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KR101558357B1 - Humidification device for fuel cell - Google Patents

Humidification device for fuel cell Download PDF

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KR101558357B1
KR101558357B1 KR1020130097436A KR20130097436A KR101558357B1 KR 101558357 B1 KR101558357 B1 KR 101558357B1 KR 1020130097436 A KR1020130097436 A KR 1020130097436A KR 20130097436 A KR20130097436 A KR 20130097436A KR 101558357 B1 KR101558357 B1 KR 101558357B1
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KR
South Korea
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hollow fiber
fiber membrane
fuel cell
air
package
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KR1020130097436A
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Korean (ko)
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김현유
권혁률
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현대자동차 주식회사
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Publication date
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Abstract

연료 전지용 가습장치가 개시된다. 개시된 연료 전지용 가습장치는 ⅰ)하우징과, ⅱ)하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 패키지들로 이루어진 중공사막 모듈을 포함하며, 중공사막 모듈은 하우징의 중앙에 배치되는 단위 패키지를 중심으로 다른 단위 패키지들이 방사 상으로 배치될 수 있다.A humidifying apparatus for a fuel cell is disclosed. The disclosed humidifying apparatus for a fuel cell includes: a housing; and a hollow fiber membrane module installed in the housing, the hollow fiber membrane module including a plurality of unit packages accommodating a hollow fiber membrane bundle, wherein the hollow fiber membrane module is disposed at the center of the housing Other unit packages may be arranged radially centered on the unit package.

Description

연료 전지용 가습장치 {HUMIDIFICATION DEVICE FOR FUEL CELL}Technical Field [0001] The present invention relates to a humidifying device for a fuel cell,

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 공급되는 반응 기체를 가습하기 위한 연료 전지용 가습장치에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a humidifying device for a fuel cell for humidifying a reactive gas supplied to a fuel cell.

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.As is known, a fuel cell system is a kind of power generation system that generates electricity by receiving oxygen in the air and hydrogen as fuel and electrochemically reacting hydrogen and oxygen. For example, a fuel cell system is employed in a fuel cell vehicle to drive an electric motor to drive the vehicle.

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.Such a fuel cell system includes a stack, which is an electricity generating aggregate of unit fuel cells composed of an air electrode and a fuel electrode, an air supply device for supplying air to the air electrode of the fuel cell, and a hydrogen supply device for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell Respectively.

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.Here, hot and humid air can be discharged from the air electrode of the fuel cell in the stack, and high temperature and dry air can be discharged from the air electrode of the fuel cell during high output operation. Unreacted hydrogen containing water may be discharged from the fuel electrode of the fuel cell.

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.In the case of a polymer fuel cell, moisture is necessary for operation of the fuel cell. For this purpose, a humidifying device for humidifying the air supplied to the fuel cell is used for the fuel cell system.

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.The humidifying device humidifies air (wet air) discharged from the air electrode of the fuel cell and air (dry air) supplied from the air supplying device and supplies the humidified air (humidifying air) to the air electrode of the fuel cell.

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.Such a humidifying device may be of various types such as a bubbler type, an injection type, an adsorbent type, and the like. Particularly, in the case of a fuel cell vehicle, And the membrane-humidifier has a great advantage in that it does not require special power as well as the package side.

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.As shown in FIG. 1, a typical membrane-humidifier 200 for a fuel cell includes a housing 101. The housing 101 is provided with a first inlet 102 for introducing the dry air supplied from the air supply device, a first outlet 103 for discharging the dry air, and a second outlet 103 for introducing wet air discharged from the air electrode of the fuel cell 2 inlet 104 and a second outlet 105 for discharging the humidified air.

그리고, 하우징(101)의 내부에는 다수의 중공사막들(106)이 다발 형태로 밀집된 중공사막 모듈(107)이 배치되어 있다.A hollow fiber membrane module 107 in which a plurality of hollow fiber membranes 106 are densely packed is disposed in the housing 101.

