KR20230033822A - Fuel cell humidifier - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 막가습기의 카트리지 배치에 따른 내구성 저하 및 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier, and more particularly, to a fuel cell membrane humidifier capable of preventing degradation of durability and efficiency due to cartridge arrangement of the membrane humidifier.
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 2배가량 높다는 장점이 있다.A fuel cell is a power-generating cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and are about 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 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.In addition, since the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, the emission of pollutants is low. Therefore, the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
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.Depending on the type of electrolyte used, these fuel cells are largely classified into Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), and Molten Carbonate Fuel Cell. : MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), and alkaline fuel cell (AFC).
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.Each of these fuel cells operates according to the fundamentally same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte are different from each other. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is known to be the most promising not only for small-scale stationary power generation equipment but also for transportation systems because it operates at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high power density.
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.One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is a certain amount or more of a polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane: PEM) of a membrane electrode assembly (MEA). It is to maintain the moisture content by supplying moisture. This is because when the polymer electrolyte membrane is dried, power generation efficiency is rapidly reduced.
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.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.
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.Among these, 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.
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.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. In other words, when manufacturing 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.
본 발명은 막가습기의 카트리지 배치로 인해 발생하는 연료전지 막가습기의 내구성 저하 및 효율 저하를 방지할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of preventing degradation of durability and efficiency of the fuel cell membrane humidifier caused by disposition of cartridges in the membrane humidifier.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 미드케이스, 캡, 카트리지, 중공사막을 포함한다. 미드케이스는 내부에서 제1유체와 제2유체 간의 수분 교환이 일어나고, 제2유체가 출입하는 제2유체 유입구 및 제2유체 배출구를 포함한다. 캡은 제1유체가 출입하는 제1유체 유입구 및 제1유체 배출구를 포함하고, 미드케이스에 배치된다. 카트리지는 미드케이스의 내부에 배치되고, 측면부에 제2유체가 통과하는 제1윈도우를 포함한다. 중공사막은 카트리지 내부에 배치되고 제1유체가 유동한다. 카트리지는 두께 방향이 제2유체 유입구의 유입 방향과 평행하고, 폭 방향이 두께 방향과 수직이며, 두께 방향 길이는 폭 방향 길이보다 크지 않다.A fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention includes a mid case, a cap, a cartridge, and a hollow fiber membrane. The midcase includes a second fluid inlet and a second fluid outlet through which moisture exchange occurs between the first fluid and the second fluid, and the second fluid enters and exits. The cap includes a first fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid enters and exits, and is disposed in the mid case. The cartridge is disposed inside the mid case and includes a first window through which the second fluid passes on the side portion. The hollow fiber membrane is disposed inside the cartridge and the first fluid flows. The cartridge has a thickness direction parallel to the inflow direction of the second fluid inlet, a width direction perpendicular to the thickness direction, and a length in the thickness direction not greater than the length in the width direction.