JP2022037013A

JP2022037013A - 燃料電池用膜加湿器

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Publication number: JP2022037013A
Application number: JP2021194717A
Authority: JP
Inventors: ドウキム; Do-Woo Kim; キョンジュキム; Kyoung Ju Kim; インホキム; In Ho Kim; ナヒョンアン; Na Hyeon An; ジンヒュンイ; Jin-Hyung Lee
Original assignee: Kolon Industries Inc
Current assignee: Kolon Industries Inc
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: EP3734731A1; JP6990312B2; EP3734731A4; WO2019132141A1; US20210057767A1; CN111566861B; CN111566861A; JP2021508917A; US11539060B2; JP7311575B2

Abstract

【課題】高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる燃料電池用膜加湿器を提供する。
【解決手段】本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器は、複数の中空糸膜を収容するミドルケース（１１０）と、前記ミドルケース（１１０）と結合されるキャップケース（１２０）と、前記複数の中空糸膜の端部に形成されたポッティング部（１３０）と、前記キャップケース（１２０）と前記ミドルケース（１１０）の端部との間に配置され、前記キャップケース（１２０）と前記ミドルケース（１１０）との間及び前記キャップケース（１２０）と前記ポッティング部（１３０）との間を同時に気密に結合させる組立部材（２００）とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池用膜加湿器に関するもので、より具体的には機械的組立構造によって高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる燃料電池用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倍ほど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がある。

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（ＰｈｏｓｐｈｏｒｉｃＡｃｉｄＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭｏｌｔｅｎＣａｒｂｏｎａｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（ＡｌｋａｌｉｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：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（ＰＥＭＦＣ）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（ＰＥＭＦＣ）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又はＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ：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供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを通してガス流動管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の流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。

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加湿膜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。

加湿膜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未反応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、一般的な燃料電池用膜加湿器は、ハウジング部の内部に中空糸膜を収容し、ポッティング部によって中空糸膜はハウジング部の内壁に接着される。中空糸膜はスタックの所望出力値によって特定の本数がハウジング部内に収容され、ポッティング部によってハウジング部に接着及び固定される。燃料電池用膜加湿器には、ブロワーから流入した高温の空気とスタックから流入した高温多湿の空気が流入する。ポッティング部は、熱膨張、熱収縮率が高くてハウジング部とポッティング部との間に隙間が生じ、これを通して空気が漏出する。これを防止するために、ハウジング部とポッティング部との間にはシーラントが塗布される。

空気が漏出する場合、ブロワーから流入した空気が燃料電池用膜加湿器から漏出し、スタックに流入した空気の量が少なくなるから、実際にスタックで必要とする流入量より多い量をブロワーから付加的に供給しなければならないので、ブロワーの消費電力量が大きくなり、これはシステム電力損失につながる。よって、できるだけ漏出がないようにすることが全体的な電力効率の側面で有利である。

本発明は機械的組立構造によって高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる燃料電池用膜加湿器を提供することを目的とする。

本発明の一形態による燃料電池用膜加湿器は、複数の中空糸膜を収容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、前記複数の中空糸膜の端部に形成されたポッティング部と、前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に配置され、前記キャップケースと前記ミドルケースとの間及び前記キャップケースと前記ポッティング部との間を同時に気密に結合させる組立部材とを含む。

前記組立部材は、前記キャップケースの内壁に接触し、前記ミドルケースの端部に装着される第１シーリング部と、前記第１シーリング部の内側に形成され、前記ポッティング部を取り囲むように形成される第２シーリング部とを含むことができる。

前記第１シーリング部は、前記キャップケースの内壁に接触するように前記ミドルケースの端部に装着され、“コ”字形に形成された第１シーリングボディーと、前記第１シーリングボディーの一端部から下方に延びて前記第２シーリング部と接触するように形成された第１シーリングレッグとを含むことができる。

前記第１シーリング部は、前記第１シーリングレッグの端部から内側に延び、その端部から上方に延びて前記第２シーリング部を取り囲むように形成された拡張レッグをさらに含むことができる。

前記第１シーリング部は、前記第１シーリングボディーの他端部から下方に延びて前記キャップケースの内壁及び前記ミドルケースの端部と接触する第２シーリングレッグをさらに含むことができる。

前記第２シーリング部は、前記ポッティング部を取り囲むように形成された第２シーリングボディーと、前記第１シーリングボディーに挿入されるシーリングアームとを含むことができる。

前記第１シーリング部は軟質材料からなり、前記第２シーリング部は硬質材料からなることができる。

本発明の他の形態による燃料電池用膜加湿器は、複数の中空糸膜を収容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、前記複数の中空糸膜の端部に形成されたポッティング部と、前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に配置され、前記キャップケースと前記ミドルケースとの間及び前記キャップケースと前記ポッティング部との間を同時に気密に結合させる組立部材とを含むことができる。

