(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-14
(54)【発明の名称】燃料電池膜加湿器
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20231207BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20231207BHJP
H01M 8/04694 20160101ALI20231207BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20231207BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20231207BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/0432
H01M8/04694
H01M8/04746
H01M8/10 101
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023532238
(86)(22)【出願日】2022-01-04
(85)【翻訳文提出日】2023-05-25
(86)【国際出願番号】 KR2022000047
(87)【国際公開番号】W WO2022149819
(87)【国際公開日】2022-07-14
(31)【優先権主張番号】10-2021-0001313
(32)【優先日】2021-01-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518215493
【氏名又は名称】コーロン インダストリーズ インク
(74)【代理人】
【識別番号】100083138
【弁理士】
【氏名又は名称】相田 伸二
(74)【代理人】
【識別番号】100189625
【弁理士】
【氏名又は名称】鄭 元基
(74)【代理人】
【識別番号】100196139
【弁理士】
【氏名又は名称】相田 京子
(74)【代理人】
【識別番号】100199004
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 洋
(72)【発明者】
【氏名】オ ヨンソク
(72)【発明者】
【氏名】イ アルム
(72)【発明者】
【氏名】イ ジユン
(72)【発明者】
【氏名】キム キョンジュ
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA06
5H127AC10
5H127BA02
5H127BA53
5H127BA54
5H127BB02
5H127BB33
5H127BB34
5H127DB06
5H127DB26
5H127DC02
5H127DC22
5H127EE17
(57)【要約】
本発明は、燃料電池の出力状況に応じて燃料電池スタックから流入する排ガスの流量を能動的に調整できる燃料電池膜加湿器に関するものであって、
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備えるミッド－ケースと、前記ミッド－ケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が収容されたカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間に形成されたバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記バイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材とを備える。
【選択図】図３
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備えるミッド－ケースと、前記ミッド－ケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が収容されたカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間に形成されたバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記バイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材とを備える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備えるミッド－ケースと、前記ミッド－ケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が収容されたカートリッジと、
前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間に形成されたバイパス空間と、
前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記バイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材と、
を備える燃料電池膜加湿器。
【請求項2】
前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって圧縮または伸長可能な感温物質で製造される請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項3】
前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より小さい第２の温度範囲で収縮する金属物質からなる請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項4】
前記能動型遮断部材は、前記第１の温度範囲で熱膨脹して、前記バイパス空間を部分的に遮断し、前記第２の温度範囲で熱収縮して、前記バイパス空間を部分的に開放する請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項5】
前記第１の温度範囲は、前記燃料電池スタックの第１の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であり、前記第２の温度範囲は、前記第１の出力範囲より小さい第２の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲である請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項6】
