特表 2023-554603 燃料電池膜加湿器

(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】2023-12-28

(54)【発明の名称】燃料電池膜加湿器

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231221BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231221BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20231221BHJP

   H01M 8/04828 20160101ALI20231221BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231221BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/0438

H01M8/04694

H01M8/04828

H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023533367

(86)(22)【出願日】2022-01-26

(85)【翻訳文提出日】2023-05-31

(86)【国際出願番号】 KR2022095017

(87)【国際公開番号】W WO2022169351

(87)【国際公開日】2022-08-11

(31)【優先権主張番号】10-2021-0017071

(32)【優先日】2021-02-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(31)【優先権主張番号】10-2021-0031930

(32)【優先日】2021-03-11

(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】キム ドウ

(72)【発明者】

【氏名】キム キョンジュ

(72)【発明者】

【氏名】アン ナヒョン

(72)【発明者】

【氏名】キム インホ

(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

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AC10

5H127BA02

5H127BA44

5H127BA45

5H127BB02

5H127BB33

5H127BB34

5H127DB85

5H127DC86

5H127EE17

(57)【要約】

本発明は、膜加湿器内外部の圧力差により発生する加湿効率低下を防止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、
内部にモジュール挿入部が形成されたミドルケースと、前記ミドルケースと結合されるキャップケースと、前記モジュール挿入部に挿入された中空糸膜モジュールと、前記ミドルケースと前記モジュール挿入部との間に形成され、燃料電池の出力状況に応じて前記ミドルケースの内部と外部の圧力差による前記モジュール挿入部の膨脹を防止するか、または前記圧力差を解消させる能動型圧力バッファ部とを備える。
【選択図】図１０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部にモジュール挿入部が形成されたミドルケースと、
前記ミドルケースと結合されるキャップケースと、
前記モジュール挿入部に挿入された中空糸膜モジュールと、
前記ミドルケースと前記モジュール挿入部との間に形成され、燃料電池の出力状況に応じて前記ミドルケースの内部と外部の圧力差による前記モジュール挿入部の膨脹を防止するか、または前記圧力差を解消させる能動型圧力バッファ部と、
を備える燃料電池膜加湿器。

【請求項2】

前記モジュール挿入部は、前記ミドルケースの内壁と離間して形成された外側隔壁を備え、
前記能動型圧力バッファ部は、前記外側隔壁と前記ミドルケースの内壁との間に形成される摺動構造体を備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項3】

前記摺動構造体は、
前記外側隔壁に固定され、前記ミドルケース方向に突出されるものの、前記ミドルケースの内壁と離間し得るように形成された第１の摺動部材と、
前記ミドルケースの内壁に形成され、前記外側隔壁方向に突出されるものの、前記外側隔壁と離間し得るように形成された第２の摺動部材と、
を備える請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項4】

前記第１の摺動部材及び第２の摺動部材のうち少なくともいずれか１つに形成され、前記外側隔壁と前記ミドルケースとの間の膨脹圧力サイズによって開放または閉鎖状態になりうるバイパスホールを備える請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項5】

前記第１の摺動部材と第２の摺動部材とは、互いに対向する方向に突出された摺動突起を備える請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項6】

前記第１の摺動部材の摺動突起と前記第２の摺動部材の摺動突起との間には摺動空間が形成される請求項５に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項7】

前記ミドルケースが外側に膨脹すれば、前記第２の摺動部材が前記ミドルケースとともに外側に膨脹し、前記第１の摺動部材は、前記外側隔壁に固定された状態を維持する請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。

【請求項8】

前記中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜が集積された少なくとも１つ以上の中空糸膜束または複数の中空糸膜が収容された少なくとも１つ以上の中空糸膜カートリッジを備える請求項１～７のいずれか１項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、燃料電池膜加湿器に関し、より具体的には、膜加湿器内外部の圧力差により発生する加湿効率低下を防止できる燃料電池膜加湿器に関する。

【0002】

【背景技術】

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）などに分類することができる。

【0006】

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。

【0007】

高分子電解質型燃料電池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。

【0008】

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。

【0009】

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ガスに提供することによって高分子電解質膜を加湿する加湿膜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。

【0010】

加湿膜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膜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未反応ガス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。

