WO2022265295A1 - 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 exhaust gas from being bypassed by sealing a gap between an inner case and a mid-case constituting a cartridge.
  • a fuel cell is a power-generating cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry batteries and storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and having no heat loss, the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.
  • the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Solid oxide fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane electrode assembly
  • Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by passing the target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, and 2) supplying moisture required for the fuel cell reaction. There are a direct injection method that calculates and directly supplies moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method that supplies moisture to a fluidized gas layer using a polymer membrane.
  • a membrane humidification method in which a polymer electrolyte membrane is humidified by providing water vapor to air supplied to a polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in exhaust gas is advantageous in that it can reduce the weight and size of the membrane humidifier.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeable area per unit volume when forming a module.
  • a membrane humidifier using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that even a small capacity can sufficiently humidify the fuel cell, the use of low-cost materials is possible, and high temperature in the fuel cell It has the advantage of being able to recover moisture and heat contained in discharged off-gas and reuse them through a membrane humidifier.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to the prior art
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating problems of the fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • the fuel cell membrane humidifier 10 of the prior art includes a humidification module 11 in which moisture is exchanged between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown), and humidification It includes caps 12 coupled to both ends of the module 11.
  • One of the caps 12 supplies air supplied from the outside to the humidifying module 11, and the other supplies air humidified by the humidifying module 11 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 11 includes a mid-case 11a and a mid-case 11a having an off-gas inlet 11b and an off-gas outlet 11c. At least one cartridge (20) disposed within.
  • One cartridge is illustrated in the drawing.
  • the cartridge 20 includes an inner case 23, and inside the inner case 23, a plurality of hollow fiber membranes 21 and a potting part 22 for fixing both ends of the bundle of hollow fiber membranes 21 are formed.
  • the potting part 22 is generally formed by curing a liquid polymer such as liquid polyurethane resin through a casting method.
  • a resin layer 11e is formed between the cartridge 20 and the mid-case 11a, and the resin layer 11e fixes the cartridge 20 to the mid-case 11a and covers the inner spaces of the caps 12. and the mid-case 11a to block the inner space.
  • the inner space of the mid-case 11a is divided into a first space S1 and a second space S2 by the partition wall 11d.
  • the inner case 23 includes a first mesh hole MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the first space S1 and a second mesh hole portion MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the second space S2.
  • a mesh hole part MH2 is provided.
  • the cartridge 20 including the inner case 23 has the advantage of being easily assembled to the mid-case 11a and easily replaced.
  • the hook 24 and the rib 25 of the cartridge 20 are fixed to one surface and the other surface of the partition wall 11d with the partition wall 11d interposed therebetween, and thus the cartridge 20 is the mid-case 111 ) can be fixed in
  • the gap between the hook 24 and the rib 25 and the width of the bulkhead 11d should be substantially the same. Otherwise, the exhaust gas introduced through the exhaust gas inlet 11b is discharged to the exhaust gas outlet 11c through the gap between the rib 25 and the partition wall 11d and the gap between the hook 24 and the partition wall 11d. That is, exhaust gas to be used for humidification is bypassed and discharged to the outside without being humidified. (See the symbol “BF” in FIG. 2)
  • the gap between the hook 24 and the rib 25 and the width of the bulkhead 11d may vary due to incorrect assembly or dimensional tolerance. For this reason, there is a problem in that the exhaust gas to be bypassed is generated and the humidification efficiency is lowered.
  • the lower surface of the cap in contact with the cap interface may be formed in a size corresponding to the cap interface.
  • the rib may have a closed curve shape surrounding the outer surface of the inner case.
  • the hook may have a closed curve shape surrounding the outer surface of the inner case.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • Figure 2 is a cross-sectional view for explaining the problems of the fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a gasket according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a barrier rib implemented in a different form in a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a gasket according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view according to an embodiment of the present invention It is a cross-sectional view showing that the barrier rib is implemented in a different form in the fuel cell membrane humidifier.
  • the fuel cell membrane humidifier 100 includes a humidifying module 110 , a cap 120 , and a gasket 130 .
  • the humidification module 110 exchanges moisture between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown). Caps 120 are coupled to both ends of the humidifying module 110 . One of the caps 120 supplies air supplied from the outside to the humidifying module 110, and the other supplies air humidified by the humidifying module 110 to the fuel cell stack.
