KR101393558B1 - 연료 전지용 가습장치 - Google Patents

Abstract

연료 전지용 가습장치가 개시된다. 개시된 연료 전지용 가습장치는 ⅰ)하우징과, ⅱ)하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 카트리지들이 착탈 가능하게 수납될 수 있는 중공사막 모듈을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지용 가습장치 {HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 반응 기체를 가습하기 위한 연료 전지용 가습장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다. 예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

이러한 연료 전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

여기서, 스택은 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 공기가 배출될 수 있으며, 고출력 운전 시에는 연료 전지의 공기극에서 고온 건조한 공기가 배출될 수 있다. 그리고, 연료 전지의 연료극에서는 수분을 포함하고 있는 미반응 수소가 배출될 수 있다.

또한, 고분자 연료 전지의 경우 그 연료 전지의 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료 전지 시스템에는 연료 전지로 공급되어지는 공기를 가습시키는 가습장치가 사용되어지고 있다.

가습장치는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 공기(습윤 공기)와 공기 공급장치로부터 공급되는 공기(건조 공기)의 가습이 이루어지고 그 가습된 공기(가습 공기)를 연료 전지의 공기극으로 공급한다.

이러한 가습장치는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등 여러 가지 방식이 있지만, 특히 연료 전지 자동차의 경우에는 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막-가습장치가 적용되어지고 있으며, 막-가습장치의 경우 패키지 측면 뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.

도 1에서와 같이 일반적인 연료 전지용 막-가습장치(200)는 하우징(101)을 구비하고 있다. 하우징(101)에는 공기 공급장치로부터 공급되는 건조 공기를 도입하는 제1 유입구(102)와, 건조 공기를 배출하는 제1 유출구(103)와, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기를 도입하는 제2 유입구(104)와, 습윤 공기를 배출하는 제2 유출구(105)가 형성되어 있다.

그리고, 하우징(101)의 내부에는 다수의 중공사막들(106)이 다발 형태로 밀집된 중공사막 모듈(107)이 배치되어 있다.

따라서, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기를 제2 유입구(104)로 공급하여 중공사막 모듈(107)의 외부를 통과시키면, 습윤 공기 중의 수분은 중공사막들(106)의 모세관 작용에 의해 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관 내를 투과하여 응축되면서 중공사막(106)의 내측으로 이동한다. 그리고 수분을 분리시킨 습윤 공기는 그대로 중공사막(106) 외부로 이동하여 제2 유출구(105)를 통해 배출된다.

한편, 상기에서와 같은 과정을 거치는 동안, 제1 유입구(102)로는 공기 공급장치에 의해 공급되는 건조 공기가 유입되는데, 제1 유입구(102)로부터 공급되는 건조 공기는 중공사막(106)의 내측을 통하여 이동한다.

이 때, 습윤 공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이동하고 있기 때문에, 그 수분에 의해 건조 공기가 가습되고, 이렇게 가습된 공기는 제1 유출구(103)를 통해 배출되며, 연료 전지의 공기극으로 공급될 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 습윤 공기가 제2 유입구(104)를 통하여 하우징(101) 안으로 유입되어 중공사막(106)에 수분을 공급하고, 제2 유출구(105)를 통해 배출되는데, 중공사막 모듈(107)이 중공사막(106)의 밀집 형태로 구성되어 있기 때문에, 제2 유입구(104)를 통해 유입된 습윤 공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하는데 어려움이 따른다.

그리고, 습윤 공기가 확산하는 속도도 대단히 느리기 때문에 중공사막 모듈(107)의 외측을 통과하는 습윤 공기는 하우징(101) 내에서 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하지 못하고 그 중공사막 모듈(107)의 가장자리를 따라 흐르게 되고, 습윤 공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 중공사막 모듈(107)의 내부는 충분한 수분을 공급받지 못하게 된다.

