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WO2018182178A1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

연료전지용 가습기 Download PDF

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Publication number
WO2018182178A1
WO2018182178A1 PCT/KR2018/002258 KR2018002258W WO2018182178A1 WO 2018182178 A1 WO2018182178 A1 WO 2018182178A1 KR 2018002258 W KR2018002258 W KR 2018002258W WO 2018182178 A1 WO2018182178 A1 WO 2018182178A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
humidifier
exhaust gas
air
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/002258
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
안웅전
김경주
오영석
이진형
안나현
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Priority to JP2019552590A priority Critical patent/JP7016882B2/ja
Priority to EP18778184.4A priority patent/EP3588647A4/en
Priority to CN201880022086.4A priority patent/CN110462905B/zh
Priority to US16/499,126 priority patent/US11611090B2/en
Publication of WO2018182178A1 publication Critical patent/WO2018182178A1/ko

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Definitions

  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell, and more particularly, to a humidifier for a fuel cell that can completely or almost completely prevent inflow of condensed water into a running fuel cell stack.
  • a fuel cell is a device that generates electricity while generating water by reacting hydrogen, which is a fuel, with oxygen in the air.
  • High purity hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank to the anode of the stack for fuel cells, and air in the atmosphere is supplied to the cathode of the stack for fuel cells through an air supply device such as a blower.
  • Hydrogen supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions move to the cathode through the polymer electrolyte membrane between the anode and the cathode, and electrons move to the cathode through the outer conductor. Oxygen supplied to the cathode of the fuel cell stack combines with electrons and hydrogen ions to generate water while generating electrical energy.
  • Ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane is closely related to water content. That is, as the polymer electrolyte membrane is sufficiently wetted, hydrogen ions may be better transferred from the anode to the cathode.
  • a humidifier is adopted that can provide moisture to the air supplied to the cathode of the fuel cell stack.
  • a humidifier for a fuel cell humidifies the air supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the cathode of the stack, and supplies the humidified air to the cathode of the stack.
  • Condensed water is inevitably caused in the humidifier as the humidified air comes into contact with the physical structure of the humidifier (eg, a hollow fiber membrane for humidification, a passage structure through which the humidified air flows, etc.).
  • the physical structure of the humidifier eg, a hollow fiber membrane for humidification, a passage structure through which the humidified air flows, etc.
  • Inflow of condensate into a running fuel cell stack causes a reduction in power generation efficiency. Therefore, measures must be taken to prevent condensate from entering the running fuel cell stack.
  • US Pat. No. 7,264,233 discloses an inlet manifold (inlet manifold) through which condensate accumulates in a liquid pool area 33 inside a downstream head 3 through which humidified air flows.
  • a humidifier (1) that can be delivered to a lead-in manifold (5) is disclosed.
  • the humidifier 1 of the '233 patent comprises a communicating tube 6 which connects the liquid pool area 33 and the inlet manifold 5 where the condensed water accumulates. That is, it is assumed that condensate falls by gravity and necessarily collects in the lower region 33 (referred to as "liquid pool area") 33 inside the downstream head 3.
  • the '233 patent states that (i) condensate occurs even within the hollow fiber membranes 42 where humidification is performed, and (ii) when the external air is suddenly supplied at high pressure by switching from a low current mode to a high current mode, The condensed water that stayed in the deserts 42 is discharged from the hollow fiber membranes 42 together with the high pressure air and then discharged from the humidifier 1 immediately without passing through the lower region inside the downstream head 3. It is overlooked that it flows into. In other words, the '233 patent is still forced to flow a considerable amount of condensate into the fuel cell stack in operation, thereby preventing the reduction in power generation efficiency.
  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell that can prevent problems caused by the above limitations and disadvantages of the related art.
  • One aspect of the present invention is to provide a humidifier for a fuel cell that can completely or almost completely prevent the inflow of condensate into a running fuel cell stack.
  • the fuel cell for humidifying the air supplied from the outside to the moisture (moisture) in the off-gas discharged from the fuel cell stack and supplying the humidified air to the fuel cell stack A humidifier, comprising: a humidifying module comprising a housing and a plurality of hollow fiber membranes disposed within the housing; A first cap having an air exhaust port for supplying the humidified air to the fuel cell stack and coupled to a first end of the humidification module, wherein the air exhaust port is spaced apart from the humidification module; And a bypass tube for transferring condensed water generated from the humidified air to an inner space of the housing through which the exhaust gas flows, one end of the bypass tube being located in the air discharge port and the other end of the bypass tube.
  • a humidifier for a fuel cell is provided through which the bypass tube is in fluid communication with the interior space of the housing.
  • the humidifier for the fuel cell may further include a second cap having an air inlet port for receiving air supplied from the outside and coupled to a second end of the humidification module opposite to the first end.
  • An interior space of the first cap defined by an inner surface of the first cap and a first end of the humidification module and an interior space of the second cap defined by an inner surface of the second cap and a second end of the humidification module
  • the space can only be in fluid communication with each other through the lumens of the hollow fiber membranes.
