JP7175343B2 - 組立型カートリッジブロック及びこれを含む中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は中空糸膜モジュールに関するもので、より詳しくは多様な形態のカートリッジを製造することができる組立型カートリッジブロック及びこれを含む中空糸膜モジュール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心配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）、固体酸化物形燃料電池（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違う。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として知られている。
高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることに最も重要な要因の一つは、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維持することである。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）燃料電池の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（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、排気ガス内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、中空糸膜を用いて加湿器を製造する場合、接触表面積の大きな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と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。
しかし、中空糸膜を用いた加湿器の場合、その容量を増やすために多数の中空糸膜を集積することになる。この際、中空糸膜の外部で流れる気体の流れが高集積化した中空糸膜による抵抗のため、加湿器の内部全体に均一に形成されることができなくなる。

これを改善するために、図１に示したように、複数のカートリッジ１１が内部に取り付けられる中空糸膜モジュールが開発された。複数のカートリッジ１１が加湿器ハウジング１０内に装着されることにより、気体の流れを均一にすることができる。すなわち、中空糸膜束を個々のカートリッジ１１の内部に収容し、複数のカートリッジ１１を加湿器ハウジング１０内に装着することにより、流入した気体がカートリッジの内部を流れるようにして気体の流れを均一にすることができる。
しかし、このような従来のカートリッジ方式は次のような問題点がある。
カートリッジ１１の幅の大きさが加湿器ハウジング１０の幅の大きさとほぼ同じ大きさに形成されるため、加湿器ハウジング１０の大きさが変わる都度、該当加湿器ハウジング１０の大きさに合うカートリッジを別に製作しなければならない問題がある。また、このように製作されたカートリッジは他の大きさの加湿器ハウジング１０には使えない問題がある。よって、このような従来のカートリッジは大量生産に相応しくないという問題がある。

本発明は多様な形態のカートリッジを製造することができる組立型カートリッジブロック及びこれを含む中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明の実施例による組立型カートリッジブロックは、内部に複数の中空糸膜を収容し、流体が流入するメッシュ部が形成されたボディー部と、前記ボディー部に形成され、隣接した組立型カートリッジブロックと締結される締結部とを含む。
本発明の一態様によれば、前記ボディー部は多角柱形状に形成されることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記ボディー部は、底面が扇形である扇形柱形状、又は扇形状の上部が円弧形に切断されて形成されたドーナツ形扇形柱形状に形成されることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記ボディー部の両端には、内部に収容した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が形成されることを特徴とする。

本発明の実施例による中空糸膜モジュールは、第１流体流入口及び第１流体流出口と第２流体流入口及び第２流体流出口を含むハウジング部と、前記ハウジング部の内部に取り付けられ、複数の中空糸膜を収容した複数の組立型カートリッジブロックが互いに締結されて形成されたカートリッジ部とを含む。
本発明の一態様によれば、前記組立型カートリッジブロックは、内部に複数の中空糸膜を収容し、流体が流入するメッシュ部が形成されたボディー部と、前記ボディー部に形成され、隣接した組立型カートリッジブロックと締結される締結部とを含むことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記ボディー部は多角柱形状に形成されることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、前記ボディー部は、底面が扇形である扇形柱形状、又は扇形状の上部が円弧形に切断されて形成されたドーナツ形扇形柱形状に形成されることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記ボディー部の両端には、内部に収容した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が形成されることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、前記カートリッジ部は、水分の交換なしに流体を流動させる流動膜を収容するか又は流体不透過性膜で満たされるダミーカートリッジブロックを含むことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記ハウジング部は、前記第１流体流入口が形成されたハウジングキャップと、前記ハウジングキャップに形成され、前記第１流体流入口を通して供給された第１流体を前記カートリッジ部に均一に供給するための流体ガイドとを含むことを特徴とする。
その他に、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、規格化した組立型カートリッジブロックで、ハウジング部の大きさにかかわらず、ハウジング部の内部にカートリッジを取り付けることができるようになり、ハウジング部の大きさに合うカートリッジを別に製作する必要がなくなる。
また、ハウジング部の大きさにかかわらず、カートリッジをハウジング部に取り付けることができるようになるので、中空糸膜モジュール用カートリッジを大量生産することができるようになる。
また、組立型カートリッジブロックの内部に挿入される中空糸膜が動ける空間が相対的に狭い密集した形態になり、製造過程又は運用過程で中空糸膜同士縺れて損傷が発生するおそれが減少するようになる。
また、相対的に小さな大きさの組立型カートリッジブロックの内部に挿入された中空糸膜は組立型カートリッジブロックによって構造的に支持されるので、中空糸膜の損傷発生のおそれが減少するようになる。

