KR101371905B1

KR101371905B1 - 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 막 모듈

Info

Publication number: KR101371905B1
Application number: KR1020120047885A
Authority: KR
Inventors: 김현유; 권혁률
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2014-03-12
Also published as: KR20130124634A

Abstract

본 발명은 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 관한 것으로, 연료전지용 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조함에 있어서 포팅 물질로 인해 실제 가습에 사용되지 않는 막 부분을 줄여 중공사막의 유효 막 부분을 증가시킬 수 있고, 단면상에서 볼 때 중공사막들을 더욱 균일하게 분포시킬 수 있는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 케이스의 단부에 포팅캡을 씌우는 단계, 케이스의 내부에 중공사막을 넣는 단계, 및 포팅캡의 내측으로 포팅 물질을 주입 후 경화시켜 포팅부를 형성함으로써 중공사막들의 단부를 고정하는 단계를 포함하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 있어서, 상기 포팅캡을 씌운 상태에서 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하면서 포팅캡 내부로 주입된 포팅 물질의 중공사막 길이방향으로의 이동을 제한하기 위한 수단이 구비되도록 하여, 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면을 오목한 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 막 모듈{METHOD FOR PRODUCING HOLLOW YARN MEMBRANE MODULE OF HUMIDIFIER FOR FUEL CELL, AND HOLLOW YARN MEMBRANE MODULE MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에서 공기를 가습하는 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 전극층인 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 고분자 연료전지의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지에 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 가습시킨다.

가습기의 타입에는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 흡착제 타입 등의 여러 방법이 있지만, 연료전지 차량의 경우 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습기가 적용되고 있다. 막 가습기는 패키지 측면뿐만 아니라 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.

도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 막 가습기를 이용하여 공기를 가습하는 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 외기의 건조공기를 공기블로워(1)로 강제 송풍하여 막 가습기(10)에 통과시키며, 이때 연료전지 스택(20)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 습윤공기를 막 가습기(10)에 통과시켜, 과포화 습윤공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(20)에 공급한다.

통상의 막 가습기는 중공사막(hollow fiber)을 이용한 기체-기체 막 가습기(Gas to Gas Membrane Humidifier)로서, 이러한 막 가습기는 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 가습이 충분히 가능하고, 막 가습기를 통해 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 기체에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지 스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.

이하, 막 가습기의 구조에 대해 상술하기로 한다.

도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 사시도이고, 도 3은 막 가습기의 분해사시도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 막 가습기(10)는 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 고정되어 구성된 막 모듈(11)과, 상기 막 모듈(11)의 케이스(11a) 양단부에 각각 조립되고 유입구(13a,13b)와 배출구(14a)가 각각 형성된 제1하우징(13) 및 제2하우징(14)을 주요 구성품으로 한다.

여기서, 막 모듈(11)의 케이스(11a) 내에 중공사막(11c)이 다발 형태로 밀집되어 내장되며, 이때 중공사막(11c) 다발의 양쪽 단부가 포팅부(11b)에 의해 케이스(11a)의 각 단부 내측에 고정됨으로써 케이스 내에서 중공사막 다발의 위치가 고정된다.

상기한 막 모듈의 제작은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.

막 모듈의 제작시에 우선 케이스(11a)를 제작한 뒤, 상기 케이스(11a) 내에 원하는 가닥 수만큼의 중공사막(11c)을 채워넣고, 중공사막(11c) 다발을 케이스(11a)에 고정시키기 위해 고분자 물질인 포팅 물질을 주입한다.

이러한 공정을 포팅(potting) 공정이라고 부르며, 각 단부의 포팅 공정시 도 4에 나타낸 바와 같이 케이스(11a)의 한쪽 단부에 포팅캡(15)을 씌우고, 상기 케이스(11a)와 포팅캡(15)의 내부에 원하는 가닥 수만큼의 중공사막(11c)을 넣은 다음, 포팅캡(15)의 수지주입구(미도시됨)를 통해 포팅캡(15) 및 케이스(11a) 단부 내측으로 고분자 수지 물질인 포팅 물질을 주입하여 포팅부(11b)를 형성한다.

이때, 포팅 물질로는 주로 우레탄 계통의 고분자 수지가 사용되며, 통상의 포팅법은 도 5에 나타낸 바와 같이 중력을 이용하는 것으로, 포팅캡(14)의 수지주입구(14a)를 통해 고분자 수지를 주입한 뒤 중력에 의해 고분자 수지가 밀집된 막 사이로 침투되도록 하여 막 다발을 고정시킨다.