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 종단면의 폭 방향 길이가 두께 방향 길이와 동일할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the width direction length of the longitudinal section of the cartridge may be the same as the thickness direction length.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 종단면이 타원형일 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the cartridge may have an elliptical longitudinal section.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 종단면이 다각형일 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the cartridge may have a polygonal longitudinal section.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 복수 개가 구비되고, 복수 개의 카트리지는 미드케이스 내부에서 적층 구조로 배치될 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention includes a plurality of cartridges, and the plurality of cartridges may be arranged in a stacked structure inside the mid case.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 제2유체 유입구와 대응되는 위치 및 제1윈도우 사이에 제2유체가 통과하는 제2윈도우를 더 포함할 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention may further include a second window through which the second fluid passes between the first window and the position where the cartridge corresponds to the second fluid inlet.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 제1윈도우가 두 개 이상 구비되어, 카트리지의 제2유체 유입구 측과 제2유체 배출구 측에 각각 배치될 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention may include two or more first windows, respectively disposed on the second fluid inlet side and the second fluid outlet side of the cartridge.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 제2유체 유입구 측 및 제2유체 유입구와 마주보지 않는 면에 제2유체가 통과하는 제3윈도우를 더 포함할 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention may further include a third window through which the second fluid passes on the side of the cartridge that does not face the second fluid inlet and the second fluid inlet.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 제2유체 배출구 측 및 제2유체 배출구와 마주보는 면에 제2유체가 통과하는 제4윈도우를 더 포함할 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention may further include a fourth window through which the second fluid passes on the side of the cartridge facing the second fluid outlet and the second fluid outlet.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 카트리지가 제2유체 유입구와 마주보는 면에 제2유체 유입구를 향하여 돌출된 가이드부를 더 포함할 수 있다.The fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention may further include a guide unit protruding toward the second fluid inlet on the surface of the cartridge facing the second fluid inlet.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기는 가이드부가 제2유체 유입구와 가장 가까운 위치부터 제1윈도우까지 곡면으로 형성될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the guide part may be formed in a curved surface from a position closest to the second fluid inlet to the first window.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 연료전지 막가습기의 카트리지가 두께 방향이 배가스의 유입 방향과 평행하게 배치되더라도, 배가스가 윈도우로 우회하여 매끄럽게 유입될 수 있다. 이에 따라 연료전지 막가습기의 내구성 저하 및 효율 저하를 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, even if the thickness direction of the cartridge of the fuel cell membrane humidifier is disposed parallel to the inflow direction of the exhaust gas, the exhaust gas can be smoothly introduced by bypassing the window. Accordingly, degradation of durability and efficiency of the fuel cell membrane humidifier can be prevented.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이다.