【0011】

一方、膜加湿器稼動時に、膜加湿器内外部の圧力差により加湿効率が低下するという問題点が発生する。これを図１, 図2, 及び図３を参照して説明する。

【0012】

図１, 図2, 及び図３は、従来技術に係る燃料電池膜加湿器の断面図である。説明の都合上、図面においてポッティング部Ｐ部分の中空糸膜のみ図示し、残りの部分の中空糸膜は、省略して図示した。従来技術の膜加湿器は、複数の中空糸膜が収容される中空糸膜モジュール１１がミドルケース１０の内部に収容される。図示されたように、中空糸膜モジュール１１は、カートリッジ形態で形成されることができる。ミドルケース１０内部には、カートリッジ形態の中空糸膜モジュール１１が挿入されるモジュール挿入部１２が形成される。モジュール挿入部１２は、ミドルケース１０内部に形成された複数個の隔壁１２ａ、１２ｂで形成される。ここで、モジュール挿入部１２の外郭をなす隔壁１２ｂは、実質的にミドルケース１０内壁の一部分である。

【0013】

図２に示されたように、中空糸膜モジュール１１の両側面を隔壁１２ａ、１２ｂに挟んで、中空糸膜モジュール１１がモジュール挿入部１２に挿入される。このとき、ミドルケース１０は、中央部分が陥没された中央陥没部１０ａを備え、中央陥没部１０ａの内壁と中空糸膜モジュール１１とが気密に密着される。その結果、ミドルケース１０の未陥没部１０ｂと中空糸膜モジュール１１が形成する２つの流体流動空間Ａ、Ｂは隔離される。中央陥没部１０ａとモジュール挿入部１２の外郭をなす隔壁１２ｂは実質的に同一である。

【0014】

一方、燃料電池スタック（図示せず）から排出された第２の流体は、ミドルケース１０に形成された流体流入口（図示せず）を介して流入し、中空糸膜モジュール１１を介して流動しながらブロワーから供給されて、中空糸膜内部を流動する第１の流体と水分交換を行う。キャップケース２０は、ミドルケース１０と結合され、キャップケース２０には、第１の流体が流入／流出する流体流入口２０ａが形成される。

【0015】

しかし、高圧の運転条件、すなわち、ミドルケース１０に形成された流体流入口（図示せず）から流入する第２の流体が膜加湿器外部の大気より圧力が大きい高圧の流体である場合、膜加湿器内部と外部は圧力差が発生し、膜加湿器内部を流動する第２の流体の圧力が外部の大気圧より大きいので、膜加湿器外部方向に圧力勾配が形成されて、膜加湿器の一部（具体的には、ミドルケースの陥没された部分）は、図３に示されたように膜加湿器外部の方向に変形が発生する。一方、内部の隔壁１２ａは、隔壁両側の圧力が同一であるので、圧力勾配が形成されず、変形が発生しない。

【0016】

圧力勾配により発生するミドルケース１０の形状変更は、中空糸膜モジュール１１とミドルケース１０内壁との間にギャップ（ｇａｐ）が生じるようにし、このようなギャップ（ｇａｐ）を介して流体流動空間Ａの第２の流体は、中空糸膜モジュール１１を流動せずに流体流動空間Ｂに流動するようになる。中空糸膜モジュール１１を流動しなかった第２の流体は、中空糸膜を介しての加湿がなされなかった流体であるので、結果的に、加湿効率が落ちるようになるという問題がある。

【0017】

図４は、図１に示された従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を解決するためのさらに他の従来技術に係る燃料電池膜加湿器（韓国公開特許２０１９－０１３８２８８参照）が示された図である。

【0018】

図４に示されたように、さらに他の従来技術に係る燃料電池膜加湿器は、ミドルケース１０の内部にモジュール挿入部１２と圧力バッファ部２２とを形成した。圧力バッファ部２２は、外側隔壁１２ｂとミドルケース１０とが離間形成されることによって生じる空間と、外側隔壁１２ｂとミドルケース１０との間に形成される連結部２１とを備える。連結部２１は、流体流動空間Ａと流体流動空間Ｂとを隔離させて、流体出入口２０ａを介して流入した流体を、中空糸膜カートリッジＣを介してのみ流動させる。