前記キャップケースは、前記ミドルケースと結合され、前記ポッティング部の外径より大きい内径を有する大径部と、前記大径部の一面から突出し、前記ポッティング部の外径より小さい内径を有する小径部とを含むことができる。

前記組立部材は、前記キャップケースと前記ミドルケースと前記ポッティング部との間に配置される本体部と、前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に圧着されて前記キャップケースと前記ミドルケースとの間を気密に結合する第１結合部と、前記ポッティング部の一端部に接触して前記キャップケースと前記ポッティング部との間を気密に結合する第２結合部とを含むことができる。

前記第１結合部は、前記本体部から外側に延びる第１延長部を含むことができる。
前記第１結合部は、前記第１延長部の端部から前記ミドルケースの外側面に接触するように延びる第２延長部をさらに含むことができる。

前記ミドルケースの端部の外側面には、前記第１結合部の第２延長部を収容する段差部が設けられ得る。

前記キャップケースは、前記ミドルケースの端部に対向する面から突出した突起を含むことができる。

前記組立部材の第２結合部は、内側面に形成された傾斜部を含み、前記ポッティング部は、端部の角部に形成されて前記第２結合部の傾斜部に密着する傾斜部を含むことができる。

前記組立部材の硬度は、前記ポッティング部より低い。
前記複数の中空糸膜はカートリッジに収容され、前記カートリッジは、一端部から外側方向に延びて前記組立部材の一面を支持する延長リブを含むことができる。

前記組立部材は、前記ポッティング部に接触する表面積を広げるために、内側に延びるリブ部をさらに含むことができる。

前記組立部材の硬度は前記ポッティング部より高く、前記ミドルケース及び前記キャップケースより低い。

前述した本発明の燃料電池用膜加湿器によれば、機械的組立構造によって高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる。

また、化学的気密方式ではない機械的気密方式であるので、従来の化学的気密方式に必要なポリウレタン／シーラント塗布及び硬化工程を省略することができるようになり、作業時間の短縮、作業効率の向上及び大量生産体制の構築が可能である。

また、膜加湿器の内部に配置される単位カートリッジの不良発生の際、再作業性に優れて部品スクラップの比率を低下させることができる。

また、膜加湿器を分解して該当不良カートリッジのみ交替して再組立すれば良いので、再作業性及び部品再活用の面で有利である。

そして、二つの分離型組立部材又は一つの一体型組立部材で２ケ所以上の部品の間を同時に気密に結合することができるので、製作及び組立が非常に簡便で効率的である。

本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す部分断面図である。本発明による組立部材の第１実施例を示す断面図である。本発明による組立部材の第２実施例を示す断面図である。本発明による組立部材の第３実施例を示す断面図である。本発明による組立部材の第３実施例を示す斜視図である。本発明による組立部材の第３実施例を示す分解斜視図である。図４の組立部材が燃料電池用膜加湿器を密封する状態を示す部分拡大図である。図５の組立部材が燃料電池用膜加湿器を密封する状態を示す部分拡大図である。図６の組立部材が燃料電池用膜加湿器を密封する状態を示す部分拡大図である。図５の組立部材がポッティング部に嵌合される過程を示す図である。図５の組立部材がポッティング部に嵌合された状態を示す図である。図６の組立部材がポッティング部に嵌合される過程を示す図である。図６の組立部材がポッティング部に嵌合された状態を示す図である。本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す分解斜視図である。本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す分解斜視図である。本発明の第４実施例による膜加湿器を示す断面図である。本発明の一実施例による中空糸膜カートリッジを示す斜視図である。本発明の一実施例による組立部材を示す斜視図である。本発明の一実施例による組立部材を示す斜視図である。本発明の第５実施例による膜加湿器を示す断面図である。本発明の第６実施例による膜加湿器を示す断面図である。本発明の第７実施例による膜加湿器を示す断面図である。本発明の第８実施例による膜加湿器を示す断面図である。本発明の第９実施例による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ことができるが、ここでは特定の実施例を例示して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しなければならない。

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示そ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しなければならない。

以下、図面に基づいて本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を説明する。
図１及び図２は本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す図である。図１及び図２に示すように、本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器は、ミドルケース１１０、キャップケース１２０、ポッティング部１３０、及び組立部材２００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１のように、幅方向断面形状が円形であるか、あるいは、図２のように、幅方向断面形状が多角形であり得る。前記多角形は、方形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであり得、前記多角形は角部がラウンド形態であってもよい。また、前記円形は楕円形であってもよい。ミドルケース１１０には、それぞれ第２流体が供給される第２流体流入口１１２と第２流体が排出される第２流体流出口１１３が形成されている。これとは反対に、“１１３”が第２流体流入口になり、“１１２”が第２流体流出口になることもできる。

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が配置される。中空糸膜モジュールは複数の中空糸膜が集積された中空糸膜束であるか、あるいは中空糸膜を収容した複数の中空糸膜カートリッジＣを含むことができる。図面では中空糸膜モジュールが中空糸膜カートリッジＣを含む場合を例示しているが、中空糸膜モジュールが中空糸膜束を含む場合を排除するものではない。