  • the humidifying module 110 includes a mid-case 111 having an exhaust gas inlet 112 and an exhaust gas outlet 113 and at least one cartridge 20 disposed in the mid-case 111 .
  • the cartridge 20 includes a plurality of hollow fiber membranes 21 , a potting part 22 , an inner case 23 , a hook 24 , and a rib 25 .
  • the potting part 22 fixes the ends of the hollow fiber membrane 21 .
  • the potting part 22 may be formed by curing a liquid resin such as liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting.
  • the inner case 23 has an opening at each end and accommodates a plurality of hollow fiber membranes 21 therein.
  • the potting part 22 in which ends of the hollow fiber membrane 21 are potted closes the opening of the inner case 23 .
  • the inner case 23 includes a first mesh hole MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the first space S1 and a second mesh hole portion MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the second space S2.
  • a mesh hole part MH2 is provided.
  • the gasket 130b transmits the fastening force between the cap 120 and the mid-case 111 to the hook 24 so that the hook 24 seals the gap between the inner case 23 and the bulkhead 114. can do.
  • the gasket 130 includes an inner case boundary surface 131, a cap boundary surface 132, and an insertion protrusion 133, and as shown in FIG. 4, may be formed in a single closed curve shape.
  • the inner case boundary surface 131 is a surface where the gasket 130 and the inner case 23 come into contact, and may have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the inner case 23 .
  • the cap boundary surface 132 is a surface where the gasket 130 and the cap 120 come into contact, and may have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the cap 120 .
  • the insertion protrusion 133 is inserted between the end of the cap 120 and the end of the mid-case 111, and when the cap 120 and the mid-case 111 are fastened and assembled, the inside of the cap 120 is pressurized. The space and the space inside the mid-case 111 are sealed.
  • the gasket 130 is made of rubber or plastic material having a certain hardness, it is disposed between the cap 120 and the inner case 23, and then the cap 120 and the mid-case 111 are connected using bolts and nuts. During fastening, the cap 120 and the mid-case 111 are compressed by the pressure applied by the cap 120 and the mid-case 111, and the fastening force of the cap 120 and the mid-case 111 protrudes from the inner case 23 and one side of the inner case It can be transferred to the formed rib 25.
  • the rib 25 receives the fastening force (pressure or repulsive force due to compression) received by the gasket 130 through the inner case 23 and applies force in the direction of the partition wall 114 . Therefore, even when there is a dimensional tolerance during manufacturing, the rib 25 can seal the gap between the inner case 23 and the partition wall 114 . As a result, it is possible to prevent the exhaust gas from bypassing through the gap.
  • "dimensional tolerance” may be used as a meaning including all cases in which the gap between the hook 24 and the rib 25 and the width of the bulkhead 114 vary during the manufacturing process.
  • the first gasket 130a on the rib 25 side and the second gasket 130b on the hook 24 side may have different hardnesses.
  • the hardness of the first gasket 130a on the rib 25 side is referred to as first hardness
  • the hardness of the second gasket 130b on the hook 24 side is referred to as second hardness.
  • the right cap 120 is engaged with the mid-case 111.
  • the second gasket 130b is inserted into the right cap 120 and the mid-case 111.
  • the cartridge 20 is inserted into the mid-case 111.
  • the inclined hook 24 is inserted first and the rib 25 is inserted later.
  • the hook 24 and the rib 25 are fixed to one surface and the other surface of the partition wall 114 with the partition wall 114 interposed therebetween.
  • the left cap 120 is fastened to the mid-case 111 .
  • the fastening force between the left cap 120 and the mid-case 111 is transmitted to the rib 25 .
  • the fastening force between the right cap 120 and the mid-case 111 is transmitted to the hook 24 .
  • first gasket 130a and the second gasket 130b have different hardnesses, and the hardness may be determined according to the shape of the hook 24 or the rib 25 .
  • the rib 25 has a closed curve shape surrounding the outer surface of the inner case 23, since the rib 25 can seal the gap between the inner case 23 and the partition wall 114, the rib 25 It is preferable that the first gasket 130a on the ) side has a greater hardness than the second gasket 130b on the hook 24 side.
