KR102677165B1 - Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 바이메탈 유량 조절부를 포함한다. The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier that can simplify the fuel cell system and reduce the size of the fuel cell system by performing humidification by moisture exchange and cooling by heat exchange in a single membrane humidifier, and a fuel cell system including the same. So,
The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention,
a housing portion formed with a space separated by a partition; a humidifying module formed in one area of the separated space and including a plurality of hollow fiber membranes through which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside; a heat exchange module formed in another area of the separated space and cooling the first fluid flowing therein; And, it includes a bimetallic flow rate controller that actively adjusts the flow direction of the first fluid according to temperature changes of the first fluid according to the output state of the fuel cell stack.
Description
본 발명은 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same. More specifically, the present invention relates to simplification of the fuel cell system and fuel cell system size by performing humidification by moisture exchange and cooling by heat exchange in one membrane humidifier. It relates to a fuel cell membrane humidifier capable of realizing miniaturization and a fuel cell system including the same.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. A fuel cell is a power-generating battery that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as batteries or storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and have the advantage of being twice as efficient as internal combustion engines because there is no heat loss.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. Additionally, because the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, pollutant emissions are low. Therefore, fuel cells are not only environmentally friendly, but also have the advantage of reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. Depending on the type of electrolyte used, these fuel cells are largely divided into polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells ( SOFC), and alkaline fuel cell (AFC).
이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.Each of these fuel cells operates on fundamentally the same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different. Among these, polymer electrolyte fuel cells are known to be the most promising not only for small-scale stationary power generation equipment but also for transportation systems because they operate at lower temperatures than other fuel cells and have a large power density, enabling miniaturization.
고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. One of the most important factors in improving the performance of polymer electrolyte fuel cells is supplying a certain amount of moisture to the polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane: PEM) of the membrane-electrode assembly (MEA). This is to maintain the moisture content. This is because when the polymer electrolyte membrane dries, power generation efficiency rapidly decreases.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) the bubbler humidification method, which supplies moisture by filling a pressure vessel with water and passing the target gas through a diffuser; 2) the amount of moisture supplied for the fuel cell reaction; There is a direct injection method that calculates and supplies moisture directly to the gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidifying membrane method that supplies moisture to the fluidized gas layer using a polymer separation membrane.
이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.Among these, the humidifying membrane method, which humidifies the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only the water vapor contained in the exhaust gas, is advantageous in that it can lighten and miniaturize the humidifier.
가습 막 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 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다. When forming a module, the selectively permeable membrane used in the humidifying membrane method is preferably a hollow fiber membrane with a large permeable area per unit volume. In other words, when manufacturing a humidifier using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that sufficient humidification of the fuel cell can be achieved even in a small capacity, low-cost materials can be used, and high temperature discharge from the fuel cell is possible. It has the advantage that the moisture and heat contained in the unreacted gas can be recovered and reused through a humidifier.
한편, 연료전지 시스템에서 압축기 또는 블로워로부터 발생하는 고온의 건조공기는 막가습기를 통해 연료전지 스택으로 유입된다. 이때, 고온의 건조공기는 연료전지 스택의 운전 조건에 적합하도록 에어쿨러와 같은 열교환 장치를 거쳐 열교환이 이루어진 후, 막가습기를 통해 가습되어 연료전지 스택에 공급된다.Meanwhile, in a fuel cell system, high-temperature dry air generated from a compressor or blower flows into the fuel cell stack through a membrane humidifier. At this time, the high temperature dry air is heat exchanged through a heat exchange device such as an air cooler to suit the operating conditions of the fuel cell stack, and is then humidified through a membrane humidifier and supplied to the fuel cell stack.
현재는 이러한 열교환과 가습(수분 제어)을 위해 열교환 장치와 막가습기를 직렬로 배치하고 있는데, 이는 막가습기와 블로워 사이에 추가적인 에어쿨러의 설치가 필요하게 한다.Currently, a heat exchange device and a membrane humidifier are placed in series for heat exchange and humidification (moisture control), which requires the installation of an additional air cooler between the membrane humidifier and the blower.
그러나, 에어쿨러는 부피 자체가 크기 때문에 패키지 적용에 불리하며, 블로워에 의해 압축된 공기의 압력 손실을 증가시키며, 냉각수 유로가 부가적으로 요구되어 설비가 복잡해고 소형화에 불리하는 문제점이 있다.However, air coolers are disadvantageous in package application due to their large volume, increase the pressure loss of air compressed by the blower, and require additional cooling water channels, which makes equipment complex and is disadvantageous in miniaturization.
