KR20100100325A

KR20100100325A - 연료전지용 막 가습기

Info

Publication number: KR20100100325A
Application number: KR1020090019153A
Authority: KR
Inventors: 김현유
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-15

Abstract

본 발명은 막 가습기에 관한 것으로서, 케이스 내에 중공사막 다발이 내장되어 구성된 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연료전지 차량에 적용하는 경우 차량의 진동, 급가속, 냉시동 등으로 인해 포팅 물질이 깨지는 등의 문제점을 해소할 수 있는 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 본 발명은 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인해 중공사막이 포팅 물질과 분리되면서 발생하는 누설 문제를 해소할 수 있고, 또한 중공사막이 스트레스에 의해 쉽게 끊어지는 문제점을 해소할 수 있는 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수 가닥의 중공사막들이 결속끈에 의해 결속되어 하나의 하위 다발을 구성하고, 상기 하위 다발들이 케이스에 채워진 상태에서 각 하위 다발의 양쪽 단부가 포팅 물질에 의해 상기 케이스에 고정되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.

연료전지, 막 가습기, 중공사막, 하위 다발, 결속끈

Description

연료전지용 막 가습기{Membrane humidifier for fuel cell}

본 발명은 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 케이스 내에 중공사막 다발이 내장되어 구성된 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 고분자 연료전지의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지에 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 공기 입구측에서 가습시킨다.

가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등 여러 방법이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습기가 적용되고 있다. 막 가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.

첨부한 도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 상기한 막 가습기를 이용해 공기를 가습하여 공급하는 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 외기의 건조공기를 공기블로워(1)로 강제 송풍하여 막 가습기(2)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(3)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기를 막 가습기(2)에 통과시켜, 과포화 가습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(3)에 공급한다.

통상의 막 가습기는 중공사막(hollow fiber)을 이용한 기체-기체 막 가습기(Gas to Gas Membrane Humidifier)로서, 이러한 막 가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 가습이 충분히 가능하며, 막 가습기를 통해 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지 스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

이하, 막 가습기의 구조에 대해 상술하기로 한다.

첨부한 도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 사시도이고, 도 3은 막 가습기의 분리사시도이다. 또한 첨부한 도 4는 막 가습기에서 중공사막이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 나타낸 상태도이며, 도 5는 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 막 가습기(10)는 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 고정되어 구성된 막모듈(11)과, 상기 막모듈(11)의 케이스(11a) 양측에 각각 조립되어 유입구(13a)와 배출구(12a,13b)가 각각 형성된 제1 및 제2하우징(12,13)을 주요 구성품으로 한다.

여기서, 막모듈(11)의 케이스(11a) 내에 중공사막(11c) 다발이 밀집된 상태로 내장되며, 이때 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 중공사막(11c) 다발의 양쪽 단부가 포팅 물질(11b)에 의해 케이스(11a)의 각 단부 내측에 고정됨으로써 케이스 내에서 중공사막 다발의 위치가 고정된다.

즉, 막모듈(11)의 제작시에 우선 케이스(11a)를 제작한 뒤, 케이스(11a) 내에 원하는 가닥 수만큼의 중공사막(11c)을 채워넣고, 중공사막 다발을 케이스(11a)에 고정시키기 위해 양쪽 단부에 고분자 물질인 포팅 물질(11b)을 주입하여 고정하는 것이다.

이러한 공정을 포팅(potting) 공정이라고 부른다. 포팅시에 사용되는 고분자 물질로는 주로 우레탄 계통의 물질이 사용되며, 포팅 방법으로는 디핑법과 원심성형법이 있다.

그리고, 포팅 후 고분자 물질을 건조시켜 경화시키고, 마지막으로 커팅 장치를 이용하여 포팅된 부분의 끝부분을 잘라내면 원하는 막모듈을 얻을 수 있다.

도 4를 참조하면, 중공사막(11c)의 단부가 포팅 물질(11b)에 둘러싸여 위치가 고정된 상태를 볼 수 있으며, 중공사막의 양 끝단부는 공기블로워에서 공급된 공기의 입구 또는 출구로 사용될 수 있도록 포팅 물질에 의해 막힘없이 노출된다.

상기와 같이 고분자 중공사막을 케이스에 고정시키기 위해 사용되는 포팅 물질의 경우 고온/고압에 잘 견디는 물질이어야 한다. 이는 공기블로워에서 공급되는 공기의 경우 고온/고압의 압축된 공기이기 때문이다.