따라서, 종래 기술에서는 이러한 이유로 막-가습장치의 전체적인 효율이 떨어지게 되고, 제1 유입구(102)를 통하여 유입되는 건조 공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분으로 흐르기 때문에 더욱더 전체적인 가습장치의 효율은 떨어진다고 할 수 있다.

이는 도 2에서와 같이 건조 공기가 대부분 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다. 즉 제1 유입구(102)를 통하여 유입되는 건조 공기는 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분으로 흐르고, 제2 유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤 공기는 주로 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분으로 흐르기 때문에 가습장치의 효율에 있어서 문제가 발생하고 있는 것이다.

한편, 종래 기술의 막-가습장치는 중공사막 모듈(107)이 손상되거나 단선된 경우, 연료 전지 스택의 성능에 치명적인 영향을 미치기 때문에 중공사막 모듈 전체를 교환해야 하는 문제가 있다.

더 나아가, 가습장치의 가격 면에서 볼 때 가장 큰 비중을 차지하는 것은 고분자 물질로 이루어진 중공사막(106)이다. 하지만 종래 막-가습장치의 경우 가습 효율이 좋지 않기 때문에 가습 성능을 향상시키기 위해 필요 이상으로 많은 중공사막(106)의 다발을 사용하고 있다.

따라서, 종래 기술에서는 필요 이상의 많은 중공사막(106)을 사용하기 때문에 막-가습장치의 가격이 상승하게 되며, 전체 막-가습장치의 크기 또한 성능에 비해 커진다는 문제점을 안고 있어 연료 전지 차량의 패키지를 구성하는데 큰 어려움이 있다.