  • the housing may have an exhaust gas inlet port for receiving the exhaust gas from the fuel cell stack and an exhaust gas discharge port for exhausting the exhaust gas.
  • the housing may include a first housing containing the hollow fiber membranes; And a second housing surrounding the first housing and having the exhaust gas inlet port and the exhaust gas outlet port, wherein the first housing has a first group of openings corresponding to the exhaust gas inlet port and the exhaust gas outlet. It may have a second group of openings corresponding to the port.
  • the hollow fiber membranes may comprise two or more hollow fiber membrane bundles, the housing comprising: two or more first housings each containing the two or more hollow fiber membrane bundles; And a second housing surrounding the first housings, the second housing having the exhaust gas inlet port and the exhaust gas outlet port, each of the first housings having a first group of openings corresponding to the exhaust gas inlet port; It may have a second group of openings corresponding to the exhaust gas discharge port.
  • the condensate may be generated in the interior space of the first cap or may be introduced into the interior space of the first cap from the hollow fiber membranes and then transferred to the interior space of the housing through the bypass tube.
  • the longitudinal direction of the air outlet port and the longitudinal direction of the hollow fiber membranes may not be parallel.
  • the first cap may have a rib to prevent the condensate from being delivered to the fuel cell stack through the air discharge port, the rib disposed in the air discharge port, of the bypass tube. One end may be located adjacent to the rib.
  • Screw threads for providing a spiral path to the condensate can be formed on the inner surface of the air outlet port.
  • bypass tube is adjacent to the distal end of the thread to deliver the condensed water that enters the air outlet port and reaches the termination portion of the thread through the helical path to the interior space of the housing. Can be located.
  • the bypass tube may include a first tube fixed to the first cap; And a second tube fixed to the humidification module, and the first and second tubes may be detachably coupled.
  • the bypass tube may not be exposed to the outside.
  • all condensate generated due to condensation of humidified air that is, condensate generated in the inner space of the first cap, as well as condensate generated in the hollow of the hollow fiber membranes and introduced into the inner space of the first cap
  • the interior space of the housing ie, the space through which exhaust gas flows
  • bypass tube of the present invention since the bypass tube of the present invention is not exposed to the outside, freezing of condensate in the bypass tube even in a cold environment can be prevented. Thus, condensate cannot be bypassed due to condensate freezing in the bypass tube and can be prevented from entering the fuel cell stack.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 schematically shows a first cap and a bypass tube of a humidifier for a fuel cell according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 schematically shows a bypass tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell humidifier 100 of the present invention humidifies the air supplied from the outside with moisture in off-gas discharged from a fuel cell stack (not shown), and the humidified air is transferred to the fuel cell stack. It is a device to supply.
  • the humidifier 100 of the present invention includes a humidification module 110 having first and second ends 110a and 110b, and an air discharge for supplying humidified air to the fuel cell stack.
  • the air outlet port OP1 of the first cap 120 and the air inlet port IP1 of the second cap 130 are spaced apart from the humidification module 110, respectively.
  • the humidification module 110 includes a housing 111 and a plurality of hollow fiber membranes 112 disposed in the housing 111.
  • the housing 111 has an exhaust gas inlet port IP2 for receiving exhaust gas from a fuel cell stack and an exhaust gas discharge port OP2 for exhausting the exhaust gas.
  • the housing 111 surrounds the first housing 111a containing the hollow fiber membranes 112 and the first housing 111a to surround the exhaust gas. And a second housing 111b having an inlet port IP2 and the exhaust gas discharge port OP2, wherein the first housing 111a has a first group of openings corresponding to the exhaust gas inlet port IP2 ( H1) and a second group of openings H2 corresponding to the exhaust gas discharge port OP2.
  • Both ends of the hollow fiber membrane 112 are respectively potted to the first fixing layers 113 formed in both ends of the first housing 111a, and both ends of the first housing 111a are formed.
  • the two fixing layers 114 are fixed to both ends of the second housing 111b, respectively.
  • the housing 111 of the present invention may be a single housing containing the hollow fiber membranes 112.
  • both ends of the hollow fiber membrane 112 may be ported to fixed layers respectively formed in both ends of the single housing.
  • the hollow fiber membranes 112 may include two or more hollow fiber membrane bundles
  • the housing 111 may include two or more first housings each containing the two or more hollow fiber membrane bundles.
  • a second housing 111b surrounding the first housings 111a and having the exhaust gas inflow port IP2 and the exhaust gas discharge port OP2, and the first housing
  • Each of the fields 111a may have a first group of openings H1 corresponding to the exhaust gas inflow port IP2 and a second group of openings H2 corresponding to the exhaust gas discharge port OP2.
  • the inner space of the first cap 120 and the inner space of the second cap 130 are in fluid communication with each other only through the hollows of the hollow fiber membranes 112.
  • the inner space of the first cap 120 is defined by the inner surface of the first cap 120 and the first end 110a of the humidification module 110
  • the inner space of the second cap 130 is It is defined by the inner surface of the second cap 130 and the second end 110b of the humidification module 110.
