JP2021524133A

JP2021524133A - 燃料電池膜加湿器

Info

Publication number: JP2021524133A
Application number: JP2020563923A
Authority: JP
Inventors: ドウキム; キョンジュキム; ジュンヒュンイ
Original assignee: コーロンインダストリーズインク
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2021-09-09
Also published as: EP3806211A1; US20210151780A1; KR20190138288A; EP3806211A4; CN112236890A; WO2019235800A1; KR102392264B1; JP2022091833A; JP7325163B2

Abstract

本発明は膜加湿器の内外部の圧力差によって発生する加湿効率の低下を防止することができる燃料電池膜加湿器に関するものである。本発明の実施例による燃料電池膜加湿器は、内部にモジュール挿入部を有するミドルケースと、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る中空糸膜モジュールと、前記ミドルケースの内壁と前記モジュール挿入部との間の圧力バッファー部とを含む。【選択図】図９

Description

本発明は燃料電池膜加湿器に関するもので、より具体的には膜加湿器の内外部の圧力差によって発生する加湿効率の低下を防止することができる燃料電池膜加湿器に関するものである。

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の一般化学電池とは違い、水素と酸素が供給される限り、ずっと電気を生産することができ、熱損失がなくて内燃機関より効率が２倍程度高いという利点がある。

また、水素と酸素の結合によって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から、公害物質の排出が少ない。よって、燃料電池は環境に優しいだけでなく、エネルギー消費増加による資源枯渇に対するおそれを減らすことができるという利点を有する。

このような燃料電池は、使われる電解質の種類によって、大きくは、高分子電解質型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：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。

これらの燃料電池のそれぞれは根本的に同じ原理によって作動するが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。このうち、高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べ、低温で動作するという点、及び出力密度が高くて小型化が可能であるから、小規模据置型発電装備だけではなく輸送システムにおいても最も有望なものであると知られている。

高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることにおいて最も重要な要因の一つは、膜電極組立体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ）［陽子交換膜（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）ともいう］（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するようにすることである。高分子電解質膜が乾燥すれば、発電効率が急激に低下するからである。

高分子電解質膜を加湿する方法としては、１）耐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ー（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な水分量を計算し、ソレノイドバルブを通してガス流動管（ｇａｓｓｔｒｅａｍｐｉｐｅ）に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を用いてガス流動層（ｇａｓｆｌｕｉｄｂｅｄ）に水分を供給する膜加湿方式などがある。

これらの中でも、排気ガス中に含まれる水蒸気のみ選択的に透過させる膜を用いて水蒸気を、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膜加湿方式が加湿器を軽量化及び小型化することができるという点で有利である。
膜加湿方式に使われる選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当たり透過面積の大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を用いて膜加湿器を製造する場合、接触表面積の広い中空糸膜の高集積化が可能であり、小容量でも燃料電池を十分に加湿することができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池から高温で排出されるオフガスに含まれた水分及び熱を回収して加湿器を通して再使用することができるという利点を有する。

一方、膜加湿器の稼働の際に膜加湿器の内外部の圧力差によって加湿効率が低下する問題点が発生する。これを図１〜図４を参照して説明する。

図１〜図４は従来技術による燃料電池膜加湿器の断面図である。説明の便宜のために、図面にはポッティング部Ｐの中空糸膜のみ示し、残りの部分の中空糸膜は省略して示した。従来技術の膜加湿器は、複数の中空糸膜を収容す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。図示のように、中空糸膜モジュール１１はカートリッジ形態に形成されることができる。ミドルケース１０の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は複数の隔壁１２ａ、１２ｂを含む。ここで、モジュール挿入部１２の外郭を成す隔壁１２ｂは実質的にミドルケース１０の一部である。

図２に示すように、中空糸膜モジュール１１の両側面が互いに隣り合う隔壁１２ａ、１２ｂの間に挟まれるように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。ここで、ミドルケース１０は中央陷沒部（ｃｅｎｔｒａｌｄｅｎｔｐａｒｔ）を備え、前記中央陷沒部の内壁と中空糸膜モジュール１１が気密に密着する。その結果、前記中央陷沒部の両側に位置する前記ミドルケース１０の非陷沒部（ｎｏｎ−ｄｅｎｔｐａｒｔｓ）と中空糸膜モジュール１１との間にそれぞれ形成される二つの流体流動空間（ｆｌｕｉｄ−ｆｌｏｗｉｎｇｓｐａｃｅｓ）Ａ、Ｂは互いに隔離される。

