WO2023033343A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

연료전지 막가습기 Download PDF

Info

Publication number
WO2023033343A1
WO2023033343A1 PCT/KR2022/009969 KR2022009969W WO2023033343A1 WO 2023033343 A1 WO2023033343 A1 WO 2023033343A1 KR 2022009969 W KR2022009969 W KR 2022009969W WO 2023033343 A1 WO2023033343 A1 WO 2023033343A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
fuel cell
cell membrane
membrane humidifier
cartridge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2022/009969
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김도우
안나현
김인호
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kolon Industries Inc
Original Assignee
Kolon Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kolon Industries Inc filed Critical Kolon Industries Inc
Priority to US18/578,189 priority Critical patent/US20240322196A1/en
Priority to JP2023571433A priority patent/JP7573766B2/ja
Priority to EP22864852.3A priority patent/EP4350820A4/en
Priority to CN202280051623.4A priority patent/CN117730440B/zh
Publication of WO2023033343A1 publication Critical patent/WO2023033343A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B01D2313/083—Bypass routes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/18—Specific valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/19—Specific flow restrictors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B01D2313/201—Closed housing, vessels or containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/23—Specific membrane protectors, e.g. sleeves or screens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier, and more particularly, to a fuel cell membrane humidifier capable of improving humidification efficiency by preventing differential pressure loss in a humidification module.
  • a fuel cell is a power-generating cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry batteries and storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and having no heat loss, the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.
  • the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Solid oxide fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane electrode assembly
  • Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by passing the target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, and 2) supplying moisture required for the fuel cell reaction. There are a direct injection method that calculates and directly supplies moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method that supplies moisture to a fluidized gas layer using a polymer membrane.
  • a membrane humidification method in which a polymer electrolyte membrane is humidified by providing water vapor to air supplied to a polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in exhaust gas is advantageous in that it can reduce the weight and size of the membrane humidifier.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeable area per unit volume when forming a module.
  • a membrane humidifier using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that even a small capacity can sufficiently humidify the fuel cell, the use of low-cost materials is possible, and high temperature in the fuel cell It has the advantage of being able to recover moisture and heat contained in discharged off-gas and reuse them through a membrane humidifier.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of improving humidification efficiency by preventing differential pressure loss in a humidification module.
  • the mid-case Performing water exchange between the first fluid and the second fluid, the mid-case; a second fluid inlet through which the second fluid flows into the mid-case; a second fluid outlet through which the second fluid is discharged to the outside; a partition wall partitioning the inner space of the mid-case into a first space and a second space; and at least one cartridge disposed in the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes.
  • a cross-sectional area of the second fluid inlet is equal to or greater than a total area of windows constituting the first mesh hole arranged in a mesh shape in the at least one cartridge for fluid communication with the first space.
  • the total area of the windows constituting the first mesh hole portion is the at least one excluding the cross-sectional area occupied by the plurality of hollow fiber membranes accommodated in the at least one cartridge. It may be formed to be greater than or equal to the internal cross-sectional area of the cartridge.
  • the cross-sectional area of the second fluid inlet is CS1
  • the total area of windows constituting the first mesh hole is CS2
  • the cross-sectional area of the at least one cartridge is CS3
  • the at least one When the sum of the cross-sectional areas of the plurality of hollow fiber membranes accommodated in the cartridge is CS4, the inner diameter of the second fluid inlet may be formed such that CS1 ⁇ CS2 ⁇ (CS3 - CS4).
  • an active type that adjusts the flow rate of the second fluid flowing in the first space and the second space according to the flow rate of the second fluid introduced through the second fluid inlet.
  • a bypass unit may be further included.
  • the active bypass unit may include a bypass hole formed through the barrier rib; and a bypass hole opening and closing means for opening and closing the bypass hole according to the flow rate of the second fluid introduced through the second fluid inlet.
  • the bypass hole opening and closing means may be a single plate member formed on the barrier rib and covering the bypass hole.
  • the bypass hole opening/closing means may be a dual plate member formed on the barrier rib and covering the bypass hole on both sides.
  • the bypass hole opening and closing means may be a double plate member formed on the barrier rib and covering the bypass hole on both sides so that at least a portion thereof overlaps.
  • the bypass hole opening and closing means is formed of a flexible material that is deformed in shape when pressure increases and restored to its original shape when pressure decreases desirable.
  • FIG. 1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is an embodiment of a cross-sectional view viewed along line A-A′ of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a side view of the humidification module from which the cap of the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of FIG. 3 is removed.