  • the fuel cell humidifier 100 of the present invention further includes a bypass tube 140.
  • the bypass tube 140 of the present invention may be generated in the interior space of the first cap 120 or the exhaust gas flows through the condensed water introduced into the interior space of the first cap 120 from the hollow fiber membranes 112. Transfer to the inner space of the housing 111.
  • one end of the bypass tube 140 is located in the air discharge port OP1, and the bypass tube 140 is inside the housing 111 through the other end of the bypass tube 140. It is in fluid communication with the space (ie the space through which flue gas flows).
  • the other end of the bypass tube 140 may be located in an inner space (that is, a space in which exhaust gas flows) of the housing 111. Condensed water entering the air discharge port OP1 flows into the inner space of the housing 111 along the bypass tube 140 by the air pressure difference, thereby preventing the condensed water from being transferred to the fuel cell stack.
  • the air discharge port of the first cap 120 is provided. Since it must pass through OP1, by placing one end of the bypass tube 140 in the air discharge port OP1, condensate generated due to condensation of humidified air is significantly prevented from entering the fuel cell stack. Can be.
  • the position of the bypass tube 140 is not particularly limited in the present invention, as illustrated in FIG. 1, the inner space of the first cap 120 and the bypass tube 140 are not exposed to the outside. It may be disposed in the inner space of the housing 111. If the bypass tube 140 is not exposed to the outside, freezing of condensate in the bypass tube 140 may be prevented even in a cold environment. Therefore, condensate may not be bypassed due to condensate freezing in the bypass tube 140 and may be prevented from entering the fuel cell stack.
  • a rib 121 may be provided in the air discharge port OP1 to prevent condensate from being transferred to the fuel cell stack through the air discharge port OP1.
  • the rib 121 prevents condensate entering the air discharge port OP1 from flowing further toward the fuel cell stack.
  • the condensed water blocked by the rib 121 collects under the rib 121.
  • one end of the bypass tube 140 may be located adjacent to the rib 121. That is, one end of the bypass tube 140 may be positioned between the main body of the first cap 120, the boundary of the air discharge port OP1, and the first rib 121.
  • the condensed water remaining in the hollow fiber membranes 112 is discharged from the hollow fiber membranes 112 together with the high pressure air when the external air is suddenly supplied at a high pressure. It flows into the discharge port OP1.
  • the ribs 121 do not block the entire passage of the air discharge port OP1, some of the condensed water discharged from the hollow fiber membranes 112 and introduced into the air discharge port OP1 is partially in the rib 121. It cannot be said that there is no risk of being delivered by the fuel cell stack without being blocked by.
  • the air discharge port OP1 ′ of the first cap 120 ′ is formed in the longitudinal direction of the hollow fiber membranes 112. It may have non-parallel longitudinal directions. For example, by forming the air discharge port OP1 ′ so that humidified air can flow upward at a predetermined angle, most of the condensed water discharged in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 112 is formed by the rib 121 ′. Can be prevented.
  • the first cap 120 ′′ is a screw thread formed on the inner surface of the air discharge port OP1 ′′. And 122.
  • the thread 122 provides a spiral path to condensate entering the air outlet port OP1 ′′.
  • the thread 122 may replace the rib 121 of FIG. 1. That is, the thread 122 of the present invention may also be formed on the inner surface of the air discharge port OP1 extending in the direction parallel to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 112. However, as illustrated in FIG. 3, when the air discharge port OP1 ′′ is inclined so that humidified air can flow upward at a predetermined angle, almost all condensed water flowing into the air discharge port OP1 ′′ may be It is further advantageous in that it can be guided by the thread 122.
  • the bypass tube 140 ′′ One end may be adjacent to the distal end of the thread 122. That is, one end of the bypass tube 140 ′′ is disposed to receive all of the condensed water moved to the distal end of the thread 122 through the spiral path.
  • excessive resistance to the flow of humidified air may not only prevent the power generation efficiency of the fuel cell from being lowered, but also all condensate generated due to condensation of humidified air. That is, not only condensate generated in the inner space of the first cap 120 ′′, but also condensed water generated in the hollow of the hollow fiber membranes 112 and introduced into the inner space of the first cap 120 ′′ may be provided in the housing 111. By passing into the internal space of the fuel cell (ie the space through which the flue gas flows), it is possible to completely or almost completely prevent the inflow of condensate into the running fuel cell stack.
  • bypass tubes 140, 140 ′, 140 ′′ of the present invention illustrated in FIGS. 1 to 3 may each be a single monolithic tube.
  • the bypass tubes 140, 140 ′, 140 ′′ of the present invention may have a first tube 141 secured to the first caps 120, 120 ′, 120 ′′. And a second tube 142 fixed to the humidification module 110, and the first and second tubes 141 and 142 may be detachably coupled. That is, when the first caps 120, 120 ′ and 120 ′′ are coupled to the humidification module 110, the first tube 141 may also be coupled to the second tube 142, thereby manufacturing the humidifier 100. Convenience and production can be improved.

