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(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】2024-02-06
(54)【発明の名称】燃料電池膜加湿器
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240130BHJP
F24F 6/00 20060101ALI20240130BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240130BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
F24F6/00 Z
H01M8/10 101
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023544593
(86)(22)【出願日】2022-01-27
(85)【翻訳文提出日】2023-07-24
(86)【国際出願番号】 KR2022001434
(87)【国際公開番号】W WO2022177200
(87)【国際公開日】2022-08-25
(31)【優先権主張番号】10-2021-0021151
(32)【優先日】2021-02-17
(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）】
3L055
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
3L055BA04
5H126BB06
5H127AA06
5H127AC10
5H127BA02
5H127BB02
5H127BB34
5H127EE17
(57)【要約】
本発明は、中空糸膜の間で流動する流体の温度によって中空糸膜の間の空隙を調整し、加湿効率を向上させることができる燃料電池膜加湿器に関するものであって、
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
ミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、外部から供給される空気と燃料電池スタックから流入した排ガスとを水分交換して前記空気を加湿する複数の中空糸膜と、前記複数の中空糸膜の間に配置され、前記複数の中空糸膜と熱膨張率が異なる物質で形成されて、前記排ガスの温度によって前記複数の中空糸膜の間の空隙を調整する空隙調整管とを備える。
【選択図】図３
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
ミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、外部から供給される空気と燃料電池スタックから流入した排ガスとを水分交換して前記空気を加湿する複数の中空糸膜と、前記複数の中空糸膜の間に配置され、前記複数の中空糸膜と熱膨張率が異なる物質で形成されて、前記排ガスの温度によって前記複数の中空糸膜の間の空隙を調整する空隙調整管とを備える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、
前記ミッド－ケース内に配置され、外部から供給される空気と燃料電池スタックから流入した排ガスとを水分交換して前記空気を加湿する複数の中空糸膜と、
前記複数の中空糸膜の間に配置され、前記複数の中空糸膜と熱膨張率が異なる物質で形成されて、前記排ガスの温度によって前記複数の中空糸膜の間の空隙を調整する空隙調整管と、
を備える燃料電池膜加湿器。
【請求項2】
前記空隙調整管は、第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で収縮する負の熱膨張物質を含む請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項3】
前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）を含む請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項4】
前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）とランタン（Ｌａ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項5】
前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）と鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項6】
前記複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備える加湿モジュールとを備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項7】
前記カートリッジの端部が挿入されるホールが形成されたボディー部材と、前記ボディー部材の一端に形成され、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と接触されて、前記ミッド－ケース内の流体が前記キャップ側に流動することを防止する突出部材とを備えるパッキンググ部と、前記ボディー部材の他端に形成され、前記ミッド－ケースの端部に形成された溝と前記キャップの端部により形成された空間に形成されるエッジ部と、
前記カートリッジと前記パッキング部とを接触するように形成されて、前記ミッド－ケース内の流体が前記キャップ側に流動することを防止するシーリング部と、
を備えるガスケット組立体を備える請求項６に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項8】
前記ボディー部材は、２個以上のカートリッジが各々挿入され得る２個以上のホールを備え、前記突出部材は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジのそれぞれの端部と接触形成され、前記シーリング部は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジの各々と前記パッキング部とを接触するように形成される請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項9】
前記突出部材は、弾性力によって前記カートリッジの端部を加圧しながら接触して、前記ミッド－ケース側の空間と前記キャップ側の空間とを気密にする請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項10】
前記エッジ部は、両方向に突出されたエッジウィングを備え、
前記エッジウィングは、前記ミッド－ケース端部に形成された溝を満たしながら介在されて、前記ミッド－ケースの内部と外部、そして、前記ミッド－ケースと前記キャップとを封止する請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
【請求項11】
前記パッキング部と前記エッジ部との各々は、３０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有し、前記パッキング部の少なくとも一部と前記エッジ部の少なくとも一部に挿入されて形成され、前記第１の硬度より高い第２の硬度を有する補強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、燃料電池膜加湿器に関し、より具体的には、中空糸膜の間で流動する流体の温度によって中空糸膜の間の空隙を調整し、加湿効率を向上させることが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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【0003】