前記能動型遮断部材を前記ミッド－ケースの内壁に固定するためのベース部材をさらに備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項7】
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備え、少なくとも１つの仕切り部材により複数個の収容孔が仕切られて形成されるミッド－ケースと、前記複数個の収容孔に各々配置され、複数の中空糸膜が収容された複数個のカートリッジと、
前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間と、前記仕切り部材と前記カートリッジとの間の空間に形成された複数個のバイパス空間と、
前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記複数個のバイパス空間のうち、少なくともいずれか１つのバイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材と、
を備える燃料電池膜加湿器。
【請求項8】
前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって圧縮または伸長可能な感温物質で製造される請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項9】
前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より小さい第２の温度範囲で収縮する金属物質からなる請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項10】
前記能動型遮断部材は、前記第１の温度範囲で熱膨脹して、前記バイパス空間を部分的に遮断し、前記第２の温度範囲で熱収縮して、前記バイパス空間を部分的に開放する請求項９に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項11】
前記第１の温度範囲は、前記燃料電池スタックの第１の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であり、前記第２の温度範囲は、前記第１の出力範囲より小さい第２の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲である請求項９に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項12】
前記能動型遮断部材を前記ミッド－ケースまたは前記仕切り部材に固定するためのベース部材をさらに備える請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池の出力状況に応じて燃料電池スタックから流入する排ガスの流量を能動的に調整できる燃料電池膜加湿器に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池とは、水素と酸素を結合させて電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池など、一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り、電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関より効率が２倍くらい高いという長所がある。
【0003】
また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的であり、かつ、エネルギー消費増加による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
【0004】
このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類することができる。
【0005】
これらのそれぞれの燃料電池は、元々同じ原理により作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて低温で動作するという点、及び出力密度が大きくて、小型化が可能であるので、小規模据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望なものと知られている。
【0006】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させるにあたり、最も重要な要因のうち１つは、膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ＭｅｍｂｒａｎｅまたはＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）に一定量以上の水分を供給することによって含水率を維持させることである。高分子電解質膜が乾燥されれば、発電効率が急激に低下するためである。
【0007】
高分子電解質膜を加湿する方法では、１）内圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）に通過させて水分を供給するバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を利用してガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
【0008】
これらの中でも、排ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を利用して、水蒸気を高分子電解質膜に供給される空気に提供することによって高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
【0009】
膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当り透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を利用して加湿器を製造する場合、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であって、小容量でも燃料電池の加湿が十分になされることができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池において高温で排出される排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
【0010】
図１は、従来技術に係る燃料電池加湿器が示された分解斜視図である。図１に示されたように、従来技術の燃料電池加湿器１００は、外部から供給される空気と燃料電池スタック（図示せず）から排出される排ガスとの間の水分交換が起こる加湿モジュール１１０及び加湿モジュール１１０の両端に結合されたキャップ１２０を備える。
【0011】
キャップ１２０のうち１つは、外部から供給される空気を加湿モジュール１１０に伝達し、他の１つは、加湿モジュール１１０により加湿された空気を燃料電池スタックに伝達する。
【0012】
加湿モジュール１１０は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１１ａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１１ｂとを有するミッドケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１１及びミッドケース１１１内の複数の中空糸膜１１２を備える。中空糸膜１１２の束の両末端は、固定層１１３にポッティングされている。固定層１１３は、一般的にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。中空糸膜１１２の末端がポッティングされている固定層１１３及び固定層１１３とミッドケース１１１との間の樹脂層１１４がキャップ１２０の内部空間をミッドケース１１１の内部空間から遮断する。固定層１１３と同様に、樹脂層１１４は、一般的にキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。
【0013】
外部から供給される空気は、中空糸膜１１２の中空に沿って流れる。排ガス流入口１１１ａを介してミッドケース１１１内に流入した排ガスは、中空糸膜１１２の外表面と接触した後、排ガス排出口１１１ｂを介してミッドケース１１１から排出される。排ガスが中空糸膜１１２の外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１２を透過することによって中空糸膜１１２の中空に沿って流れていた空気を加湿する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明は、燃料電池の出力状況に応じて燃料電池スタックから流入する排ガスの流量を能動的に調整できる燃料電池膜加湿器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備えるミッド－ケースと、前記ミッド－ケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が収容されたカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間に形成されたバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記バイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材とを備える。
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備えるミッド－ケースと、前記ミッド－ケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が収容されたカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間に形成されたバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記バイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材とを備える。
【0016】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって圧縮または伸長可能な感温物質で製造されることができる。
【0017】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より小さい第２の温度範囲で収縮する金属物質からなることができる。
【0018】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記第１の温度範囲で熱膨脹して、前記バイパス空間を部分的に遮断し、前記第２の温度範囲で熱収縮して、前記バイパス空間を部分的に開放することができる。
【0019】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記第１の温度範囲は、前記燃料電池スタックの第１の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であり、前記第２の温度範囲は、前記第１の出力範囲より小さい第２の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であることができる。
【0020】
本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材を前記ミッド－ケースの内壁に固定するためのベース部材をさらに備えることができる。
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備え、少なくとも１つの仕切り部材により複数個の収容孔が仕切られて形成されるミッド－ケースと、前記複数個の収容孔に各々配置され、複数の中空糸膜が収容された複数個のカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間と、前記仕切り部材と前記カートリッジとの間の空間に形成された複数個のバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記複数個のバイパス空間のうち、少なくともいずれか１つのバイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材と、を備える。
