membrane accommodated in the hollow fiber membrane cartridge (C, see FIG. 1), and then the fluid in the cap case 120 on the other side. It exits through the doorway (121).
  • Hollow fiber membrane is, for example, Nafion (Nafion) material, polyetherimide (polyetherimide) material, polyphenylsulfone (polyphenylsulfone), polyimide (PI), polysulfone (PS), polyether sulfone (PES) material hollow It could be a desert.
  • a first mesh portion (M1, see FIG. 1) for allowing the second fluid introduced into the membrane humidifier through the second fluid inlet 111 to flow into the hollow fiber membrane cartridge is formed, a second mesh portion (M2, see FIG. 1) may be formed at the other end to allow the second fluid to be exchanged with moisture inside the hollow fiber membrane cartridge to flow out of the hollow fiber membrane cartridge.
  • Both sides of the hollow fiber membrane cartridge (C) are inserted into the partition walls (211, 212, see FIG. 10) and inserted into the module insertion unit (210).
  • locking jaws may be formed on both sides of the hollow fiber membrane cartridge, and when the hollow fiber membrane cartridge is inserted into the module insertion unit 210 , the stopping jaws are partition walls forming the module insertion unit 210 . It can be fitted over (211, 212).
  • a potting part (P) is formed at both ends of the hollow fiber membrane cartridge or the hollow fiber membrane bundle to fill the voids between the hollow fiber membranes while binding the hollow fiber membranes. As a result, both ends of the hollow fiber membrane module are blocked by the potting part P, and a flow path through which the second fluid passes is formed.
  • the material of the potting part is in accordance with the known bar, and detailed description thereof will be omitted herein.
  • a resin layer (E) filling between the potting part (P) and the middle case 110 is formed, or the airtight between the potting part (P) and the middle case 110 is mechanically assembled through assembly.
  • a gasket assembly (not shown) to be coupled may be formed.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a part of a middle case of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10 , the module insertion part 210 and the active pressure buffer part 220 are formed inside the middle case 110 .
  • a hollow fiber membrane cartridge (C) in which a plurality of hollow fiber membranes are accommodated is inserted into the module insertion unit 210 .
  • the module insertion unit 210 includes a plurality of partition walls 211 and 212 so that a plurality of hollow fiber membrane cartridges C can be inserted, respectively.
  • the inner partition 211 may be omitted.
  • the module insertion part 210 may be formed of only the outer partition wall 212 .
  • the inner wall 110a of the middle case is formed to be spaced apart from the partition wall 212 forming the outermost portion of the module insertion unit 210 .
  • the space S generated by the outer partition 212 and the inner wall 110a of the middle case being spaced apart forms the active pressure buffer 220 .
  • the active pressure buffer unit 220 may further include a sliding structure 221 formed between the outer partition wall 212 and the inner wall 110a of the middle case.
  • the active pressure buffer unit 220 may be formed over the circumference of the outer partition wall 212 .
  • the active pressure buffer unit 220 isolates the fluid flow space (A) and the fluid flow space (B) so that the fluid flows only through the hollow fiber membrane cartridge (C).
  • the sliding structure 221 which is a component of the active pressure buffer unit 220 , is a second fluid introduced from the fluid inlet 111 formed in the middle case 110 due to a high output condition or an abnormal output condition of the fuel cell.
  • the pressure (internal pressure P1) of the membrane humidifier is much greater than the atmospheric pressure (external pressure P2) outside the membrane humidifier, it is possible to prevent the external expansion of the outer partition wall 212 due to the pressure difference, thereby preventing the humidification efficiency from falling.
  • FIGS. 11 and 12 are enlarged cross-sectional views illustrating a first embodiment of the sliding structure 221 which is a component of the active pressure buffer unit 220 .
  • the sliding structure 221 includes a first sliding member 221a and a second sliding member 221b.
  • the first sliding member 221a is fixed to the outer partition wall 212 and protrudes toward the middle case 110 , and is formed to be spaced apart from the inner wall 110a of the middle case 110 .
  • the second sliding member 221b is formed on the inner wall 110a of the middle case 110 and protrudes in the direction of the outer barrier rib 212 , and is formed to be spaced apart from the outer barrier rib 212 .
  • the first sliding member 221a and the second sliding member 221b have sliding protrusions 221aa and 221ba protruding in opposite directions, and a sliding space SS is formed between the two sliding protrusions 221aa and 221ba. is formed
  • the pressure of the second fluid in the high-output situation is relatively greater than in the low-output situation of the fuel cell.