그리고, 포팅 후 고분자 수지를 경화시키고, 커팅 장치를 이용하여 포팅된 막 부분의 끝을 잘라내면 원하는 막 모듈을 얻을 수 있다.

최종적으로 막 모듈의 양쪽에 하우징을 끼우면 원하는 연료전지용 막 가습기를 얻을 수 있다.

도 6은 막 가습기에서 중공사막이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 나타낸 상태도이다.

도 6을 참조하면, 중공사막(11c)의 단부가 포팅부(11b)에 의해 둘러싸여 위치가 고정된 상태를 볼 수 있으며, 중공사막(11c)의 양 끝단부는 공기블로워에서 공급된 공기의 입구 또는 출구로 사용될 수 있도록 포팅부(11b)에 의해 막힘없이 노출된 구조로 되어 있다.

한편, 종래의 막 가습기가 가지는 문제점을 설명하면 다음과 같다.

막 가습기에서 중공사막을 고정하기 위해서는 반드시 중공사막 다발의 양단부를 포팅 물질로 포팅하여야 한다.

그러나, 막 가습기의 가습 성능에 있어서 중요한 점은 실제 가습을 수행하는 유효 막의 면적이며, 포팅 물질에 의해 포팅된 막 부분(중공사막의 단부)은 실제 가습에 사용되지 않는 부분이다.

즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 중공사막의 단부가 포팅 물질에 의해 포팅되어 실제 가습에 사용되지 않는 부분이고, 그 나머지 부분이 실제 가습에 사용되는 유효 막 부분이 된다.

이와 같이 포팅을 통해 중공사막을 고정하는 것이 반드시 필요하나, 종래의 막 가습기에서는 포팅에 의해 발생하는 무효 막 부분, 즉 실제 가습에 사용되지 않는 막 부분이 과도하게 크다는 문제가 있다.

또한 종래의 막 가습기에서는 하나의 큰 모듈에 여러 다발의 중공사막이 수납되므로 실제 막 모듈 제조시 중공사막들이 단면상의 전체 면적에 균일하게 분포되지 않고 한쪽으로 쏠리면서 불균일하게 분포되어 제작되는 경우가 많다.

도 8은 이러한 문제점을 나타내는 막 모듈의 단면도로서, 실제 제조된 막 모듈에서 중공사막이 단면상에서 볼 때 균일하게 분포되지 못하고 한쪽으로 쏠려 있음을 보여주고 있으며, 이러한 막 쏠림 현상은 가습 성능 및 효율을 저하시키는 요인이 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 연료전지용 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조함에 있어서 포팅 물질로 인해 실제 가습에 사용되지 않는 막 부분을 줄여 중공사막의 유효 막 부분을 증가시킬 수 있고, 단면상에서 볼 때 중공사막들을 더욱 균일하게 분포시킬 수 있는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 케이스의 단부에 포팅캡을 씌우는 단계, 케이스의 내부에 중공사막을 넣는 단계, 및 포팅캡의 내측으로 포팅 물질을 주입 후 경화시켜 포팅부를 형성함으로써 중공사막들의 단부를 고정하는 단계를 포함하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 있어서, 상기 포팅캡을 씌운 상태에서 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하면서 포팅캡 내부로 주입된 포팅 물질의 중공사막 길이방향으로의 이동을 제한하기 위한 수단이 구비되도록 하여, 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면을 오목한 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 수단은 포팅캡 내측의 저면에 상호 간에 간격을 가지면서 동심상으로 배치되도록 돌출 형성되는 복수개의 구획벽이고, 상기 복수개의 구획벽들은 포팅캡 내측 저면에서 서로 다른 높이로 형성되되, 안쪽으로 위치된 구획벽일수록 바깥쪽으로 위치된 구획벽에 비해 높이가 낮게 형성된 구조를 가지며, 상기 포팅캡의 외벽, 바깥쪽 구획벽 및 안쪽 구획벽 사이의 각 공간에 중공사막의 단부가 삽입된 상태로 포팅 물질을 주입하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수개의 구획벽은 동심원상으로 배치되는 원형의 구획벽들인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 수단은 한쪽으로 볼록한 판 형상을 가지면서 중공사막 다발이 통과할 수 있는 복수개의 홀이 형성된 삽입구조물이고, 상기 삽입구조물을 아래로 볼록한 배치 상태가 되도록 케이스 내측에 삽입한 뒤, 상기 삽입구조물의 홀을 통과하도록 중공사막 다발을 케이스 내부에 넣은 다음, 포팅 물질을 상기 삽입구조물 하측의 공간에 주입하여 포팅부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 삽입구조물은 중앙부가 볼록한 보울(bowl) 형상의 곡면판 형상으로 제작하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조되어 중공사막 다발의 양단부에 형성된 포팅부에서 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면이 오목한 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈을 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 의하면, 실제 가습에 사용되는 중공사막의 유효 막 부분을 증가시킬 수 있고, 중공사막 다발이 나누어져 수납됨으로 인해 중공사막들이 어느 한쪽을 쏠리는 종래의 불균일 분포 문제를 해결할 수 있으며, 궁극적으로는 가습 성능 및 효율의 향상이 가능해진다.