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膜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。
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排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、膜加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
図１は、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１に示されたように、従来技術の燃料電池膜加湿器１０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１１及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ１２を備える。
キャップ１２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１１に供給し、他の１つは、加湿モジュール１１により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。
加湿モジュール１１は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ及びミッド－ケース１１ａ内の複数の中空糸膜１１ｂを備える。中空糸膜１１ｂの束の両末端は、ポッティング部１１ｃに固定される。ポッティング部１１ｃ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。
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排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、膜加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
図１は、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１に示されたように、従来技術の燃料電池膜加湿器１０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１１及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ１２を備える。
キャップ１２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１１に供給し、他の１つは、加湿モジュール１１により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。
加湿モジュール１１は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ及びミッド－ケース１１ａ内の複数の中空糸膜１１ｂを備える。中空糸膜１１ｂの束の両末端は、ポッティング部１１ｃに固定される。ポッティング部１１ｃ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。
【0004】
外部から供給される空気は、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れる。排ガス流入口１１ａａを介してミッド－ケース１１ａ内に流入した排ガスは、中空糸膜１１ｂの外表面と接触した後、排ガス排出口１１ａｂを介してミッド－ケース１１ａから排出される。排ガスが中空糸膜１１ｂ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１１ｂを透過することによって中空糸膜１１ｂ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】
【0005】
本発明は、中空糸膜の間で流動する流体の温度によって中空糸膜の間の空隙を調整し、加湿効率を向上させることが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】
【0006】
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
ミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、外部から供給される空気と燃料電池スタックから流入した排ガスとを水分交換して前記空気を加湿する複数の中空糸膜と、前記複数の中空糸膜の間に配置され、前記複数の中空糸膜と熱膨張率が異なる物質で形成されて、前記排ガスの温度によって前記複数の中空糸膜の間の空隙を調整する空隙調整管とを備える。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）とランタン（Ｌａ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）と鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備える加湿モジュールとを備えることができる。
ミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、外部から供給される空気と燃料電池スタックから流入した排ガスとを水分交換して前記空気を加湿する複数の中空糸膜と、前記複数の中空糸膜の間に配置され、前記複数の中空糸膜と熱膨張率が異なる物質で形成されて、前記排ガスの温度によって前記複数の中空糸膜の間の空隙を調整する空隙調整管とを備える。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、第１の温度範囲で膨脹し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）とランタン（Ｌａ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記空隙調整管は、ビスマス（Ｂｉ）と鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含むことができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備える加湿モジュールとを備えることができる。
【0007】
