JP2022547062A - 燃料電池用加湿器のカートリッジ及び燃料電池用加湿器 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための燃料電池用加湿器のミッドケースに挿入されるためのインナーケース；前記インナーケースの内部に収容された複数の中空糸膜；前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の一側を固定する第１ポッティング部；前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の他側を固定する第２ポッティング部；及び、前記ミッドケースの内部に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記ミッドケースと前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記ミッドケースに連結する連動部材を含む燃料電池用加湿器のカートリッジ及び燃料電池用加湿器に関する。
【選択図】図８

Description

本発明は、加湿された気体を燃料電池に供給するための燃料電池用加湿器に関する。

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は電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関に比べて効率が２倍程高いという長所がある。

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ので、公害物質の排出が少ない。したがって、燃料電池は環境にやさしい他、エネルギー消費の増加による資源枯渇の心配も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、大きく、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）などに分類できる。

これらの各燃料電池は、根本的に同一原理によって作動するが、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。特に、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いため小型化が可能な点から、小規模据置型発電装備の他に輸送システムにおいて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上で最も重要な要素の一つは、膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ又は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保たせることである。高分子電解質膜が乾燥すると発電効率が急に低下するためである。

高分子電解質膜を加湿する方法には、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、ソレノイド弁を通じてガス流動管に水分を直接供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）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、排ガス中に含まれる水蒸気だけを選択的に透過させる膜を用いて、高分子電解質膜に供給される空気に水蒸気を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。

膜加湿方式に用いられる選択的透過膜は、モジュールを形成する場合に単位体積当たりの透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を用いて加湿器を製造すると、接触表面積の広い中空糸膜を高集積化できるので、小容量でも燃料電池の加湿が十分となり、低価素材の使用が可能であり、燃料電池から排出される高温の排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）中の水分と熱を回収し、加湿器を用いて再使用できるという利点がある。

図１は、通常の燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

図１に例示すように、通常の膜加湿方式の加湿器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に水分取替が起きる加湿モジュール１１０、及び該加湿モジュール１１０の両端に結合しているギャップ１２０を含む。

これらのギャップ１２０のいずれか一方は、外部から供給される空気を前記加湿モジュール１１０に伝達し、他方は、前記加湿モジュール１１０によって加湿された空気を燃料電池スタックに伝達する。

前記加湿モジュール１１０は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１１ａと排ガス流出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１１ｂを有するミッドケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１１、及び該ミッドケース１１１内の複数の中空糸膜１１２を含む。これらの中空糸膜１１２の束の両端は、固定層１１３にポットされている。前記固定層１１３は、一般に、キャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式で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って形成される。前記中空糸膜１１２の末端がポットされている固定層１１３、及び該固定層１１３と前記ミッドケース１１１との間の樹脂層１１４が、前記ギャップ１２０の内部空間を前記ミッドケース１１１の内部空間から遮断する。前記固定層１１３と類似に、前記樹脂層１１４も、一般に、キャスティング方式で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って形成される。

外部から供給される空気は、前記中空糸膜１１２の中空に沿って流れる。前記排ガス流入口１１１ａから前記ミッドケース１１１内に流入した排ガスは、前記中空糸膜１１２の外表面と接触した後、前記排ガス流出口１１１ｂを通って前記ミッドケース１１１から流出される。前記排ガスが前記中空糸膜１１２の外表面と接触する際に、前記排ガス中に含有されている水分が前記中空糸膜１１２を透過することにより、前記中空糸膜１１２の中空に沿って流れている空気を加湿する。

このような加湿工程がなされる過程で前記ミッドケース１１１内に流入した排ガスは相当な大きさの圧力で流動し、前記ミッドケース１１１を外側に膨脹させてしまう。これにより、前記ミッドケース１１１と前記中空糸膜１１２との間に、排ガスが通過するような大きい空間が形成される。このため、前記ミッドケース１１１内に流入したものの、前記中空糸膜１１２の外表面に接触せずに直ちに前記ミッドケース１１１から流出される排ガスの流量が増加してしまい、加湿工程の効率が低下する問題があった。また、加湿工程の効率が低下することにより、燃料電池スタックに供給される空気の加湿が十分になされず、燃料電池の発電効率が低下する問題があった。

