KR101449115B1 - 구조물 적용 연료전지용 막 가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물 적용 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연료전지용 막 가습기의 케이스 상단에 구조물을 설치하여 포팅 물질과 케이스간 박리현상을 방지하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 내부가 원하는 수만큼 분할되는 특정 형상의 구조물을 케이스 일측 상단에 설치함으로써 포팅 물질의 구역이 분할되어 포팅물질의 수축 및 팽창에 의한 열변형을 최소화할 수 있어 박리현상을 방지할 수 있다.

Description

구조물 적용 연료전지용 막 가습기{Humidification device for fuel cell having specific structure}

본 발명은 구조물 적용 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연료전지용 막 가습기의 케이스 상단에 구조물을 설치하여 포팅 물질과 케이스간 박리현상을 방지하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기에 대한 것이다.

연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 구성되어 있다.

상기 연료전지 시스템의 공기공급시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(10)의 공기극쪽으로 외기를 공급하는 공기블로워(30)와, 공기블로워(30)로부터의 공기를 가습시켜 스택(10)의 공기극으로 공급하는 막 가습기(20) 등을 포함하여 구성된다.

고분자 연료전지의 경우, 연료전지의 작동을 위해서 반드시 수분을 필요로 하므로, 공기를 가습시키기 위한 가습기가 필수적으로 사용되고 있으며, 가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만 연료전지 차량의 경우 그 패키지 측면의 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기를 사용하고 있다.

첨부한 도 2 및 도 3은 막 가습기의 구성을 나타내는 도면으로서, 하우징(100)과, 중공사막모듈(200)과, 매니폴드(106,108)로 구성되어 있다.

상기 하우징(100)의 일측단에는 공기블로워로부터 외기(건조공기)를 도입하는 유입구(102)가 형성되고, 타측단에는 스택을 향하여 가습된 공기를 배출하는 공급구(104)가 형성되며, 또한 상기 하우징의 일측쪽 상면에는 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 받아들이는 매니폴드(106)가 형성되고, 그 반대측 하면에는 공기블로워로부터의 공기를 가습시킨 후의 습윤공기가 외부로 빠져나가는 매니폴드(108)가 형성되어 있다.

또한, 상기 중공사막모듈(200)의 내부에는 다발로 이루어진 다수의 중공사막(202)이 밀집되며 수납되어 있고, 이 중공사막모듈(200)의 양단부에 매니폴드(106,108)가 형성된 하우징(100)이 둘러싸며 결합된다.

이러한 구성을 갖는 막 가습기의 동작을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기가 하우징(100)의 매니폴드(106)를 통해 중공사막모듈(200)의 내부로 공급되면, 그 내부의 각 중공사막(202)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(202)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(202)의 내부로 이동하게 된다.

이때, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(202) 외부로 이동하여 상기 하우징(100)의 매니폴드(108)를 통해 외기로 배출된다.

상기 공기블로워(30)로부터 하우징(100)의 유입구(102)를 통해 공급되는 외기(건조공기)는 중공사막(202)의 내부를 통과하며 이동하게 되고, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 이미 중공사막(202)의 내부로 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 공급구(104)를 통하여 연료전지 스택(10)쪽으로 공급된다.

여기서, 상기와 같은 구성 및 작용을 하는 막 가습기중 중공사막모듈을 제작하는 종래의 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 케이스를 제작한 후, 케이스 안에 원하는 가닥수 만큼의 중공사막을 넣는다.

이어서, 여러 다발의 중공사막을 케이스에 고정시키기 위해 중공사막의 양쪽 끝단 부분에 고분자 물질을 주입하여 고정시키게 되는데, 이 공정을 포팅(potting) 공정이라고 부른다.

포팅을 위해 사용되는 고분자 물질로는 주로 우레탄 계통의 수지 물질이 사용되며, 포팅법으로는 디핑법과 원심성형법 등이 있다.

상기 디핑법은 도 4에 도시된 바와 같이 중력을 이용하는 방법으로서, 중공사막(202) 다발이 내재된 케이스(204)를 레진주입기구에 삽입한 후, 레진주입기의 주입구를 통하여 고분자 물질을 주입하면, 주입된 고분자 물질이 중력에 의하여 서로 밀집되어 있는 각 중공사막 사이로 침투하면서 중공사막 다발을 고정시키는 방법이다.