도 3은 도 2의 A - A’라인을 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2의 B - B’라인을 절개한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 정면도이다.1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
2 is a plan view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2 .
4 is a cross-sectional view taken along line B-B′ of FIG. 2;
5 is an enlarged perspective view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
7 is a plan view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention.
8 is a plan view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a third embodiment of the present invention.
9 is a front view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a fourth 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. 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 명세서 상에 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. 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 that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. At this time, it should be noted that in the accompanying drawings, the same components are indicated by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, in the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 정면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 평면도이며, 도 3은 도 2의 A - A’라인을 절개한 단면도이고, 도 4는 도 2의 B - B’라인을 절개한 단면도이다.1 is a front view showing a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention, and FIG. It is a cross-sectional view taken along line A - A', and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line B - B' in FIG. 2 .
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)는 미드케이스(1100), 캡(1200), 카트리지(1300)를 포함한다.1 to 4, the fuel
미드케이스(1100)의 내부에서는 제1유체와 제2유체 간의 수분 교환이 일어난다. 제1유체는 외부로 부터 공급되는 유체일 수 있다. 제2유체는 연료전지 스택(미도시)로부터 공급되는 유체일 수 있다Inside the
미드케이스(1100)의 내부에는 내부공간(S)이 형성된다. 미드케이스(1100)는 제2유체가 유입되는 제2유체 유입구(1110)와, 제2유체가 배출되는 제2유체 배출구(1120)를 포함할 수 있다. 제2유체는 제2유체 유입구(1110)를 통해 내부공간(S)에 유입되어 제2유체 배출구(1120)를 통해 내부공간(S)으로부터 배출될 수 있다. Inside the
캡(1200)은 미드케이스(1100)에 배치된다. 캡(1200)은 두개가 구비될 수 있다. 두개의 캡(1200)은 미드케이스(1100)의 양단에 각각 대칭적으로 배치될 수 있다. 캡(1200)은 제1유체가 유입되는 제1유체 유입구(1210)와 제1유체가 배출되는 제1유체 배출구(1220)를 포함할 수 있다. 두개의 캡(1200) 중 어느 하나는 제1유체 유입구(1210)를 포함하고, 나머지 하나는 제1유체 배출구(1220)를 포함할 수 있다. 제1유체 유입구(1210)를 통해 유입된 제1유체는 미드케이스(1100)의 내부공간(S)을 지나 제2유체와 수분 교환한 뒤 제1유체 배출구(1220)를 통해 배출될 수 있다. 제1유체 배출구(1220)를 통해 배출된 제1유체는 연료전지 스택(미도시)으로 공급될 수 있다.The
미드케이스(1100)의 내부공간(S)에는 카트리지(1300)가 배치된다. 제1유체와 제2유체는 각각 카트리지(1300)의 내부를 통과할 수 있다. 제1유체와 제2유체는 카트리지(1300) 내부에서 수분 교환할 수 있다. 카트리지(1300)의 외형은 내부공간(S)에서 미드케이스(1100)의 양단부에 배치된 캡(1200)들을 향해 종방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있다. 카트리지(1300)는 복수 개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수 개의 카트리지(1300)는 내부공간(S)에서 적층 구조로 배치될 수 있으며, 상하 방향으로 적층되어 배치될 수도 있다.A
미드케이스(1100)와 캡(1200)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.The
본 명세서에서, 제2유체 유입구(1110) 또는 제2유체 배출구(1120)로 유입/배출되는 유체는 제2유체에 한정되지 않는다. 또한, 제1유체 유입구(1210) 또는 제1유체 배출구(1220)로 유입/배출되는 유체는 제1 유체에 한정되지 않는다.In this specification, the fluid introduced/discharged through the
설계에 따라 캡들(120) 중 하나는 제2유체를 내부공간(S)으로 공급하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 제2유체를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 제2유체 유입구(1110) 또는 제2유체 배출구(1120) 중 어느 하나를 통해 제1유체가 유입되고, 나머지 하나를 통해 내부공간(S)에서 수분교환된 제1유체가 연료전지 스택(미도시)으로 공급되도록 할 수 있다. 제1유체의 유동 방향과 제2유체의 유동 방향은 같은 방향이거나 또는 서로 반대 방향일 수 있다.Depending on the design, one of the
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지를 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 단면도이다.5 is an enlarged perspective view of a cartridge disposed in the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the cartridge disposed in the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention. .