이로 인해 포팅 물질은 주로 경도가 높은 물질이 사용되며, 경도가 낮은 물질이 사용되는 경우 고온/고압의 압축된 공기에 의해 포팅 물질이 용출되어 스택을 오염시키거나 또는 손상되어 가습기로서의 기능에 문제를 발생시킬 수 있다.

하지만 고경도의 포팅 물질을 사용할 경우에도 다음과 같은 문제가 발생한다(도 5 참조).

첫째, 연료전지 차량에 가습기를 적용할 경우 차량의 진동, 급가속, 냉시동 등으로 인해 포팅 물질이 깨지는 경우가 발생한다.

둘째, 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인해 고분자 중공사막이 팽창/수축을 반복하면서 스트레스(stress)를 받게 되는데, 이때 중공사막이 경도가 큰 포팅 물질과 분리되면서 누설(leakage) 문제가 발생하거나 중공사막이 끊어지는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연료전지 차량에 적용하는 경우 차량의 진동, 급가속, 냉시동 등으로 인해 포팅 물질이 깨지는 등의 문제점을 해소할 수 있는 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인해 중공사막이 포팅 물질과 분리되면서 발생하는 누설 문제를 해소할 수 있고, 또한 중공사막이 스트레스에 의해 쉽게 끊어지는 문제점을 해소할 수 있는 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 일 구현예로서, 복수 가닥의 중공사막들이 결속끈에 의해 결속되어 하나의 하위 다발을 구성하고, 상기 하위 다발들이 케이스에 채워진 상태에서 각 하위 다발의 양쪽 단부가 포팅 물질에 의해 상기 케이스에 고정되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.

여기서, 상기 결속끈은 해당 하위 다발을 구성하는 중공사막들을 막 길이방향을 따라 나선형으로 감아주어 결속시키는 것일 수 있다.

또한 하나의 하위 다발에서 복수개의 결속끈들이 중공사막들을 반대방향으로 감아주어 서로 엇갈리도록 감겨지거나 중공사막들을 같은 방향으로 평행하게 감아주어 결속시킬 수 있다.

또한 상기 각 하위 다발에서 상기 결속끈의 양쪽 단부가 중공사막의 단부와 함께 포팅 물질 내에 삽입되어 고정됨으로써 결속끈이 포팅 물질을 보강하는 구조로 되어 있는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기의 과제 해결 수단을 통하여 다음과 같은 효과가 있게 된다.

우선, 중공사막 양쪽 단부에 고분자 물질을 주입하여 고정시키는 포팅 공정에 있어서, 중공사막만을 포팅 물질로 포팅하는 종래와는 달리, 결속끈까지 포팅 물질 내에 삽입되도록 포팅함으로써 포팅 물질의 강도를 강화시킬 수 있다.

또한 결속끈이 몇 가닥의 중공사막을 동시에 잡아줌으로써, 하위 다발에 속한 중공사막들이 함께 유동될 수 있으며, 이에 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인해 발생하는 스트레스로 인해 중공사막이 끊어지는 현상이나 포팅 물질과 불리되어 누설이 발생하는 문제가 해결될 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 결속끈을 이용하여 결속시킨 하위 다발을 사용하므로 케이스 단면에서 분산성을 개선할 수 있고, 특히 적정 굵기의 결속끈을 사용하는 경우 결속끈 자체가 하위 다발 간의 간격 유지를 해주는 스페이서(spacer) 역할을 하기 때문에 분산성은 더욱 향상될 수 있게 된다. 이에 공기 유동에 있어서 균일한 흐름을 발생시켜 막 가습기의 성능을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 막 가습기에서 중공사막이 장착된 상태를 나타낸 상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 막 가습기에서 중공사막의 하위 다발(sub-bundle)이 결속된 상태를 예시한 도면이다. 또한 첨부한 도 8은 본 발명에 따른 막 가습기에서 중공사막 다발이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 예시한 도면이다.

본 발명에 따른 막 가습기(10)에서는 복수개의 중공사막(11c)이 결속되어 하위 다발(11e)을 구성하고 이렇게 중공사막(11c)이 결속된 하위 다발(11e) 복수개를 케이스(11a) 내에 내장시켜 구성한다.