이러한 포팅(potting) 공정을 보여주는 도면이 도 5에 도시된다. 도 5를 참조하면, 포팅 공정은, 도 5의 (a)는 케이스를 준비하는 공정, 도 5의 (b)는 포팅캡(300)을 씌우는 공정, 도 5의 (c)는 중공사막(202)을 삽입하는 공정, 도 5의 (d)는 레진(310)을 주입하는 공정으로 이루어진다.

이러한 포팅(potting) 공정후, 고분자 물질을 건조시키고 마지막으로 커팅 장치를 이용하여 포팅된 부분의 일부 끝단을 잘라내면, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같은 단면 구조를 갖는 중공사막모듈을 얻을 수 있다.

그런데, 이러한 종래기술에 따르면, 포팅물질은 온도변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하게 되는데, 이러한 수축 및 팽창을 반복함에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 일정 시간이 지난 후 포팅물질(310)과 케이스(204)간에 틈(320)이 생기는 박리현상이 발생하며, 결국 이 부분을 통하여 기밀이 파괴되는 현상이 발생한다.

도 8은 이러한 박리현상이 발생한 상태를 보여주는 예이다.

또한, 종래기술에 따르면, 가습기 내부로 흐르는 공기 유동에 의해 고분자 중공사막이 스트레스(stress)를 받게 되는데, 이때 취약한 부분인 포팅 물질(도 7의 310) 하단과 중공사막이 접해 있는 부분에서 중공사막이 끊어지는 문제가 발생한다.

또한, 포팅 물질이 포팅되어진 고분자 중공사막의 경우 포팅된 부분은 더 이상 가습막으로서의 기능을 하지 못하게 된다. 즉 포팅이 두껍게 되면 될수록 가습기의 가습성능이 떨어지는 문제점이 있다.

1.한국공개특허번호 제2010-00125553호 2.한국공개특허번호 제2010-0100325호 3.국제공개특허번호 제2011-068383호

본 발명은 위에서 제기된 종래기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 포팅물질과 케이스간에 틈이 생기는 박리현상을 방지하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가습기 내부로 흐르는 공기 유동에 의해 포팅 물질 하단과 중공사막이 접해 있는 부분에서 중공사막이 끊어지지 않게 하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 포팅 물질이 포팅되어진 고분자 중공사막의 경우 포팅된 부분도 가습막으로서의 기능을 발휘하게 하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 막 가습기의 케이스 상단에 원하는 수만큼 분할되는 구조물을 설치하여 포팅(potting) 물질인 중공사막 다발을 원하는 구역의 수만큼 분할하여 중공 사막 다발을 고정하는 것을 특징으로 하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기를 제공한다.

