KR101382729B1 - 연료전지의 막 가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 연료전지 스택 내로 공급되는 공기를 가습하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 스택 내로 공급되는 공기의 가습을 위한 중공사막의 단면 형상을 개선하여, 예를 들면 마치 달팽이 모양의 단면 형상으로 개선하여, 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 다발 외부로부터 다발 중심부까지 흐르면서 물질/열 전달작용이 이루어지도록 한 새로운 형태의 중공사막 다발을 구현함으로써, 중공사막 다발의 전영역에서 균일한 물질/열 전달이 이루어질 수 있는 등 전체적인 가습효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막 가습기를 제공한다.

Description

연료전지의 막 가습기{Membrane humidifier for fuel cell}

본 발명은 연료전지의 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 연료전지 스택 내로 공급되는 공기를 가습하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 이를 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 발생시키는 장치이다.

예를 들면, 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지의 연료극으로 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극으로 공급되면, 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.

여기서, 상기 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 결국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 사용할 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막으로 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

즉, 연료전지의 성능향상을 위해서는 연료전지 스택 내로 유입되는 공기의 가습이 필수적으로 요구된다.

하지만, 필요 가습성능을 만족하는 가습기의 부피는 차량 연료전지 시스템의 총 부피에서 매우 큰 비중을 차지하여 패키지 구성에 어려움이 있는 것이 사실이다.

이러한 가습기는 버블러(Bubbler) 타입, 인젝션(Injection) 타입 등 여러 타입이 있으며, 그 중에서 연료전지 차량의 경우 패키지 측면에서의 제약 등으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기를 대부분 적용하고 있다.

도 1은 막 가습기가 설치되어 있는 일반적인 연료전지 시스템을 나타내는 개략도로서, 상기 연료전지 시스템은 외부의 공기를 블로어(100)로 강제 송풍하여 막 가습기(110)에 통과시키고, 이때 연료전지 스택(120)의 출구로부터 배출되는 물이 포함되어 있는 과포화 가습공기를 막 가습기(110)에 통과시켜서 과포화 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 후에 이때의 가습된 공기를 연료전지 스택(110)에 공급하는 시스템으로 이루어진다.

그리고, 상기 막 가습기는 가습공기용 유입구 및 배출구와 건조공기용 유입구 및 배출구를 가지는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되는 중공사막로 구성되며, 이때의 중공사막은 양쪽 단부가 포팅물질에 의해 케이스측에 고정되는 구조로 지지된다.

또한, 도 2는 종래의 중공사막에서 가습공기 유입부 단면 형상을 나타내는 단면도로서, 케이스(130)에는 스택으로부터의 가습공기가 들어오는 입구(140)와 물질/열 교환을 통해 건조된 공기가 배출되는 출구(미도시), 그리고 외부의 건조공기가 들어오는 입구(미도시)와 물질/열교환을 통해 가습된 공기가 스택을 향해 나가는 출구(미도시)가 구비되고, 케이스(130)의 내부에는 둥근 원통형의 하나의 묶음으로 되어 있는 중공사막(150)이 배치된다.

따라서, 가습공기가 둥근 원통형 중공사막 주위를 흐르면서 중공사막 내부로 물/열교환이 이루어지면서 스택으로 공급되는 공기의 가습이 이루어지게 된다.

그러나, 종래의 막 가습기는 중공사막의 밀집 배치 등으로 인해 공기의 흐름이 저하되면서 가습 효율이 크게 떨어지는 단점이 있다.

예를 들면, 중공사막 원통형 다발의 가운데 부분은 가습공기의 접근성이 떨어져 원통형 다발 외부에 배치된 중공사막에 비해 원통형 다발 중앙부의 가습효율이 크게 떨어지는 데드존(Dead zone)이 발생한다.

또한, 원통형 다발 후면부(가습공기 유입방향 기준) 중공사막의 가습효율이 크게 감소한다.