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Abstract

가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 완벽히 또는 거의 완벽히 방지할 수 있는 연료전지용 가습기가 개시된다. 본 발명의 연료전지용 가습기는, 하우징; 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들; 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 배출 포트를 가지며 상기 하우징의 일단에 결합된 캡; 및 가습된 공기로부터 발생하는 응축수를 배가스가 흐르는 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브를 포함하되, 상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 공기 배출 포트 내에 위치하고, 상기 바이패스 튜브의 타단을 통해 상기 바이패스 튜브가 상기 하우징의 내부공간과 유체연통한다.

Description

연료전지용 가습기
본 발명은 연료전지용 가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 완벽히 또는 거의 완벽히 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
연료전지는 연료인 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다. 고순도의 수소가 수소 저장탱크로부터 연료전지용 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 블로워와 같은 공기 공급장치를 통해 대기 중의 공기가 연료전지용 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.
연료전지용 스택의 연료극으로 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 연료극과 공기극 사이의 고분자 전해질막을 통해 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 공기극으로 이동한다. 연료전지용 스택의 공기극으로 공급된 산소가 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
연료전지용 스택의 고분자 전해질막의 이온 전도도가 높을수록 수소 이온이 연료극으로부터 공기극으로 더 잘 전달될 수 있다. 고분자 전해질막의 이온 전도도는 함수율과 밀접한 관련이 있다. 즉, 고분자 전해질막이 충분히 젖어 있을수록 수소 이온이 연료극으로부터 공기극으로 더 잘 전달될 수 있다.
따라서, 연료전지가 가동할 때 고분자 전해질막에 수분을 지속적으로 공급함으로써 함수율을 일정 수준 이상으로 유지시킴으로써 연료전지의 발전 효율이 급격히 저하되는 것을 방지할 필요가 있다. 이러한 목적으로, 연료전지용 스택의 공기극으로 공급되는 공기에 수분을 제공할 수 있는 가습기가 채택된다.
연료전지용 가습기는 외부로부터 공급되는 공기를 스택의 공기극으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하고, 이렇게 가습된 공기를 스택의 공기극으로 공급한다.
가습된 공기가 가습기의 물리적 구조(예를 들어, 가습을 위한 중공사막, 가습된 공기가 흐르는 통로 구조 등)와 접촉함에 따라 가습기 내에서 응축수가 필연적으로 야기된다. 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되면 발전 효율의 저하를 야기한다. 따라서, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 방지하기 위한 수단이 강구되어야 한다.
미국특허 US 7,264,233(이하, '233 특허)은 가습된 공기가 흐르는 다운스트림 헤더(downstream head)(3) 내부의 하부 영역(liquid pool area)(33)에 고이는 응축수를 배가스가 흐르는 인입 매니폴드(lead-in manifold)(5)로 전달할 수 있는 가습기(1)를 개시하고 있다. 이를 위하여, '233 특허의 가습기(1)는 응축수가 고이는 하부 영역(liquid pool area)(33)과 인입 매니폴드(5)를 연결하는 커뮤니케이팅 튜브(communicating tube)(6)를 포함한다. 즉, 응축수가 중력에 의해 낙하하여 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역("liquid pool area"로 지칭됨)(33)에 반드시 모인다는 것을 전제로 한다.
그러나, '233 특허는, (i) 가습이 수행되는 중공사막들(42) 내에서도 응축수가 발생한다는 점, 및 (ii) 저전류 모드에서 고전류 모드로 전환함으로써 갑자기 외부 공기가 고압으로 공급될 때 중공사막들(42) 내에 머물러 있던 응축수가 상기 고압 공기와 함께 상기 중공사막들(42)로부터 토출된 후 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역을 거치지 않고 곧바로 가습기(1)로부터 배출되어 연료전지 스택으로 유입된다는 점을 간과하고 있다. 즉, '233 특허는 가동 중인 연료전지 스택으로 상당량의 응축수가 여전히 유입될 수밖에 없어, 그로 인한 발전 효율의 저하를 방지할 수 없다.
또한, 다운스트림 헤드(3) 상에 형성된 '233 특허의 전달 통로(6)는 외부에 노출되어 있기 때문에, 혹독히 추운 환경에서 응축수가 커뮤니케이팅 튜브(6) 내에서 결빙될 위험이 크다. 이와 같은 커뮤니케이팅 튜브(6) 내에서의 응축수 결빙은 다운스트림 헤드(3) 내부의 하부 영역(liquid pool area)(33)에 모인 응축수가 상기 커뮤니케이팅 튜브(6)를 통해 상기 하부 영역(liquid pool area)(33)으로부터 빠져나가는 것을 방해하고, 그 결과, 응축수가 연료전지 스택으로 유입되어 발전 효율 저하를 야기한다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 완벽히 또는 거의 완벽히 방지할 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하고 상기 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가습기로서, 하우징 및 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들을 포함하는 가습 모듈; 상기 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 배출 포트를 가지며 상기 가습 모듈의 제1 말단에 결합된 제1 캡 - 상기 공기 배출 포트는 상기 가습 모듈로부터 이격되어 있음 -; 및 상기 가습된 공기로부터 발생하는 응축수를 상기 배가스가 흐르는 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브를 포함하고, 상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 공기 배출 포트 내에 위치하고, 상기 바이패스 튜브의 타단을 통해 상기 바이패스 튜브가 상기 하우징의 내부공간과 유체연통하는, 연료전지용 가습기가 제공된다.