キャップケース１２０はミドルケース１１０の両端にそれぞれ結合される。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の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、ポリイミド（ＰＩ）素材、ポリフェニルスルホン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）素材、ポリスルホン（ＰＳ）素材、又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）素材からなる中空糸膜であり得る。

中空糸膜モジュールが複数の中空糸膜カートリッジＣを含む場合、中空糸膜カートリッジＣの一側には、第２流体流入口１１２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の内部に流入するようにする第１メッシュ部Ｍが形成され、他側には中空糸膜カートリッジＣの内部で水分交換を行った第２流体が中空糸膜カートリッジＣの外部に流出するようにする第２メッシュ部（図示せず）が形成され得る。

中空糸膜カートリッジＣ又は中空糸膜束の両端部には、中空糸膜を結束するとともに中空糸膜間の空隙を埋めるポッティング部１３０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１３０によって塞がり、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１３０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３は本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す部分断面図である。図３に示すように、組立部材２００は、第１シーリング部２１０と第２シーリング部２２０とを含む。組立部材２００はポッティング部１３０とミドルケース１１０の端部１１１との間に配置され、ミドルケース１１０の内部及びミドルケース１１０とキャップケース１２０との間を同時に密封する。

第１シーリング部２１０は、シリコン、軟質ゴムなどの硬度の低い軟質材料からなり、第２シーリング部２２０は、プラスチック、金属類、硬質ゴムなどの硬度の高い硬質材料からなる。ここで、硬度の高低基準は、ＡＳＴＭＤ２２４０（ＳｈｏｒｅＡ）７０度を基準にする。すなわち、７０度以上であれば硬質材料であり、７０度未満であれば軟質材料である。

組立部材２００は、軟質の第１シーリング部２１０が硬質の第２シーリング部２２０を取り囲むように形成され、特有の機械的組立構造によって高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる。

第１シーリング部２１０はキャップケースの内壁１２２に接触し、ミドルケースの端部１１１に装着される。第２シーリング部２２０は第１シーリング部２１０の内側に形成され、ポッティング部１３０を取り囲むように形成される。

軟質の第１シーリング部２１０は、組立過程で硬質の第２シーリング部２２０によって圧縮されながらキャップケースの内壁１２２を押圧するようになり、カートリッジＣとキャップケース１２０によって形成された空間とミドルケース１１０の内部空間を気密に密封させる。また、キャップケース１２０及びミドルケース１１０の内外部空間を気密に密封させる。また、実施例によって、組立過程で硬質の第２シーリング部２２０はポッティング部１３０を押圧し、カートリッジＣとキャップケース１２０によって形成された空間とミドルケース１１０の内部空間を気密に密封させる。実施例によって、キャップケース１２０の内壁には結合突起１２３が形成され、結合突起１２３は、膜加湿器の組立の際、キャップケース１２０と組立部材２００との間の固定力を向上させる。

組立部材２００は、ポッティング部１３０の素材によって多様な実施例に具現可能である。参考までに、図３では後述する第３実施例による組立部材が示されている。

以下、図４～図６を参照して多様な形態の組立部材２００について説明する。図４は本発明の一実施例による組立部材の第１実施例を示す断面図、図５は本発明の一実施例による組立部材の第２実施例を示す断面図、図６は本発明の一実施例による組立部材の第３実施例を示す断面図である。

図４に示すように、第１実施例の組立部材は、第１シーリングボディー２１１及び第１シーリングレッグ２１２を含む第１シーリング部２１０と、第２シーリングボディー２２１及びシーリングアーム２２２を含む第２シーリング部２２０とからなる。

第１シーリングボディー２１１はキャップケース１２０の内壁に接触し、“コ”字形に形成され、第１シーリングレッグ２１２は第１シーリングボディー２１１の一端部から下方に延びて第２シーリング部２２０と接触するように形成される（図９参照）。

膜加湿器の組立過程で、第１シーリングボディー２１１は第２シーリング部２２０によって圧縮されながらキャップケースの内壁１２２を押圧し、第１シーリングレッグ２１２は第２シーリング部２２０によって圧縮されながらミドルケース１１０の端部１１１を押圧することにより、カートリッジＣとキャップケース１２０によって形成された空間とミドルケース１１０の内部空間を気密に密封させる。

第２シーリングボディー２２１とシーリングアーム２２２は硬質材料からなる。シーリングアーム２２２は第１シーリングボディー２１１を押圧し、第２シーリングボディー２２１は第１シーリングレッグ２１２を押圧する。