즉, 유입된 가습공기는 1차로 다발으 전면부에 부딪혀 운동에너지가 크게 손실되면서 전면부의 중공사막에서 건조공기와 물질/열교환이 활발하게 발생하게 되지만, 다발의 측면 및 뒷면으로 돌아 흐르는 가습공기의 유속은 크게 감소하여, 후면부에 위치한 중공사막으로의 대류물질전달은 상대적으로 원활하지 못하며 가습효율이 크게 감소한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택 내로 공급되는 공기의 가습을 위한 중공사막의 단면 형상을 개선하여, 예를 들면 마치 달팽이 모양의 단면 형상으로 개선하여, 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 다발 외부로부터 다발 중심부까지 흐르면서 물질/열 전달작용이 이루어지도록 한 새로운 형태의 중공사막 다발을 구현함으로써, 중공사막 다발의 전영역에서 균일한 물질/열 전달이 이루어질 수 있는 등 전체적인 가습효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지의 막 가습기는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 막 가습기는 연료전지 스택에서 나오는 가습공기를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 건조공기를 가습하는 것으로서, 연료전지측과 블로어측에 연결되는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되는 중공사막 다발을 기본적으로 포함하는 구조로 이루어진다.

특히, 상기 막 가습기의 중공사막 다발은 중공사막들이 나선형으로 배열되는 동시에 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어짐으로써, 가습공기의 흐름이 중공사막 다발의 전영역에서 효과적으로 이루어질 수 있게 되고, 따라서 중공사막의 가습효율을 모두 일정하게 유지할 수 있는 등 전체 가습효율 증대시킬 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 중공사막 다발을 이루는 중공사막들은 그물망 내에 수용되어 나선형 배열을 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 가습공기가 들어오는 케이스의 초입에 가습공기를 분배하는 기능의 가이드 베인을 설치하여, 나선형 배열의 중공사막 다발과 케이스 사이의 유로측과, 중공사막 다발의 내부에 조성되는 나선형의 유로측 간에 가습공기가 균등하게 들어갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 연료전지의 막 가습기는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 가습공기의 중공사막으로의 접근성이 다발 전영역에서 균일하게 되는 등 데드존을 없앨 수 있다.

둘째, 각 위치로 필요한 가습공기의 양을 균등하게 공급하여 다발 내의 중공사막의 가습효율을 모두 일정하게 유지하는 것이 가능하며, 결국 전체 가습효율을 증대시킬 수 있다.

셋째, 가습공기의 운동에너지 손실을 최소화하면서 유로 측면 중공사막에 의한 난류 증대로 중공사막 내부로의 물질/열 전달 속도를 증대시킬 수 있다.

넷째, 중공사막 가습기의 가습 효율 증대를 통한 가습기의 부피 절감이 가능하며, 따라서 차량 패키지에 유리하다.

도 1은 막 가습기가 설치되어 있는 일반적인 연료전지 시스템을 나타내는 개략도로서,
도 2는 종래의 중공사막에서 가습공기 유입부 단면 형상을 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 폭방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 길이방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기의 사용상태를 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 폭방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기를 길이방향으로 절단한 모양을 나타내는 단면도이다.

도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 막 가습기는 중공사막 다발의 배열형태를 개선하여 가습공기의 흐름이 다발 전체 영역에서 균일하게 이루어질 수 있도록 한 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 막 가습기는 가습공기와 건조공기 간의 물질/열 전달을 위한 중공사막 다발(11)과, 이 중공사막 다발(11)을 내장하는 케이스(10)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 케이스(10)에는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기를 도입하는 가습공기 입구(도 5에서 도면부호 15)와, 블로어를 통해 공급되는 공기를 도입하는 건조공기 입구(도 5에서 도면부호 16)와, 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 공기를 연료전지측으로 배출하는 공급공기 출구(17)와, 중공사막 다발(11)을 통해 수분이 제거된 공기를 대기 중으로 배출하는 배출공기 출구(18)가 형성된다.