  • the hook 24 when the hook 24 has a closed curve shape surrounding the outer surface of the inner case 23, the hook 24 can seal the gap between the inner case 23 and the partition wall 114, so that the hook 24 can seal the gap between the inner case 23 and the partition wall 114. It is preferable that the second gasket 130b on the (24) side has a greater hardness.
  • both the hook 24 and the rib 25 have a closed curve shape surrounding the outer surface of the inner case 23, it is sufficient that the first gasket 130a and the second gasket 130b have different hardnesses. .
  • the barrier rib 114 may be formed in a shape as shown in FIG. 5 .
  • the partition wall 114 may be formed in a shape in which the central portion of the mid-case 111 is recessed inward.

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Abstract

카트리지를 구성하는 이너 케이스와 미드-케이스 사이의 틈을 밀봉하여, 배가스가 바이패스되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 개시된 연료전지 막가습기는, 내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스의 일측과 체결되는 제1 캡; 상기 미드-케이스의 타측과 체결되는 제2 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스; 상기 이너 케이스의 일측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 일면에 접촉하는 리브; 상기 이너 케이스의 타측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 타면에 접촉하는 후크; 상기 제1 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제1 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 리브로 전달하는 제1 가스켓; 상기 제2 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제2 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 후크로 전달하는 제2 가스켓;을 포함한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 카트리지를 구성하는 이너 케이스와 미드-케이스 사이의 틈을 밀봉하여, 배가스가 바이패스되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력 밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 막가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 막가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 막가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12)을 포함한다.
캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.
가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11b)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11c)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다. 도면에서는 하나의 카트리지가 예시되어 있다. 카트리지(20)는 이너 케이스(23)를 구비하며, 이너 케이스(23) 내부에는 다수의 중공사막(21)과 중공사막(21) 다발의 양 말단들을 고정하는 포팅부(22)가 형성된다. 포팅부(22)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
카트리지(20)와 미드-케이스(11a) 사이에는 수지층(11e)이 형성되며, 수지층(11e)은 카트리지(20)를 미드-케이스(11a)에 고정하고 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(11a)의 내부 공간을 차단한다.
미드-케이스(11a)의 내부 공간은 격벽(11d)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획된다. 이너 케이스(23)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제2 메쉬홀부(MH2)를 구비한다.
배가스 유입구(11b)를 통해 미드-케이스(11a)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀부(MH1)을 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀부(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(11c)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 이와 같은 이너 케이스(23)를 포함하는 카트리지(20)는 미드-케이스(11a)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있다는 장점을 갖는다.
도 2를 참조하면, 이너 케이스(23)는 격벽(11d)의 일면에 접촉하는 리브(25)와 격벽(11d)의 타면에 접촉하는 후크(24)를 구비한다. 후크(24)는 경사면을 구비한다. 캡(12)과 미드-케이스(111)가 분리된 상태에서, 도면의 좌측에서 우측 방향으로 카트리지(20)를 미드-케이스에 삽입할 때, 후크(24)의 경사면이 격벽(11d)과 접촉하면서 억지끼움 방식으로 격벽들 사이에 삽입될 수 있고, 이후, 카트리지(20)는 계속해서 삽입되다가 리브(25)가 격벽(11d)에 접촉하면 더 이상 삽입되지 않고 고정된다.
즉, 카트리지(20)의 후크(24)와 리브(25)는 격벽(11d)을 사이에 두고, 격벽(11d)의 일면과 타면에 고정되고, 이에 따라 카트리지(20)는 미드-케이스(111) 내에 고정될 수 있다.