이때, 결속끈(11d)을 사용하는데, 이하 본 명세서에서는 명확한 설명을 위해 중공사막(11c) 몇 가닥이 결속끈(11d)으로 결속되어 하나의 단위 구성을 이루고 있는 것을 하위 다발(sub-bundle)(11e)이라 칭하기로 한다.

상기 결속끈(11d)은 중공사막(11c) 가닥을 몇 가닥씩 다발로 묶어주는 것으로, 막 가습기의 사용 조건, 즉 온도 및 압력 등의 조건에서 끊김 없이 결속상태를 유지할 수 있는 것이라면 재질에 제한 없이 사용 가능하다. 예컨대, 나일론 재질의 끈 등이 사용 가능하다.

도 7에는 결속끈(11d)이 3가닥의 중공사막을 결속하여 하나의 하위 다 발(11e)을 구성한 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명에서 하나의 하위 다발을 구성하는 중공사막의 개수에는 제한을 두지 않는다. 예를 들어, 미리 정해진 가닥 수의 중공사막(11c)들을 사용하여 하나의 하위 다발(11e)을 구성하되, 하나의 하위 다발(11e)을 구성하는 중공사막의 개수를 4개 또는 5개 등으로 하거나, 하나의 막 가습기(10)에서 중공사막(11c)의 가닥 수를 달리한 여러 종류의 하위 다발(11e)들을 혼합 사용하는 것도 가능하다.

바람직한 실시예에서, 각각의 하위 다발(11e)에서 결속끈(11d)이 복수개의 중공사막, 예컨대 3가닥의 중공사막(11c)을 막 길이방향을 따라 나선형으로 감아줌으로써 결속시키는 구조로 하는 것이 가능하다.

또한 각각의 하위 다발(11e)에서 중공사막(11c)들을 감아주는 결속끈(11d)은 복수개가 될 수 있으며, 이때 복수개의 결속끈(11d)을 반대방향으로 감아 서로 엇갈리게 하거나 같은 방향으로 평행하게 감아주어 결속된 중공사막(11c)들의 개별 움직임을 최소화하는 것이 바람직하다.

도 7에는 두 개의 결속끈(11d)이 3가닥의 중공사막(11c)을 반대방향으로 감아주어 엇갈리게 한 실시예가 도시되어 있다.

한편, 상기와 같이 결속끈(11d)을 복수개의 중공사막(11c)에 감아주어 만든 하위 다발(11e)들을 케이스(11a) 내에 내장시킨 뒤 포팅 공정을 통해 고정시키는데, 결속끈(11d)을 풀어지지 않게 묶은 하위 다발(11e)들을 필요한 수만큼 케이스(11a) 내에 채워넣고, 포팅 공정을 실시한다.

포팅 공정은 원심성형법 등의 종래와 동일한 공정으로 실시될 수 있으며, 케 이스(11a) 양쪽 단부에서 중공사막(11c)의 단부와 결속끈(11d)의 단부가 함께 고정되도록 고분자 물질(포팅 물질)(11b)을 주입하여 케이스(11a)에 각 하위 다발(11e)들을 고정시키게 된다.

포팅 후 고분자 물질을 건조시켜 경화시킨 다음 커팅 장치를 이용하여 포팅된 부분의 끝부분을 잘라내어 막 모듈(11)을 제작하고, 막 모듈(11)의 케이스(11a)에 제1 및 제2하우징(12,13)을 조립하여 막 가습기(10)를 완성하게 된다.

도 8을 참조하면, 포팅 공정 후 케이스(11a) 내에 각각 3가닥의 중공사막(11c)으로 구성된 하위 다발(11e)들이 포팅 물질(11b)에 둘러싸여 고정된 상태를 볼 수 있으며, 이때 결속끈(11d)의 단부가 중공사막(11c)의 단부와 마찬가지로 포팅 물질(11b) 내에 삽입된 상태로 고정된다.

이와 같이 제조된 막 가습기는 다음과 같은 특징을 가진다.

우선, 중공사막(11c) 양쪽 단부에 고분자 물질을 주입하여 고정시키는 포팅 공정에 있어서, 중공사막만을 포팅 물질(11b)로 포팅하는 종래와는 달리, 결속끈(11d)까지 함께 포팅됨으로써 포팅 물질(11b)의 강도를 강화시킬 수 있다. 이는 시멘트의 강도를 강화시키기 위해 철근을 넣어 사용하는 것과 유사하다 할 수 있다.