  • FIG. 5 is a view conceptually showing the relationship between the cross-sectional area of the second fluid inlet, the total area of the cartridge window, and the sum of the cross-sectional area of the cartridge and the cross-sectional areas of the hollow fiber membranes.
  • FIG. 6 is another embodiment of a cross-sectional view viewed along line A-A' of FIG. 2 .
  • FIG. 7 is a side view of a humidification module from which a cap of the fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of FIG. 6 is removed.
  • FIGS. 8 to 10 are views illustrating an active bypass unit according to various embodiments.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a cartridge mounted in a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention
  • FIG. 3 is A- of FIG. An embodiment of a cross-sectional view viewed from line A'
  • Figure 4 is a side view of a humidification module from which the cap of the fuel cell membrane humidifier is removed according to an embodiment of Figure 3
  • Figure 5 is a cross-sectional area of the second fluid inlet and It is a diagram conceptually showing the relationship between the total area of the cartridge window, the cross-sectional area of the cartridge, and the sum of the cross-sectional areas of the hollow fiber membranes.
  • the fuel cell membrane humidifier includes a humidifying module 110 and caps 120 .
  • the humidification module 110 performs moisture exchange between a first fluid supplied from the outside and a second fluid discharged from a fuel cell stack (not shown). Caps 120 are fastened to both ends of the humidifying module 110 . A first fluid inlet 121 for supplying a first fluid supplied from the outside to the humidifying module 110 is formed on one of the caps 120, and the first fluid humidified by the humidifying module 110 is formed on the other. A first fluid outlet 122 supplying the fuel cell stack is formed.
  • the humidification module 110 includes a mid-case 111 having a second fluid inlet 112 and a second fluid outlet 113 and at least one cartridge 20 disposed within the mid-case 111 .
  • the second fluid discharged from the fuel cell stack flows into the second fluid inlet 112, exchanges moisture in the humidifying module 110, and then is discharged through the second fluid outlet 113.
  • the fluid introduced into/out of the second fluid inlet 112 or the second fluid outlet 113 is not limited to the second fluid.
  • the fluid introduced/discharged through the first fluid inlet 121 or the first fluid outlet 122 is not limited to the first fluid.
  • one of the caps 120 may supply the second fluid to the humidifying module 110 to flow inside the hollow fiber membrane, and the other cap may discharge the second fluid subjected to moisture exchange to the outside.
  • the first fluid is introduced through one of the second fluid inlet 112 and the second fluid outlet 113, and the first fluid humidified by the humidifying module 110 through the other one is fuel It can be supplied to the battery stack.
  • the flow direction of the first fluid and the flow direction of the second fluid may be in the same direction or opposite to each other.
  • the mid-case 111 and the cap 120 may be independently formed of hard plastic or metal, and may have a circular or polygonal cross section in the width direction. Circles include ovals, and polygons include polygons with rounded corners.
  • the hard plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), or the like.
  • the inner space of the mid-case 111 may be partitioned into a first space S1 and a second space S2 by the partition wall 114 .
  • the flow of the second fluid introduced through the second fluid inlet 112 is blocked by the partition wall 114 and is not immediately discharged to the second fluid outlet 113, and the cartridge disposed inside the mid-case 111 ( 20) and is discharged through the second fluid outlet 113 after performing water exchange while flowing.
  • the partition wall 114 may have an insertion hole H into which at least one cartridge 20 may be inserted. The cartridge 20 will be described later with reference to FIGS. 11 and 12 .
  • the second fluid discharged from the fuel cell stack flows through the second fluid inlet 112 --> the first space S1 --> the cartridge window W --> the inner space of the cartridge 20 --> >
  • the second space (S2) --> It has a flow path of the second fluid outlet (113). In this flow path, in the inner space of the cartridge 20, the second fluid exchanges water with the first fluid flowing inside the hollow fiber membranes 21 to humidify the first fluid.
  • the cross-sectional area of the second fluid inlet 112 is designed taking the total area of the cartridge window W into account.
  • the cross-sectional area of the second fluid inlet 112 is the total area of the windows W constituting the first mesh hole MH1 arranged in a mesh shape in the cartridge 20 for fluid communication with the first space S1. It can be formed equal to or larger than . That is, since the cross-sectional area CS1 of the second fluid inlet 112 is large and the total area CS2 of the windows W is small, the flow cross-sectional area of the second fluid becomes small, resulting in differential pressure loss due to the decrease in the speed of the second fluid. will be able to prevent
  • the total area of the windows W selectively constituting the first mesh hole MH1 is determined by considering the cross-sectional area of the cartridge 20 and the cross-sectional area of the plurality of hollow fiber membranes 21 accommodated inside the cartridge 20 together. can be designed Specifically, the total area of the windows W constituting the first mesh hole MH1 is preferably formed to be greater than or equal to the internal cross-sectional area of the cartridge 20 excluding the cross-sectional area occupied by the hollow fiber membranes 21.
  • the flow cross-sectional area of the second fluid is reduced to reduce the differential pressure loss due to the decrease in the speed of the second fluid. be able to prevent
  • the cross-sectional area of the second fluid inlet 112 is CS1
  • the total area of windows constituting the first mesh hole is CS2
  • the cartridge cross-sectional area is CS3
  • a plurality of hollow fiber membranes accommodated in the cartridge are CS4
  • the inner diameter of the second fluid inlet 112 is preferably formed such that CS1 ⁇ CS2 ⁇ CS3 - CS4.
  • FIG. 6 is another embodiment of a cross-sectional view taken along line A-A′ of FIG. 2
  • FIG. 7 is a side view of a humidification module from which a cap is removed from a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of FIG.