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.Therefore, when humid air discharged from the air electrode of the fuel cell is supplied to the second inlet 104 and passed through the hollow fiber membrane module 107, moisture in the humid air is separated by the capillary action of the hollow fiber membranes 106 The separated water passes through the capillary of the hollow fiber membrane 106 and is condensed, and moves to the inside of the hollow fiber membrane 106. The wet air separated from the moisture is directly transferred to the outside of the hollow fiber membrane 106 and discharged through the second outlet 105.

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.The drying air supplied from the first inlet 102 flows into the first inlet 102 through the inner side of the hollow fiber membrane 106, Lt; / RTI >

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.At this time, since the moisture separated from the humid air is moved to the inside of the hollow fiber membrane 106, the dry air is humidified by the moisture, and the humidified air is discharged through the first outlet 103, Can be supplied to the air electrode of the battery.

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 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 제2 유입구(104)를 통해 유입된 습윤 공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하는데 어려움이 따른다.In the prior art, humid air is introduced into the housing 101 through the second inlet 104 to supply water to the hollow fiber membrane 106, and is discharged through the second outlet 105. The hollow fiber membrane module 107 The wet air introduced through the second inlet 104 is difficult to penetrate into the interior of the hollow fiber membrane module 107 because the hollow fiber membrane 106 has a dense and compact shape.

그리고, 습윤 공기가 확산하는 속도도 대단히 느리기 때문에 중공사막 모듈(107)의 외측을 통과하는 습윤 공기는 하우징(101) 내에서 점선 화살표에 의하여 나타난 것과 같이 중공사막 모듈(107)의 내부로 침투하지 못하고 주로 가장자리를 따라 흐르게 된다.The wet air passing through the outside of the hollow fiber membrane module 107 does not penetrate into the interior of the hollow fiber membrane module 107 as indicated by a dotted arrow in the housing 101 because the rate at which wet air diffuses is also very slow It flows mainly along the edge.

또한, 습윤 공기가 중공사막 모듈(107)의 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 가습 효율에 있어서 큰 영향을 미치며, 중공사막 모듈(107)의 내부는 충분한 수분을 공급받지 못하게 된다. 결국 이러한 이유로 막-가습장치의 전체적인 효율이 떨어지게 되고, 제1 유입구(102)를 통하여 유입되는 건조 공기가 주로 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분(도면에서의 "A" 부분)으로 많이 흐르기 때문에 더욱더 전체적인 가습장치의 효율은 떨어진다고 할 수 있다.Also, since the rate of diffusion of the humidified air into the hollow fiber membrane module 107 is very slow, it has a large effect on the humidification efficiency, and the inside of the hollow fiber membrane module 107 is not supplied with sufficient moisture. As a result, the overall efficiency of the membrane-humidifying device is lowered, and the dry air flowing through the first inlet 102 flows mainly into the central portion (the "A" portion in the figure) of the hollow fiber membrane module 107 The efficiency of the entire humidifying device is further reduced.

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.2, it can be seen clearly that most of the dry air flows only to the central portion of the hollow fiber membrane module 107. [ That is, the dry air introduced through the first inlet 102 flows mainly to the central portion of the hollow fiber membrane module 107, and the wet air introduced through the second inlet 104 mainly flows to the edge portion of the hollow fiber membrane module 107 So that the efficiency of the humidifying device is problematic.

더 나아가, 종래 기술의 막-가습장치(200)에서는 습윤 공기가 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분으로 주로 흐르기 때문에, 그 가장자리에 위치하는 중공사막(106)이 손상되거나 단선될 수 있다.Furthermore, in the conventional membrane-humidifier 200, the humid air flows mainly to the edge portion of the hollow fiber membrane module 107, so that the hollow fiber membrane 106 positioned at the edge can be damaged or broken.

그리고, 종래 기술에서는 중공사막 모듈(107)이 하나의 큰 모듈로서 그 모듈 내부에 여러 다발의 중공사막(106)이 수납되므로, 중공사막 모듈(107)의 제조 시 중공사막(106)이 균일하게 분포되지 않고, 한 쪽으로 치우치며 불균일하게 분포되는 등의 문제가 발생할 수 있다.In the prior art, since the hollow fiber membrane module 107 is one large module and a plurality of bundled hollow fiber membranes 106 are accommodated in the module, the hollow fiber membrane 106 is uniformly It is not distributed, and the problem of being unevenly distributed and shifted to one side may occur.