一方、燃料電池スタック（図示せず）から排出された第２流体（すなわち、オフガス）はミドルケース１０に形成された流体流入口（図示せず）を通して流入し、中空糸膜モジュール１１を通して流動しながら、ブロアーから供給されて中空糸膜の内部を流動する第１流体（すなわち、空気）と水分を交換する。未説明の図面符号２０はミドルケース１０と結合するキャップケースであり、キャップケース２０には第１流体が流入／流出する流体流入／流出ポート２０ａが形成される。

しかし、高圧の運転条件で［すなわち、流体流入口（図示せず）を通してミドルケース１０内に流入する第２流体が膜加湿器の外部の大気圧Ｐ２より高い高圧Ｐ１の流体の場合、膜加湿器の内部と外部との間に圧力差が発生し、膜加湿器の内部を流動する第２流体の圧力Ｐ１が外部の大気圧Ｐ２より高いので、膜加湿器の外部方向に圧力勾配が形成され、膜加湿器の一部（特に、ミドルケース１０の中央陷沒部）は、図３に示すように、膜加湿器の外部方向に変形される。一方、ミドルケース１０の内部に存在する隔壁１２ａは隔壁の両側の圧力Ｐ１が同一であるので、圧力勾配が形成されなくて変形が発生しない。

図４に示すように、圧力勾配によって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の内壁との間にギャップＧを発生させ、このようなギャップＧを通して流体流動空間Ａの第２流体は中空糸膜モジュール１１を通さずに流体流動空間Ｂに直ちに流動することになる。中空糸膜モジュール１１を通過しなかった第２流体は中空糸膜を通しての加湿に何らの寄与もできないので、加湿効率が落ちる問題がある。
一方、図１〜図４にはミドルケース１０の流体流入口（図示せず）を通して第２流体（すなわち、オフガス）が流入するものを例示したが、これに限定されず、ミドルケース１０の流体流入口（図示せず）を通して第１流体（すなわち、空気）が流入し、キャップケース２０の流体流入口２０ａを通して燃料電池スタック（図示せず）から排出された第２流体が流入することもできる。

本発明は膜加湿器の内外部の圧力差によって発生する加湿効率の低下を防止す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。

本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器は、内部にモジュール挿入部を有するミドルケースと、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る中空糸膜モジュールと、前記ミドルケースの内壁と前記モジュール挿入部との間の圧力バッファー部とを含む。

本発明の一実施例によ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から離隔している最外殻隔壁を含み、前記圧力バッファー部は前記最外郭隔壁と前記ミドルケースの内壁との間の空間からなる。

本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器において、前記モジュール挿入部は複数の隔壁を含み、前記複数の隔壁は、前記ミドルケースの内壁に最も近接した最外郭隔壁と前記最外郭隔壁の内側に配置される内側隔壁とを含み、前記圧力バッファー部は前記最外郭隔壁と前記ミドルケースの内壁との間の空間からなる。

本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器において、前記最外殻隔壁と前記ミドルケースの内壁との間に配置されて前記空間を互いに隔離された第１及び第２空間に分離する連結部をさらに含むことができる。

本発明の一実施例によ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した一つ以上の中空糸膜束又は複数の中空糸膜を収容する一つ以上の中空糸膜カートリッジを含むことができる。

本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器は、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を含み、前記ミドルケースは、中空糸膜モジュールが挿入されるミドルケースボディーと、前記ミドルケースボディーに着脱可能に結合されるミドルケースカバーとを含み、前記ミドルケースボディーと前記ミドルケースカバーとの間の空間は圧力バッファー部を形成する。

本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器において、前記ミドルケースボディーの少なくとも一側面には一つ以上の流体ウィンドウが形成されることができる。

本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器において、前記ミドルケースカバーは、流体が流入する流体流入口又は流体が流出する流体流出口を含むことができる。

本発明の他の実施例によ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した一つ以上の中空糸膜束又は複数の中空糸膜を収容する一つ以上の中空糸膜カートリッジを含むことができる。