도 5 및 도 6를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)에 배치된 카트리지(1300)를 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)에 배치된 카트리지(1300)는 카트리지하우징(1310), 중공사막(1320), 포팅부(1330)를 포함한다.Referring to FIGS. 5 and 6 , the
카트리지하우징(1310)은 단면이 원형 또는 다각형 형상일 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 모서리가 둥근 다각형을 포함한다. 카트리지하우징(1310)은 양단부 개구되어 형성될 수 있다. 카트리지하우징(1310)은 개구되지 않은 부분에 제1면(1311), 제2면(1312), 제3면(1313)이 형성될 수 있다. 제1면(1311)은 제2유체 유입구(1110) 또는 제2유체 배출구(1120)와 마주보는 면이다. 제2면(1312)은 제1면(1311)의 반대 측에 배치되고, 제2유체 유입구(1110) 또는 제2유체 배출구(1120)와 마주보지 않는 면이다. 제3면(1313)은 제1면(1311)과 제2면(1312) 사이에 배치된 면이다. 제3면(1313)은 두 개가 구비되어, 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 이 때, 제1면(1311)에서 제2유체 유입구(1110)와 대면하는 영역이 제1영역(A1)이고, 제2유체 배출구(1120)와 대면하는 영역이 제2영역(A2)이다.The
제1면(1311)과 제2면(1312)은 서로 최장 거리가 제1길이(L1)로 형성되도록 이격되어 배치될 수 있다. 두 개의 제3면(1313)은 서로 최장 거리가 제2길이(L2)로 형성되도록 이격되어 배치될 수 있다. 이 때, 제1길이(L1)는 두께 방향 길이이며, 제2길이(L2)는 폭 방향 길이이다. 제1길이(L1)는 제2길이(L2)보다 크지 않도록 형성될 수 있다. 즉, 두께 방향 길이는 폭 방향 길이보다 크지 않도록 형성될 수 있다. 이 경우 카트리지하우징(1310)의 제1길이(L1)는 제2길이(L2)보다 작게 형성될 수 있다.The
또한, 제1길이(L1)는 제2길이(L2)와 같도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 카트리지하우징(1310)의 단면은 원형 또는, 모서리가 둥근 정사각형 형상으로 형성될 수 있다. 제1길이(L1)가 제2길이(L2)와 같은 경우, 제2유체 유입구(1110)로부터 유입되는 제2유체의 유동 저항이 줄어든다는 장점이 있다.Also, the first length L1 may be formed to be the same as the second length L2. For example, the cross section of the
카트리지(1300)는 제1윈도우(W1)을 포함한다. 제1윈도우(W1)는 카트리지하우징(1310)의 측면부에 배치될 수 있다. 제1윈도우(W1)는 카트리지하우징(1310)의 두 개의 제3면(1313)에 각각 배치될 수 있다. 제1윈도우(W1)에서는 제2유체가 통과할 수 있다. 제2유체는 제1윈도우(W1)를 통해 카트리지하우징(1310)의 내부로 유입되거나, 카트리지하우징(1310)의 내부로부터 배출될 수 있다. 제1윈도우(W1)는 카트리지하우징(1310)의 제3면(1313)에서, 제1영역(A1)과 가까운 부분과 제2영역(A2)에 가까운 부분에 각각 형성될 수 있다. The
미드케이스(1100)와 카트리지(1300) 사이에는 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다. 가스켓은 기계적 조립을 통해 카트리지(1300)를 미드케이스(1100)의 내부공간(S)에 장착시킨다. 따라서, 연료전지 막가습기(1000)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(1300))에 이상이 발생할 경우, 미드케이스(1100)와 가스켓(미도시)을 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분 만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.A gasket (not shown) may be installed between the
카트리지하우징(1310)의 내부에는 중공사막(1320)이 배치된다. 중공사막(1320)의 내부에는 제1유체가 유동할 수 있다. 중공사막(1320)은 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 중공사막(1320)들이 서로 평행하게 다발로 배치될 수 있다. 중공사막(1320)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.Inside the
포팅부(1330)는 중공사막(1320)의 말단들을 고정한다. 포팅부(1330)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 중공사막(1320)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(1330)는 카트리지하우징(1310)의 개구된 부분을 폐쇄하도록 배치될 수 있다.The
제2유체 유입구(1110)를 통해 미드케이스(1100)의 내부공간(S)으로 유입된 제2유체는 제1영역(A1) 측 제1윈도우(W1)를 통해 카트리지하우징(1310)의 내부로 유입되어 중공사막(1320)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 중공사막(1320) 내부의 제1유체와 수분 교환한 제2유체는 제2영역(A2) 측 제1윈도우(W1)를 통해 다시 미드케이스(1100)의 내부공간(S)을 통과하고, 제2유체 배출구(1120)를 통해 미드케이스(1100)로부터 배출된다.The second fluid introduced into the inner space (S) of the
한편, 제2유체의 유동 방향이 제1유체 유입구(1210)로부터 유입되는 제1유체의 유동 방향과 반대 방향으로 형성된 경우, 제2유체 배출구(1120)를 통해 미드케이스(1100)의 내부공간(S)으로 유입된 제2유체는 제2영역(A2) 측 제1윈도우(W1)를 통해 카트리지하우징(1310) 내부로 유입되어 중공사막(1320)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 중공사막(1320) 내부의 제1유체와 수분 교환한 제2유체는 제1영역(A1) 측 제1윈도우(W1)를 통해 다시 미드케이스(1100)의 내부공간(S)을 통과하고, 제2유체 유입구(1110)를 통해 미드케이스(1100)로부터 배출된다.On the other hand, when the flow direction of the second fluid is formed in the opposite direction to the flow direction of the first fluid introduced from the
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 평면도이다.7 is a plan view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention.