このような第１実施例の組立部材は、ポッティング部１３０が軟質材料からなる場合に有用である。第１実施例の組立部材は、膜加湿器の組立過程で第２シーリングボディー２２１が軟質のポッティング部１３０に嵌合されるとき、ポッティング部１３０を内側に圧縮させながら嵌合される。第２シーリングボディー２２１とポッティング部１３０は、軟質材料のポッティング部１３０が元の位置に復元しようとする復元力によって気密に密封される。また、第２シーリングボディー２２１は第１シーリングレッグ２１２を押圧し、第１シーリングレッグ２１２は第２シーリングボディー２２１によって圧縮されながらミドルケース１１０の端部１１１を押圧することにより、カートリッジＣとキャップケース１２０によって形成された空間とミドルケース１１０の内部空間を気密に密封させる（図１２及び図１３参照）。ここで、組立部材とポッティング部１３０の容易な組立及び組立部材の圧縮のために、第２シーリングボディー２２１の底面と側面が成す角（θ）は９０度より大きいことが好ましい。

図５に示すように、第２実施例の組立部材は、第１シーリングボディー２１１、第１シーリングレッグ２１２及び第２シーリングレッグ２１３を含む第１シーリング部２１０と、第２シーリングボディー２２１及びシーリングアーム２２２を含む第２シーリング部２２０とからなる。ここで、第１シーリングボディー２１１、第１シーリングレッグ２１２、第２シーリングボディー２２１及びシーリングアーム２２２は前述した第１実施例と同様であるので、繰り返し説明は省略する。

第１シーリングレッグ２１２は第１シーリングボディー２１１の一端部から下方に延び、第２シーリングレッグ２１３は第１シーリングボディー２１１の他端部から下方に延びる。第１シーリングレッグ２１２と第２シーリングレッグ２１３との間にはミドルケース１１０の端部１１１が差し込まれる。ここで、ミドルケース１１０の端部１１１には第２シーリングレッグ２１３が挿入可能な段差部が形成される（図１０参照）。

このような第２実施例の組立部材は、ミドルケース１１０の端部１１１が第１シーリングレッグ２１２と第２シーリングレッグ２１３との間に差し込まれるので、組立部材２００とミドルケース１１０の結合力を一層高めることができる利点がある。

図６に示すように、第３実施例の組立部材は、第１シーリングボディー２１１、第１シーリングレッグ２１２、第２シーリングレッグ２１３及び拡張レッグ２１４を含む第１シーリング部２１０と、第２シーリングボディー２２１及びシーリングアーム２２２を含む第２シーリング部２２０とからなる。ここで、第１シーリングボディー２１１、第１シーリングレッグ２１２、第２シーリングレッグ２１３、第２シーリングボディー２２１及びシーリングアーム２２２は前述した第２実施例と同様であるので、繰り返し説明は省略する。

拡張レッグ２１４は軟質材料からなり、第１シーリングレッグ２１２の端部から内側に延び、その端部から上方に延びて第２シーリング部２２０（具体的に、第２シーリングボディー２２１）を取り囲むように形成される。（図１１参照）

このような第３実施例の組立部材は、ポッティング部１３０が硬質材料からなる場合に有用である。膜加湿器の組立過程で、第３実施例の組立部材が硬質のポッティング部１３０に嵌合されるとき、ポッティング部１３０によって軟質の拡張レッグ２１４が圧縮されながら嵌合される。組立部材とポッティング部は、軟質の拡張レッグ２１４が元の位置に復元しようとする復元力によって気密に密封される。また、第２シーリングボディー２２１は第１シーリングレッグ２１２を押圧し、第１シーリングレッグ２１２は第２シーリングボディー２２１によって圧縮されながらミドルケース１１０の端部１１１を押圧することにより、カートリッジＣとキャップケース１２０によって形成された空間とミドルケース１１０の内部空間を気密に密封させる（図１４及び図１５参照）。ここで、組立部材とポッティング部１３０の容易な組立及び組立部材の圧縮のために、第２シーリングボディー２２１の底面と側面が成す角（θ）は９０度より大きいことが好ましい。

前述した第１実施例及び第２実施例の組立部材は、ポッティング部１３０が軟質材料かなる場合に有用であり、第３実施例の組立部材は、ポッティング部１３０が硬質材料からなる場合に有用である。

このような第１～第３実施例の組立部材は、図７及び図８に示すような円形又は楕円形のリング形態に形成され、ポッティング部１３０とミドルケースの端部１１１との間に配される。図７及び図８は第３実施例の組立部材を例示したものであり、第１及び第２実施例の組立部材はこれから容易に導出できるので、図面の例示は省略する。

次に、本発明の他の実施例による燃料電池用膜加湿器の組立構造を説明する。
図１６及び図１７は本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す分解斜視図である。図１６及び図１７に示すように、本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器１００、ミドルケース１１０、キャップケース１２０、ポッティング部１３０、及び組立部材３００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。ミドルケース１１０とキャップケース１２０は、図１６のように、幅方向断面形状が円形であるか、あるいは、図１７のように、幅方向断面形状が多角形であり得る。前記多角形は、方形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであり得、前記多角形は角部がラウンド形態であり得る。また、前記円形は楕円形であり得る。ミドルケース１１０には、第２流体が供給される第２流体流入口１１２と第２流体が排出される第２流体流出口１１３が形成されている。これとは反対に、“１１３”が第２流体流入口になり、“１１２”が第２流体流出口になることもできる。

