KR101675742B1 - 연료전지용 가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전기에 사용되는 가습기에 관한 것으로, 특히 극지방이나 열대지방 등 가혹한 환경에서도 작동 신뢰성이 보장되는 연료전지용 가습기에 관한 것이다. 본 발명에 대한 실시예로 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로, 복수의 집적된 중공사막으로 이루어지는 중공사막 다발이 내장되는 하우징부, 상기 중공사막들의 끝단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 내벽면과 기밀 가능하게 접하는 포팅부 및 상기 포팅부의 분할하는 삽입부재가 포함되는 연료전지용 가습기를 제시한다.

Description

연료전지용 가습기{Humidifier for fuel cell}

본 발명은 연료전기에 사용되는 가습기에 관한 것으로, 특히 극지방이나 열대지방 등 가혹한 환경에서도 작동 신뢰성이 보장되는 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

연료전지는 공급되는 연료가스와 공기를 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치이다. 연료전지는 연료가스가 공급되는 한 전기 에너지를 연속적으로 생산할 수 있으며, 무소음, 무공해의 장점을 갖는다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 연료가스의 종류와 운전 조건이 다르게 된다. 그 중 고분자 전해질막을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 인산형 연료전지에 비해 저온인 대략 섭씨 60도 내지 섭씨 80도 범위에서 운전 가능하고, 출력밀도가 커서 소형화가 가능한 장점을 갖는다. 이로써 휴대형 장치의 전원공급수단이나 자동차용 전원공급수단으로 각광을 받고 있다.

연료전지의 작동 제어 중에서 주요한 요소 중 하나는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)의 가습이다.

수소이온의 전도는 고분자 전해질 막에 흡수된 물을 매개로 이루어지는데, 연료전지의 최적 작동온도가 섭씨 70도 내외이므로 고분자 전해질 막이 건조하게 될 우려가 있다. 만일 고분자 전해질 막의 습도가 낮아지면 수소이온의 전도성이 상실되어 연료전지의 효율이 저하되며, 심한 경우 연료전지 스택의 수명을 단축하게 된다.

고분자 전해질 막에 수분을 공급하는 방식 중 하나는 스택에서 생성된 물을 회수하여 연료가스나 공기를 가습하는 것이다. 이를 위하여 본 출원인은 하기에 선행기술문헌으로 기재한 바와 같은 중공사막을 이용한 가습기를 개발하여 왔다.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호, 2009.02.05 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호, 2009.06.08 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호, 2009.12.15 대한민국 공개특허 제10-2010-0108092호, 2010.10.06 대한민국 공개특허 제10-2010.0131631호, 2010.12.16 대한민국 공개특허 제10-2011-0001022호, 2011.01.06 대한민국 공개특허 제10-2011-0006122호, 2011.01.20 대한민국 공개특허 제10-2011-0006128호, 2011.01.20 대한민국 공개특허 제10-2011-0021217호, 2011.03.04 대한민국 공개특허 제10-2011-0026696호, 2011.03.16 대한민국 공개특허 제10-2011-0063366호, 2011.06.10

중공사막을 이용한 가습기는 외부 환경에 의한 영향을 받는다. 특히, 자동차용 연료전지의 가습기의 경우에 혹한 지역과 혹서 지역에서도 안정된 작동이 보장되어야 한다. 종래의 기술에 따른 가습기는 저온이나 고온의 환경에서 가습기의 하우징과 중공사막 다발을 결속시키는 포팅부는 열변형률이 하우징의 열변형률보다 큼에 따라 포팅부가 하우징과의 결속이 해제될 우려가 있다. 그 결과 하우징 내부에 누설이 발생되는 문제가 발생된다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 온도 변화에도 불구하고 하우징과 중공사막을 고정시키는 포팅부의 결속력을 견고하게 유지시키는 구조를 제시하는 것이다.

