WO2022196963A1 - 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기 - Google Patents

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오영석
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell for supplying humidified gas to the fuel cell.
  • 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 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
  • AFC Alkaline Fuel Cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a bubbler humidification method in which water is supplied by passing a target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, 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 membrane humidification method of humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the air supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in the flue gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a 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, low-cost materials can be used, and the fuel cell discharges at high temperature. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering moisture and heat contained in the off-gas.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a conventional fuel cell humidifier.
  • the humidifier 100 of a conventional membrane humidification method has 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 humidification. It includes caps 120 coupled to both ends of the module 110 .
  • One of the caps 120 transfers air supplied from the outside to the humidification module 110 , and the other transfers the air humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 110 includes a mid-case 111 having an off-gas inlet 111a and an off-gas outlet 111b, and the It includes a plurality of hollow fiber membranes 112 in the mid-case 111 . Both ends of the bundle of the hollow fiber membranes 112 are potted in the fixing layer 113 .
  • the fixing layer 113 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the fixing layer 113 in which the ends of the hollow fiber membranes 112 are potted and the resin layer 114 between the fixing layer 113 and the mid-case 111 form the inner spaces of the caps 120 in the mid- Blocked from the inner space of the case (111).
  • the resin layer 114 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the present invention has been devised to solve the above-mentioned needs, and to provide a fuel cell humidifier cartridge and fuel cell humidifier that can have the humidification efficiency required by the fuel cell.
  • the present invention may include the following configuration.
  • a humidifier for a fuel cell includes a humidification module for humidifying dry gas supplied from the outside using the wet gas discharged from the fuel cell stack; a first cap coupled to one end of the humidifying module; and a second cap coupled to the other end of the humidifying module.
  • the humidification module may include a mid-case having both ends open, and at least one cartridge disposed in the mid-case.
  • the cartridge includes an inner case having both ends open; a bundle of hollow fiber membranes contained in the inner case; an inner inlet and an inner outlet formed in the inner case to be spaced apart along a first axial direction; a first potting layer for fixing one end of the hollow fiber membrane bundle at one end of the inner case; and a second potting layer for fixing the other end of the hollow fiber membrane bundle at the other end of the inner case.
  • a packing density based on the potting cross-sectional area inside one end of the inner case in which the first potting layer is potted and the membrane cross-sectional area of the hollow fiber membrane bundle is 0.405 or more based on the second axial direction perpendicular to the first axial direction 0.625 or less.
  • a fuel cell humidifier cartridge is a cartridge of a fuel cell humidifier for humidifying dry gas supplied from the outside using wet gas discharged from a fuel cell stack, and has an inner case with both ends open ( Inner Case); a bundle of hollow fiber membranes contained in the inner case; an inner inlet and an inner outlet formed in the inner case to be spaced apart along a first axial direction; a first potting layer for fixing one end of the hollow fiber membrane bundle at one end of the inner case; and a second potting layer for fixing the other end of the hollow fiber membrane bundle at the other end of the inner case.
  • Packing density based on the potting cross-sectional area inside one end of the inner case in which the first potting layer is potted and the membrane cross-sectional area of the hollow fiber membrane bundle is 0.405 or more and 0.625 based on the second axial direction perpendicular to the first axial direction may be below.
  • the present invention can contribute to improving the performance of the fuel cell by being implemented so as to have the humidification efficiency required for the fuel cell by using the packing density related to the ratio of the hollow fiber membrane bundle.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a conventional fuel cell humidifier
  • FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a humidifier for a fuel cell according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic exploded cross-sectional view showing the humidifier for a fuel cell according to the present invention along the line I-I of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the fuel cell humidifier according to the present invention taken along line I-I of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a cartridge of a fuel cell humidifier according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic side cross-sectional view showing the cartridge of the humidifier for a fuel cell according to the present invention, taken along the line II-II of FIG.
  • Figure 7 is a schematic side cross-sectional view showing an enlarged portion A of Figure 6
  • 10 is a table showing humidification efficiency, membrane differential pressure, case differential pressure, and total differential pressure of Comparative Examples and Examples according to packing density;
  • 11 and 12 are conceptual side cross-sectional views showing a hollow fiber membrane bundle based on the line II-II of FIG. 5
  • FIG. 13 is a schematic exploded perspective view of an embodiment in which two cartridges are coupled to a mid-case in a humidifier for a fuel cell according to the present invention
  • FIG. 14 is a schematic exploded perspective view of an embodiment in which three cartridges are coupled to a mid-case in the humidifier for a fuel cell according to the present invention
  • the humidifier 1 for a fuel cell is for humidifying the dry gas supplied from the outside using the wet gas discharged from the fuel cell stack (not shown).
  • the drying gas may be fuel gas or air.
  • the dry gas may be supplied to the fuel cell stack after being humidified by the wet gas.
  • a fuel cell humidifier (1) according to the present invention includes a humidifying module (2) for humidifying dry gas, a first cap (3) coupled to one end of the humidifying module (2), and the other end of the humidifying module (2). and a second cap 4 coupled to the .
  • the humidification module 2 humidifies the dry gas supplied from the outside.
  • the first cap 3 may be coupled to one end of the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may be coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the first cap 3 may deliver the drying gas to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may deliver the dry gas humidified by the wet gas in the humidification module 2 to the fuel cell stack.
  • the first cap 3 may deliver the humidification gas to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may discharge the wet gas after humidifying the dry gas in the humidification module 2 to the outside.
  • the humidification module 2 includes a mid-case 21 , and at least one cartridge 22 .
  • the mid-case 21 is to which the cartridge 22 is coupled.
  • the cartridge 22 may be disposed inside the mid-case 21 . Both ends of the mid-case 21 are open.
  • a receiving hole 211 may be formed in the mid-case 21 .
  • the receiving hole 211 may be formed to penetrate the mid-case 21 in a first axial direction (X-axis direction).
  • a mid inlet 212 and a mid outlet 213 may be formed in the mid-case 21 .
  • the mid inlet 212 may introduce a wet gas or a dry gas into the mid-case 21 .
  • the mid outlet 213 may discharge wet gas or dry gas from the inside of the mid-case 21 .