본 발명의 실시예들은 중공사막 모듈의 가장자리 부분으로 주로 흐르는 습윤 공기를 중공사막 모듈 전체로 균일하게 분배할 수 있으며, 습윤 공기의 불균일한 분배로 인해 중공사막 모듈의 가장자리 부분이 손상되거나 단선되는 것을 방지할 수 있고, 중공사막 모듈의 제조 시 중공사막이 불균일하게 분포되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료 전지용 가습장치를 제공하고자 한다.The embodiments of the present invention can uniformly distribute the wet air mainly flowing to the edge portion of the hollow fiber membrane module to the whole hollow fiber membrane module and prevent the marginal portion of the hollow fiber membrane module from being damaged or broken due to uneven distribution of wet air And it is an object of the present invention to provide a humidifying device for a fuel cell capable of preventing uneven distribution of the hollow fiber membrane during manufacture of the hollow fiber membrane module.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치는 ⅰ)하우징과, ⅱ)상기 하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 패키지들로 이루어진 중공사막 모듈을 포함하며, 상기 중공사막 모듈은 상기 하우징의 중앙에 배치되는 단위 패키지를 중심으로 다른 단위 패키지들이 방사 상으로 배치될 수 있다.The humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: a housing; and a hollow fiber membrane module including a plurality of unit packages accommodated in the housing, the hollow fiber membrane module containing a bundle of hollow fiber membranes, The module may be arranged such that the other unit packages are arranged radially with respect to the unit package disposed at the center of the housing.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 패키지들은 중공사막 다발을 패키징 하는 메쉬 타입의 패키지 막을 포함할 수 있다.In the humidifying device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the unit packages may include a mesh type package film for packaging a hollow fiber membrane bundle.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 패키지들의 패키지 막은 격자 사이즈가 서로 상이한 것으로 구비될 수 있다.In addition, in the humidification device for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the package films of the unit packages may have different grid sizes.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 하우징의 중앙에 위치하는 단위 패키지의 패키지 막은 다른 단위 패키지들의 패키지 막 보다 격자 사이즈가 큰 것으로 구비될 수 있다.In addition, in the humidification device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the package film of the unit package located at the center of the housing may have a larger lattice size than the package film of the other unit packages.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 단위 패키지들은 상기 하우징의 중앙 부위에 배치되는 제1 단위 패키지와, 상기 제1 단위 패키지의 외곽에 방사 상으로 배치되는 복수 개의 제2 단위 패키지들을 포함할 수 있다.Further, in the humidification apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the unit packages may include a first unit package disposed at a central portion of the housing, and a plurality of second units disposed radially And second unit packages.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 단위 패키지들은 중공사막 다발을 패키징 하는 메쉬 타입의 패키지 막을 포함할 수 있다.In addition, in the humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the first and second unit packages may include a mesh type package film for packaging a hollow fiber membrane bundle.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 제1 단위 패키지의 패키지 막은 제2 단위 패키지의 패키지 막 보다 격자 사이즈가 큰 것으로 구비될 수 있다.In addition, in the humidifying device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the package film of the first unit package may have a larger lattice size than the package film of the second unit package.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치에 있어서, 상기 패키지 막은 친수성 소재로 이루어질 수 있다.In the humidifying device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the package film may be made of a hydrophilic material.

본 발명의 실시예는 단위 패키지들을 구성하는 패키지 막의 격자 사이즈를 달리하여 종래 기술에서와 같이 습윤 공기가 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르는 문제를 해결할 수 있다.The embodiment of the present invention can solve the problem that the wet air mainly flows through the outer portion of the hollow fiber membrane bundle as in the prior art by varying the grid size of the package film constituting the unit packages.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기를 중공사막 모듈 전체에 균일하게 분배할 수 있으므로, 전체적으로 균일한 가습 성능을 유지할 수 있고, 막 활용도를 향상시킬 수 있으며, 전체 가습장치의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, wet air can be uniformly distributed to the entire hollow fiber membrane module, uniform uniform humidification performance can be maintained, film utilization can be improved, and the performance of the entire humidifying device can be further improved .

