KR20230170220A

KR20230170220A - 연료전지용 가습기 및 연료전지용 가습기의 미드-케이스

Info

Publication number: KR20230170220A
Application number: KR1020220070465A
Authority: KR
Inventors: 안웅전; 허중근; 양형모; 기성관
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2042-06-10
Also published as: CN119325657A; KR102824046B1; JP2025516742A; EP4513601A1; WO2023239057A1

Abstract

본 발명은 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체; 및 제1 캡이 갖는 제1 기체 유입구를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지 쪽으로 유입시키는 우회부를 포함하고, 상기 우회부는 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지에 대해 중첩되는 위치에서 상기 미드본체로부터 돌출된 연료전지용 가습기의 미드-케이스 및 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습기 및 연료전지용 가습기의 미드-케이스{Humidifier for Fuel Cell and Mid-case of Humidifier for Fuel Cell}

본 발명은 연료전지에 가습된 기체를 공급하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.

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.

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.

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 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

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.

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.

이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

막가습 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 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.

도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막가습 방식의 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(110) 및 상기 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.

상기 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 상기 가습 모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.

상기 가습 모듈(110)은, 배가스 습윤 기체 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 습윤 기체 유출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 상기 미드-케이스(111) 내의 복수의 중공사막(112)들을 포함한다. 상기 중공사막(112)들의 다발의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 상기 중공사막(112)들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 상기 고정층(113)과 상기 미드-케이스(111) 사이의 수지층(114)이 상기 캡들(120)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(113)과 유사하게, 상기 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

외부로부터 공급되는 공기는 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 습윤 기체 유입구(111a)를 통해 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 습윤 기체 유출구(111b)를 통해 상기 미드-케이스(111)로부터 유출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막(112)들의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(112)들을 투과함으로써 상기 중공사막(112)들의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.

이 경우, 종래에는 상기 미드-케이스(111) 내로 유입되는 배가스가 상기 중공사막(112)들을 향해 유동하였다. 이에 따라, 종래에는 상기 미드-케이스(111) 내로 유입되는 배가스의 압력이 상기 중공사막(112)들에 직접적으로 가해짐에 따라, 상기 중공사막(112)들이 손상 내지 파손되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 중공사막들에 발생하는 손상 내지 파손을 감소시킬 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함할 수 있다. 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스, 및 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함할 수 있다. 상기 제1 캡은 상기 미드-케이스의 내부로 공급하기 위한 제1 기체가 유입되는 제1 기체 유입구, 및 상기 중공사막들과 연통되고 제2 기체가 유입 또는 유출되는 제1 포트를 포함할 수 있다. 상기 미드-케이스는 상기 카트리지가 수납되는 미드본체, 및 상기 제1 기체 유입구를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지 쪽으로 유입시키는 우회부를 포함할 수 있다. 상기 우회부는 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지에 대해 중첩되는 위치에서 상기 미드본체로부터 돌출될 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈, 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡, 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡을 포함하는 연료전지용 가습기에 구비되는 것으로, 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체; 및 상기 제1 캡이 갖는 제1 기체 유입구를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지 쪽으로 유입시키는 우회부를 포함할 수 있다. 상기 우회부는 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지에 대해 중첩되는 위치에서 상기 미드본체로부터 돌출될 수 있다.

본 발명은 기체의 압력으로 인해 중공사막들이 손상 내지 파손될 위험을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명은 사용 수명을 연장할 수 있고, 유지 보수 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 7은 제1 기체 유입구를 통해 미드-케이스의 내부로 유입되는 제1 기체가 바로 카트리지 쪽으로 유동되는 모습을 나타낸 개략적인 측단면도
도 8은 우회부를 포함하는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 사시도
도 9는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 일부 단면도
도 10은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 있어서 우회부를 갖는 미드-케이스와 제1 기체 유입구를 갖는 제1 캡의 개략적인 분해 사시도

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 미드-케이스는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 포함될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 설명하면서 함께 설명한다. 한편, 도 7에서 두 줄의 평행한 곡선은 생략선이다. 또한, 도 7과 도 9에는 중공사막들이 해칭으로 간략하게 표시되어 있고, 이너 케이스가 생략되어 있다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택(미도시)으로 공급할 건조 기체를 가습하는 것이다. 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 것일 수 있다. 건조 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 건조 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 건조 기체를 가습하는 것이다. 상기 가습 모듈(2)의 일단에는 상기 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)의 타단에는 상기 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)은 제1 기체와 제2 기체를 이용하여 상기 연료전지 스택에 가습된 건조 기체를 공급할 수 있다. 상기 제1 기체가 건조 기체인 경우, 상기 제2 기체는 습윤 기체일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체가 상기 제2 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제1 기체가 습윤 기체인 경우, 상기 제2 기체가 건조 기체일 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체가 상기 제1 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.