【0019】

このように構成される圧力バッファ部２２は、外側隔壁１２ｂ両側の圧力が実質的に同一にする。圧力バッファ部２２により外側隔壁１２ｂの両側には圧力勾配が形成されないので、外側隔壁１２ｂは変形されないようになる。したがって、図１に示された燃料電池膜加湿器とは異なり、中空糸膜カートリッジＣと外側隔壁１２ｂとの間にギャップ（ｇａｐ）が発生しなくなり、流体流動空間Ａの流体が中空糸膜モジュールを流動せずに流体流動空間Ｂに流動することを防止できるようになり、その結果、加湿効率の低下を防止できるようになる。

【0020】

一方、図４に示されたような従来技術に係る燃料電池膜加湿器において、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況に応じて、ミドルケース１０に形成された流体流入口（図示せず）から流入する第２の流体の圧力（内部圧力Ｐ１）が膜加湿器外部の大気圧（外部圧力Ｐ２）より極めて大きい場合（Ｐ１＞＞Ｐ２）、図５A及び図５Bに示されたように、圧力差によりミドルケース１０は、外部方向圧力を受けるようになり、外側に膨脹（Ｅ１で表示）することができる。このとき、外側隔壁１２ｂは、連結部２１と連結されているので、外側隔壁１２ｂも外側に膨脹（Ｅ２で表示）することができる。外側隔壁１２ｂが外側に膨脹すれば、中空糸膜カートリッジＣと外側隔壁１２ｂとの間にギャップ（ｇａｐ）が発生しうる。したがって、中空糸膜モジュール１１を流動しなかった第２の流体が発生するようになり、加湿効率が落ちるようになるという問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

本発明は、膜加湿器内外部の圧力差により発生する加湿効率低下を防止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】

【0022】

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、内部にモジュール挿入部が形成されたミドルケースと、前記ミドルケースと結合されるキャップケースと、前記モジュール挿入部に挿入された中空糸膜モジュールと、前記ミドルケースと前記モジュール挿入部との間に形成され、燃料電池の出力状況に応じて前記ミドルケースの内部と外部の圧力差による前記モジュール挿入部の膨脹を防止するか、または前記圧力差を解消させる能動型圧力バッファ部とを備える。

【0023】

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記モジュール挿入部は、前記ミドルケースの内壁と離間して形成された外側隔壁を備え、前記能動型圧力バッファ部は、前記外側隔壁と前記ミドルケースの内壁との間に形成される摺動構造体を備える。

【0024】

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記摺動構造体は、前記外側隔壁に固定され、前記ミドルケース方向に突出されるものの、前記ミドルケースの内壁と離間し得るように形成された第１の摺動部材と、前記ミドルケースの内壁に形成され、前記外側隔壁方向に突出されるものの、前記外側隔壁と離間し得るように形成された第２の摺動部材とを備えることができる。

【0025】

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の摺動部材及び第２の摺動部材のうち少なくともいずれか１つに形成され、前記外側隔壁と前記ミドルケースとの間の膨脹圧力サイズによって開放または閉鎖状態になりうるバイパスホールを備えることができる。

【0026】

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の摺動部材と第２の摺動部材とは、互いに対向する方向に突出された摺動突起を備えることができる。

【0027】

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の摺動部材の摺動突起と前記第２の摺動部材の摺動突起との間には摺動空間が形成され得る。

【0028】

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記ミドルケースが外側に膨脹すれば、前記第２の摺動部材が前記ミドルケースとともに外側に膨脹し、前記第１の摺動部材は、前記外側隔壁に固定された状態を維持できる。

【0029】

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜が集積された少なくとも１つ以上の中空糸膜束または複数の中空糸膜が収容された少なくとも１つ以上の中空糸膜カートリッジを備えることができる。
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】

【0030】

本発明の実施形態によれば、膜加湿器内外部の圧力差により発生する加湿効率低下を防止できる。また、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況でも、中空糸膜カートリッジと外側隔壁との間にギャップが発生することを防止して加湿効率の低下を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を説明するための図である。

【図2】従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を説明するための図である。

【図3】従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を説明するための図である。

【図4】図１に示された従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を解決するためのさらに他の従来技術に係る燃料電池膜加湿器が示された図である。

【図5A】図４に示されたさらに他の従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を説明するための図である。