  • the pressure of the second fluid in the abnormal output state is relatively large compared to the normal output state of the fuel cell.
  • the middle case 110 When the pressure of the second fluid is relatively large in a high output situation or abnormal output situation of the fuel cell, the middle case 110 receives external pressure due to a large pressure difference and expands outwardly (indicated by E1 ). At this time, as the second sliding member 221b formed in the middle case 110 expands outwardly together with the middle case 110 , the sliding space SS becomes smaller. When the high-output condition or the abnormal output condition continues or worsens, the pressure of the second fluid is further increased, so that the two sliding protrusions 221aa and 221ba are in contact with each other, and the sliding space SS may be temporarily absent. Until the sliding space SS disappears, the first sliding member 221a maintains a state fixed to the outer partition wall 212 . (See Fig. 12)
  • the active pressure buffer unit 220 configured as described above allows the pressures on both sides of the outer bulkhead 212 to be substantially maintained even when the output condition of the fuel cell is an abnormal output condition that generates an abnormal pressure. . Since a pressure gradient is not formed on both sides of the outer barrier rib 212 by the active pressure buffer unit 220 , the outer barrier rib 212 is not deformed.
  • FIGS. 13 and 14 are enlarged cross-sectional views illustrating a second embodiment of a sliding structure that is a component of the active pressure buffer unit 220 .
  • the sliding structure 221' includes a first sliding member 221a and a second sliding member 221b, similar to the sliding structure 220 of the first embodiment described above.
  • the first sliding member 221a and the second sliding member 221b further include bypass holes 221ab and 221bb.
  • the bypass holes 221ab and 221bb may be in an open or closed state depending on the size of the expansion pressure between the first sliding member 221a and the second sliding member 221b.
  • the bypass holes 221ab and 221bb are formed by the sliding member 221a. , 221b) to a closed state. (See Fig. 13)
  • the pressure of the second fluid in the high-output situation is relatively greater than in the low-output situation of the fuel cell.
  • the pressure of the second fluid in the abnormal output state is relatively large compared to the normal output state of the fuel cell.
  • the middle case 110 When the pressure of the second fluid is relatively large in a high output situation or an abnormal output situation of the fuel cell, the middle case 110 receives expansion pressure due to a large pressure difference and expands outwardly (indicated by E1 ). At this time, as the second sliding member 221b formed in the middle case 110 expands outwardly together with the middle case 110 , the sliding space SS becomes smaller.
  • the sliding space SS returns to its original state while the bypass holes 221ab and 221bb are closed again, so that the fluid in the fluid flow space A does not flow through the hollow fiber membrane module F and the fluid flow space ( B) can be prevented from flowing.
  • the active pressure buffer unit 220 configured in this way prevents a gap from occurring between the hollow fiber membrane cartridge and the outer partition wall even in a high output condition or abnormal output condition of the fuel cell or eliminates a pressure difference to prevent a decrease in humidification efficiency can do.
  • the hollow fiber membrane cartridge C is disposed between the inner partition walls 211 , and the second fluid discharged from the fuel cell stack (not shown) and introduced into the second fluid inlet 111 is , is introduced into the cartridge (C) through the first mesh portion (M1) to perform water exchange while flowing outside the hollow fiber membrane, and then flows out of the cartridge through the second mesh portion (M2).
  • the pressure (P1) of the fluid flowing through the hollow fiber membrane cartridge (C) is the same, the pressure on both sides of the inner partition wall 211 is balanced so that no deformation occurs.
  • the second fluid of high pressure (P1) flows through the hollow fiber membrane cartridge (C) on one side, and the high pressure (P1') that does not flow through the hollow fiber membrane cartridge (C) on the other side 2
  • the second fluid introduced into the active pressure buffer 220 is turned in the sliding structure 221, and then flows into the hollow fiber membrane cartridge (C).
  • a gap does not occur between the hollow fiber membrane cartridge (C) and the outer partition wall (212) even in a high output condition or an abnormal output condition of the fuel cell, so that the fluid in the fluid flow space (A) It is possible to prevent the hollow fiber membrane module (F) from flowing into the fluid flow space (B) without flowing, and as a result, it is possible to prevent a decrease in humidification efficiency.
  • the pressure of the second fluid becomes larger and the sliding space SS becomes smaller, and the bypass closed by the sliding members 221a and 221b
  • the holes 221ab and 221bb are in an open state as the opening degree gradually increases.