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記カートリッジの端部が挿入されるホールが形成されたボディー部材と、前記ボディー部材の一端に形成され、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と接触されて、前記ミッド－ケース内の流体が前記キャップ側に流動することを防止する突出部材とを備えるパッキンググ部と、前記ボディー部材の他端に形成され、前記ミッド－ケースの端部に形成された溝と前記キャップの端部により形成された空間に形成されるエッジ部と、前記カートリッジと前記パッキング部とを接触するように形成されて、前記ミッド－ケース内の流体が前記キャップ側に流動することを防止するシーリング部と、を備えるガスケット組立体を備えることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記ボディー部材は、２個以上のカートリッジが各々挿入され得る２個以上のホールを備え、前記突出部材は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジのそれぞれの端部と接触形成され、前記シーリング部は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジの各々と前記パッキング部とを接触するように形成されることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記突出部材は、弾性力によって前記カートリッジの端部を加圧しながら接触して、前記ミッド－ケース側の空間と前記キャップ側の空間とを気密にすることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記ボディー部材は、２個以上のカートリッジが各々挿入され得る２個以上のホールを備え、前記突出部材は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジのそれぞれの端部と接触形成され、前記シーリング部は、２個以上備えられて、前記２個以上のカートリッジの各々と前記パッキング部とを接触するように形成されることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記突出部材は、弾性力によって前記カートリッジの端部を加圧しながら接触して、前記ミッド－ケース側の空間と前記キャップ側の空間とを気密にすることができる。
【0008】
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記エッジ部は、両方向に突出されたエッジウィングを備え、前記エッジウィングは、前記ミッド－ケース端部に形成された溝を満たしながら介在されて、前記ミッド－ケースの内部と外部、そして、前記ミッド－ケースと前記キャップとを封止できる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記パッキング部と前記エッジ部との各々は、３０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有し、前記パッキング部の少なくとも一部と前記エッジ部の少なくとも一部に挿入されて形成され、前記第１の硬度より高い第２の硬度を有する補強部材をさらに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。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記パッキング部と前記エッジ部との各々は、３０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有し、前記パッキング部の少なくとも一部と前記エッジ部の少なくとも一部に挿入されて形成され、前記第１の硬度より高い第２の硬度を有する補強部材をさらに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】
【0009】
本発明によれば、中空糸膜の間に中空糸膜と熱膨張率が異なる空隙調整管が配置されて、中空糸膜の間で流動する流体の温度によって中空糸膜の間の空隙を調整して加湿効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【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】本発明の第１実施形態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3】本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器の加湿モジュール内での動作状態を説明するための概念図である。
【図4】本発明の第２実施形態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5】本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。
【図7】本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
【図8】本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
【図9】本発明の第３実施形態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10】本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図である。
【図11】本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。
【図12】本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
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。
図２は、本発明の第１実施形態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、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器の加湿モジュール内での動作状態を説明するための概念図である。
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。
図２は、本発明の第１実施形態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、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器の加湿モジュール内での動作状態を説明するための概念図である。
【0012】
図２に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器１００は、加湿モジュール１１０とキャップ１２０とを備える。
加湿モジュール１１０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を行う。キャップ１２０は、加湿モジュール１１０の両端に結合される。
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に供給し、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供給する。
加湿モジュール１１０は、排ガス流入口１１１ａと排ガス排出口１１１ｂをと有するミッド－ケース１１１及びミッド－ケース１１１内に収容された複数の中空糸膜１１２を備える。また、中空糸膜１１２の間には空隙調整管１１５が配置される。
中空糸膜１１２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、少なくとも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。
中空糸膜１１２束の両末端は、ポッティング部１１３に固定される。ポッティング部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。また、空隙調整管１１５の両末端もポッティング部１１３に固定されることができる。
加湿モジュール１１０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を行う。キャップ１２０は、加湿モジュール１１０の両端に結合される。