従来技術による中空糸膜モジュールを示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールを示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールに取り付けられる組立型カートリッジブロックを示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールの多様な形態を示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールの多様な形態を示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールの多様な形態を示した図である。 本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールの製造過程を示した図である。 本発明の第２実施例による中空糸膜モジュールを示した図である。 本発明の第３実施例による中空糸膜モジュールを示した図である。 本発明の第３実施例による中空糸膜モジュールの流体ガイドを示した図である。

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、特定の実施例を例示し、詳細な説明で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、均等物又は代替物を含むものに理解しなければならない。
本発明で使用された用語はただ特定の実施例を説明するために使用されたものであり、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された特徴、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など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実施例による組立型カートリッジブロック及びこれを含む中空糸膜モジュールを説明する。

図２は本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールを示した図、図３は本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールに取り付けられる組立型カートリッジブロックを示した図である。
図２に示したように、本発明の第１実施例による中空糸膜モジュールは、ハウジング部１００とカートリッジ部２００とを含む。
ハウジング部１００は中空糸膜モジュールの外形を成す。ハウジング部１００は、ハウジング胴体１１０とハウジングキャップ１２０とを含むことができ、これらが結合された一体型であり得る。ハウジング胴体１１０とハウジングキャップ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。

また、ハウジング胴体１１０とハウジングキャップ１２０は、幅方向断面形状が多角形、又は円形であることができる。前記多角形は、三角形、四角形、正四角形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであってもよく、前記多角形は角部がラウンド状であってもよい。また、前記円形は楕円形であってもよい。
ハウジング胴体１１０には、それぞれ第２流体が供給される第２流体流入口１３１と第２流体が排出される第２流体流出口１３２が形成されている。

ハウジングキャップ１２０はハウジング胴体１１０に結合される。例えば、ハウジングキャップ１２０はハウジング胴体１１０の両端に結合されることができる。それぞれのハウジングキャップ１２０には第１流体流入口１２１及び第１流体流出口１２２が形成されている。一側のハウジングキャップ１２０の第１流体流入口１２１に流入した第１流体はカートリッジ部２００の内部に流入して中空糸膜の内部管路を通過し、カートリッジ部２００の外部に流出した後、他側のハウジングキャップ１２０の第１流体流出口１２２を通して排出される。
ハウジング部１００の内部には、水分を選択的に通過させる複数の中空糸膜を収容した複数の組立型カートリッジブロック３００が互いに締結されて形成されたカートリッジ部２００が配置される。ここで、前記中空糸膜の素材は公知のものであるので、この明細書でその詳細な説明は省略する。

本発明では、規格化した複数の組立型カートリッジブロック３００が所定の個数で互いに締結されて単一カートリッジ２１０を形成し、このようなカートリッジ２１０がハウジング部１００の内部に複数配置されてカートリッジ部２００を形成する。
以下、図３を参照して、カートリッジ部２００を形成する基本単位体である組立型カートリッジブロック３００について説明する。図３に示したように、組立型カートリッジブロック３００は、ボディー部３１０と締結部３２０とを含む。

ボディー部３１０の内部には複数の中空糸膜を収容し、ボディー部３１０の上部と下部にはそれぞれメッシュ部３１１が形成される。複数の組立型カートリッジブロック３００が組み立てられて形成されたカートリッジ部２００の形状は、ハウジング部１００の形状に無関係に形成されることができるが、ハウジング部１００の内部の形状に対応するように形成されることもできる。例えば、図２のように、ハウジング部１００の形状が直方体形状の場合、複数の組立型カートリッジブロック３００が組み立てられて形成されたカートリッジ部２００の形状もこれに対応する直方体形状に形成されることができる。ハウジング部１００の断面形状が台形、平行四辺形、五角形、六角形などの場合、カートリッジ部２００の形状はこれに対応する多角柱形状に形成されることができる。
一方、カートリッジ部２００の断面形状が多角形の場合、ボディー部３１０の形状は三角柱形状に形成されることができる。例えば、図４のように、カートリッジ部２００が四角柱形状の場合、複数の三角柱形状の組立型カートリッジブロックが結合されて、カートリッジ部２００形状に対応する四角柱形状を具現することができる。

また、例えば、図５のように、カートリッジ部２００の形状が円筒形状の場合、複数の組立型カートリッジブロックが結合されて円筒形状のカートリッジ部２００となるように、ボディー部３１０の形状はボディー部３１０の底面が扇形である扇形柱形状に形成される。
また、例えば、図６のように、ハウジング部１００の形状が円筒形状であり、複数の組立型カートリッジブロックが結合されたカートリッジ部２００が断面のドーナツ形状である中空型円筒形状の場合、ボディー部３１０の形状は扇形状の上部が円弧形に切断されて形成されたドーナツ形扇形柱形状に形成される。
ボディー部３１０は、複数の組立型カートリッジブロック３００が締結されたカートリッジ２１０（図２参照）又はカートリッジ部２００（図５及び図６参照）がハウジング部１００に挿入されたとき、カートリッジ２１０又はカートリッジ部２００がハウジング部１００から離脱することを防止する離脱防止フック３１２を含むことができる。離脱防止フック３１２は、ボディー部３１０の全ての面の中で少なくとも一面に所定の長さで突出した突起形態になることができる。