【図5B】図４に示されたさらに他の従来技術に係る燃料電池膜加湿器の問題点を説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の様々な形態が示された図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の様々な形態が示された図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の様々な形態が示された図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の様々な形態が示された図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器のミドルケースの一部が示された断面図である。

【図11】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の能動型圧力バッファ部の一構成である摺動構造体の第１実施形態を拡大図示した断面図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の能動型圧力バッファ部の一構成である摺動構造体の第１実施形態を拡大図示した断面図である。

【図13】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の能動型圧力バッファ部の一構成である摺動構造体の第２実施形態を拡大図示した断面図である。

【図14】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の能動型圧力バッファ部の一構成である摺動構造体の第２実施形態を拡大図示した断面図である。

【図15】本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の動作状態を説明するための断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

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。

【0033】

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る。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。

【0034】

図６,図7,図8,及び図９は、本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器の様々な形態が示された図である。図６,図7,図8,及び図９に示されたように、本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器（以下、「膜加湿器」ともいう）は、ミドルケース１１０とキャップケース１２０とを備える。

【0035】

ミドルケース１１０は、キャップケース１２０と結合して膜加湿器の外形を形成する。ミドルケース１１０とキャップケース１２０とは、ポリカーボネートなどの硬質プラスチックや金属からなることができる。ミドルケース１１０とキャップケース１２０とは、図６及び図７のように、幅方向断面形状が多角形であることができる。前記多角形は、四角形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであることができ、前記多角形は、角が丸くなった形態であることもできる。または、図８及び図９のように、幅方向断面形状が円形であることができる。前記円形は、楕円形であることもできる。図６,図7,図8,及び図９は、膜加湿器の例示的な形状であり、これに限定されるものではない。

【0036】

ミドルケース１１０には、各々第２の流体が供給される第２の流体流入口１１１と第２の流体が排出される第２の流体流出口１１２とが形成されており、ミドルケース１１０内部には、複数の中空糸膜が収容された中空糸膜モジュールＦが配置される。設計によって、図面符号１１１が第２の流体が排出される第２の流体流出口になることができ、図面符号１１２が第２の流体が供給される第２の流体流入口になることができる。すなわち、図面符号１１１と図面符号１１２のうち、いずれか１つが第２の流体流入口になり、残りの１つは、第２の流体流出口になることができる。以下の説明において、図面符号１１１は、第２の流体流入口であり、図面符号１１２は、第２の流体流出口である場合を例示して説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。

【0037】

中空糸膜モジュールＦは、図７及び図９のように、複数の中空糸膜が集積された中空糸膜束であるか、図６及び図８のように、中空糸膜または中空糸膜束が収容された中空糸膜カートリッジであることができる。図６及び図８において複数の中空糸膜カートリッジが中空糸膜モジュールＦを形成することを例示したが、これに限定されず、１つの中空糸膜カートリッジで中空糸膜モジュールＦを形成することもできる。以下の説明では、図６に示された複数のカートリッジＣで中空糸膜モジュールＦを形成し、幅方向断面形状が多角形である膜加湿器を例示として説明するが、これは、図７,図8,及び図９の膜加湿器にも実質的に同様に適用されることができる。また、カートリッジＣの形状も、断面の形状が円形または四角形である場合を例示したが、カートリッジＣの形状がこれに限定されるものではない。

【0038】

キャップケース１２０は、ミドルケース１１０の各両端に結合される。それぞれのキャップケース１２０には、流体出入口１２１が形成されており、このうち１つは、第１の流体流入口になり、残りの１つは、第１の流体流出口になる。一側キャップケース１２０の流体出入口１２１に流入した第１の流体は、中空糸膜カートリッジ（Ｃ、図１参照）内部に収容された中空糸膜の内部管路を通過した後、他側キャップケース１２０の流体出入口１２１に抜け出すようになる。中空糸膜は、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）材質、ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）材質、ポリフェニルスルホン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）材質の中空糸膜になることができる。