상기 중공사막 다발(11)은 여러 가닥의 중공사막을 소정의 형태로 배열시켜서 가습공기와 건조공기 간의 수분 교환이 이루어지도록 한 것으로서, 중공사막 축선을 통해서 건조공기가 흐르고 중공사막 외부로부터 가습공기가 부딪히게 되면서 가습공기와 건조공기 간의 물질/열 교환이 이루어지게 되고, 결국 연료전지측으로 공급되는 건조공기에 대한 가습이 이루어질 수 있게 된다.

상기 중공사막 다발(11)은 소정의 배열 형태로 이루어질 수 있게 되는데, 예를 들면 중공사막들이 길이방향을 따라 나란하게 연접된 상태에서 나선형으로 배열되고, 또 이러한 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어질 수 있게 된다.

다시 말해, 상기 중공사막 다발(11)은 배열 한쪽 끝이 중심부를 출발하여 원형 또는 다각형의 궤적을 그리면서 일방향으로 진행함과 더불어 배열 간의 일정간격을 유지하면서 점차 직경이 커지도록 연장되는 마치 달팽이 모양과도 같은 단면 형상을 갖게 된다.

그리고, 나선형 배열을 이루는 중공사막들은 그물망(12)의 내부에 수용되어, 그 배열 형태를 유지할 수 있게 되며, 이러한 배열 형태를 가지는 중공사막 다발(11)의 양단부는 폴딩 공정에 의해 일체 결속될 수 있게 된다.

이와 같은 중공사막 다발(11)은 케이스(10)의 내부에 동심원상으로 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 양단부가 폴딩케이스 내벽에 기밀구조로 지지되므로서, 케이스 내부로 들어오는 가습공기의 경로와 건조공기의 경로가 구분될 수 있게 된다.

특히, 중공사막들의 나선형 배열상에서 배열 간에 조성되는 간격은 가습공기의 유로(13)로 조성되며, 이때의 유로(13)를 통해 흐르는 가습공기 역시도 도면의 화살표 방향에서 볼 수 있듯이 나선형의 중공사막 배열을 따라가면서 나선형의 흐름을 보일 수 있게 된다.

즉, 케이스(10)의 내부로 도입된 가습공기는 나선형 흐름으로 유도되어 다발의 중앙부까지 흐를 수 있게 되고, 가습공기의 중공사막으로의 접근성이 좋아지면서 결국 중공사막 다발 전체 영역에 걸쳐 가습공기가 균일하게 접촉할 수 있게 된다.

그리고, 상기 케이스(10)의 가습공기 입구(15)에는 케이스 내부로 들어오는 가습공기를 적절히 분배하는 역할의 가이드 베인(14)가 설치된다.

이러한 가이드 베인(14)은 가습공기가 들어오는 케이스 초입에 위치되어 케이스측에 양단 고정되면서 가습공기를 다발의 중심부쪽과 다발의 외곽쪽으로 나누어 보낼 수 있게 된다.

예를 들면, 케이스(10)의 내부에서 나선형 배열을 이루는 중공사막 다발(11)의 바깥쪽 끝 부분에 인접 위치되며, 이에 따라 가습공기 입구(15)를 통해 들어온 가습공기는 나선형 배열의 중공사막 다발(11)의 외곽과 케이스(10)의 내벽 사이의 유로(13a)로 보내질 수 있게 되고, 이와 동시에 중공사막 다발(11)의 내부에 조성되는 나선형의 유로(13b)로 보내져 나선형 흐름을 보이면서 다발 중심부까지 흘러갈 수 있게 된다.

이렇게 다발 내부에서의 흐름을 보면, 가습공기의 유동방향과 유로의 방향이 일치하도록 설계되므로서, 가습공기의 운동에너지 손실량을 최소화할 수 있게 된다.