이러한 가습 성능 및 효율의 향상은 중공사막의 가닥 수 축소(즉, 중공사막의 사용량 축소)를 가능하게 하고, 이는 원가 절감, 가습기 사이즈 축소, 패키지 측면의 유리함을 제공하게 된다.

또한 습윤공기 및 건조공기의 분배성, 막 활용도의 향상이 가능해지며, 분배성의 불균일 문제로 인해 발생하던 가장자리 부분의 중공사막 단선 문제가 해결될 수 있고, 가습기에 걸리는 압력강하량을 줄일 수 있어 공기블로워의 부하를 낮출 수 있는 이점이 있게 된다.

도 1은 통상의 연료전지용 가습장치에서 막 가습기를 이용해 공기를 가습하여 공급하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 2는 통상의 막 가습기를 도시한 사시도이다.
도 3은 통상의 막 가습기를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 종래의 연료전지 막 모듈 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 5는 종래의 포팅법을 나타내는 개략도이다.
도 6은 통상의 막 가습기에서 중공사막이 포팅 물질에 의해 고정된 상태를 나타낸 상태도이다.
도 7과 도 8은 종래의 문제점을 나타내는 막 모듈의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 제조공정을 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 제조공정에서 사용되는 포팅캡을 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 제조공정을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 제조공정에서 사용되는 포팅캡을 도시한 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제조공정에 의해 제조된 막 모듈에서 중공사막의 배치 상태를 보여주는 단면도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 연료전지용 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조함에 있어서 포팅 물질로 인해 실제 가습에 사용되지 않는 막 부분을 줄여 중공사막의 유효 막 부분을 증가시킬 수 있고, 단면상에서 볼 때 중공사막들을 더욱 균일하게 분포시킬 수 있는 막 모듈의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 중공사막 다발의 양단부에 형성되는 각 포팅부에서 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면을 오목한 형상으로 형성하여 중공사막 다발의 유효 막 부분을 증가시키고, 포팅 공정 동안 중공사막들이 한쪽으로 쏠리지 않도록 중공사막의 쏠림 이동을 방지하는 쏠림방지수단을 사용하여 중공사막의 분포도를 개선하게 된다.

여기서, 막 모듈은 케이스, 케이스 내부에 수납되는 중공사막 다발, 그리고 중공사막 다발의 양단부에 형성되어 케이스 내 중공사막들의 위치를 고정하는 포팅부를 포함하는 구성이 되며, 본 발명에서 포팅부라 함은 포팅 물질로 이루어진 부분, 즉 중공사막 다발의 양단부에 포팅 물질을 주입하여 형성되는 부분으로 정의한다.

본 발명의 제조방법에서 케이스의 단부에 포팅캡을 씌우고, 상기 케이스와 포팅캡의 내부에 원하는 가닥 수만큼의 중공사막을 넣은 다음, 포팅캡의 수지주입구를 통해 포팅캡 및 케이스 단부 내측으로 고분자 수지 물질인 포팅 물질을 주입하여 고정하는 기본적인 제조 과정에 있어서는 종래와 비교할 때 차이가 없다.

다만, 상기와 같은 막 모듈을 제조하기 위해, 종래와 비교하여 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하는 쏠림방지수단, 그리고 포팅캡 내부로 주입된 포팅 물질의 막 길이방향으로의 이동을 제한하여 포팅부 내측면이 오목한 형상으로 형성될 수 있도록 하는 이동제한수단을 적용하는 점에 분명한 차이가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 제조공정을 나타내는 개략도이고, 도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 제조공정에서 사용되는 포팅캡을 도시한 사시도이다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 먼저 케이스(11a)를 제작한 후 케이스(11a)의 한쪽 단부에 구획벽(15a)을 가지는 포팅캡(15)을 씌우고, 케이스(11a) 내부에 원하는 가닥 수만큼의 중공사막(11c)들을 넣는다.