상기 과제를 위하여 본 발명은 실시예로, 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로, 복수의 집적된 중공사막으로 이루어지는 중공사막 다발이 내장되는 하우징부, 상기 중공사막들의 끝단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 내벽면과 기밀 가능하게 접하는 포팅부 및 상기 포팅부를 분할하는 삽입부재가 포함되는 연료전지용 가습기를 제시한다.

이때, 상기 삽입부재는 상기 하우징부의 내벽면과 상기 중공사막 다발의 사이에 개재될 수 있다.

나아가, 상기 중공사막 다발은 복수로 분할되어 있고, 상기 삽입부재는 분할된 상기 중공사막 다발들의 사이를 메우는 포팅부에 삽입될 수 있다.

삽입부재는 상기 포팅부의 내부에 함몰되어 있거나, 그 두께가 상기 포팅부의 두께와 동일하거나 길어서 상기 포팅부를 구획할 수 있다. 또한, 상기 삽입부재의 일단은 상기 포팅부의 표면에서 드러날 수 있다.

또한, 부가적으로 이러한 삽입부재의 둘레에는 단턱이 형성될 수 있다.

다른 실시예로 상기 포팅부가 접하게 되는 상기 하우징부의 내측면 또는 상기 삽입부재에는, 상기 포팅부의 내부에 매몰되어 상기 포팅부와 상기 하우징부의 사이가 벌어짐을 방지하는 결속부가 형성될 수 있다.

또 다른 실시예로는 상기 포팅부에는 열적 변형을 수용하는 수용홈이 형성되어 있는 연료전지용 가습기를 제시한다. 이때, 상기 수용홈의 함몰깊이는 상기 포팅부 두께의 1/2 이하인 것이 바람직하다.

구체적으로, 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로, 외표면에 가습기체의 주입홀과 배출홀이 형성되어 있는 하우징부, 상기 하우징부에 내장되며 복수의 집적된 중공사막으로 이루어진 중공사막 다발, 상기 중공사막 다발의 양단부에서 상기 중공사막들의 사이를 메우며 상기 하우징부의 내측면에 접하는 포팅부들, 상기 포팅부에 삽입되어 있으며 상기 포팅부의 열수축을 저감시키는 삽입부재 및 상기 하우징부의 각 양단에 결합되며 상기 작동기체가 통과하는 배관이 형성되어 있는 커버들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 삽입부재의 열변형률은 상기 포팅부의 열변형률보다 작을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 삽입부재에 의하여 포팅부의 열적 변형이 저감되므로 포팅부에 의한 하우징부의 내부 기밀이 확실하게 이루어져 극지방 또는 열대지방 등 가혹한 온도 조건에서 운영되는 연료전지용 가습기의 작동 신뢰성이 향상 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기에 채용된 하우징부를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 일부 분해한 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에 채용된 삽입부재의 개략적인 사시도.
도 4는 삽입부재들의 예를 나타낸 평면도.
도 5는 다른 실시예에 따른 삽입부재의 부분 단면을 나타낸 사시도.
도 6은 도 2에 도시된 실시예의 포팅부의 단면도.
도 7은 다른 실시예들에 따른 포팅부들의 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기를 일부 분해한 사시도.
도 9는 도 8에 도시된 다른 실시예의 포팅부의 단면도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포팅부의 단면도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 포팅부를 나타낸 단면도.

본 발명의 연료전지용 가습기는 연료전지에서 배출되는 가습된 공기를 이용하여 건조한 연료가스 또는 작동공기를 공급하는 것이다. 이미 알려진 바에 따라 연료가스 또는 작동공기는 중공사막의 내부 관로를 통과하고, 가습된 공기는 중공사막의 외부를 통과하도록 구성되며, 중공사막의 투수성에 의하여 가습된 공기의 수분이 중공사막을 통과하여 연료가스 또는 작동공기를 가습하게 된다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 연료전지에서 배출되며 수분을 다량 함유하는 공기를 가습기체라하고, 가습기체에 의하여 가습이 이루어지는 연료가스 또는 작동공기를 작동기체라고 칭한다.