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に供給し、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供給する。
加湿モジュール１１０は、排ガス流入口１１１ａと排ガス排出口１１１ｂをと有するミッド－ケース１１１及びミッド－ケース１１１内に収容された複数の中空糸膜１１２を備える。また、中空糸膜１１２の間には空隙調整管１１５が配置される。
中空糸膜１１２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、少なくとも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。
中空糸膜１１２束の両末端は、ポッティング部１１３に固定される。ポッティング部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。また、空隙調整管１１５の両末端もポッティング部１１３に固定されることができる。
【0013】
空隙調整管１１５は、中空糸膜１１２と熱膨張率が異なる物質で形成される。空隙調整管１１５は、内部に中空が形成されるか、または中空が形成されないことができる。熱膨張率は、体積膨張率であることが好ましい。すなわち、空隙調整管１１５は、中空糸膜１１２と体積膨張率が異なる物質で形成されることがより好ましい。
具体的に、空隙調整管１１５は、第１の温度範囲で膨脹し、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。すなわち、空隙調整管１１５は、低温で膨脹し、高温で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。
ほとんどの物質は、温度が上昇すれば、熱膨張によって長さや体積が増加するが、これと反対に、負の熱膨張物質は、温度が上昇すれば、収縮する性質がある。このような負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）を含む物質であることができる。
具体的に、負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）とランタン（Ｌａ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む物質であることができる。より具体的に、Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３（ビスマス・ランタン・ニッケル酸化物）であることができる。Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３は、温度上昇１℃当り１００万分の８２（－８２×１０－６／℃）という負の熱膨脹を表す。
また、具体的に、負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）と鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む物質であることができる。より具体的に、「ペロブスカイト」という構造を有した酸化物ＢｉＮｉ１－ｘＦｅｘＯ３（ビスマス・ニッケル・鉄酸化物）であることができる。ＢｉＮｉ１－ｘＦｅｘＯ３は、室温付近の温度領域で温度上昇１℃当り１００万分の１８７（－１８７×１０－６／℃という負の熱膨脹を表す。したがって、Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３に比べて半分の量でも実質的に同じ効果を表すことができる。
具体的に、空隙調整管１１５は、第１の温度範囲で膨脹し、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。すなわち、空隙調整管１１５は、低温で膨脹し、高温で収縮する負の熱膨張物質を含むことができる。
ほとんどの物質は、温度が上昇すれば、熱膨張によって長さや体積が増加するが、これと反対に、負の熱膨張物質は、温度が上昇すれば、収縮する性質がある。このような負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）を含む物質であることができる。
具体的に、負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）とランタン（Ｌａ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む物質であることができる。より具体的に、Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３（ビスマス・ランタン・ニッケル酸化物）であることができる。Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３は、温度上昇１℃当り１００万分の８２（－８２×１０－６／℃）という負の熱膨脹を表す。
また、具体的に、負の熱膨張物質は、ビスマス（Ｂｉ）と鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との酸化物を含む物質であることができる。より具体的に、「ペロブスカイト」という構造を有した酸化物ＢｉＮｉ１－ｘＦｅｘＯ３（ビスマス・ニッケル・鉄酸化物）であることができる。ＢｉＮｉ１－ｘＦｅｘＯ３は、室温付近の温度領域で温度上昇１℃当り１００万分の１８７（－１８７×１０－６／℃という負の熱膨脹を表す。したがって、Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３に比べて半分の量でも実質的に同じ効果を表すことができる。
【0014】
上記のように構成される、空隙調整管１１５の動作について、図３を参照して説明する。
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り、中空糸膜１１２の中空に沿って流れていた空気を加湿する。
このとき、燃料電池スタックの出力によって排ガスの温度が変わる。図３の（ａ）は、燃料電池スタックの出力が高出力の場合であり、図３の（ｂ）は、燃料電池スタックの出力が低出力の場合である。燃料電池スタックの出力が大体４０ｋＷ未満である場合、低出力環境といえるし、燃料電池スタックの出力が大体４０ｋＷ以上である場合、高出力環境といえる。
高出力環境では、燃料電池スタックで相対的に高温の排ガスが供給され、低出力環境では、燃料電池スタックで相対的に低温の排ガスが供給される。ここで、高温は、略５０～１５０℃範囲であって、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲であることができる。ここで、低温は、略５０℃未満の第１の温度範囲であることができる。
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り、中空糸膜１１２の中空に沿って流れていた空気を加湿する。
このとき、燃料電池スタックの出力によって排ガスの温度が変わる。図３の（ａ）は、燃料電池スタックの出力が高出力の場合であり、図３の（ｂ）は、燃料電池スタックの出力が低出力の場合である。燃料電池スタックの出力が大体４０ｋＷ未満である場合、低出力環境といえるし、燃料電池スタックの出力が大体４０ｋＷ以上である場合、高出力環境といえる。
高出力環境では、燃料電池スタックで相対的に高温の排ガスが供給され、低出力環境では、燃料電池スタックで相対的に低温の排ガスが供給される。ここで、高温は、略５０～１５０℃範囲であって、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲であることができる。ここで、低温は、略５０℃未満の第１の温度範囲であることができる。