  • the bypass holes (221ab, 221bb) are in an open state, the fluid in the fluid flow space (A) flows into the fluid flow space (B) through the bypass holes (221ab, 221bb), and then the second mesh part ( M2) and the second fluid outlet 112 while being discharged, it is possible to relieve the pressure of the fluid flowing through the fluid flow space (A).
  • middle case 120 cap case
  • module insert 211 inner partition wall
  • outer bulkhead 220 active pressure buffer unit
  • A, B fluid flow space

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Abstract

본 발명은 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 내부에 모듈 삽입부가 형성된 미들 케이스; 상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스; 상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및, 상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지의 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) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 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 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 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 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
한편, 막가습기 가동시에 막가습기 내외부의 압력차에 의해 가습 효율이 저하되는 문제점이 발생한다. 이를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 단면도이다. 설명의 편의를 위해, 도면에서 포팅부(P) 부분의 중공사막만 도시하였고, 나머지 부분의 중공사막은 생략해서 도시하였다. 종래 기술의 막가습기는 복수의 중공사막이 수용되는 중공사막 모듈(11)이 미들 케이스(10)의 내부에 수용된다. 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(11)은 카트리지 형태로 형성될 수 있다. 미들 케이스(10) 내부에는 카트리지 형태의 중공사막 모듈(11)이 삽입되는 모듈 삽입부(12)가 형성된다. 모듈 삽입부(12)는 미들 케이스(10) 내부에 형성된 복수개의 격벽(12a, 12b)으로 형성된다. 여기서, 모듈 삽입부(12)의 외곽을 이루는 격벽(12b)은 실질적으로 미들 케이스(10) 내벽의 일부분이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중공사막 모듈(11)의 양 측면을 격벽(12a, 12b)에 끼워서 중공사막 모듈(11)이 모듈 삽입부(12)에 삽입된다. 이때, 미들 케이스(10)는 중앙 부분이 함몰된 중앙 함몰부(10a)를 구비하고, 중앙 함몰부(10a)의 내벽과 중공사막 모듈(11)이 기밀하게 밀착된다. 그 결과, 미들 케이스(10)의 미함몰부들(10b)과 중공사막 모듈(11)이 형성하는 두 유체 유동공간(A, B)은 격리된다. 중앙 함몰부(10a)와 모듈 삽입부(12)의 외곽을 이루는 격벽(12b)은 실질적으로 동일하다.
한편, 연료전지 스택(미도시)에서 배출된 제2 유체는 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)를 통해 유입되어 중공사막 모듈(11)을 통해서 유동하면서 블로워로부터 공급되어 중공사막 내부를 유동하는 제1 유체와 수분 교환을 수행한다. 캡 케이스(20)는 미들 케이스(10)와 결합되며, 캡 케이스(20)에는 제1 유체가 유입/유출되는 유체 유입구(20a)가 형성된다.
그러나, 고압의 운전 조건, 즉, 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)에서 유입되는 제2 유체가 막가습기 외부의 대기 보다 압력이 큰 고압의 유체인 경우, 막가습기 내부와 외부는 압력차가 발생하고, 막가습기 내부를 유동하는 제2 유체의 압력이 외부의 대기압 보다 크므로, 막가습기 외부 방향으로 압력 구배가 형성되어 막가습기의 일부(구체적으로는 미들 케이스의 함몰된 부분)는, 도 3에 도시된 바와 같이 막가습기 외부의 방향으로 변형이 발생한다. 한편, 내부의 격벽(12a)은 격벽 양측의 압력이 동일하므로, 압력 구배가 형성되지 않아서 변형이 발생하지 않는다.
압력 구배에 의해 발생하는 미들 케이스(10)의 형상 변경은 중공사막 모듈(11)과 미들 케이스(10) 내벽 사이에 갭(gap)이 생기게 하고, 이러한 갭(gap)을 통해 유체 유동공간(A)의 제2 유체는, 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하게 된다. 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않은 제2 유체는 중공사막을 통한 가습이 이루어지지 않은 유체이므로, 결과적으로 가습 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
도 4는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기(한국공개특허 2019-0138288 참조)가 도시된 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기는, 미들 케이스(10)의 내부에 모듈 삽입부(12)와 압력 버퍼부(22)를 형성하였다. 압력 버퍼부(22)는 외측 격벽(12b)과 미들 케이스(10)가 이격 형성됨으로써 생기는 공간과, 외측 격벽(12b)과 미들 케이스(10) 사이에 형성되는 연결부(21)를 포함한다. 연결부(21)는 유체 유동공간(A)과 유체 유동공간(B)를 격리시켜서 유체 출입구(20a)를 통해 유입된 유체가 중공사막 카트리지(C)를 통해서만 유동되도록 한다.