  • the mid inlet 212 and the mid outlet 213 may be disposed at positions spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the wetting gas flows through the mid-inlet 212 and the mid-outlet 213, the wetting gas passes through the mid-inlet 212 through the mid-case 21 through the interior of the cartridge 22. After being supplied to the inside, it may come into contact with the outer surface of the hollow fiber membrane bundle 221 . In this process, moisture contained in the wet gas penetrates the hollow fiber membrane bundle 221 , thereby humidifying the dry gas flowing along the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 . After the humidified dry gas flows out from the hollow fiber membrane bundle 221 , it may be supplied to the fuel cell stack through the second cap 4 .
  • the wet gas flows out of the cartridge 22 and then passes through the inside of the mid-case 21 and through the mid-outlet 213 to the outside of the mid-case 21 . may leak into
  • the mid inlet 212 may be connected to the fuel cell stack to receive the wet gas. In this case, the wet gas may be off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • the drying gas flows through the mid-inlet 212 and the mid-outlet 213, the drying gas passes through the mid-inlet 212 and the inside of the mid-case 21 of the cartridge 22. After being supplied to the inside, it may come into contact with the outer surface of the hollow fiber membrane bundle 221 of the cartridge 22 . In this process, moisture of the wet gas flowing along the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 passes through the hollow fiber membrane bundle 221 , thereby humidifying the dry gas flowing into the cartridge 22 . After the humidified dry gas flows out of the cartridge 22 , it passes through the inside of the mid-case 21 , and flows out of the mid-case 21 through the mid outlet 213 , and then the fuel It may be supplied as a battery stack.
  • the wet gas may be discharged from the hollow fiber membrane bundle 221 to the outside through the second cap 4 .
  • the first cap 3 may be connected to the fuel cell stack to receive the wet gas.
  • the wet gas may be off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • the mid inlet 212 and the mid outlet 213 may protrude from the mid-case 21 .
  • the mid inlet 212 and the mid outlet 213 may protrude in the same direction from the mid-case 21 .
  • the mid inlet 212 and the mid outlet 213 may protrude in different directions from the mid-case 21 .
  • the mid inlet 212 , the mid outlet 213 , and the mid-case 21 may be integrally formed.
  • the cartridge 22 is disposed within the mid-case 21 .
  • the cartridge 22 may include a hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the hollow fiber membrane bundle 221 may include a plurality of hollow fiber membrane bundles 221a.
  • the hollow fiber membrane bundle 221 may be modularized by being coupled to the cartridge 22 . Accordingly, through the process of coupling the cartridge 22 to the mid-case 21 , the hollow fiber membrane bundle 221 may be installed inside the mid-case 21 . Accordingly, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can improve the ease of installation, separation, and replacement of the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the cartridge 22 may include an inner case 222 .
  • the hollow fiber membrane bundle 221 is contained in the inner case 222 .
  • the hollow fiber membrane bundle 221 may be modularized by being disposed inside the inner case 222 .
  • the hollow fiber membrane bundle 221 is a polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin , a polyester imide resin, or a polymer film formed of a mixture of two or more thereof.
  • the cartridge 22 may include a first potting layer 223 .
  • the first potting layer 223 fixes one end of the hollow fiber membrane bundle 221 from one end of the inner case 222 .
  • the first potting layer 223 may be formed so as not to block the hollowness of the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the first potting layer 223 may be formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting process.
  • the first potting layer 223 may fix one end of the inner case 210 and the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • a part of the first potting layer 223 may be located inside the inner case 222 , and the other part may be located outside the inner case 222 .
  • the cartridge 22 may include a second potting layer 224 .
  • the second potting layer 224 fixes the other end of the hollow fiber membrane bundle 221 at the other end of the inner case 222 .
  • the second potting layer 224 may be formed so as not to block the hollowness of the hollow fiber membrane bundle 221 . Accordingly, the dry gas or the wet gas can be supplied into the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 without interfering with the second potting layer 224 and the first potting layer 223 , and the second potting layer 224 and the first potting layer 223 are hollow. It can flow out of the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 without interfering with the layer 224 and the first potting layer 223 .
  • the second potting layer 224 may be formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting process.
  • the second potting layer 224 may fix the inner case 210 and the other end of the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • a part of the second potting layer 224 may be located inside the inner case 222 , and the other part may be located outside the inner case 222 .
  • the second potting layer 224 and the first potting layer 223 may be disposed to be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the cartridge 22 may include an inner inlet 225 and an inner outlet 226 .
  • the inner inlet 225 is formed in the inner case 222 .
  • the inner inlet 225 may be formed on one side of the inner case 222 .
  • one side of the inner case 222 may correspond to an upper surface.
  • the inner inlet 225 may introduce a wet gas or a dry gas into the inner case 222 .
  • the inner inlet 225 may be formed through the inner case 222 .
  • the inner inlet 225 may be implemented as a single through hole passing through the inner case 222 . 5 , the inner inlet 225 may be implemented as a plurality of through holes penetrating the inner case 222 .
  • the inner inlet 225 may include a plurality of inlet windows 225a formed to pass through different portions of the inner case 222 .
  • the inflow windows 225a may be spaced apart from each other in each of the first axial direction (X-axis direction) and the second axial direction (Y-axis direction) to form a matrix.
  • the second axial direction (Y-axis direction) is an axial direction perpendicular to the first axial direction (X-axis direction).
  • the inner outlet 226 is formed in the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may be formed on one side of the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may discharge a wet gas or a dry gas from the inside of the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may be formed through the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may be implemented as a single through hole penetrating the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may be implemented as a plurality of through holes penetrating the inner case 222 .
  • the inner outlet 226 may include a plurality of outlet windows 226a formed to pass through different portions of the inner case 222 .
  • the outflow windows 226a may be spaced apart from each other in each of the first axial direction (X-axis direction) and the second axial direction (Y-axis direction) to form a matrix.
  • the inner outlet 226 and the inner inlet 225 may be disposed at positions spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the wetting gas flows through the inner outlet 226 and the inner inlet 225 , the wetting gas flows through the mid inlet 212 to the inner surface of the mid-case 21 and the inner case 222 . It may be supplied between the outer surfaces, and may be supplied into the inner case 222 through the inner inlet 225 to contact the outer surface of the hollow fiber membrane bundle 221 . In this process, moisture contained in the wet gas penetrates the hollow fiber membrane bundle 221 , thereby humidifying the dry gas flowing along the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 . After the humidified dry gas flows out from the hollow fiber membrane bundle 221 , it may be supplied to the fuel cell stack through the second cap 4 . The wet gas after humidifying the dry gas flows out between the outer surface of the inner case 222 and the inner surface of the mid-case 21 through the inner outlet 226, and through the mid outlet 213 It may leak out of the mid-case 21 .