본 발명은 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있는 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a fuel cell membrane humidifier that can simplify the fuel cell system and reduce the size of the fuel cell system by performing humidification by moisture exchange and cooling by heat exchange in a single membrane humidifier, and a fuel cell system including the same. The purpose is to
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention,
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부; 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈; 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및, 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 바이메탈 유량 조절부를 포함한다.a housing portion formed with a space separated by a partition; a humidifying module formed in one area of the separated space and including a plurality of hollow fiber membranes through which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside; a heat exchange module formed in another area of the separated space and cooling the first fluid flowing therein; And, it includes a bimetallic flow rate controller that actively adjusts the flow direction of the first fluid according to temperature changes of the first fluid according to the output state of the fuel cell stack.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바이메탈 유량 조절부는, 상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the bimetal flow rate control unit may include a metal plate on the humidification module side made of a metal with a high thermal expansion coefficient, and a metal plate on the heat exchange module side made of a metal with a small thermal expansion coefficient. there is.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함할 수 있다. In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the housing portion includes a housing body separated into two spaces by the partition wall, and a first fluid coupled to both ends of the housing body and into which the first fluid flows. It includes a housing cap each formed with a fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid flows, wherein the housing cap with the first fluid inlet is formed with a bimetallic flow rate controller for controlling the flow direction of the first fluid, and the It may include a cap partition wall formed in a direction in which the partition wall extends.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the housing portion is separated into two spaces by the partition, and includes a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid through which the first fluid flows out. It includes a housing body formed with a fluid outlet, a housing cap coupled to both ends of the housing body and each formed with a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out, The housing body may include an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the housing portion is separated into two spaces by the partition, and includes a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid through which the first fluid flows out. A housing cap coupled to both ends of the housing body and having a second fluid inlet through which the second fluid flows in and a second fluid outlet through which the second fluid flows out are formed respectively. The housing body includes an extension partition extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and an intersection formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction intersecting the extension partition. May include a partition wall.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 열교환 모듈은, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식일 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the heat exchange module may be a shell-and-tube type heat exchange module, a honeycomb type heat exchange module, or a plate type.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the housing portion includes a cooling medium inlet for supplying cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooled cooling medium flows out, wherein the cooling medium is supplied to the heat exchange module. The medium inlet may be connected to a bypass flow path that bypasses at least a portion of the external air flowing into the air compression means.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, The fuel cell system according to an embodiment of the present invention,
외기를 공급받아서 압축하여 제1 유체를 발생시키는 공기 압축수단; 수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 바이메탈 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기를 포함한다. Air compression means for receiving external air and compressing it to generate a first fluid; A fuel cell stack that reacts hydrogen and oxygen to generate a second fluid of heat and high humidity; a humidifying module that humidifies the first fluid using moisture exchange between the first fluid compressed by the air compression means and the second fluid discharged from the fuel cell stack, a heat exchange module that cools the first fluid, and It includes a fuel cell membrane humidifier including a bimetallic flow rate controller that actively adjusts the flow direction of the first fluid according to temperature changes of the first fluid according to the output state of the fuel cell stack.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 바이메탈 유량 조절부는, 상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈일 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the bimetal flow control unit is a bimetal, where the metal plate on the humidification module side is a metal with a high thermal expansion coefficient, and the metal plate on the heat exchange module side is made of a metal with a small thermal expansion coefficient. You can.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 막가습기는, 격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부를 포함하며, 상기 가습 모듈은 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 상기 제1 유체가 외부에 흐르는 상기 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하며, 상기 열교환 모듈은 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시킨다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the fuel cell membrane humidifier includes a housing portion in which a space separated by a partition is formed, and the humidification module is formed in one area of the separated space, and is inside It includes a plurality of hollow fiber membranes through which the flowing first fluid exchanges moisture with the externally flowing second fluid, and the heat exchange module is formed in another area of the separated space and cools the first fluid flowing therein.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the housing portion includes a housing body separated into two spaces by the partition, a first fluid coupled to both ends of the housing body, and into which the first fluid flows. It includes a housing cap each formed with a fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid flows, and the housing cap with the first fluid inlet formed thereon includes a bimetallic flow adjuster for controlling the flow direction of the first fluid, and the partition wall. It may include a cap partition formed in this extending direction.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the housing portion is separated into two spaces by the partition, and includes a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid through which the first fluid flows out. It includes a housing body having an outlet, and a housing cap coupled to both ends of the housing body and having a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out. The housing body may include an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며, 상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the housing portion is separated into two spaces by the partition, and includes a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid through which the first fluid flows out. It includes a housing body with an outlet formed on one side, and a housing cap coupled to each end of the housing body and having a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out. The housing body includes an extension partition extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and a cross partition formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction intersecting the extension partition. may include.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며, 상기 냉각매체 유입구는 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결될 수 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the housing portion includes a cooling medium inlet for supplying cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooled cooling medium flows out, and the cooling medium The inlet may be connected to a bypass flow path that bypasses at least a portion of the external air flowing into the air compression means.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Details of other implementations of various aspects of the present invention are included in the detailed description below.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 하나의 막가습기에서 수분 교환에 의한 가습과 열교환에 의한 냉각을 수행하여 연료전지 시스템의 간소화 및 연료전지 시스템 크기의 소형화를 구현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, simplification of the fuel cell system and miniaturization of the size of the fuel cell system can be achieved by performing humidification by moisture exchange and cooling by heat exchange in a single membrane humidifier.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 6은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이다.
도 7은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 단면도이다.
도 8은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이다.
도 9는 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 허니콤 방식의 열교환 모듈이다.
도 10은 열교환 모듈이 예시된 도면으로, 플레이트 방식의 열교환 모듈이다.
도 11은 도 8의 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 적용된 것이 예시된 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 측면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이다.
도 16은 도 15의 평면도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예가 도시된 도면이다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective view showing an application example of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a plan view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a cross-sectional view viewed from line AA of Figure 4.
Figure 7 is a cross-sectional view viewed from line BB in Figure 4.
Figure 8 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a shell-and-tube type heat exchange module.
Figure 9 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a honeycomb type heat exchange module.
Figure 10 is a diagram illustrating a heat exchange module, which is a plate type heat exchange module.
FIG. 11 is a diagram illustrating the shell-and-tube heat exchange module of FIG. 8 applied to a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
Figure 13 is a side view showing a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
Figure 14 is a perspective view showing an application example of a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
Figure 15 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention.
Figure 16 is a plan view of Figure 15.