本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、中空糸膜の外表面に接触できずにバイパスされる排ガスの流量を減少させることができる燃料電池用加湿器のカートリッジ及び燃料電池用加湿器を提供するためのものである。

上記のような課題を解決するために、本発明は次のような構成を含むことができる。

本発明に係る燃料電池用加湿器は、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュール；前記加湿モジュールの一端に結合している第１キャップ；及び、前記加湿モジュールの他端に結合している第２キャップを含むことができる。前記加湿モジュールは、湿潤気体が流入するための流入口と前記湿潤気体が排出するための流出口を有するミッドケース、及び前記ミッドケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が結合しているカートリッジを含むことができる。前記ミッドケースは、前記流入口と前記流出口との間において前記カートリッジ側に突出しており、湿潤気体の通過を遮断するために前記カートリッジに接触している遮断部材を含むことができる。前記カートリッジは、前記中空糸膜を収容するインナーケース、及び前記ミッドケースと前記インナーケースとの間に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記遮断部材と前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記遮断部材に連結する連動部材を含むことができる。

本発明に係る燃料電池用加湿器は、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュール；前記加湿モジュールの一端に結合している第１キャップ；及び、前記加湿モジュールの他端に結合している第２キャップを含むことができる。前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜が結合しているカートリッジ、及び前記カートリッジが複数個結合しているミッドケースを含むことができる。前記ミッドケースは、前記カートリッジのそれぞれを収容するための複数個の収容孔、及び前記収容孔側に突出しており、湿潤気体の通過を遮断するために前記カートリッジとそれぞれ接触している複数個の遮断部材を含むことができる。前記カートリッジはそれぞれ、前記中空糸膜を収容するインナーケース、及び前記収容孔の内部に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記遮断部材と前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記遮断部材に連結する連動部材を含むことができる。

本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジは、燃料電池用加湿器のミッドケースに挿入されるためのインナーケース；前記インナーケースの内部に収容された複数の中空糸膜；前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の一側を固定する第１ポッティング部；前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の他側を固定する第２ポッティング部；及び、前記ミッドケースの内部に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記ミッドケースと前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記ミッドケースに連結する連動部材を含むことができる。

本発明は、中空糸膜の外表面に接触せずにバイパスされる湿潤気体の流量を減少させることができるので、加湿工程の効率を向上させることができる。さらに、本発明は、十分の加湿がなされた乾燥気体を前記燃料電池スタックに供給できるので、燃料電池の発電効率を向上させることに寄与することができる。

通常の燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器を図２のＩ－Ｉ線を基準にして示す概略分解断面図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器を図２のＩ－Ｉ線を基準にして示す概略結合断面図である。

図４のＡ部分を拡大して示す概略断面図である。 図４のＡ部分を拡大して示す概略断面図である。 図４のＡ部分を拡大して示す概略断面図である。 図４のＡ部分を拡大して示す概略断面図である。

図２のＩ－Ｉ線を基準にして連動部材を拡大して示す概略断面図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジを示す概略斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジを図１０のＢ矢印方向に視た様子を示す概念図である。 本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジを図１０のＢ矢印方向に視た様子を示す概念図である。

本発明に係る燃料電池用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する実施例の概略分解斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器を図１３のＩＩ－ＩＩ線を基準にして示す部分断面図である。

本発明に係る燃料電池用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する実施例の概略分解斜視図である。

以下では、本発明に係る燃料電池用加湿器の実施例を、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジは、本発明に係る燃料電池用加湿器に含まれてよいので、本発明に係る燃料電池用加湿器を説明しながら共に説明する。

図２～図４を参照すると、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、燃料電池スタック（図示せず）から排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するためのものである。乾燥気体は、燃料ガス又は空気であってよい。本発明に係る燃料電池用加湿器１は、乾燥気体の加湿のための加湿モジュール２、前記加湿モジュール２の一端に結合している第１キャップ３、及び前記加湿モジュール２の他端に結合している第２キャップ４を含む。