  • the drying gas flows through the inner outlet 226 and the inner inlet 225 .
  • the drying gas flows through the mid inlet 212 to the inner surface of the mid-case 21 and the inner case 222 . It may be supplied between the outer surfaces, and may be supplied into the inner case 222 through the mid inlet 212 to contact the outer surface of the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • moisture of the wet gas flowing along the hollow of the hollow fiber membrane bundle 221 passes through the hollow fiber membrane bundle 221 , thereby humidifying the dry gas flowing into the inner case 222 .
  • the humidified dry gas flows out between the outer surface of the inner case 222 and the inner surface of the mid-case 21 through the inner outlet 226 , and the mid-case 21 through the mid outlet 213 . ) may be supplied to the fuel cell stack after being discharged to the outside. After humidifying the dry gas, the wet gas may be discharged from the hollow fiber membrane bundle 221 to the outside through the second cap 4 .
  • the humidification module 2 may be implemented to seal between the mid-case 21 and the cartridge 22 through mechanical assembly without a casting process.
  • the humidification module 2 may include a first packing member 23 .
  • the first packing member 23 may be coupled to one end of the humidification module (2). Accordingly, the first packing member 23 may allow the first cap 3 to be in fluid communication with only the hollow fiber membrane bundle 221 . In this case, the first packing member 23 may block direct mixing of the dry gas and the wet gas.
  • the first packing member 23 may be airtightly coupled to one end of the humidification module 2 through mechanical assembly. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the casting process, which requires a relatively long process time, can be omitted, and thus productivity can be increased by shortening the process time for production.
  • the first packing member 23 may be formed of a material capable of elastic deformation. For example, the first packing member 23 may be formed of rubber.
  • the first packing member 23 may be formed in a ring shape to seal between the cartridge 22 and the mid-case 21 .
  • the humidification module 2 may include a second packing member 24 .
  • the second packing member 24 may be coupled to the other end of the humidification module (2). Accordingly, the second packing member 24 may allow the second cap 4 to be in fluid communication with only the hollow fiber membrane bundle 221 . In this case, the second packing member 24 may block direct mixing of the dry gas and the wet gas.
  • the second packing member 24 may be airtightly coupled to the other end of the humidification module 2 through mechanical assembly. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the casting process, which requires a relatively long process time, can be omitted, and thus productivity can be increased by shortening the process time for production.
  • the second packing member 24 may be formed of an elastically deformable material. For example, the second packing member 24 may be formed of rubber.
  • the second packing member 24 may be formed in a ring shape to seal between the cartridge 22 and the mid-case 21 .
  • the first cap 3 is coupled to one end of the humidification module 2 .
  • the first cap 3 may deliver dry gas or wet gas supplied from the outside to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 is coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may drain the dry gas or wet gas delivered from the humidification module 2 to the outside.
  • the second cap 4 may deliver the humidified dry gas to the fuel cell stack.
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention may be implemented to improve humidification efficiency through packing density.
  • FIGS. 2 to 10 it will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 10 as follows.
  • FIG. 10 comparative examples and examples are arranged in the order of packing density from small to large from top to bottom.
  • the packing density relates to a ratio between the inner volume of the inner case 222 and the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the volume occupied by (221) is small.
  • the increase in the packing density may be achieved by at least one of an increase in the volume occupied by the hollow fiber membrane bundle 221 and a decrease in the internal volume of the inner case 222 .
  • the decrease in the packing density may be achieved by at least one of a decrease in the volume occupied by the hollow fiber membrane bundle 221 and an increase in the internal volume of the inner case 222 .
  • the increase and decrease in the volume occupied by the hollow fiber membrane bundle 221 may be achieved by increasing and decreasing the number of the hollow fiber membranes 221a of the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the packing density may be calculated based on the membrane cross-sectional area and the potting cross-sectional area.
  • the membrane cross-sectional area may correspond to the cross-sectional area of the hollow fiber membrane bundle 221 with respect to the second axial direction (Y-axis direction).
  • the cross-sectional area of the hollow fiber membrane bundle 221 may be the sum of the unit cross-sectional areas of each of the hollow fiber membranes 221a of the hollow fiber membrane bundle 221 with respect to the second axial direction (Y-axis direction).
  • the unit cross-sectional area may be calculated based on an External Diameter 221D (shown in FIG. 7 ) of the hollow fiber membrane 221a. In this case, the unit cross-sectional area is a value including the cross-sectional area of the hollow 221b (shown in FIG. 7 ) of the hollow fiber membrane 221a.
  • the potting cross-sectional area may correspond to a cross-sectional area of one end of the inner case 222 in which the first potting layer 223 is potted based on the second axial direction (Y-axis direction).
  • the cross-sectional area of one end of the inner case 222 is regarded as a value corresponding to the inner volume of the inner case 222 , and thus the packing density may be calculated.
  • the potting cross-sectional area may correspond to the sum of the cross-sectional area of the first potting layer 223 with respect to the second axis direction (Y-axis direction) and the membrane cross-sectional area. In this case, the potting cross-sectional area may be a value obtained by multiplying the width (222H, shown in FIG.
  • the width 222H of the inner case 222 and the thickness 222T of the inner case 222 are based on the inner surface of the inner case 222 .
  • a thickness 222T of the inner case 222 is based on a third axial direction (Z-axis direction) perpendicular to both the first axial direction (X-axis direction) and the second axial direction (Y-axis direction).
  • the potting cross-sectional area may be the same as the cross-sectional area of the inner case 222 in which the second potting layer 224 is potted with respect to the second axial direction (Y-axis direction).
  • the packing density may be calculated.
  • the packing density may be a value obtained by dividing the membrane cross-sectional area by the potting cross-sectional area.
  • the packing density may be defined as a ratio of the membrane cross-sectional area to the potting cross-sectional area.
  • the membrane cross-sectional area may be increased.