본 발명의 실시예들은 습윤 공기와 건조 공기의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 중공사막 모듈의 손상 시 중공사막 모듈 전체를 교환할 필요가 없으며, 가격 면과 패키지 면에서 유리한 연료 전지용 가습장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치는 ⅰ)하우징과, ⅱ)상기 하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 카트리지들이 착탈 가능하게 수납될 수 있는 중공사막 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 중공사막 모듈은 상기 단위 카트리지들을 수납하기 위한 수납 공간을 지닌 모듈 케이스를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지들은 상기 수납 공간에 대해 인입 및 인출 가능하게 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지들은 서로 다른 크기로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지들은 상기 모듈 케이스의 가운데에서 상하 측으로 갈수록 점차 큰 크기로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지들 중 크기가 가장 작은 단위 카트리지는 상기 모듈 케이스의 가운데에 배치되고, 이의 상하 측에는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들이 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 모듈 케이스의 상면 및 하면에는 상기 단위 카트리지들과 연결되는 적어도 하나의 제1 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 카트리지는 상기 모듈 케이스에 착탈 가능하게 결합되며, 내부에 상기 중공사막 다발을 수용한 카트리지 케이스를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 카트리지 케이스에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 하우징의 상면 및 하면에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제1 유입구 및 제1 유출구가 각각 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 하우징의 양측에는 상기 모듈 케이스의 양측에 연결되는 제2 유입구 및 제2 유출구가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 모듈 케이스의 양측으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치는, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기와, 공기 공급장치로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습으로서 수분을 포함한 가습 공기를 상기 연료 전지로 공급하는 것으로서, ⅰ)상기 습윤 공기를 도입하는 제1 유입구와, 상기 습윤 공기를 배출하는 제1 유출구와, 상기 건조 공기를 도입하는 제2 유입구와, 상기 건조 공기를 배출하는 제2 유출구를 형성하는 하우징과, ⅱ)상기 하우징의 내부에 설치되며, 양단이 개방된 수납 공간을 형성하는 모듈 케이스와, ⅲ)양단이 개방되고 상기 모듈 케이스의 수납 공간에 착탈 가능하게 결합되는 카트리지 케이스의 내부에 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 카트리지들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 모듈 케이스의 수납 공간에는 상기 카트리지 케이스를 결합하기 위한 결합 돌기가 상기 카트리지 케이스의 수납 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 카트리지 케이스에는 상기 결합 돌기와 결합하는 결합홈이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 제1 유입구는 상기 하우징의 상면에 형성되며, 상기 제1 유출구는 상기 하우징의 하면에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 모듈 케이스의 상면 및 하면에는 상기 하우징의 제1 유입구 및 제1 유출구와 각각 연결되는 적어도 하나의 제1 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 카트리지 케이스의 상하 면에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 모듈 케이스의 양측으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 카트리지 케이스는 서로 다른 크기로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 카트리지 케이스들 중 크기가 가장 작은 카트리지 케이스는 상기 모듈 케이스의 가운데에 배치되고, 이의 상하 측에는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 카트리지 케이스들이 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예는 모듈 케이스의 수납 공간에 크기가 서로 다른 단위 카트리지들을 서랍식으로 구성함에 따라, 종래 기술에서와 같이 습윤 공기가 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르는 문제와 건조 공기가 중공사막 다발의 가운데 부분으로만 흐르는 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기와 건조 공기의 분배를 원활하게 할 수 있으므로, 단위 카트리지들에 대해 전체적으로 균일한 가습 성능을 유지할 수 있고, 전체 가습장치의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 모듈 케이스의 수납 공간에 단위 카트리지들을 서랍식으로 수납함에 따라, 단위 카트리지의 중공사막 다발 손상 또는 단선 시 해당하는 단위 카트리지만 교체하면 되므로, 종래 기술에서와 같이 중공사막 모듈 전체를 교체함으로써 발생하는 비용 부담을 절감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 전체 가습장치의 성능 향상으로 중공사막의 사용량을 줄일 수 있으므로, 가습장치의 가격을 낮출 수 있으며, 사이즈도 줄일 수 있어 패키지 측면에서 유리하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 크기의 단위 카트리지들을 모듈 케이스에 서랍식으로 수납함에 따라, 가습장치에 걸리는 압력 강하량을 낮출 수 있으므로 공기 블로워와 같은 공기 공급장치의 부하를 줄일 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 일반적인 연료 전지용 막-가습장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 연료 전지용 막-가습장치의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치에 적용되는 중공사막 모듈을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치에 적용되는 중공사막 모듈을 도시한 부분 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치에 적용되는 중공사막 모듈의 단위 카트리지를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 단면 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치(100)는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 연료 전지 시스템은 기본적으로, 연료 전지들의 집합체 구조인 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급장치와, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급장치를 구비하고 있다.

여기서, 상기 연료 전지(당 업계에서는 통상적으로 "단위 셀" 이라고도 한다)는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극과 연료극이 배치된 구조로 이루어진다.

연료 전지의 공기극에서는 연료 전지 스택의 운전 조건에 따라 비교적 온도가 높지 않고 다습하거나 고온 건조한 배출 공기를 배출하며, 연료극에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.

즉, 상기 연료 전지는 고출력인 경우에 공기극에서 고온 건조한 배출 공기를 배출할 수 있으며, 고출력이 아닌 경우에는 공기극에서 고온 다습한 배출 공기를 배출할 수 있다.

그러나, 이하에서는 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 습윤 공기가 배출되는 것을 예로 하여 설명하기로 한다.

이와 같은 연료 전지 시스템의 기본적인 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 연료 전지 시스템으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기와 같은 연료 전지 시스템에는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습으로서 수분을 포함한 가습 공기를 연료 전지로 공급하는 본 발명의 실시예에 의한 가습장치(100)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치(100)는 습윤 공기와 건조 공기의 막 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 막 가습을 위한 모듈의 손상 시 전체 모듈을 교환할 필요가 없으며, 가격 면과 패키지 면에서 유리한 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 상기 연료 전지용 가습장치(100)는 기본적으로, 하우징(10)과 중공사막 모듈(30)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서, 상기 하우징(10)은 전체 가습장치(100)의 외관을 이루며, 뒤에서 더욱 설명될 중공사막 모듈(30)을 내장하는 것이다.