도 7을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)는 제2윈도우(W2)를 제외하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)와 동일하므로, 이하, 중복되는 설명은 생략한다.Referring to FIG. 7 , a fuel
카트리지(1300)는 제2윈도우를 더 포함할 수 있다. 제2윈도우(W2)는 카트리지하우징(1310)에 배치될 수 있다. 제2윈도우(W2)는 제1윈도우(W1)와 마찬가지로 제2유체가 통과한다. 제2윈도우(W2)는 제1면(1311)에 배치될 수 있다. 제2윈도우(W2)는 제2유체 유입구(1110)와 대응되는 위치 및 제2유체 유입구(1110) 측 제1윈도우(W1) 사이에 배치될 수 있다. 제2윈도우(W2)는 제1영역(A1)과 제1영역(A1) 측 제1윈도우(W1)의 사이에 배치될 수 있다. 제2윈도우(W2)는 제2유체 배출구(1120)와 대응되는 위치 및 제2유체 배출구(1120) 측 제1윈도우(W1) 사이에도 배치될 수 있다. 제2윈도우(W2)는 제2영역(A2)과 제2영역(A2) 측 제1윈도우(W1)의 사이에도 배치될 수 있다.The
제2윈도우(W2)는 제1윈도우(W1)보다 제2유체 유입구(1110) 또는 제2유체 배출구(1120) 측에 더욱 가깝게 배치되어, 제2유체가 유동하는 동안에 발생하는 유동 저항이 감소한다는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 제2윈도우(W2)는 제2유체 유입구(1110)에 대응되는 위치에 배치되지 않아, 제2유체 유입구(1110)에 의해 미드케이스(1100)의 내부공간(S)으로 유입된 제2유체가 중공사막(1320)에 직접 닿지 않아, 중공사막(1320)의 손상을 방지할 수 있다는 장점도 있다.The second window W2 is disposed closer to the
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 평면도이다.8 is a plan view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a third embodiment of the present invention.
도 8을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)는 제3윈도우(W3) 및 제4윈도우(W4)를 제외하면 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)와 동일하므로, 이하, 중복되는 설명은 생략한다.Referring to FIG. 8 , a fuel
카트리지(1300)는 제3윈도우(W3)를 더 포함할 수 있다. 제3윈도우(W3)는 카트리지하우징(1310)에 배치될 수 있다. 제3윈도우(W3)는 제1윈도우(W1)와 마찬가지로 제2유체가 통과한다. 제3윈도우(W3)는 제2유체 유입구(1110) 측 및 제2유체 유입구(1110)와 마주보지 않는 면에 배치될 수 있다. 즉, 제3윈도우(W3)는 카트리지하우징(1310)의 제2면(1312) 중 제2유체 유입구(1110) 측과 가까운 부분에 배치될 수 있다. 제3윈도우(W3)는 카트리지하우징(1310)의 제2면(1312) 중 제1영역(A1)과 마주보도록 배치될 수 있다. 제3윈도우(W3)가 배치됨에 따라, 카트리지하우징(1310) 내부로 유입된 제2유체가 제3윈도우(W3)를 통해 더욱 원활하게 카트리지하우징(1310)의 외부로 배출될 수 있다. The
카트리지(1300)는 제4윈도우(W4)를 더 포함할 수 있다. 제4윈도우(W4)는 카트리지하우징(1310)에 배치될 수 있다. 제4윈도우(W4)는 제1윈도우(W1)와 마찬가지로 제2유체가 통과한다. 제4윈도우(W4)는 제2유체 배출구(1120) 측 및 제2유체 배출구(1120)와 마주보는 면에 배치될 수 있다. 즉, 제4윈도우(W4)는 카트리지하우징(1310)의 제1면(1311) 중 제2유체 배출구(1120) 측과 가까운 부분에 배치될 수 있다. 제4윈도우(W4)는 카트리지하우징(1310)의 제1면(1311) 중 제2영역(A2)과 중첩되는 위치에 배치될 수 있다. 제4윈도우(W4)가 배치됨에 따라, 카트리지하우징(1310) 내부의 제2유체가 제4윈도우(W4)를 통해 더욱 원활하게 카트리지하우징(1310)의 외부로 배출될 수 있다.The
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 막가습기에 배치된 카트리지의 정면도이다. 9 is a front view of a cartridge disposed in a fuel cell membrane humidifier according to a fourth embodiment of the present invention.