17 to 19 are diagrams for explaining the operation process of a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
Figure 20 is a diagram showing another example of a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
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.Since the present invention can be modified in various ways and have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and explained in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
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 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대해 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'include' or 'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, a fuel cell membrane humidifier and a fuel cell system including the same will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템이 도시된 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)을 포함한다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes an air compression means 10, a fuel
공기 압축수단(10)은 외기 공급유로(L1)로부터 외기를 공급받아서 압축하여 연료전지 막가습기(20)로 공급한다. 공기 압축수단(10)은, 공기 등의 유체를 압축하는 장치이며, 예를 들어 블로워(blower), 압축기(compressor) 등이 될 수 있다.The air compression means 10 receives outside air from the outside air supply passage L1, compresses it, and supplies it to the fuel
연료전지 막가습기(20)는 공기 압축수단(10)에서 압축된 고온의 건조공기를 공급받는다. 또한, 연료전지 막가습기(20)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 고온 고습의 배출가스를 공급받는다. The fuel cell membrane humidifier (20) receives high-temperature dry air compressed from the air compression means (10). In addition, the fuel
연료전지 막가습기(20)의 가습 모듈(200)에서는, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)와 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스가 수분 교환을 한다. 수분 교환 결과, 건조 공기는 수분을 함유한 채로 연료전지 스택(30)으로 공급된다.In the
운전 조건에 따라, 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기의 적어도 일부(운전 조건에 따라 전부 또는 제로일 수 있음)는 가습 모듈(200)에서 가습되지 않고, 열교환 모듈(300)을 통과하면서 열만 교환하여 고온의 건조공기에서 저온의 건조공기가 된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 수분을 함유한 공기와 혼합되면서 연료전지 스택(30)으로 공급될 수 있다. 도면 부호 100은 하우징부이다.Depending on the operating conditions, at least a portion of the dry air compressed in the air compression means 10 (which may be all or zero depending on the operating conditions) is not humidified in the
연료전지 스택(30)은 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다. 단위 셀들은 막-전극 접합체와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 접합체의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성한다. 막-전극 접합체는 일면에 연료극을 형성하고, 다른 일면에 공기극을 형성하며, 이들 연료극과 공기극 사이에 전해질 막을 형성하는 구조로 이루어진다.The
연료극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질 막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다. 그리고, 공기극은 연료극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 수소와 산소의 반응 결과 생긴 고습의 배출가스는 연료전지 스택(30)에서 연료전기 막가습기(20)로 공급된다.The fuel electrode oxidizes the hydrogen supplied through the channel of the separator and separates it into electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane functions to move the hydrogen ions to the cathode. In addition, the air electrode functions to generate water and heat by reducing the electrons and hydrogen ions received from the fuel electrode and the oxygen in the air provided through the separator channel. Highly humid exhaust gas resulting from the reaction of hydrogen and oxygen is supplied from the
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수분 교환을 위한 하나의 하우징부(100) 내에 가습 모듈(200)과 열교환을 위한 열교환 모듈(300)이 병렬 방식으로 일체화되어 연료전지 시스템을 간소화시키고, 연료전지 시스템의 크기를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the
이하, 도 2 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)를 설명한다.Hereinafter, a fuel
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 응용예가 도시된 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이며, 도 6은 도 4의 A-A 라인에서 바라본 단면도이고, 도 7은 도 4의 B-B 라인에서 바라본 단면도이다.Figure 2 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a perspective view showing an application example of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 is a perspective view showing an application example of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a plan view showing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a cross-sectional view viewed from line A-A of FIG. 4, and FIG. 7 is a cross-sectional view viewed from line B-B in FIG. 4.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20)는, 하우징부(100)와 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)과 바이메탈 유량 조절부(400)를 포함한다.As shown in FIGS. 2 to 7, the fuel
하우징부(100)는 막가습기(20)의 외형을 이룬다. 하우징부(100)는 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. The
하우징 몸체(110)는 격벽(150)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300)이 각각 배치된다. (도 6 참조)The
또한, 하우징 몸체(110)와 하우징 캡(120)들은 폭 방향 단면 형상이 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 다각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 다각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.Additionally, the
도 7을 참조하면, 가습 모듈(200)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(131)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(132)가 형성되어 있다. 상기에서 제1 유체는 저습의 유체이며 제2 유체는 고습의 유체일 수 있다. 보다 구체적으로 제1 유체는 공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기이고, 제2 유체는 연료전지 스택(30)에서 배출된 고습의 배출가스일 수 있다. Referring to FIG. 7, the
열교환 모듈(300)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142)가 형성된다. 열교환 모듈(300)에 의한 냉각 방식은, 공냉식 또는 수냉식일 수 있으며, 냉각매체는 외부에서 공급된 공기 또는 물일 수 있다.The
하우징 캡(120)은 하우징 몸체(110)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120)에는 제1 유체 유입구(121) 및 제1 유체 유출구(122)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121)가 형성된 하우징 캡(120)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부(400)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121)가 형성된 하우징 캡(120)에는 하우징 몸체(110)에 형성된 격벽(150)이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽(123)을 포함할 수 있다. 설계에 따라 격벽(150)과 캡 격벽(123)은 각각 별도로 형성되거나 또는 일체로 형성될 수 있다. 바이메탈 유량 조절부(400)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 캡 격벽(123)에 의해 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 가이드된다.The
제1 유체 유입구(121)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 가습 모듈(200) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 열교환 모듈(300) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200) 또는 열교환 모듈(300)로 유입될 수 있다.At least part of the first fluid flowing into the first
가습 모듈(200) 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(H)이 수용된 중공사막 다발이 배치될 수 있다. 또는, 도 3에 예시된 바와 같이, 복수의 중공사막이 수용된 복수의 카트리지(C)가 배치될 수 있다. 중공사막(H)은, 예를 들어 나피온(Nafion) 재질, 폴리에테르이미드(polyetherimide) 재질, 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone) 재질, 폴리이미드(polyimide) 재질, 폴리설폰(polysulfone) 재질, 폴리에스테르설폰(polyether sulfone) 재질의 중공사막이 될 수 있다. 중공사막(H)은 수분 교환의 정도 차이는 있으나, 대체적으로 제1 유체와 제2 유체 사이의 수분을 교환하는 기능을 수행한다.Inside the
가습 모듈(200)로 유입된 제1 유체는 중공사막의 내부 관로를 통과하고 가습 모듈(200) 외부로 유출된 후, 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다.The first fluid flowing into the
가습 모듈(200)의 양단부에는 중공사막(H)들을 결속하면서 중공사막들의 사이의 공극을 메우는 포팅부(미도시)가 형성된다. 이로써, 가습 모듈(200)은 양단부가 포팅부에 막히어 그 내부에는 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 포팅부의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.Potting parts (not shown) are formed at both ends of the
도 8 내지 도 10을 참조하여 열교환 모듈(300)에 대해 설명한다. 도 8은 쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이고, 도 9는 허니콤 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이며, 도 10은 플레이트 방식의 열교환 모듈이 예시된 도면이다.The
도 8에 도시된 쉘앤튜브(Shell & Tube) 방식의 열교환 모듈은, 내부에 튜브 다발이 수용된 쉘로 구성되며, 하나의 유체가 튜브를 통해 흐르고 다른 유체가 쉘을 통해 흐르면 두 유체 사이에서 열이 전달되어 교환되는 방식이다. 튜브 번들은 평평한 튜브, 세로로 핀 모양의 튜브 등 여러 종류의 튜브로 구성될 수 있다. The shell & tube type heat exchange module shown in Figure 8 consists of a shell containing a bundle of tubes inside, and when one fluid flows through the tube and another fluid flows through the shell, heat is transferred between the two fluids. This is how it is exchanged. Tube bundles can be composed of several types of tubes, including flat tubes and vertically fin-shaped tubes.