  • a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention includes a humidifying module 110, caps 120, and an active bypass unit 130. Since the humidifying module 110 and the caps 120 are substantially the same as those of the above-described embodiment, repeated descriptions will be omitted.
  • the active bypass unit 130 controls the flow rate of the second fluid flowing in the first space S1 and the second space S2 according to the flow rate of the second fluid introduced through the second fluid inlet 112. .
  • the active bypass unit 130 includes a bypass hole 131 and a bypass hole opening/closing means 132 .
  • the bypass hole 131 is formed through the partition wall 114 .
  • the bypass hole 131 may be formed in various polygonal shapes such as a triangle, a rectangle, a circle, an ellipse, or a circular shape.
  • the bypass hole opening/closing means 132 is formed of a flexible material that deforms in shape when the pressure increases and returns to its original shape when the pressure decreases.
  • the bypass hole opening/closing means 132 may be formed of an elastic valve made of a material (eg, rubber) having elasticity.
  • the bypass hole opening/closing means 132 formed of an elastic valve opens and closes the bypass hole 131 according to the flow rate of the second fluid introduced through the second fluid inlet 112 .
  • the elastic valve When the flow rate of the second fluid increases, the pressure increases according to the increased flow rate, and the elastic valve is deformed in the pressure direction to at least partially open the bypass hole 131 .
  • the elastic valve When the flow rate of the second fluid decreases, the elastic valve at least partially closes the bypass hole 131 while restoring the original direction as the pressure decreases according to the reduced flow rate.
  • FIGS. 8 to 10 are views illustrating an active bypass unit according to various embodiments.
  • the active bypass unit 130 may include a bypass hole 131 and a single plate member 132a formed on the partition wall 114 and covering the bypass hole 131. . Since the single plate member 132a is sufficient to be formed on only one side around the bypass hole 131, the manufacturing process is simple. It can be said to be the most basic form of the active bypass unit 130.
  • the active bypass unit 130 may include the bypass hole 131 and the dual plate member 132b formed on the partition wall 114 and covering the bypass hole 131 on both sides.
  • the dual valve members 132b are formed on both sides around the bypass hole 131, they can respond more sensitively to the change in the flow rate of the second fluid. It can be said to be a more advantageous form when the volume of the fuel cell membrane humidifier is smaller than that of the basic type.
  • the active bypass unit 130 is formed in the bypass hole 131 and the partition wall 114, and covers the bypass hole 131 on both sides, but at least partially overlaps the double plate member ( 132c). Since at least a part of the double valve member 132c overlaps, it can more insensitively respond to a change in the flow rate of the second fluid. It can be said to be a more advantageous form when the volume of the fuel cell membrane humidifier is larger than the basic type.
  • a part of the second fluid introduced into the second fluid inlet 112 flows from the first space S1 to the second space S2 through the active bypass unit 130 according to the flow rate of the second fluid, It is discharged through the outlet (113). Since the second fluid flowing through the active bypass unit 130 does not contact the first fluid, moisture exchange is not performed.
  • differential pressure within the fuel cell membrane humidifier may abnormally increase due to the second fluid flowing from the fuel cell stack. Since the abnormally increased differential pressure adversely affects the efficiency of the fuel cell membrane humidifier, in this case, appropriate differential pressure relief is required.
  • the active bypass unit 130 discharges a portion of the introduced second fluid to the outside by bypassing the hollow fiber membrane according to the flow rate of the second fluid, thereby solving an abnormal differential pressure increase.
  • the fuel cell membrane humidifier having the active bypass unit 130 according to embodiments of the present invention has an advantage in miniaturizing the volume.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a cartridge mounted on a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a cartridge mounted on a fuel cell membrane humidifier according to embodiments of the present invention.
  • the cartridge 20 includes a plurality of hollow fiber membranes 21 , a potting part 22 , and an inner case 23 .
  • the hollow fiber membrane 21 is polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin, poly It may include a polymer film formed of an esterimide resin or a mixture of at least two of them.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PAN polyacrylonitrile
  • PAN polyimide resin
  • polyamideimide resin poly It may include a polymer film formed of an esterimide resin or a mixture of at least two of them.
  • the potting part 22 fixes the ends of the hollow fiber membrane 21 .
  • the potting part 22 may be formed by curing a liquid resin such as liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting.
  • the inner case 23 has an opening at each end and accommodates a plurality of hollow fiber membranes 21 therein.
  • the potting part 22 in which ends of the hollow fiber membrane 21 are potted closes the opening of the inner case 23 .
  • the inner case 23 includes a first mesh hole MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the first space S1 and a second mesh hole portion MH1 arranged in a mesh form for fluid communication with the second space S2.
  • a mesh hole part MH2 is provided.
  • the first mesh hole part MH1 and the second mesh hole part MH2 include a plurality of windows W.
  • a gasket (not shown) may be installed between the mid-case 111 and the cartridge 20 .
  • the gasket mounts the cartridge 20 to the humidifying module 110 through mechanical assembly. Therefore, when an abnormality occurs in a specific part (for example, the cartridge 20) of the humidifying module 110, the mid-case 111 and the gasket are simply mechanically separated from the humidifying module 110, and then only the corresponding part It is possible to repair or replace it.
  • Second fluid inlet 113 second fluid outlet