상기 가습 모듈(2)은 미드-케이스(Mid-case)(21), 및 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)(22)를 포함한다.

상기 미드-케이스(21)는 상기 카트리지(22)가 결합된 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 미드-케이스(21)는 양 말단들이 개방되어 있다. 이 경우, 상기 미드-케이스(21)에는 수용공(211)이 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 미드-케이스(21)를 제1 축 방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)에는 적어도 하나의 카트리지(22)가 배치될 수 있다.

상기 미드-케이스(21)는 미드본체(210)를 포함할 수 있다. 상기 미드본체(210)는 상기 카트리지(22)가 수납되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드본체(210)의 내부에 배치됨으로써, 상기 미드본체(210)에 수납될 수 있다. 상기 미드본체(210)에는 적어도 하나의 카트리지(22)가 수납될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)으로 상기 미드본체(210)를 관통하여 형성될 수 있다.

상기 미드-케이스(21)에는 제1 기체 유입구(30), 및 제1 기체 유출구(212)가 형성될 수 있다. 상기 제1 기체 유입구(30)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로 상기 제1 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제1 기체 유출구(212)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로부터 상기 제1 기체를 유출시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체 유출구(212)는 상기 카트리지(22)로부터 유출된 제1 기체를 상기 미드본체(210)의 외부로 유출시킬 수 있다.

상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치되는 것이다. 상기 카트리지(22)는 다수의 중공사막(221)들을 포함한다. 상기 중공사막(221)들은 상기 카트리지(22)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(22)를 상기 미드-케이스(21)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막(221)들은 상기 미드-케이스(21)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들에 대한 설치작업, 분리작업, 및 교체작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.

상기 카트리지(22)는 이너 케이스(Inner case)(222)를 포함할 수 있다.

상기 이너 케이스(222)는 양 말단에 개구(Opening)를 가지며, 상기 중공사막(221)들이 들어있는 것이다. 상기 중공사막(221)들은 상기 이너 케이스(222)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막(221)들은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.

상기 카트리지(22)는 제1 고정층(223)을 포함할 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단을 고정하는 것이다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 이너 케이스(222)의 일단에 형성된 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다.

상기 카트리지(22)는 제2 고정층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단을 고정하는 것이다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 이너 케이스(222)의 타단에 형성된 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다. 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)이 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성되므로, 상기 제2 기체는 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로 공급될 수 있고, 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로부터 유출될 수 있다.

도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 카트리지(22)는 제2 기체 유입구(225), 및 제2 기체 유출구(226)를 포함할 수 있다.

상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 이너 케이스(222)의 일측은 상기 미드본체(210)가 갖는 측벽들 중에서 어느 하나의 측벽 쪽을 향하도록 배치될 수 있다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로 상기 제1 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유입 윈도우(225a)를 포함할 수 있다. 상기 유입 윈도우(225a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제2 축 방향(Y축 방향)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 수직한 축 방향이다.

상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 일측에 형성될 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로부터 상기 제1 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유출 윈도우(226a)를 포함할 수 있다. 상기 유출 윈도우(226a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제2 기체 유출구(226)와 상기 제2 기체 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.

상기 제1 기체가 습윤 기체인 경우, 상기 제1 기체는 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 카트리지(22)의 외면 사이로 공급되고, 상기 제2 기체 유입구(225)를 통해 상기 카트리지(22)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 제1 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 제2 기체를 가습할 수 있다. 가습된 제2 기체는 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제1 캡(3) 또는 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제2 기체를 가습한 이후의 제1 기체는, 상기 제2 기체 유출구(226)를 통해 상기 카트리지(22)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 제1 기체 유출구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.

상기 제1 기체가 건조 기체인 경우, 상기 제1 기체는 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 카트리지(22)의 외면 사이로 공급되고, 상기 제2 기체 유입구(225)를 통해 상기 카트리지(22)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 제2 기체의 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 카트리지(22)의 내부로 유입된 제1 기체를 가습할 수 있다. 가습된 제1 기체는, 상기 제2 기체 유출구(226)를 통해 상기 카트리지(22)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 제1 기체 유출구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 상기 제1 기체를 가습한 이후의 제2 기체는, 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제1 캡(3) 또는 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.

상기 가습 모듈(2)은 복수개의 패킹부재들(23, 23')을 포함할 수 있다.