또한, 본 발명의 실시예에서는 중공사막 모듈 전체에 대한 습윤 공기의 분배성을 개선할 수 있으므로, 종래 기술에서와 같이 중공사막 모듈 가장자리 부분의 중공사막이 손상되거나 단선되는 것을 방지할 수 있다.In addition, the embodiment of the present invention can improve the distribution of humidified air to the entire hollow fiber membrane module, so that it is possible to prevent damage or disconnection of the hollow fiber membrane at the edge portion of the hollow fiber membrane module as in the prior art.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 단위 패키지들의 패키지 막이 수분을 용이하게 흡수할 수 있는 친수성 소재로 이루어짐에 따라, 그 패키지 막 자체가 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막으로 수분을 원활하게 전달해 줄 수 있으며, 이로 인하여 전체 가습장치의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. In the embodiment of the present invention, since the package film of the unit packages is made of a hydrophilic material capable of easily absorbing moisture, the package film itself contains moisture, so that moisture can be smoothly delivered to the hollow fiber membrane , Whereby the humidifying performance of the entire humidifying device can be further improved.

또한, 본 발명의 실시예에서는 하우징의 내부에 중공사막 모듈로서 다수 개의 단위 패키지들이 수납된 구조를 가지므로, 종래 기술과 같이 중공사막이 불균일하게 분포되는 문제를 해결할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, since a plurality of unit packages are housed as a hollow fiber membrane module in the housing, it is possible to solve the problem of uneven distribution of the hollow fiber membrane as in the prior art.

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.Furthermore, in the embodiment of the present invention, since the performance of the entire humidifying device can be reduced, the amount of the hollow fiber membrane can be reduced, and the price of the humidifying device can be lowered and the size can be reduced.

또한, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기의 분배성 개선으로 가습장치에 걸리는 압력 강하량을 낮출 수 있으므로 공기 블로워와 같은 공기 공급장치의 부하를 낮출 수 있다.Further, in the embodiment of the present invention, the pressure drop amount applied to the humidifying device can be lowered by improving the distributing performance of the humidified air, so that the load of the air supplying device such as the air blower can be reduced.

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 단위 패키지들의 패키지 막을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a schematic view of a membrane-humidifier for a general fuel cell.
2 is a diagram showing simulation results of a membrane-humidifier for a general fuel cell.
3 is a perspective view illustrating a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a view schematically showing a package film of unit packages applied to a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the operation of the humidifier for a fuel cell according to the embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

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.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

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.In the following detailed description, the names of components are categorized into the first, second, and so on in order to distinguish the components from each other in the same relationship, and are not necessarily limited to the order in the following description.

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.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.It should be noted that terms such as " ... unit ", "unit of means "," part of item ", "absence of member ", and the like denote a unit of a comprehensive constitution having at least one function or operation it means.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치를 도시한 단면 구성도이다.FIG. 3 is a perspective view illustrating a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

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.3 and 4, the humidifier 100 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention can be applied to a fuel cell system that generates electric energy by electrochemical reaction between fuel as hydrogen and air as an oxidizer .

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.For example, the fuel cell system basically includes a fuel cell stack, which is an aggregate structure of fuel cells, a hydrogen supply device that supplies hydrogen to the fuel cell stack, and an air supply device that supplies air to the fuel cell stack have.

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.Here, the fuel cell (commonly referred to as "unit cell" in the related art) has a structure in which an air electrode and a fuel electrode are disposed on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) therebetween.

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.In the air electrode of the fuel cell, the exhaust air is discharged at a relatively high temperature according to the operating conditions of the fuel cell stack.

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.That is, when the fuel cell has a high output, it can discharge the hot and dry exhaust air from the air electrode, and if it does not have a high output, it can discharge hot and humid exhaust air from the air electrode.

그러나, 이하에서는 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 습윤 공기가 배출되는 것을 예로 하여 설명하기로 한다.However, in the following description, the case will be described in which the hot and humid wet air is discharged from the air electrode of the fuel cell.

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.Since the basic configuration of such a fuel cell system is composed of a known fuel cell system well known in the art, a detailed description of its configuration will be omitted herein.