이와 같이 구성되는 압력 버퍼부(22)는 외측 격벽(12b) 양 측의 압력이 실질적으로 동일하게 한다. 압력 버퍼부(22)에 의해 외측 격벽(12b)의 양 측에는 압력 구배가 형성되지 않으므로, 외측 격벽(12b)은 변형되지 않게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 연료전지 막가습기와는 달리 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(12b) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 되어, 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 되고, 그 결과 가습 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기에서, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에 의해, 미들 케이스(10)에 형성된 유체 유입구(미도시)에서 유입되는 제2 유체의 압력(내부 압력 P1)이 막가습기 외부의 대기압(외부 압력 P2) 보다 매우 큰 경우(P1>>P2), 도 5에 도시된 바와 같이, 압력 차에 의해 미들 케이스(10)는 외부 방향 압력을 받게 되어 외측으로 팽창(E1로 표시)할 수 있다. 이때, 외측 격벽(12b)은 연결부(21)와 연결되어 있으므로, 외측 격벽(12b)도 외측으로 팽창(E2로 표시)할 수 있다. 외측 격벽(12b)이 외측으로 팽창하면, 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(12b) 사이에 갭(gap)이 발생할 수 있다. 따라서, 중공사막 모듈(11)을 유동하지 않은 제2 유체가 발생하게 되어 가습 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 내부에 모듈 삽입부가 형성된 미들 케이스; 상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스; 상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및, 상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 모듈 삽입부는 상기 미들 케이스의 내벽과 이격되어 형성된 외측 격벽을 포함하고, 상기 능동형 압력 버퍼부는 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스의 내벽 사이에 형성되는 슬라이딩 구조체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 슬라이딩 구조체는, 상기 외측 격벽에 고정되며 상기 미들 케이스 방향으로 돌출되되, 상기 미들 케이스의 내벽과 이격될 수 있도록 형성된 제1 슬라이딩부재와, 상기 미들 케이스의 내벽에 형성되며 상기 외측 격벽 방향으로 돌출되되, 상기 외측 격벽과 이격될 수 있도록 형성된 제2 슬라이딩부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 슬라이딩부재와 제2 슬라이딩부재 중 적어도 어느 하나에 형성되며, 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스 사이의 팽창 압력 크기에 따라 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있는 바이패스홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 슬라이딩부재와 제2 슬라이딩부재는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 슬라이딩 돌기를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 슬라이딩부재의 슬라이딩 돌기와 상기 제2 슬라이딩부재의 슬라이딩 돌기 사이에는 슬라이딩 공간이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 미들 케이스가 외측으로 팽창하면 상기 제2 슬라이딩부재가 상기 미들 케이스와 함께 외측으로 팽창하고, 상기 제1 슬라이딩부재는 상기 외측 격벽에 고정된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막들이 집적된 적어도 하나 이상의 중공사막 다발 또는 복수의 중공사막들이 수용된 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지를 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 막가습기 내외부의 압력차에 의해 발생하는 가습 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지와 외측 격벽 사이에는 갭이 발생하는 것을 방지하여 가습 효율의 저하를 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 또 다른 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 형태가 도시된 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 미들 케이스 일부가 도시된 단면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 압력 버퍼부의 일 구성인 슬라이딩 구조체의 제1 실시예를 확대 도시한 단면도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 능동형 압력 버퍼부의 일 구성인 슬라이딩 구조체의 제2 실시예를 확대 도시한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 상태를 설명하기 위한 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 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 6 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 다양한 형태가 도시된 도면이다. 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(이하, '막가습기'라고도 함)는, 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)를 포함한다.