이러한 하우징(10)에는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기를 도입하는 적어도 하나의 제1 유입구(11)와, 그 습윤 공기를 배출하는 적어도 하나의 제1 유출구(12)와, 공기 공급장치로부터 공급되는 건조 공기를 도입하는 제2 유입구(13)와, 그 건조 공기를 배출하는 제2 유출구(14)를 포함하고 있다.

상기 제1 유입구(11)는 하우징(10)의 상면에 한 쌍으로 형성되며, 상기 제1 유출구(12)는 하우징(10)의 하면에 한 쌍으로 형성되는 바, 제1 유입구(11)로는 습윤 공기를 하우징(10)의 내부로 공급하고, 제2 유출구(12)로는 하우징(10)의 내부를 통과하며 수분이 제거된 습윤 공기를 배출하기 위한 것이다.

그리고, 상기 제2 유입구(13) 및 제2 유출구(14)는 하우징(10)의 양측에 각각 형성되는 것으로, 제2 유입구(13)로는 건조 공기를 하우징(10)의 내부로 공급하고, 제2 유출구(14)로는 하우징(10)의 내부를 통과하며 위에서 언급한 바 있는 수분을 포함한 건조 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 배출하기 위한 것이다.

여기서, 상기 제2 유입구(13)와 제2 유출구(14)는 하우징(10)의 양측에서 안쪽으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치에 적용되는 중공사막 모듈을 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 부분 단면 구성도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치에 적용되는 중공사막 모듈의 단위 카트리지를 도시한 사시도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 상기 중공사막 모듈(30)은 모듈 케이스(31)와 단위 카트리지(41)를 포함하고 있다.

상기 모듈 케이스(31)는 양단면이 개방되고 나머지 면이 폐쇄된 사각 단면 형상의 케이스로 이루어지며, 하우징(10)의 내부에 설치된다.

상기 모듈 케이스(31)의 양단면 개방부는 위에서 언급한 바 있는 하우징(10)의 제2 유입구(13) 및 제2 유출구(14)와 연결되는데, 이들 제2 유입구(13)와 제2 유출구(14)는 모듈 케이스(31)의 양단부로부터 그 크기가 점차 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다.

즉, 상기 제2 유입구(13) 및 제2 유출구(14)는 모듈 케이스(31)의 양측으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어진다.

여기서, 상기 모듈 케이스(31)의 내부에는 뒤에서 더욱 설명될 단위 카트리지들(41)이 수납될 수 있는 수납 공간(33)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 모듈 케이스(31)의 상면 및 하면에는 하우징(10)의 제1 유입구(11) 및 제1 유출구(12)와 각각 연결되는 복수 개의 제1 연결홀(35)이 형성되어 있다.

한편, 상기 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에는 뒤에서 더욱 설명될 단위 카트리지(41)를 수납하기 위한 결합 돌기(37)가 형성되는 바, 그 결합 돌기(37)는 모듈 케이스(31)의 서로 마주하는 내측면에서 단위 카트리지(41)의 수납 방향을 따라 형성된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 단위 카트리지(41)는 습윤 공기와 건조 공기의 막-가습을 위한 중공사막 다발(43)을 내부에 수용한 것으로서, 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 착탈 가능하게 수납될 수 있다.

즉, 상기 단위 카트리지(41)는 다수 개로서 구비되며, 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 대해 인입 및 인출 가능하게 구비될 수 있다.

상기 단위 카트리지(41)는 중공사막 다발(43)을 수용한 카트리지 케이스(51)를 포함하는 바, 양단면이 개방되고 나머지 면이 폐쇄된 사각 단면 형상의 케이스로 이루어지며, 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.

이를 위해 상기 카트리지 케이스(51)의 외측면에는 위에서 언급한 바 있는 모듈 케이스(31)의 결합 돌기(37)와 슬라이딩 가능하게 결합하는 결합홈(53)이 형성되어 있다.