図２～図４を参照すると、前記加湿モジュール２は、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿する。前記加湿モジュール２の一端には前記第１キャップ３が結合してよい。前記加湿モジュール２の他端には前記第２キャップ４が結合してよい。前記第１キャップ３は、外部から供給される乾燥気体を前記加湿モジュール２に伝達することができる。前記第２キャップ４は、前記加湿モジュール２によって加湿された乾燥気体を、前記燃料電池スタックに伝達することができる。前記第２キャップ４が、外部から供給される乾燥気体を前記加湿モジュール２に伝達し、前記第１キャップ３が、前記加湿モジュール２によって加湿された乾燥気体を前記燃料電池スタックに伝達することもできる。

前記加湿モジュール２は、カートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）２１、及びミッドケース（Ｍｉｄ－ｃａｓｅ）２２を含む。

前記カートリッジ２１は、前記中空糸膜２１１を複数個含む。前記中空糸膜２１１は、前記カートリッジ２１として具現され、モジュール化されてよい。これにより、前記カートリッジ２１を前記ミッドケース２２に結合させる工程により、前記中空糸膜２１１は前記ミッドケース２２の内部に設置されてよい。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜２１１に対する設置作業、分離作業、及び取替作業の容易性を向上させることができる。前記カートリッジ２１は、本発明に係る燃料電池用加湿器のカートリッジとして具現されてよい。

前記カートリッジ２１は、前記中空糸膜２１１を収容するインナーケース（Ｉｎｎｅｒ ｃａｓｅ）２１０を含むことができる。前記中空糸膜２１１は、前記インナーケース２１０の内部に配置されてモジュール化されてよい。前記中空糸膜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リド（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、又はこれらのうち２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。

前記カートリッジ２１は、第１ポッティング部２１２を含むことができる。前記第１ポッティング部２１２は、前記中空糸膜２１１を固定させるものである。前記第１ポッティング部２１２は、前記中空糸膜２１１の一側を固定させることができる。この場合、前記第１ポッティング部２１２は、前記中空糸膜２１１の中空を塞がないように形成されてよい。前記第１ポッティング部２１２は、キャスティング工程により、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って形成されてよい。前記第１ポッティング部２１２は、前記インナーケース２１０と前記中空糸膜２１１の一側とを固定させることができる。

前記カートリッジ２１は、第２ポッティング部２１３を含むことができる。前記第２ポッティング部２１３は、前記中空糸膜２１１の他側を固定させるものである。この場合、前記第２ポッティング部２１３は、前記中空糸膜２１１の中空を塞がないように形成されてよい。これにより、乾燥 気体は、前記第２ポッティング部２１３と前記第１ポッティング部２１２に邪魔されることなく前記中空糸膜２１１の中空に供給され、加湿された後に前記燃料電池スタックに供給されてよい。前記第２ポッティング部２１３は、キャスティング工程により、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って形成されてよい。前記第２ポッティング部２１３は、前記インナーケース２１０と前記中空糸膜２１１の他側とを固定させることができる。

前記ミッドケース２２は、前記カートリッジ２１が結合しているものである。前記カートリッジ２１は、前記ミッドケース２２の内部に配置されてよい。前記ミッドケース２２は、前記カートリッジ２１が収容されるための収容孔２２０を含むことができる。前記収容孔２２０は、前記ミッドケース２２を第１軸方向（Ｘ軸方向）に貫通するように形成されてよい。前記ミッドケース２２は、流入口２２１と流出口２２２を含むことができる。水分を含有している湿潤気体は、前記流入口２２１から前記ミッドケース２２の内部を経由して前記インナーケース２１０の内部に流入して前記中空糸膜２１１の外表面と接触してよい。この過程で、湿潤気体に含有されている水分が前記中空糸膜２１１を透過することにより、前記中空糸膜２１１の中空に沿って流れている乾燥気体を加湿することができる。加湿された乾燥気体は前記中空糸膜２１１から排出された後に前記燃料電池スタックに供給されてよい。乾燥気体を加湿した後の湿潤気体は、前記インナーケース２１０の外部に流出された後、前記ミッドケース２２の内部を経由して前記流出口２２２から前記ミッドケース２２の外部に流出されてよい。前記流入口２２１は前記燃料電池スタックに連結されてよい。この場合、湿潤気体は、前記燃料電池スタックから排出される排ガス（Ｏｆｆ－ｇａｓ）であってよい。