【0015】
図３の（ａ）に示すように、排ガスが高温であるので、負の熱膨脹性質を有する空隙調整管１１５は、収縮して中空糸膜１１２の間の空隙は拡張され、これにより、高温の排ガスが流動できる空間が拡張されて、排ガスによる乾燥空気の加湿量及び加湿速度が大きくなるように調整されることができる。
図３の（ｂ）に示すように、排ガスが低温であるので、負の熱膨脹性質を有する空隙調整管１１５は、膨脹して中空糸膜１１２の間の空隙は縮小され、これにより、低温の排ガスが流動できる空間が縮小されて、排ガスによる乾燥空気の加湿量及び加湿速度が小さくなるように調整されることができる。
上記のような本発明の第１実施形態によれば、別の追加部品のない簡単な構造で構成されながらも、燃料電池スタックの出力状況に応じて、中空糸膜１１２の間の空隙を自動に調整できるので、膜加湿器のサイズを小型化でき、製造費用を低減できる。
次に、図４～図６を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器を説明する。図４は、本発明の第２実施形態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５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図であり、図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。
図１の従来膜加湿器１０を参照すれば、複数の中空糸膜１１ｂの末端が固定されているポッティング部１１ｃ及びポッティング部１１ｃとミッド－ケース１１ａとの間の樹脂層１１ｄがキャップ１２の内部空間とミッド－ケース１１ａの内部空間とを遮断する。ポッティング部１１ｃと同様に、樹脂層１１ｄ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。しかし、樹脂層１１ｄ形成のためのキャスティング工程は、相対的に多くの工程時間を要求するため、膜加湿器１０の生産性を低下させる。
図３の（ｂ）に示すように、排ガスが低温であるので、負の熱膨脹性質を有する空隙調整管１１５は、膨脹して中空糸膜１１２の間の空隙は縮小され、これにより、低温の排ガスが流動できる空間が縮小されて、排ガスによる乾燥空気の加湿量及び加湿速度が小さくなるように調整されることができる。
上記のような本発明の第１実施形態によれば、別の追加部品のない簡単な構造で構成されながらも、燃料電池スタックの出力状況に応じて、中空糸膜１１２の間の空隙を自動に調整できるので、膜加湿器のサイズを小型化でき、製造費用を低減できる。
次に、図４～図６を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器を説明する。図４は、本発明の第２実施形態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５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図であり、図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。
図１の従来膜加湿器１０を参照すれば、複数の中空糸膜１１ｂの末端が固定されているポッティング部１１ｃ及びポッティング部１１ｃとミッド－ケース１１ａとの間の樹脂層１１ｄがキャップ１２の内部空間とミッド－ケース１１ａの内部空間とを遮断する。ポッティング部１１ｃと同様に、樹脂層１１ｄ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。しかし、樹脂層１１ｄ形成のためのキャスティング工程は、相対的に多くの工程時間を要求するため、膜加湿器１０の生産性を低下させる。
【0016】
また、樹脂層１１ｄがポッティング部１１ｃはもちろん、ミッド－ケース１１ａの内壁にも接着されているため、中空糸膜１１ｂに問題が発生する場合、加湿モジュール１１全体を交替しなければならず、莫大な維持補修費用が誘発される。
さらに、燃料電池の繰り返し的運転は、樹脂層１１ｄとミッド－ケース１１ａとの間にギャップ（ｇａｐ）を引き起こす蓋然性が高い。すなわち、燃料電池の運転及び停止が繰り返されることで、樹脂層１１ｄの膨脹及び収縮が交互に発生しつつ、ミッド－ケース１１ａと樹脂層１１ｄとの熱膨張係数差のため、樹脂層１１ｄがミッド－ケース１１ａから離れるようになる蓋然性が高い。前述したように、樹脂層１１ｄとミッド－ケース１１ａとの間にギャップが引起こされれば、圧力差による空気漏れが発生して燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。
このような問題を解決するために、図４～図６に示されたように、本発明の燃料電池膜加湿器２００は、加湿モジュール２１０とキャップ２２０とガスケット組立体２３０とを備える。
加湿モジュール２１０は、外部から供給される空気を燃料電池スタックから排出される排ガス内の水分で加湿する。加湿モジュール２１０の両末端の各々は、キャップ２２０と結合される。キャップ２２０のうち、いずれか１つは、外部から供給される空気を加湿モジュール２１０に供給し、他の１つは、加湿モジュール２１０により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。ガスケット組立体２３０は、加湿モジュール２１０の各末端に機械的組立を介して気密に結合される。
さらに、燃料電池の繰り返し的運転は、樹脂層１１ｄとミッド－ケース１１ａとの間にギャップ（ｇａｐ）を引き起こす蓋然性が高い。すなわち、燃料電池の運転及び停止が繰り返されることで、樹脂層１１ｄの膨脹及び収縮が交互に発生しつつ、ミッド－ケース１１ａと樹脂層１１ｄとの熱膨張係数差のため、樹脂層１１ｄがミッド－ケース１１ａから離れるようになる蓋然性が高い。前述したように、樹脂層１１ｄとミッド－ケース１１ａとの間にギャップが引起こされれば、圧力差による空気漏れが発生して燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。
このような問題を解決するために、図４～図６に示されたように、本発明の燃料電池膜加湿器２００は、加湿モジュール２１０とキャップ２２０とガスケット組立体２３０とを備える。
加湿モジュール２１０は、外部から供給される空気を燃料電池スタックから排出される排ガス内の水分で加湿する。加湿モジュール２１０の両末端の各々は、キャップ２２０と結合される。キャップ２２０のうち、いずれか１つは、外部から供給される空気を加湿モジュール２１０に供給し、他の１つは、加湿モジュール２１０により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。ガスケット組立体２３０は、加湿モジュール２１０の各末端に機械的組立を介して気密に結合される。
【0017】
加湿モジュール２１０は、外部から供給される空気と排ガスとの間の水分交換が起こる装置であって、排ガス流入口２１１ａと排ガス排出口２１１ｂとを有するミッド－ケース２１１及びミッド－ケース２１１内に配置される少なくとも１つのカートリッジ２１２を備えることができる。
ミッド－ケース２１１とキャップ２２０とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などであることができる。ミッド－ケース２１１の内部空間は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）２１１ｃにより第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに仕切られることができる。（図８参照）