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が配置される。中空糸膜モジュールは複数の中空糸膜が集積された中空糸膜束であるか、あるいは中空糸膜を収容した複数の中空糸膜カートリッジ１４０（図１８参照）を含むことができる。図面では中空糸膜モジュールが中空糸膜カートリッジ１４０を含む場合を例示しているが、中空糸膜モジュールが中空糸膜束を含む場合を排除するものではない。

キャップケース１２０はミドルケース１１０の両端のそれぞれに結合される。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１４０の内部に収容された中空糸膜の内部管路を通過した後、他側のキャップケース１２０の流体出入口１２１から排出される。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、ポリイミド（ＰＩ）素材、ポリフェニルスルホン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）素材、ポリスルホン（ＰＳ）素材、又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）素材の中空糸膜であり得る。

中空糸膜モジュールが複数の中空糸膜カートリッジ１４０を含む場合、中空糸膜カートリッジ１４０の一側には、第２流体流入口１１２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１４０の内部に流入するようにする第１メッシュ部１４２が形成され、他側には中空糸膜カートリッジ１４０の内部で水分交換を行った第２流体が中空糸膜カートリッジ１４０の外部に流出するようにする第２メッシュ部（図示せず）が形成される。

中空糸膜カートリッジ１４０又は中空糸膜束の両端部には、中空糸膜を結束するとともに中空糸膜間の空隙を埋めるポッティング部１３０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１３０によって塞がり、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１３０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１８は本発明の第４実施例による膜加湿器を示す断面図、図９は本発明の一実施例による中空糸膜カートリッジを示す斜視図、図７０は本発明の一実施例による組立部材を示す斜視図である。

以下では、中空糸膜モジュールが中空糸膜カートリッジ１４０を含む実施例を示して説明する。また、中空糸膜カートリッジ１４０は図面に一つのみ示されているが、膜加湿器内に複数の中空糸膜カートリッジ１４０を含む場合を排除するものではない。

図１９の中空糸膜カートリッジ１４０は膜加湿器のケースの内部に配置される複数のカートリッジの中で一つのカートリッジを示すものである。図２０は一つのカートリッジ及びポッティング部を備える場合の組立部材を示すものであり、図示の組立部材３００は全体として向き合う一対の直線部と一対の半円部が互いに連結された形態を有する。図２０（ａ）はキャップケース１２０と接触する側から見た斜視図、図２０（ｂ）はその反対側から見た斜視図である。

組立部材３００はミドルケース１１０の端部１１１とキャップケース１２０との間に配置される。また、組立部材３００はキャップケース１２０とポッティング部１３０との間にも配置されると言える。

キャップケース１２０の内面はミドルケース１１０の端部１１１から離隔するように組み立てられる。また、キャップケース１２０の内面はポッティング部１３０とも離隔するように組み立てられる。よって、組立部材３００は、キャップケース１２０とミドルケース１１０との間及び前記キャップケース１２０とポッティング部１３０との間を同時に気密に結合するように組み立てられる。

ミドルケース１１０とキャップケース１２０は、複数のボルト、押込、溶接、クランピングなどの多様な締結方式（図示せず）で組み立てられる。ここで、組立部材３００がその間に介在されて圧着されるように組み立てられる。図１８以降の断面図はボルトなどの締結部を通らない平面に沿って切った断面図であるので、ボルトなどの締結部が示されていない。

前述したように、ミドルケース１１０とキャップケース１２０は多角形又は円形の断面を有することができる。図１８以降の断面図はミドルケース１１０とキャップケース１２０が方形断面を有する場合を示す。

キャップケース１２０は、ミドルケース１１０と結合し、ポッティング部１３０の外径Ｌ３より大きい内径Ｌ１を有する大径部１２５と、大径部１２５の一面から突出し、ポッティング部１３０の外径Ｌ３より小さい内径Ｌ２を有する小径部１２７とを含むことができる。

ここで、外径と内径及び大径部と小径部は一般的に円形管の直径に係わる用語であるが、膜加湿器ハウジングが円形、楕円形及び多角形の場合も含む。

特に、膜加湿器ハウジングが多角形の場合、キャップケース１２０の流体出入口１２１が形成された小径部１２７の対向内面間の距離Ｌ２はポッティング部１３０の対向外面間の距離Ｌ３より小さく形成されると言える。よって、組立部材３００は、キャップケース１２０とポッティング部１３０との間に組み立てられるときに圧着される。このようなキャップケース１２０の形態は第４実施例だけでなく、以下の全ての実施例にそのまま適用可能である。

また、ミドルケース１１０の対向内面間の距離よりポッティング部１３０の対向外面間の距離Ｌ３が小さく形成されることにより、ポッティング部１３０がミドルケース１１０の内部に離隔して配置される。よって、組立部材３００がミドルケース１１０とポッティング部１３０との間に配置されることにより、ポッティング部１３０がミドルケース１１０に対して動かないように固定することができる。