本発明の他の実施例によ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、複数の中空糸膜カートリッジを含み、前記ミドルケースボディーの内部には複数の隔壁が形成されることができる。
その他の本発明の多様な側面による具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よれば、膜加湿器の内外部の圧力差によって発生する加湿効率の低下を防止することができる。

従来技術によ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。従来技術によ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。従来技術によ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。従来技術によ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。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器の多様な形態を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器の多様な形態を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器の多様な形態を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器の多様な形態を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器のミドルケースの一部を示す断面図である。本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器のミドルケースに中空糸膜モジュールが配置された状態を示す断面図である。本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器を示す断面図である。本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器を示す断面図である。

本発明は多様な変換を加えることができ、さまざまな実施例を有するが、ここでは特定の実施例を例示し、詳細な説明で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に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、均等物乃至代替物を含むものに理解されなければならない。

本発明で使用した用語はただ特定の実施例を説明するために使用したものであり、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で明白に他に指示しない限り、複数の表現を含む。本発明で、‘含む’又は‘有する’などの用語は明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組合せの存在又は付加の可能性を予め排除しないものに理解されなければならない。以下、図面に基づいて本発明の実施例による燃料電池膜加湿器を説明する。

図５〜図８は本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器の多様な形態を示す図である。図５〜図８に示すように、本発明の一実施例によ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とを含む。

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なす。ミドルケース１１０とキャップケース１２０はポリカーボネートなどの硬質プラスチック又は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は、図５及び図６のように、幅方向の断面形状が円形であってもよい。前記多角形は、方形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであってよく、前記多角形は角部がラウンド形態であってもよい。もしくは、図７及び図８のように、幅方向の断面形状が円形であってもよい。前記円形は楕円形であってもよい。図５〜図８は膜加湿器の例示的な形状であるだけ、これに限定されるものではない。

ミドルケース１１０は、第２流体を受けるための第２流体流入口１１１と、第２流体を排出するための第２流体流出口１１２とを有し、ミドルケース１１０の内部には、複数の中空糸膜を収容し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流体を排出するための第２流体流出口になることができ、図面符号１１２が第２流体を受けるための第２流体流入口になることができる。すなわち、図面符号１１１及び図面符号１１２のいずれか一方が第２流体流入口になり、他方が第２流体流出口になることができる。以下の説明で、図面符号１１１は第２流体流入口、図面符号１１２は第２流体流出口の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。

中空糸膜モジュールＦは、図６及び図８のように、複数の中空糸膜が集積した中空糸膜束であるか、図５及び図７のように、中空糸膜又は中空糸膜束を収容した中空糸膜カートリッジＣであってもよい。図５及び図７では複数の中空糸膜カートリッジＣが中空糸膜モジュールＦを形成するものを例示したが、これに限定されず、単一の中空糸膜カートリッジで中空糸膜モジュールＦを形成することもできる。以下では、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、幅方向の断面形状が多角形の図５の膜加湿器を例として本発明を説明するが、本発明の技術的特徴は図６〜図８の膜加湿器にも実質的に同様に適用可能である。また、円形又は四角形の断面形状を有するカートリッジＣ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。

キャップケース１２０はミドルケース１１０の両端に結合される。それぞれのキャップケース１２０には流体出入口１２１が形成されている。この中で一方は第１流体流入口になり、他方は第１流体流出口になる。一側のキャップケース１２０の流体出入口１２１に流入した第１流体は中空糸膜カートリッジＣ（図１参照）の内部に収容された中空糸膜の中空に沿って流れた後、他側のキャップケース１２０の流体出入口１２１を通して排出される。中空糸膜は、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）素材、ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）素材、ポリフェニルスルホン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリスルホン（ＰＳ）、又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）素材の中空糸膜になることができる。

中空糸膜カートリッジＣの一端には、第２流体流入口１１１を通して膜加湿器に流入した第２流体が中空糸膜カートリッジＣの内部に流入することができるようにする第１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Ｃの内部で水分を交換した第２流体が中空糸膜カートリッジＣの外部に流出することができるようにする第２メッシュ部Ｍ２（図１参照）が形成されることができる。中空糸膜カートリッジＣのそれぞれは、その両側面が互いに隣り合う隔壁２１１、２１２（図９参照）の間に挟まれるように、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Ｃの両側面には係止突起（図示せず）が形成されることができ、中空糸膜カートリッジＣがモジュール挿入部２１０に挿入されるとき、係止突起はモジュール挿入部２１０を成す隔壁２１１、２１２にわたって挿入されることができる。