【0039】

中空糸膜カートリッジＣの一端には、第２の流体流入口１１１を介して膜加湿器に流入した第２の流体を中空糸膜カートリッジの内部に流入させる第１のメッシュ部（Ｍ１、図１参照）が形成され、他端には、中空糸膜カートリッジ内部で水分交換を行った第２の流体を中空糸膜カートリッジ外部に流出させる第２のメッシュ部（Ｍ２、図１参照）が形成され得る。中空糸膜カートリッジＣの両側面は、隔壁（２１１、２１２、図１０参照）に挟まれてモジュール挿入部２１０に挿入される。また、選択的に、中空糸膜カートリッジの両側面には、係止片（図示せず）が形成され得るし、中空糸膜カートリッジがモジュール挿入部２１０に挿入されるとき、係止片は、モジュール挿入部２１０をなす隔壁２１１、２１２にわたって挟まれることができる。

【0040】

中空糸膜カートリッジまたは中空糸膜束の両端部には、中空糸膜を結束しながら中空糸膜の間の空隙を埋めるポッティング部Ｐが形成される。これにより、中空糸膜モジュールの両端部は、ポッティング部Ｐに塞がり、その内部には、第２の流体が通過する流路が形成される。ポッティング部の材質は、公知されたところによるものであって、本明細書において詳細な説明を省略する。ポッティング部Ｐ周りには、ポッティング部Ｐとミドルケース１１０との間を満たす樹脂層Ｅが形成されるか、機械的に組立を介してポッティング部Ｐとミドルケース１１０との間を気密に結合するガスケット組立体（図示せず）が形成され得る。

【0041】

図１０は、本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器のミドルケースの一部が示された断面図である。図１０に示されたように、ミドルケース１１０の内部には、モジュール挿入部２１０と能動型圧力バッファ部２２０とが形成される。

【0042】

モジュール挿入部２１０には、複数の中空糸膜が収容された中空糸膜カートリッジＣが挿入される。モジュール挿入部２１０は、複数の中空糸膜カートリッジＣが各々挿入され得るように複数の隔壁２１１、２１２からなる。一方、単一の中空糸膜カートリッジで中空糸膜モジュールＦをなす場合、内側隔壁２１１は省略されることができる。この場合、モジュール挿入部２１０は、外側隔壁２１２のみでなされることができる。

【0043】

ミドルケースの内壁１１０ａは、モジュール挿入部２１０の最外郭をなす隔壁２１２と離間して形成される。外側隔壁２１２とミドルケースの内壁１１０ａとが離間形成されることによって生じる空間Ｓは、能動型圧力バッファ部２２０を形成する。能動型圧力バッファ部２２０は、外側隔壁２１２とミドルケースの内壁１１０ａとの間に形成される摺動構造体２２１をさらに備えることができる。

【0044】

能動型圧力バッファ部２２０は、外側隔壁２１２の周りにわたって形成されることができる。能動型圧力バッファ部２２０は、流体流動空間Ａと流体流動空間Ｂとを隔離させて、流体を、中空糸膜カートリッジＣを介してのみ流動させる。

【0045】

また、能動型圧力バッファ部２２０の一構成である摺動構造体２２１は、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況に応じて、ミドルケース１１０に形成された流体流入口１１１から流入する第２の流体の圧力（内部圧力Ｐ１）が膜加湿器外部の大気圧（外部圧力Ｐ２）より極めて大きい場合にも、圧力差による外側隔壁２１２の外側膨脹を防止して加湿効率が落ちることを防止できる。

【0046】

以下、摺動構造体２２１の第１実施形態について図１１及び図１２を参照して説明する。図１１及び図１２は、能動型圧力バッファ部２２０の一構成である摺動構造体２２１の第１実施形態を拡大図示した断面図である。

【0047】

図１１及び図１２に示されたように、摺動構造体２２１は、第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとを備える。第１の摺動部材２２１ａは、外側隔壁２１２に固定され、ミドルケース１１０方向に突出されるものの、ミドルケース１１０の内壁１１０ａと離間し得るように形成される。第２の摺動部材２２１ｂは、ミドルケース１１０の内壁１１０ａに形成され、外側隔壁２１２方向に突出されるものの、外側隔壁２１２と離間し得るように形成される。

【0048】

第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとは、互いに対向する方向に突出された摺動突起２２１ａａ、２２１ｂａを備え、２つの摺動突起２２１ａａ、２２１ｂａ間には、摺動空間ＳＳが形成される。