カートリッジ２１２は、複数の中空糸膜２１２ａ及びこれらを互いに固定させるポッティング部２１２ｂを備えることができる。中空糸膜２１２ａの末端は、ポッティング部２１２ｂに固定されることができる。また、中空糸膜２１２ａの間には、空隙調整管２１５が配置される。空隙調整管２１５は、前述した第１実施形態の空隙調整管１１５と実質的に同一であるので、繰り返し説明は省略する。
ミッド－ケース２１１とキャップ２２０とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などであることができる。ミッド－ケース２１１の内部空間は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）２１１ｃにより第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに仕切られることができる。（図８参照）
カートリッジ２１２は、複数の中空糸膜２１２ａ及びこれらを互いに固定させるポッティング部２１２ｂを備えることができる。中空糸膜２１２ａの末端は、ポッティング部２１２ｂに固定されることができる。また、中空糸膜２１２ａの間には、空隙調整管２１５が配置される。空隙調整管２１５は、前述した第１実施形態の空隙調整管１１５と実質的に同一であるので、繰り返し説明は省略する。
【0018】
ガスケット組立体２３０は、加湿モジュール２１０の各末端に機械的組立を介して気密に結合されることができる。ガスケット組立体２３０の機械的組立を介してミッド－ケース２１１とキャップ２２０との間の空気漏れを防止するので、従来技術のキャスティング工程（すなわち、液状樹脂を注型に注入し、硬化する工程）及び追加的シーリング工程（すなわち、シールラントを塗布し、硬化させる工程）などを省略できる。
また、ガスケット組立体２３０は、機械的組立を介して加湿モジュール２００に装着されるので、加湿モジュール２１０の特定部分（例えば、カートリッジ２１２）に異常が発生する場合、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０から機械的に簡単に分離した後、当該部分だけを修理または交替することが可能である。
ガスケット組立体２３０は、パッキング部２３１、エッジ部２３２、シーリング部２３３を備える。パッキング部２３１とエッジ部２３２とは、２０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａ、望ましくは、３０～６０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有する弾性物質（例えば、シリコン、ゴムなど）で形成されることができる。シーリング部２３３は、固相シーリング材、液相シーリング材のうち、少なくともいずれか１つを含むことができる。固相シーリング材は、シリコン、アクリルラバー、ＥＰＤＭ、ＮＢＲなどのような材質で製造されることができ、液相シーリング材は、シリコン、ウレタンなどのような材質で製造されることができる。
パッキング部２３１は、カートリッジ２１２の端部（例えば、ポッティング部２１２ｂ）が挿入されるホールＨを備え、ミッド－ケース２１１とカートリッジ２１２との間に介在される。パッキング部２３１は、ボディー部材２３１ａと突出部材２３１ｂとを備える。
また、ガスケット組立体２３０は、機械的組立を介して加湿モジュール２００に装着されるので、加湿モジュール２１０の特定部分（例えば、カートリッジ２１２）に異常が発生する場合、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０から機械的に簡単に分離した後、当該部分だけを修理または交替することが可能である。
ガスケット組立体２３０は、パッキング部２３１、エッジ部２３２、シーリング部２３３を備える。パッキング部２３１とエッジ部２３２とは、２０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａ、望ましくは、３０～６０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有する弾性物質（例えば、シリコン、ゴムなど）で形成されることができる。シーリング部２３３は、固相シーリング材、液相シーリング材のうち、少なくともいずれか１つを含むことができる。固相シーリング材は、シリコン、アクリルラバー、ＥＰＤＭ、ＮＢＲなどのような材質で製造されることができ、液相シーリング材は、シリコン、ウレタンなどのような材質で製造されることができる。
パッキング部２３１は、カートリッジ２１２の端部（例えば、ポッティング部２１２ｂ）が挿入されるホールＨを備え、ミッド－ケース２１１とカートリッジ２１２との間に介在される。パッキング部２３１は、ボディー部材２３１ａと突出部材２３１ｂとを備える。
【0019】
ボディー部材２３１ａは、カートリッジ２１２端部（例えば、ポッティング部２１２ｂ）が挿入されるホールＨを備え、ホールＨは、カートリッジ２１２端部の形状と対応する形状で形成される。ボディー部材２３１ａからミッド－ケース２１１側に突出形成された下部ボディー部材２３１ａａは、断面が多角形状（例えば、台形）で形成されることができ、キャップ２２０側に形成された上部ボディー部材２３１ａｂは、平面形状で形成されることができる。下部ボディー部材２３１ａａとカートリッジポッティング部２１２ｂとの間には、シーリング部２３３が配置される空間が形成される。また、下部ボディー部材２３１ａａとエッジ部２３２との間には、ミッド－ケース２１１の端部２１１ｄが挟まれる溝Ｇが形成される。
突出部材２３１ｂは、ホールＨに挿入されたカートリッジポッティング部２１２ｂと接触するようにボディー部材２３１ａの一端に形成される。突出部材２３１ｂは、ボディー部材２３１ａの一端部から突出された少なくとも１個以上の環状突起であることができる。突出部材２３１ｂは、弾性力によってカートリッジポッティング部２１２ｂを加圧しながら接触して、ミッド－ケース２１１の空間とキャップ２２０による空間とを気密にすることができる。したがって、突出部材２３１ｂは、ミッド－ケース２１１内の流体がキャップ２２０Ｃ側に形成された空間に流れることを防止できる。また、突出部材２３１ｂは、弾性を有しているので、振動緩衝機能を果たすことができ、したがって、加湿器２００の振動による損傷を防止できる。
突出部材２３１ｂは、ホールＨに挿入されたカートリッジポッティング部２１２ｂと接触するようにボディー部材２３１ａの一端に形成される。突出部材２３１ｂは、ボディー部材２３１ａの一端部から突出された少なくとも１個以上の環状突起であることができる。突出部材２３１ｂは、弾性力によってカートリッジポッティング部２１２ｂを加圧しながら接触して、ミッド－ケース２１１の空間とキャップ２２０による空間とを気密にすることができる。したがって、突出部材２３１ｂは、ミッド－ケース２１１内の流体がキャップ２２０Ｃ側に形成された空間に流れることを防止できる。また、突出部材２３１ｂは、弾性を有しているので、振動緩衝機能を果たすことができ、したがって、加湿器２００の振動による損傷を防止できる。
【0020】
エッジ部２３２は、ボディー部材２３１ａの他端に形成される。エッジ部２３２は、ミッド－ケースの端部に形成された溝２１１ｅとキャップの端部２２０ａにより形成された空間に介在されることができる。エッジ部２３２は、両方向に突出されたエッジウィング２３２ａ、２３２ｂを備えることができる。エッジウィング２３２ａ、２３２ｂは、加湿モジュール２１０の長さ方向に形成されることができる。組立の際に、ミッド－ケース端部の溝２１１ｅにエッジウィング２３２ａ、２３２ｂを挿入し、キャップの端部２２０ａがエッジウィング２３２ｂを加圧した後、ボルトＢなどの締め付け手段で締め付けて組み立てることができる。このとき、エッジウィング２３２ａ、２３２ｂは、弾性を有した物質からなるので、エッジウィング２３２ａ、２３２ｂは、ミッド－ケース端部の溝２１１ｅ空間を一定部分満たしながら介在されることができる。ミッド－ケース２１１とキャップ２２０との端部側面には、ボルト締め付けのための締め付け孔が形成された締め付け切片２１１ｃｃ、２２０ｃが形成され得る。エッジウィング２３２ａ、２３２ｂは、ミッド－ケース端部の溝２１１ｅを気密にしてミッド－ケース２１１の内部と外部、そして、ミッド－ケース２１１とキャップ２２０とを封止させることができる。