미들 케이스(110)는 캡 케이스(120)와 결합하여 막가습기의 외형을 형성한다. 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)는 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. 미들 케이스(110)와 캡 케이스(120)는, 도 6 및 도 7과 같이, 폭 방향 단면 형상이 다각형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또는 도 8 및 도 9와 같이, 폭 방향 단면 형상이 원형일 수 있다. 상기 원형은 타원형일 수도 있다. 도 6 내지 도 9는 막가습기의 예시적인 형상일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
미들 케이스(110)에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(111)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(112)가 형성되어 있고, 미들 케이스(110) 내부에는 복수의 중공사막들이 수용된 중공사막 모듈(F)이 배치된다. 설계에 따라, 도면부호 111이 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구가 될 수 있고, 도면부호 112가 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구가 될 수 있다. 즉, 도면부호 111과 도면부호 112 중 어느 하나가 제2 유체 유입구가 되고, 나머지 하나는 제2 유체 유출구가 될 수 있다. 이하의 설명에서, 도면부호 111은 제2 유체 유입구이고, 도면부호 112은 제2 유체 유출구인 경우를 예시하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
중공사막 모듈(F)은 도 7 및 도 9와 같이 복수의 중공사막들이 집적된 중공사막 다발이거나, 도 6 및 도 8과 같이 중공사막들 또는 중공사막 다발들이 수용된 중공사막 카트리지들일 수 있다. 도 6 및 도 8에서 복수의 중공사막 카트리지들이 중공사막 모듈(F)을 형성하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 하나의 중공사막 카트리지로 중공사막 모듈(F)을 형성할 수도 있다. 이하의 설명에서는 도 6에 도시된 복수의 카트리지들(C)로 중공사막 모듈(F)을 형성하고, 폭 방향 단면 형상이 다각형인 막가습기를 예시로 설명하지만, 이는 도 7 내지 도 9의 막가습기에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 카트리지(C)의 형상도 단면의 형상이 원형 또는 사각형인 경우를 예시하였으나, 카트리지(C)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
캡 케이스(120)는 미들 케이스(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 캡 케이스(120)에는 유체 출입구(121)가 형성되어 있으며, 이 중 하나는 제1 유체 유입구가 되고, 나머지 하나는 제1 유체 유출구가 된다. 일측 캡 케이스(120)의 유체 출입구(121)로 유입된 제1 유체는 중공사막 카트리지(C, 도 1 참조) 내부에 수용된 중공사막의 내부 관로를 통과한 후, 타측 캡 케이스(120)의 유체 출입구(121)로 빠져나가게 된다. 중공사막은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone), 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PS), 폴리에테르설폰(PES) 재질의 중공사막이 될 수 있다.
중공사막 카트리지(C)의 일단에는 제2 유체 유입구(111)를 통해 막가습기로 유입된 제2 유체가 중공사막 카트리지의 내부로 유입되게 하는 제1 메쉬부(M1, 도 1 참조)가 형성되고, 타단에는 중공사막 카트리지 내부에서 수분 교환을 수행한 제2 유체가 중공사막 카트리지 외부로 유출되도록 하는 제2 메쉬부(M2, 도 1 참조)가 형성될 수 있다. 중공사막 카트리지(C)의 양 측면은 격벽(211, 212, 도 10 참조)에 끼워져서 모듈 삽입부(210)에 삽입된다. 또한, 선택적으로 중공사막 카트리지의 양 측면에는 걸림턱(미도시)이 형성될 수 있고, 중공사막 카트리지가 모듈 삽입부(210)에 삽입될 때, 걸림턱은 모듈 삽입부(210)를 이루는 격벽(211, 212)에 걸쳐서 끼워질 수 있다.
중공사막 카트리지 또는 중공사막 다발의 양단부에는 중공사막들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(P)가 형성된다. 이로써, 중공사막 모듈의 양단부는 포팅부(P)에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. 포팅부(P) 주위에는, 포팅부(P)와 미들 케이스(110) 사이를 채우는 수지층 (E)이 형성되거나, 기계적으로 조립을 통해 포팅부(P)와 미들 케이스(110) 사이를 기밀하게 결합하는 가스켓 조립체(미도시)가 형성될 수 있다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 미들 케이스 일부가 도시된 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 미들 케이스(110)의 내부에는 모듈 삽입부(210)와 능동형 압력 버퍼부(220)가 형성된다.
모듈 삽입부(210)에는 복수의 중공사막이 수용된 중공사막 카트리지(C)가 삽입된다. 모듈 삽입부(210)는 복수의 중공사막 카트리지(C)가 각각 삽입될 수 있도록 복수의 격벽(211, 212)으로 이루어진다. 한편, 단일의 중공사막 카트리지로 중공사막 모듈(F)을 이루는 경우, 내측 격벽(211)은 생략될 수 있다. 이 경우, 모듈 삽입부(210)는 외측 격벽(212)으로만 이루어질 수 있다.