【0049】

燃料電池の低出力状況に比べて高出力状況の第２の流体の圧力は相対的に大きい。また、燃料電池の正常出力状況に比べて非正常出力状況の第２の流体の圧力は相対的に極めて大きくなる。

【0050】

燃料電池の高出力状況または非正常出力状況で、第２の流体の圧力が相対的に大きくなると、大きい圧力差によりミドルケース１１０は外部方向圧力を受けるようになり、外側に膨脹（Ｅ１で表示）するようになる。このとき、ミドルケース１１０に形成された第２の摺動部材２２１ｂがミドルケース１１０とともに外側に膨脹しながら摺動空間ＳＳは次第に小さくなる。高出力状況または非正常出力状況が持続されるか、より悪化すると、第２の流体の圧力がさらに大きくなり、２つの摺動突起２２１ａａ、２２１ｂａが接触した状態になり、摺動空間ＳＳが一時的にない状態になることができる。摺動空間ＳＳがなくなるまで第１の摺動部材２２１ａは、外側隔壁２１２に固定された状態を維持する。（図１２参照）

【0051】

その後、高出力状況または非正常出力状況が解消される場合、すなわち、燃料電池が低出力状況または正常出力状況に復帰する場合、第２の流体の圧力が相対的に小さくなるので、膨脹圧力が次第に小さくなり、第２の摺動部材２２１ｂは、外側隔壁２１２方向に復帰するようになる。これにより、摺動空間ＳＳは、元の状態に復帰するようになる。（図１１参照）

【0052】

このように構成される能動型圧力バッファ部２２０は、燃料電池の出力状況が異常圧力差を発生させる非正常出力状況である場合にも、外側隔壁２１２両側の圧力が実質的に同一に維持され得るようにする。能動型圧力バッファ部２２０により外側隔壁２１２の両側には圧力勾配が形成されないので、外側隔壁２１２は変形されない。

【0053】

次に、第２実施形態の摺動構造体２２１’について図１３及び図１４を参照して説明する。図１３及び図１４は、能動型圧力バッファ部２２０の一構成である摺動構造体の第２実施形態を拡大図示した断面図である。

【0054】

図１３に示されたように、摺動構造体２２１’は、前述した第１実施形態の摺動構造体２２０と同様に、第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとを備え、本実施形態において第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとは、バイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂをさらに備える。バイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂは、第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとの間の膨脹圧力サイズによって開放または閉鎖状態になることができる。

【0055】

例えば、第１の摺動部材２２１ａと第２の摺動部材２２１ｂとの間の膨脹圧力が大きくなくて、摺動空間ＳＳが相対的に大きいときには、バイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂは、摺動部材２２１ａ、２２１ｂにより閉まった状態となる。（図１３参照）

【0056】

燃料電池の低出力状況に比べて高出力状況の第２の流体の圧力は相対的に大きい。また、燃料電池の正常出力状況に比べて非正常出力状況の第２の流体の圧力は相対的に極めて大きくなる。

【0057】

燃料電池の高出力状況または非正常出力状況で、第２の流体の圧力が相対的に大きくなると、大きい圧力差によりミドルケース１１０は膨脹圧力を受けるようになり、外側に膨脹（Ｅ１で表示）するようになる。このとき、ミドルケース１１０に形成された第２の摺動部材２２１ｂがミドルケース１１０とともに外側に膨脹しながら摺動空間ＳＳは次第に小さくなる。

【0058】

高出力状況または非正常出力状況が持続されるか、より悪化すると、第２の流体の圧力がさらに大きくなり、摺動空間ＳＳはさらに小さくなりつつ、摺動部材２２１ａ、２２１ｂにより閉まった状態にあったバイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂは、次第に開度（ｏｐｅｎｉｎｇ）が大きくなりながら開放された状態となる。（図１４参照）

【0059】

図１４のように、バイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂが開放された状態になると、流体流動空間Ａの流体がバイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂを介して流体流動空間Ｂに流動した後、第２のメッシュ部Ｍ２及び第２の流体流出口１１２を介して排出されながら流体流動空間Ａを流動する流体の圧力を解消できるようになる。