  • the cross-sectional area of the hollow fiber membrane 221 increases, the sum of the cross-sectional areas of the hollow 221b of the hollow fiber membrane bundle 221 increases. can be increased. Accordingly, the differential pressure (hereinafter, referred to as 'transmembrane pressure') acting when the dry gas or the wet gas passes through the hollow fiber membrane bundle 221 is reduced. This can be confirmed from the decrease in the transmembrane pressure as the packing density increases in the graph shown in FIG. 8 .
  • the passage area through which the dry gas or wet gas can pass through the hollow fiber membrane bundle 221 is increased, so that the packing density It can be expected that the humidification efficiency will continue to improve as the value increases, but in reality, as the packing density increases, the passage area through which the wet gas or the dry gas can pass in the inner case 222 is reduced. Since the differential pressure is increased, it can be seen that the humidification efficiency is not continuously improved.
  • the packing density may be implemented to be 0.405 or more and 0.625 or less. 8 and 9, when expressed as a percentage, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention may have the packing density of 40.5% or more and 62.5% or less. Accordingly, the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention is implemented to have a packing density capable of increasing humidification efficiency, thereby contributing to improving the performance of the fuel cell. This will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 10 , as follows.
  • Example 1 shows a higher humidification efficiency of 27.1% compared to Comparative Example 1.
  • the packing density is more than 0.625 (percentage: more than 62.5%)
  • the transmembrane pressure is low due to an increase in the passage area through which the dry gas or the wet gas can pass through the hollow fiber membrane bundle 221
  • the case differential pressure is remarkably high due to a reduction in the passage area through which the wet gas or the dry gas can pass inside the case 222 , the total differential pressure is increased. Therefore, when the packing density is greater than 0.625, it exhibits a low humidification efficiency of less than 27%.
  • Comparative Example 2 in which the packing density is 0.65 (percentage: 65%), the transmembrane pressure is as low as 4.1 kPa, but the case differential pressure is remarkably high as 13.8 kPa, indicating a high total differential pressure of 17.9 kPa. Therefore, Comparative Example 2 shows a low humidification efficiency of 23.1%.
  • Example 2 shows a higher humidification efficiency of 27% compared to Comparative Example 2.
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention has the packing density of 0.405 or more and 0.625 or less, thereby significantly lowering the total differential pressure compared to the comparative example in which the packing density is 0.405 or less or 0.625 or more. As a result, high humidification efficiency can be achieved. Therefore, the humidifier 1 for fuel cell according to the present invention can increase the humidification rate of the gas supplied to the fuel cell stack, and thus can contribute to improving the performance of the fuel cell.
  • the humidifier 1 for a fuel cell according to the present invention may have the packing density of 0.51 or more (percentage: 51% or more). Accordingly, the humidifier 1 for fuel cell according to the present invention can have higher humidification efficiency. Looking at this in detail, it is as follows.
  • Example 3 in which the packing density is 0.51 (percentage: 51%), the transmembrane pressure is 6.5 kPa and the case differential pressure is 6.4 kPa, so the difference between the membrane differential pressure and the case differential pressure is very small. indicates Therefore, Example 3 shows a high humidification efficiency of 29.9%, which is very close to 30%. The humidification efficiency of Example 3 is improved compared to the humidification efficiency of 27.1% of Example 1 in which the packing density is 0.405 (percentage: 40.5%).
  • Example 4 in which the packing density is 0.435 (percentage: 43.5%), the transmembrane pressure is 7.9 kPa and the case differential pressure is 6 kPa. Compared with Example 3, it shows a larger total differential pressure of 13.9 kPa. Therefore, Example 4 shows a lower humidification efficiency of 29% compared to Example 3. However, Example 4 also shows a significantly higher humidification efficiency compared to Comparative Example 1, and also shows a higher humidification efficiency compared to Example 1.
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention may be implemented with the packing density of 0.53 or less (percentage: 53% or less). Accordingly, the humidifier 1 for fuel cell according to the present invention can have higher humidification efficiency. Looking at this in detail, it is as follows.
  • Example 5 in which the packing density is 0.53 (percentage: 53%), the transmembrane pressure is 6.3 kPa and the case differential pressure is 6.6 kPa. indicates Therefore, Example 5 shows a high humidification efficiency of 30.1% over 30%. The humidification efficiency of Example 5 is improved compared to the humidification efficiency of 27% of Example 2 in which the packing density is 0.625 (percentage: 62.5%).
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention may be implemented with the packing density of 0.51 or more and 0.53 or less (percentage: 51% or more and 53% or less). Accordingly, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can not only have high humidification efficiency, but also have stability with respect to the total differential pressure and humidification efficiency. This is because Example 3 having the packing density of 0.51 (percentage: 51%) and Example 5 having the packing density of 0.53 (percentage: 53%) have the same transmembrane pressure of 12.9 kPa, and the humidification efficiency is about 30%.
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention has the packing density of 0.51 or more and 0.53 or less (percentage: 51% or more and 53% or less). can be improved
  • the thickness of the hollow fiber membrane bundle 221 may be implemented in 0.1 or more and 0.8 or less. Accordingly, the humidifier 1 for fuel cell according to the present invention is implemented to have various humidification efficiencies, thereby improving versatility applicable to fuel cells used in various places of use. Looking at this in detail, it is as follows. Hereinafter, the ratio to the thickness 221T of the hollow fiber membrane bundle 221 is assuming that the width 221H of the hollow fiber membrane bundle 221 is 1.
  • the thickness 221T of the hollow fiber membrane bundle 221 is based on the third axial direction (Z-axis direction).
  • the thickness 222T of the hollow fiber membrane bundle 221 may match the thickness 222T of the inner surface of the inner case 222 or may be smaller than the thickness 222T of the inner surface of the inner case 222 .
  • the width 221H of the hollow fiber membrane bundle 221 is based on the second axial direction (Y-axis direction).
  • the width 221H of the hollow fiber membrane bundle 221 may match the width 222H of the inner surface of the inner case 222 or may be smaller than the width 222H of the inner surface of the inner case 222 .
  • the thickness 221T of the hollow fiber membrane bundle 221 is implemented to be 0.1 or more and 0.8 or less, so that a sufficient number of hollow fiber membranes 221a can be provided. It is possible to increase the use efficiency of the hollow fiber membranes 221a relatively disposed inside.