상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 방지하도록 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이를 밀폐시키는 것이다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 카트리지(22)는 상기 패킹부재들(23, 23')에 형성된 제1통과공(23a, 23a')에 삽입될 수 있다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 각각 상기 카트리지(22)의 양측에 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 패킹부재들(23, 23')을 대신하여 상기 카트리지(22)의 양측에는 수지층들이 형성될 수도 있다. 상기 수지층들은 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 것이다. 상기 제1 캡(3)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23) 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 제1 포트(31)를 포함할 수 있다. 상기 제1 포트(31)는 상기 제2 기체가 유동하기 위한 것이다. 상기 제1 포트(31)는 상기 중공사막(221)들과 연통될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기체가 상기 제1 캡(3)과 상기 중공사막(221)들 간에 유동되는 과정에서, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유입 또는 유출될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 것이다. 상기 제2 캡(4)은 상기 제1 캡(3)으로부터 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 이격된 위치에서 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 상기 제2 캡(4)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23') 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다. 상기 제2 캡(4)은 제2 포트(41)를 포함할 수 있다. 상기 제2 포트(41)는 상기 제2 기체가 유동하기 위한 것이다. 상기 제2 포트(41)는 상기 중공사막(221)들과 연통될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기체가 상기 제2 캡(4)과 상기 중공사막(221)들 간에 유동되는 과정에서, 상기 제2 기체는 상기 제2 포트(41)를 통해 유입 또는 유출될 수 있다. 상기 제2 기체가 상기 제2 포트(41)를 통해 유입되는 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 제2 캡(4), 상기 중공사막(221)들의 중공, 및 상기 제1 캡(3)을 순차적으로 거치면서 상기 제1 기체와 수분 교환을 할 수 있다. 상기 제2 기체가 상기 제2 포트(41)를 통해 유출되는 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 포트(31)를 통해 유입될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 기체는 상기 제1 캡(3), 상기 중공사막(221)들의 중공, 및 상기 제2 캡(4)을 순차적으로 거치면서 상기 제1 기체와 수분 교환을 할 수 있다.

여기서, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부로 유입되는 제1 기체가 바로 상기 카트리지(22) 쪽으로 유동되는 경우, 상기 제1 기체의 압력으로 인해 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험이 있다. 이를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 유입되는 제1 기체가 우회하여 상기 카트리지(22) 쪽으로 유입되도록 구현될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)에 있어서, 상기 미드-케이스(21)와 상기 제1 캡(3)은 다음과 같이 구현될 수 있다.

도 2 내지 도 10을 참고하면, 상기 미드-케이스(21)는 우회부(213)를 포함할 수 있다.

상기 우회부(213)는 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체(210)의 내부에 수납된 카트리지(22) 쪽으로 유입시키는 것이다. 상기 우회부(213)는 상기 제1 캡(3)의 내부 및 상기 미드본체(210)의 내부 각각에 연통되게 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 캡(3)은 상기 제1 기체 유입구(30)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 우회부(213)는 상기 제1 캡(3)의 내부를 통해 상기 제1 기체 유입구(30)에 연통될 수 있다. 따라서, 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 유입된 제1 기체는 상기 우회부(213)를 따라 우회한 후에 상기 미드본체(210)의 내부에 수납된 카트리지(22) 쪽으로 유입될 수 있다.

이와 같이 상기 우회부(213)를 이용하여 상기 제1 기체를 우회시킴으로써, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 카트리지(22) 쪽으로 유입되는 제1 기체의 압력을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 미드본체(210)의 내부로 유입되는 제1 기체의 압력으로 인해 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들의 사용수명을 연장함으로써, 유지보수 비용, 운영비용 등을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들에 대한 유지보수 주기를 늘림으로써, 상기 연료전지 스택의 가동률을 증대시키는데 기여할 수 있다.

상기 우회부(213)는 상기 미드본체(210)로부터 돌출될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 우회부(213)를 이용하여 상기 미드본체(210)의 외부에 상기 제1 기체를 우회시키기 위한 유로를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 우회부(213)를 이용하여 상기 제1 기체를 우회시키는 유동경로 및 상기 미드본체(210)의 내부와 상기 카트리지(22)의 외부 사이에서 유동하는 제1 기체의 유동경로가 서로 간섭되지 않게 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체를 우회시키는 유동경로로 인해 상기 미드본체(210)의 내부와 상기 카트리지(22)의 외부 사이에서 유동하는 제1 기체의 유동경로가 좁아지지 않도록 구현된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들에 가해지는 상기 제1 기체의 압력을 감소시킬 수 있음과 동시에 상기 제1 기체와 상기 제2 기체 간의 수분 교환이 원활하게 이루어지도록 구현될 수 있다.