제1 유체(공기 압축수단(10)에서 압축된 건조공기)의 적어도 일부가 튜브를 통해 흐르면(직선 화살표로 표시), 냉각매체 유입구(141)를 통해 유입된 냉각매체는 쉘 내부를 흐르면서(곡선 화살표로 표시) 튜브와 접촉하면서 제1 유체를 냉각시킨 후, 냉각매체 유출구(142)를 통해 외부로 유출된다.When at least a portion of the first fluid (dry air compressed in the air compression means 10) flows through the tube (indicated by a straight arrow), the cooling medium introduced through the cooling
도 9에 도시된 허니콤(Honeycomb) 방식의 열교환 모듈은, 세라믹 재질의벌집 형태로 구현된 열교환기로 제1 유체(Air로 표시)가 벌집형 관로 내부를 흐르면, 냉각매체(water로 표시)가 관로와 교차하는 방향으로 공급되어 제1 유체를 냉각하는 방식이다.The honeycomb type heat exchange module shown in Figure 9 is a heat exchanger implemented in the form of a honeycomb made of ceramic material. When the first fluid (indicated as air) flows inside the honeycomb pipe, the cooling medium (indicated as water) is This is a method of cooling the first fluid by supplying it in a direction that intersects the pipe.
도 10에 도시된 플레이트 방식의 열교환 모듈(Plate heat exchanger)의 전열판은 양각 형태의 스테인리스판으로 되어 있고, 각각의 전열판들은 헤링본 패턴(herringbone pattern)의 방향을 위아래로 엇갈리게 번갈아 배치함으로써 유체가 전열판에 고르게 분배되어 난류를 형성하면서 열원측과 수축이 향류 유동을 하면서 열을 교환한다.The heat exchanger plate of the plate-type heat exchanger shown in Figure 10 is made of an embossed stainless steel plate, and each heat exchanger plate is alternately arranged in a herringbone pattern up and down, allowing fluid to flow to the heat exchanger plate. It is distributed evenly, forming turbulence, and heat is exchanged through countercurrent flow between the heat source and the contraction.
전술한 바와 같은 열교환 모듈(300)로 유입된 제1 유체는 열교환 모듈(300)을 구성하는 열교환장치의 내부를 통과하고 열교환 모듈(300) 외부로 유출된 후, 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 혼합되어 제1 유체 유출구(122)로 빠져나가서 연료전지 스택(30)으로 유입된다. 상기 도 8 내지 도 10의 열교환 모듈은 설명을 위한 예시일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The first fluid introduced into the
바이메탈 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 출력상태에 따라 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 유입되는 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. 바이메탈 유량 조절부(400)는 연료전지 스택의 고출력 또는 저출력에 따른 제1 유체의 온도 변화에 따라 능동적으로 제1 유체의 유동 방향을 조절한다. The bimetal
이를 위해, 바이메탈 유량 조절부(400)는 열팽창률이 상이한 2개 이상의 금속판을 포개어 하나의 막대 형상으로 제조된 바이메탈로 형성될 수 있다. (도 17 내지 도 19 참조)To this end, the bimetal
연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우, 막가습기(20)에서의 가습량은 상대적으로 적으며, 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우, 막가습기(20)에서의 가습량은 상대적으로 커지게 된다.When the output of the
또한, 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우, 블로워에서 막가습기(20)로 공급되는 제1 유체는 상대적으로 저온이며, 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우, 블로워에서 막가습기(20)로 공급되는 제1 유체는 상대적으로 고온이다. In addition, when the output of the
따라서, 바이메탈 유량 조절부(400)는 가습 모듈(200) 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 열교환 모듈(300) 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성될 수 있다.Therefore, the metal plate of the bimetal
이러한 바이메탈 유량 조절부(400)는 제1 유체 유량 조절을 위한 밸브나 제1 유체의 유량을 센싱하기 위한 센서, 그리고, 밸브의 동작을 제어하기 위한 제어부를 구비하지 않고도, 연료전지 스택의 출력상태에 따라 능동적으로 제1 유체가 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)에 고르게 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한 쪽으로 많이 흐르게 하거나, 또는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300) 중 어느 한쪽에는 흐르지 않도록 조절하여 유량을 조절할 수도 있다.This bimetal
다음으로, 도 12 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)가 도시된 사시도이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)가 도시된 측면도이며, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20a)의 응용예가 도시된 사시도이다.Next, a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 14. Figure 12 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier (20a) according to another embodiment of the present invention, Figure 13 is a side view showing a fuel cell membrane humidifier (20a) according to another embodiment of the present invention, and Figure 14 is a perspective view showing an application example of the fuel cell membrane humidifier (20a) according to another embodiment of the present invention.