상기 구조물 적용 연료전지용 막 가습기는, 케이스와, 상기 케이스를 커버하는 중공사막모듈과, 상기 중공사막모듈의 양단에 결합되는 하우징을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서, 상기 케이스 내부에 다수의 중공사막이 배열되고, 상기 중공사막모듈 케이스의 일측 상단 또는 양단에 설치되고, 상기 다수의 중공사막을 고정하는 포팅 물질층이 형성되는 중공사막 가이드 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 중공사막 가이드 구조물은 상기 다수의 중공사막을 균일하게 구획하도록 내부가 분할되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 중공사막 가이드 구조물은 내부가 4분할, 8분할 및 12분할 중 어느 하나로 분할되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 다수의 중공사막은 분할된 중공사막 가이드 구조물에 균일하게 분산되게 상기 케이스내에 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 포팅 물질층의 포팅물질은 분할된 중공사막 가이드 구조물에 의해 구역으로 분할되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내부가 원하는 수만큼 분할되는 특정 형상의 구조물을 케이스 일측 상단에 설치함으로써 포팅 물질의 구역이 분할되어 포팅물질의 수축 및 팽창에 의한 열변형을 최소화할 수 있어 박리현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 구조물 적용을 통하여, 적용되어지는 구조물만큼의 포팅 물질의 양을 줄일 수 있으며, 또한 기존 포팅층만이 담당하던 막 지지 역할을 구조물과 함께 담당함으로 인하여, 포팅층의 두께를 최소화할 수 있다는 점을 들 수 있다. 이는 기존 포팅층으로 인하여 사용되지 못하던 중공사막의 사용 영역을 증가시킬 수 있음을 의미한다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 구조물 내부를 분할함으로써 기존 가습기에서 발생하였던, 막 다발의 한쪽으로의 쏠림 현상을 방지할 수 있고, 막 다발의 균일한 분산을 통하여, 가습기의 성능 측면에 있어서도 막 다발 전체를 균일하게 사용할 수 있어, 성능 향상을 가져올 수 있다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 가습기 성능의 향상은 결국, 막 가닥수의 절감을 의미함으로, 원가 절감에 있어서도 큰 효과를 거둘 수 있다는 점을 들 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 공기공급시스템 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2 및 도 3은 종래기술에 따른 막 가습기의 구성을 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4는 종래기술에 따른 막 가습기에 포함된 중공사막모듈에 대한 포팅법을 설명하는 개략도이다.
도 5는 종래기술에 따른 포팅(potting) 공정을 보여주는 도면이다.
도 6은 종래기술에 따른 포팅된 후의 공중사막모듈을 보여주는 사시도이다.
도 7은 종래기술에 따른 포팅물질과 케이스간의 박리현상을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 기술된 박리현상에 따른 실제예를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물이 적용된 중공사막모듈의 개념도이다.
도 10은 도 9에 도시된 중공사막모듈의 부분 사시도이다.
도 11은 도 9 또는 도 10에 도시된 구조물의 형상예를 보여주는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 효과를 종래기술과 대비하여 보여주는 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 적용 연료전지용 막 가습기를 상세하게 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물이 적용된 중공사막모듈의 개념도이다. 도 9를 참조하면, 케이스(400)의 일측에 중공사막 가이드 구조물(430)이 설치된다. 도 9에서는 이해의 편의를 위해 중공사막 가이드 구조물(430)이 좌측에만 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 케이스(400)의 양단에 설치될 수 있다.

물론, 상기 케이스(400) 내부에 다수의 중공사막(410)이 일정 간격으로 배열된다.

또한, 상기 다수의 중공사막(410)을 고정하는 포팅 물질층(420)이 중공사막 가이드 구조물(430) 내측에 형성된다.

포팅 물질층(420)은 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스를 준비하는 공정, 포팅캡을 씌우는 공정, 중공사막을 삽입하는 공정, 레진을 주입하는 공정에 의해 형성된다.

물론, 본 발명의 일실시예에서는 케이스를 준비하는 공정 다음에 준비된 케이스(400)에 중공사막 가이드 구조물(430)을 설치하는 공정이 추가로 구성된다.

부연하면, 먼저 케이스(400)를 제작하여 준비한다(단계 S1). 케이스(400)가 준비되었으면, 케이스(400) 한 쪽에 포팅캡을 씌운 후 중공사막 가이드 구조물(430)을 설치한다(단계 S2). 그 다음으로 안에 원하는 가닥수 만큼의 중공사막을 케이스(400)에 넣는다(단계 S3).

그런 후 여러 다발의 중공사막을 케이스(400)에 고정시키기 위해 양쪽 끝단 부분에 고분자 물질을 주입하여 고정시킨다(단계 S4). 이 공정을 포팅(potting) 공정이라고 부른다.

본 발명의 일실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 중력을 이용하는 것으로서 레진 주입구(미도시)를 통하여 고분자 물질을 주입한 후 중력에 의해 고분자 물질이 밀집된 중공사막 사이로 침투하여 중공사막 다발을 고정시킨다. 물론, 이때 이러한 레진으로 인해 포팅 물질층(420)에서도 중공사막 다발의 고정이 이루어지게 된다.

도 10은 도 9에 도시된 중공사막모듈의 부분 사시도이다. 도 10을 참조하면, 중공사막 가이드 구조물(430)이 케이스(400)의 상단에 설치된다. 이러한 구조물(430)이 중공사막에 대하여 가이드 역할을 함으로 인하여 기존 가습기에서 발생하였던 공기 유동에 의한 막 단선을 막을 수 있다.