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

가습 모듈 내에서의 차압 손실을 방지하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기가 개시된다. 개시된 연료전지 막가습기는, 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스; 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구; 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구; 상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽; 및, 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함한다. 상기 제2 유체 유입구의 단면적은, 상기 제1 공간과의 유체 연통을 위해 상기 적어도 하나의 카트리지에 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적과 같거나 크게 형성된다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가습 모듈 내에서의 차압 손실을 방지하여 가습 효율을 향상시킬 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.
본 발명은 가습 모듈 내에서의 차압 손실을 방지하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며, 미드-케이스; 상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구; 상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구; 상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽; 및, 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함한다. 상기 제2 유체 유입구의 단면적은, 상기 제1 공간과의 유체 연통을 위해 상기 적어도 하나의 카트리지에 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적과 같거나 크게 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적은, 상기 적어도 하나의 카트리지 내에 수용된 상기 복수의 중공사막들에 의해 점유된 단면적을 제외한 상기 적어도 하나의 카트리지 내부 단면적 보다 크거나 같도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제2 유체 유입구의 단면적을 CS1, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적을 CS2, 상기 적어도 하나의 카트리지 단면적을 CS3, 상기 적어도 하나의 카트리지 내에 수용된 복수의 중공사막들의 단면적 총합을 CS4라 할 때, 상기 제2 유체 유입구의 내경은, CS1 ≥ CS2 ≥ (CS3 - CS4) 가 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제2 유체 유입구를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 상기 제1 공간과 제2 공간을 유동하는 제2 유체의 유량을 조절하는 능동형 바이패스부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 능동형 바이패스부는, 상기 격벽을 관통하여 형성되는 바이패스홀; 및, 상기 제2 유체 유입구를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 상기 바이패스홀을 개폐시키는 바이패스홀 개폐수단;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은, 상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 덮도록 형성되는 단일 판막부재일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은, 상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 양측으로 덮도록 형성되는 듀얼 판막부재일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은, 상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 양측으로 덮되, 적어도 일부가 겹치도록 형성되는 이중 판막부재일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은, 압력이 증가하면 형상이 변형되고, 압력이 감소하면 원래 형상으로 복원되는 플렉서블(flexible)한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 가습 모듈 내에서의 차압 손실을 방지하여 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 3은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도의 일 실시예이다.
도 4는 도 3의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이다.
도 5는 제2 유체 유입구의 단면적과 카트리지 윈도우의 총면적과 카트리지의 단면적과 중공사막들의 단면적 총합과의 관계를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도의 다른 실시예이다.
도 7은 도 6의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이다.
도 8 내지 도 10은 다양한 실시 형태의 능동형 바이패스부가 도시된 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 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 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이며, 도 3은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도의 일 실시예이고, 도 4는 도 3의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이며, 도 5는 제2 유체 유입구의 단면적과 카트리지 윈도우의 총면적과 카트리지의 단면적과 중공사막들의 단면적 총합과의 관계를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 가습 모듈(110)과 캡들(120)를 포함한다.