상기 카트리지 케이스(51)는 이의 결합홈(53)에 모듈 케이스(31)의 결합 돌기(37)가 슬라이딩 결합하면서 그 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 대해 선택적으로 인입 및 인출될 수 있다.

여기서, 상기 단위 카트리지(41)에 있어 카트리지 케이스(51)의 상,하면에는 모듈 케이스(31)의 제1 연결홀(35)과 연결되는 제2 연결홀(55)이 형성되어 있다.

즉, 상기 하우징(10)의 제1 유입구(11)와 제1 유출구(12)는 모듈 케이스(31)의 제1 연결홀(35)과 연결되며, 모듈 케이스(31)의 제1 연결홀(35)은 카트리지 케이스(51)의 제2 연결홀(55)과 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서 상기 단위 카트리지들(41)은 서로 다른 크기로서 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 착탈 가능하게 수납될 수 있다.

상기 단위 카트리지들(41)의 카트리지 케이스(51)는 서로 다른 크기로서 구비되는 바, 모듈 케이스(31)의 가운데에서 상하 측으로 갈수록 점차 큰 크기로 구비된다.

이 경우, 상기 카트리지 케이스들(51) 중 가장 작은 카트리지 케이스(51)는 모듈 케이스(31)의 가운데에 배치되고, 이의 상하 측에는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 카트리지 케이스들(51)이 배치될 수 있다.

다시 말하면, 상기 단위 카트리지들(41)은 모듈 케이스(31)의 상하 측에서 가운데로 갈수록 그 크기가 점차 작아지는 것으로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 카트리지 케이스(51)의 내부에 수용되는 중공사막 다발(43)의 양은 그 카트리지 케이스(51)의 크기에 따라 서로 다르게 결정될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

앞서 개시한 도면들 및 도 8을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 단위 카트리지들(41)을 서랍식으로 수납시키며 중공사막 모듈(30)을 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 모듈 케이스(31)의 결합 돌기(37)에 카트리지 케이스(51)의 결합홈(53)을 결합하며 그 카트리지 케이스(51)를 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)으로 밀면서 단위 카트리지들(41)을 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 수납할 수 있다.

여기서, 상기 단위 카트리지들(41)은 서로 다른 크기로 구비되는 바, 단위 카트리지들(41) 중 가장 작은 단위 카트리지(41)는 모듈 케이스(31)의 가운데 쪽 수납 공간(33)에 수납하며, 이의 상하측 수납 공간(33)으로는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들(41)을 수납한다.

상기와 같이 조립된 중공사막 모듈(30)은 하우징(10)의 내부에 구성되는 바, 이 경우 하우징(10)의 제1 유입구(11)와 제1 유출구(12)는 모듈 케이스(31)의 제1 연결홀(35)과 연결되며, 제1 연결홀(35)은 단위 카트리지들(41)의 제2 연결홀(55)과 연결될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치(100)에서는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기를 하우징(10)의 제1 유입구(11)로 공급한다.

그러면, 습윤 공기는 모듈 케이스(31)의 제1 연결홀(35)과 단위 카트리지들(41)의 제2 연결홀(55)을 통해 그 단위 카트리지들(41)의 중공사막 다발(43)을 통과한다.