여기서, 다발 외부의 유로(13a)와 다발 내부의 유로(13b)로 정확한 비율의 유량이 들어갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

일 예로서, 유로(13a) : 유로(13b) = 유로(13a)의 길이 : 유로(13b)의 길이×2의 비율이 되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 이와 같이 구성되는 연료전지의 막 가습기에 대한 사용상태를 살펴보면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 가습기의 사용상태를 나타내는 개략도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 연료전지 운전 중 연료전지의 공기극에서는 미반응 공기로서의 고온 다습한 공기를 배출하게 되고, 이렇게 배출되는 가습공기는 막 가습기의 케이스(10)에 있는 가습공기 입구(15)를 통해 그 속으로 유입된다.

이와 함께 대기 중의 공기는 블로어를 통해 흡입되어 케이스(10)에 있는 건조공기 입구(16)를 통해 그 속으로 유입된다.

계속해서, 상기 가습공기 입구(15)를 통해 유입된 가습공기는 가이드 베인에 의해 분배되어 다발 외부와 다발 중심부로 흐르게 되고, 건조공기 입구(16)를 통해 유입된 건조공기는 중공사막 다발(11)을 따라 흐르게 된다.

이때, 달팽이 모양으로 감긴 중공사막 다발 사이로 형성된 유로를 통해 가습공기가 외부에서 다발의 중앙부까지 흐르면서 측면의 중공사막으로 물질/열 전달이 일어나게 된다.

이러한 과정에서, 중공사막에 의한 물질/열 전달이 이루어지면서 연료전지측으로 공급되는 공기는 가습이 되고, 또 가습을 마친 공기는 수분으로 배출된다.

즉, 상기 막 가습기의 케이스(10) 내부에서는 중공사막 다발(11)에 의한 공급공기(건조공기)와 배출공기(가습공기)의 수분 교환에 의해 공급공기의 가습이 이루어지게 되며, 이렇게 가습된 공기는 공급공기 출구(17)를 빠져나와 연료전지측으로 공급된다.

그리고, 케이스(10)의 내부에서 중공사막 다발(11)을 통해 수분이 제거된 배출공기, 즉 소정의 습기와 열을 포함한 배출공기는 케이스(10)의 배출공기 출구(18)를 통해 대기 중으로 배출된다.

이와 같이, 본 발명에서는 중공사막을 달팽이 모양의 다발로 배치하여 적용함으로써, 가습공기가 다발의 중앙부까지 흐를 수 있게 되고, 결국 각 위치로 필요한 가습공기의 양을 균등하게 공급할 수 있는 등 가습공기의 운동에너지 손실을 최소화하면서 중공사막의 가습효율을 향상시킬 수 있게 된다.

10 : 케이스 11 : 중공사막 다발
12 : 그물망 13,13a,13b : 유로
14 : 가이드 베인 15 : 가습공기 입구
16 : 건조공기 입구 17 : 공급공기 출구
18 : 배출공기 출구

Claims (3)

1. 삭제
2. 연료전지 스택에서 나오는 가습공기를 이용하여 연료전지 스택으로 들어가는 건조공기를 가습하는 것으로서,
   연료전지측과 블로어측에 연결되는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 설치되는 중공사막 다발(11)을 포함하며, 상기 중공사막 다발(11)은 중공사막들이 나선형으로 배열되는 동시에 나선형 배열상에서 내측과 외측의 중공사막 배열이 간격을 유지하는 형상의 단면을 갖는 형태로 이루어지고,
   상기 중공사막 다발(11)을 이루는 중공사막들은 그물망(12) 내에 수용되어 나선형 배열을 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기.
   
3. 청구항 2에 있어서, 가습공기가 들어오는 케이스(10)의 초입에는 나선형 배열의 중공사막 다발(11)과 케이스(10) 사이의 유로(13a)측과, 중공사막 다발(11)의 내부에 조성되는 나선형의 유로(13b)측에 가습공기를 분배하는 가이드 베인(14)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 가습기.

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