도 9를 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)는 가이드부(1314)를 제외하면 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 막가습기(1000)와 동일하므로, 이하, 중복되는 설명은 생략한다.Referring to FIG. 9 , a fuel
카트리지하우징(1310)에는 가이드부(1314)가 형성될 수 있다. 가이드부(1314)는 제2유체의 유동을 가이드한다. 가이드부(1314)는 카트리지하우징(1310)으로부터 제2유체 유입구(1110)를 향해 돌출되도록 형성될 수 있다. 가이드부(1314)는 카트리지하우징(1310)에서 제2유체 유입구(1110)와 마주보는 면에 형성될 수 있다. 가이드부(1314)는 카트리지하우징(1310)의 제1면(1311)에서 제2유체 유입구(1110)와 가까워질수록 제2유체 유입구(1110)를 향해 돌출되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 가이드부(1314)는 종단면이 제2유체 유입구(1110)를 향해 뾰족한 형상으로 형성될 수 있다. 가이드부(1314)는 종단면이 제1면(1311)에서 두 개의 제2면(1312)을 향하여 대칭적으로 형성될 수 있다.A
가이드부(1314)는 제1면(1311)의 일부에만 형성될 수도 있고, 제1면(1311)에서 제2유체 유입구(1110)와 가장 가까운 부분부터 제1윈도우(W1)까지 이어지도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 가이드부(1314)의 종단면은 제2유체 유입구(1110)와 가장 가까운 부분을 제외하고는 곡면의 완만한 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 코안다 효과(Coanda effect)에 의해, 제2유체가 가이드부(1314)와 밀착된 채로 매끄럽게 이동하게 되어, 유동 저항이 감소한다는 효과가 있다.The
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, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, those skilled in the art can add, change, delete, or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. It will be possible to variously modify and change the present invention by the like, and it will be said that such modifications and changes are also included within the scope of the present invention.
1000 : 연료전지 막가습기
1100 : 미드케이스
1110 : 제2유체 유입구
1120 : 제2유체 배출구
1200 : 캡
1210 : 제1유체 유입구
1220 : 제1유체 배출구
1300 : 카트리지
1310 : 카트리지하우징
1311 : 제1면
1312 : 제2면
1313 : 제3면
1314 : 가이드부
1320 : 중공사막
1330 : 포팅부
A1 : 제1영역
A2 : 제2영역
L1 : 제1길이
L2 : 제2길이
S : 내부공간
W1 : 제1윈도우
W2 : 제2윈도우
W3 : 제3윈도우
W4 : 제4윈도우1000: fuel cell membrane humidifier
1100: mid case 1110: second fluid inlet
1120: second fluid outlet
1200: cap 1210: first fluid inlet
1220: first fluid outlet
1300: cartridge 1310: cartridge housing
1311: first side 1312: second side
1313: third surface 1314: guide part
1320: hollow fiber membrane 1330: potting part
A1: first area A2: second area
L1: first length L2: second length
S: internal space
W1: 1st window W2: 2nd window
W3: 3rd window W4: 4th window
Claims (11)
상기 제1유체가 출입하는 제1유체 유입구 및 제1유체 배출구를 포함하고, 상기 미드케이스에 배치되는 캡;
상기 미드케이스의 내부에 배치되고, 측면부에 상기 제2유체가 통과하는 제1윈도우를 포함하는 카트리지; 및
상기 카트리지 내부에 배치되고 상기 제1유체가 유동하는 중공사막을 포함하고,
상기 카트리지는 두께 방향이 상기 제2유체 유입구의 유입 방향과 평행하고, 폭 방향이 상기 두께 방향과 수직이며, 상기 두께 방향 길이는 상기 폭 방향 길이보다 크지 않은 막가습기.a mid case including a second fluid inlet and a second fluid outlet through which moisture is exchanged between the first fluid and the second fluid, and the second fluid enters and exits;
a cap including a first fluid inlet and a first fluid outlet through which the first fluid enters and exits, and disposed in the mid case;
a cartridge disposed inside the mid case and including a first window on a side portion through which the second fluid passes; and
A hollow fiber membrane disposed inside the cartridge and through which the first fluid flows,
The cartridge has a thickness direction parallel to the inflow direction of the second fluid inlet, a width direction perpendicular to the thickness direction, and a length in the thickness direction not greater than the length in the width direction.