상기 연료전지용 가습기는 상기 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트를 가지며 상기 제1 말단의 반대편의 상기 가습 모듈의 제2 말단에 결합된 제2 캡을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 캡의 내면과 상기 가습 모듈의 제1 말단에 의해 정의되는 상기 제1 캡의 내부공간과 상기 제2 캡의 내면과 상기 가습 모듈의 제2 말단에 의해 정의되는 상기 제2 캡의 내부공간은 상기 중공사막들의 중공들(lumens)을 통해서만 서로 유체연통할 수 있다.
상기 하우징은 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배가스를 받아들이기 위한 배가스 유입 포트 및 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트를 가질 수 있다.
상기 하우징은 상기 중공사막들이 들어있는 제1 하우징; 및 상기 제1 하우징을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트 및 상기 배가스 배출 포트를 갖는 제2 하우징을 포함할 수 있고, 상기 제1 하우징은 상기 배가스 유입 포트에 대응하는 제1 그룹의 개구들 및 상기 배가스 배출 포트에 대응하는 제2 그룹의 개구들을 가질 수 있다.
상기 중공사막들은 2 이상의 중공사막 다발들을 포함할 수 있고, 상기 하우징은, 상기 2 이상의 중공사막 다발들이 각각 들어있는 2 이상의 제1 하우징들; 및 상기 제1 하우징들을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트 및 상기 배가스 배출 포트를 갖는 제2 하우징을 포함할 수 있으며, 상기 제1 하우징들 각각은 상기 배가스 유입 포트에 대응하는 제1 그룹의 개구들 및 상기 배가스 배출 포트에 대응하는 제2 그룹의 개구들을 가질 수 있다.
상기 응축수는 상기 제1 캡의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들로부터 상기 제1 캡의 내부공간으로 유입된 후 상기 바이패스 튜브를 통해 상기 하우징의 내부공간으로 전달될 수 있다.
상기 공기 배출 포트의 길이방향과 상기 중공사막들의 길이방향은 평행하지 않을 수 있다.
상기 제1 캡은 상기 응축수가 상기 공기 배출 포트를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위한 리브(rib)를 가질 수 있고 - 상기 리브는 상기 공기 배출 포트 내에 배치됨 -, 상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 리브에 인접하게 위치할 수 있다.
상기 응축수에 나선형 경로(spiral path)를 제공하기 위한 나사산(screw thread)이 상기 공기 배출 포트의 내면 상에 형성될 수 있다.
상기 공기 배출 포트로 유입되어 상기 나선형 경로를 통해 상기 나사산의 말단부(termination portion)에 도달하는 상기 응축수를 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위하여, 상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 나사산의 말단부에 인접하게 위치할 수 있다.
상기 바이패스 튜브는, 상기 제1 캡에 고정된 제1 튜브; 및 상기 가습 모듈에 고정된 제2 튜브를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 튜브들은 분리 가능하게 결합될 수 있다.
상기 바이패스 튜브는 외부로 노출되지 않은 것일 수 있다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 의하면, 가습된 공기의 응결로 인해 발생하는 모든 응축수, 즉 제1 캡의 내부공간에서 발생하는 응축수는 물론이고 중공사막들의 중공에서 발생하여 상기 제1 캡의 내부공간으로 유입되는 응축수까지도 하우징의 내부공간(즉, 배가스가 흐르는 공간)으로 전달함으로써, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 완벽히 또는 거의 완벽히 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택으로의 응축수 유입으로 인한 발전 효율 저하가 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명의 바이패스 튜브는 외부로 노출되지 않기 때문에, 추운 환경에서도 바이패스 튜브 내에서 응축수가 결빙되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 바이패스 튜브 내에서의 응축수 결빙으로 인해 응축수가 바이패스되지 못하고 연료전지 스택으로 유입되는 것이 방지될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예를 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 제1 캡 및 바이패스 튜브를 개략적으로 보여주며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 튜브를 개략적으로 보여준다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이다.
본 발명의 연료전지용 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하고 상기 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 장치이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 가습기(100)는 제1 및 제2 말단들(110a, 110b)을 갖는 가습 모듈(110), 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 배출 포트(OP1)를 가지며 상기 제1 말단(110a)에 결합된 제1 캡(120), 및 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트(IP1)를 가지며 상기 제2 말단(110b)에 결합된 제2 캡(130)을 포함한다.
상기 제1 캡(120)의 공기 배출 포트(OP1) 및 상기 제2 캡(130)의 공기 유입 포트(IP1)는 상기 가습 모듈(110)로부터 각각 이격되어 있다.