中空糸膜カートリッジＣ又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間の空隙を埋めるポッティング部Ｐが形成される。よって、中空糸膜モジュールＦの両端部はポッティング部Ｐで塞がり、その内部には第２流体が通過する流路が形成される。ポッティング部Ｐは中空糸膜間の空隙を埋めるだけでなく、中空糸膜モジュールＦをミドルケース１１０に固定させることができる。ポッティング部Ｐの素材は公知のものであるので、この明細書で詳細な説明は省略する。

図９は本発明の一実施例による燃料電池膜加湿器のミドルケース１１０の一部を示す断面図である。図９に示すように、ミドルケース１１０の内部にはモジュール挿入部２１０と圧力バッファー部２２０とが形成される。

モジュール挿入部２１０には複数の中空糸膜を収容し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がそれぞれ挿入されることができるように、複数の隔壁２１１、２１２からなることができる。

ミドルケースの内壁１１０ａはモジュール挿入部２１０の最外郭を成す隔壁２１２から離隔している。最外殻隔壁２１２とミドルケースの内壁１１０ａとの間の空間Ｓは圧力バッファー部２２０を形成する。圧力バッファー部２２０は、最外殻隔壁２１２とミドルケースの内壁１１０ａとの間に配置された連結部２２１をさらに含むことができる。連結部２２１は最外殻隔壁２１２の周囲にわたって形成されることができる。連結部２２１は前記空間Ｓを互いに隔離された第１及び第２空間に分離することで、流体流動空間Ａと流体流動空間Ｂを隔離させ、流体出入口１２１を通してこれらの中でいずれか一流体流動空間に流入した流体が中空糸膜カートリッジＣのみを通して他の流体流動空間に流動するようにする。

一方、単一の中空糸膜カートリッジＣで中空糸膜モジュールＦを成す場合、内側隔壁２１１は省略することができる。この場合、モジュール挿入部２１０は最外殻隔壁２１２のみからなることができる。

このように構成される圧力バッファー部２２０は、最外殻隔壁２１２の両側の圧力が実質的に同一になるようにする。圧力バッファー部２２０によって最外殻隔壁２１２の両側には圧力勾配が形成されないので、最外殻隔壁２１２は変形されない。

これについて、図１０を参照すると、隣り合う隔壁２１１、２１２の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流体流入口１１１を通して流入した第２流体は、第１メッシュ部Ｍ１を通してカートリッジＣの内部に流入し、中空糸膜の外部を流れながら水分を交換した後、第２メッシュ部Ｍ２を通してカートリッジの外部に流出する。ここで、中空糸膜カートリッジＣを通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の両側の圧力が平衡を成し、前記内側隔壁２１１の変形が発生しない。

一方、最外郭隔壁２１２は、一側には中空糸膜カートリッジＣを通して高圧Ｐ１の第２流体が流動し、他側には中空糸膜カートリッジＣを流動しない高圧Ｐ１’の第２流体が流動する。最外郭隔壁２１２の両側を流動する第２流体は実質的に同一の圧力（Ｐ１＝Ｐ１’）を有するので、最外郭隔壁２１２の両側の圧力が平衡を成し、前記最外郭隔壁２１２の変形が発生しない。圧力バッファー部２２０を流動する第２流体の圧力Ｐ１’とミドルケース１１０の外部の大気圧Ｐ２との間の差による圧力勾配が生じてミドルケース１１０の内壁１１０ａが外部方向に変形されることもできるが、このような変形は最外郭隔壁２１２には実質的な影響を与えないだけでなく、前記連結部２２１がこのような変形を抑制することにより［すなわち、流体流動空間ＡとＢが前記連結部２２１によって依然として隔離されることにより］前記圧力バッファー部２２０を通しての第２流体の流れを防止することができる。よって、最外郭隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣとの間の気密性が維持され、第２流体が最外郭隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣとの間に流出しない。一方、圧力バッファー部２２０に流入した第２流体は連結部２２１で方向転換した後、中空糸膜カートリッジＣの内部に流れる。