組立部材３００は、ミドルケース１１０とキャップケース１２０との間、キャップケース１２０とポッティング部１３０との間、及びミドルケース１１０とポッティング部１３０との間を同時に気密に結合するように組み立てられる。

組立部材３００は、キャップケース１２０とミドルケース１１０とポッティング部１３０との間に配置される本体部３１０と、キャップケース１２０とミドルケース１１０の端部との間に圧着されてキャップケース１２０とミドルケース１１０の間を気密に結合する第１結合部３２０と、ポッティング部１３０の一端部に接触してキャップケース１２０とポッティング部１３０との間を気密に結合する第２結合部３３０とを含む。

図１８の断面図では一対の組立部材３００が左右対称となるように配置されたものとして示されているが、実際には一体に形成された単一組立部材３００が全体として方形のリング形態を有することが理解可能であろう。

前記本体部３１０は、キャップケース１２０の内面、ミドルケース１１０の内面、及びポッティング部１３０の上面に密着するように配置される。

前記第１結合部３２０はキャップケース１２０とミドルケース１１０の端部との間に挿入されて圧着される。具体的に、第１結合部３２０は、本体部３１０から外側に延びる第１延長部３２２と、延長部の端部からミドルケース１１０の外側面に接触するように延びる第２延長部３２４とを含むことができる。よって、本体部３１０の外側面と第２延長部３２４の内側面との間には、ミドルケース１１０の端部が挿入される溝が形成される。

また、前記第２延長部３２４の外面はキャップケース１２０の内面に接触することもできるが、図示のように接触しない。

前記ミドルケース１１０の端部１１１の外側面には、前記第１結合部３２０の第２延長部３２４を収容する段差部１１５が設けられることができる。これにより、ミドルケース１１０の外面と第２延長部３２４の外面がほぼ同一面をなすことができる。

前記第２結合部３３０は組立部材３００の内側角部がポッティング部１３０の角部に圧着される部分である。

組立部材３００とポッティング部１３０の相対的な硬度は多様に構成可能である。組立部材３００の硬度がポッティング部１３０より低い場合、組立部材３００の第２結合部３３０は組立時にポッティング部１３０によって圧着されて収縮される。図１８はこの場合を示すものである。

反対に、組立部材３００の硬度がポッティング部１３０より高い場合、ポッティング部１３０の角部が組立時に組立部材３００の第２結合部３３０によって圧着されて収縮される。第２結合部３３０で点線で示した部位はポッティング部１３０によって圧着される前の外形を示す。もちろん、組立部材３００とポッティング部１３０の硬度がほぼ同一の場合、組立の際に組立部材３００とポッティング部１３０の圧着部位が同時に収縮される。

そして、前記キャップケース１２０は、ミドルケース１１０の端部１１１に対向する面から突出した突起１２３を含むことが好ましい。突起１２３は断面が半円形又は多様な形状のリブ形態に形成される。この突起１２３は、特に前記組立部材３００の第１結合部３２０をもっと圧着して気密性を向上させるだけでなく、第１結合部３２０が圧着過程で動かないように固定する役割を果たす。

前記キャップケース１２０の突起１２３はミドルケース１１０の端部に対向する位置に形成されることができるが、ポッティング部１３０の縁部に対向する位置に形成され得る。また、前述した二つの突起の間にも突起が形成される。

そして、前記ミドルケース１１０の端部１１１にも断面半円形のリブ形態の突起１１６が形成される。このミドルケース１１０の突起１１６は前記キャップケース１２０の突起１２３と向き合うものではなく、互いにずれるように配置される。二つの突起がずれるように配置されれば、組立部材３００を圧着するとき、気密性を一層向上させることができる。

図２１は本発明の第５実施例による膜加湿器を示す断面図である。第５実施例の膜加湿器は、カートリッジ１４０が組立部材３００の一面を支持する延長リブ１４５を含むという点で第４実施例と違う。

前述したように、図１８～図２５に示す実施例は、複数の中空糸膜がカートリッジ１４０に収容され、その一つ又は複数のカートリッジがミドルケース１１０の内部に配置されたものを示す。

図２１の方向を基準にすると、前記延長リブ１４５はカートリッジ１４０の上端部から外側方向に延びて組立部材３００の下面を支持するように形成される。延長リブ１４５は組立部材３００の本体部３１０の下面の一部又は全部を圧着して支持するように形成される。

前記カートリッジ１４０が四角管の形態を有する場合、前記延長リブ１４５は所定の幅を有する四角リングの形態を有することができる。もちろん、前記カートリッジ１４０が円形管の形態を有する場合、前記延長リブ１４５は所定の幅を有する円形リンの形態を有することができる。