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. 예를 들면 이러한 가습장치(100)는 중공사막 다발의 모듈을 포함하는 막-가습장치로 이루어질 수 있다.On the other hand, in the fuel cell system as described above, humidification air according to the embodiment of the present invention, which supplies humidified air containing moisture to the fuel cell as membrane humidification of the humid air discharged from the air electrode of the fuel cell and the dry air supplied from the air supply apparatus, (100). ≪ / RTI > For example, the humidifying device 100 may be a membrane-humidifying device including a module of a hollow fiber membrane bundle.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 가습장치(100)는 중공사막 다발의 모듈 가장자리 부분으로 주로 흐르는 습윤 공기를 모듈 전체로 균일하게 분배할 수 있는 구조로 이루어진다.The humidifier 100 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention has a structure capable of uniformly distributing the wet air mainly flowing to the edge portion of the module of the hollow fiber membrane bundle to the entire module.

또한, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기의 불균일한 분배로 인해 중공사막 다발의 모듈 가장자리 부분이 손상되거나 단선되는 것을 방지할 수 있고, 중공사막 다발의 모듈 제조 시 중공사막이 불균일하게 분포되는 것을 방지할 수 있는 연료 전지용 가습장치(100)를 제공한다.In addition, in the embodiment of the present invention, it is possible to prevent damage or disconnection of the module edge portion of the hollow fiber membrane bundle due to uneven distribution of wetted air, and to prevent uneven distribution of the hollow fiber membrane during manufacture of the hollow fiber membrane bundle module The humidifying device 100 for a fuel cell is provided.

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.To this end, the humidifier 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention basically includes a housing 10 and a hollow fiber membrane module 30,

본 발명의 실시예에서, 상기 하우징(10)은 전체 가습장치(100)의 외관을 이루며, 뒤에서 더욱 설명될 중공사막 모듈(30)을 내장하는 것으로, 원형의 단면을 지닌 원통 형상의 케이스로 이루어진다.In the embodiment of the present invention, the housing 10 constitutes the outer appearance of the entire humidifying apparatus 100, and includes a cylindrical case having a circular cross-section, which incorporates a hollow fiber membrane module 30 to be described later .

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.The housing 10 is provided with at least one first inlet 11 for introducing humidified air discharged from the air electrode of the fuel cell, at least one first outlet 12 for discharging the humidified air, A second inlet 13 for introducing dry air to be supplied, and a second outlet 14 for discharging the dry air.

상기 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.The first inlet 11 is for supplying the humidified air to the inside of the housing 10 and the second outlet 12 for discharging the humidified air passing through the inside of the housing 10 and removing moisture.

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.The second inlet 13 and the second outlet 14 are formed on both sides of the housing 10 and the second inlet 13 supplies dry air to the inside of the housing 10, The second outlet 14 is for discharging dry air including moisture mentioned above (hereinafter referred to as "humidifying air" for convenience) through the interior of the housing 10.

여기서, 상기 제2 유입구(13)와 제2 유출구(14)는 하우징(10)의 양측에서 안쪽으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 형상으로 이루어질 수 있다.Here, the second inlet 13 and the second outlet 14 may have a shape gradually increasing in size from both sides of the housing 10 toward the inside.

본 발명의 실시예에서, 상기 중공사막 모듈(30)은 하우징(10)의 내부에 설치되며, 중공사막(31)의 다발을 수용한 다수 개의 단위 패키지들(33, 35)로 이루어질 수 있다.The hollow fiber membrane module 30 may be formed of a plurality of unit packages 33 and 35 installed in the housing 10 and accommodating a bundle of the hollow fiber membranes 31.

여기서, 상기 중공사막(31)은 위에서 언급한 바 있는 습윤 공기 중의 수분을 모세관 작용에 의해 분리하는 기능을 하게 된다.Here, the hollow fiber membrane 31 functions to separate the moisture in the wet air mentioned above by capillary action.

본 발명의 실시예에서, 상기 중공사막 모듈(30)은 하우징(10)의 중앙에 배치되는 단위 패키지(33)를 중심으로 다른 단위 패키지들(35)이 방사 상으로 배치된 구조로 이루어진다.In the embodiment of the present invention, the hollow fiber membrane module 30 has a structure in which other unit packages 35 are radially arranged around a unit package 33 disposed at the center of the housing 10.