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
燃料電池スタックから供給される湿潤用気体が流入するための流入口と前記湿潤用気体が排出されるための排出口とを備え、少なくとも１つの仕切り部材により複数個の収容孔が仕切られて形成されるミッド－ケースと、前記複数個の収容孔に各々配置され、複数の中空糸膜が収容された複数個のカートリッジと、前記ミッド－ケースと前記カートリッジとの間の空間と、前記仕切り部材と前記カートリッジとの間の空間に形成された複数個のバイパス空間と、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって前記複数個のバイパス空間のうち、少なくともいずれか１つのバイパス空間の開度を調整する能動型遮断部材と、を備える。
【0021】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の温度によって圧縮または伸長可能な感温物質で製造されることができる。
【0022】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記流入口を介して流入した湿潤用気体の第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より小さい第２の温度範囲で収縮する金属物質からなることができる。
【0023】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材は、前記第１の温度範囲で熱膨脹して、前記バイパス空間を部分的に遮断し、前記第２の温度範囲で熱収縮して、前記バイパス空間を部分的に開放することができる。
【0024】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記第１の温度範囲は、前記燃料電池スタックの第１の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であり、前記第２の温度範囲は、前記第１の出力範囲より小さい第２の出力範囲の際、前記流入口に流入する湿潤用気体の温度範囲であることができる。
【0025】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記能動型遮断部材を前記ミッド－ケースまたは前記仕切り部材に固定するためのベース部材をさらに備えることができる。
【0026】
その他、本発明の様々な側面による実現例の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、燃料電池の出力状況に応じて燃料電池スタックから流入する排ガスの流量を能動的に調整することができる。
【0028】
また、本発明によれば、燃料電池スタックから膜加湿器に流入する排ガスの温度によって自動にバイパス空間の開度が調整されるので、バイパス実現のために求められる部品数及び設置空間を画期的に減少させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】従来技術に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。
【図2】本発明に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。
【図7】本発明に係る燃料電池膜加湿器においてミッドケースに２個のカートリッジが結合される実施形態に対する分解斜視図である。
【図9】本発明に係る燃料電池膜加湿器においてミッドケースに３個のカートリッジが結合される実施形態に対する分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
本発明は、様々な変換を加えることができ、種々の実施形態を有することができるところ、特定実施形態を例示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むことと理解されなければならない。
【0031】
本発明において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきであろう。以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器を説明する。
【0032】
図２は、本発明に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図であり、図３は、本発明に係る燃料電池膜加湿器が図２のＩ－Ｉ線を基準に示された分解断面図であり、図４は、本発明に係る燃料電池膜加湿器が図２のＩ－Ｉ線を基準に示された結合断面図であり、図５及び図６は、図４のＡ部分が拡大図示された断面図である。
【0033】
図２～図４に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器１は、燃料電池スタック（図示せず）に供給される電池用気体を加湿するためのものである。燃料電池スタックに供給される電池用気体は、燃料ガスまたは空気であることができる。本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器１は、電池用気体の加湿のための加湿モジュール２、加湿モジュール２の一端に結合された第１のキャップ３、及び加湿モジュール２の他端に結合された第２のキャップ４を備える。
【0034】
加湿モジュール２は、燃料電池スタックに供給される電池用気体を加湿する。加湿モジュール２の一端には、第１のキャップ３が結合されることができる。加湿モジュール２の他端には、第２のキャップ４が結合されることができる。第１のキャップ３は、外部から供給される電池用気体を加湿モジュール２に伝達することができる。第２のキャップ４は、加湿モジュール２により加湿された電池用気体を燃料電池スタックに伝達することができる。第２のキャップ４が外部から供給される電池用気体を加湿モジュール２に伝達し、第１のキャップ３が加湿モジュール２により加湿された電池用気体を燃料電池スタックに伝達することもできる。
加湿モジュール２は、カートリッジ２１、及びミッド－ケース２２を備える。
加湿モジュール２は、カートリッジ２１、及びミッド－ケース２２を備える。