상기 우회부(213)는 상기 미드본체(210)의 내부에 수납된 카트리지(22)에 대해 중첩되게 배치될 수 있다. 상기 우회부(213)의 일단은 상기 미드본체(210)의 일단 쪽에 배치된 제1 캡(3)의 내부에 연통되게 연결될 수 있다. 상기 우회부(213)의 타단은 상기 미드본체(210)의 내부에 연통되게 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 우회부(213)의 타단은 상기 미드본체(210)의 내부에 수납된 카트리지(22)에 대해 중첩되게 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 우회부(213)의 일단과 상기 우회부(213)의 타단이 서로 이격되게 배치되므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체가 상기 우회부(213)의 일단에서 상기 우회부(213)의 타단 쪽으로 유동하면서 점차적으로 압력이 낮아지도록 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체의 유동속도가 점차적으로 느려짐에 따라, 상기 제1 기체에 의해 상기 중공사막(221)들에 가해지는 압력이 낮아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체의 압력이 급격하게 변화되는 것을 방지함으로써, 상기 제1 기체가 상기 우회부(213)를 거쳐 상기 카트리지(22) 쪽으로 원활하게 유동하도록 구현될 수 있다. 상기 우회부(213)의 일단과 상기 우회부(213)의 타단은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.

상기 우회부(213)는 제1 우회통로(213a), 및 제2 우회통로(213b)를 포함할 수 있다.

상기 제1 우회통로(213a)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 연통되는 것이다. 상기 제1 우회통로(213a)는 상기 제1 기체가 상기 우회부(213)로 유입되기 위한 유입구로 기능할 수 있다. 상기 제1 우회통로(213a)는 상기 우회부(213)의 일단을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 제2 우회통로(213b)는 상기 미드본체(210)의 내부에 연통되는 것이다. 상기 제2 우회통로(213b)는 상기 제1 기체가 상기 우회부(213)로부터 유출되기 위한 유출구로 기능할 수 있다. 상기 제2 우회통로(213b)는 상기 우회부(213)의 타단을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 제2 우회통로(213b)와 상기 제1 우회통로(213a)는 서로 상이한 위치에서 서로 상이한 방향으로 상기 우회부(213)를 관통하여 형성될 수 있다. 예컨대, 도 9를 기준으로 할 때 상기 제2 우회통로(213b)는 상기 우회부(213)의 타단에서 상기 미드본체(210) 쪽을 향하는 하측방향으로 상기 우회부(213)를 관통하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 우회통로(213a)는 상기 우회부(213)의 일단에서 상기 제1 캡(3)을 향하는 좌측방향으로 상기 우회부(213)를 관통하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 기체는 상기 제1 우회통로(213a)를 통해 유입되어서 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 유동한 후에 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 하측방향으로 유출됨으로써, 상기 미드본체(210)의 내부로 유동할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 우회부(213)에서 상기 미드본체(210)의 내부로 유동되는 과정에서 유동방향이 변경되도록 구현됨으로써, 상기 중공사막(221)들에 가해지는 제1 기체의 압력을 더 감소시킬 수 있다. 한편, 상기 제2 우회통로(213b)는 상기 우회부(213)의 타단과 상기 미드본체(210) 모드를 관통하여 형성될 수도 있다. 이에 따라, 상기 우회부(213)의 내부와 상기 미드본체(210)의 내부는 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 서로 연통되게 연결될 수 있다. 상기 우회부(213)와 상기 미드본체(210)는 일체로 형성될 수도 있다.

상기 미드-케이스(21)는 제1 미드통로(210a)를 포함할 수 있다.

상기 제1 미드통로(210a)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 연통되는 것이다. 상기 제1 미드통로(210a)는 상기 제1 캡(3)의 내부와 상기 중공사막(221)들 간에 상기 제2 기체가 유입 또는 유출되기 위한 통로로 기능할 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)는 상기 미드본체(210)의 일단을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)는 상기 수용공(211)의 일단에 해당할 수 있다. 상기 제1미드통로(210a)에는 상기 제1 고정층(223)에 의해 고정된 상기 중공사막(221)들의 일단이 배치될 수 있다.