가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 제1 유체와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양단에 체결된다. 캡들(120) 중 어느 하나에는 외부로부터 공급되는 제1 유체를 가습 모듈(110)로 공급하는 제1 유체 유입구(121)가 형성되고, 다른 하나에는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 제1 유체를 연료전지 스택으로 공급하는 제1 유체 배출구(122)가 형성된다.
가습 모듈(110)은, 제2 유체 유입구(112)와 제2 유체 배출구(113)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다. 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 제2 유체는 제2 유체 유입구(112)로 유입되어 가습 모듈(110) 내에서 수분 교환한 후, 제2 유체 배출구(113)로 배출된다.
본 명세서에서, 제2 유체 유입구(112) 또는 제2 유체 배출구(113)로 유입/배출되는 유체는 제2 유체에 한정되지 않는다. 또한, 제1 유체 유입구(121) 또는 제1 유체 배출구(122)로 유입/배출되는 유체는 제1 유체에 한정되지 않는다.
설계에 따라 캡들(120) 중 하나는 제2 유체를 가습 모듈(110)로 공급하여 중공사막 내부를 흐르게 하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 제2 유체를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 제2 유체 유입구(112) 또는 제2 유체 배출구(113) 중 어느 하나를 통해 제1 유체가 유입되고, 나머지 하나를 통해 가습 모듈(110)에 의해 가습된 제1 유체가 연료전지 스택으로 공급되도록 할 수 있다. 제1 유체의 유동 방향과 제2 유체의 유동 방향은 같은 방향이거나 또는 서로 반대 방향일 수 있다.
미드-케이스(111)와 캡(120)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다.
미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽(114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 제2 유체 유입구(112)를 통해 유입된 제2 유체의 흐름은 격벽(114)에 의해 차단되어 바로 제2 유체 배출구(113)로 배출되지 않고, 미드-케이스(111) 내부에 배치된 카트리지(20)를 거쳐서 유동하면서 수분 교환을 수행한 후, 제2 유체 배출구(113)로 배출된다. 격벽(114)은 적어도 하나 이상의 카트리지(20)가 삽입될 수 있는 삽입구(H)를 구비할 수 있다. 카트리지(20)에 대해서는 도 11 및 도 12를 참조하여 후술한다.
연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 제2 유체는, 제2 유체 유입구(112) --> 제1 공간(S1) --> 카트리지 윈도우(W) --> 카트리지(20) 내부 공간 --> 제2 공간(S2) --> 제2 유체 배출구(113)의 유동 경로를 갖는다. 이 유동 경로 중 카트리지(20) 내부 공간에서, 제2 유체는 중공사막들(21) 내부를 유동하는 제1 유체와 수분 교환을 하면서 제1 유체를 가습한다.
이러한 제2 유체의 유동 경로에서 유동 단면적이 커지면 압력 강하(차압 손실)가 발생하여, 제2 유체의 유동이 느려지게 되어 가습 효율이 저하될 수 있다. 특히, 카트리지(20) 내부 공간에서의 제2 유체 유동이 느려지면 가습 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에서, 카트리지 윈도우(W)의 총면적을 고려하여 제2 유체 유입구(112)의 단면적이 설계된다. 구체적으로, 제2 유체 유입구(112)의 단면적이 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 카트리지(20)에 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(MH1)를 이루는 윈도우(W)들의 총면적과 같거나 크게 형성될 수 있다. 즉, 제2 유체 유입구(112)의 단면적(CS1)이 크고, 윈도우(W)들의 총면적(CS2)이 작으므로, 제2 유체의 유동 단면적이 작아지게 되어 제2 유체의 속도 저하에 의한 차압 손실을 방지할 수 있게 된다.
또한, 선택적으로 제1 메쉬홀부(MH1)를 이루는 윈도우(W)들의 총면적은, 카트리지(20)의 단면적과 카트리지(20) 내부에 수용되는 복수의 중공사막들(21)의 단면적을 함께 고려하여 설계될 수 있다. 구체적으로, 제1 메쉬홀부(MH1)를 이루는 윈도우(W)들의 총면적은, 중공사막들(21)에 의해 점유된 단면적을 제외한 카트리지(20) 내부 단면적 보다 크거나 같도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 윈도우(W)들의 총면적(CS2)이 크고, 카트리지(20) 내부 단면적(CS3 - CS4)이 작으므로, 제2 유체의 유동 단면적이 작아지게 되어 제2 유체의 속도 저하에 의한 차압 손실을 방지할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 유체 유입구(112)의 단면적을 CS1이라 하고, 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적을 CS2라 하며, 카트리지 단면적을 CS3라 하고, 카트리지 내에 수용된 복수의 중공사막들의 단면적 총합을 CS4라 할 때, 제2 유체 유입구(112)의 내경은, CS1 ≥ CS2 ≥ CS3 - CS4 가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 6은 도 2의 A - A'라인에서 바라본 단면도의 다른 실시예이고, 도 7은 도 6의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 캡을 제거한 가습 모듈을 측면에서 바라본 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 가습 모듈(110)과 캡들(120)과 능동형 바이패스부(130)를 포함한다. 가습 모듈(110)과 캡들(120)은 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
능동형 바이패스부(130)는 제2 유체 유입구(112)를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)을 유동하는 제2 유체의 유량을 조절한다. 능동형 바이패스부(130)는 바이패스홀(131)과 바이패스홀 개폐수단(132)을 포함한다.