미들 케이스의 내벽(110a)은 모듈 삽입부(210)의 최외곽을 이루는 격벽(212)과 이격되어 형성된다. 외측 격벽(212)과 미들 케이스의 내벽(110a)이 이격 형성됨으로써 생기는 공간(S)은 능동형 압력 버퍼부(220)를 형성한다. 능동형 압력 버퍼부(220)는 외측 격벽(212)과 미들 케이스의 내벽(110a) 사이에 형성되는 슬라이딩 구조체(221)를 더 포함할 수 있다.
능동형 압력 버퍼부(220)는 외측 격벽(212)의 둘레를 걸쳐 형성될 수 있다. 능동형 압력 버퍼부(220)는 유체 유동공간(A)과 유체 유동공간(B)를 격리시켜서 유체가 중공사막 카트리지(C)를 통해서만 유동되도록 한다.
또한, 능동형 압력 버퍼부(220)의 일 구성인 슬라이딩 구조체(221)는, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에 의해, 미들 케이스(110)에 형성된 유체 유입구(111)에서 유입되는 제2 유체의 압력(내부 압력 P1)이 막가습기 외부의 대기압(외부 압력 P2) 보다 매우 큰 경우에도 압력 차에 의한 외측 격벽(212)의 외측 팽창을 방지하여 가습 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 슬라이딩 구조체(221)의 제1 실시예에 대해 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11 및 도 12은 능동형 압력 버퍼부(220)의 일 구성인 슬라이딩 구조체(221)의 제1 실시예를 확대 도시한 단면도이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 구조체(221)는 제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b)를 포함한다. 제1 슬라이딩부재(221a)는 외측 격벽(212)에 고정되며 미들 케이스(110) 방향으로 돌출되되, 미들 케이스(110)의 내벽(110a)과 이격될 수 있도록 형성된다. 제2 슬라이딩부재(221b)는 미들 케이스(110)의 내벽(110a)에 형성되며 외측 격벽(212) 방향으로 돌출되되, 외측 격벽(212)과 이격될 수 있도록 형성된다.
제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b)는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 슬라이딩 돌기(221aa, 221ba)를 구비하며, 두 슬라이딩 돌기(221aa, 221ba) 사이에는 슬라이딩 공간(SS)이 형성된다.
연료전지의 저출력 상황에 비해 고출력 상황의 제2 유체의 압력은 상대적으로 크다. 또한, 연료전지의 정상 출력 상황에 비해 비정상 출력 상황의 제2 유체의 압력은 상대적으로 매우 크게 된다.
연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서, 제2 유체의 압력이 상대적으로 크게 되면, 큰 압력 차에 의해 미들 케이스(110)는 외부 방향 압력을 받게 되어 외측으로 팽창(E1로 표시)하게 된다. 이때, 미들 케이스(110)에 형성된 제2 슬라이딩부재(221b)가 미들 케이스(110)와 함께 외측으로 팽창하면서 슬라이딩 공간(SS)은 점점 작아지게 된다. 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 지속되거나 더 악화되면 제2 유체의 압력이 더욱 커져서, 두 슬라이딩 돌기(221aa, 221ba)가 접촉한 상태가 되어 슬라이딩 공간(SS)이 일시적으로 없는 상태가 될 수 있다. 슬라이딩 공간(SS)이 없어질 때까지 제1 슬라이딩부재(221a)는 외측 격벽(212)에 고정된 상태를 유지한다. (도 12 참조)
이후, 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 해소될 경우, 즉, 연료전지가 저출력 상황 또는 정상 출력 상황으로 복귀할 경우, 제2 유체의 압력이 상대적으로 작아지게 되므로, 팽창 압력이 점점 작아지게 되고 제2 슬라이딩부재(221b)는 외측 격벽(212) 방향으로 복귀하게 된다. 이에 따라, 슬라이딩 공간(SS)은 원상태로 복귀하게 된다. (도 11 참조)
이와 같이 구성되는 능동형 압력 버퍼부(220)는, 연료전지의 출력 상황이 이상 압력을 발생시키는 비정상 출력 상황인 경우에도, 외측 격벽(212) 양 측의 압력이 실질적으로 동일하게 유지될 수 있도록 한다. 능동형 압력 버퍼부(220)에 의해 외측 격벽(212)의 양 측에는 압력 구배가 형성되지 않으므로, 외측 격벽(212)은 변형되지 않는다.
다음, 제2 실시예의 슬라이딩 구조체(221')에 대해 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다. 도 13 및 도 14는 능동형 압력 버퍼부(220)의 일 구성인 슬라이딩 구조체의 제2 실시예를 확대 도시한 단면도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 구조체(221')는 전술한 제1 실시예의 슬라이딩 구조체(220)와 유사하게, 제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b)를 포함하며, 본 실시예에서 제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b)는 바이패스홀(221ab, 221bb)을 더 포함한다. 바이패스홀(221ab, 221bb)은 제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b) 사이의 팽창 압력 크기에 따라 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있다.