상기 미드-케이스(21)는 제2 미드통로(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 제2 미드통로는 상기 제2 캡(4)의 내부와 상기 중공사막(221)들 간에 상기 제2 기체가 유입 또는 유출되기 위한 통로로 기능할 수 있다. 상기 제2 미드통로는 상기 미드본체(210)의 타단을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제2 미드통로는 상기 수용공(211)의 타단에 해당할 수 있다. 상기 제2 미드통로에는 상기 제2 고정층(224)에 의해 고정된 상기 중공사막(221)들의 타단이 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제1 미드통로(210a)와 상기 제1 우회통로(213a)는 각각 다음과 같은 단면적을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우, 단면적은 상기 제1 미드통로(210a)와 상기 제1 우회통로(213a) 각각이 유체를 통과시킬 수 있는 면적에 관련된 것이다. 상기 제1 미드통로(210a)와 상기 제1 우회통로(213a) 각각의 단면적은 상하방향(Z축 방향)을 기준으로 하는 단면의 면적이다. 상기 상하방향(Z축 방향)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축방향(Y축 방향) 각각에 대해 수직한 축 방향일 수 있다. 상기 상하방향(Z축 방향)은 상기 제2 축방향(Y축 방향)에 대해 평행한 축 방향일 수도 있다. 이 경우, 상기 카트리지(22)는 상기 제2 기체 유입구(225)와 상기 제2 기체 유출구(226)가 상기 제2 우회통로(213b)를 향하는 방향을 제외한 다른 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)와 상기 제1 우회통로(213a)는 상기 상하방향(Z축 방향)을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.

우선, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적은 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적보다 더 크게 구현될 수 있다. 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적보다 더 크거나 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적과 동일한 크기로 구현된 비교예 1의 경우, 상기 제1 기체가 상기 제1 우회통로(213a)를 통해 상기 우회부(213)의 내부로 유입되는 과정에서 유동속도가 너무 느려지게 된다. 이에 따라, 비교예 1은 상기 제1 기체가 상기 카트리지(22) 내부의 중공사막(221)들 중에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221)들까지 전달될 수 없으므로, 가습효율이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적보다 더 작게 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 비교예 1과 대비할 때 상기 제1 우회통로(213a)를 통해 상기 우회부(213)의 내부로 유입된 제1 기체의 유동속도를 높일 수 있으므로, 상기 카트리지(22) 내부의 중공사막(221)들 중에서 가습에 관여하는 중공사막(221)들의 비율을 더 늘릴 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 비교예 1과 대비할 때 더 향상된 가습효율을 갖출 수 있다.

다음, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적은 0.1 이상 0.45 이하로 구현될 수 있다. 즉, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10% 이상 45% 이하일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 소정 범위 이내의 가습효율과 쉘 차압을 갖도록 구현될 수 있다. 쉘 차압은 상기 제1 기체가 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 유입되어서 상기 제1 기체 유출구(212)를 통해 유출되는 과정에서 상기 미드-케이스(21)의 내부와 상기 카트리지(22)의 내부에 작용하는 압력에 관련된 것이다. 쉘 차압이 너무 높으면, 상기 미드-케이스(21), 상기 카트리지(22), 및 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험이 있다. 쉘 차압이 너무 낮으면, 상기 제1 기체가 상기 미드-케이스(21)의 내부와 상기 카트리지(22)의 내부에서 체류하는 시간이 너무 짧아져서 가습효율이 낮아질 수 있다.

상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대해 10% 이상 45% 이하일 때 소정 범위 이내의 가습효율과 쉘 차압을 갖도록 구현되는 것은, 아래 표 1의 실험결과를 통해 확인할 수 있다. 아래 표 1은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적과 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적을 고정시킨 상태에서, 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적만을 변경하여 가습효율과 쉘 차압을 측정한 실험결과이다. 아래 표 1의 실험결과는 모두 상기 제2 우회통로(213a)의 단면적이 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대해 60%로 구현된 상태에서 동일한 유량의 제1 기체를 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 공급하였을 때 가습효율과 쉘 차압을 측정한 것이다. 또한, 아래 표 1에서 단면적 비율은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적 비율을 의미한다.

위 표 1을 통해 알 수 있듯이, 실시예 1은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10%로 구현된 것으로, 가습효율이 32 RH%이고 쉘 차압이 21kPa을 나타낸다. 실시예 2는 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 30%로 구현된 것으로, 가습효율이 30 RH%이고 쉘 차압이 19kPa을 나타낸다. 실시예 3은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10%로 구현된 것으로, 가습효율이 32 RH%이고 쉘 차압이 21kPa을 나타낸다. 이와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10% 이상 45% 이하로 구현됨으로써, 가습효율이 30 ~ 32 RH%이면서 쉘 차압이 18 ~ 21 kPa을 나타냄을 알 수 있다.