  • the fuel cell humidifier 1 when the thickness 222T of the hollow fiber membrane bundle 221 is greater than 0.6 and less than 0.8, the hollow fiber membrane disposed relatively inside the hollow fiber membrane bundle 221 .
  • the use efficiency of the 221a may be somewhat lowered, but instead, the service life of the hollow fiber membrane bundle 221 may be further increased.
  • the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can be implemented to suit the use where the service life is more important than the humidification efficiency.
  • the service life of the hollow fiber membrane bundle 221 may be somewhat shortened.
  • the use efficiency of the hollow fiber membranes 221a disposed relatively inside can be further increased.
  • the humidifier 1 for fuel cell according to the present invention may be suitably implemented in a place where humidification efficiency is more important than the service life.
  • the fuel cell humidifier 1 when the thickness 222T of the hollow fiber membrane bundle 221 is 0.2 or more and 0.6 or less, the service life of the hollow fiber membrane bundle 221 and the hollow fiber membrane bundle ( In 221), the use efficiency of the hollow fiber membranes 221a disposed relatively inside may be implemented in a balanced manner. In this case, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can be implemented to suit the use where the balance between humidification efficiency and service life is important.
  • the fuel cell humidifier 1 has a thickness 221T of the hollow fiber membrane bundle 221 of 0.1 or more and 0.8 or less, so it can be implemented to have various humidification efficiencies and service life. It is possible to improve the versatility that can be applied to the fuel cell used for
  • two or more cartridges 22 may be disposed in the mid-case 21 .
  • two cartridges 22 and 22 ′ may be disposed in the mid-case 21 .
  • three cartridges 22, 22', 22" may be disposed in the mid-case 21.
  • four cartridges are included in the mid-case 21. More than one cartridge 22 may be disposed.

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Abstract

본 발명은 양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case); 상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발; 상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구; 상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및 상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함하되, 상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여 상기 제1 포팅층가 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하인 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습기의 카트리지 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 다발의 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.
최근에는 수소전기차 등과 같이 다양한 사용처에 연료전지가 이용되고 있고, 연료전지의 성능을 높이기 위해 연료전지용 가습기가 높은 가습효율을 갖출 것이 요구되고 있다. 따라서, 연료전기용 가습기의 가습효율을 높일 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 연료전지가 필요로 하는 가습효율을 갖출 수 있는 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 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 상기 미드-케이스 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함할 수 있다. 상기 카트리지는 양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case); 상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발; 상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구; 상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및 상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함할 수 있다. 상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층이 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로, 양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case); 상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발; 상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구; 상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및 상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함할 수 있다. 상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층가 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하일 수 있다.
본 발명은 중공사막 다발의 비율에 관한 패킹밀도를 이용하여 연료전지가 필요로 하는 가습효율을 갖출 수 있도록 구현됨으로써, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 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 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 측단면도
도 7은 도 6의 A 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 측단면도
도 8은 패킹밀도에 따른 막차압, 케이스차압, 총차압의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 패킹밀도에 따른 가습효율의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 패킹밀도에 따른 비교예들과 실시예들의 가습효율, 막차압, 케이스차압, 총차압이 기재된 표
도 11과 도 12는 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 중공사막 다발을 나타낸 개념적인 측단면도
도 13은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 2개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
도 14는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 미드-케이스에 3개의 카트리지가 결합되는 실시예에 대한 개략적인 분해 사시도
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 포함될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 설명하면서 함께 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 것이다. 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 외부로부터 공급된 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 제1 캡(3)은 건조 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 습윤 기체에 의해 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 습윤 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체를 외부로 배출할 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 미드-케이스(21)에는 미드 유입구(212) 및 미드 유출구(213)가 형성될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 중공사막 다발(221)의 외표면과 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 카트리지(22)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)는 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다. 이 경우, 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 카트리지(22)가 갖는 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 카트리지(22)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 카트리지(22)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다. 이 경우, 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)로부터 돌출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)에서 서로 동일한 방향으로 돌출될 수 있다. 상기 미드 유입구(212)와 상기 미드 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)에서 서로 상이한 방향으로 돌출될 수도 있다. 상기 미드 유입구(212), 상기 미드 유출구(213), 및 상기 미드-케이스(21)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21) 내에 배치되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 중공사막 다발(221)을 포함할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 복수개의 중공사막 다발(221a)을 포함할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 상기 카트리지(22)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(22)를 상기 미드-케이스(21)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막 다발(221)은 상기 미드-케이스(21)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)에 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 말단들이 개방된 것이다. 이 경우, 상기 이너 케이스(222)의 양 말단에는 개구(Opening)가 형성될 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 내부에는 상기 중공사막 다발(221)이 들어있다. 상기 중공사막 다발(221)은 상기 이너 케이스(222)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)은 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 포팅층(223)을 포함할 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 상기 이너 케이스(222)의 일단에서 상기 중공사막 다발(221)의 일단을 고정하는 것이다. 이 경우, 상기 제1 포팅층(223)은 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 상기 이너 케이스(210)와 상기 중공사막 다발(221)의 일단을 고정할 수 있다. 상기 제1 포팅층(223)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부에 위치할 수 있다.
상기 카트리지(22)는 제2 포팅층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 상기 이너 케이스(222)의 타단에서 상기 중공사막 다발(221)의 타단을 고정하는 것이다. 이 경우, 상기 제2 포팅층(224)은 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 건조 기체 또는 습윤 기체는 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막 다발(221)의 중공으로 공급될 수 있고, 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막 다발(221)의 중공으로부터 유출될 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 상기 이너 케이스(210)와 상기 중공사막 다발(221)의 타단을 고정할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부에 위치할 수 있다. 상기 제2 포팅층(224)과 상기 제1 포팅층(223)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 카트리지(22)는 이너 유입구(225), 및 이너 유출구(226)를 포함할 수 있다.
상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 이너 케이스(222)의 일측은 상면(上面)에 해당할 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이너 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 이너 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 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이너 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 이너 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 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 이너 유입구(225)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 이너 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다.