외형을 이루는 하우징부의 내부에는 중공사막의 다발이 내장되며, 이들 중공사막들은 합성수지가 경화된 포팅부에 의하여 그 양단부가 하우징부의 내부에 고정된다. 포팅부는 하우징 내부에 중공사막 다발을 넣은 상태에서 액상의 합성수지를 붓고 이를 경화시켜 형성된다. 액상의 합성수지는 중공사막들의 사이의 공극을 메우게 되며 또한 하우징부의 내측면과 접착되는 것이다.

하우징부는 통상 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱 또는 금속 등으로 제조되는 것이고, 포팅부는 폴리우레탄, 에폭시, 실리콘 수지와 같이 액상 합성수지를 굳혀 형성되는 것이다.

본 발명의 특징 중 하나는 하우징부와 포팅부는 열변형률이 서로 다름에 따라 저온 또는 고온의 온도 변화에 따라 포팅부가 하우징부에 비하여 크게 수축하거나 팽창함으로써 하우징부의 내측벽에서 분리될 우려를 삽입부재에 의하여 해소하는 것이다.

삽입부재는 포팅부에 삽입되어 포팅부의 체적을 줄이는 것이다. 삽입부재에 의하여 포팅부의 체적이 줄어듦에 따라 포팅부의 열적 변형이 저감된다. 포팅부와 하우징부의 서로 다른 열변형률에도 불구하고, 포팅부가 하우징부에 접한 상태를 유지할 수 있게 된다.

또한, 삽입부재는 포팅부의 체적을 작게 여러 개로 분할시킬 수 있다. 삽입부재에 의하여 분할된 작은 조각들은 열수축하더라도 포팅부 전체가 하나의 덩어리로 존재하는 경우에 비하여 변형된 정도가 작아지게 된다.

특히, 삽입부재는 하우징부의 내측면을 따라 그에 이격되게 위치될 수 있는데, 이 경우 하우징부와 내접하는 포팅부 외측면의 열적 변형을 줄여 하우징부에서 포팅부가 떨어지지 아니하게 하는 것이다.

또한 삽입부재는 포팅부의 체적을 줄이면서도 포팅부의 강성을 저하시키지 아니하는 것이다. 삽입부재는 경화된 포팅부의 강성과 동일하거나 보다 큰 강성을 가지는 재질을 선택함으로써, 삽입부재가 더 포함됨에도 불구하고 이러한 삽입부재가 포함된 포팅부 전체의 강성을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 포팅부의 열변형을 더욱 줄이기 위한 수단으로, 포팅부에 수용홈이 형성되는 점이다. 수용홈은 포팅부의 체적을 더욱 줄이는 역할을 수행하면서, 동시에 열변형이 발생될 때에 수용홈의 체적이 변화되면서 포팅부의 외측면의 열변형을 줄이는 역할을 수행한다. 이러한 수용홈의 기능은 전술된 삽입부재와 더불어 사용되어 더욱 큰 포팅부의 열적 변형 저감 효과를 발휘할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 특징은 포팅부와 접하는 하우징부의 내측면 또는 삽입부재의 표면과의 물리적 고정력을 증대시키는 결속부가 더 구비되는 점이다. 결속부는 포팅부가 파괴되기 전까지 최대한 포팅부와 하우징부 또는 포팅부와 삽입부재와의 분리를 억제하는 것이다.

이러한 삽입부재, 수용홈 그리고 결속부는 포팅부가 하우징부에 견고하게 접하도록 함으로써 작동기체가 유동하는 통로와 공급기체가 통과하는 통로를 확실하게 분리 구획시키는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 극한지방이나 열대지방 등 다양한 온도 범위에서 작동되는 자동차에 높은 작동 신뢰성을 발휘하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 따른, 연료전지용 가습기의 구성, 기능 및 작용을 설명한다. 단, 실시예들에 걸쳐 유사하거나 동일한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기(10)는 하우징부(1), 중공사막 다발(4), 포팅부(2), 삽입부재(3) 및 커버들(5)을 포함한다.