이때, 후크(24)와 리브(25) 사이의 간격과 격벽(11d)의 폭 크기가 실질적으로 동일하게 제조되어야 한다. 그렇지 않으면, 배가스 유입구(11b)를 통해 유입된 배가스가 리브(25)와 격벽(11d) 사이의 틈, 후크(24)와 격벽(11d) 사이의 틈을 통해 배가스 배출구(11c)로 배출된다. 즉, 가습에 사용되어야 할 배가스가 가습을 하지 않고 바이패스하여 외부로 배출된다. (도 2의 부호 "BF" 참조)
그러나, 오조립 또는 치수 공차에 의해 후크(24)와 리브(25) 사이의 간격과 격벽(11d)의 폭 크기가 달라질 수 있다. 이 때문에, 바이패스하는 배가스가 발생하여 가습 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 카트리지를 구성하는 이너 케이스와 미드-케이스 사이의 틈을 밀봉하여, 배가스가 바이패스되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스; 상기 이너 케이스의 일측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 일면에 접촉하는 리브; 상기 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 리브로 전달하여 상기 이너 케이스와 상기 격벽 사이의 틈을 밀봉하며, 제1 경도를 갖는 가스켓;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스; 상기 이너 케이스의 타측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 타면에 접촉하는 후크; 상기 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 후크로 전달하여 상기 이너 케이스와 상기 격벽 사이의 틈을 밀봉하며, 제2 경도를 갖는 가스켓;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 가스켓은, 상기 가스켓과 상기 이너 케이스가 접하는 이너 케이스 경계면과, 상기 가스켓과 상기 캡이 접하는 캡 경계면과, 상기 캡의 단부와 상기 미드-케이스의 단부 사이에 삽입되는 삽입 돌기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 캡 경계면과 접촉하는 상기 캡의 저면은, 상기 캡 경계면과 대응하는 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 리브는, 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 후크는, 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스의 일측과 체결되는 제1 캡; 상기 미드-케이스의 타측과 체결되는 제2 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스; 상기 이너 케이스의 일측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 일면에 접촉하는 리브; 상기 이너 케이스의 타측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 타면에 접촉하는 후크; 상기 제1 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제1 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 리브로 전달하는 제1 가스켓; 상기 제2 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제2 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 후크로 전달하는 제2 가스켓;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 가스켓과 상기 제2 가스켓은 상이한 경도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 리브는 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖고, 상기 후크는 폐곡선 형상이 아닌 경우, 상기 제1 가스켓의 경도가 상기 제2 가스켓의 경도 보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 후크는 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖고, 상기 리브는 폐곡선 형상이 아닌 경우, 상기 제2 가스켓의 경도가 상기 제1 가스켓의 경도 보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 카트리지를 구성하는 이너 케이스와 미드-케이스 사이의 틈을 밀봉하여, 배가스가 바이패스되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓이 도시된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에서 격벽이 다른 형태로 구현된 것이 도시된 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓이 도시된 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에서 격벽이 다른 형태로 구현된 것이 도시된 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100)는, 가습 모듈(110), 캡(120), 가스켓(130)을 포함한다.
가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된다. 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.
가습 모듈(110)은, 배가스 유입구(112)와 배가스 배출구(113)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다.
물론, 설계에 따라 캡들(120) 중 하나는 배가스를 가습 모듈(110)로 공급하여 중공사막 내부를 흐르게 하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 배가스를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 배가스 유입구(112) 또는 배가스 배출구(113) 중 어느 하나를 통해 외부의 공기가 유입되고, 나머지 하나를 통해 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기가 연료전지 스택으로 공급되도록 할 수 있다. 외부 공기의 유동 방향과 배가스의 유동 방향은 같은 방향이거나 또는 서로 반대 방향일 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다. 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽 (114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다.
카트리지(20)는 다수의 중공사막(21), 포팅부(22), 이너 케이스(23), 후크(24), 리브(25)를 포함한다.
중공사막(21)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
포팅부(22)는 중공사막(21)의 말단들을 고정한다. 포팅부(22)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
이너 케이스(23)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 내부에 다수의 중공사막(21)을 수용한다. 중공사막(21)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(22)는 이너 케이스(23)의 개구를 폐쇄시킨다. 이너 케이스(23)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제2 메쉬홀부(MH2)를 구비한다.
배가스 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀부(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
캡(120)과 카트리지(20) 사이에는 가스켓(130)이 설치된다. 구체적으로, 가스켓(130)은 카트리지(20)를 구성하는 이너 케이스(23)와 캡(120) 사이에서 캡(120)에 의해 가압되어 설치된다. 가스켓(130a)은 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결력을 리브(25)로 전달하여, 리브(25)가 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉하도록 한다.
마찬가지로, 가스켓(130b)은 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결력을 후크(24)로 전달하여, 후크(24)가 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉하도록 할 수 있다.
