JP7284346B2 - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

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。

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。

前記ギャップ１２０の内部空間は、前記中空糸膜１１２の中空のみと流体連通するだけで、前記ミッドケース１１１の内部空間とは完全に遮断されている必要がある。そうでないと、圧力差による空気漏れが発生してしまい、燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。

一般に、図１に例示するように、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。

しかしながら、前記樹脂層１１４の形成のためのキャスティング工程は、相対的に長い工程時間がかかるため、加湿器１００の生産性を低下させる問題があった。

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、キャスティング工程を用いた樹脂層の形成によって加湿器の生産性が低下することを防止できる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；及び、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；を含むことができる。前記加湿モジュールは、ミッドケース；及び、前記ミッドケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する少なくとも一つのカートリッジ；を含むことができる。本発明に係る燃料電池用加湿器は、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）第１パッキング部材をさらに含むことができる。前記第１パッキング部材は、前記カートリッジと前記ミッドケースにそれぞれ接触している第１軟質部材、及び前記第１軟質部材に結合している第１硬質部材を含むことができる。前記第１軟質部材は、前記第１硬質部材が挿入されるための第１挿入溝を含むことができる。前記第１硬質部材は、前記第１挿入溝に挿入された状態で、前記カートリッジと前記ミッドケースが互いに離隔している離隔方向に拡張されるように変形され、前記第１軟質部材を前記カートリッジに密着させることができる。

本発明は、キャップの内部空間とミッドケースの内部空間を密閉させるためのキャスティング工程が省略可能なように具現される。したがって、本発明は、生産のための工程時間の短縮によって生産性を増大させることができる。

本発明は、硬質部材と軟質部材とが組み合わされたパッキング部材を備えることによって、硬質部材の変形によって軟質部材がカートリッジに密着するように具現される。したがって、本発明は、ミッドケースとカートリッジ間の密閉力を強化させることによって加湿性能を向上させることができる。

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２のI－I線を基準にして第１パッキング部材が分解された様子を拡大して示す概略断面図である。

図５を基準にして第１硬質部材が拡張された様子を示す概略断面図である。

図５を基準にして第１軟質部材が第１支持部材を備えた様子を示す概略断面図である。

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２個のカートリッジが結合する実施例を示す概略分解斜視図である。

図９のII－II線を基準にして第１パッキング部材と第２パッキング部材が分解された様子を拡大して示す概念図である。

図９のII－II線を基準にして第１パッキング部材及び第２パッキング部材がミッドケース及びカートリッジに結合している様子を拡大して示す概略断面図である。

図１１を基準にして第２硬質部材が拡張された様子を示す概略断面図である。

図１１を基準にして第２軟質部材が第２支持部材を備えた様子を示す概略断面図である。

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を示す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。

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。乾燥気体は湿潤気体によって加湿された後、前記燃料電池スタックに供給されてよい。

本発明に係る燃料電池用加湿器１は、気体の加湿のための加湿モジュール２、及び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を含む。前記加湿モジュール２は、複数の中空糸膜２１１が結合しているカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）２１、前記カートリッジ２１が結合しているミッドケース（Ｍｉｄ－ｃａｓｅ）２２、及び前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間に配置され、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２間を密閉させる第１パッキング部材２３を含む。前記第１パッキング部材２３は、キャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）工程無しで、結合によって前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２間を密閉させることができる。これにより、前記第１パッキング部材２３は、前記第１キャップ３の内部空間と前記ミッドケース２２の内部空間を密閉させることができる。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、相対的に長い工程時間がかかるキャスティング工程が省略できるので、生産のための工程時間の短縮によって生産性を増大させることができる。

以下では、前記加湿モジュール２及び前記第１キャップ３について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

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、前記カートリッジ２１、前記ミッドケース２２、及び前記第１パッキング部材２３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、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、前記燃料電池スタックに供給される気体は、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の外面との間に空間が設けられるように、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、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の内部に供給された後に、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気体を加湿することができる。加湿された気体は、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。気体を加湿した後の湿潤気体は、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、前記カートリッジ２１には、湿潤気体が流入するための流入孔（図示せず）、及び前記中空糸膜２１１の中空に沿って流れている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（図示せず）が形成されてよい。この場合、湿潤気体は、前記流入口２２１を通じて前記ミッドケース２２の内面と前記カートリッジ２１の外面との間に供給され、前記流入孔を通じて前記カートリッジ２１の内部に供給され、前記中空糸膜２１１の中空に沿って流れている気体を加湿した後、前記流出孔を通じて前記ミッドケース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。

図２～図７を参照すると、前記第１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。前記第１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、前記第１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、前記第１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。前記第１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、前記第１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。前記第１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、前記第１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、前記第１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、前記第１パッキング部材２３を複数個含むことができる。前記第１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、前記第１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。前記第１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、前記第１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。前記第１パッキング部材２３，２３’は位置のみ互いに異なるだけで、互いに同一の構造で具現されるので、前記加湿モジュール２の一端に配置された第１パッキング部材２３を基準にして説明する。この説明から、前記加湿モジュール２の他端に配置された第１パッキング部材２３’を導出することは、本発明の属する技術の分野における当業者に自明な事項である。

前記第１パッキング部材２３は、第１軟質部材２３１、及び第１硬質部材２３２を含むことができる。

前記第１軟質部材２３１は、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２にそれぞれに接触しているものである。前記第１軟質部材２３１は、弾性変形（Ｅｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）可能な材質で形成されてよい。例えば、前記第１軟質部材２３１は、ゴム類で形成されてよい。前記第１軟質部材２３１は、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間を密閉するようにリング状に形成されてよい。

前記第１軟質部材２３１は、第１挿入溝２３１ａ（図６）を含むことができる。前記第１挿入溝２３１ａには前記第１硬質部材２３２が挿入されてよい。前記第１挿入溝２３１ａは、前記第１キャップ３側に向く前記第１軟質部材２３１の面に形成されてよい。前記第１挿入溝２３１ａはリング状に形成されてよい。

前記第１硬質部材２３２は、前記第１軟質部材２３１に結合しているものである。前記第１硬質部材２３２は、前記第１挿入溝２３１ａに挿入されてよい。前記第１硬質部材２３２が前記第１挿入溝２３１ａに挿入された状態で、図７に示すように、前記第１硬質部材２３２は前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２が互いに離隔している離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張されるように変形されることにより、前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１に密着させることができる。これにより、前記第１硬質部材２３２は、前記第１軟質部材２３１と前記カートリッジ２１間の密閉力を強化させることができる。この場合、前記第１硬質部材２３２と前記カートリッジ２１との間に位置している第１軟質部材２３１の部分は、前記第１硬質部材２３２によって弾性変形して圧縮されてよい。前記第１硬質部材２３２が前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張されると、前記第１硬質部材２３２と前記ミッドケース２２との間に位置している第１軟質部材２３１の部分も弾性変形して圧縮され、前記ミッドケース２２に密着し得る。前記第１硬質部材２３２は、前記第１挿入溝２３１ａに対応するリング状に形成されてよい。

前記第１硬質部材２３２は、前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張されるように塑性変形（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）してよい。これにより、前記第１硬質部材２３２は、前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１に密着させた状態で保持され得る。また、前記第１硬質部材２３２は、前記第１軟質部材２３１を前記ミッドケース２２に密着させた状態で保持され得る。したがって、前記第１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との間を密閉させた状態で堅固に保持され得る。前記第１硬質部材２３２は、塑性変形可能な材質で形成されてよい。例えば、前記第１硬質部材２３２は、金属、プラスチックなどで形成されてよい。

前記第１硬質部材２３２は、第１外壁部材２３２１、第１連結部材２３２２、及び第１加圧部材２３２３を含むことができる。

前記第１外壁部材２３２１は、前記ミッドケース２２側に向くように配置されたものである。前記第１硬質部材２３２が前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張される場合、前記第１外壁部材２３２１は前記ミッドケース２２側に変形されてよい。これにより、前記第１外壁部材２３２１は、前記第１硬質部材２３２と前記ミッドケース２２との間に位置している第１軟質部材２３１の部分を前記ミッドケース２２に密着させることができる。

前記第１連結部材２３２２は、前記第１外壁部材２３２１と前記第１加圧部材２３２３とを連結するものである。前記第１連結部材２３２２、前記第１外壁部材２３２１、及び前記第１加圧部材２３２３は、一体に形成されてもよい。

前記第１加圧部材２３２３は、前記カートリッジ２１側に向くように配置されたものである。前記第１硬質部材２３２が前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張される場合、前記第１加圧部材２３２３は前記カートリッジ２１側に変形されてよい。これにより、前記第１加圧部材２３２３は、前記第１硬質部材２３２と前記カートリッジ２１との間に位置している第１軟質部材２３１の部分を加圧し、前記カートリッジ２１に密着させることができる。

前記第１加圧部材２３２３と前記第１外壁部材２３２１との間には第１拡張溝２３２ａが配置されてよい。前記第１軟質部材２３１が前記ミッドケース２２と前記カートリッジ２１との間に挿入されるとともに、前記第１硬質部材２３２が前記第１挿入溝２３１ａに挿入された状態で、前記第１拡張溝２３２ａには拡張器具（図示せず）が挿入されてよい。前記拡張器具が前記第１拡張溝２３２ａに挿入されることにより、前記第１加圧部材２３２３は前記カートリッジ２１側に変形され、前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１側に加圧されてよい。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第１硬質部材２３２が拡張されていない状態で前記第１パッキング部材２３を設置できるので、前記第１パッキング部材２３に対する設置作業の容易性を向上させることができる。また、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第１パッキング部材２３を設置した後に、前記拡張器具を用いて前記第１硬質部材２３２を容易に拡張させることにより、前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１側に密着させ、密閉力を強化させる作業の容易性を向上させることができる。前記拡張器具は、前記第１拡張溝２３２ａに挿入されることにより、前記第１硬質部材２３２を前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張させることができるツールであってよい。前記拡張器具において前記第１拡張溝２３２ａに挿入される部分は、前記第１拡張溝２３２ａに挿入される方向に行くほど大きさが減少する形態で形成されてよい。前記拡張器具は、前記第１拡張溝２３２ａに挿入されながら前記第１外壁部材２３２１を前記ミッドケース２２側に変形させるものであってもよい。

前記第１加圧部材２３２３は、前記第１外壁部材２３２１に比べてより大きい厚さで形成されてよい。これにより、前記第１加圧部材２３２３は、前記カートリッジ２１側に塑性変形され、前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１に密着させた状態でより堅固に保持され得る。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第１パッキング部材２３と前記カートリッジ２１間の密閉力をより強化させるように具現される。

ここで、前記第１硬質部材２３２を変形させるために前記拡張器具が前記第１拡張溝２３２ａに挿入される過程で、前記第１パッキング部材２３が前記ミッドケース２２と前記カートリッジ２１との間に過度に深く挿入される可能性がある。これを防止するために、前記第１軟質部材２３１は、前記ミッドケース２２に係止方式で結合してよい。このような前記第１軟質部材２３１の構造を具体的に説明すると、次の通りである。

前記第１軟質部材２３１は、第１軟質本体２３１１、延長部材２３１２、係合溝２３１３、及び係止部材２３１４を含むことができる。

前記第１軟質本体２３１１は、前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間に配置される部分である。前記第１軟質本体２３１１には前記第１挿入溝２３１ａが形成されてよい。前記第１硬質部材２３２が前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張される際に、前記第１加圧部材２３２３は、前記第１硬質部材２３２と前記カートリッジ２１との間に位置している第１軟質本体２３１１の部分を加圧し得る。前記第１外壁部材２３２１は、前記第１硬質部材２３２と前記ミッドケース２２との間に位置している第１軟質本体２３１１の部分を加圧し得る。

前記延長部材２３１２は、前記第１軟質本体２３１１から前記ミッドケース２２側に延長されているものである。前記延長部材２３１２は、前記ミッドケース２２に支持されてよい。前記延長部材２３１２は、前記係止部材２３１４と前記第１軟質本体２３１１とを連結することができる。前記延長部材２３１２、前記係止部材２３１４、及び前記第１軟質本体２３１１は一体に形成されてもよい。

前記係合溝２３１３は、前記延長部材２３１２に形成されているものである。前記係合溝２３１３は、前記第１軟質本体２３１１と前記係止部材２３１４との間に配置されてよい。前記係合溝２３１３には前記ミッドケース２２が挿入されてよい。

前記係止部材２３１４は、前記延長部材２３１２に結合しているものである。前記係止部材２３１４は、前記係合溝２３１３に挿入されたミッドケース２２の外側に配置されてよい。この場合、前記係止部材２３１４と前記第１軟質本体２３１１との間に前記ミッドケース２２が配置されてよい。

このように、前記第１軟質部材２３１が前記ミッドケース２２に係合方式で結合するので、前記第１硬質部材２３２を変形させる過程で前記第１パッキング部材２３が前記ミッドケース２２と前記カートリッジ２１との間に挿入される深さが制限され得る。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第１硬質部材２３２の変形を用いて前記第１軟質部材２３１を前記カートリッジ２１に密着させる作業の安定性を向上させることができる。

図８を参照すると、前記第１軟質部材２３１は第１支持部材２３１５を含むことができる。前記第１支持部材２３１５は、前記カートリッジ２１の第１ポッティング部２１２側に突出しているものである。前記第１支持部材２３１５は、前記第１ポッティング部２１２に支持されてよい。これにより、前記第１硬質部材２３２を変形させる過程で前記第１支持部材２３１５は前記第１ポッティング部２１２に支持され、これにより、前記第１パッキング部材２３が前記ミッドケース２２と前記カートリッジ２１との間に挿入される深さを制限することができる。

前記第１支持部材２３１５は、前記第１軟質本体２３１１から突出していてよい。前記第１支持部材２３１５は、前記第１ポッティング部２１２に結合している前記中空糸膜２１１の中空を塞がない長さで突出していてよい。前記第１支持部材２３１５及び前記第１軟質本体２３１１は一体に形成されてもよい。

図８を参照すると、前記第１軟質部材２３１は、第１補強部材２３１６を含むことができる。前記第１補強部材２３１６は、前記第１軟質本体２３１１の内部に配置されてよい。前記第１補強部材２３１６は、前記第１軟質本体２３１１に比べてより大きい剛性を有する材質で形成されてよい。例えば、前記第１補強部材２３１６は、金属、プラスチックなどで形成されてよい。前記第１補強部材２３１６は、インサート成形によって前記第１軟質本体２３１１の内部に配置されるように具現されてよい。

図２～図８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、前記第１パッキング部材２３により、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。

前記第１キャップ３は、第１圧迫部材３１を含むことができる。前記第１キャップ３が前記加湿モジュール２の一端に結合すると、前記第１圧迫部材３１は前記延長部材２３１２を前記ミッドケース側に圧迫することができる。これにより、前記第１圧迫部材３１は、前記第１パッキング部材２３が前記カートリッジ２１と前記ミッドケース２２との間を密閉させた状態で保持されるための固定力をより強化させることができる。

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、前記第１パッキング部材２３’により、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。前記第１パッキング部材２３’は、詳述した前記第１パッキング部材２３と略一致するので、それに関する具体的な説明は省略する。

図９～図１３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に前記カートリッジ２１が複数個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には、前記カートリッジ２１，２１’の間に配置された隔壁部材（図示せず）を含むことができる。前記カートリッジ２１，２１’は、前記隔壁部材を挟んで配置され、個別に着脱可能に前記ミッドケース２２に結合してよい。一方、図１１～図１３に示すカートリッジ２１，２１’はそれぞれ、複数個の中空糸膜を含むものであるが、中空糸膜を省いて図示している。

前記ミッドケース２２に前記カートリッジ２１が複数個結合するように具現された場合、前記加湿モジュール２は第２パッキング部材２４を含むことができる。

前記第２パッキング部材２４は、前記カートリッジ２１，２１’の間に配置され、前記カートリッジ２１，２１’の間を密閉させるものである。前記第２パッキング部材２４は、前記燃料電池スタックに供給される気体と、前記カートリッジ２１，２１’の間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。本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第２パッキング部材２４を複数個含むことができる。前記第２パッキング部材２４，２４’はそれぞれ、前記カートリッジ２１，２１’の両側に配置されてよい。前記第２パッキング部材２４，２４’は位置のみ異なるだけで、互いに同一の構造で具現されるので、前記カートリッジ２１，２１’の一側に配置された第２パッキング部材２４を基準にして説明する。この説明から、前記カートリッジ２１，２１’の他側に配置された第２パッキング部材２４’を導出することは、本発明の属する技術の分野における当業者に自明な事項である。

前記第２パッキング部材２４は、第２軟質部材２４１、及び第２硬質部材２４２を含むことができる。

前記第２軟質部材２４１は、前記カートリッジ２１，２１’のそれぞれに接触しているものである。前記第２軟質部材２４１は、弾性変形可能な材質で形成されてよい。例えば、前記第２軟質部材２４１は、ゴム類で形成されてよい。前記第２軟質部材２４１は、第２挿入溝２４１ａ（図１０）を含むことができる。前記第２挿入溝２４１ａには前記第２硬質部材２４２が挿入されてよい。前記第２挿入溝２４１ａは、前記第１キャップ３側に向く前記第２軟質部材２４１の面に形成されてよい。

前記第２硬質部材２４２は、前記第２軟質部材２４１に結合しているものである。前記第２硬質部材２４２は前記第２挿入溝２４１ａに挿入されてよい。前記第２硬質部材２４２が前記第２挿入溝２４１ａに挿入された状態で、図１２に示すように、前記第２硬質部材２４２は、前記カートリッジ２１，２１’が互いに離隔している離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張されるように変形されることにより、前記第２軟質部材２４１を前記カートリッジ２１，２１’に密着させることができる。これにより、前記第２硬質部材２４２は、前記第２軟質部材２４１と前記カートリッジ２１，２１’間の密閉力を強化させることができる。この場合、前記第２硬質部材２４２と前記カートリッジ２１との間に位置している第２軟質部材２４１の部分は、前記第２硬質部材２４２によって弾性変形して圧縮されてよい。前記第２硬質部材２４２と前記カートリッジ２１’との間に位置している第２軟質部材２４１の部分は、前記第２硬質部材２４２によって弾性変形して圧縮されてよい。

前記第２硬質部材２４２は、前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張されるように塑性変形されてよい。これにより、前記第２硬質部材２４２は、前記第２軟質部材２４１を前記カートリッジ２１，２１’に密着させた状態で保持され得る。したがって、前記第２パッキング部材２４は、前記カートリッジ２１，２１’の間を密閉させた状態で堅固に保持され得る。前記第２硬質部材２４２は、塑性変形が可能な材質で形成されてよい。例えば、前記第２硬質部材２４２は、金属、プラスチックなどで形成されてよい。

前記第２硬質部材２４２は、第２連結部材２４２１、及び複数の第２加圧部材２４２２，２４２２’を含むことができる。

前記第２連結部材２４２１は、前記第２加圧部材２４２２，２４２２’を連結するものである。前記第２連結部材２４２１及び前記第２加圧部材２４２２，２４２２’は一体に形成されてもよい。

前記第２加圧部材２４２２，２４２２’は、前記カートリッジ２１，２１’側に向くように配置されたものである。前記第２硬質部材２４２が前記離隔方向（Ｘ軸方向）に拡張される際に、前記第２加圧部材２４２２，２４２２’は前記カートリッジ２１，２１’側に変形されてよい。これにより、前記第２加圧部材２４２２，２４２２’は、前記カートリッジ２１，２１’の間に位置している第２軟質部材２４１の部分を加圧して前記カートリッジ２１，２１’に密着させることができる。

前記第２加圧部材２４２２，２４２２’の間には第２拡張溝２４２ａが配置されてよい。前記第２軟質部材２４１が前記カートリッジ２１，２１’の間に挿入されるとともに前記第２硬質部材２４２が前記第２挿入溝２４１ａに挿入された状態で、前記第２拡張溝２４２ａには前記拡張器具が挿入されてよい。前記拡張器具が前記第２拡張溝２４２ａに挿入されることにより、前記第２加圧部材２４２２，２４２２’は、前記カートリッジ２１，２１’側に変形され、前記第２軟質部材２４１を前記カートリッジ２１，２１’側に加圧することができる。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第２硬質部材２４２が拡張されていない状態で前記第２パッキング部材２４を設置できるので、前記第２パッキング部材２４に対する設置作業の容易性を向上させることができる。また、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第２パッキング部材２４を設置した後に前記拡張器具を用いて前記第２硬質部材２４２を容易に拡張させることにより、前記第２軟質部材２４１を前記カートリッジ２１，２１’側に密着させて密閉力を強化させる作業の容易性を向上させることができる。

前記第２硬質部材２４２は、前記第１硬質部材２３２に比べてより大きい厚さで形成されてよい。前記第２硬質部材２４２の全体に対する平均厚さが、前記第１硬質部材２３２の全体に対する平均厚さに比べて厚くてよい。この場合、前記第２加圧部材２４２２，２４２２’のそれぞれは、前記第１外壁部材２３２１に比べてより大きい厚さで形成されてよい。前記第２加圧部材２４２２，２４２２’のそれぞれは、前記第１加圧部材２３２３と同じ厚さで形成されてよい。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記第２パッキング部材２４と前記カートリッジ２１，２１’間の密閉力をより強化させるように具現される。

ここで、前記第２軟質部材２４１と前記第１軟質部材２３１は、一体に形成されてもよい。これにより、一度の挿入作業によって前記第２軟質部材２４１と前記第１軟質部材２３１を設置することができる。この場合、前記第２硬質部材２４２と前記第１硬質部材２３２は個別に製造されてよい。

図１３を参照すると、前記第２硬質部材２４２を変形させるために前記拡張器具が前記第２拡張溝２４２ａに挿入される過程で、前記第２パッキング部材２４が前記カートリッジ２１，２１’の間に過度に深く挿入される可能性がある。これを防止するために、前記第２軟質部材２４１は、第２連結本体２４１１から突出している複数の第２支持部材２４１２，２４１２’を含むことができる。

前記第２軟質本体２４１１は、前記カートリッジ２１，２１’の間に配置される部分である。前記第２軟質本体２４１１には前記第２挿入溝２４１ａが形成されてよい。

前記第２支持部材２４１２，２４１２’は、前記カートリッジ２１，２１’の第１ポッティング部２１２，２１２’側に突出しているものである。前記第２支持部材２４１２，２４１２’は、前記第１ポッティング部２１２，２１２’に支持されてよい。これにより、前記第２硬質部材２４２を変形させる過程で、前記第２支持部材２４１２，２４１２’は前記第１ポッティング部２１２，２１２’に支持され、前記第２パッキング部材２４が前記カートリッジ２１，２１’の間に挿入される深さを制限することができる。

前記第２支持部材２４１２，２４１２’は、前記第２軟質本体２４１１の両側から突出していてよい。前記第２支持部材２４１２，２４１２’は、前記第１ポッティング部２１２，２１２’に結合している前記中空糸膜２１１（図８）の中空を塞がない長さで突出していてよい。前記第２支持部材２４１２，２４１２’及び前記第２軟質本体２４１１は一体に形成されてもよい。

図１３を参照すると、前記第２軟質部材２４１は第２補強部材２４１３を含むことができる。前記第２補強部材２４１３は、前記第２軟質本体２４１１の内部に配置されてよい。前記第２補強部材２４１３は、前記第２軟質本体２４１１に比べてより大きい剛性を有する材質で形成されてよい。例えば、前記第２補強部材２４１３は、金属、プラスチックなどで形成されてよい。前記第２補強部材２４１３は、インサート成形によって前記第２軟質本体２４１１の内部に配置されるように具現されてよい。

図８～図１３には、前記ミッドケース２２に２個のカートリッジ２１が結合しているとしているが、これに限定されず、図１４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。この場合、前記加湿モジュール２の一側に２個の第２パッキング部材２４が備えられるとともに、前記加湿モジュール２の他側に２個の第２パッキング部材２４’が備えられてよい。図示してはいないが、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に結合しているカートリッジ２１の個数が増加する分だけ、前記第２パッキング部材２４の個数が増加してよい。

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 (12)

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；及び
   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；を含み、
   前記加湿モジュールは、ミッドケース；及び、前記ミッドケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する少なくとも一つのカートリッジ；を含み、
   燃料電池用加湿器は、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）第１パッキング部材をさらに含み、
   前記第１パッキング部材は、前記カートリッジと前記ミッドケースにそれぞれ接触している第１軟質部材、及び前記第１軟質部材に結合している第１硬質部材を含み、
   前記第１軟質部材は、前記第１硬質部材が挿入されるための第１挿入溝を含み、
   前記第１硬質部材は、前記第１挿入溝に挿入された状態で、前記カートリッジと前記ミッドケースが互いに離隔している離隔方向に拡張されるように変形され、前記第１軟質部材を前記カートリッジに密着させることを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 前記第１硬質部材は、前記離隔方向に拡張されるように塑性変形（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）されて前記第１軟質部材を前記カートリッジに密着させた状態で保持されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記第１硬質部材は、
   前記カートリッジ側に向くように配置された第１加圧部材、
   前記ミッドケース側に向くように配置された第１外壁部材、
   前記第１加圧部材と前記第１外壁部材とを連結する第１連結部材、及び
   前記第１加圧部材と前記第１外壁部材との間に配置された第１拡張溝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。
4. 前記第１加圧部材は、前記第１拡張溝に拡張器具が挿入されることによって前記カートリッジ側に変形され、前記第１軟質部材を前記カートリッジ側に加圧することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
5. 前記第１加圧部材は、前記第１外壁部材に比べてより大きい厚さで形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
6. 前記カートリッジは、前記中空糸膜の一側を固定させる第１ポッティング部を含み、
   前記第１軟質部材は、前記第１ポッティング部側に突出していて前記第１ポッティング部に支持される第１支持部材を含むことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
7. 前記第１軟質部材は、
   前記ミッドケースと前記カートリッジとの間に配置された第１軟質本体、
   前記第１軟質本体から前記ミッドケース側に延長されている延長部材、
   前記延長部材に形成されている係合溝、及び
   前記係合溝に挿入されたミッドケースの外側に配置される係止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。
8. 前記第１キャップは、前記延長部材を前記ミッドケース側に圧迫する第１圧迫部材を含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用加湿器。
9. 前記ミッドケースには前記カートリッジが複数個結合しており、
   前記加湿モジュールは、前記カートリッジの間に配置されて前記カートリッジの間を密閉させる第２パッキング部材を含み、
   前記第２パッキング部材は、前記カートリッジのそれぞれに接触している第２軟質部材、及び前記第２軟質部材に結合している第２硬質部材を含み、
   前記第２軟質部材は、前記第２硬質部材が挿入されるための第２挿入溝を含み、
   前記第２硬質部材は、前記第２挿入溝に挿入された状態で、前記カートリッジが互いに離隔している離隔方向に拡張されるように変形され、前記第２軟質部材を前記カートリッジに密着させることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用加湿器。
10. 前記第２軟質部材と前記第１軟質部材は一体に形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用加湿器。
11. 前記第２硬質部材は、前記第１硬質部材に比べてより大きい厚さで形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用加湿器。
12. 前記カートリッジは、前記中空糸膜を固定させる第１ポッティング部を含み、
    前記第１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１に記載の燃料電池用加湿器。

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