도 11은 도 9 또는 도 10에 도시된 중공사막 가이드 구조물(430)의 형상예를 보여주는 개념도이다. 도 11에 참조하면, 중공사막 가이드 구조물(430)은 내부가 여러 가지 형상으로 분할될 수 있다.

도 11의 (a)는 4분할의 형상을 보여준다. 도 11의 (b)는 8분할의 형상을 보여준다. 도 11의 (c)는 12분할의 형상을 보여준다. 물론, 이는 예시를 위한 것으로 예를 들면 사각형 형상, 다각형 형상의 분할 등도 가능하다.

부연하면, 상기 중공사막 가이드 구조물(430)의 내부가 4분할, 8분할 및 12분할 중 어느 하나로 분할된다. 이와 동시에, 상기 포팅 물질층(도 9의 420)의 포팅물질은 분할된 중공사막 가이드 구조물에 의해 구역으로 분할된다.

따라서, 케이스내에 있는 상기 다수의 중공사막은 분할된 중공사막 가이드 구조물(430) 및 케이스(400) 내에 균일하게 분산된다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 효과를 종래기술과 대비하여 보여주는 개념도이다. 도 12를 참조하면, 도 12의 (a)는 종래기술에 따른 막 가습기에서의 중공사막의 배열 상태를 보여주고, 도 12의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 막 가습기에서의 중공사막의 배열 상태를 보여준다.

부연하면, 종래기술에 따른 좌측에 도시된 도 12의 (a)는 중공사막이 균일하게 분산되지 못하고, 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생한 상태를 보여준다. 이와 달리, 본 발명의 일실시예에 따른 도 12의 (b)는 중공사막이 한쪽으로 쏠리지 않고 균일하게 분사 배열된 상태를 보여준다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 적용을 통하여 적용되어지는 구조물만큼의 포팅 물질의 양을 줄일 수 있으며, 또한 기존 포팅층만이 담당하던 막 지지 역할을 구조물과 함께 담당함으로 인하여, 포팅층의 두께를 최소화할 수 있다. 즉 이는 기존 포팅층으로 인하여 사용되지 못하던 중공사막의 사용 영역을 증가시킬 수 있음을 의미한다.

또한, 중공사막 다발의 균일한 분산을 통하여, 가습기의 성능 측면에 있어서도 중공사막 다발 전체를 균일하게 사용할 수 있어, 성능 향상 또한 가져올 수 있다. 막 가습기 성능의 향상은 결국, 막 가닥수의 절감을 의미하므로, 원가 절감에 있어서도 큰 효과를 거둘 수 있다.

10 : 연료전지 스택 20 : 막가습기
30 : 공기블로워 100 : 하우징
102 : 유입구 104 : 공급구
106,108 : 매니폴드 200 : 중공사막모듈
202,410 : 중공사막 204,400 : 케이스
430 : 중공사막 가이드 구조물

Claims (5)

1. 케이스와, 상기 케이스를 커버하는 중공사막모듈과, 상기 중공사막모듈의 양단에 결합되는 하우징을 포함하는 연료전지용 막 가습기에 있어서,
   상기 케이스 내부에 다수의 중공사막이 배열되고, 상기 중공사막모듈 케이스의 일측 상단 또는 양단에 설치되고, 상기 다수의 중공사막을 고정하는 포팅 물질층이 형성되는 중공사막 가이드 구조물을 포함하되,
   상기 중공사막 가이드 구조물은 상기 다수의 중공사막이 한쪽으로 쏠리지 않고 균일하게 분사 배열되는 상태로 구획하도록 내부가 분할되며,
   상기 다수의 중공사막은 막 가닥수가 절감되도록 분할된 중공사막 가이드 구조물에 균일하게 분산되게 상기 케이스내에 배열되고,
   상기 포팅 물질층의 포팅물질은 분할된 중공사막 가이드 구조물에 의해 구역으로 분할되며, 상기 포팅 물질층은 상기 중곡사막 가이드 구조물에만 한정되어 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 중공사막 가이드 구조물은 내부가 4분할, 8분할 및 12분할 중 어느 하나로 분할되는 것을 특징으로 하는 구조물 적용 연료전지용 막 가습기.
   
4. 삭제
5. 삭제

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