상기 카트리지는
종단면의 폭 방향 길이가 두께 방향 길이와 동일한 막가습기.According to claim 1,
the cartridge
A membrane humidifier in which the length of the longitudinal section in the width direction is equal to the length in the thickness direction.
상기 카트리지는 종단면이 타원형인 막가습기.According to claim 1,
The cartridge is a membrane humidifier having an oval longitudinal section.
상기 카트리지는 종단면이 다각형인 막가습기.According to claim 1,
The cartridge is a membrane humidifier having a polygonal longitudinal section.
상기 카트리지는 복수 개가 구비되고,
상기 복수 개의 카트리지는 상기 미드케이스 내부에서 적층 구조로 배치되는 막가습기.According to claim 1,
The cartridge is provided with a plurality,
The plurality of cartridges are membrane humidifiers disposed in a laminated structure inside the mid-case.
상기 카트리지는
상기 제2유체 유입구와 대응되는 위치 및 상기 제1윈도우 사이에 상기 제2유체가 통과하는 제2윈도우를 더 포함하는 막가습기.According to claim 1,
the cartridge
The membrane humidifier further comprises a second window through which the second fluid passes between a position corresponding to the second fluid inlet and the first window.
상기 제1윈도우는
두 개 이상 구비되어, 상기 카트리지의 상기 제2유체 유입구 측과 상기 제2유체 배출구 측에 각각 배치되는 막가습기.According to claim 1,
The first window
Two or more film humidifiers are provided and respectively disposed on the second fluid inlet side and the second fluid outlet side of the cartridge.
상기 카트리지는
상기 제2유체 유입구 측 및 상기 제2유체 유입구와 마주보지 않는 면에 상기 제2유체가 통과하는 제3윈도우를 더 포함하는 막가습기.According to claim 1,
the cartridge
The membrane humidifier further comprises a third window through which the second fluid passes on the side of the second fluid inlet and on a surface not facing the second fluid inlet.
상기 카트리지는
상기 제2유체 배출구 측 및 상기 제2유체 배출구와 마주보는 면에 상기 제2유체가 통과하는 제4윈도우를 더 포함하는 막가습기.According to claim 1,
the cartridge
The membrane humidifier further comprises a fourth window through which the second fluid passes on the side facing the second fluid outlet and the surface facing the second fluid outlet.
상기 카트리지는
상기 제2유체 유입구와 마주보는 면에 상기 제2유체 유입구를 향하여 돌출된 가이드부를 더 포함하는 막가습기.According to claim 1,
the cartridge
Membrane humidifier further comprising a guide portion protruding toward the second fluid inlet on a surface facing the second fluid inlet.
상기 가이드부는
상기 제2유체 유입구와 가장 가까운 위치부터 상기 제1윈도우까지 곡면으로 형성된 막가습기.According to claim 10,
the guide part
A film humidifier formed in a curved surface from a position closest to the second fluid inlet to the first window.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210116699A KR20230033822A (en) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | Fuel cell humidifier |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210116699A KR20230033822A (en) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | Fuel cell humidifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230033822A true KR20230033822A (en) | 2023-03-09 |
Family
ID=85511389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210116699A KR20230033822A (en) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | Fuel cell humidifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230033822A (en) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20110021217A (en) | 2009-08-25 | 2011-03-04 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Polymer electrolyte membrane for fuel cell and method of manufacturing the same |
| KR20110026696A (en) | 2009-09-08 | 2011-03-16 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Humidifier for fuel cell and method of manufacturing the same |
| KR20110063366A (en) | 2009-12-04 | 2011-06-10 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Humidifier for fuel cell |
-
2021
- 2021-09-02 KR KR1020210116699A patent/KR20230033822A/en unknown
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