이하의, 설명에서 리브(25)가 밀봉하는 것을 중심으로 설명하나, 후크(24)가 밀봉하는 경우를 배제하는 것은 아니다. 후크(24) 또는 리브(25) 중 어느 것이 틈을 밀봉하는 것인지는, 후크(24) 또는 리브(25)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 리브(25)가 이너 케이스(23)의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 경우, 리브(25)가 틈을 밀봉하고, 후크(24)가 이너 케이스(23)의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 경우, 후크(24)가 틈을 밀봉할 수 있다.
가스켓(130)은 이너 케이스 경계면(131)과 캡 경계면(132)과 삽입 돌기(133)를 구비하며, 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 폐곡선 형태로 형성될 수 있다.
이너 케이스 경계면(131)은 가스켓(130)과 이너 케이스(23)가 접하는 면으로, 이너 케이스(23)의 횡단면 형태와 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다. 캡 경계면(132)은 가스켓(130)과 캡(120)이 접하는 면으로, 캡(120)의 횡단면 형태와 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다. 삽입 돌기(133)는 캡(120)의 단부와 미드-케이스(111)의 단부 사이에 삽입되어, 캡(120)과 미드-케이스(111)를 체결 조립할 때, 가압되면서 캡(120) 내부의 공간과 미드-케이스(111) 내부의 공간을 밀폐시킨다.
가스켓(130)은 소정 경도를 갖는 고무 또는 플라스틱 재질로 이루어지므로, 캡(120)과 이너 케이스(23) 사이에 배치된 후, 볼트와 너트를 이용한 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결시에, 캡(120)과 미드-케이스(111)에 의해 가해지는 압력에 의해 압축되면서 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결력을 이너 케이스(23) 및 이너 케이스의 일측에 돌출 형성된 리브(25)로 전달할 수 있다.
리브(25)는, 이너 케이스(23)를 통해 가스켓(130)이 받는 체결력(압축에 의한 압력 또는 반발력)을 전달 받아서, 격벽(114) 방향으로 힘을 가하게 된다. 따라서, 제조시 치수 공차가 있는 경우에도, 리브(25)는 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉할 수 있게 된다. 그 결과, 이 틈을 통해 배가스가 바이패스하는 것을 방지할 수 있게 된다. 여기서, "치수 공차"는 제조 과정에서 후크(24)와 리브(25) 사이의 간격과 격벽(114)의 폭 크기가 달라지는 모든 경우를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
체결력 전달을 더욱 효과적으로 하기 위해, 캡 경계면(132)과 접촉하는 캡(120)의 저면(122)은 캡 경계면(132)과 대응하는 크기로 형성될 수 있다.
리브(25) 측의 제1 가스켓(130a)과 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)은 동일한 경도와 동일한 치수로 형성되는 경우에도, 가스켓(130)이 받는 체결력이 리브(25)에 전달될 수 있다. 하지만, 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)도 후크(24)로 체결력을 전달하기 때문에, 양 측의 체결력이 상쇄될 우려도 있다.
이에 본 발명에서는 리브(25) 측의 제1 가스켓(130a)과 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)이 서로 다른 경도를 갖도록 할 수도 있다. 리브(25) 측의 제1 가스켓(130a)의 경도를 제1 경도라 하고, 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)의 경도를 제2 경도라 한다.
다시, 도 3을 참조하여 막가습기 조립 순서를 고려하면, 먼저, 우측 캡(120)이 미드-케이스(111)와 체결된다. 이때, 제2 가스켓(130b)은 우측 캡(120)과 미드-케이스(111)에 삽입된다. 이 후, 카트리지(20)가 미드-케이스(111)에 삽입된다. 이때, 경사면이 있는 후크(24)가 먼저 삽입되고 리브(25)는 나중에 삽입된다. 후크(24)와 리브(25)는 격벽(114)을 사이에 두고, 격벽(114)의 일면과 타면에 고정된다. 다음, 제1 가스켓(130a)이 이너 케이스(23) 및 미드-케이스(111) 단부에 배치된 후, 좌측 캡(120)이 미드-케이스(111)와 체결된다. 이 때, 좌측 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결력이 리브(25)에 전달된다. 또한 이 때, 우측 캡(120)과 미드-케이스(111)의 체결력이 후크(24)에 전달된다.