이 과정에 습윤 공기 중의 수분은 중공사막 다발(43)의 모세관 내를 투과하여 응축되면서 그 중공사막의 내측으로 이동하고, 수분이 분리된 습윤 공기는 제1 유출구(12)를 통해 배출된다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 모듈 케이스(31)에 서로 다른 크기의 단위 카트리지들(41)을 수납하는데, 크기가 가장 작은 단위 카트리지(41)를 모듈 케이스(31)의 가운데에 배치하고, 이의 상하 측에 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들(41)을 배치함으로써 종래 기술에서와 같이 습윤 공기가 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 상기에서와 같은 과정을 거치는 동안, 하우징(10)의 제2 유입구(13)로는 공기 공급장치에 의해 공급되는 건조 공기가 유입되는데, 제2 유입구(13)로 유입된 건조 공기는 단위 카트리지(41)의 중공사막 다발(43) 내측을 통하여 이동한다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 크기가 가장 작은 단위 카트리지(41)를 모듈 케이스(31)의 가운데에 배치하고 이의 상하 측에 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들(41)을 배치함에 따라, 제2 유입구(13)를 통해 유입되는 건조 공기가 모듈 케이스(31)의 가운데 부분에서 상하 측으로 분산될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 하우징(10)의 제2 유입구(13)와 제2 유출구(14)가 모듈 케이스(31)의 양단부로부터 그 크기가 점차 작아지는 형상으로 이루어짐과 아울러, 단위 카트리지들(41)이 모듈 케이스(31)의 가운데 부분에서 상하 측으로 갈수록 점차 큰 크기로 구비되기 때문에, 건조 공기가 모듈 케이스(31)의 가운데 부분에서 상하 측으로 분산되면서 종래 기술에서와 같이 건조 공기가 중공사막 다발의 가운데 부분으로만 흐르는 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 건조 공기가 모듈 케이스(31)의 가운데 부분에서 상하 측으로 분산되며, 단위 카트리지들(41)의 중공사막 다발(43) 내측을 통하여 이동하게 되므로, 건조 공기는 중공사막 다발(43)에 존재하는 습윤 공기의 수분에 의해 가습되고, 이렇게 가습된 공기는 제2 유출구(14)를 통해 배출되며, 연료 전지의 공기극으로 공급될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치(100)에 의하면, 크기가 가장 작은 단위 카트리지(41)를 모듈 케이스(31)의 가운데에 배치하고, 이의 상하 측에 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들(41)을 배치함에 따라, 종래 기술에서와 같이 습윤 공기가 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르는 문제와 건조 공기가 중공사막 다발의 가운데 부분으로만 흐르는 문제를 해결할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기와 건조 공기의 분배를 원활하게 할 수 있으므로, 단위 카트리지들(41)에 대해 전체적으로 균일한 가습 성능을 유지할 수 있고, 전체 가습장치(100)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 모듈 케이스(31)의 수납 공간(33)에 단위 카트리지들(41)을 서랍식으로 수납함에 따라, 단위 카트리지(41)의 중공사막 다발(43) 손상 또는 단선 시 해당하는 단위 카트리지(41)만 교체하면 되므로, 종래 기술에서와 같이 중공사막 모듈 전체를 교체함으로써 발생하는 비용 부담을 절감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 전체 가습장치(100)의 성능 향상으로 중공사막의 사용량을 줄일 수 있으므로, 가습장치의 가격을 낮출 수 있으며, 사이즈도 줄일 수 있어 패키지 측면에서 유리하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 크기의 단위 카트리지들(41)을 모듈 케이스(31)에 서랍식으로 수납함에 따라, 가습장치에 걸리는 압력 강하량을 낮출 수 있으므로 공기 블로워와 같은 공기 공급장치의 부하를 낮출 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 하우징 11... 제1 유입구
12... 제1 유출구 13... 제2 유입구
14... 제2 유출구 30... 중공사막 모듈
31... 모듈 케이스 33... 수납 공간
35... 제1 연결홀 37... 결합 돌기
41... 단위 카트리지 43... 중공사막 다발
51... 카트리지 케이스 53... 결합홈
55... 제2 연결홀

Claims (16)