상기 가습 모듈(110)은 하우징(111) 및 상기 하우징(111) 내에 배치된 다수의 중공사막들(112)을 포함한다. 상기 하우징(111)은 연료전지 스택으로부터 배가스를 받아들이기 위한 배가스 유입 포트(IP2) 및 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 하우징(111)은 중공사막들(112)이 들어있는 제1 하우징(111a), 및 상기 제1 하우징(111a)을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트(IP2) 및 상기 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는 제2 하우징(111b)을 포함하고, 상기 제1 하우징(111a)은 상기 배가스 유입 포트(IP2)에 대응하는 제1 그룹의 개구들(H1) 및 상기 배가스 배출 포트(OP2)에 대응하는 제2 그룹의 개구들(H2)을 갖는다.
중공사막(112)의 양 말단들은 상기 제1 하우징(111a)의 양 말단들 내에 각각 형성되어 있는 제1 고정층들(113)에 각각 포팅되어 있고, 상기 제1 하우징(111a)의 양 말단들은 제2 고정층들(114)을 통해 상기 제2 하우징(111b)의 양 말단들에 각각 고정되어 있다.
대안적으로, 본 발명의 하우징(111)은 중공사막들(112)이 들어 있는 단일 하우징(single housing)일 수 있다. 이 경우, 중공사막(112)의 양 말단들은 상기 단일 하우징의 양 말단들 내에 각각 형성되는 고정층들에 각각 포팅될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 중공사막들(112)은 2 이상의 중공사막 다발들을 포함할 수 있고, 상기 하우징(111)은, 상기 2 이상의 중공사막 다발들이 각각 들어있는 2 이상의 제1 하우징들(111a), 및 상기 제1 하우징들(111a)을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트(IP2) 및 상기 배가스 배출 포트(OP2)를 갖는 제2 하우징(111b)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 하우징들(111a) 각각은 상기 배가스 유입 포트(IP2)에 대응하는 제1 그룹의 개구들(H1) 및 상기 배가스 배출 포트(OP2)에 대응하는 제2 그룹의 개구들(H2)을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 제1 캡(120)의 내부공간과 상기 제2 캡(130)의 내부공간은 상기 중공사막들(112)의 중공들(lumens)을 통해서만 서로 유체연통한다. 상기 제1 캡(120)의 내부공간은 상기 제1 캡(120)의 내면과 상기 가습 모듈(110)의 제1 말단(110a)에 의해 정의되고, 상기 제2 캡(130)의 내부공간은 상기 제2 캡(130)의 내면과 상기 가습 모듈(110)의 제2 말단(110b)에 의해 정의된다.
상기 배가스 유입 포트(IP2)를 통해 하우징(111) 내로 유입되는 배가스는 상기 하우징(111)의 내부공간 내에서 흐르면서 상기 중공사막들(112)과 접촉한 후 상기 배가스 배출 포트(OP2)를 통해 하우징(111) 밖으로 배출된다.
상기 공기 유입 포트(IP1)를 통해 외부로부터 상기 제2 캡(130)의 내부공간으로 유입된 공기는 상기 중공사막들(112)의 중공들을 통해 상기 제1 캡(120)의 내부공간으로 흘러 들어간 후 상기 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.
공기가 상기 중공사막(112)의 중공을 따라 흐를 때, 하우징(111)의 내부공간을 흐르는 배가스 내에 함유된 수분이 상기 중공사막(112)을 통과하여 공기에 전달됨으로써 상기 공기가 가습되고, 이렇게 가습된 공기가 상기 제1 캡(120)의 내부공간으로 흘러 들어간 후 상기 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.
전술한 바와 같이, 상기 가습된 공기가 중공사막(112)의 중공 내에서 또는 상기 제1 캡(120)의 내부공간 내에서 응결됨으로써 발생하는 응축수가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 방지하여야 한다. 이를 위하여, 도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기(100)는 바이패스 튜브(140)를 더 포함한다.
본 발명의 바이패스 튜브(140)는 상기 제1 캡(120)의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들(112)로부터 상기 제1 캡(120)의 내부공간으로 유입되는 응축수를 배가스가 흐르는 상기 하우징(111)의 내부공간으로 전달한다.
본 발명에 의하면, 바이패스 튜브(140)의 일단은 상기 공기 배출 포트(OP1) 내에 위치하고, 상기 바이패스 튜브(140)의 타단을 통해 상기 바이패스 튜브(140)가 상기 하우징(111)의 내부공간(즉, 배가스가 흐르는 공간)과 유체연통한다. 예를 들어, 상기 바이패스 튜브(140)의 타단은 상기 하우징(111)의 내부공간(즉, 배가스가 흐르는 공간) 내에 위치할 수 있다. 상기 공기 배출 포트(OP1)로 들어오는 응축수가 기압 차에 의해 상기 바이패스 튜브(140)를 따라 하우징(111)의 내부공간으로 흐르게 됨으로써 상기 응축수가 연료전지 스택으로 전달되는 것이 방지될 수 있다.