이러한 실시예 1 내지 실시예 3과 대비하여, 비교예 2는 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 8%로 구현된 것으로, 가습효율이 31.5 RH%이지만 쉘 차압이 32 kPa로 현저하게 높아진다. 이러한 비교예 2를 통해, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10% 미만으로 구현되면 쉘 차압이 현저하게 높아져서 상기 미드-케이스(21), 상기 카트리지(22), 및 상기 중공사막(221)들이 손상될 위험이 높아짐을 알 수 있다.

또한, 실시예 1 내지 실시예 3과 대비하여, 비교예 3은 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 47%로 구현된 것으로, 쉘 차압이 17.5 kPa이지만 가습효율이 22 RH%로 현저하게 낮아진다. 이러한 비교예 3을 통해, 상기 제1 미트통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 45% 초과로 구현되면 가습효율이 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적이 10% 이상 45% 이하로 구현됨으로써, 30 ~ 32 RH%의 가습효율과 18 ~ 21 kPa의 쉘 차압을 갖도록 구현됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 미드-케이스, 상기 카트리지(22), 및 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험을 줄일 수 있음과 동시에 가습효율 향상을 통해 연료전지 시스템의 성능을 더 향상시키는데 기여할 수 있다.

한편, 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적은 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적보다 더 크게 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하는 단면의 면적이다. 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적보다 더 작거나 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적과 동일한 크기로 구현된 비교예 4의 경우, 상기 제1 기체가 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 상기 미드본체(210)의 내부로 유입되는 과정에서 유동속도가 너무 빨라지게 된다. 이에 따라, 비교예 4는 상기 중공사막(221)들에 가해지는 제1 기체의 압력이 과다하게 증가하여 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험이 높아질 수 있다. 이를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적보다 더 크게 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 비교예 4와 대비할 때 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 상기 미드본체(210)의 내부로 유입된 제1 기체의 유동속도를 감소시킬 수 있으므로, 상기 제1 기체의 압력으로 인해 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험을 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적은 0.2 이상 0.8 이하로 구현될 수 있다. 즉, 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 20% 이상 80% 이하일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 소정 범위 이내의 가습효율과 쉘 차압을 갖도록 구현될 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 20% 미만으로 구현된 비교예 5의 경우, 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 상기 미드본체(210)의 내부로 유입되는 제1 기체의 유동속도가 너무 빨라지므로 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험이 높아질 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 80% 초과로 구현된 비교예 6의 경우, 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 상기 미드본체(210)의 내부로 유입되는 제1 기체의 유동속도가 너무 느려지므로 상기 중공사막(221)들 중에서 상대적으로 내측에 배치된 중공사막(221)들까지 상기 제1 기체가 전달될 수 없으므로 가습효율이 저하될 수 있다. 이를 고려하여 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 20% 이상 80% 이하로 구현됨으로써, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들이 손상 내지 파손될 위험을 줄일 수 있음과 동시에 가습효율 향상을 통해 연료전지 시스템의 성능을 더 향상시키는데 기여할 수 있다. 상기 제1 미드통로(210a)의 단면적에 대한 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적이 20% 이상 80% 이하인 경우에도, 상기 제2 우회통로(213b)의 단면적은 상기 제1 우회통로(213a)의 단면적보다 더 크게 구현될 수 잇다.

도 2 내지 도 10을 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 제1 기체 유입구(30), 제1 연통유로(32), 제2 연통유로(33), 및 구획부(34)를 포함할 수 있다.

상기 제1 기체 유입구(30)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로 공급하기 위한 제1 기체가 유입되는 것이다. 상기 제1 기체 유입구(30)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 연통되도록 상기 제1 캡(3)에 결합될 수 있다. 상기 제1 기체 유입구(30)가 상기 미드-케이스(21)에 배치된 비교예와 대비할 때, 상기 제1 기체 유입구(30)가 상기 제1 캡(3)에 배치된 실시예는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 기체의 공급원(미도시) 간에 이격된 거리를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 기체 유입구(30)가 상기 제1 캡(3)에 배치된 실시예는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 공급원을 연결하기 위한 호스(Hose)의 길이를 줄일 수 있으므로, 연료전지 시스템을 전체적으로 소형화하는데 기여할 수 있다. 또한, 상기 제1 기체 유입구(30)가 상기 제1 캡(3)에 배치된 실시예는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 공급원을 연결하기 위한 호스를 직선으로 구현하는 것이 가능하므로, 연료전지 시스템을 더 소형화하는데 기여할 수 있다. 상기 공급원은 상기 연료전지 스택일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스일 수 있다.