前記組立部材３００は、組立の際、ミドルケース１１０の端部１１１によって第１結合部３２０が圧着され、ポッティング部１３０によって第２結合部３３０が圧着される。前記延長リブ１４５によって組立部材３００の本体部３１０もキャップケース１２０に対して圧着され、組立部材３００が全体的に均一に圧着されることにより、気密性を一層向上させることができる。

図２２は本発明の第６実施例による膜加湿器を示す断面図である。第６実施例の膜加湿器は第１結合部３２０に第２延長部がないという点で第４実施例と違う。

前記組立部材３００の第１結合部３２０は本体部３１０から外側に延びる第１延長部３２２を備えるが、第１延長部３２２の端部からミドルケースの外側面に接触するように延びる第２延長部は備えない。

これにより、ミドルケース１１０の端部１１１に段差部が形成されず、端部１１１が一定の厚さに形成されて第１延長部３２２を圧着するように組み立てられる。

また、キャップケース１２０の内面に形成された突起１２３が第１延長部３２２を圧着することにより、第１延長部３２２がキャップケース１２０とミドルケース１１０の端部１１１とを確かに気密に結合することができる。

図２３は本発明の第７実施例による膜加湿器を示す断面図である。第７実施例の膜加湿器は、組立部材３００の第２結合部３３０とポッティング部１３０の角部にそれぞれ傾斜面が形成されて互いに接触するという点で第４実施例と違う。

前記第２結合部３３０には傾斜部３３２が形成され、前記ポッティング部１３０の上端部の両側角部にも傾斜部１３２が形成される。図２３に示す実施例の場合、組立部材３００の硬度がポッティング部１３０より高い場合であるから、組立の際に前記第２結合部３３０の傾斜部３３２が前記ポッティング部１３０の傾斜部１３２を圧着した状態が示されている。

反対に、ポッティング部１３０の硬度が組立部材３００より高い場合であれば、組立の際にポッティング部１３０の傾斜部１３２が第２結合部３３０の傾斜部３３２を圧着するようになるであろう。

組立部材３００の第２結合部３３０とポッティング部１３０との間に傾斜部どうし圧着されるから、気密性能を他の実施例よりもっと向上させることができる。

また、前記第２結合部３３０の傾斜部３３２と前記ポッティング部１３０の傾斜部１３２は同時に形成され、両者の中でいずれか一方のみ形成され得る。この場合、組立部材３００とポッティング部１３０の中で硬度の高いものに傾斜部が形成され、硬度の低いものは前記傾斜部によって圧着されて傾斜面を形成するように変形される。

図２４は本発明の第８実施例による膜加湿器を示す断面図である。第８実施例の膜加湿器は、組立部材３００がポッティング部１３０側に延びるリブ部３３５をさらに含むという点で第４実施例と違う。

前記組立部材３００の第２結合部３３０には、ポッティング部１３０の一側面に密着するように内側方向に延びるリブ部３３５が形成される。このリブ部３３５の断面形態はその端部に行くほど厚さが次第に小さくなる三角形を有することができる。

膜加湿器を組み立てれば、キャップケース１２０と組立部材３００とポッティング部１３０とによって区画される空間には、燃料電池システムの使用条件によって圧力値の差はあるが、一般的に大気圧より高い圧力が印加され、この圧力がリブ部３３５をポッティング部１３０の一側面に密着させることにより、その間をもっと確かに気密に結合することができる。

第８実施例の組立部材３００は、第４実施例の組立部材３００より相対的に高い硬度を有することができる。言い替えれば、第８実施例の組立部材３００は、前記リブ部３３５のおかげで、組立の際に圧着による変形が大きくなくてもポッティング部１３０との間に気密性を一層高めることができる。

また、図２４は組立後の状態を示すものであり、リブ部３３５の下面は元のポッティング部１３０の接触面に平行に形成されることもできるが、ポッティング部１３０の接触面に所定の角度に傾くように形成される。リブ部３３５が傾くように形成される場合、組立の際にポッティング部１３０によって変形されてポッティング部１３０にもっと密着することができる。

図２５は本発明の第９実施例による膜加湿器を示す断面図である。第９実施例の膜加湿器は、第１結合部３２０に第２延長部がないという点で第８実施例と違う。組立部材３００がポッティング部１３０の一側面に平行に延びるリブ部３３５をさらに含む点は第８実施例と同一である。

第９実施例の場合、組立部材３００がリブ部３３５を備えており、組立部材３００とポッティング部１３０の硬度差は第８実施例の場合より小さくなる。言い替えれば、第９実施例の組立部材３００は、前記リブ部３３５のおかげで、組立の際に圧着による変形が大きくなくてもポッティング部１３０との間に気密性をもっと高めることができる。

これにより、ミドルケース１１０の端部１１１に段差部が形成されていなく、端部１１１が一定の厚さに形成されて第１延長部３２２を圧着するように組み立てられる。ここで、キャップケース１２０の内面に形成された突起１２３が第１延長部３２２を圧着することにより、第１延長部３２２がキャップケース１２０とミドルケース１１０の端部１１１との間を確かに気密に結合することができる。