【0060】

その後、高出力状況または非正常出力状況が解消される場合、すなわち、燃料電池が低出力状況または正常出力状況に復帰する場合、第２の流体の圧力が相対的に小さくなるので、膨脹圧力が次第に小さくなり、第２の摺動部材２２１ｂは、外側隔壁２１２方向に復帰するようになる。これにより、摺動空間ＳＳは、元の状態に復帰しながらバイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂは再度閉鎖状態になり、流体流動空間Ａの流体が中空糸膜モジュールＦを流動せずに流体流動空間Ｂに流動することを防止できるようになる。

【0061】

このように構成される能動型圧力バッファ部２２０は、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況でも、中空糸膜カートリッジと外側隔壁との間にギャップが発生することを防止するか、または圧力差を解消させて加湿効率が落ちることを防止できる。

【0062】

これに対して、図１５に示すように、内側隔壁２１１間に中空糸膜カートリッジＣが配置され、燃料電池スタック（図示せず）から排出されて第２の流体流入口１１１に流入した第２の流体は、第１のメッシュ部Ｍ１を介してカートリッジＣ内部に流入して中空糸膜外部を流れながら水分交換を行った後、第２のメッシュ部Ｍ２を介してカートリッジ外部に流出する。このとき、中空糸膜カートリッジＣを介して流動する流体の圧力Ｐ１が同一であるので、内側隔壁２１１両側の圧力は、平衡をなして変形が発生しない。

【0063】

一方、外側隔壁２１２では、一側には、中空糸膜カートリッジＣを介して高圧Ｐ１の第２の流体が流動し、他側では、中空糸膜カートリッジＣを流動しない高圧Ｐ１’の第２の流体が流動する。外側隔壁２１２両側を流動する第２の流体は、実質的に同じ圧力（Ｐ１＝Ｐ１’）を有するので、外側隔壁２１２両側の圧力は、平衡をなして変形が発生しない。

【0064】

一方、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況で、能動型圧力バッファ部２２０を流動する第２の流体の圧力Ｐ１とミドルケース１１０外部の大気圧Ｐ２との間の圧力差が大きい場合には、摺動構造体２２１の第２の摺動部材２２１ｂがミドルケース１１０とともに外側に膨脹するだけであり、第１の摺動部材２２１ａは、外側隔壁２１２に固定された状態を維持するようになる。したがって、外側隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣとの気密性は維持されて、第２の流体が外側隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣとの間に流出しない。

【0065】

一方、能動型圧力バッファ部２２０に流入した第２の流体は、摺動構造体２２１でターニングした後、中空糸膜カートリッジＣ内部に流れるようになる。

【0066】

したがって、従来とは異なり、燃料電池の高出力状況または非正常出力状況でも、中空糸膜カートリッジＣと外側隔壁２１２との間にはギャップ（ｇａｐ）が発生しなくなり、流体流動空間Ａの流体が中空糸膜モジュールＦを流動せずに流体流動空間Ｂに流動することを防止できるようになり、その結果、加湿効率の低下を防止できるようになる。

【0067】

さらに、高出力状況または非正常出力状況が持続されるか、より悪化すると、第２の流体の圧力がさらに大きくなり、摺動空間ＳＳは、さらに小さくなりつつ、摺動部材２２１ａ、２２１ｂにより閉まった状態にあったバイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂは、次第に開度（ｏｐｅｎｉｎｇ）が大きくなりながら開放された状態となる。バイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂが開放された状態になると、流体流動空間Ａの流体がバイパスホール２２１ａｂ、２２１ｂｂを介して流体流動空間Ｂに流動した後、第２のメッシュ部Ｍ２及び第２の流体流出口１１２を介して排出されながら流体流動空間Ａを流動する流体の圧力を解消できるようになる。

【0068】

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。

【符号の説明】

【0069】

１１０：ミドルケース １２０：キャップケース
２１０：モジュール挿入部 ２１１：内側隔壁
２１２：外側隔壁 ２２０：能動型圧力バッファ部
２２１：摺動構造体
２２１ａ：第１の摺動部材 ２２１ｂ：第２の摺動部材
２２１ａａ、２２１ｂａ：摺動突起 ２２１ａｂ、２２１ｂｂ：バイパスホール
ＳＳ：摺動空間
Ａ、Ｂ：流体流動空間
Ｃ：中空糸膜カートリッジ
Ｆ：中空糸膜モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【国際調査報告】