바이패스홀(131)은 격벽(114)을 관통하여 형성된다. 바이패스홀(131)은, 삼각형, 사각형, 원형, 타원형 등의 다양한 다각형 형상 또는 원 형상으로 형성될 수 있다.
바이패스홀 개폐수단(132)은 압력이 증가하면 형상이 변형되고, 압력이 감소하면 원래 형상으로 복원되는 플렉서블(flexible)한 재질로 형성된다. 예를 들어, 바이패스홀 개폐수단(132)은 탄성을 가진 재질(예를 들어, 고무)의 탄성 판막으로 형성될 수 있다.
탄성 판막으로 형성된 바이패스홀 개폐수단(132)은 제2 유체 유입구(112)를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 바이패스홀(131)을 개폐시킨다.
제2 유체의 유량이 증가하면, 증가된 유량에 따라 압력이 증가하면서 탄성 판막은 압력 방향으로 변형되면서 적어도 부분적으로 바이패스홀(131)을 개방시킨다. 제2 유체의 유량이 감소하면, 감소된 유량에 따라 압력이 감소되면서 탄성 판막은 원래 방향으로 복원되면서 적어도 부분적으로 바이패스홀(131)을 폐쇄시킨다.
도 8 내지 도 10은 다양한 실시 형태의 능동형 바이패스부가 도시된 도면이다.
도 8과 같이, 능동형 바이패스부(130)는 바이패스홀(131)과, 격벽(114)에 형성되며 바이패스홀(131)을 덮도록 형성되는 단일 판막부재(132a)를 포함할 수 있다. 단일 판막부재(132a)는 바이패스홀(131) 주변의 일측에만 형성되면 충분하므로, 제조 공정이 간단하다는 장점이 있다. 능동형 바이패스부(130)의 가장 기본적인 형태라 할 수 있다.
도 9와 같이, 능동형 바이패스부(130)는 바이패스홀(131)과, 격벽(114)에 형성되며 바이패스홀(131)을 양측으로 덮도록 형성되는 듀얼 판막부재(132b)를 포함할 수 있다. 듀얼 판막부재(132b)는 바이패스홀(131) 주변의 양측에 형성되므로, 제2 유체 유량 변화에 보다 민감하게 대응할 수 있다. 연료전기 막가습기의 부피가 기본형 보다 작을 경우에 보다 유리한 형태라 할 수 있다.
도 10과 같이, 능동형 바이패스부(130)는 바이패스홀(131)과, 격벽(114)에 형성되며 바이패스홀(131)을 양측으로 덮되, 적어도 일부가 겹치도록 형성되는 이중 판막부재(132c)를 포함할 수 있다. 이중 판막부재(132c)는 적어도 일부가 겹치므로, 제2 유체 유량 변화에 보다 둔감하게 대응할 수 있다. 연료전기 막가습기의 부피가 기본형 보다 클 경우에 보다 유리한 형태라 할 수 있다.
제2 유체 유입구(112)로 유입된 제2 유체의 일부는 제2 유체의 유량에 따라 능동형 바이패스부(130)를 통해 제1 공간(S1)에서 제2 공간(S2)으로 흘러서 제2 유체 배출구(113)로 배출된다. 능동형 바이패스부(130)을 흐르는 제2 유체는 제1 유체와 접촉하지 않으므로 수분 교환을 수행하지 않는다.
한편, 연료전지 막가습기의 부피가 소형화되면, 연료전지 스택으로부터 유입되는 제2 유체에 의해 연료전지 막가습기 내의 차압이 비정상적으로 증가할 수 있다. 이와 같이 비정상적으로 증가한 차압은 연료전지 막가습기의 효율에 악영향을 주므로, 이때는 적절한 차압 해소가 필요하다. 능동형 바이패스부(130)는 유입된 제2 유체의 일부를 제2 유체의 유량에 따라 중공사막을 바이패스시켜서 외부로 배출시키므로 비정상적인 차압 증가를 해소할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 바이패스부(130)를 구비한 연료전지 막가습기는 부피 소형화에 보다 유리한 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 사시도이고, 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기에 장착되는 카트리지가 도시된 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 카트리지(20)는 다수의 중공사막(21), 포팅부(22), 이너 케이스(23)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. 제1 메쉬홀부(MH1) 및 제2 메쉬홀부(MH2)는 복수개의 윈도우(W)를 포함한다.
제2 유체 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 제2 유체는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 제1 유체와 수분 교환한 제2 유체는 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 제2 유체 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
한편, 제2 유체의 흐름 방향이 제1 유체 유입구(121)로 유입되는 제1 유체의 흐름 방향과 반대 방향인 경우, 제2 유체 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)의 제2 공간(S2)으로 유입된 제2 유체는 제2 메쉬홀부(MH2)를 통해 이너 케이스(23) 내로 흘러 들어 중공사막(21)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 제1 유체와 수분 교환한 제2 유체는 제1 메쉬홀부(MH1)를 통해 제1 공간(S1)으로 빠져나간 후 제2 유체 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다.
미드-케이스(111)와 카트리지(20) 사이에는 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다. 가스켓은 기계적 조립을 통해 카트리지(20)를 가습 모듈(110)에 장착시킨다. 따라서, 가습 모듈(110)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(20))에 이상이 발생할 경우, 미드-케이스(111)와 가스켓을 가습 모듈(110)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.
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]
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 ; 제2 유체 유입구 113 : 제2 유체 배출구
114 : 격벽 120 : 캡
130 : 능동형 바이패스부
20 : 카트리지 21 : 중공사막
22 : 포팅부 23 : 이너 케이스
MH1 : 제1 메쉬홀부 MH2 : 제2 메쉬홀부
W : 윈도우
CS1 : 제2 유체 유입구의 단면적 CS2 : 윈도우들의 총면적
CS3 : 카트리지 단면적
CS4 : 카트리지 내에 수용된 복수의 중공사막들의 단면적 총합