또한 결속끈(11d)이 몇 가닥의 중공사막(11c)을 동시에 잡아줌으로써, 하위 다발(11e)에 속한 중공사막들이 함께 유동될 수 있으며, 이에 차량의 진동 및 급가속, 냉시동 등으로 인해 발생하는 스트레스로 인해 중공사막이 끊어지는 현상이나 포팅 물질(11b)과 불리되어 누설이 발생하는 문제가 해결될 수 있다.

그리고, 포팅을 위해 원심성형법을 이용하는 경우, 종래에는 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)들을 결속 없이 그냥 채워준 상태에서 포팅하므로 원심력에 의해 중공사막들이 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생하여 분산성에 있어서 문제가 발생한다. 이는 막 가습기(10)의 사이즈가 커지면 커질수록 더 큰 문제를 발생시킨다.

특히, 중공사막(11c)의 분산성에 있어서의 문제는 공기 유동에 있어서 균일한 흐름을 방해하기 때문에 막 가습기(10)의 성능에 악영향을 미치게 되고, 이에 막 가습기의 성능 저하를 발생시키는 원인이 된다.

반면, 본 발명에서는 결속끈(11d)을 이용하여 결속시킨 하위 다발(11e)을 사용하므로 케이스(11a) 단면에서 분산성을 개선할 수 있고, 특히 적정 굵기의 결속끈(11d)을 사용하는 경우 결속끈(11d) 자체가 하위 다발(11e) 간의 간격 유지를 해주는 스페이서(spacer) 역할을 하기 때문에 분산성은 더욱 향상될 수 있게 된다.

이에 공기 유동에 있어서 균일한 흐름을 발생시키므로 궁극적으로는 막 가습기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

첨부한 도 9는 여러 가닥의 중공사막(11c)들이 결속끈(11d)에 의해 묶여 있는 하위 다발(11e)들을 보여주는 사진이다. 사진에서와 같이 개개의 하위 다발(11e)을 구성하는 중공사막(11c)들이 결속끈(11d)에 의해 결속된 상태에서 사용되며, 차량의 진동 등이 가해질 때 개개의 하위 다발(11e)에 속한 중공사막(11c)들이 서로 결속된 상태로 함께 유동하게 되므로, 종래와 같이 중공사막(11c)들이 중간에 끊기거나 휨 등에 의해 포팅 물질(11b)로부터 분리되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 막 가습기를 이용해 공기를 가습하여 공급하는 상태를 도시한 개략도,

도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 사시도,

도 3은 통상의 막 가습기를 도시한 분리사시도,

도 4는 통상의 막 가습기에서 중공사막이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 나타낸 상태도,

도 5는 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 개략도,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 막 가습기에서 중공사막이 장착된 상태를 나타낸 상태도,

도 7은 본 발명에 따른 막 가습기에서 중공사막의 하위 다발(sub-bundle)이 결속된 상태를 예시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 막 가습기에서 중공사막 다발이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 예시한 도면,

도 9는 본 발명에서 여러 가닥의 중공사막들이 결속끈에 의해 묶여 있는 하위 다발들을 보여주는 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 막 가습기 11 : 막 모듈

11a : 케이스 11b : 포팅 물질

11c : 중공사막 11d : 결속끈

11e : 하위 다발 12 : 제1하우징

13 : 제2하우징

Claims

복수 가닥의 중공사막들이 결속끈(11d)에 의해 결속되어 하나의 하위 다발(11e)을 구성하고, 상기 하위 다발(11e)들이 케이스(11a)에 채워진 상태에서 각 하위 다발(11e)의 양쪽 단부가 포팅 물질(11b)에 의해 상기 케이스(11a)에 고정되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
청구항 1에 있어서,

상기 결속끈(11d)은 해당 하위 다발(11e)을 구성하는 중공사막들을 막 길이방향을 따라 나선형으로 감아주어 결속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
청구항 2에 있어서,

하나의 하위 다발(11e)에서 복수개의 결속끈(11d)들이 중공사막들을 반대방향으로 감아주어 서로 엇갈리도록 감겨지거나 중공사막들을 같은 방향으로 평행하게 감아주어 결속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
청구항 1에 있어서,

상기 각 하위 다발(11e)에서 상기 결속끈(11d)의 양쪽 단부가 중공사막의 단부와 함께 포팅 물질(11b) 내에 삽입되어 고정됨으로써 결속끈(11d)이 포팅 물질(11b)을 보강하는 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.