상기 이너 유출구(226)와 상기 이너 유입구(225)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 미드 유입구(212)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막 다발(221)의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막 다발(221)의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막 다발(221)을 투과함으로써, 상기 이너 케이스(222)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는, 상기 이너 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 미드 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막 다발(221)로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 캐스팅(Casting) 공정 없이 기계적 조립을 통해 상기 미드-케이스(21)와 상기 카트리지(22) 사이를 밀폐시키도록 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 가습 모듈(2)은 제1 패킹부재(23)를 포함할 수 있다.
상기 제1 패킹부재(23)는 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 패킹부재(23)는 상기 제1 캡(3)이 상기 중공사막 다발(221)과만 유체 연통하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 패킹부재(23)는 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 차단할 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈(2)의 일단에 기밀하게 결합될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상대적으로 많은 공정시간이 요구되는 캐스팅 공정을 생략할 수 있으므로, 생산을 위한 공정시간의 단축을 통해 생산성을 증대시킬 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 탄성변형(Elastic Deformation)이 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 패킹부재(23)는 고무류로 형성될 수 있다. 상기 제1 패킹부재(23)는 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이를 밀폐하도록 고리 형태로 형성될 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 제2 패킹부재(24)를 포함할 수 있다.
상기 제2 패킹부재(24)는 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 패킹부재(24)는 상기 제2 캡(4)이 상기 중공사막 다발(221)과만 유체 연통하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 패킹부재(24)는 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 차단할 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈(2)의 타단에 기밀하게 결합될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상대적으로 많은 공정시간이 요구되는 캐스팅 공정을 생략할 수 있으므로, 생산을 위한 공정시간의 단축을 통해 생산성을 증대시킬 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 탄성변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제2 패킹부재(24)는 고무류로 형성될 수 있다. 상기 제2 패킹부재(24)는 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이를 밀폐하도록 고리 형태로 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)은 외부로부터 공급되는 건조 기체 또는 습윤 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 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 가습 모듈(2)로부터 전달된 건조 기체 또는 습윤 기체를 외부로 유출시킬 수 있다. 상기 가습 모듈(2)로부터 가습된 건조 기체가 전달된 경우, 상기 제2 캡(4)은 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수도 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 패킹밀도를 통해 가습효율을 향상시키도록 구현될 수 있다. 이에 관해, 도 2 내지 도 10을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 10에는 위에서부터 아래로 패킹밀도가 작은 것에서부터 큰 순서로 비교예들과 실시예들이 정렬되어 있다.
상기 패킹밀도는 상기 이너 케이스(222)의 내부체적과 상기 중공사막 다발(221) 간의 비율에 관한 것이다. 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에서 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적이 큰 것이고, 상기 패킹밀도가 감소될수록 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에서 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적이 작은 것이다. 상기 패킹밀도의 증가는, 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 증가 및 상기 이너 케이스(222)의 내부체적의 감소 중에서 적어도 하나에 의해 이루어질 수 있다. 상기 패킹밀도의 감소는, 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 감소 및 상기 이너 케이스(222)의 내부체적의 증가 중에서 적어도 하나에 의해 이루어질 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)이 차지하는 체적의 증가와 감소는, 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)들의 개수의 증가와 감소에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 패킹밀도는 막단면적과 포팅단면적을 기초로 하여 산출될 수 있다.
상기 막단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 중공사막 다발(221)의 단면적에 해당할 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)의 단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)들 각각의 단위단면적들을 합한 값일 수 있다. 상기 단위단면적은 상기 중공사막(221a)의 외경(External Diameter)(221D, 도 7에 도시됨)을 기초로 하여 산출될 수 있다. 이 경우, 상기 단위단면적은 상기 중공사막(221a)이 갖는 중공(221b, 도 7에 도시됨)의 단면적을 포함하는 값이다.
상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 제1 포팅층(223)이 포팅되는 이너 케이스(222)의 일단 내부에 대한 단면적에 해당할 수 있다. 이 경우, 상기 이너 케이스(222)의 일단 내부에 대한 단면적이 상기 이너 케이스(222)의 내부체적에 해당하는 값으로 간주되어서, 상기 패킹밀도가 산출될 수 있다. 상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 상기 제1 포팅층(223)의 단면적과 상기 막단면적을 합한 값에 해당할 수 있다. 이 경우, 상기 포팅단면적은 상기 이너 케이스(222)의 폭(222H, 도 6에 도시됨)과 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T, 도 6에 도시됨)를 곱한 값일 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 폭(222H)과 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T)는 상기 이너 케이스(222)의 내면을 기준으로 하는 것이다. 상기 이너 케이스(222)의 두께(222T)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 모두에 대해 수직한 제3 축 방향(Z축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 한편, 상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 제2 포팅층(224)이 포팅되는 이너 케이스(222)의 타단 내부에 대한 단면적과 동일한 값일 수 있다.
상술한 바와 같은 포팅단면적과 막단면적을 기초로 하여, 상기 패킹밀도가 산출될 수 있다. 상기 패킹밀도는 상기 막단면적을 상기 포팅단면적으로 나눈 값일 수 있다. 이 경우, 상기 패킹밀도는 상기 포팅단면적에서 상기 막단면적이 차지하는 비율로 정의될 수 있다. 상기 패킹밀도를 통해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)의 가습효율이 변경될 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
우선, 상기 패킹밀도가 증가되면, 상기 막단면적이 증가될 수 있다. 상기 막단면적이 증가됨에 따라 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공(221b)들의 단면적을 합한 값이 증가되므로, 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 증가될 수 있다. 이에 따라, 건조 기체 또는 습윤 기체가 상기 중공사막 다발(221)을 통과할 때 작용하는 차압[이하, '막차압'이라 함]이 감소된다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 막차압이 감소되는 것으로부터 확인할 수 있다.