Claims (9)

  1. 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분 교환을 수행하며,
    미드-케이스;
    상기 제2 유체를 상기 미드-케이스로 유입시키는 제2 유체 유입구;
    상기 제2 유체를 외부로 배출시키는 제2 유체 배출구;
    상기 미드-케이스의 내부 공간을 제1 공간과 제2 공간으로 구획하는 격벽; 및,
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;를 포함하며,
    상기 제2 유체 유입구의 단면적은, 상기 제1 공간과의 유체 연통을 위해 상기 적어도 하나의 카트리지에 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적과 같거나 크게 형성되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적은, 상기 적어도 하나의 카트리지 내에 수용된 상기 복수의 중공사막들에 의해 점유된 단면적을 제외한 상기 적어도 하나의 카트리지 내부 단면적 보다 크거나 같도록 형성되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유체 유입구의 단면적을 CS1, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 윈도우들의 총면적을 CS2, 상기 적어도 하나의 카트리지 단면적을 CS3, 상기 적어도 하나의 카트리지 내에 수용된 복수의 중공사막들의 단면적 총합을 CS4라 할 때, 상기 제2 유체 유입구의 내경은, CS1 ≥ CS2 ≥ CS3 - CS4 가 되도록 형성되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유체 유입구를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 상기 제1 공간과 제2 공간을 유동하는 제2 유체의 유량을 조절하는 능동형 바이패스부를 더 포함하는, 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 능동형 바이패스부는,
    상기 격벽을 관통하여 형성되는 바이패스홀; 및,
    상기 제2 유체 유입구를 통해 유입되는 제2 유체의 유량에 따라 상기 바이패스홀을 개폐시키는 바이패스홀 개폐수단;
    을 포함하는 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은,
    상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 덮도록 형성되는 단일 판막부재인, 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은,
    상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 양측으로 덮도록 형성되는 듀얼 판막부재인, 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 바이패스홀 개폐수단은,
    상기 격벽에 형성되며 상기 바이패스홀을 양측으로 덮되, 적어도 일부가 겹치도록 형성되는 이중 판막부재인, 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이패스홀 개폐수단은, 압력이 증가하면 형상이 변형되고, 압력이 감소하면 원래 형상으로 복원되는 플렉서블(flexible)한 재질로 형성되는, 연료전지 막가습기.
PCT/KR2022/009969 2021-08-31 2022-07-08 연료전지 막가습기 Ceased WO2023033343A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/578,189 US20240322196A1 (en) 2021-08-31 2022-07-08 Fuel cell membrane humidifier
JP2023571433A JP7573766B2 (ja) 2021-08-31 2022-07-08 燃料電池の膜加湿器
EP22864852.3A EP4350820A4 (en) 2021-08-31 2022-07-08 HUMIDIFIER FOR FUEL CELL MEMBRANE
CN202280051623.4A CN117730440B (zh) 2021-08-31 2022-07-08 燃料电池膜加湿器

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210115979A KR102824558B1 (ko) 2021-08-31 2021-08-31 연료전지 막가습기
KR10-2021-0115979 2021-08-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023033343A1 true WO2023033343A1 (ko) 2023-03-09