상기 제1 기체 유입구(30)는 상기 제1 캡(3)으로부터 돌출될 수 있다. 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 포트(31)는 서로 동일한 방향으로 돌출될 수 있다. 도 10을 기준으로 할 때, 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 포트(31)는 상기 제1 캡(3)의 상면으로부터 상측방향으로 돌출될 수 있다. 상기 제1 기체가 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스이고, 상기 제2 기체가 상기 연료전지 스택에 공급할 가습된 기체인 경우, 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 포트(31)는 모두 상기 연료전지 스택에 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 포트(31)는 상기 제1 기체에 의해 가습된 제2 기체를 상기 연료전지 스택으로 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 포트(31)를 상기 연료전지 스택에 연결하는 작업의 용이성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 제1 포트(31)를 상기 연료전지 스택에 연결하기 위한 호스의 길이를 감소시킴으로써, 연료전지 시스템을 더 소형화하는데 기여할 수 있다. 한편, 상기 제1 기체 유출구(212)는 상기 미드본체(210)로부터 돌출될 수 있다. 상기 제1 기체 유출구(212)와 상기 제1 기체 유입구(30)는 서로 동일한 방향으로 돌출될 수 있다. 상기 제1 기체 유출구(212)와 상기 제1 기체 유입구(30)는 서로 상이한 방향으로 돌출될 수도 있다.

상기 제1 연통유로(32)는 상기 제1 기체 유입구(30)와 상기 우회부(213)를 연통시키는 것이다. 상기 제1 연통유로(32)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제1 연통유로(32)는 상기 제1 캡(3)의 일단을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 캡(3)의 일단은 상기 미드-케이스(21)의 일단을 향하는 부분이다. 상기 제1 캡(3)이 상기 미드-케이스(21)에 결합되면, 상기 제1 연통유로(32)는 상기 제1 우회통로(213a)에 연통되게 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 기체는 상기 제1 기체 유입구(30)를 통해 상기 제1 연통유로(32)로 유입된 후에 상기 제1 우회통로(213a)를 통해 상기 우회부(213)의 내부로 유입될 수 있다. 그 후, 상기 제1 기체는 상기 우회부(213)의 내부를 따라 유동한 후에 상기 제2 우회통로(213b)를 통해 상기 미드본체(210)의 내부로 유입될 수 있다.

상기 제2 연통유로(33)는 상기 제1 포트(31)와 상기 중공사막(221)들을 연통시키는 것이다. 상기 제2 연통유로(33)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제2 연통유로(33)는 상기 제1 캡(3)의 일단을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 캡(3)이 상기 미드-케이스(21)에 결합되면, 상기 제2 연통유로(33)는 상기 제1 미드통로(210a)에 연통되게 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기체는 상기 제2 연통유로(33)와 상기 제1 미드통로(210a)를 통해 상기 제1 캡(3)의 내부와 상기 중공사막(221)들 간에 유입 또는 유출될 수 있다.

상기 구획부(34)는 상기 제1 연통유로(32)와 상기 제2 연통유로(33)를 공간적으로 분리시키는 것이다. 상기 구획부(34)는 상기 제1 캡(3)의 내부에 배치되어서 상기 제1 연통유로(32)와 상기 제2 연통유로(33)를 구획할 수 있다. 이에 따라, 상기 구획부(34)는 상기 제1 캡(3)의 내부에서 상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 서로 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 도 10을 기준으로 할 때 상기 제1 연통유로(32)가 상기 구획부(34)의 상측에 배치됨과 아울러 상기 제2 연통유로(33)가 상기 구획부(34)의 하측에 배치됨으로써, 상기 제1 연통유로(32)와 상기 제2 연통유로(33)는 상기 구획부(34)에 의해 공간적으로 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 포트(31)의 일부가 상기 제1 연통유로(32)와 상기 구획부(34)를 가로지르도록 배치됨으로써, 상기 제1 포트(31)는 상기 제2 연통유로(33)에 연통되게 연결될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1 : 연료전지용 가습기 2 : 가습 모듈
3 : 제1 캡 4 : 제2 캡
21 : 미드-케이스 210 : 미드본체
210a : 제1 미드통로 211 : 수용공
212 : 제1 기체 유출구 213 : 우회부
213a : 제1 우회통로 213b : 제2 우회통로
22 : 카트리지 221 : 중공사막
222 : 이너 케이스 223 : 제1 고정층
224 : 제2 고정층 225 : 제2 기체 유입구
225a : 유입 윈도우 226 : 제2 기체 유출구
226a : 유출 윈도우 23, 23' : 패킹부재
23a, 23a' : 통과공 30 : 제1 기체 유입구
31 : 제1 포트 32 : 제1 연통유로
33 : 제2 연통유로 34 : 구획부
41 : 제2 포트