하우징부(1)와 커버들(5)은 가습기(10)의 외형을 이루는 부재들이다. 하우징부와 커버들은 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 이루어진다.

하우징부(1)의 내부는 대략 원통 형상의 빈 공간이 형성된다.

도시하지 아니하였으나 하우징부 안에는 내부의 빈 공간을 분할하는 한 쌍의 분할부가 구비될 수 있다. 분할부들은 반원형 단면을 가지며 서로 이격되어, 한 쌍의 대칭된 분할부가 대략 원형 단면을 형성할 수 있다.

하우징부(1)의 양단부 각각에는 중간 부분보다 지름이 확장되는 둘레부(12)가 형성되어 있다. 일단부의 둘레부(12)에는 가습기체가 공급되는 주입홀(121)이 형성되어 있으며, 타단부의 둘레부(12)에는 하우징부의 중간 부분을 통과한 가습기체가 빠져나가는 배출홀(122)이 형성되어 있다.

하우징부(1)의 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 중공사막 다발(4)이 내장된다. 여기서 중공사막(41)의 재질과 구성은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. 중공사막 다발(4)은 복수의 중공사막(41)이 집적된 것이다.

중공사막 다발(4)은 전술된 분할부에 의하여 하우징부(1) 내부에서 분할될 수 있다. 즉, 반원형 분할부의 단면 형상에 맞게 중공사막들이 배치됨에 따라 각 분할부에 삽입된 중공사막 다발은 2 개의 반원형 단면을 이루며, 두 분할부의 이격 간격만큼 중공사막 다발들도 서로 이격된다.

이와 달리 중공사막들(41)을 하우징부(1)에 넣는 과정 중에 격벽부재(도시 생략)를 하우징부(1)의 내부에 끼워 넣고, 후술되는 포팅부를 형성한 다음 격벽부재를 제거하는 방법에 의하여 중공사막 다발(4)을 분리시킬 수 있다.

포팅부(2)는 중공사막 다발의 양단부에서 중공사막들(41)의 사이의 공극을 메우며 하우징부(1)의 내측면에 접하는 본딩 부재이다.

폴리우레탄 등은 액체 상태에서 하우징부의 끝단부에 주입되어 중공사막들(41)의 사이를 채워 중공사막들 사이의 공극을 메우게 된다. 또한, 포팅부(2)는 하우징부(1)의 내측면에 접한 상태에서 경화됨으로써 하우징부의 내측면에 접착된다.

이와 달리 포팅부는 별도의 지그에서 경화되고, 경화된 포팅부를 극저온에서 최대한 열수축시킨 후에 하우징부의 내측면에 억지 끼움으로 결합시킬 수도 있다. 이후 포팅부의 온도가 상승됨에 따라 포팅부가 팽창되며, 하우징부의 내측면과 포팅부의 외측면이 밀접하도록 구성할 수 있다.

포팅부(2)는 하우징부(1)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 중공사막 다발은 양단부가 하우징부(1)에 고정된다. 또한, 하우징부(1)는 양단이 포팅부(2)에 막히어 하우징부(1)의 내부에는 가습기체가 통과하는 유로가 형성된다.

한편, 커버(5)는 하우징부(1)의 각 양단에 결합된다. 각 커버(5)에는 배관(51)이 형성되어 있다. 일측 커버의 배관으로 유입된 작동기체는 중공사막의 내부 관로를 통과하며 가습되고, 타측 커버의 배관으로 빠져나가게 된다.

한편, 삽입부재(3)는 포팅부(2)에 삽입되어 있다.