一方、前記インナーケース２１０には、湿潤気体が流入するための流入孔２１０ａ、及び前記中空糸膜２１１の中空に沿って流れている乾燥気体を加湿した後の湿潤気体が流出されるための流出孔２１０ｂが形成されてよい。この場合、湿潤気体は前記流入口２２１から前記ミッドケース２２の内面と前記カートリッジ２１の外面との間に流入し、前記流入孔２１０ａから前記インナーケース２１０の内部に供給されて前記中空糸膜２１１の外表面に接触し、前記中空糸膜２１１の中空に沿って流れている乾燥気体を加湿した後、前記流出孔２１０ｂから前記ミッドケース２２の内面と前記カートリッジ２１の外面との間に流出され、前記流出口２２２から前記ミッドケース２２の外部に流出されてよい。前記インナーケース２１０には前記流入孔２１０ａが複数個形成されてもよい。これらの流入孔２１０ａは、第１軸方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離隔して配置されてよい。前記インナーケース２１０には前記流出孔２１０ｂが複数個形成されてもよい。これらの流出孔２１０ｂは、前記第１軸方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離隔して配置されてよい。

前記加湿モジュール２は、パッキング部材２３を含むことができる。

前記パッキング部材２３は、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間を密閉させるものである。前記パッキング部材２３は、機械的組立によって前記加湿モジュール２の少なくとも一端に気密に結合（Ａｉｒ ｔｉｇｈｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）してよい。これにより、前記パッキング部材２３は、前記第１キャップ３が前記中空糸膜２１１のみと流体連通できるようにする。したがって、前記パッキング部材２３は、前記燃料電池スタックに供給される乾燥気体と前記ミッドケース２２の内部に供給された湿潤気体とが直接混合されることを防止することができる。前記パッキング部材２３は、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間に挿入されてよい。この場合、前記カートリッジ２１は、前記パッキング部材２３に形成された第１通過孔２３ａに挿入されてよい。前記パッキング部材２３は、前記ミッドケース２２の内壁、前記カートリッジ２１の外壁、及び前記第１ポッティング部２１２にそれぞれ接触してよい。このような接触により、前記パッキング部材２３は、前記加湿モジュール２の一端に気密に結合し得る。この場合、前記パッキング部材２３は、前記ミッドケース２２の内壁一部、前記カートリッジ２１の外壁一部、及び前記第１ポッティング部２１２の一部にそれぞれ接触してよい。

本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記パッキング部材２３を複数個含むことができる。前記パッキング部材ら２３，２３’はそれぞれ、前記加湿モジュール２の両端に気密に結合してよい。この場合、前記パッキング部材２３，２３’は、前記カートリッジ２１の両側に配置されてよい。前記パッキング部材２３’は、前記ミッドケース２２の内壁、前記カートリッジ２１の外壁、及び前記第２ポッティング部２１３にそれぞれに接触することにより、前記加湿モジュール２の他端に気密に結合し得る。この場合、前記パッキング部材２３’は、前記ミッドケース２２の内壁一部、前記カートリッジ２１の外壁一部、及び前記第２ポッティング部２１３の一部にそれぞれ接触してよい。前記パッキング部材２３’には通過孔２３ａ’が形成されてよい。前記パッキング部材２３，２３’は位置のみ異なるだけで、互いに同一の構造によって具現されてよい。

図示していないが、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記パッキング部材２３，２３’に代えて、前記カートリッジ２１の両側に樹脂層が形成されるように具現されてもよい。前記樹脂層は、キャスティング方式で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って形成してよい。