예를 들어, 제1 슬라이딩부재(221a)와 제2 슬라이딩부재(221b) 사이의 팽창 압력이 크지 않아서 슬라이딩 공간(SS)이 상대적으로 클 때에는, 바이패스홀(221ab, 221bb)은 슬라이딩부재(221a, 221b)에 의해 닫혀진 상태가 된다. (도 13 참조)
연료전지의 저출력 상황에 비해 고출력 상황의 제2 유체의 압력은 상대적으로 크다. 또한, 연료전지의 정상 출력 상황에 비해 비정상 출력 상황의 제2 유체의 압력은 상대적으로 매우 크게 된다.
연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서, 제2 유체의 압력이 상대적으로 크게 되면, 큰 압력 차에 의해 미들 케이스(110)는 팽창 압력을 받게 되어 외측으로 팽창(E1로 표시)하게 된다. 이때, 미들 케이스(110)에 형성된 제2 슬라이딩부재(221b)가 미들 케이스(110)와 함께 외측으로 팽창하면서 슬라이딩 공간(SS)은 점점 작아지게 된다.
고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 지속되거나 더 악화되면 제2 유체의 압력이 더욱 커지게 되고, 슬라이딩 공간(SS)은 더욱 작아지면서, 슬라이딩부재(221a, 221b)에 의해 닫혀진 상태에 있던 바이패스홀(221ab, 221bb)은 점점 개도(opening)가 커지면서 개방된 상태가 된다. (도 14 참조)
도 14와 같이 바이패스홀(221ab, 221bb)이 개방된 상태가 되면, 유체 유동공간(A)의 유체가 바이패스홀(221ab, 221bb)을 통해 유체 유동공간(B)로 유동한 후, 제2 메쉬부(M2) 및 제2 유체 유출구(112)를 통해 배출되면서 유체 유동공간(A)를 유동하는 유체의 압력을 해소할 수 있게 된다.
이후, 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 해소될 경우, 즉, 연료전지가 저출력 상황 또는 정상 출력 상황으로 복귀할 경우, 제2 유체의 압력이 상대적으로 작아지게 되므로, 팽창 압력이 점점 작아지게 되고 제2 슬라이딩부재(221b)는 외측 격벽(212) 방향으로 복귀하게 된다. 이에 따라, 슬라이딩 공간(SS)은 원상태로 복귀하면서 바이패스홀(221ab, 221bb)은 다시 닫힘 상태가 되어 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈(F)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 된다.
이와 같이 구성되는 능동형 압력 버퍼부(220)는, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지와 외측 격벽 사이에 갭이 발생하는 것을 방지하거나 또는 압력차를 해소시켜서 가습 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이에 대해, 도 15를 참조하면, 내측 격벽(211) 사이에 중공사막 카트리지(C)가 배치되고, 연료전지 스택(미도시)에서 배출되어 제2 유체 유입구(111)로 유입된 제2 유체는, 제1 메쉬부(M1)를 통해 카트리지(C) 내부로 유입되어 중공사막 외부를 흐르면서 수분 교환을 수행한 후, 제2 메쉬부(M2)를 통해 카트리지 외부로 유출된다. 이때, 중공사막 카트리지(C)를 통해 유동하는 유체의 압력(P1)이 동일하므로, 내측 격벽(211) 양 측의 압력은 평형을 이루어서 변형이 발생하지 않는다.
한편, 외측 격벽(212)에서는, 일 측에는 중공사막 카트리지(C)를 통해 고압(P1)의 제2 유체가 유동하고, 타 측에서는 중공사막 카트리지(C)를 유동하지 않는 고압(P1')의 제2 유체가 유동한다. 외측 격벽(212) 양 측을 유동하는 제2 유체는 실질적으로 동일한 압력(P1=P1')을 가지므로, 외측 격벽(212) 양 측의 압력은 평형을 이루어서 변형이 발생하지 않는다.
한편, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서, 능동형 압력 버퍼부(220)를 유동하는 제2 유체의 압력(P1)과 미들 케이스(110) 외부의 대기압(P2) 간의 압력차가 클 경우에는, 슬라이딩 구조체(221)의 제2 슬라이딩부재(221b)가 미들 케이스(110)와 함께 외측으로 팽창할 뿐, 제1 슬라이딩부재(221a)는 외측 격벽(212)에 고정된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 외측 격벽(212)과 중공사막 카트리지(C)의 기밀성은 유지되어, 제2 유체가 외측 격벽(212)과 중공사막 카트리지(C) 사이로 유출되지 않는다.