【0035】
カートリッジ２１は、複数個の中空糸膜２１１を備える。中空糸膜２１１は、カートリッジ２１で実現されてモジュール化されることができる。これにより、カートリッジ２１をミッド－ケース２２に結合する工程を介して、中空糸膜２１１は、ミッド－ケース２２の内部に設けられることができる。したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器１は、中空糸膜２１１に対する設置作業、分離作業、及び交替作業の容易性を向上させることができる。
【0036】
カートリッジ２１は、中空糸膜２１１を収容するインナーケース２１０を備えることができる。中空糸膜２１１は、インナーケース２１０の内部に配置されてモジュール化されることができる。中空糸膜２１１は、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、またはこれらのうち２つ以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができる。
【0037】
カートリッジ２１は、第１のポッティング部２１２を備えることができる。第１のポッティング部２１２は、中空糸膜２１１の一側を固定する。第１のポッティング部２１２は、中空糸膜２１１の中空を防がないように形成されることができる。第１のポッティング部２１２は、キャスティング工程を介して液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。第１のポッティング部２１２は、インナーケース２１０と中空糸膜２１１の一側を固定させることができる。
【0038】
カートリッジ２１は、第２のポッティング部２１３を備えることができる。第２のポッティング部２１３は、中空糸膜２１１の他側を固定する。第２のポッティング部２１３は、中空糸膜２１１の中空を防がないように形成されることができる。これにより、燃料電池スタックに供給される電池用気体は、第２のポッティング部２１３と第１のポッティング部２１２とに妨害されることなく、中空糸膜２１１の中空に供給されて加湿された後に、燃料電池スタックに供給されることができる。第２のポッティング部２１３は、キャスティング工程を介して液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。第２のポッティング部２１３は、インナーケース２１０と中空糸膜２１１の他側を固定させることができる。
【0039】
ミッド－ケース２２には、カートリッジ２１が結合される。カートリッジ２１は、ミッド－ケース２２の内部に配置されることができる。ミッド－ケース２２は、カートリッジ２１が収容されるための収容孔を備えることができる。収容孔は、ミッド－ケース２２を第１の軸方向（Ｘ軸方向）に貫通するように形成されることができる。ミッド－ケース２２は、流入口２２１と排出口２２２とを備えることができる。水分が含有された湿潤用気体は、流入口２２１を介してミッド－ケース２２の内部を経てインナーケース２１０の内部に供給された後に、中空糸膜２１１の外表面と接触することができる。この過程で湿潤用気体に含有されていた水分が中空糸膜２１１を透過し、中空糸膜２１１の中空に沿って流れていた電池用気体を加湿することができる。加湿された電池用気体は、中空糸膜２１１から排出された後に、燃料電池スタックに供給されることができる。電池用気体を加湿した後の湿潤用気体は、インナーケース２１０の外部に排出された後に、ミッド－ケース２２の内部を経て排出口２２２を介してミッド－ケース２２の外部に排出されることができる。流入口２２１は、燃料電池スタックに連結されることができる。この場合、湿潤用気体は、燃料電池スタックから排出される排ガス（Ｏｆｆ－ｇａｓ）であることができる。
【0040】
一方、インナーケース２１０には、湿潤用気体が流入するための流入孔２１０ａ、及び中空糸膜２１１の中空に沿って流れていた電池用気体を加湿した後の湿潤用気体が排出されるための排出孔２１０ｂが形成され得る。この場合、湿潤用気体は、流入口２２１を介してミッド－ケース２２の内面とカートリッジ２１の外面との間に供給され、流入孔２１０ａを介してインナーケース２１０の内部に供給されて中空糸膜２１１の外表面に接触され、中空糸膜２１１の中空に沿って流れていた電池用気体を加湿した後に、排出孔２１０ｂを介してミッド－ケース２２の内面とカートリッジ２１の外面との間に排出され、排出口２２２を介してミッド－ケース２２の外部に排出されることができる。インナーケース２１０には、流入孔２１０ａが複数個形成されることもできる。流入孔２１０ａは、第１の軸方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離間するように配置されることができる。インナーケース２１０には、排出孔２１０ｂが複数個形成されることもできる。排出孔２１０ｂは、第１の軸方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離間するように配置されることができる。
【0041】
加湿モジュール２は、複数個のパッキング部材２３、２３’を備えることができる。パッキング部材２３、２３’は、燃料電池スタックに供給される電池用気体とミッド－ケース２２の内部に供給された湿潤用気体とが直接混合されることを防止するようにカートリッジ２１とミッド－ケース２２との間を密閉させる。パッキング部材２３、２３’は、カートリッジ２１とミッド－ケース２２との間に挿入されることができる。この場合、カートリッジ２１は、パッキング部材２３、２３’に形成された第１の通過孔２３ａ、２３ａ’に挿入されることができる。パッキング部材２３、２３’は、各々カートリッジ２１の両側に配置されることができる。図示されていないが、パッキング部材２３、２３’に代えてカートリッジ２１の両側には、樹脂層が形成されることもできる。樹脂層は、キャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成されることができる。
【0042】
第１のキャップ３は、加湿モジュール２の一端に結合される。第１のキャップ３とカートリッジ２１との間の空間は、パッキング部材２３または樹脂層によりカートリッジ２１とミッド－ケース２２との間の空間に対して密閉されることができる。
【0043】