이하에서는 상기 하우징(10)의 중앙 부위에 배치되는 단위 패키지를 제1 단위 패키지(33)로 정의하며, 제1 단위 패키지(33)의 외곽에 방사 상으로 배치되는 복수 개의 단위 패키지들을 제2 단위 패키지(35)로 정의한다.Hereinafter, a unit package disposed at a central portion of the housing 10 is defined as a first unit package 33, and a plurality of unit packages radially disposed outside the first unit package 33 are defined as a second unit Package 35 is defined.

본 발명의 실시예에서, 상기한 제1 및 제2 단위 패키지(33, 35)는 중공사막(31)의 다발을 패키징 하는 메쉬(mesh) 타입의 패키지 막(37, 39)을 포함하고 있다.In the embodiment of the present invention, the first and second unit packages 33 and 35 include mesh type package films 37 and 39 for packaging a bundle of the hollow fiber membranes 31.

이 경우, 상기 제1 및 제2 단위 패키지(33, 35)의 패키지 막(37, 39)은 소정의 격자 사이즈를 지닌 메쉬 형태의 망으로 이루어지는 바, 이러한 패키지 막(37, 39)은 예를 들면 수분을 용이하게 흡수할 수 있는 친수성 소재로 이루어질 수 있다.In this case, the package films 37 and 39 of the first and second unit packages 33 and 35 are formed of a meshed mesh having a predetermined lattice size. It can be made of a hydrophilic material which can easily absorb moisture.

상기 패키지 막(37, 39)은 수분을 용이하게 흡착할 수 있는 고유한 화학적 성질을 지닌 친수성 고분자 소재로 이루어지는 바, 예를 들면 아크릴레이트, 메타아크릴레이트 등과 같은 아크릴 계열의 고분자 소재를 포함할 수 있다.The package films 37 and 39 are made of a hydrophilic polymer material having unique chemical properties capable of easily adsorbing moisture. For example, the package films 37 and 39 may include acrylic polymer materials such as acrylate and methacrylate. have.

한편, 본 발명의 실시예에서, 상기 제1 및 제2 단위 패키지(33, 35)는 격자 사이즈가 서로 상이한 패키지 막(37, 39)을 포함할 수 있다.Meanwhile, in the embodiment of the present invention, the first and second unit packages 33 and 35 may include package films 37 and 39 having different lattice sizes.

예를 들면, 도 5에서와 같이 상기 하우징(10)의 중앙에 위치하는 제1 단위 패키지(33)의 패키지 막(37)은 제1 단위 패키지(33)의 외곽에 방사 상으로 위치하는 제2 단위 패키지(35)의 패키지 막(39) 보다 격자 사이즈가 큰 것으로 구비될 수 있다. 5, the package film 37 of the first unit package 33 located at the center of the housing 10 may be formed in the second unit package 33, It may be provided with a larger lattice size than the package film 39 of the unit package 35.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치(100)에 의하면, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기를 하우징(10)의 제1 유입구(11)로 공급한다.According to the humidifying apparatus 100 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention configured as described above, the humid air discharged from the air electrode of the fuel cell is supplied to the first inlet 11 of the housing 10.

그러면, 습윤 공기는 중공사막 모듈(30)의 제1 및 제2 단위 패키지들(33, 35)을 통과하고, 습윤 공기 중의 수분은 중공사막(31)의 모세관 내를 투과하여 응축되면서 그 중공사막(31)의 내측으로 이동하고, 수분이 분리된 습윤 공기는 제1 유출구(12)를 통해 배출된다.Then, the wet air passes through the first and second unit packages 33 and 35 of the hollow fiber membrane module 30, and the moisture in the wetted air passes through the capillary of the hollow fiber membrane 31 and is condensed, The wetted air from which the moisture is separated is discharged through the first outlet 12.