도 12 내지 도 14에 도시된 연료전지 막가습기는 전술한 일 실시예와 실질적으로 유사하게 하우징부(100a)와 가습 모듈(200a)과 열교환 모듈(300a)과 바이메탈 유량 조절부(400a)를 구비한다. 다만, 본 실시예에서는 하우징 캡(120a)을 통해 고습의 제2 유체가 유입 및 유출되고, 하우징 몸체(100a)를 통해 건조(저습)한 제1 유체가 유입 및 유출된다.The fuel cell membrane humidifier shown in FIGS. 12 to 14 includes a
하우징 몸체(110a)는 격벽(150a)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200a)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300a)이 각각 배치된다.The
가습 모듈(200a)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110a)에는 제1 유체가 공급되는 제1 유체 유입구(121a)와 제1 유체가 배출되는 제1 유체 유출구(122a)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121a)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부(400a)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121a)가 형성된 하우징 몸체(110a)에는 하우징 몸체(110a)에 형성된 격벽(150a)이 제1 유체 유입구(121a) 방향으로 연장되는 연장 격벽(151a)을 포함할 수 있다. 설계에 따라 격벽(150a)과 연장 격벽(151a)은 각각 별도로 형성되거나 또는 일체로 형성될 수 있다. 바이메탈 유량 조절부(400a)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 연장 격벽(151a)에 의해 가습 모듈(200a) 또는 열교환 모듈(300a)로 가이드된다.A
제1 유체 유입구(121a)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 가습 모듈(200a) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 열교환 모듈(300a) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200a) 또는 열교환 모듈(300a)로 유입될 수 있다.At least part of the first fluid flowing into the
열교환 모듈(300a)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110a)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141a)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142a)가 형성된다. 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 하우징 몸체(110a)의 측면에 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 도 14에 도시된 바와 같이 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 하우징 몸체(110a)의 상면 또는 저면에 형성될 수도 있다. 이 경우, 냉각 매체가 열교환 모듈(300a)을 유동할 수 있도록 냉각매체 유입구(141a)와 냉각매체 유출구(142a)는 열교환 모듈(300a)과 연결되도록 하우징 몸체(110a)의 상면 또는 저면을 관통하여 형성된다.A cooling
하우징 캡(120a)은 하우징 몸체(110a)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120a)에는 제2 유체 유입구(131a) 및 제2 유체 유출구(132a)가 형성되어 있다. The
가습 모듈(200a)과 열교환 모듈(300a)은 전술한 일 실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 또한, 바이메탈 유량 조절부(400a)는 제1 유체 유입구(121a)에 설치되는 점에서 상이할 뿐, 기능 및 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.Since the
다음으로, 도 15 및 도 16을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다. 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 막가습기(20b)가 도시된 사시도이고, 도 16은 도 15의 평면도이다.Next, a fuel cell membrane humidifier according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 and 16. Figure 15 is a perspective view showing a fuel cell membrane humidifier (20b) according to another embodiment of the present invention, and Figure 16 is a plan view of Figure 15.
도 15 및 도 16에 도시된 연료전지 막가습기는 전술한 다른 실시예와 실질적으로 유사하게 하우징부(100b)와 가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)과 바이메탈 유량 조절부(400b)를 구비한다. 본 실시예에서는 하우징 캡(120b)을 통해 고습의 제2 유체가 유입 및 유출되고, 하우징 몸체(100b)를 통해 건조(저습)한 제1 유체가 유입 및 유출되되, 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체 유출구(122b)가 하우징 몸체(100b)의 상면 또는 하면에 함께 형성된다.The fuel cell membrane humidifier shown in FIGS. 15 and 16 includes a housing portion (100b), a humidification module (200b), a heat exchange module (300b), and a bimetallic flow rate controller (400b), substantially similar to the other embodiments described above. do. In this embodiment, a high-humidity second fluid flows in and out through the
하우징 몸체(110b)는 격벽(150b)에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 각각의 공간에는 수분 교환을 수행하는 가습 모듈(200b)과 열교환에 의해 냉각을 수행하는 열교환 모듈(300b)이 각각 배치된다.The
가습 모듈(200b)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체가 공급되는 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체가 배출되는 제1 유체 유출구(122b)가 형성되어 있다. 제1 유체 유입구(121b)에는 유입된 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부(400b)가 형성된다. 또한, 제1 유체 유입구(121b) 및 제1 유체 유출구(122b)가 형성된 하우징 몸체(110b)에는 하우징 몸체(110b)에 형성된 격벽(150b)이 제1 유체 유입구(121b) 및 제1 유체 유출구(122b) 방향으로 연장되는 연장 격벽(151b)과, 연장 격벽(151b)과 교차하는 방향으로 형성된 교차 격벽(152b)을 포함할 수 있다. 교차 격벽(152b)은 제1 유체 유입구(121b)와 제1 유체 유출구(122b) 사이에 형성된다. 연장 격벽(151b)과 교차 격벽(152b)은 가습 모듈(200b) 및 열교환 모듈(300b)과 하우징 몸체(110b)가 이루는 공간은 4개의 분리된 공간으로 구획한다. On one surface (upper or lower surface) of the
가습 모듈(200b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체 유입구(121b)를 통해 유입된 제1 유체가 가습 모듈(200b) 내부로 유입되도록 하는 제1 유입 윈도우(201b)와 가습 모듈(200b) 내부를 유동하면서 수분 교환을 수행한 제1 유체가 유출되도록 하는 제1 유출 윈도우(202b)가 형성된다. On one surface (upper or lower surface) of the
또한, 열교환 모듈(300b)의 일면(상면 또는 하면)에는 제1 유체 유입구(121b)를 통해 유입된 제1 유체가 열교환 모듈(300b) 내부로 유입되도록 하는 제2 유입 윈도우(301b)와 열교환 모듈(300b) 내부를 유동하면서 열 교환을 수행한 제1 유체가 유출되도록 하는 제2 유출 윈도우(302b)가 형성된다. In addition, one surface (upper or lower surface) of the
유입 윈도우(201b, 301b)와 유출 윈도우(202b, 302b)는 가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)의 일면 일부를 관통하여 형성된다.The inflow windows (201b, 301b) and the outflow windows (202b, 302b) are formed by penetrating a portion of one surface of the humidification module (200b) and the heat exchange module (300b).