図２～図４を参照すると、前記第１キャップ３は、前記加湿モジュール２の一端に結合しているものである。前記第１キャップ３と前記カートリッジ２１との間の空間は、前記パッキング部材２３又は樹脂層によって前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間の空間に対して密閉されてよい。

図２～図４を参照すると、前記第２キャップ４は、前記加湿モジュール２の他端に結合しているものである。前記第２キャップ４と前記カートリッジ２１との間の空間は、前記パッキング部材２３’又は樹脂層によって前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間の空間に対して密閉されてよい。

図２～図８を参照すると、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜２１１の外表面に接触せずにバイパスされる湿潤気体の流量を減少させるために次のように具現されてよい。

前記ミッドケース２２は、遮断部材２２３を含むことができる。

前記遮断部材２２３は、湿潤気体の通過を遮断するものである。前記遮断部材２２３は、前記収容孔２２０側に突出しており、前記収容孔２２０に配置されたカートリッジ２１に接触してよい。前記遮断部材２２３は、前記流入口２２１と前記流出口２２２との間で前記カートリッジ２１の方に突出しており、前記カートリッジ２１に接触してよい。これにより、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記流入口２２１から前記ミッドケース２２の内部に供給された後に直ちに前記流出口２２２を通ってバイパスされる湿潤気体の流量を減少させることができる。前記遮断部材２２３は、前記カートリッジ２１のインナーケース２１０に接触してよい。この場合、前記遮断部材２２３は、前記インナーケース２１０に形成された流入孔２１０ａと流出孔２１０ｂとの間で前記インナーケース２１０に接触してよい。これにより、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記遮断部材２２３と前記インナーケース２１０との間を通ってバイパスされる湿潤気体の流量を減少させることができる。前記遮断部材２２３と前記ミッドケース２２は一体に形成されてもよい。

ここで、湿潤気体は、相当な大きさの圧力で流動しながら加湿工程を行う。このため、前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０はそれぞれ湿潤気体の圧力によって外側に膨脹することがある。この場合、前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０は材質などの相違によって互いに異なる膨脹率で膨脹するため、図６に示すように、前記遮断部材２２３が前記インナーケース２１０から離隔することがある。これにより、前記中空糸膜２１１の外表面に接触せずにバイパスされる湿潤気体の流量が増加することがある。

このように前記遮断部材２２３と前記インナーケース２１０が互いに離隔することを防止するために、前記カートリッジ２１は連動部材２１４を含むことができる。

前記連動部材２１４は、前記インナーケース２１０を前記遮断部材２２３に連結するものである。前記連動部材２１４により、前記遮断部材２２３と前記インナーケース２１０は湿潤気体の圧力によって互いに連動して移動し得る。例えば、図８に示すように、湿潤気体の圧力が増加することによって前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０が外側に膨脹する場合、前記連動部材２１４は、前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０が外側に同一距離で一緒に移動するように、前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０とを連結することができる。この場合、前記ミッドケース２２が前記インナーケース２１０に比べて多く膨脹すると、前記インナーケース２１０は前記連動部材２１４を介して前記ミッドケース２２によって引っ張られることにより、外側にさらに膨脹し得る。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、湿潤気体の圧力によって前記ミッドケース２２と前記インナーケース２１０が外側に膨脹しても、前記遮断部材２２３が前記インナーケース２１０に接触した状態で保持され得る。これにより、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜２１１の外表面に接触せずにバイパスされる湿潤気体の流量を減少させることにより、加湿工程の効率を向上させることができる。さらに、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、十分の加湿がなされた乾燥気体を前記燃料電池スタックに供給できるので、燃料電池の発電効率を向上させることに寄与できる。

図９～図１２を参照すると、前記連動部材２１４は、結合部材２１４ａ、及び係止部材２１４ｂを含むことができる。

前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０と前記係止部材２１４ｂにそれぞれ結合しているものである。前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０の外面から突出していてよい。これにより、前記結合部材２１４ａと前記遮断部材２２３は一部又は全部が重畳して配置され得る。前記カートリッジ２１が前記ミッドケース２２の収容孔２２０に挿入されると、前記結合部材２１４ａは前記インナーケース２１０の外面から前記収容孔２２０側に突出して配置されてよい。前記結合部材２１４ａと前記インナーケース２１０は一体に形成されてもよい。