이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 하우징(10)의 중앙에 위치하는 제1 단위 패키지(33)의 패키지 막(37)이 제1 단위 패키지(33)의 외곽에 방사 상으로 위치하는 제2 단위 패키지(35)의 패키지 막(39) 보다 격자 사이즈가 상대적으로 크므로, 제1 단위 패키지(33)에 비해 제2 단위 패키지(35)로 적은 양의 습윤 공기가 침투하게 된다.In this process, in the embodiment of the present invention, the package film 37 of the first unit package 33 located at the center of the housing 10 is divided into a second unit A smaller amount of wet air permeates the second unit package 35 than the first unit package 33 because the grid size is relatively larger than the package film 39 of the package 35. [

따라서, 본 발명의 실시예에서는 격자 사이즈가 작은 패키지 막(39)을 지닌 제2 단위 패키지들(35)이 격자 사이즈가 상대적으로 큰 패키지 막(37)을 지닌 제1 단위 패키지(33)의 외곽을 둘러싸므로, 도 6에서와 같이 중공사막 모듈(30) 전체에 습윤 공기를 균일하게 분배할 수 있게 된다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the second unit packages 35 having the package film 39 with a small grid size are formed in the outer periphery of the first unit package 33 having the package film 37 having a relatively large grid size. The wet air can be uniformly distributed to the entire hollow fiber membrane module 30 as shown in FIG.

한편, 상기에서와 같은 과정을 거치는 동안, 하우징(10)의 제2 유입구(13)로는 공기 공급장치에 의해 공급되는 건조 공기가 유입된다. 상기 제2 유입구(13)로 유입된 건조 공기는 중공사막 모듈(30)의 제1 및 제2 단위 패키지들(33, 35)을 통해 이동하며 중공사막(31)에 존재하는 습윤 공기의 수분에 의해 가습되고, 이렇게 가습된 공기는 제2 유출구(14)를 통해 배출되며, 연료 전지의 공기극으로 공급될 수 있다.Meanwhile, during the above process, dry air supplied by the air supply device flows into the second inlet 13 of the housing 10. The dry air introduced into the second inlet 13 flows through the first and second unit packages 33 and 35 of the hollow fiber membrane module 30 and flows into the moisture of the wet air existing in the hollow fiber membrane 31 And the humidified air is discharged through the second outlet 14 and can be supplied to the air electrode of the fuel cell.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 가습장치(100)에 의하면, 격자 사이즈가 상대적으로 큰 패키지 막(37)을 지닌 제1 단위 패키지(33)가 하우징(10)의 중앙에 위치하고, 격자 사이즈가 상대적으로 작은 패키지 막(39)을 지닌 제2 단위 패키지들(35)이 제1 단위 패키지(33)의 외곽에 방사 상으로 위치하는 중공사막 모듈(30)을 구성하므로, 종래 기술에서와 같이 습윤 공기가 중공사막 다발의 외곽 부분을 주로 흐르는 문제를 해결할 수 있다.As described above, according to the humidifier 100 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the first unit package 33 having the package film 37 having a relatively large lattice size is disposed at the center of the housing 10 And the second unit packages 35 having the package film 39 with a relatively small grid size constitute the hollow fiber membrane module 30 positioned radially on the outer periphery of the first unit package 33, It is possible to solve the problem that wet air mainly flows through the outer portion of the hollow fiber membrane bundle.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기를 중공사막 모듈(30) 전체에 균일하게 분배할 수 있으므로, 전체적으로 균일한 가습 성능을 유지할 수 있고, 막 활용도를 향상시킬 수 있으며, 전체 가습장치(100)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the wet air can be uniformly distributed to the entire hollow fiber membrane module 30, so that the uniform humidification performance can be maintained as a whole, the film utilization can be improved, Can be further improved.

또한, 본 발명의 실시예에서는 중공사막 모듈(30) 전체에 대한 습윤 공기의 분배성을 개선할 수 있으므로, 종래 기술에서와 같이 중공사막 모듈(30) 가장자리 부분의 중공사막(31)이 손상되거나 단선되는 것을 방지할 수 있다.Also, in the embodiment of the present invention, the distribution of wet air to the entire hollow fiber membrane module 30 can be improved, so that the hollow fiber membrane 31 at the edge of the hollow fiber membrane module 30 is damaged It is possible to prevent disconnection.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 단위 패키지들(33, 35)의 패키지 막(37, 39)이 수분을 용이하게 흡수할 수 있는 친수성 소재로 이루어짐에 따라, 그 패키지 막(37, 39) 자체가 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막(31)으로 수분을 원활하게 전달해 줄 수 있으며, 이로 인하여 전체 가습장치(100)의 가습 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. In the embodiment of the present invention, since the package films 37 and 39 of the unit packages 33 and 35 are made of a hydrophilic material capable of easily absorbing moisture, the package films 37 and 39 themselves Moisture can be smoothly transferred to the hollow fiber membrane 31, and thus the humidifying performance of the entire humidifier 100 can be further improved.