한편, 능동형 압력 버퍼부(220)로 유입된 제2 유체는 슬라이딩 구조체(221)에서 터닝한 후, 중공사막 카트리지(C) 내부로 흐르게 된다.
따라서, 종래와는 달리, 연료전지의 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황에서도 중공사막 카트리지(C)와 외측 격벽(212) 사이에는 갭(gap)이 발생하지 않게 되어, 유체 유동공간(A)의 유체가 중공사막 모듈(F)을 유동하지 않고 유체 유동공간(B)로 유동하는 것을 방지할 수 있게 되고, 그 결과 가습 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
나아가, 고출력 상황 또는 비정상 출력 상황이 지속되거나 더 악화되면 제2 유체의 압력이 더욱 커지게 되고, 슬라이딩 공간(SS)은 더욱 작아지면서, 슬라이딩부재(221a, 221b)에 의해 닫혀진 상태에 있던 바이패스홀(221ab, 221bb)은 점점 개도(opening)가 커지면서 개방된 상태가 된다. 바이패스홀(221ab, 221bb)이 개방된 상태가 되면, 유체 유동공간(A)의 유체가 바이패스홀(221ab, 221bb)을 통해 유체 유동공간(B)로 유동한 후, 제2 메쉬부(M2) 및 제2 유체 유출구(112)를 통해 배출되면서 유체 유동공간(A)를 유동하는 유체의 압력을 해소할 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 : 미들 케이스 120 : 캡 케이스
210 : 모듈 삽입부 211 : 내측 격벽
212 : 외측 격벽 220 : 능동형 압력 버퍼부
221 : 슬라이딩 구조체
221a : 제1 슬라이딩부재 221b : 제2 슬라이딩부재
221aa, 221ba : 슬라이딩 돌기 221ab, 221bb : 바이패스홀
SS : 슬라이딩 공간
A, B : 유체 유동공간
C : 중공사막 카트리지
F : 중공사막 모듈

Claims (8)

  1. 내부에 모듈 삽입부가 형성된 미들 케이스;
    상기 미들 케이스와 결합되는 캡 케이스;
    상기 모듈 삽입부에 삽입된 중공사막 모듈; 및,
    상기 미들 케이스와 상기 모듈 삽입부 사이에 형성되며, 연료전지의 출력 상황에 따라 상기 미들 케이스의 내부와 외부의 압력차에 의한 상기 모듈 삽입부의 팽창을 방지하거나 또는 상기 압력차를 해소시키는 능동형 압력 버퍼부;
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모듈 삽입부는 상기 미들 케이스의 내벽과 이격되어 형성된 외측 격벽을 포함하고,
    상기 능동형 압력 버퍼부는 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스의 내벽 사이에 형성되는 슬라이딩 구조체를 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 슬라이딩 구조체는,
    상기 외측 격벽에 고정되며 상기 미들 케이스 방향으로 돌출되되, 상기 미들 케이스의 내벽과 이격될 수 있도록 형성된 제1 슬라이딩부재와,
    상기 미들 케이스의 내벽에 형성되며 상기 외측 격벽 방향으로 돌출되되, 상기 외측 격벽과 이격될 수 있도록 형성된 제2 슬라이딩부재
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 슬라이딩부재와 제2 슬라이딩부재 중 적어도 어느 하나에 형성되며, 상기 외측 격벽과 상기 미들 케이스 사이의 팽창 압력 크기에 따라 개방 또는 닫힘 상태가 될 수 있는 바이패스홀
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 슬라이딩부재와 제2 슬라이딩부재는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 슬라이딩 돌기를 구비하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 슬라이딩부재의 슬라이딩 돌기와 상기 제2 슬라이딩부재의 슬라이딩 돌기 사이에는 슬라이딩 공간이 형성되는 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 미들 케이스가 외측으로 팽창하면 상기 제2 슬라이딩부재가 상기 미들 케이스와 함께 외측으로 팽창하고, 상기 제1 슬라이딩부재는 상기 외측 격벽에 고정된 상태를 유지하는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막들이 집적된 적어도 하나 이상의 중공사막 다발 또는 복수의 중공사막들이 수용된 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지를 포함하는 연료전지 막가습기.
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