제1 캡(120)의 내부공간에서 발생하거나 중공사막들(112)로부터 제1 캡(120)의 내부공간으로 유입되는 응축수가 연료전지 스택으로 이동하기 위해서는 제1 캡(120)의 공기 배출 포트(OP1)를 반드시 통과하여야만 하기 때문에, 바이패스 튜브(140)의 일단을 상기 공기 배출 포트(OP1) 내에 위치시킴으로써 가습된 공기의 응결로 인해 발생하는 응축수가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 상당히 방지할 수 있다.
본 발명에서 상기 바이패스 튜브(140)의 위치가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 바이패스 튜브(140)가 외부로 노출되지 않도록 제1 캡(120)의 내부공간 및 하우징(111)의 내부공간에 배치될 수 있다. 상기 바이패스 튜브(140)가 외부로 노출되지 않으면, 추운 환경에서도 바이패스 튜브(140) 내에서 응축수가 결빙되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 바이패스 튜브(140) 내에서의 응축수 결빙으로 인해 응축수가 바이패스되지 못하고 연료전지 스택으로 유입되는 것이 방지될 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 응축수가 상기 공기 배출 포트(OP1)를 통해 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지하기 위한 리브(rib)(121)가 상기 공기 배출 포트(OP1) 내에 제공될 수 있다. 상기 리브(121)는 공기 배출 포트(OP1)로 들어온 응축수가 더 이상 연료전지 스택을 향해 흐르는 것을 막는다. 상기 리브(121)에 의해 흐름이 저지된 응축수가 상기 리브(121) 밑에 모이게 된다. 따라서, 도 1에 예시된 바와 같이, 바이패스 튜브(140)의 일단은 상기 리브(121)에 인접하게 위치할 수 있다. 즉, 제1 캡(120)의 본체와 공기 배출 포트(OP1)의 경계부와 제1 리브(121) 사이에 바이패스 튜브(140)의 일단이 위치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 저전류 모드에서 고전류 모드로 전환함으로써 갑자기 외부 공기가 고압으로 공급될 때 중공사막들(112) 내에 머물러 있던 응축수가 상기 고압 공기와 함께 상기 중공사막들(112)로부터 토출되어 공기 배출 포트(OP1)로 유입된다. 그러나, 상기 리브(121)가 공기 배출 포트(OP1)의 통로 전체를 막는 것은 아니기 때문에, 중공사막들(112)로부터 토출되어 공기 배출 포트(OP1)로 유입되는 응축수 중 일부가 상기 리브(121)에 의해 저지되지 않고 연료전지 스택으로 전달될 위험이 전혀 없다고 말할 수 없다.
이와 같은 위험을 최소화하기 위하여, 도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 캡(120')의 공기 배출 포트(OP1')는 중공사막들(112)의 길이방향과 평행하지 않은 길이방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 가습된 공기가 소정 각도로 위를 향해 흐를 수 있도록 공기 배출 포트(OP1')를 형성함으로써, 중공사막(112)의 길이방향으로 토출되는 응축수의 대부분이 리브(121')에 의해 저지될 수 있다.
그러나, 응축수의 흐름을 저지할 수 있기 위해서는 상기 리브(121, 121')가 어느 정도 이상의 크기를 가질 것이 요구될 뿐만 아니라 가습된 공기의 흐름에 수직인 면을 갖기 때문에, 가습된 공기의 흐름에 과다한 저항이 걸려 연료전지의 발전 효율이 저하될 위험이 있다.
이와 같은 위험을 불식시키기 위하여, 도 3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 제1 캡(120”)은 공기 배출 포트(OP1”)의 내면 상에 형성된 나사산(screw thread)(122)을 포함할 수 있다. 상기 나사산(122)은 공기 배출 포트(OP1”)로 유입되는 응축수에 나선형 경로(spiral path)를 제공한다.
상기 나사산(122)은 도 1의 리브(121)를 대체할 수 있다. 즉, 중공사막(112)의 길이방향에 평행한 방향으로 연장된 공기 배출 포트(OP1)의 내면 상에도 본 발명의 나사산(122)이 형성될 수 있다. 그러나, 도 3에 예시된 바와 같이, 가습된 공기가 소정 각도로 위를 향해 흐를 수 있도록 공기 배출 포트(OP1”)가 기울여져 있으면, 공기 배출 포트(OP1”)로 유입되는 거의 모든 응축수가 상기 나사산(122)에 의해 안내를 받을 수 있다는 점에서 더 유리하다.
공기 배출 포트(OP1”)로 유입되어 나선형 경로를 통해 상기 나사산(122)의 말단부(termination portion)에 도달하는 응축수를 하우징(111)의 내부공간으로 전달하기 위하여, 바이패스 튜브(140”)의 일단은 상기 나사산(122)의 말단부에 인접하게 위치할 수 있다. 즉, 상기 바이패스 튜브(140”)의 일단은 상기 나선형 경로를 통해 상기 나사산(122)의 말단부로 이동한 응축수 모두를 받아들일 수 있도록 배치된다.