열교환 모듈(300b)이 배치된 영역의 하우징 몸체(110b)에는 냉각매체가 공급되는 냉각매체 유입구(141b)와 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구(142b)가 형성된다. 냉각매체 유입구(141b)와 냉각매체 유출구(142b)는 하우징 몸체(110b)의 측면에 형성될 수 있다.A cooling
하우징 캡(120b)은 하우징 몸체(110b)의 각 양단에 결합된다. 각각의 하우징 캡(120b)에는 제2 유체 유입구(131b) 및 제2 유체 유출구(132b)가 형성되어 있다. The
가습 모듈(200b)과 열교환 모듈(300b)은 전술한 일 실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 또한, 바이메탈 유량 조절부(400b)는 제1 유체 유입구(121b)에 설치되는 점에서 상이할 뿐, 기능 및 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.Since the
바이메탈 유량 조절부(400b)에 의해 방향이 조절된 제1 유체는 연장 격벽(151b)에 의해 가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 가이드된다. The first fluid, the direction of which is adjusted by the
제1 유체 유입구(121b)로 유입된 제1 유체의 적어도 일부는 제1 유입 윈도우(201b)를 통해 가습 모듈(200b) 내부로 유입되고, 나머지 일부는 제2 유입 윈도우(301b)를 통해 열교환 모듈(300b) 내부로 유입된다. 운전 조건에 따라 제1 유체의 전부가 가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 유입될 수 있다. 이때, 교차 격벽(152b)은 제1 유체가 유입 윈도우(201b, 301b)로 유입되지 않고 곧 바로 제1 유체 유출구(122b)를 통해 배출되는 것을 방지한다.At least a portion of the first fluid flowing into the first
가습 모듈(200b) 또는 열교환 모듈(300b)로 유입된 제1 유체는 가습 모듈(200b) 내부를 유동하면서 수분 교환 또는 열교환 모듈(300b) 내부를 유동하면서 열 교환을 수행한 후, 제1 유체 유출구(122b) 전방에서 혼합되어 제1 유체 유출구(122b)를 통해 연료전지 막가습기(20b) 외부로 유출된다.The first fluid flowing into the
다음으로, 도 17 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정을 설명한다. 한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 동작 과정은 일 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.Next, the operation process of the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17 to 19. Meanwhile, the operating process of the fuel cell membrane humidifier according to other embodiments of the present invention is substantially the same as that of one embodiment, so repeated descriptions are omitted.
도 17은 가습 모듈(200)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 가습기 기능만 구현한 예이다. 도 17은 연료전지 스택(30)의 출력이 고출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 고온이므로, 열팽창률이 큰 가습 모듈(200) 측의 금속판이 더 빨리 팽창하게 되어, 그 결과 바이메탈 유량 조절부(400)는 가습 모듈(200) 측의 유로를 개방하고 열교환 모듈(300) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 가습 모듈(200) 내부에 있는 중공사막들 내부로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체는 제2 유체 유입구(131)를 통해 유입된 제2 유체와 수분 교환을 한다.Figure 17 is an example of implementing only the humidifier function by allowing the first fluid to flow only into the
도 18은 열교환 모듈(300)로만 제1 유체가 유입되도록 하여 열교환기 기능만 구현한 예이다. 도 18은 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 상대적으로 저온이므로, 열팽창률이 큰 가습 모듈(200) 측의 금속판이 더 빨리 수축하게 되어, 그 결과 바이메탈 유량 조절부(400)는 열교환 모듈(300) 측의 유로를 개방하고 가습 모듈(200) 측 유로는 폐쇄하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)는 대부분 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 이 과정에서 제1 유체와 제2 유체의 수분 교환은 이루어지지 않고, 제1 유체와 냉각매체 간의 열교환만 발생한다. 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량 등을 조절하여 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 온도를 원하는 대로 조절할 수 있다.Figure 18 is an example of implementing only the heat exchanger function by allowing the first fluid to flow only into the
도 19는 가습 모듈(200)과 열교환 모듈(300)로 제1 유체가 유입되도록 하여 가습 및 열교환 기능을 구현한 예이다. 도 19는 연료전지 스택(30)의 출력이 저출력과 고출력 사이인 경우가 될 수 있으며, 제1 유체는 저온과 고온 사이의 온도이므로, 바이메탈을 이루는 두 금속의 열팽창률은 어느 정도 유사하여 가습 모듈(200) 측 유로 또는 열교환 모듈(300) 측 유로를 부분적으로 개방하게 된다. 공기 압축수단(10)에 의해 압축된 건조공기(제1 유체)의 적어도 일부는 가습 모듈(200)로, 나머지는 열교환 모듈(300)로 흘러서 타측의 하우징 캡(120)의 제1 유체 유출구(122)를 통하여 막가습기 외부로 배출된다. 가습 모듈(200)을 통과한 제1 유체와 열교환 모듈(300)을 통과한 제1 유체는 혼합된 상태로 제1 유체 유출구(122)를 통해 배출되어 연료전지 스택(30)으로 유입되며, 이때, 열교환 모듈(300)에 투입되는 냉각매체의 온도 및 유량을 조절하여 혼합 상태의 제1 유체의 온도를 조절할 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(30)으로 유입되는 제1 유체의 가습 상태 및 온도를 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.Figure 19 is an example of implementing humidification and heat exchange functions by allowing the first fluid to flow into the
다음으로, 도 20을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 다른 예를 설명한다.Next, another example of a fuel cell system including a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 20.