이어 도면상 도시하지는 않았으나 케이스의 다른 한쪽 단부에도 구획벽을 가지는 포팅캡을 씌운다.

다음으로 케이스(11a) 내부에 넣어진 중공사막(11c) 다발을 고정시키기 위해 케이스 한쪽 단부의 포팅캡(15) 내측으로 고분자 수지 물질인 포팅 물질을 주입하고, 이어 포팅 물질을 건조 및 경화시켜 포팅부(11b)를 완성한다.

포팅 물질의 주입은 포팅캡(15) 일측의 수지주입구(도 5 참조, 도 9에는 도시하지 않음)를 통해 이루어질 수 있다.

포팅 물질이 경화되면 중공사막 다발의 반대쪽 단부에 대해서도 동일하게 포팅 공정을 실시하는데, 마찬가지로 케이스의 반대쪽 단부에 씌워진 포팅캡 내측으로 포팅 물질을 주입하고, 포팅 물질을 건조 및 경화시켜 포팅부를 완성한다.

이어 커팅 장치를 이용하여 중공사막의 양 끝단부가 노출되도록 각 포팅부의 끝을 잘라냄으로써 최종의 막 모듈을 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 포팅 공정 중에 본 발명에서는 도 10에 나타낸 바와 같이 내측 저면에 동심상의 구획벽(15a)들을 가지는 포팅캡(15)을 사용하는데, 내측 저면에 서로 소정의 간격을 유지하면서 동심원상으로 배치되는 원형의 구획벽(15a)들이 형성된 포팅캡(15)을 사용할 수 있다.

이때, 직경이 다른 복수개의 구획벽(15a)들은 포팅캡(15)의 내측 저면에서 소정의 높이로 돌출 형성되고 특히 각 구획벽(15a)들이 서로 다른 높이를 가지도록 형성된다.

즉, 포팅캡(15)에서 안쪽으로 위치되는 원형의 구획벽(15a)일수록 높이가 상대적으로 낮고 그 바깥쪽으로 위치되는 구획벽(15a)일수록 높이가 상대적으로 높게 되어 있다.

포팅캡(15)에서 상기와 같은 구조의 구획벽(15a)은 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하는 쏠림방지수단인 동시에 포팅캡(15) 내부로 주입된 포팅 물질의 막 길이방향으로의 이동을 제한하여 포팅부(11b) 내측면이 오목한 형상으로 형성될 수 있도록 하는 이동제한수단이 된다.

이에 따라, 포팅캡(15) 내측으로 포팅 물질이 주입되면, 주입된 포팅 물질이 포팅캡(15)의 외벽과 바깥쪽 구획벽이 형성하는 공간을 먼저 채운 뒤, 상기 바깥쪽 구획벽을 넘어 그 안쪽 구획벽과의 사이에 형성된 공간을 채우게 된다.

이렇게 포팅 물질이 바깥쪽의 공간을 먼저 채운 다음 구획벽(15a)을 넘어 그 안쪽의 공간을 채우는 방식으로 주입되는데, 포팅캡(15)의 외벽, 바깥쪽 구획벽, 안쪽 구획벽이 이루는 동심원상의 공간을 포팅 물질이 차례로 채우게 된다.

이때, 포팅캡(15)의 외벽과 각 구획벽(15a) 사이의 공간에 중공사막(11c)들의 단부가 삽입되어 있으므로, 포팅캡(15) 및 케이스(11a) 단부 내측으로 주입된 포팅 물질(포팅부)이 중공사막(11c)들의 단부를 고정하게 된다.

결국, 포팅 물질이 포팅캡(15)의 외벽부터 포팅캡 중심부까지 모두 채워지고 나면, 포팅부(11b)은 도 9에 나타낸 바와 같이 중앙부가 낮은 오목한 형상으로 형성되게 된다.

이러한 포팅부(11b)의 구조는 완성된 막 모듈에서 중공사막(11c)의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면이 보울(bowl) 형상으로 오목하게 형성된 구조가 된다.

이와 같이 오목한 형상으로 포팅부(11b)가 형성되면, 내측면이 중공사막(11c)의 길이방향에 대해 직각의 편평한 면으로 이루어진 종래의 포팅부에 비해, 실제 가습에 사용되는 유효 막 부분을 증가시킬 수 있게 된다.