Claims

습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈;
상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및
상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고,
상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스, 및 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)를 포함하며,
상기 제1 캡은 상기 미드-케이스의 내부로 공급하기 위한 제1 기체가 유입되는 제1 기체 유입구, 및 상기 중공사막들과 연통되고 제2 기체가 유입 또는 유출되는 제1 포트를 포함하고,
상기 미드-케이스는 상기 카트리지가 수납되는 미드본체, 및 상기 제1 기체 유입구를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지 쪽으로 유입시키는 우회부를 포함하며,
상기 우회부는 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지에 대해 중첩되는 위치에서 상기 미드본체로부터 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서, 상기 제1 캡은
상기 제1 기체 유입구와 상기 우회부를 연통시키는 제1 연통유로;
상기 제1 포트와 상기 중공사막들을 연통시키는 제2 연통유로; 및
상기 제1 연통유로와 상기 제2 연통유로를 공간적으로 분리시키는 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제2항에 있어서,
상기 우회부는 상기 제1 연통유로에 연통되는 제1 우회통로, 및 상기 미드본체의 내부에 연통되는 제2 우회통로를 포함하고,
상기 제1 우회통로와 상기 제2 우회통로는 서로 상이한 위치에서 서로 상이한 방향으로 상기 우회부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 제1 캡은 상기 제1 기체 유입구와 상기 우회부를 연통시키는 제1 연통유로, 및 상기 제1 포트와 상기 중공사막들을 연통시키는 제2 연통유로를 포함하고,
상기 우회부의 일단에는 상기 제1 연통유로에 연통되는 제1 우회통로가 형성되고,
상기 미드본체의 일단에는 상기 제2 연통유로에 연통되는 제1 미드통로가 형성되며,
상기 제1 미드통로의 단면적은 상기 제1 우회통로의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4항에 있어서,
상기 제1 미드통로의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제1 우회통로의 단면적은 0.1 이상 0.45 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4항에 있어서,
상기 우회부에는 상기 미드본체의 내부에 연통되는 제2 우회통로가 형성되고,
상기 제2 우회통로의 단면적은 상기 제1 우회통로의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제4항에 있어서,
상기 우회부에는 상기 미드본체의 내부에 연통되는 제2 우회통로가 형성되고,
상기 제1 미드통로의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제2 우회통로의 단면적은 0.2 이상 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 미드-케이스는 상기 카트리지로부터 유출된 제1 기체를 상기 미드본체의 외부로 유출시키기 위한 제1 기체 유출구를 포함하고,
상기 제2 캡은 상기 중공사막들과 연통되는 제2 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제8항에 있어서, 상기 카트리지는
상기 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case);
상기 이너 케이스의 내부로 제1 기체를 유입시키기 위한 제2 기체 유입구; 및
상기 제2 기체 유입구로부터 이격된 위치에서 상기 이너 케이스의 내부로부터 제1 기체를 유출시키기 위한 제2 기체 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 제1 기체 유입구와 상기 제1 포트는 서로 동일한 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
습윤 기체를 이용하여 연료전지 스택으로 공급할 건조 기체를 가습하는 가습 모듈, 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡, 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡을 포함하는 연료전지용 가습기에 구비되는 미드-케이스로,
다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지를 수납하는 미드본체; 및
상기 제1 캡이 갖는 제1 기체 유입구를 통해 유입된 제1 기체를 우회시켜서 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지 쪽으로 유입시키는 우회부를 포함하고,
상기 우회부는 상기 미드본체의 내부에 수납된 카트리지에 대해 중첩되는 위치에서 상기 미드본체로부터 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
제11항에 있어서,
상기 미드본체의 일단을 관통하여 형성된 제1 미드통로의 단면적은, 상기 우회부의 일단을 관통하여 형성된 제1 우회통로의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
제12항에 있어서,
상기 제1 미드통로의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제1 우회통로의 단면적은 0.1 이상 0.45 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
제12항에 있어서,
상기 우회부에는 상기 미드본체의 내부에 연통되는 제2 우회통로가 형성되고,
상기 제2 우회통로의 단면적은 상기 제1 우회통로의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.
제12항에 있어서,
상기 우회부에는 상기 미드본체의 내부에 연통되는 제2 우회통로가 형성되고,
상기 제1 미드통로의 단면적을 1이라 할 때, 상기 제2 우회통로의 단면적은 0.2 이상 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 미드-케이스.