도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)과, 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함한다.As shown in FIG. 20, the fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes an air compression means 10, a fuel
본 실시예의 연료전지 시스템은 바이패스 유로(L2)와 바이패스 밸브(V)를 포함하는 점에서 전술한 일 실시예와 상이할 뿐, 다른 구성은 동일하므로 공기 압축수단(10)과, 연료전지 막가습기(20)와, 연료전지 스택(30)에 대한 상세한 설명은 생략한다.The fuel cell system of this embodiment is different from the above-described embodiment only in that it includes a bypass flow path (L2) and a bypass valve (V), but other configurations are the same, so it includes an air compression means (10) and a fuel cell. Detailed descriptions of the
본 실시예의 연료전지 시스템은 공기 압축수단(10)의 전방 상류측에 설치된 외기 공급유로(L1)으로부터 분기하여 열교환 모듈(300)의 냉각매체 유입구(141)와 연결되는 바이패스 유로(L2)를 포함한다. 외기 공급유로(L1)에는 바이패스되는 유량을 조절하는 바이패스 밸브(V)가 형성된다.The fuel cell system of this embodiment branches off from the outdoor air supply passage L1 installed on the front upstream side of the air compression means 10 and has a bypass passage L2 connected to the cooling
전술한 일 실시예의 연료전지 시스템에서, 열교환 모듈(300)은 외부에서 공급되는 냉각매체를 이용하여 제1 유체를 냉각시킨다. 이 경우, 이 냉각매체를 공급하기 위해 별도의 냉각매체 저장수단을 구비하여야 하며, 이로 인해, 시스템의 간소화 및 소형화에 제한이 있을 수 있다.In the fuel cell system of the above-described embodiment, the
본 실시예에서는 공기 압축수단(10)으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스 유로(L2)를 통해 열교환 모듈(300)로 공급하여 제1 유체를 냉각시킨다. 따라서, 공냉식 열교환기인 경우, 냉각매체 공급을 위한 별도의 냉각매체 저장수단을 구비할 필요가 없게 되어 더욱 더 간소화/소형화된 연료전지 시스템을 구축할 수 있게 된다.In this embodiment, at least a portion of the external air flowing into the air compression means 10 is supplied to the
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art can add, change, delete or add components without departing from the spirit of the present invention as set forth in the patent claims. The present invention may be modified and changed in various ways, and this will also be included within the scope of rights of the present invention.
10 : 공기 압축수단 20 : 연료전지 막가습기
30 : 연료전지 스택
100 : 하우징부 110 : 하우징 몸체
120 : 하우징 캡 200 : 가습 모듈
300 : 열교환 모듈 400 : 바이메탈 유량 조절부
L1 : 외기 공급유로 L2 : 바이패스 유로10: Air compression means 20: Fuel cell membrane humidifier
30: Fuel cell stack
100: housing portion 110: housing body
120: housing cap 200: humidification module
300: Heat exchange module 400: Bimetal flow control unit
L1: External air supply flow path L2: Bypass flow path
Claims (14)
상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체가 외부에 흐르는 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하는 가습 모듈;
상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되며, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈; 및,
연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 바이메탈 유량 조절부
를 포함하며,
상기 바이메탈 유량 조절부는,
상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈인 연료전지 막가습기.
a housing portion formed with a space separated by a partition;
a humidifying module formed in one area of the separated space and including a plurality of hollow fiber membranes through which a first fluid flowing inside exchanges moisture with a second fluid flowing outside;
a heat exchange module formed in another area of the separated space and cooling the first fluid flowing therein; and,
A bimetal flow controller that actively adjusts the flow direction of the first fluid according to the temperature change of the first fluid according to the output state of the fuel cell stack.
Includes,
The bimetal flow control unit,
The metal plate on the humidification module side is a metal with a high thermal expansion coefficient, and the metal plate on the heat exchange module side is a bimetal made of a metal with a low thermal expansion coefficient.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 1, wherein the housing portion,
A housing body divided into two spaces by the partition wall,
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid outlet through which the first fluid flows out,
A fuel cell membrane humidifier wherein the housing cap where the first fluid inlet is formed includes a bimetallic flow rate controller for controlling the flow direction of the first fluid and a cap partition formed in a direction in which the partition extends.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 1, wherein the housing portion,
a housing body divided into two spaces by the partition wall and having a first fluid inlet through which the first fluid flows in and a first fluid outlet through which the first fluid flows out;
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out,
The housing body is a fuel cell membrane humidifier including an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함하는 연료전지 막가습기.
The method of claim 1, wherein the housing portion,
A housing body divided into two spaces by the partition wall and having a first fluid inlet through which the first fluid flows in and a first fluid outlet through which the first fluid flows out are formed on one side;
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out,
The housing body includes an extension partition extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and a cross partition formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction intersecting the extension partition. A fuel cell membrane humidifier.
쉘앤튜브 방식의 열교환 모듈, 또는 허니콤 방식의 열교환 모듈, 또는 플레이트 방식의 열교환 모듈인 연료전지 막가습기.
The method of claim 1, wherein the heat exchange module,
A fuel cell membrane humidifier that is a shell-and-tube type heat exchange module, a honeycomb type heat exchange module, or a plate type heat exchange module.
