JP2024507225A - 燃料電池膜加湿器 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池膜加湿器に関するものであって、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、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るモジュール挿入部が内部に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と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１１

Description

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。

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（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。

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。

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。

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。

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。

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３を参照して説明する。
図１～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。

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とが形成する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との外郭をなす隔壁１２ｂは、実質的に同一である。

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）を介して流入して、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。

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とは、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。

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が生じるようにし、このようなギャップ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。

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。

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り生じる空間と、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。

このように構成される圧力バッファ部２２は、外側隔壁１２ｂ両側の圧力を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は変形しないようになる。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。

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５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。

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。

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
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るモジュール挿入部が内部に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と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。

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傾斜構造体を備えることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記傾斜構造体は、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の傾斜部材と、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の傾斜部材と、前記第１の傾斜部材と第２の傾斜部材のうち、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とを備えることができる。

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の傾斜部材と第２の傾斜部材とは、２つ以上のバイパスホールを備えることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記膨脹圧力が次第に増加すれば、前記第２の傾斜部材は、前記第１の傾斜部材の表面に沿って滑りながら２つ以上のバイパスホールが順次開放状態になることができる。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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傾斜構造体の膨脹圧力による状態変化を拡大図示した断面図である。 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傾斜構造体の膨脹圧力による状態変化を拡大図示した断面図である。 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傾斜構造体の膨脹圧力による状態変化を拡大図示した断面図である。 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。

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。本発明において、「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。

図６～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。

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。

ミドルケース１１０には、それぞれ第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として説明するが、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９の膜加湿器にも実質的に同様に適用することができる。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。

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。

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。

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、公知のものであって、本明細書において詳しい説明を省略する。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。

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。

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。

ミドルケースの内壁１１０ａは、モジュール挿入部２１０の外側隔壁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り生じる空間（Ｓ、図１４参照）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傾斜構造体２２１をさらに備えることができる。

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。

また、能動型圧力バッファ部２２０の一構成である傾斜構造体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。

以下、傾斜構造体２２１について図１１～図１３を参照して説明する。図１１～図１３は、能動型圧力バッファ部２２０の一構成である傾斜構造体２２１の膨脹圧力による状態変化を拡大図示した断面図である。

図１１に示されたように、傾斜構造体２２１は、第１の傾斜部材２２１ａと第２の傾斜部材２２１ｂとを備える。第１の傾斜部材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の傾斜部材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。

また、第１の傾斜部材２２１ａと第２の傾斜部材２２１ｂの各々には、少なくとも１つ以上のバイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａが形成され得る。バイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａは、外側隔壁２１２とミドルケース１１０との間の膨脹圧力サイズによって少なくとも部分的に開放または閉鎖状態になることができる。

燃料電池の低出力状況または正常出力状況で、膨脹圧力（第２の流体の圧力）が正常的である場合、バイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａは、傾斜部材２２１ａ、２２１ｂにより閉まった状態になる（図１１参照）。すなわち、第１の傾斜部材２２１ａのバイパスホール２２１ａａは、第２の傾斜部材２２１ｂにより閉まった状態になり、第２の傾斜部材２２１ｂのバイパスホール２２１ｂａは、第１の傾斜部材２２１ａにより閉まった状態になる。

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の傾斜部材２２１ｂがミドルケース１１０とともに外側に膨脹しながら、第１の傾斜部材２２１ａの表面に沿って滑りながら１つのバイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａが開放された状態になる。（図１２参照）

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、第２の傾斜部材２２１ｂは、第１の傾斜部材２２１ａの表面に沿ってさらに一層滑りながら複数個のバイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａが開放された状態になる。（図１３参照）

図１２及び図１３のように、少なくとも１つのバイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａ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２２１ａａ、２２１ｂａ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。

その後、高出力状況または非正常出力状況が解消された場合、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の傾斜部材２２１ｂは、外側隔壁２１２方向に復帰するようになる。これにより、バイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａ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。（図１４参照）

一方、第２の流体の圧力がさらに大きくなると、第１の傾斜部材２２１ａと第２の傾斜部材２２１ｂとが接触した状態を外れることができるが、運転時の第２の流体の圧力範囲を取得し、これから第１の傾斜部材２２１ａと第２の傾斜部材２２１ｂとの傾斜角及び／又は各部材の長さを実験により適宜設定すれば、第１の傾斜部材２２１ａと第２の傾斜部材２２１ｂとの接触状態が維持されるようにすることができる。

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。

これに対して、図１４に示すように、隔壁２１１、２１２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、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。

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。

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、傾斜構造体２２１の第２の傾斜部材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の傾斜部材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。

一方、能動型圧力バッファ部２２０に流入した第２の流体は、傾斜構造体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。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。

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、第２の傾斜部材２２１ｂが第１の傾斜部材２２１ａの表面に沿って滑りながら傾斜部材２２１ａ、２２１ｂにより閉まった状態にあったバイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａは開放された状態になる。バイパスホール２２１ａａ、２２１ｂａ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２２１ａａ、２２１ｂａ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。

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。

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：傾斜構造体 ２２１ａ：第１の傾斜部材
２２１ｂ：第２の傾斜部材 ２２１ａｂ、２２１ｂａ：バイパスホール 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

Claims (6)

1. 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るモジュール挿入部が内部に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と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。
2. 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傾斜構造体を備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
3. 前記傾斜構造体は、
   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の傾斜部材と、
   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の傾斜部材と、
   前記第１の傾斜部材と第２の傾斜部材のうち、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と、
   を備える請求項２に記載の燃料電池膜加湿器。
4. 前記第１の傾斜部材と第２の傾斜部材とは、２つ以上の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。
5. 前記膨脹圧力が次第に増加すれば、前記第２の傾斜部材は、前記第１の傾斜部材の表面に沿って滑りながら２つ以上のバイパスホールが順次開放状態になる請求項４に記載の燃料電池膜加湿器。
6. 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１～５のいずれか１項に記載の燃料電池膜加湿器。

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