도 3에 예시된 본 발명의 실시예에 의하면, 가습된 공기의 흐름에 과다한 저항이 걸려 연료전지의 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 가습된 공기의 응결로 인해 발생하는 모든 응축수, 즉 제1 캡(120”)의 내부공간에서 발생하는 응축수는 물론이고 중공사막들(112)의 중공에서 발생하여 상기 제1 캡(120”)의 내부공간으로 유입되는 응축수까지도 하우징(111)의 내부공간(즉, 배가스가 흐르는 공간)으로 전달함으로써, 가동 중인 연료전지 스택으로 응축수가 유입되는 것을 완벽히 또는 거의 완벽히 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 각각 예시된 본 발명의 바이패스 튜브(140, 140', 140”)는 하나의 일체형 튜브(single monolithic tube)일 수 있다.
대안적으로, 도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 바이패스 튜브(140, 140', 140”)는 상기 제1 캡(120, 120', 120”)에 고정된 제1 튜브(141) 및 상기 가습 모듈(110)에 고정된 제2 튜브(142)를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 튜브들(141, 142)은 분리 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 제1 캡(120, 120', 120”)을 가습 모듈(110)에 결합할 때 제1 튜브(141)도 제2 튜브(142)에 결합될 수 있어, 가습기(100) 제조 공정의 편의성 및 생산이 향상될 수 있다.

Claims (13)

  1. 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하고 상기 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지용 가습기에 있어서,
    하우징 및 상기 하우징 내에 배치된 다수의 중공사막들을 포함하는 가습 모듈;
    상기 가습된 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 배출 포트를 가지며 상기 가습 모듈의 제1 말단에 결합된 제1 캡 - 상기 공기 배출 포트는 상기 가습 모듈로부터 이격되어 있음 -; 및
    상기 가습된 공기로부터 발생하는 응축수를 상기 배가스가 흐르는 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위한 바이패스 튜브를 포함하고,
    상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 공기 배출 포트 내에 위치하고,
    상기 바이패스 튜브의 타단을 통해 상기 바이패스 튜브가 상기 하우징의 내부공간과 유체연통하는,
    연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부로부터 공급되는 공기를 받아들이기 위한 공기 유입 포트를 가지며 상기 제1 말단의 반대편의 상기 가습 모듈의 제2 말단에 결합된 제2 캡을 더 포함하는,
    연료전지용 가습기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 캡의 내면과 상기 가습 모듈의 제1 말단에 의해 정의되는 상기 제1 캡의 내부공간과 상기 제2 캡의 내면과 상기 가습 모듈의 제2 말단에 의해 정의되는 상기 제2 캡의 내부공간은 상기 중공사막들의 중공들(lumens)을 통해서만 서로 유체연통하는,
    연료전지용 가습기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배가스를 받아들이기 위한 배가스 유입 포트 및 상기 배가스를 배출하기 위한 배가스 배출 포트를 갖는,
    연료전지용 가습기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 중공사막들이 들어있는 제1 하우징; 및
    상기 제1 하우징을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트 및 상기 배가스 배출 포트를 갖는 제2 하우징을 포함하며,
    상기 제1 하우징은 상기 배가스 유입 포트에 대응하는 제1 그룹의 개구들 및 상기 배가스 배출 포트에 대응하는 제2 그룹의 개구들을 갖는,
    연료전지용 가습기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 중공사막들은 2 이상의 중공사막 다발들을 포함하고,
    상기 하우징은,
    상기 2 이상의 중공사막 다발들이 각각 들어있는 2 이상의 제1 하우징들; 및
    상기 제1 하우징들을 둘러싸며 상기 배가스 유입 포트 및 상기 배가스 배출 포트를 갖는 제2 하우징을 포함하며,
    상기 제1 하우징들 각각은 상기 배가스 유입 포트에 대응하는 제1 그룹의 개구들 및 상기 배가스 배출 포트에 대응하는 제2 그룹의 개구들을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 응축수는 상기 제1 캡의 내부공간에서 발생하거나 상기 중공사막들로부터 상기 제1 캡의 내부공간으로 유입된 후 상기 바이패스 튜브를 통해 상기 하우징의 내부공간으로 전달되는,
    연료전지용 가습기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 배출 포트의 길이방향과 상기 중공사막들의 길이방향은 평행하지 않은 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1 캡은 상기 응축수가 상기 공기 배출 포트를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 리브(rib)를 갖고 - 상기 리브는 상기 공기 배출 포트 내에 배치됨 -,
    상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 리브에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  10. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 응축수에 나선형 경로(spiral path)를 제공하기 위한 나사산(screw thread)이 상기 공기 배출 포트의 내면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 공기 배출 포트로 유입되어 상기 나선형 경로를 통해 상기 나사산의 말단부(termination portion)에 도달하는 상기 응축수를 상기 하우징의 내부공간으로 전달하기 위하여, 상기 바이패스 튜브의 일단은 상기 나사산의 말단부에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 튜브는,
    상기 제1 캡에 고정된 제1 튜브; 및
    상기 가습 모듈에 고정된 제2 튜브를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 튜브들은 분리 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 튜브는 외부로 노출되지 않은 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가습기.
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