즉, 포팅부(11b)의 중앙부가 오목한 구조로 되어 있으므로, 종래의 편평한 구조에 비해 중앙으로 위치되는 중공사막들의 단부가 더욱 많이 노출되는 구조가 되어, 상기한 유효 막 부분이 증가될 수 있는 것이다.

도 9에서 포팅부(11b) 외주면은 케이스(11a)의 단부 내측면과 직접 접착되는 부분으로, 이 외주면을 포함하는 포팅부(11b)의 외곽부는 케이스(11a)와의 충분한 접착력 확보를 위해 막 길이방향 기준으로 더 이상 짧게(얇게) 할 수 없는 부분이다.

종래에는 포팅부의 두께가 외곽부와 중앙부의 구분 없이 대략 일정한 두께를 가지며, 이에 중앙부에 위치한 중공사막들이 외곽부의 중공사막들과 대략 동일한 양만큼 포팅부에 의해 밀봉된다.

반면, 본 발명에서는 포팅부(11b)의 중앙부가 짧은 구조, 즉 중앙부의 두께가 외곽부에 비해 상대적으로 얇은 구조로 되어 있으므로, 중앙부에 위치한 중공사막들의 경우 외곽의 중공사막들에 비해 단부의 노출되는 면적이 상대적으로 크고, 이에 실제 가습에 사용되는 유효 막 부분이 상대적으로 크다.

물론, 포팅부(11b)의 두께를 전체적으로 두께가 제일 얇은 중앙부의 두께와 동일하게 통일시키는 경우, 즉 외곽부와 중앙부의 구분 없이 포팅부의 두께를 전체적으로 동일하게 중앙부의 두께로 얇게 형성하는 경우, 포팅부(11b)의 외곽부와 케이스(11a) 간의 접촉 면적이 줄어들게 되므로 중공사막(11c)이 케이스(11a)로부터 쉽게 떨어질 수 있다.

이와 같이 하여, 유효 막 부분 증가라는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 것이며, 또한 이웃한 구획벽(15a) 사이의 공간으로 중공사막(11c)들이 넣어짐으로 해서 중공사막들이 한쪽으로 쏠리는 현상이 최소화될 수 있게 된다.

이와 같이 제조되는 막 모듈을 적용하는 경우 막 가습기의 가습 성능 및 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 제조공정을 나타내는 개략도이고, 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 제조공정에서 사용되는 삽입구조물을 도시한 사시도이다.

본 발명은 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하는 쏠림방지수단인 동시에 포팅캡(15) 내부로 주입된 포팅 물질의 막 길이방향으로의 이동을 제한하여 포팅부 내측면이 오목한 형상으로 형성될 수 있도록 하는 이동제한수단으로서 삽입구조물(16)을 이용하는 제조방법을 포함한다.

도 9의 제1실시예에서 포팅캡(15)의 구획벽(15a)이 쏠림방지수단이자 이동제한수단이었다면, 도 11의 제2실시예에서는 포팅캡(15)과 별도로 제작되는 삽입구조물(16)이 쏠림방지수단이자 이동제한수단이 된다.

즉, 유효 막 부분의 면적을 증가시키기 위한 방법으로, 제1실시예에서는 포팅캡(15) 내 구획벽(15a)의 높이에 변화를 주어 포팅부 내측면의 형상을 조절하였으나, 제2실시예에서는 삽입구조물(16)을 적용하여 포팅부 내측면의 형상을 조절하게 된다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 제2실시예에서는 케이스(11a)의 단부에 포팅캡(15)을 씌울 때, 케이스(11a) 내측면에 삽입구조물(16)을 설치한 뒤 포팅 물질을 주입하는 점에서 차이가 있으며, 이를 제외한 기본적인 제조공정은 제1실시에와 비교할 때 차이가 없다.

상기 삽입구조물(16)은 도 12에 나타낸 바와 같이 중앙부로 가면서 한쪽으로 볼록한 형상의 판 형상 구조물, 바람직하기로는 보울(bowl) 형상의 곡면판 형상으로 제작될 수 있는데, 이때 중공사막(11c) 다발이 통과할 수 있는 복수개의 홀(16a)을 가지는 구조로 제작된다.

이러한 곡면판 형상의 삽입구조물(16)을 케이스(11a) 내부에 삽입할 때, 도 11에 나타낸 바와 같이 케이스(11a) 내부에서 삽입구조물(16)의 중앙부가 낮은 높이가 되도록, 즉 케이스(11a) 내부에서 중앙부가 아래로 볼록한 배치 상태가 되도록 삽입구조물(16)을 삽입하게 된다.