다음, 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 막차압이 감소되므로 가습효율이 계속하여 증가되어야 할 것이나, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 패킹밀도가 증가되더라도 가습효율은 계속하여 증가되는 않음을 알 수 있다. 그 이유는, 상기 막단면적이 증가됨에 따라 상대적으로 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 감소되므로, 습윤 기체 또는 건조 기체가 상기 이너 케이스(222)의 내부를 통과할 때 작용하는 차압[이하, '케이스차압'이라 함]이 증가되면서 가습효율에 영향을 미치기 때문이다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 패킹밀도가 증가될수록 상기 케이스차압이 증가되는 것으로부터 확인할 수 있다. 상기 패킹밀도가 변화됨에 따라 상기 막차압에 비해 상기 케이스차압이 더 크게 변화되므로, 결과적으로 상기 패킹밀도가 변화됨에 따라 상기 카트리지(22)에 작용하는 전체적인 차압[이하, '총차압'이라 함]의 변화는 상기 케이스차압의 변화에 더 큰 영향을 받는다. 이는 도 8에 도시된 그래프에서 상기 총차압과 상기 총차압이 유사한 형태로 표시된 것으로부터 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 중공사막 다발(221)이 갖는 중공사막(221a)의 개수를 늘리면 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 증가되므로 상기 패킹밀도가 증가될수록 가습효율이 계속하여 향상되리라 예상할 수 있으나, 실제로는 상기 패킹밀도가 증가되면서 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적이 감소됨에 따라 상기 케이스차압이 증가되므로, 가습효율이 계속하여 향상되지 않음을 알 수 있다.
이를 기반으로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하로 구현될 수 있다. 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 백분율로 나타내면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 40.5% 이상 62.5% 이하로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율을 높일 수 있는 패킹밀도를 갖도록 구현됨으로써, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다. 이를 도 8 내지 도 10을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
우선, 상기 패킹밀도가 0.405 미만(백분율 : 40.5% 미만)인 경우, 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 증가로 상기 케이스차압은 낮지만 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 감소로 상기 막차압이 현저하게 높으므로, 상기 총차압이 높아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.405 미만인 경우, 27% 미만의 낮은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.38(백분율 : 38%)인 비교예 1의 경우, 상기 케이스차압이 4.3kPa로 낮지만 상기 막차압이 14.1kPa로 현저하게 높으므로, 18.4kPa의 높은 총차압을 나타낸다. 따라서, 비교예 1은 23.5%의 낮은 가습효율을 나타낸다.
이와 달리, 상기 패킹밀도가 0.405 이상(백분율 : 40.5% 이상)인 경우, 상기 패킹밀도가 0.405 미만(백분율 : 40.5% 미만)인 경우와 대비하여 상기 케이스차압이 다소 높지만 상기 막차압이 현저하게 낮으므로, 상기 총차압이 현저하게 낮아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.405 이상인 경우, 27% 이상의 높은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.405(백분율 : 40.5%)인 실시예 1의 경우, 비교예 1과 대비하여 상기 케이스차압이 5.1kPa로 다소 높지만 상기 막차압이 9.7kPa로 현저하게 낮으므로, 14.8kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 1은 비교예 1과 대비하여 더 높은 27.1%의 가습효율을 나타낸다.
다음, 상기 패킹밀도가 0.625 초과(백분율 : 62.5% 초과)인 경우, 상기 중공사막 다발(221)을 통해 건조 기체 또는 습윤 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 증가로 상기 막차압이 낮지만 상기 이너 케이스(222)의 내부에서 습윤 기체 또는 건조 기체가 통과할 수 있는 통과면적의 감소로 상기 케이스차압이 현저하게 높으므로, 상기 총차압이 높아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.625 초과인 경우, 27% 미만의 낮은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.65(백분율 : 65%)인 비교예 2의 경우, 상기 막차압이 4.1kPa로 낮지만 상기 케이스차압이 13.8kPa로 현저하게 높으므로, 17.9kPa의 높은 총차압을 나타낸다. 따라서, 비교예 2는 23.1%의 낮은 가습효율을 나타낸다.
이와 달리, 상기 패킹밀도가 0.625 이하(백분율 : 62.5% 이하)인 경우, 상기 패킹밀도가 0.625 초과(백분율 : 62.5% 초과)인 경우와 대비하여 상기 막차압이 다소 높지만 상기 케이스차압이 현저하게 낮으므로, 상기 총차압이 현저하게 낮아지게 된다. 따라서, 상기 패킹밀도가 0.625 이하인 경우, 27% 이상의 높은 가습효율을 나타낸다. 예컨대, 상기 패킹밀도가 0.625(백분율 : 62.5%)인 실시예 2의 경우, 비교예 2와 대비하여 상기 막차압이 5.3kPa로 다소 높지만 상기 케이스차압이 9.9kPa로 현저하게 낮으므로, 15.2kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 2는 비교예 2와 대비하여 더 높은 27%의 가습효율을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하로 구현됨으로써, 상기 패킹밀도가 0.405 이하 또는 0.625 초과로 구현된 비교예와 대비할 때 상기 총차압을 현저하게 낮춤으로써 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택으로 공급되는 기체의 가습율을 높일 수 있으므로, 연료전지의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상(백분율 : 51% 이상)으로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 더 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
상기 패킹밀도가 0.51(백분율 : 51%)인 실시예 3은 상기 막차압이 6.5kPa이고 상기 케이스차압이 6.4kPa이어서 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 매우 작으므로, 12.9kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 3은 30%에 매우 근접한 29.9%의 높은 가습효율을 나타낸다. 이러한 실시예 3의 가습효율은 상기 패킹밀도가 0.405(백분율 : 40.5%)인 실시예 1의 27.1%의 가습효율과 대비하여 향상된 것이다.
한편, 상기 패킹밀도가 0.435(백분율 : 43.5%)인 실시예 4는 상기 막차압이 7.9kPa이고 상기 케이스차압이 6kPa이어서 실시예 3과 대비하여 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 크므로, 실시예 3과 대비하여 더 큰 13.9kPa의 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 4는 실시예 3과 대비하여 더 낮은 29%의 가습효율을 나타낸다. 그러나, 실시예 4 또한 비교예 1과 대비하여 현저하게 높은 가습효율을 나타내는 것일 뿐만 아니라, 실시예 1과 대비하여서도 더 높은 가습효율을 나타내는 것이다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.53 이하(백분율 : 53% 이하)로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 더 높은 가습효율을 갖출 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
상기 패킹밀도가 0.53(백분율 : 53%)인 실시예 5는 상기 막차압이 6.3kPa이고 상기 케이스차압이 6.6kPa이어서 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 매우 작으므로, 12.9kPa의 낮은 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 5는 30%를 넘는 30.1%의 높은 가습효율을 나타낸다. 이러한 실시예 5의 가습효율은 상기 패킹밀도가 0.625(백분율 : 62.5%)인 실시예 2의 27%의 가습효율과 대비하여 향상된 것이다.