【0021】
シーリング部２３３は、カートリッジ２１２とパッキング部２３１との間でカートリッジ２１２とパッキング部２３１とを接触するように形成される。具体的に、シーリング部２３３は、カートリッジのポッティング部２１２ｂとパッキング部の下部ボディー部材２３１ａａとを同時に接触（または、接着）するように形成される。シーリング部２３３は、ミッド－ケース２１１の空間とキャップ２２０の空間とを気密にしてミッド－ケース２１１内の流体がキャップ２２０側に流動することを防止する。
また、ガスケット組立体２３０は、補強部材２３４をさらに備えることができる。補強部材２３４は、第１の硬度より高い第２の硬度を有することができる。例えば、補強部材２３４は、金属、熱可塑性または熱硬化性樹脂などで形成されることができる。補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０成形の際、金型に金属プレートを挿入した後に製造することで、ガスケット組立体２３０内に挿入されて形成されることができる。補強部材２３４は、パッキング部２３１の少なくとも一部とエッジ部２３２の少なくとも一部とに挿入されて形成されることができる。補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０の中で変形に脆弱な部分（溝Ｇが形成された部分）に形成されることができる。パッキング部２３１及びエッジ部２３２より高い硬度を有する補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０に機械的に組み立てるとき、または加湿器運転中にボディー部材２３１ａの変形が引き起こされることを防止することにより、空気漏れをより確実に担保することができる。
また、ガスケット組立体２３０は、補強部材２３４をさらに備えることができる。補強部材２３４は、第１の硬度より高い第２の硬度を有することができる。例えば、補強部材２３４は、金属、熱可塑性または熱硬化性樹脂などで形成されることができる。補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０成形の際、金型に金属プレートを挿入した後に製造することで、ガスケット組立体２３０内に挿入されて形成されることができる。補強部材２３４は、パッキング部２３１の少なくとも一部とエッジ部２３２の少なくとも一部とに挿入されて形成されることができる。補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０の中で変形に脆弱な部分（溝Ｇが形成された部分）に形成されることができる。パッキング部２３１及びエッジ部２３２より高い硬度を有する補強部材２３４は、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０に機械的に組み立てるとき、または加湿器運転中にボディー部材２３１ａの変形が引き起こされることを防止することにより、空気漏れをより確実に担保することができる。
【0022】
上記のような本発明の第２実施形態によれば、ガスケット組立体２３０の機械的組立を介してミッド－ケース２１１とキャップ２２０との間の空気漏れを防止するので、従来技術のキャスティング工程（すなわち、液状樹脂を注型に注入し、硬化する工程）及び追加的シーリング工程（すなわち、シールラントを塗布し、硬化させる工程）などを省略できる。したがって、ミッド－ケース２１１とキャップ２２０との間の空気漏れを防止しながらも、燃料電池膜加湿器２００の生産工程時間を短縮させることで、その生産性を画期的に向上させることができる。
また、ガスケット組立体２３０は、機械的組立を介して加湿モジュール２１０に装着されるので、加湿モジュール２１０の特定部分（例えば、カートリッジ２１２）に異常が発生する場合、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０から機械的に簡単に分離した後、当該部分だけを修理または交替することが可能である。したがって、本実施形態によれば、燃料電池膜加湿器２００の維持補修費用を相当に低減することができる。
次に、図７及び図８を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例を説明する。図７及び図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
また、ガスケット組立体２３０は、機械的組立を介して加湿モジュール２１０に装着されるので、加湿モジュール２１０の特定部分（例えば、カートリッジ２１２）に異常が発生する場合、ガスケット組立体２３０を加湿モジュール２１０から機械的に簡単に分離した後、当該部分だけを修理または交替することが可能である。したがって、本実施形態によれば、燃料電池膜加湿器２００の維持補修費用を相当に低減することができる。
次に、図７及び図８を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例を説明する。図７及び図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
【0023】
図７及び図８に示すように、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例２００ａ、２００ｂは、（i）ミッド－ケース２１１の内部空間が隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）２１１ｃにより第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに仕切られ、（ii）カートリッジ２１２がインナーケース（ｉｎｎｅｒ ｃａｓｅ）２１２ｃをさらに備えているということを除いては、前述した第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器２００と実質的に同様である。
インナーケース２１２ｃは、各末端に開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有し、中空糸膜２１２ａ及び空隙調整管２１５がその中に入っている。中空糸膜２１２ａの端部がポッティングされているポッティング部２１２ｂは、インナーケース２１２ｃの開口を閉鎖させる。
図７に示されたように、ポッティング部２１２ｂの少なくとも一部がインナーケース２１２ｃの外に位置することができ、ガスケット組立体２３０の突出部材２３１ｂは、ポッティング部２１２ｂに密着することができる。または、図８に示されたように、ポッティング部２１２ｂ全体がインナーケース２１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体２３０の突出部材２３１ｂがポッティング部２１２ｂでないインナーケース２１２ｃに密着することができる。
インナーケース２１２ｃは、第１の空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第１のメッシュホール」）ＭＨ１及び第２の空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第２のメッシュホール」）ＭＨ２を備える。