したがって、従来とは違い、中空糸膜カートリッジＣと最外郭隔壁２１２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Ｆを通過せずに流体流動空間Ｂに流動することを防止することができ、その結果として加湿効率の低下を防止することができる。

次に、図１１及び図１２に基づいて本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器を説明する。図１１及び図１２は本発明の他の実施例による燃料電池膜加湿器を示す断面図である。
本実施例による燃料電池膜加湿器において、ミドルケース１１０は、ミドルケースボディー１１０ａとミドルケースカバー１１０ｂとを含む。前述した一実施例では、ミドルケース１１０の両端に第２流体が供給される第２流体流入口１１１と第２流体が排出される第２流体流出口１１２とが形成される反面、本実施例で、ミドルケース１１０は第２流体流入口１１１と第２流体流出口１１２がそれぞれ形成された一対のミドルケースカバー１１０ｂを備え、ミドルケースカバー１１０ｂはミドルケースボディー１１０ａに着脱可能に結合される。ミドルケースボディー１１０ａとミドルケースカバー１１０ｂには、組立によって互いに結合されるか分離されることができる締結構造が形成される。例えば、ミドルケースボディー１１０ａに挿合溝（図示せず）が形成され、ミドルケースカバーの端部に挿合突起（図示せず）が形成されることにより、締まりばめ方式で締結及び分離されることができる。もしくは、螺合方式で締結及び分離されることができる。

ミドルケースボディー１１０ａの内部には複数の中空糸膜からなる一つ以上の中空糸膜束又は一つ以上の中空糸膜カートリッジからなる中空糸膜モジュールが配置され、ミドルケースボディー１１０ａの少なくとも一側面には、ミドルケースカバー１１０ｂに形成された第２流体流入口１１１を通して流入した第２流体がミドルケースボディー１１０ａの内部を流動するようにし、ミドルケースカバー１１０ｂに形成された第２流体流出口１１２を通して第２流体が排出されるようにする一つ以上の流体ウィンドウ１１３が形成される。
流体ウィンドウ１１３は、図１１に示すように、ミドルケースボディー１１０ａの一側と他側にそれぞれ形成されるか、図１２に示すように、ミドルケースボディー１１０ａの一側に複数が形成されることができる。

ミドルケースカバー１１０ｂは、第２流体流入口１１１又は第２流体流出口１１２を含む。図面では第２流体流入口１１１又は第２流体流出口１１２がミドルケースカバー１１０ｂの中央に形成されているものを例示しているが、第２流体流入口１１１又は第２流体流出口１１２の位置は設計によって変わることができる。すなわち、燃料電池と燃料電池膜加湿器の設置位置及び設置空間などの設計環境によって第２流体流入口１１１又は第２流体流出口１１２の位置が調節されて製造されることができる。ここで、図１１のように、第２流体流入口１１１及び第２流体流出口１１２がミドルケースボディー１１０ａの両側に位置するようにすることができ、図１２のように、第２流体流入口１１１及び第２流体流出口１１２がミドルケースボディー１１０ａの一側のみに位置するようにすることができる。

本実施例で、ミドルケースボディー１１０ａの内部には複数の内側隔壁２１１が形成され、ミドルケースボディー１１０ａの外形の一部は最外郭隔壁２１２の機能を果たす。中空糸膜カートリッジＣは、内側隔壁２１１と内側隔壁２１１との間、及び内側隔壁２１１と最外郭隔壁２１２との間に挿入される。内側隔壁２１１と最外郭隔壁２１２はモジュール挿入部２１０を成し、ミドルケースボディー１１０ａとミドルケースカバー１１０ｂとの間の空間［より具体的には、前記最外郭隔壁２１２と前記ミドルケースカバー１１０ｂとの間の空間］Ｓは圧力バッファー部２２０の機能を果たす。

一方、単一の中空糸膜カートリッジから中空糸膜モジュールＦを構成する場合、内側隔壁２１１は省略することができる。この場合、モジュール挿入部２１０は最外殻隔壁２１２のみからなることができる。