1. 하우징; 및
   상기 하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 카트리지들이 착탈 가능하게 수납될 수 있는 중공사막 모듈;
   을 포함하며,
   상기 단위 카트리지들은 서로 다른 크기로 구비되는 연료 전지용 가습장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 중공사막 모듈은 상기 단위 카트리지들을 수납하기 위한 수납 공간을 지닌 모듈 케이스를 포함하며,
   상기 단위 카트리지들은 상기 수납 공간에 대해 인입 및 인출 가능하게 구비되는 연료 전지용 가습장치.
3. 삭제
4. 제2 항에 있어서,
   상기 단위 카트리지들은 상기 모듈 케이스의 가운데에서 상하 측으로 갈수록 점차 큰 크기로 구비되는 연료 전지용 가습장치.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 단위 카트리지들 중 크기가 가장 작은 단위 카트리지는 상기 모듈 케이스의 가운데에 배치되고, 이의 상하 측에는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 단위 카트리지들이 배치되는 연료 전지용 가습장치.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 모듈 케이스의 상면 및 하면에는 상기 단위 카트리지들과 연결되는 적어도 하나의 제1 연결홀이 형성되며,
   상기 단위 카트리지에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성되는 연료 전지용 가습장치.
7. 제2 항에 있어서,
   상기 단위 카트리지는,
   상기 모듈 케이스에 착탈 가능하게 결합되며, 내부에 상기 중공사막 다발을 수용한 카트리지 케이스를 포함하는 연료 전지용 가습장치.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 단위 카트리지는 내부에 상기 중공사막 다발을 수용한 카트리지 케이스를 포함하고,
   상기 카트리지 케이스에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성되는 연료 전지용 가습장치.
9. 제6 항 또는 제8 항에 있어서,
   상기 하우징의 상면 및 하면에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제1 유입구 및 제1 유출구가 각각 형성되며,
   상기 하우징의 양측에는 상기 모듈 케이스의 양측에 연결되는 제2 유입구 및 제2 유출구가 형성되는 연료 전지용 가습장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 모듈 케이스의 양측으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어지는 연료 전지용 가습장치.
11. 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기와, 공기 공급장치로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습으로서 수분을 포함한 가습 공기를 상기 연료 전지로 공급하는 연료 전지용 가습장치로서,
    상기 습윤 공기를 도입하는 제1 유입구와, 상기 습윤 공기를 배출하는 제1 유출구와, 상기 건조 공기를 도입하는 제2 유입구와, 상기 건조 공기를 배출하는 제2 유출구를 형성하는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 설치되며, 양단이 개방된 수납 공간을 형성하는 모듈 케이스; 및
    양단이 개방되고 상기 모듈 케이스의 수납 공간에 착탈 가능하게 결합되는 카트리지 케이스의 내부에 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 카트리지들;
    을 포함하며,
    상기 카트리지 케이스는 서로 다른 크기로 이루어지는 연료 전지용 가습장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 수납 공간에는 상기 카트리지 케이스를 결합하기 위한 결합 돌기가 상기 카트리지 케이스의 수납 방향으로 형성되며,
    상기 카트리지 케이스에는 상기 결합 돌기와 결합하는 결합홈이 형성되는 연료 전지용 가습장치.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 유입구는 상기 하우징의 상면에 형성되며, 상기 제1 유출구는 상기 하우징의 하면에 형성되고,
    상기 모듈 케이스의 상면 및 하면에는 상기 하우징의 제1 유입구 및 제1 유출구와 각각 연결되는 적어도 하나의 제1 연결홀이 형성되며,
    상기 카트리지 케이스의 상하 면에는 상기 제1 연결홀과 연결되는 제2 연결홀이 형성되는 연료 전지용 가습장치.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 모듈 케이스의 양측으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어지는 연료 전지용 가습장치.
15. 삭제
16. 제11 항에 있어서,
    상기 카트리지 케이스들 중 크기가 가장 작은 카트리지 케이스는 상기 모듈 케이스의 가운데에 배치되고, 이의 상하 측에는 상하 방향으로 갈수록 점차 크기가 큰 카트리지 케이스들이 배치되는 연료 전지용 가습장치.
    
    
    

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