이 상황에서, 제1 경도를 갖는 리브(25) 측의 제1 가스켓(130a)과 제2 경도를 갖는 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)이 서로 다른 경도를 갖는 경우, 즉, 제1 경도와 제2 경도가 서로 상이한 경우, 어느 한 측의 체결력이 더 우세하게 되어, 리브(25) 또는 후크(24) 중 하나가 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉할 수 있게 된다.
또한, 제1 가스켓(130a)과 제2 가스켓(130b)이 서로 다른 경도를 가지되, 후크(24) 또는 리브(25)의 형상에 따라 경도의 크기가 결정될 수 있다.
리브(25)가 이너 케이스(23)의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 경우, 리브(25)가 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉할 수 있으므로, 리브(25) 측의 제1 가스켓(130a)이 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b) 보다 큰 경도를 갖는 것이 바람직하다.
마찬가지로, 후크(24)가 이너 케이스(23)의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 경우, 후크(24)가 이너 케이스(23)와 격벽(114) 사이의 틈을 밀봉할 수 있으므로, 후크(24) 측의 제2 가스켓(130b)이 더 큰 경도를 갖는 것이 바람직하다.
후크(24)와 리브(25)가 모두 이너 케이스(23)의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 경우, 제1 가스켓(130a)과 제2 가스켓(130b)은 서로 상이한 경도를 가지면 충분하다.
설계에 따라, 격벽(114)은 도 5에 도시된 바와 같은 형상으로 형성될 수 있다. 도 5를 참조하면, 격벽(114)은 미드-케이스(111)의 중앙 부분이 내측으로 함몰된 형태로 형성될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
[부호의 설명]
100 : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 : 배가스 유입구 113 : 배가스 배출구
114 : 격벽 120 : 캡
130 : 가스켓 20 : 카트리지

Claims (10)

  1. 내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스;
    상기 미드-케이스와 체결되는 캡;
    상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스;
    상기 이너 케이스의 일측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 일면에 접촉하는 리브;
    상기 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 리브로 전달하여 상기 이너 케이스와 상기 격벽 사이의 틈을 밀봉하며, 제1 경도를 갖는 가스켓;
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  2. 내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스;
    상기 미드-케이스와 체결되는 캡;
    상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스;
    상기 이너 케이스의 타측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 타면에 접촉하는 후크;
    상기 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 후크로 전달하여 상기 이너 케이스와 상기 격벽 사이의 틈을 밀봉하며, 제2 경도를 갖는 가스켓;
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 가스켓은,
    상기 가스켓과 상기 이너 케이스가 접하는 이너 케이스 경계면과,
    상기 가스켓과 상기 캡이 접하는 캡 경계면과,
    상기 캡의 단부와 상기 미드-케이스의 단부 사이에 삽입되는 삽입 돌기
    를 포함하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 캡 경계면과 접촉하는 상기 캡의 저면은, 상기 캡 경계면과 대응하는 크기로 형성되는 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 리브는,
    상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 후크는,
    상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖는
    연료전지 막가습기.
  7. 내부 공간을 구획하는 격벽이 형성된 미드-케이스;
    상기 미드-케이스의 일측과 체결되는 제1 캡;
    상기 미드-케이스의 타측과 체결되는 제2 캡;
    상기 미드-케이스 내에 배치되며, 내부에 복수의 중공사막을 수용하는 이너 케이스;
    상기 이너 케이스의 일측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 일면에 접촉하는 리브;
    상기 이너 케이스의 타측에서 돌출 형성되며, 상기 격벽의 타면에 접촉하는 후크;
    상기 제1 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제1 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 리브로 전달하는 제1 가스켓;
    상기 제2 캡과 상기 이너 케이스 사이에 배치되며, 상기 제2 캡과 상기 미드-케이스의 체결력을 상기 후크로 전달하는 제2 가스켓;
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 가스켓과 상기 제2 가스켓은 상이한 경도를 갖는 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 리브는 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖고, 상기 후크는 폐곡선 형상이 아닌 경우,
    상기 제1 가스켓의 경도가 상기 제2 가스켓의 경도 보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 후크는 상기 이너 케이스의 외표면 둘레를 둘러싸는 폐곡선 형상을 갖고, 상기 리브는 폐곡선 형상이 아닌 경우,
    상기 제2 가스켓의 경도가 상기 제1 가스켓의 경도 보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
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