또한, 본 발명의 실시예에서는 하우징(10)의 내부에 중공사막 모듈(30)로서 다수 개의 단위 패키지들(33, 35)이 수납된 구조를 가지므로, 종래 기술과 같이 중공사막이 불균일하게 분포되는 문제를 해결할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, since the plurality of unit packages 33 and 35 are housed in the housing 10 as the hollow fiber membrane module 30, the hollow fiber membrane is uniformly distributed Can be solved.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 전체 가습장치(100)의 성능 향상으로 중공사막(31)의 사용량을 줄일 수 있으므로, 가습장치의 가격을 낮출 수 있으며, 사이즈도 줄일 수 있어 패키지 측면에서 유리하다.Further, in the embodiment of the present invention, the performance of the entire humidifying apparatus 100 can be reduced to reduce the amount of the hollow fiber membranes 31 used, so that the price of the humidifying apparatus can be reduced and the size can be reduced. .

또한, 본 발명의 실시예에서는 습윤 공기의 분배성 개선으로 가습장치에 걸리는 압력 강하량을 낮출 수 있으므로 공기 블로워와 같은 공기 공급장치의 부하를 낮출 수 있다.Further, in the embodiment of the present invention, the pressure drop amount applied to the humidifying device can be lowered by improving the distributing performance of the humidified air, so that the load of the air supplying device such as the air blower can be reduced.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Other embodiments may easily be suggested by adding, changing, deleting, adding, or the like of elements, but this also falls within the scope of the present invention.

10... 하우징 11... 제1 유입구
12... 제1 유출구 13... 제2 유입구
14... 제2 유출구 30... 중공사막 모듈
31... 중공사막 33... 제1 단위 패키지
35... 제2 단위 패키지 37, 39... 패키지 막10 ... housing 11 ... first inlet
12 ... first outlet 13 ... second inlet
14 ... second outlet 30 ... hollow fiber membrane module
31 ... hollow fiber membrane 33 ... first unit package
35 ... second unit package 37, 39 ... package film

Claims (8)

하우징; 및
상기 하우징의 내부에 설치되며, 중공사막 다발을 수용한 다수 개의 단위 패키지들로 이루어진 중공사막 모듈;을 포함하며,
상기 단위 패키지들은 상기 하우징의 중앙 부위에 배치되는 제1 단위 패키지와, 상기 제1 단위 패키지를 중심으로 그 제1 단위 패키지의 외곽에 방사 상으로 배치되는 복수 개의 제2 단위 패키지들을 포함하고,
상기 제1 및 제2 단위 패키지들은 중공사막 다발을 패키징하는 메쉬 타입의 패키지 막을 포함하며,
상기 제1 단위 패키지의 패키지 막은 상기 제2 단위 패키지의 패키지 막 보다 격자 사이즈가 상대적으로 크게 구비되며, 상기 제2 단위 패키지들이 상기 제1 단위 패키지의 외곽을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가습장치.housing; And
And a hollow fiber membrane module installed in the housing and having a plurality of unit packages accommodating a bundle of hollow fiber membranes,
Wherein the unit packages include a first unit package disposed at a central portion of the housing and a plurality of second unit packages radially disposed at an outer periphery of the first unit package with respect to the first unit package,
Wherein the first and second unit packages include a mesh type package film for packaging a hollow fiber membrane bundle,
Wherein a package film of the first unit package has a larger lattice size than that of the package film of the second unit package and the second unit packages surround an outer periphery of the first unit package. . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 패키지 막은 친수성 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가습장치.The method according to claim 1,
Wherein the package film is made of a hydrophilic material.
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