상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
상기 냉각매체 유입구는 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 막가습기.
The method according to any one of claims 1, 3 to 6, wherein the housing unit,
It includes a cooling medium inlet that supplies cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooled cooling medium flows out,
A fuel cell membrane humidifier wherein the cooling medium inlet is connected to a bypass flow path that bypasses at least a portion of the external air flowing into the air compression means.
수소와 산소를 반응시켜서 열 및 고습의 제2 유체를 발생시키는 연료전지 스택;
상기 공기 압축수단에서 압축된 제1 유체와 상기 연료전지 스택에서 배출된 제2 유체 간의 수분 교환을 이용하여 상기 제1 유체를 가습시키는 가습 모듈과, 상기 제1 유체를 냉각시키는 열교환 모듈과, 상기 연료전지 스택의 출력상태에 따른 상기 제1 유체의 온도 변화에 따라 상기 제1 유체의 유동 방향을 능동적으로 조절하는 바이메탈 유량 조절부를 포함하는 연료전지 막가습기
를 포함하며,
상기 바이메탈 유량 조절부는,
상기 가습 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 큰 금속이며, 상기 열교환 모듈 측의 금속판은 열팽창률이 작은 금속으로 구성되는 바이메탈인 연료전지 시스템.
Air compression means for receiving external air and compressing it to generate a first fluid;
A fuel cell stack that reacts hydrogen and oxygen to generate a second fluid of heat and high humidity;
a humidifying module that humidifies the first fluid using moisture exchange between the first fluid compressed by the air compression means and the second fluid discharged from the fuel cell stack, a heat exchange module that cools the first fluid, and A fuel cell membrane humidifier including a bimetallic flow rate controller that actively adjusts the flow direction of the first fluid according to the temperature change of the first fluid according to the output state of the fuel cell stack.
Includes,
The bimetal flow control unit,
The fuel cell system wherein the metal plate on the humidification module side is a metal with a high thermal expansion coefficient, and the metal plate on the heat exchange module side is a bimetal made of a metal with a low thermal expansion coefficient.
격벽에 의해 분리된 공간이 형성된 하우징부를 포함하며,
상기 가습 모듈은 상기 분리된 공간의 일 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 상기 제1 유체가 외부에 흐르는 상기 제2 유체와 수분 교환하는 복수의 중공사막을 포함하며,
상기 열교환 모듈은 상기 분리된 공간의 타 영역에 형성되고, 내부에 흐르는 제1 유체를 냉각시키는 연료전지 시스템.
The method of claim 8, wherein the fuel cell membrane humidifier,
It includes a housing portion in which a space separated by a partition is formed,
The humidifying module is formed in one area of the separated space and includes a plurality of hollow fiber membranes through which the first fluid flowing inside exchanges moisture with the second fluid flowing outside,
The fuel cell system wherein the heat exchange module is formed in another area of the separated space and cools the first fluid flowing therein.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되는 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 제1 유체 유입구가 형성된 하우징 캡은 상기 제1 유체의 유동 방향을 조절하는 바이메탈 유량 조절부 및 상기 격벽이 연장되는 방향으로 형성된 캡 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
The method of claim 10, wherein the housing portion,
A housing body divided into two spaces by the partition wall,
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a first fluid inlet through which the first fluid flows and a first fluid outlet through which the first fluid flows out,
A fuel cell system in which the housing cap in which the first fluid inlet is formed includes a bimetallic flow rate controller that controls a flow direction of the first fluid, and a cap partition formed in a direction in which the partition extends.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 형성된 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 방향으로 연장되는 연장 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
The method of claim 10, wherein the housing portion,
a housing body divided into two spaces by the partition wall and having a first fluid inlet through which the first fluid flows in and a first fluid outlet through which the first fluid flows out;
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out,
The fuel cell system wherein the housing body includes an extended partition wall extending in the direction of the first fluid inlet.
상기 격벽에 의해 2개의 공간으로 분리되며, 상기 제1 유체가 유입되는 제1 유체 유입구 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유체 유출구가 일면에 함께 형성된 하우징 몸체와,
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제2 유체가 유입되는 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유체 유출구가 각각 형성된 하우징 캡을 포함하며,
상기 하우징 몸체는 상기 제1 유체 유입구 및 제1 유체 유출구 방향으로 연장 형성되는 연장 격벽과, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구 사이에 상기 연장 격벽과 교차하는 방향으로 형성되는 교차 격벽을 포함하는 연료전지 시스템.
The method of claim 10, wherein the housing portion,
A housing body divided into two spaces by the partition wall and having a first fluid inlet through which the first fluid flows in and a first fluid outlet through which the first fluid flows out are formed on one side;
It is coupled to both ends of the housing body and includes a housing cap each formed with a second fluid inlet through which the second fluid flows and a second fluid outlet through which the second fluid flows out,
The housing body includes an extension partition extending in the direction of the first fluid inlet and the first fluid outlet, and a cross partition formed between the first fluid inlet and the first fluid outlet in a direction intersecting the extension partition. fuel cell system.
상기 열교환 모듈에 냉각매체를 공급하는 냉각매체 유입구와, 냉각을 수행한 냉각매체가 유출되는 냉각매체 유출구를 포함하며,
상기 냉각매체 유입구는 상기 공기 압축수단으로 유입되는 외기의 적어도 일부를 바이패스하는 바이패스 유로와 연결되는 연료전지 시스템.The method of claim 10, wherein the housing portion,
It includes a cooling medium inlet that supplies cooling medium to the heat exchange module, and a cooling medium outlet through which the cooled cooling medium flows out,
The fuel cell system wherein the cooling medium inlet is connected to a bypass flow path that bypasses at least a portion of the external air flowing into the air compression means.
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