以上では本発明の好適な実施例を説明したが、該当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。

本発明の多様な実施例による組立部材を含む燃料電池用膜加湿器は、機械的組立構造によって高温／高圧／多湿の環境で気密機能を果たすことができる。
また、化学的気密方式ではない機械的気密方式であるので、従来の化学的気密方式に必要なポリウレタン／シーラント塗布及び硬化工程を省略することができるようになり、作業時間の短縮、作業効率の向上及び大量生産体制の構築が可能である。
また、膜加湿器の内部に配置される単位カートリッジの不良発生の際、再作業性に優れて部品スクラップの比率を低めることができる。
また、膜加湿器を分解して該当不良カートリッジのみ交替して再組立すれば良いので、再作業性及び部品の再活用の側面で有利である。
そして、二つの分離型組立部材又は一つの一体型組立部材で２ケ所以上の部品の間を同時に気密に結合することができるので、製作及び組立が非常に簡便で効率的である。

Claims

複数の中空糸膜を収容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、
前記複数の中空糸膜の端部に形成されたポッティング部と、
前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に配置され、前記キャップケースと前記ミドルケースとの間及び前記キャップケースと前記ポッティング部との間を同時に気密に結合させる組立部材とを含み、
前記組立部材は、
前記キャップケースの内壁に接触し、前記ミドルケースの端部に装着される第１シーリング部と、
前記第１シーリング部の内側に形成され、前記ポッティング部を取り囲むように形成される第２シーリング部と、を含み、
前記第１シーリング部は、
前記キャップケースの内壁に接触するように前記ミドルケースの端部に装着され、“コ”字形に形成された第１シーリングボディーと、
前記第１シーリングボディーの一端部から下方に延びて前記第２シーリング部と接触するように形成された第１シーリングレッグと、
前記第１シーリングボディーの他端部から下方に延びて前記ャップケースの内壁及び前記ミドルケースの端部と接触する第２シーリングレッグを含み、
前記第１シーリングボディーの第２シーリングレッグを受け入れる段差部が、前記ミドルケースの端部の外周面に設けられている、ことを特徴とする燃料電池用膜加湿器。
前記第１シーリング部は、前記第１シーリングレッグの端部から内側に延び、その端部から上方に延びて前記第２シーリング部を取り囲むように形成された拡張レッグをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記第２シーリング部は、
前記ポッティング部を取り囲むように形成された第２シーリングボディーと、
前記第１シーリングボディーに挿入されるシーリングアームとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記第１シーリング部は、硬度が７０度未満（ＳｈｏｒｅＡ）の軟質材料からなり、前記第２シーリング部は、硬度が７０度以上（ＳｈｏｒｅＡ）の硬質材料からなることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記キャップケースは、
前記ミドルケースと結合され、前記ポッティング部の外径より大きい内径を有する大径部と、
前記大径部の一面から突出し、前記ポッティング部の外径より小さい内径を有する小径部とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
複数の中空糸膜を収容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、
前記複数の中空糸膜の端部に形成されたポッティング部と、
前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に配置され、前記キャップケースと前記ミドルケースとの間及び前記キャップケースと前記ポッティング部との間を同時に気密に結合させる組立部材とを含み、
前記組立部材は、
前記キャップケースと前記ミドルケースと前記ポッティング部との間に配置される本体部と、
前記キャップケースと前記ミドルケースの端部との間に圧着されて前記キャップケースと前記ミドルケースとの間を気密に結合する第１結合部と、
前記ポッティング部の一端部に接触して前記キャップケースと前記ポッティング部との間を気密に結合する第２結合部とを含み、
前記第１結合部は、
前記本体部から外側に延びる第１延長部と、
前記第１延長部の端部から前記ミドルケースの外側面に接触するように延びる第２延長部と、を含み、
前記ミドルケースの端部の外側面には、前記第１結合部の第２延長部を収容する段差部が設けられることを特徴とする、燃料電池用膜加湿器。
前記キャップケースは、前記ミドルケースの端部に対向する面から突出した突起を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記組立部材の第２結合部は、内側面に形成された傾斜部を含み、
前記ポッティング部は、端部の角部に形成されて前記第２結合部の傾斜部に密着する傾斜部を含むことを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記組立部材の硬度は、前記ポッティング部の硬度より低いことを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記複数の中空糸膜はカートリッジに収容され、
前記カートリッジは、一端部から外側方向に延びて前記組立部材の一面を支持する延長リブを含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記組立部材の硬度は前記ポッティング部の硬度より高く、前記ミドルケース及び前記キャップケースの硬度より低いことを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記組立部材は、前記ポッティング部に接触する表面積を広げるために、内側に延びるリブ部をさらに含むことを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池用膜加湿器。
前記組立部材の硬度は前記ポッティング部より高く、前記ミドルケース及び前記キャップケースより低いことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池用膜加湿器。