한편, 상기 패킹밀도가 0.595(백분율 : 59.5%)인 실시예 6은 상기 막차압이 6.5kPa이고 상기 케이스차압이 8.1kPa이어서 실시예 5와 대비하여 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 크므로, 실시예 5와 대비하여 더 큰 14.3kPa의 총차압을 나타낸다. 따라서, 실시예 6은 실시예 5와 대비하여 더 낮은 28.9%의 가습효율을 나타낸다. 그러나, 실시예 6 또한 비교예 2와 대비하여 현저하게 높은 가습효율을 나타내는 것일 뿐만 아니라, 실시예 2와 대비하여서도 더 높은 가습효율을 나타내는 것이다.
도 2 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상 0.53 이하(백분율 : 51% 이상 53% 이하)로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 높은 가습효율을 갖출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 총차압과 가습효율에 대한 안정성을 갖출 수 있다. 이는 상기 패킹밀도가 0.51(백분율 : 51%)인 실시예 3 및 상기 패킹밀도가 0.53(백분율 : 53%)인 실시예 5가 상기 막차압이 12.9kPa로 동일한 점, 가습효율이 대략 30%로 거의 동일한 점, 상기 막차압과 상기 케이스차압 간의 차이가 0.3kPa 이하로 거의 동일하여 건조 기체와 습윤 기체가 거의 동일한 유동성을 갖는 점으로부터 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 패킹밀도가 0.51 이상 0.53 이하(백분율 : 51% 이상 53% 이하)로 구현됨으로써, 사용자에게 일정 수준 이상의 품질을 보장하는 것이 가능하므로 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 12를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)을 1이라 할 때, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)는 0.1 이상 0.8 이하로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 다양한 가습효율을 갖추도록 구현됨으로써, 다양한 사용처에 이용되는 연료전지에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다. 이하에서 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)에 대한 비율은, 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)이 1인 것을 전제로 하는 것이다.
우선, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)는 상기 제3 축 방향(Z축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)는 상기 이너 케이스(222)의 내면의 두께(222T)와 일치하거나 상기 이너 케이스(222)의 내면의 두께(222T)에 비해 작을 수 있다. 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 상기 중공사막 다발(221)의 폭(221H)은 상기 이너 케이스(222)의 내면의 폭(222H)과 일치하거나 상기 이너 케이스(222)의 내면의 폭(222H)에 비해 작을 수 있다.
다음, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 미만인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 너무 얇아져서 충분한 개수의 중공사막(221a)을 구비하기 어렵다. 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.8 초과인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 너무 두꺼워져서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 너무 낮아질 수 있다.
이와 달리, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 이상 0.8 이하로 구현됨으로써, 충분한 개수의 중공사막(221a)을 구비할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.6 초과 0.8 이하인 경우, 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 다소 낮아질 수 있으나, 그 대신에 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명이 더 늘어날 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율에 비해 사용수명이 더 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.1 이상 0.2 미만인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명이 다소 짧아질 수 있으나, 그 대신에 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 더 증가될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 사용수명에 비해 가습효율이 더 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 중공사막 다발(221)의 두께(222T)가 0.2 이상 0.6 이하인 경우, 상기 중공사막 다발(221)의 사용수명과 상기 중공사막 다발(221)에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221a)들의 사용효율이 균형있게 구현될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 가습효율과 사용수명 간의 균형이 중요한 사용처에 적합하게 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막 다발(221)의 두께(221T)가 0.1 이상 0.8 이하로 구현됨으로써, 다양한 가습효율과 사용수명을 갖추도록 구현될 수 있으므로 다양한 사용처에 이용되는 연료전지에 적용할 수 있는 범용성을 향상시킬 수 있다.
도 13 및 도 14를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 미드-케이스(21) 내에는 2개 이상의 카트리지(22)들이 배치될 수도 있다. 도 13에 도시된 바와 같이 상기 미드-케이스(21) 내에는 2개의 카트리지들(22, 22')이 배치될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이 상기 미드-케이스(21) 내에는 3개의 카트리지들(22, 22', 22")이 배치될 수도 있다. 도시되지 않았지만, 상기 미드-케이스(21) 내에는 4개 이상의 카트리지(22)들이 배치될 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 (10)

  1. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 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 상기 미드-케이스 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함하며,
    상기 카트리지는,
    양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case);
    상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발;
    상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구;
    상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및
    상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함하고,
    상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층이 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 막단면적은 상기 중공사막 다발이 갖는 중공사막들 각각의 외경(External Diameter)을 기초로 하는 단위단면적들을 합한 값이고,
    상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향을 기준으로 하는 상기 제1 포팅층의 단면적과 상기 막단면적을 합한 값이며,
    상기 패킹밀도는 상기 막단면적을 상기 포팅단면적으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패킹밀도는 0.51 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 패킹밀도는 0.53 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 폭을 1이라 할 때, 상기 중공사막 다발의 두께는 0.1 이상 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로,
    양 말단들이 개방되어 있는 이너 케이스(Inner Case);
    상기 이너 케이스에 들어있는 중공사막 다발;
    상기 이너 케이스에 제1 축 방향을 따라 이격되어 형성된 이너 유입구와 이너 유출구;
    상기 이너 케이스의 일단에서 상기 중공사막 다발의 일단을 고정하는 제1 포팅층; 및
    상기 이너 케이스의 타단에서 상기 중공사막 다발의 타단을 고정하는 제2 포팅층;을 포함하고,
    상기 제1 축 방향에 수직한 제2 축 방향을 기준으로 하여, 상기 제1 포팅층가 포팅되는 이너 케이스의 일단 내부의 포팅단면적 및 상기 중공사막 다발의 막단면적을 기초로 하는 패킹밀도가 0.405 이상 0.625 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 막단면적은 상기 중공사막 다발이 갖는 중공사막들의 외경을 기초로 하는 단면적들을 합한 값이고,
    상기 포팅단면적은 상기 제2 축 방향을 기준으로 하는 상기 제1 포팅층의 단면적과 상기 막단면적을 합한 값이며,
    상기 패킹밀도는 상기 막단면적을 상기 포팅단면적으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 패킹밀도는 0.51 이상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  9. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 패킹밀도는 0.53 이하로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 폭을 1이라 할 때, 상기 중공사막 다발의 두께는 0.1 이상 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
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