Family

ID=85411504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/009969 Ceased WO2023033343A1 (ko) 2021-08-31 2022-07-08 연료전지 막가습기

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240322196A1 (ko)
EP (1) EP4350820A4 (ko)
JP (1) JP7573766B2 (ko)
KR (1) KR102824558B1 (ko)
CN (1) CN117730440B (ko)
WO (1) WO2023033343A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4266435A4 (en) * 2021-02-05 2024-10-16 Kolon Industries, Inc. FUEL CELL MEMBRANE HUMIDIFIER
KR102809756B1 (ko) * 2021-03-11 2025-05-20 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기
KR102809755B1 (ko) * 2021-03-11 2025-05-20 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기
KR102810333B1 (ko) * 2021-03-11 2025-05-21 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지 막가습기

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007046801A (ja) * 2005-08-05 2007-02-22 Nissan Motor Co Ltd 加湿装置
JP2008238068A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Nok Corp 中空糸膜モジュール
KR20140038223A (ko) * 2012-09-20 2014-03-28 현대자동차주식회사 연료 전지용 가습장치
KR20140038687A (ko) * 2012-09-21 2014-03-31 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습장치
KR20210011204A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4653334B2 (ja) * 2001-03-30 2011-03-16 本田技研工業株式会社 中空糸膜式加湿器
JP2005156039A (ja) 2003-11-26 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd 中空糸膜モジュール及び中空糸膜加湿器
JP4720458B2 (ja) * 2005-11-25 2011-07-13 日産自動車株式会社 加湿装置
JP4939280B2 (ja) * 2007-03-30 2012-05-23 本田技研工業株式会社 加湿装置
JP2010146810A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR20110021217A (ko) 2009-08-25 2011-03-04 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR20110026696A (ko) 2009-09-08 2011-03-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기 및 그 제조방법
WO2011068383A2 (en) 2009-12-04 2011-06-09 Kolon Industries, Inc. Humidifier for fuel cell
KR101185326B1 (ko) * 2010-03-31 2012-09-26 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기
KR102006141B1 (ko) * 2013-12-31 2019-08-01 코오롱인더스트리 주식회사 유체교환막 모듈
JP2021524133A (ja) * 2018-06-04 2021-09-09 コーロン インダストリーズ インク 燃料電池膜加湿器
KR102264517B1 (ko) 2018-06-08 2021-06-11 코오롱인더스트리 주식회사 중공사막 모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 중공사막 모듈
US12214317B2 (en) 2018-12-27 2025-02-04 Kolon Industries, Inc. Membrane humidifier for fuel cell, comprising multi-channel hollow fiber membranes
KR102805455B1 (ko) * 2019-08-14 2025-05-15 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007046801A (ja) * 2005-08-05 2007-02-22 Nissan Motor Co Ltd 加湿装置
JP2008238068A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Nok Corp 中空糸膜モジュール
KR20140038223A (ko) * 2012-09-20 2014-03-28 현대자동차주식회사 연료 전지용 가습장치
KR20140038687A (ko) * 2012-09-21 2014-03-31 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습장치
KR20210011204A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 현대자동차주식회사 연료전지용 가습기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4350820A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024521674A (ja) 2024-06-04
US20240322196A1 (en) 2024-09-26
CN117730440A (zh) 2024-03-19
KR102824558B1 (ko) 2025-06-25
KR20230032782A (ko) 2023-03-07
EP4350820A1 (en) 2024-04-10
EP4350820A4 (en) 2025-06-04
JP7573766B2 (ja) 2024-10-25
CN117730440B (zh) 2026-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019235800A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2021107679A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2023033418A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2020180169A1 (ko) 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
WO2022139169A1 (ko) 연료전지용 가습시스템
WO2019066371A1 (ko) 조립형 카트리지 블록 및 이를 포함하는 중공사막 모듈
WO2022164162A1 (ko) 가습막의 훼손을 방지하는 연료전지 막가습기
WO2022149819A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2021107668A1 (ko) 연료전지용 가습기
KR102824558B1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022191608A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022196963A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2019098642A2 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022191610A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022145692A1 (ko) 연료전지용 가습기
WO2022097870A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2022169351A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2023239058A1 (ko) 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기
WO2023033341A1 (ko) 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기
WO2022265294A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022265295A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2023033344A1 (ko) 연료전지 막가습기
WO2022145702A1 (ko) 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
WO2019132606A1 (ko) 유체의 흐름 방향 제어가 가능한 연료전지 막가습기
WO2023033393A1 (ko) 막가습기용 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22864852

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023571433

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022864852

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18578189

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022864852

Country of ref document: EP

Effective date: 20240104

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280051623.4

Country of ref document: CN

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE