JP7807472B2 - 膜加湿器用カートリッジ、及びそれを含む燃料電池の膜加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、膜加湿器用カートリッジ、及びそれを含む燃料電池の膜加湿器に係り、さらに具体的には、カートリッジ内に収容される中空糸膜が流体によって損傷されることを防止することができる膜加湿器用カートリッジ、及びそれを含む燃料電池の膜加湿器に関する。

燃料電池とは、水素と酸素とを結合させて電気を生産する発電型電池である。該燃料電池は、乾電池や蓄電池のような一般化学電池と異なり、水素と酸素とが供給される限り、続けて電気を生産することができ、熱損失がなく、内燃機関より効率が２倍ほど高いという長所がある。
また、水素と酸素との結合によって生じる化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するために、公害物質排出が少ない。従って、燃料電池は、環境にやさしいだけではなく、エネルギー消費増大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。
そのような燃料電池は、使用される電解質の種類により、大きく見て、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：polymer electrolyte membrane fuel cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：phosphoric acid fuel cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：molten carbonate fuel cell、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）及びアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ：alkaline fuel cell）などに分類されうる。
それらそれぞれの燃料電池は、根本的に同一原理によって作動されるが、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。そのうち、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、小型化が可能であるために、小規模据え置き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におき、最も重要な要因のうち一つは、膜・電極組立体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）の高分子電解質膜（ＰＥＭ：polymer electrolyte membraneまたはproton exchange membrane）に一定量以上の水分を供給することにより、関数率を維持させることである。該高分子電解質膜が乾燥すれば、発電効率が急激に低下されるためである。
高分子電解質膜を加湿する方法として、１）耐圧容器に水をいっぱいにした後、対象気体をして、拡散器（diffuser）を通過させ、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、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、ガス流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
それらのうちにおいても、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利用し、水蒸気を、高分子電解質膜に供給される空気に提供することにより、高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が、膜加湿器を軽量化及び小型化させることができるという点において有利である。
膜加湿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、単位体積当たり透過面積が大きい中空糸膜が望ましい。すなわち、該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り、小容量でも、燃料電池の加湿が十分になされ、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排ガス（off-gas）に含まれた水分と熱とを回収し、膜加湿器を介し、再使用することができるという利点を有する。

本発明は、カートリッジ内に収容される中空糸膜が流体によって損傷されることを防止することができる膜加湿器用カートリッジ、及びそれを含む燃料電池の膜加湿器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態による膜加湿器用カートリッジは、
内部に第１流体が流動する中空糸膜が収容され、第１硬度を有する材質によって形成されたインナーケースと、前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部と、第２流体が流入され、複数個のウィンドウを含む第１メッシュホール部と、前記第１メッシュホール部を介して流入された前記第２流体が、前記中空糸膜を介し、前記第１流体と水分交換を行った後で排出され、複数個のウィンドウを含む第２メッシュホール部と、を含む。前記第１メッシュホール部と前記第２メッシュホール部とのうち少なくともいずれか一つは、前記第１硬度より低い第２硬度を有する材質によって形成された衝撃吸収部を含む。
本発明の実施形態による膜加湿器用カートリッジにおいて、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠の中空糸膜側面に形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を含むものでもある。
本発明の実施形態による膜加湿器用カートリッジにおいて、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠を取り囲むように形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を含むものでもある。
本発明の実施形態による膜加湿器用カートリッジにおいて、前記インナーケースには、開口が形成され、前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記衝撃吸収部に形成され、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースに形成された開口をカバーし、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収プレートでもある。
本発明の実施形態による膜加湿器用カートリッジにおいて、前記第１硬度は、ショア（Shore）Ｄ２０～８０範囲であり、前記第２硬度は、ショア（Shore）Ａ５～８０範囲でもある。

本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器は、
第１流体と第２流体との水分交換を行い、ミッドケースと、前記第２流体を前記ミッドケースに流入させる第２流体流入口と、前記第２流体を外部に排出させる第２流体排出口と、前記ミッドケース内に配され、複数の中空糸膜を収容する少なくとも１つのカートリッジと、を含む。前記カートリッジは、内部に第１流体が流動する中空糸膜が収容され、第１硬度を有する材質によって形成されたインナーケースと、前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部と、第２流体が流入され、複数個のウィンドウを含む第１メッシュホール部と、前記第１メッシュホール部を介して流入された前記第２流体が、前記中空糸膜を介し、前記第１流体と水分交換を行った後で排出され、複数個のウィンドウを含む第２メッシュホール部と、を含む。前記第１メッシュホール部と前記第２メッシュホール部とのうち少なくともいずれか一つは、前記第１硬度より低い第２硬度を有する材質によって形成された衝撃吸収部を含む。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠の中空糸膜側面に形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を含むものでもある。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠を取り囲むように形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を含むものでもある。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記インナーケースには、開口が形成され、前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記衝撃吸収部に形成され、前記衝撃吸収部は、前記インナーケースに形成された開口をカバーし、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収プレートでもある。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記第１硬度は、ショア（Shore）Ｄ２０～８０範囲であり、前記第２硬度は、ショア（Shore）Ａ５～８０範囲でもある。
それ以外に、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、流体フロー方向に沿って揺動する中空糸膜が、軟質素材の衝撃吸収部に接触することにより、該中空糸膜に生じる摩擦を低減させ、長期間繰り返し使用による損傷を減らすことができる。

本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器が図示された正面図である。 本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器が図示された平面図である。 図２のＡ－Ａ’ラインから見た断面図である。 本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器に装着されるカートリッジの一実施形態が図示された平面図である。 図４のＢ－Ｂ’ラインから見た断面図である。 図４のＣ－Ｃ’ラインから見た断面図である。 本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器に装着されるカートリッジの他の実施形態が図示された斜視図である。 図７のカートリッジが図示された平面図である。 図８のＤ－Ｄ’ラインから見た断面図である。

本発明は、多様な変換を加えることができ、さまざまな実施形態を有することができるが、特定実施形態を例示し、詳細な説明によって詳細に説明する。しかし、それらは、本発明を、特定の実施形態について限定するものではなく、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と理解されなければならない。
本発明で使用された用語は、単に特定実施形態についての説明に使用されたものであり、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上、明白に取り立てての意味ではない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせが存在するということを指定するものであり、１またはそれ以上の他の特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせの存在または付加の可能性を事前に排除するものではないと理解されなければならない。以下、図面を参照し、本発明の実施形態による、膜加湿器用カートリッジ、及びそれを含む燃料電池の膜加湿器について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器が図示された正面図であり、図２は、本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器が図示された平面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ’ラインから見た断面図である。
図１ないし図３に図示されているように、本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器は、加湿モジュール１１０とキャップ１２０とを含む。
加湿モジュール１１０は、外部から供給される第１流体と、燃料電池スタック（図示せず）から排出される第２流体との水分交換を行う。キャップ１２０は、加湿モジュール１１０の両端に締結される。キャップ１２０のうちいずれか一つには、外部から供給される第１流体を、加湿モジュール１１０に供給する第１流体流入口１２１が形成され、他の一つには、加湿モジュール１１０によって加湿された第１流体を、燃料電池スタックに供給する第１流体排出口１２２が形成される。

加湿モジュール１１０は、第２流体流入口１１２と第２流体排出口１１３とを有するミッドケース１１１、及びミッドケース１１１内に配された少なくとも１つのカートリッジ２０を含む。燃料電池スタック（図示せず）から排出される第２流体は、第２流体流入口１１２に流入され、加湿モジュール１１０内で水分交換した後、第２流体排出口１１３に排出される。
本明細書において、第２流体流入口１１２または第２流体排出口１１３に／から流入／排出される流体は、第２流体に限定されるものではない。また、第１流体流入口１２１または第１流体排出口１２２に／から流入／排出される流体は、第１流体に限定されるものではない。設計により、キャップ１２０のうち一つは、第２流体を加湿モジュール１１０に供給し、中空糸膜内部を流れさせ、他の一つは、水分交換が行われた第２流体を外部に排出することができる。また、その場合、第２流体流入口１１２または第２流体排出口１１３のうちいずれか一つを介し、第１流体が流入され、残り一つを介し、加湿モジュール１１０によって加湿された第１流体が、燃料電池スタックに供給されるようにするのである。第１流体の流動方向と、第２流体の流動方向は、同方向でもあり、あるいは互いに反対になる方向でもある。
ミッドケース１１１とキャップ１２０は、それぞれ独立して、硬質プラスチックや金属によっても形成され、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。該円形は、楕円形を含み、該多角形は、丸いコーナー（rounded corner）を有する多角形を含む。例えば、該硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などでもある。ミッドケース１１１の内部空間は、隔壁１１４により、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とにも区画される。
図４は、本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器に装着されるカートリッジの一実施形態が図示された平面図であり、図５は、図４のＢ－Ｂ’ラインから見た断面図であり、図６は、図４のＣ－Ｃ’ラインから見た断面図である。
図４ないし図６を参照すれば、本発明の一実施形態による膜加湿器用カートリッジ２０は、多数の中空糸膜２１、ポッティング部２２、インナーケース２３そして衝撃吸収部２５を含む。

中空糸膜２１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、ポリフッ化ビニリデン（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、またはそれらのうち少なくとも２以上の混合物によって形成された高分子膜を含むものでもある。
ポッティング部２２は、中空糸膜２１の末端を固定する。ポッティング部２２は、ディップポッティング、遠心ポッティングのようなキャスティング方式を介し、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も形成される。
インナーケース２３は、各末端に開口（opening）を有し、内部に多数の中空糸膜２１を収容する。中空糸膜２１の端部がポッティングされているポッティング部２２は、インナーケース２３の開口を閉鎖させる。インナーケース２３は、第１空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第１メッシュホール部ＭＨ１、及び第２空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第２メッシュホール部ＭＨ２を具備する。
第２流体流入口１１２を介し、ミッドケース１１１の第１空間Ｓ１に流入された第２流体は、複数個のウィンドウＷが形成された第１メッシュホール部ＭＨ１を介し、インナーケース２３内に流れ込み、中空糸膜２１の外表面と接触する。続けて、第１流体と水分交換した第２流体は、複数個のウィンドウＷが形成された第２メッシュホール部ＭＨ２を介し、第２空間Ｓ２に抜け出した後、第２流体排出口１１３を介し、ミッドケース１１１から排出される。
なお、第２流体のフロー方向が、第１流体流入口１２１に流入される第１流体のフロー方向と反対方向である場合、第２流体排出口１１３を介し、ミッドケース１１１の第２空間Ｓ２に流入された第２流体は、第２メッシュホール部ＭＨ２を介し、インナーケース２３内に流れ込み、中空糸膜２１の外表面と接触する。続けて、第１流体と水分交換した第２流体は、第１メッシュホール部ＭＨ１を介し、第１空間Ｓ１に抜け出た後、第２流体流入口１１２を介し、ミッドケース１１１から排出される。
そのようなインナーケース２３は、第２流体の圧力から中空糸膜２１を保護するために、第１硬度を有する材質によって形成される。例えば、第１硬度は、ショア（Shore）Ｄ２０～８０範囲でもある。具体的には、インナーケース２３は、硬質素材のプラスチックによっても形成される。

なお、従来の膜加湿器用カートリッジにおいて、第１メッシュホール部ＭＨ１を介し、インナーケース２３内部に流入される第２流体により、インナーケース２３内部に収容された中空糸膜２１が、流体フロー方向に沿って揺動することになる。中空糸膜２１は、揺れながら、ウィンドウＷをなすウィンドウ枠２４と反復的に接触しながら、摩擦により、損傷（スクラッチ、断線など）が生じることになる。それは、第２メッシュホール部ＭＨ２を介し、第２流体が外部に排出される場合にも生じることになる。
そのような中空糸膜２１の損傷を防止するために、本発明においては、衝撃吸収部２５を含む。
衝撃吸収部２５は、インナーケース２３の硬度より低い第２硬度を有する材質によって形成される。例えば、第２硬度は、ショア（Shore）Ａ５～８０範囲でもある。さらに具体的には、衝撃吸収部２５は、ウレタン、シリコンのような軟質ゴム素材によっても形成される。
衝撃吸収部２５は、インナーケース２３の一部が切開されて形成されたウィンドウ枠２４に、二重射出方式によっても形成される。ウィンドウＷは、例えば、４個のウィンドウ枠２４によって形成された内部空間でもある。ここで、ウィンドウＷの形状は、それに限定されるものではなく、多角形、円形、楕円形のような多様な形状によっても形成される。
一実施形態において、図４ないし図６に図示されているように、衝撃吸収部２５は、第２硬度を有する材質によって形成された吸収層によっても形成される。該吸収層は、二重射出方式により、ウィンドウ枠２４を取り囲むようにも形成される。または、該吸収層は、ウィンドウ枠２４の中空糸膜側面にだけ形成されうる。
第２流体によって揺動する中空糸膜２１は、衝撃吸収部２５に接触することになるが、衝撃吸収部２５は、軟質素材によってなるので、中空糸膜２１と衝撃吸収部２５との摩擦を減らすことができる。従って、長期間使用しながら反復的に接触されても、摩擦による損傷（スクラッチ、断線（単線）など）を減らすことができる。

次に、図７ないし図９を参照し、膜加湿器用カートリッジの他の実施形態について説明する。図７は、本発明の一実施形態による、燃料電池の膜加湿器に装着されるカートリッジの他の実施形態が図示された斜視図であり、図８は、図７のカートリッジが図示された平面図であり、図９は、図８のＤ－Ｄ’ラインから見た断面図である。
図７ないし図９を参照すれば、本発明の他の実施形態による膜加湿器用カートリッジ２０は、多数の中空糸膜２１、ポッティング部２２、インナーケース２３そして衝撃吸収部２６を含む。
中空糸膜２１、ポッティング部２２に係わる説明は、前述の一実施形態と実質的に同一であるので、反復説明は、省略する。
本実施形態において、インナーケース２３には、ウィンドウ枠２４の代わりに、開口２３ａが形成され、衝撃吸収部２６は、開口２３ａに挿入され、開口２３ａをカバーする吸収プレート形態に形成される。衝撃吸収部２６は、インナーケース２３の硬度（第１硬度）より低い第２硬度を有する材質によって形成される。例えば、衝撃吸収部２６は、ウレタン、シリコンのような軟質ゴム素材によっても形成される。
また、衝撃吸収部２６には、第２流体の流出口のための複数個のウィンドウＷが形成され、複数個のウィンドウＷは、メッシュホール部ＭＨ１，ＭＨ２をなすことになる。すなわち、本実施形態において、衝撃吸収部２６は、メッシュホール部ＭＨ１，ＭＨ２の機能を遂行しながら、中空糸膜２１との摩擦を低減させることができる。
衝撃吸収部２６に形成されたウィンドウＷを介して流入される第２流体によって揺動する中空糸膜２１は、衝撃吸収部２６に接触することになるが、衝撃吸収部２６は、軟質素材によってなるので、中空糸膜２１と衝撃吸収部２６との摩擦を低減させることができる。従って、長期間使用しながら反復的に接触されても、摩擦による損傷（スクラッチ、断線など）を減らすことができる。

以上、本発明の実施形態に対して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であるならば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から外れない範囲内において、構成要素の付加、変更、削除または追加などにより、本発明を多様に修正及び変更させることができ、それらも、本発明の権利範囲内に含まれるものである。

Claims (10)

1. 内部に第１流体が流動する中空糸膜が収容され、第１硬度を有する材質によって形成されたインナーケースと、
   前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部と、
   第２流体が流入され、複数個のウィンドウを含む第１メッシュホール部と、
   前記第１メッシュホール部を介して流入された前記第２流体が、前記中空糸膜を介し、前記第１流体と水分交換を行った後で排出され、複数個のウィンドウを含む第２メッシュホール部と、を含み、
   前記第１メッシュホール部と前記第２メッシュホール部とのうち少なくともいずれか一つは、前記第１硬度より低い第２硬度を有する材質によって形成された衝撃吸収部を含み、
   前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記インナーケース又は前記インナーケースに取り付けられた前記衝撃吸収部に形成されている、膜加湿器用カートリッジ。
2. 前記衝撃吸収部は、
   前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠における前記中空糸膜に対向する面に形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を有する、請求項１に記載の膜加湿器用カートリッジ。
3. 前記衝撃吸収部は、
   前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠と、
   前記ウィンドウ枠を取り囲むように形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層と、を含む、請求項１に記載の膜加湿器用カートリッジ。
4. 前記インナーケースには、開口が形成され、
   前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記衝撃吸収部に形成され、
   前記衝撃吸収部は、前記インナーケースに形成された開口をカバーし、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収プレートである、請求項１に記載の膜加湿器用カートリッジ。
5. 前記第１硬度は、ショア（Shore）Ｄ２０～８０範囲であり、前記第２硬度は、ショア（Shore）Ａ５～８０範囲である、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の膜加湿器用カートリッジ。
6. 第１流体と第２流体との水分交換を行い、
   ミッドケースと、
   前記第２流体を前記ミッドケースに流入させる第２流体流入口と、
   前記第２流体を外部に排出させる第２流体排出口と、
   前記ミッドケース内に配され、複数の中空糸膜を収容する少なくとも１つのカートリッジと、を含み、
   前記カートリッジは、
   内部に第１流体が流動する中空糸膜が収容され、第１硬度を有する材質によって形成されたインナーケースと、
   前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部と、
   第２流体が流入され、複数個のウィンドウを含む第１メッシュホール部と、
   前記第１メッシュホール部を介して流入された前記第２流体が、前記中空糸膜を介し、前記第１流体と水分交換を行った後で排出され、複数個のウィンドウを含む第２メッシュホール部と、を含み、
   前記第１メッシュホール部と前記第２メッシュホール部とのうち少なくともいずれか一つは、
   前記第１硬度より低い第２硬度を有する材質によって形成された衝撃吸収部を含み、
   前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記インナーケース又は前記インナーケースに取り付けられた前記衝撃吸収部に形成されている、燃料電池の膜加湿器。
7. 前記衝撃吸収部は、
   前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠における前記中空糸膜に対向する面に形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層を有する、請求項６に記載の燃料電池の膜加湿器。
8. 前記衝撃吸収部は、
   前記インナーケースの一部が切開されて形成されたウィンドウ枠と、
   前記ウィンドウ枠を取り囲むように形成され、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収層と、を含む、請求項６に記載の燃料電池の膜加湿器。
9. 前記衝撃吸収部は、
   前記インナーケースには、開口が形成され、
   前記第１メッシュホール部及び前記第２メッシュホール部は、前記衝撃吸収部に形成され、
   前記衝撃吸収部は、前記インナーケースに形成された開口をカバーし、前記第２硬度を有する材質によって形成された吸収プレートである、請求項６に記載の燃料電池の膜加湿器。
10. 前記第１硬度は、ショア（Shore）Ｄ２０～８０範囲であり、前記第２硬度は、ショア（Shore）Ａ５～８０範囲である、請求項６ないし９のうちいずれか１項に記載の燃料電池の膜加湿器。