前記係止部材２１４ｂは、前記遮断部材２２３に形成された係合溝２２３ａ（図９）に挿入されるものである。前記係止部材２１４ｂが前記係合溝２２３ａに挿入されると、前記連動部材２１４と前記遮断部材２２３は係合によって連動して一緒に移動するように連結され得る。前記係止部材２１４ｂは前記結合部材２１４ａから突出していてよい。前記係止部材２１４ｂは、前記インナーケース２１０から離隔して配置されてよい。これにより、前記係止部材２１４ｂが前記係合溝２２３ａに挿入されると、前記係止部材２１４ｂと前記インナーケース２１０との間には前記遮断部材２２３が挿入され得る。したがって、前記連動部材２１４と前記遮断部材２２３との係合によって連結力が強化し得る。前記係止部材２１４ｂと前記結合部材２１４ａは一体に形成されてもよい。

前記係止部材２１４ｂは、挿入方向（ＩＤ矢印方向）に突出していてよい。前記挿入方向（ＩＤ矢印方向）は、前記カートリッジ２１が前記ミッドケース２２の内部に挿入されるために移動する方向である。この場合、前記カートリッジ２１は分離方向（ＳＤ矢印方向）に移動して前記ミッドケース２２から分離され得る。前記カートリッジ２１が前記挿入方向（ＩＤ矢印方向）に移動して前記ミッドケース２２の内部に配置されると、前記係止部材２１４ｂは、前記遮断部材２２３に対して前記分離方向（ＳＤ矢印方向）側に配置され、前記係合溝２２３ａに挿入されてよい。この場合、前記結合部材２１４ａも、前記遮断部材２２３に対して前記分離方向（ＳＤ矢印方向）側に配置されてよい。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記連動部材２１４と前記遮断部材２２３を用いて、前記中空糸膜２１１の外表面に接触せずにバイパスされる湿潤気体の流量を減少させることができる他、前記連動部材２１４と前記遮断部材２２３により、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２の組立工程の容易性も確保することができる。

図１１に示すように、前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０の周りに沿って延長されるリング状に形成されてよい。この場合、前記係止部材２１４ｂは、前記結合部材２１４ａに沿ってリング状に形成されてよい。これにより、前記係止部材２１４ｂと前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０の外面を取り囲むように配置されてよい。この場合、前記遮断部材２２３は、前記結合部材２１４ａに対応するリング状に形成されてよい。前記係合溝２２３ａは、前記係止部材２１４ｂに対応するリング状に形成されてよい。このように前記結合部材２１４ａが前記インナーケース２１０の周りに沿って延長されるリング状に形成される実施例は、前記連動部材２１４と前記遮断部材２２３との係合のための接触面積を増大させることができる。したがって、前記結合部材２１４ａが前記インナーケース２１０の周りに沿って延長されるリング状に形成される実施例は、前記インナーケース２１０と前記ミッドケース２２が互いに連動して移動する一体性を増大させることができる。

図１０に示すように、前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０の周りに対して部分的に形成されてもよい。この場合、前記係止部材２１４ｂも、前記インナーケース２１０の周りに対して部分的に形成されてよい。このように前記結合部材２１４ａが前記インナーケース２１０の周りに対して部分的に形成される実施例は、前記インナーケース２１０と前記ミッドケース２２が互いに連動して移動するように具現するための製造費用、加工費用などを下げることができる。