第２のキャップ４は、加湿モジュール２の他端に結合される。第２のキャップ４とカートリッジ２１との間の空間は、パッキング部材２３’または樹脂層によりカートリッジ２１とミッド－ケース２２との間の空間に対して密閉されることができる。
【0044】
一方、従来の燃料電池膜加湿器は、ミッド－ケース２２の内壁とカートリッジ２１の外壁とを連結する隔壁を形成し、流入口２２１を介して流入した湿潤用気体がカートリッジ２１内部に流入せずに、直ちに排出口２２２を介して排出されることを防止した。
【0045】
さらに一方、燃料電池の出力によって燃料電池スタックから流入する湿潤用気体（以下、「排ガス」ともいう）の中で加湿に必要な量が異なる。すなわち、高出力時には、多い量の加湿が必要であり、低出力時には、相対的に少ない量の加湿が必要である。
【0046】
このような出力状況に応じる加湿量の調整のために、従来には、膜加湿器外部に別のバイパスを設けて、流入口２２１に流入する湿潤用気体の一部を外部に排出した。したがって、これを実現するためには、燃料電池スタックと流入口２２１とを連結する流路上に別に外部と連結されるバイパス流路を設けなければならず、排ガスの一部を外部に排出するためのバルブを設けなければならず、出力状況を感知し、これによりバルブ開度を調整する制御部などが設けられなければならないので、必要な部品数の増加及びこれらによる設置空間の増加などの問題がある。
【0047】
本発明の実施形態は、このような従来の問題を簡単な構造で解決して、部品数減少による費用及び設置空間の減少、小型化などを画期的に実現できるようにする。
【0048】
【0049】
能動型遮断部材２２３は、温度（熱）によって圧縮／伸長可能な感温物質で製造される。能動型遮断部材２２３は、高温で膨脹し、低温で収縮する金属物質からなることができる。高温は、第１の温度範囲と定義されることができ、低温は、第１の温度範囲より小さい第２の温度範囲と定義されることができる。
【0050】
能動型遮断部材２２３は、高温では、熱膨脹してミッド－ケース２２とカートリッジ２１との間の空間を部分的に遮断し、低温では、熱収縮してミッド－ケース２２とカートリッジ２１との間の空間（以下、バイパス空間２２０）を部分的に開放することができる。
【0051】
燃料電池スタックから燃料電池膜加湿器１に流入する排ガスは、出力状況に応じて温度が相違する。すなわち、高出力である場合、排ガスの温度は相対的に高温であり、低出力である場合、排ガスの温度は相対的に低温である。高出力は、第１の出力範囲と定義されることができ、低出力は、第１の出力範囲より小さい第２の出力範囲と定義されることができる。
【0052】
図５は、高出力状況の場合であり、図６は、低出力状況の場合である。図５及び図６において符号２２３ａは、ベース部材であって、金属材質の能動型遮断部材２２３をプラスチック材質のミッド－ケース２２内壁に固定するために使用されることができ、必ず必須的なものではない。
【0053】
図５のように、高出力状況である場合、排ガスの温度は高温であり、流入口２２１を介して流入した排ガスの一部は、インナーケース２１０の流入孔２１０ａを介してカートリッジ２１内部に流入して流動しながら水分交換を行い、残りの一部は、ミッド－ケース２２とカートリッジ２１との間のバイパス空間２２０を流動しながら能動型遮断部材２２３に熱を伝達するようになる。排ガスから熱を吸収した能動型遮断部材２２３は、熱膨脹して図５のようにバイパス空間２２０を遮断する。これにより、流入孔２１０ａに流入していない一部の排ガスは、能動型遮断部材２２３により方向転換されつつ、流入孔２１０ａを介してカートリッジ２１内部に流入して流動しながら水分交換を行う。
【0054】
図６のように、低出力状況である場合、排ガスの温度は低温であり、流入口２２１を介して流入した排ガスの一部は、インナーケース２１０の流入孔２１０ａを介してカートリッジ２１内部に流入して流動しながら水分交換を行うが、残りの一部は、バイパス空間２２０を流動しながら能動型遮断部材２２３の熱を吸収するようになる。排ガスにより熱を奪われた能動型遮断部材２２３は、熱収縮して図６のようにバイパス空間２２０を部分的に開放する。これにより、流入孔２１０ａに流入していない一部の排ガスは、開放された能動型遮断部材２２３を介してバイパス空間２２０を流動した後、排出口２２２を介してミッド－ケース２２の外部に排出される。
【0055】
本発明の実施形態において能動型遮断部材２２３は、出力状況に応じてバイパス空間２２０の開度を調整できる程度に膨脹／収縮することができれば十分であり、バイパス空間２２０を完全に遮断したり、完全に開放したりする必要はない。
【0056】
上記のような、本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器によれば、燃料電池スタックから膜加湿器に流入する排ガスの温度によって能動型遮断部材２２３が自動にバイパス空間２２０の開度を調整できるようになるので、バイパス実現のために求められる部品数及び設置空間を画期的に減少できるようになる。
【0057】
図７及び図８に示すように、本発明に係る燃料電池膜加湿器１は、ミッド－ケース２２に複数個のカートリッジ２１、２１’が結合されるように実現されることができる。この場合、ミッド－ケース２２は、カートリッジ２１、２１’の各々を収容するための複数個の収容孔を備えることができ、複数個の収容孔は、仕切り部材２２４により仕切られることができる。また、この場合、バイパス空間２２０は、ミッド－ケース２２とカートリッジ２１との間にのみ形成されるものではなく、仕切り部材２２４とカートリッジ２１との間にも形成されることができ、能動型遮断部材２２３は、複数個のバイパス空間２２０のうち、少なくともいずれか１つ以上に形成されることができる。
【0058】
図７及び図８には、ミッド－ケース２２に２個のカートリッジ２１、２１’が結合されることと図示されているが、これに限定されず、図９に示されたように、本発明に係る燃料電池膜加湿器１は、ミッド－ケース２２に３個のカートリッジ２１、２１’、２１”が結合されるように実現されることもできる。また、図示されていないが、本発明に係る燃料電池膜加湿器１は、ミッド－ケース２２に４個以上のカートリッジ２１が結合されるように実現されることもできる。
【0059】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を様々に修正及び変更させ得るであろうし、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】