排ガス流入口２１１ａを介してミッド－ケース２１１の第１の空間Ｓ１に流入した排ガスは、第１のメッシュホールＭＨ１を介してインナーケース２１２ｃ内に流れ込んで中空糸膜２１２ａの外表面と接触する。次いで、水分を奪われた排ガスは、第２のメッシュホールＭＨ２を介して第２の空間Ｓ２に抜け出した後、排ガス排出口２１１ｂを介してミッド－ケース２１１から排出される。このようなインナーケース２１２ｃを備えるカートリッジ２１２は、ミッド－ケース２１１に容易に組み立てられ得るだけでなく、容易に交替されることができるという長所を有する。
インナーケース２１２ｃは、各末端に開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有し、中空糸膜２１２ａ及び空隙調整管２１５がその中に入っている。中空糸膜２１２ａの端部がポッティングされているポッティング部２１２ｂは、インナーケース２１２ｃの開口を閉鎖させる。
図７に示されたように、ポッティング部２１２ｂの少なくとも一部がインナーケース２１２ｃの外に位置することができ、ガスケット組立体２３０の突出部材２３１ｂは、ポッティング部２１２ｂに密着することができる。または、図８に示されたように、ポッティング部２１２ｂ全体がインナーケース２１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体２３０の突出部材２３１ｂがポッティング部２１２ｂでないインナーケース２１２ｃに密着することができる。
インナーケース２１２ｃは、第１の空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第１のメッシュホール」）ＭＨ１及び第２の空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第２のメッシュホール」）ＭＨ２を備える。
排ガス流入口２１１ａを介してミッド－ケース２１１の第１の空間Ｓ１に流入した排ガスは、第１のメッシュホールＭＨ１を介してインナーケース２１２ｃ内に流れ込んで中空糸膜２１２ａの外表面と接触する。次いで、水分を奪われた排ガスは、第２のメッシュホールＭＨ２を介して第２の空間Ｓ２に抜け出した後、排ガス排出口２１１ｂを介してミッド－ケース２１１から排出される。このようなインナーケース２１２ｃを備えるカートリッジ２１２は、ミッド－ケース２１１に容易に組み立てられ得るだけでなく、容易に交替されることができるという長所を有する。
【0024】
次に、図９～図１２を参照して本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器及びその変形例を説明する。図９は、本発明の第３実施形態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１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図であり、図１１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図であり、図１２は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例が示された結合断面図である。
図９～図１１に示されたように、本発明の第３実施形態に係る燃料電池加湿器３００は、（i）加湿モジュール２１０が２個以上のカートリッジ２１２を備え、（ii）ガスケット組立体３３０は、カートリッジ２１２が各々挿入される２個以上のホールＨを備え、（iii）カートリッジポッティング部２１２ｂと接触するようにボディー部材２３１ａの一端に形成される２個以上の突出部材２３１ｂを備え、（iv）カートリッジ２１２とパッキング部２３１との間でカートリッジ２１２とパッキング部２３１とを接触するように形成される２個以上のシーリング部２３３を備える点を除いては、前述した第２実施形態に係る燃料電池加湿器２００と実質的に同様である。
図９～図１１に示されたように、本発明の第３実施形態に係る燃料電池加湿器３００は、（i）加湿モジュール２１０が２個以上のカートリッジ２１２を備え、（ii）ガスケット組立体３３０は、カートリッジ２１２が各々挿入される２個以上のホールＨを備え、（iii）カートリッジポッティング部２１２ｂと接触するようにボディー部材２３１ａの一端に形成される２個以上の突出部材２３１ｂを備え、（iv）カートリッジ２１２とパッキング部２３１との間でカートリッジ２１２とパッキング部２３１とを接触するように形成される２個以上のシーリング部２３３を備える点を除いては、前述した第２実施形態に係る燃料電池加湿器２００と実質的に同様である。
【0025】
インナーケース２１２ｃを各々備える複数のカートリッジ２１２が一定間隔をおいてミッド－ケース２１１内に装着されることにより、ミッド－ケース２１１内に存在する全ての中空糸膜２１２ａに排ガスが均一に分配され得るだけでなく、問題が発生した特定カートリッジ２１２のみを選別的に交替することができ、燃料電池加湿器３００の維持補修費用をさらに低減することができる。
一方、図１２に示されたように、本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例３００ａは、カートリッジ２１２のそれぞれのポッティング部２１２ｂ全体がそれに対応するインナーケース２１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体３３０の突出部材２３１ｂがポッティング部２１２ｂでないインナーケース２１２ｃに各々密着するということを除いては、前述した第３実施形態に係る燃料電池加湿器３００と実質的に同様である。
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。
一方、図１２に示されたように、本発明の第３実施形態に係る燃料電池膜加湿器の変形例３００ａは、カートリッジ２１２のそれぞれのポッティング部２１２ｂ全体がそれに対応するインナーケース２１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体３３０の突出部材２３１ｂがポッティング部２１２ｂでないインナーケース２１２ｃに各々密着するということを除いては、前述した第３実施形態に係る燃料電池加湿器３００と実質的に同様である。
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】
【0026】
１００、２００、２００ａ、２００ｂ、３００、３００ａ：燃料電池膜加湿器
１１０、２１０：加湿モジュール １１１、２１１：ミッド－ケース
１１１ａ、２１１ａ：排ガス流入口 １１１ｂ、２１１ｂ：排ガス排出口
２１１ｃ：隔壁 ２１２：カートリッジ
１１２、２１２ａ：中空糸膜 １１３、２１２ｂ：ポッティング部
２１２ｃ：インナーケース １１５、２１５：空隙調整管
１２０、２２０：キャップ ２３０、３３０：ガスケット組立体
２３１：パッキング部 ２３１ａ：ボディー部材
２３１ｂ：突出部材 ２３２：エッジ部
２３３：シーリング部 ２３４：補強部材
１１０、２１０：加湿モジュール １１１、２１１：ミッド－ケース
１１１ａ、２１１ａ：排ガス流入口 １１１ｂ、２１１ｂ：排ガス排出口
２１１ｃ：隔壁 ２１２：カートリッジ
１１２、２１２ａ：中空糸膜 １１３、２１２ｂ：ポッティング部
２１２ｃ：インナーケース １１５、２１５：空隙調整管
１２０、２２０：キャップ ２３０、３３０：ガスケット組立体
２３１：パッキング部 ２３１ａ：ボディー部材
２３１ｂ：突出部材 ２３２：エッジ部
２３３：シーリング部 ２３４：補強部材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】