図１２に示すように、前記連動部材２１４は、前記結合部材２１４ａを複数個含んでもよい。前記結合部材２１４ａは、前記インナーケース２１０の周りに沿って互いに離隔して配置されてよい。前記結合部材２１４ａのそれぞれには前記係止部材２１４ｂが結合してよい。このように前記連動部材２１４が前記結合部材２１４ａと前記係止部材２１４ｂを複数個ずつ含む実施例は、前記インナーケース２１０と前記ミッドケース２２が互いに連動して移動する一体性を増大させると同時に、前記インナーケース２１０と前記ミッドケース２２が互いに連動して移動するように具現するための製造費用、加工費用などを下げることができる。一方、図１２には、前記連動部材２１４が４個の結合部材２１４ａ，２１４ａ１，２１４ａ２，２１４ａ３と４個の係止部材２１４ｂ，２１４ｂ１，２１４ｂ２，２１４ｂ３を含むとしているが、これに限定されず、前記連動部材２１４は、前記結合部材２１４ａと前記係止部材２１４ｂを２個ずつ、３個ずつ、又は５個以上ずつ含んでもよい。一方、図１２には前記連動部材２１４が互いに異なる方向に突出している結合部材２１４ａを含むとしているが、これに限定されず、前記連動部材２１４は、互いに同一の方向に突出しているとともに互いに離隔して配置された結合部材２１４ａを含むように具現されてもよい。

図１３及び図１４を参照すると、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記ミッドケース２２に複数個のカートリッジ２１，２１’が結合するように具現されてよい。この場合、前記ミッドケース２２は、前記カートリッジ２１，２１’をそれぞれ収容するための複数個の収容孔２２０，２２０’、及び前記収容孔２２０，２２０’側に突出しており、湿潤気体の通過を遮断するために前記カートリッジ２１，２１’のそれぞれに接触している複数個の遮断部材２２３，２２３’を含むことができる。前記カートリッジ２１，２１’は、前記インナーケース２１０，２１０’と前記遮断部材２２３，２２３’とが連動して移動するように前記インナーケース２１０，２１０’を前記遮断部材２２３，２２３’に連結する複数個の連動部材２１４，２１４’を含むことができる。前記連動部材２１４，２１４’はそれぞれ、前記結合部材２１４ａ（図９）と前記係止突起２１４ｂ（図９）を含むことができる。この場合、前記遮断部材２２３，２２３’のそれぞれには、前記係合溝２２３ａ（図９）が形成されてよい。一方、前記ミッドケース２２は、前記収容孔２２０，２２０’の間に配置された隔壁部材２２４（図１４）を含むことができる。前記遮断部材２２３，２２３’は、前記隔壁部材２２４にも形成されてよい。

図１３及び図１４には、前記ミッドケース２２に２個のカートリッジ２１，２１’が結合するとしているが、これに限定されず、図１５に示すように、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記ミッドケース２２に３個のカートリッジ２１，２１’，２１”が結合するように具現されてもよい。図示していないが、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記ミッドケース２２に４個以上のカートリッジ２１が結合するように具現されてもよい。この場合、前記ミッドケース２２に結合するカートリッジ２１の個数が増加する分だけ、前記収容孔２２０、前記遮断部材２２３、前記隔壁部材２２４、前記連動部材２１４のそれぞれの個数も増加するように具現されてよい。

以上で説明した本発明は、前述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるということが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって明らかであろう。

Claims (14)