도 2 내지 도 3에서 삽입부재(3)는 대략 원판 형상의 포팅부(2)에 따라 도넛 형태를 가지고 있다. 더하여 삽입부재(3)는 서로 이격된 중공사막 다발의 사이의 공간을 가로지는 크로스바(31)를 포함한다.

이때, 도넛 형상의 삽입부재(3)는 하우징부(1)의 내벽면과 중공사막 다발의 사이에 개재된다. 삽입부재(3)는 하우징부(1)의 내벽면에 직접 접촉하지는 아니한다.

도 2에 도시된 실시예에서 포팅부(2)에 드러나는 중공사막 다발(4)은 반원씩 나뉜 형상이다. 이는 중공사막 다발(4)이 내부에 장착되는 분할부의 반원 단면에 따른 것이다. 삽입부재(3)의 크로스바(31)는 포팅부(2)에서 반으로 나뉜 중공사막 다발(4) 사이에 위치된다.

포팅부(2)의 주된 열변형은 포팅부를 이루는 합성수지만이 한데 모여 경화되는 부분에서 크게 발생된다. 포팅부(2)에서 합성수지가 모여 큰 체적을 이루며 경화되는 부분은 중공사막 다발(4)이 없는 부분으로, 하우징부(1)의 내벽면과 중공사막 다발(4) 사이의 둘레 부분이다. 또한, 중공사막 다발들 사이의 공간에도 합성수지만이 모여 경화되므로 열변형이 크게 발생되는 부분이다.

도 3에 도시된 삽입부재(3)는 이와 같이 주로 합성수지만 채워지는 부분에 삽입되어, 포팅부의 체적을 줄이게 된다. 삽입부재(3)가 포팅부에서 차지하는 체적을 크게 하기 위하여 삽입부재(3)의 두께와 폭을 늘리더라도, 중공사막들이 노출되는 부분에 영향을 거의 미치지 않게 된다. 삽입부재가 차지하는 체적만큼 포팅부의 전체 체적이 줄어들어 열변형이 작아지는 효과를 가져오며, 더하여 주된 열변형이 발생되는 합성수지만 경화된 부분에 삽입부재가 삽입되므로 포팅부의 전체 열변형은 더욱 효과적으로 저감되는 것이다.

삽입부재는, 종래의 기술에서 일체로 이루어지는 포팅부 전체 또는 적어도 포팅부의 일부분을 분할하게 된다. 작은 체적으로 나뉜 포팅부의 조각의 열적 변형은 작게 일어나고, 그에 따라 하우징부의 내벽면과 접착된 포팅부 외측의 열 변형을 저감하게 된다. 그에 따라 하우징부의 내벽면과 포팅부가 열변형에 따라 이격되지 아니하게 된다.

나아가 삽입부재는 하우징부와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 하우징부와 같은 열변형률을 가지기 때문에, 삽입부재가 하우징부보다 작거나 크게 열적 변형됨에 따라 하우징부와 삽입부재 사이를 채우는 포팅부를 추가로 가압하지 아니하게 된다.

도 4에는 다양한 삽입부재의 형상이 도시되어 있다.

도 4의 (a)에 도시된 삽입부재(3)는 도넛 형태의 단면을 갖는다. 삽입부재(3)는 원형 단면을 가지는 하우징부의 내벽면과 중공사막 다발의 사이에 삽입되는 것이다. 도 4의 (a)에 도시된 삽입부재의 외형은 하우징부의 형상에 따라 다각형을 변형 가능한 것이다.

한편, 도 4의 (b), (c) 및 (d)에 도시된 삽입부재들은 크로스바(31)와 함께 다양한 형상의 리브를 더 포함하는 것으로, 도 2 내지 도 3에 도시된 삽입부재에 비하여 복잡한 단면 형상을 가지고 있다. 리브들은 크로스바에 비하여 폭이 가늘게 형성된다. 리브(32)는 중공사막 다발이 노출되는 포팅부의 일면에 삽입된다.