또한 중공사막(11c)들을 포팅캡(15)이 씌워진 케이스(11a) 내부에 채울 때, 삽입구조물(16)의 각 홀(16a)에 중공사막 다발을 통과시켜 채우게 되며, 이렇게 중공사막 다발을 채운 상태에서 삽입구조물(16) 하측의 공간으로 포팅 물질을 주입하게 된다.

결국, 포팅 물질이 건조 및 경화되어 포팅부(11b)가 형성되고 나면, 제2실시예의 포팅부 역시 제1실시예의 포팅부 형상과 동일한 형상, 즉 중공사막(11c)의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 내측면이 오목한 형상으로 형성된 형상을 가지게 된다.

이에 제1실시예와 마찬가지로 제2실시예에서도 중공사막 다발의 유효 막 부분의 증가, 중공사막의 분포성 개선이 달성될 수 있게 된다.

다만, 완성된 막 모듈에서 삽입구조물이 그대로 남아 있게 되며, 이에 막 모듈은 삽입구조물을 추가로 포함하는 구성이 된다.

도 13은 본 발명의 제조공정에 의해 제조된 막 모듈에서 중공사막의 배치 상태를 보여주는 단면도로서, 도시된 바와 같이, 중공사막 다발이 삽입구조물의 각 홀 안으로 삽입되어 고정 및 배치되므로, 단면상에서 볼 때 중공사막(11c)들이 어느 한쪽으로 쏠리지 않고 전체 면적에서 균일하게 분포되는 양상을 가지게 된다.

이와 같이 본 발명의 제조방법을 적용하는 경우, 실제 가습에 사용되는 중공사막의 유효 막 부분을 증가시킬 수 있고, 중공사막 다발이 나누어져 수납됨으로 인해 중공사막들이 어느 한쪽을 쏠리는 종래의 불균일 분포 문제(도 8 참조)를 해결할 수 있으며, 궁극적으로는 가습 성능 및 효율의 향상이 가능해진다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11a : 케이스 11b : 포팅부
11c : 중공사막 15 : 포팅캡
15a : 구획벽 16 : 삽입구조물
16a : 홀

Claims

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케이스의 단부에 포팅캡을 씌우는 단계, 케이스의 내부에 중공사막을 넣는 단계, 및 포팅캡의 내측으로 포팅 물질을 주입 후 경화시켜 포팅부를 형성함으로써 중공사막들의 단부를 고정하는 단계를 포함하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법에 있어서,
상기 포팅캡을 씌운 상태에서 중공사막들의 쏠림 이동을 방지하면서 포팅캡 내부로 주입된 포팅 물질의 중공사막 길이방향으로의 이동을 제한하기 위한 수단이 구비되도록 하여, 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면을 오목한 형상으로 형성하고,
상기 수단은 포팅캡의 내측 저면에 상호 간에 간격을 가지면서 동심상으로 배치되도록 돌출 형성되는 복수개의 구획벽이고,
상기 복수개의 구획벽들은 포팅캡 내측 저면에서 서로 다른 높이로 형성되되, 안쪽으로 위치된 구획벽일수록 바깥쪽으로 위치된 구획벽에 비해 높이가 낮게 형성된 구조를 가지며,
상기 포팅캡의 외벽, 바깥쪽 구획벽 및 안쪽 구획벽 사이의 각 공간에 중공사막의 단부가 삽입된 상태로 포팅 물질을 주입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 복수개의 구획벽은 동심원상으로 배치되는 원형의 구획벽들인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 수단은 한쪽으로 볼록한 판 형상을 가지면서 중공사막 다발이 통과할 수 있는 복수개의 홀이 형성된 삽입구조물이고,
상기 삽입구조물을 아래로 볼록한 배치 상태가 되도록 케이스 내측에 삽입한 뒤, 상기 삽입구조물의 홀을 통과하도록 중공사막 다발을 케이스 내부에 넣은 다음, 포팅 물질을 상기 삽입구조물 하측의 공간에 주입하여 포팅부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 삽입구조물은 중앙부가 볼록한 보울(bowl) 형상의 곡면판 형상으로 제작하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈 제조방법.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되어 중공사막 다발의 양단부에 형성된 포팅부에서 중공사막의 길이방향 기준 가운데 쪽을 향하는 포팅부 내측면이 오목한 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 막 모듈.