圧力バッファー部２２０は、最外殻隔壁２１２の両側の圧力を実質的に同一にする。圧力バッファー部２２０によって最外殻隔壁２１２の両側には圧力勾配が形成されないので、最外殻隔壁２１２は変形されない。

これについて、図１１及び図１２を参照すると、燃料電池スタック（図示せず）から排出されて第２流体流入口１１１に流入した第２流体は、カートリッジＣの内部に流入し、中空糸膜の外部を流れながら水分を交換した後、カートリッジの外部に流出する。ここで、中空糸膜カートリッジＣを通して流動する第２流体の圧力Ｐ１が同一であるので、内側隔壁２１１の両側の圧力は平衡をなすので変形が発生しない。

最外郭隔壁２１２では、一側では中空糸膜カートリッジＣを通して高圧Ｐ１の第２流体が流動し、他側（空間Ｓ）では第２流体流入口１１１に流入した第２流体が流動する。両流体は同じ流体であるので、最外郭隔壁２１２の両側の圧力が平衡を成して変形が発生しない。

一方、圧力バッファー部２２０を成す空間Ｓには高圧の流体が流動し、ミドルケースカバー１１０ｂの外部には大気圧Ｐ２が存在する。よって、圧力差による圧力勾配が生じてミドルケースカバー１１０ｂの外部方向に変形が発生するが、このような変形はミドルケースボディー１１０ａの外形の一部である最外郭隔壁２１２には実質的な影響を与えない。よって、最外郭隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣの気密性が維持され、第２流体が最外郭隔壁２１２と中空糸膜カートリッジＣとの間に流出しない。すなわち、第２流体流入口１１１に流入した第２流体は流動空間Ａから流動空間Ｂに流出しない。その結果、加湿効率の低下を防止することができる。

以上では本発明の実施例について説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、特許請求範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範疇内で、構成要素の付加、変更、削除又は追加などによって本発明を多様に修正及び変更することができ、これも本発明の権利範囲に含まれると言える。

Claims

内部にモジュール挿入部を有するミドルケースと、
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る中空糸膜モジュールと、
前記ミドルケースの内壁と前記モジュール挿入部との間の圧力バッファー部と、
を含む、燃料電池膜加湿器。
前記モジュール挿入部は、前記ミドルケースの内壁から離隔している最外殻隔壁を含み、
前記圧力バッファー部は前記最外郭隔壁と前記ミドルケースの内壁との間の空間からなる、請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
前記モジュール挿入部は複数の隔壁を含み、
前記複数の隔壁は、前記ミドルケースの内壁に最も近接した最外郭隔壁と前記最外郭隔壁の内側に配置される内側隔壁とを含み、
前記圧力バッファー部は前記最外郭隔壁と前記ミドルケースの内壁との間の空間からなる、請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
前記最外殻隔壁と前記ミドルケースの内壁との間に配置されて前記空間を互いに隔離された第１及び第２空間に分離する連結部をさらに含む、請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。
前記最外殻隔壁と前記ミドルケースの内壁との間に配置されて前記空間を互いに隔離された第１及び第２空間に分離する連結部をさらに含む、請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。
前記中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜が集積した一つ以上の中空糸膜束又は複数の中空糸膜を収容する一つ以上の中空糸膜カートリッジを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池膜加湿器。
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を含み、
前記ミドルケースは、中空糸膜モジュールが挿入されるミドルケースボディーと、前記ミドルケースボディーに着脱可能に結合されるミドルケースカバーとを含み、
前記ミドルケースボディーと前記ミドルケースカバーとの間の空間は圧力バッファー部を形成する、燃料電池膜加湿器。
前記ミドルケースボディーの少なくとも一側面には一つ以上の流体ウィンドウが形成される、請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
前記ミドルケースカバーは、流体が流入する流体流入口又は流体が流出する流体流出口を含む、請求項７に記載の燃料電池膜加湿器。
前記中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜が集積した一つ以上の中空糸膜束又は複数の中空糸膜を収容する一つ以上の中空糸膜カートリッジを含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の燃料電池膜加湿器。
前記中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜カートリッジを含み、
前記ミドルケースボディーの内部には複数の隔壁が形成される、請求項１０に記載の燃料電池膜加湿器。