중공사막 다발의 연질로 포팅부가 고온에서 열팽창하면 내경이 좁아질 우려가 있다. 도 4의 (b), (c) 및 (d)의 삽입부재들(3)은 중공사막이 노출되는 부분까지 포팅부를 분할하여 포팅부의 열 변형을 저감시켜 중공사막의 내경 축소를 저감하는 것이다.

도 4의 (b)는 크로스바(31)를 수직으로 가로지르는 세로리브(32a), 삽입부재와 동심인 원형리브(32b) 및 원형리브의 외측에서 방사상으로 연장되는 사선리브(32c)를 포함한다. 이러한 리브들에 의하여 포팅부의 표면은 12면으로 잘게 나뉘게 된다. 도 4의 (c)와 (d)에 도시된 삽입부재들(3)은 리브의 다양한 형태를 보여준다. 본 발명에서 리브들의 패턴은 다양하게 변경될 수 있는 것이다.

한편, 도 3에서 하우징부(1)의 내부에는 양분된 두 중공사막 다발이 구비되는 것을 도시되어 있다. 그러나 본 발명에서 중공사막 다발은 세 부분 이상으로 더 분할될 수 있다. 이러한 중공사막 다발의 분할은 중공사막 다발이 내장되는 하우징부의 내부를 분할하는 격벽(도시 생략)에 의하여 이루어질 수 있다. 격벽의 배치에 따라 분할된 중공사막 다발의 단면형상은 부채꼴, 다각형, 타원형 등 다양하게 변경될 수 있는 것이다.

중공사막 다발을 분할하는 이유는 가습기체와 중공사막 다발의 접촉면적을 증대시키는데 있다. 만일 가습기의 체적이 충분히 작다면 중고사막 다발은 분할되지 아니하고 한데 뭉쳐지게 하우징부에 내장되어도 무방한 것이다.

도 5를 참고하면, 삽입부재(3)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5의 실시예에 따른 삽입부재(3)는 대략 원형 띠 형상을 가지는 것이다. 더하여, 삽입부재(3)의 둘레에는 단턱(33)이 형성되어 있다. 단턱(33)은 삽입부재(3)의 외측면에 요철을 형성함으로써 포팅부와의 접촉면적을 증대시켜 포팅부와 삽입부재(3)의 결속력을 증대시키는 것이다.

이러한 단턱은 도 3 내지 도 4에 도시된 다양한 삽입부재들에도 적용 가능한 것이다.

도 6에는 조립이 완료된 가습기의 일단부에 단면도가 개략적으로 도시되어 있다.

하우징부(1) 내부를 중공사막 다발(4)이 통과하고 있다. 포팅부(2)는 하우징부(1)의 상단보다 높게 형성되어 있다. 중공사막들(41)은 포팅부(2)를 관통하여 포팅부(2)의 끝단에서 관로가 노출되어 있다.

더하여, 반드시 그러한 것은 아니지만 포팅부(2)는 둘레부(12)의 끝단(12a)에 걸쳐지게 형성된다. 포팅부(2)는 둘레부(12)의 끝단(12a)의 대략 중간부분에서 하우징부의 중심을 향하여 오름 경사지게 형성되어 있다. 포팅부(2)에 가려지지 아니한 둘레부(12)의 끝단(12a)에는 실링부재(S)가 대어지고, 커버(5)가 이를 가압하며 하우징부(1)에 결합된다.

이때, 커버(5)와 하우징부(1)는 서로 접하는 면이 나사 결합될 수 있다. 또는 커버와 하우징부는 도시하지 아니하였으나 클램프 등 일반적으로 널리 사용되는 고정수단에 의하여 결합될 수도 있다.

커버(5)의 배관(51)으로 유입된 건조한 작동기체는 포팅부(2)와 커버(5) 사이에는 공간을 거쳐 중공사막들(41)의 관로로 들어가게 된다. 한편, 가습기체가 통과하는 하우징부(1)의 내부 공간은 포팅부(2)에 의하여 전술된 작동기체의 유로와 구획된다.