1. 燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュール；
   前記加湿モジュールの一端に結合している第１キャップ；及び
   前記加湿モジュールの他端に結合している第２キャップ；を含み、
   前記加湿モジュールは、湿潤気体が流入するための流入口と前記湿潤気体が流出されるための流出口を有するミッドケース、及び前記ミッドケースの内部に配置され、複数の中空糸膜が結合しているカートリッジを含み、
   前記ミッドケースは、前記流入口と前記流出口との間において前記カートリッジ側に突出しており、湿潤気体の通過を遮断するために前記カートリッジに接触している遮断部材を含み、
   前記カートリッジは、前記中空糸膜を収容するインナーケース、及び前記ミッドケースと前記インナーケースとの間に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記遮断部材と前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記遮断部材に連結する連動部材を含むことを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 前記遮断部材は、前記連動部材が挿入されるための係合溝を含み、
   前記連動部材は、
   前記係合溝に挿入される係止部材；及び
   前記係止部材が前記係合溝に挿入された状態で前記遮断部材と連動して移動することによって前記インナーケースが一緒に移動するように前記係止部材と前記インナーケースにそれぞれ結合している結合部材を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記結合部材は、前記インナーケースの周りに沿って延長されるリング状に形成され、
   前記係止部材は、前記結合部材に沿ってリング状に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記連動部材は、前記結合部材を複数個含み、
   前記結合部材は、前記インナーケースの周りに沿って互いに離隔して配置され、
   前記結合部材のそれぞれには前記係止部材が結合していることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用加湿器。
5. 前記カートリッジは挿入方向に移動して前記ミッドケースの内部に配置され、且つ前記挿入方向と反対の分離方向に移動して前記ミッドケースから分離され、
   前記係止部材は、前記遮断部材に対して前記分離方向側に配置され、前記係合溝に挿入されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用加湿器。
6. 燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュール；
   前記加湿モジュールの一端に結合している第１キャップ；及び
   前記加湿モジュールの他端に結合している第２キャップを含み、
   前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜が結合しているカートリッジ、及び前記カートリッジが複数個結合しているミッドケースを含み、
   前記ミッドケースは、前記カートリッジのそれぞれを収容するための複数個の収容孔、及び前記収容孔側に突出しており、湿潤気体の通過を遮断するために前記カートリッジとそれぞれ接触している複数個の遮断部材を含み、
   前記カートリッジは、それぞれ前記中空糸膜を収容するインナーケース、及び前記収容孔の内部に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記遮断部材と前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記遮断部材に連結する連動部材を含むことを特徴とする燃料電池用加湿器。
7. 前記遮断部材はそれぞれ、前記連動部材が挿入されるための係合溝を含み、
   前記連動部材はそれぞれ、
   前記係合溝に挿入される係止部材；及び
   前記係止部材が前記係合溝に挿入された状態で前記遮断部材と連動して移動することによって前記インナーケースが一緒に移動するように前記係止部材と前記インナーケースにそれぞれ結合している結合部材を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用加湿器。
8. 前記第１キャップが前記中空糸膜のみと流体連通可能なように、機械的組立によって前記加湿モジュールの少なくとも一端に気密に結合する（Ａｉｒ ｔｉｇｈｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）パッキング部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１又は６に記載の燃料電池用加湿器。
9. 前記カートリッジは、前記中空糸膜を固定する第１ポッティング部を含み、
   前記パッキング部材は、前記ミッドケースの内壁、前記カートリッジの外壁、及び前記第１ポッティング部にそれぞれ接触することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用加湿器。
10. 燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿する燃料電池用加湿器のミッドケースに挿入されるためのインナーケース；
    前記インナーケースの内部に収容された複数の中空糸膜；
    前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の一側を固定する第１ポッティング部；
    前記インナーケースに結合しており、前記中空糸膜の他側を固定する第２ポッティング部；及び
    前記ミッドケースの内部に位置している湿潤気体の圧力に応じて前記ミッドケースと前記インナーケースとが連動して移動するように前記インナーケースを前記ミッドケースに連結する連動部材を含む燃料電池用加湿器のカートリッジ。
11. 前記連動部材は、
    前記ミッドケースが有する係合溝に挿入されるための係止部材；及び
    前記係止部材が前記係合溝に挿入された状態で前記ミッドケースと連動して移動することによって前記インナーケースが一緒に移動するように前記係止部材と前記インナーケースにそれぞれ結合している結合部材を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。
12. 前記結合部材は、前記インナーケースの周りに沿って延長されるリング状に形成され、
    前記係止部材は、前記結合部材に沿ってリング状に形成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。
13. 前記連動部材は、前記結合部材を複数個含み、
    前記結合部材は、前記インナーケースの周りに沿って互いに離隔して配置され、
    前記結合部材のそれぞれには前記係止部材が結合していることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。
14. 前記係止部材は前記結合部材から突出しており、前記インナーケースが前記ミッドケースの内部に挿入される挿入方向側に突出していることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。

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