メッシュ部３１１はボディー部３１０の所定領域に形成される。例えば、メッシュ部３１１は、図３のように、ボディー部３１０の上部と下部に形成されるか、あるいは上部又は下部にのみ形成されるか、あるいはボディー部３１０の周囲に沿って全面に形成されることができる。メッシュ部３１１は後述する第２流体流入口１３１から流入した多湿な第２流体を組立型カートリッジブロック３００の内部に流入して、組立型カートリッジブロック３００の内部で第１流体流入口１２１から流入した乾燥した第１流体と水分を交換するようにする。一方、第２流体が乾燥した流体であり、第１流体が多湿な流体であってもよい。メッシュ部３１１は、流入した第２流体の一部が組立型カートリッジブロック３００の内部に配置された中空糸膜に直接衝突することを防止し、中空糸膜が損傷することを防止することができる。

締結部３２０はボディー部３１０の任意の一面に形成され、隣接した組立型カートリッジブロックと互いに締結されるようにする。締結部３２０は二つの単位体を締結することができるいずれの手段も可能である。例えば、図３に示したように、ボディー部３１０の一側には締結突起３２２（図７参照）が形成され、他側には締結溝３２１が形成され、隣接した組立型カートリッジブロックの締結突起３２２が締結溝３２１に挿入されるようにする方式で具現されることができる。また、例えば、ボディー部３１０の一側には直線形状の締結突起が形成され、他側には直線形状の締結溝（締結スライド）が形成され、隣接した組立型カートリッジブロックがスライド方式で結合されるように具現されることもできる。

ボディー部３１０の両端には、内部に収容した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（図示せず）が形成されることができる。一方、これとは違い、組立型カートリッジブロック３００にポッティング部を形成せず、複数の組立型カートリッジブロック３００が締結されたカートリッジ２１０又はカートリッジ部２００の両端に一括的にポッティング部を形成することもできる。また、ボディー部３１０の両端にポッティング部が形成され、複数の組立型カートリッジブロック３００が締結されたカートリッジ２１０又はカートリッジ部２００の両端にさらにポッティング部を形成することもできる。
前記のように構成されるそれぞれの組立型カートリッジブロック３００の内部に複数の中空糸膜を挿入した後、図７に示したように、隣接した組立型カートリッジブロック３００を締結して一つのカートリッジ２１０又はカートリッジ部２００を形成する。もちろん、カートリッジ２１０又はカートリッジ部２００を形成した後、それぞれの組立型カートリッジブロック３００の内部に複数の中空糸膜を挿入することもできる。

締結された複数のカートリッジ２１０又はカートリッジ部２００をハウジング部１００の内部に挿入し、ハウジング部１００の両端にハウジングキャップ１２０を結合して中空糸膜モジュールを製造することができる。
前記のような本発明の第１実施例によれば、規格化した組立型カートリッジブロックで、ハウジング部１００の大きさにかかわらず、ハウジング部１００の内部にカートリッジを取り付けることができる。よって、ハウジング部１００の大きさに合うカートリッジを別に製作する必要がなくなる。また、ハウジング部１００の大きさにかかわらず、カートリッジをハウジング部１００に取り付けることができるようになるので、中空糸膜モジュール用カートリッジを大量生産することができるようになる。

一方、従来のカートリッジは相対的に大きな大きさに製造され、従来のカートリッジの内部に挿入される中空糸膜は相対的に動ける空間が広いから、製造過程又は運用過程で中空糸膜同士縺れて損傷が発生するおそれが高い。
しかし、本発明の規格化した組立型カートリッジブロックは相対的に小さな大きさを有するようになり、これにより組立型カートリッジブロックの内部に挿入される中空糸膜が動ける空間が相対的に狭くなって密集した形態になる。よって、製造過程又は運用過程で中空糸膜同士縺れて損傷が発生するおそれが減少するようになる。また、相対的に小さな大きさの組立型カートリッジブロックの内部に挿入された中空糸膜は組立型カートリッジブロックによって構造的に支持されるので、中空糸膜の損傷発生のおそれが減少するようになる。

次に、図８を参照して本発明の第２実施例による中空糸膜モジュールを説明する。図８は本発明の第２実施例による中空糸膜モジュールを示した図である。
図８に示したように、本発明の第２実施例による中空糸膜モジュールは、ハウジング部１００とカートリッジ部２００とを含む。第２実施例による中空糸膜モジュールは、カートリッジ部２００にダミーカートリッジブロック４００が含まれるという点で第１実施例と違うだけ、他の構成は同一であるので、これについての詳細な説明は省略する。
ダミーカートリッジブロック４００は、ボディー部３１０と締結部３２０とを含み、これは前述した第１実施例の組立型カートリッジブロック３００と類似している。ただ、ダミーカートリッジブロック４００のボディー部３１０の内部には水分を交換する中空糸膜を収容せず、水分交換なしに単に流体を流動させる流動膜を収容するか、あるいは流体不透過性膜で満たされる。

このようなダミーカートリッジブロック４００は水分交換ができないので、加湿効率の向上には影響を与えることができない。ただ、ハウジング部１００の大きさが所望の加湿効率のための大きさより大きい場合、ダミーカートリッジブロック４００を適正の数で挿入して所望の加湿効率を出すようにすることができる。
次に、図９を参照して本発明の第３実施例による中空糸膜モジュールを説明する。図９は本発明の第３実施例による中空糸膜モジュールを示した図である。
図９に示したように、本発明の第３実施例による中空糸膜モジュールは、ハウジング部１００とカートリッジ部２００とを含む。第３実施例の中空糸膜モジュールは、第１流体流入口１２１が形成されたハウジングキャップ１２０に流体ガイド５００が形成されるという点で第１実施例と違うだけ、他の構成は同一であるので、これについての詳細な説明は省略する。

第１流体は、第１流体流入口１２１を通してハウジング部１００及びカートリッジ部２００内に供給される。ここで、カートリッジ部２００の配置構造上、第１流体流入口１２１に近くにあるカートリッジには第１流体が円滑に供給され、第１流体流入口１２１から遠くなるほど第１流体の供給が悪くなる。
よって、本実施例は、カートリッジ部２００の全領域に均一に第１流体を供給するために、第１流体流入口１２１が形成されたハウジングキャップ１２０に流体ガイド５００（５１０、５２０）が形成される。
図９に示したように、流体ガイド５００は、ハウジングキャップ１２０と連結形成される支持部５１０と支持部と連結形成されたガイドプレート５２０とを含む。ガイドプレート５２０は、所望の加湿効率によって適正の大きさに形成されることができる。ガイドプレート５２０によって発生する第１流体の流動抵抗を最小化するために、ガイドプレート５２０は円錐形又は多角錐形に形成されることが好ましい。第１流体流入口１２１に流入した第１流体はガイドプレート５２０と衝突した後、ガイドプレート５２０によってガイドされ、支持部５１０と支持部間の空間に流動してカートリッジ部２００に流入する。

一方、図１０に示したように、支持部５１０はガイドプレート５２０の外周面から延びた方向に形成されることができる。ここで、支持部５１０の幅はガイドプレート５２０の外周面から遠くなるほど小さく形成されることが好ましい。これにより、第１流体流入口１２１から遠くなるほど流入する第１流体の流動抵抗が小さくなるので、カートリッジ部２００の全領域に均一に第１流体を供給することができるようになる。
以上、本発明の一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内に含まれると言える。

Claims (5)

1. 第１流体流入口及び第１流体流出口と第２流体流入口及び第２流体流出口を含むハウジング部を有し、
   前記ハウジング部には、複数のカートリッジが取り付けられており、
   前記各カートリッジは、互いに連結された複数の組立型カートリッジブロックを有し、
   各組立型カートリッジブロックは、
   内部に複数の中空糸膜を収容するボディー部を有し、該ボディー部は、該ボディー部を通して流体が流入するメッシュ部を有し、
   更に、前記ボディー部に形成された締結部を有し、前記組立型カートリッジブロックは、前記締結部により互いに連結されており、
   少なくとも一つの前記カートリッジは、前記組立型カートリッジブロックに加えて、該組立型カートリッジブロックに連結されたダミーカートリッジブロックを含み、該ダミーカートリッジブロックは、水分の交換なしに流体を流動させる流動膜を収容するか又は流体不透過性膜で満たされる、ダミーカートリッジブロックを含む、
   ことを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記ボディー部は多角柱形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の中空糸モジュール。
3. 前記ボディー部は、底面が扇形である扇形柱形状、又は扇形状の上部が円弧形に切断されて形成されたドーナツ形扇形柱形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
4. 前記ボディー部の両端には、内部に収容した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が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記ハウジング部は、
   前記第１流体流入口が形成されたハウジングキャップと、
   前記ハウジングキャップに形成され、前記第１流体流入口を通して供給された第１流体を前記カートリッジ部に均一に供給するための流体ガイドと、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。

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