삽입부재(3)는 둘레부(12)와 중공사막 다발(4) 사이의 포팅부 내에 위치한다. 또한, 도면을 기준으로 삽입부재(3)의 상하 길이는 포팅부(2)의 상하 두께보다 작다. 이러한 삽입부재(3)는 포팅부(2)를 상하로 완전히 분할하지 아니하는 것이어서, 포팅부(2)의 상부는 삽입부재(3)에 의하여 분할되고, 포팅부(2)의 하부는 서로 연결되어 있다. 이와 같이 포팅부의 하부가 연속된 부재로 일체화되어 있기 때문에 포팅부에 의한 상하 공간의 기밀이 확실하게 이루어지게 된다.

또한, 삽입부재(3)의 상단은 포팅부(2)의 표면에서 드러나 있다. 따라서 포팅부(2)의 상단 표면부는 삽입부재(3)에 의하여 구획되어, 포팅부(2) 표면부가 크게 열수축되며 포팅부의 외경이 줄어드는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 7에는 삽입부재(3)의 길이와 포팅부(2)에 대한 삽입 위치를 서로 달리하는 예가 도시된다.

도 7의 (a)에서 삽입부재(3)의 상하 길이는 포팅부(2)의 두께와 동일한 것이다. 이 삽입부재(3)는 포팅부(2)의 두께 방향에 따라 포팅부(2)를 관통하므로, 삽입부재(3)에 의하여 나뉜 포팅부(2)는 서로 분리된다. 이때, 삽입부재가 포팅부 확실하게 분할할 수 있도록 삽입부재(3)는 포팅부(2)의 두께보다 길게 형성될 수도 있다.

도 7의 (b)에는 삽입부재(3)는 포팅부(2)의 상하 두께보다 짧은 길이를 가지면서, 포팅부(2)의 내부로 매몰되어 있다. 이는 삽입부재(3)가 작동기체에 의하여 부식될 수 있는 재질로 이루어진 경우에 주요한 것이다. 즉, 삽입부재(3)의 둘레를 감싸는 포팅부(2)에 의하여 작동기체가 삽입부재(3)와 접촉하지 않게 된다. 이로써, 삽입부재의 재질 선택에 있어서 내부식성을 고려할 필요가 없어져 삽입부재 재질 선택의 폭이 넓어진다.

도 7의 (c)에서 삽입부재(3)는 포팅부(2)의 상하 두께보다 짧은 길이를 가지면서, 삽입부재(3)의 하단이 포팅부(2)의 하단과 접하는 것이다. 이러한 삽입부재(3)의 높이는 포팅부(2)와 하우징부(1)의 주된 접착이 이루어지는 부분, 즉 둘레부(12)의 내측면과 포팅부(2)의 외주면이 접하는 부분과 거의 대응한 높이가 된다. 삽입부재에 의한 열적 변형 저감의 효과는 삽입부재와 같은 높이를 가지는 부분에 효과적으로 발휘되는데, 도 7의 (c)에 따른 삽입부재는 박리 우려가 큰 포팅부와 하우징부의 접착부분에 대응하는 높이로 설치됨으로써 포팅부의 분리를 방지하는 효과를 크게 한다.

도 6 내지 도 7에 걸쳐 도시한 삽입부재의 다양한 길이 및 포팅부에 대한 설치 높낮이는 도 4의 (a) 내지 (d) 및 도 5에 도시된 다양한 형태의 삽입부재에도 적용 가능한 것이다.

한편, 도 8과 도 9에는 다른 실시예가 도시되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기(10)는 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로, 중공사막 다발이 내장되는 하우징부(1), 포팅부(2) 및 삽입부재(3)를 포함한다. 이들 하우징부(1), 포팅부(2) 및 하우징부(1)의 구성과 작용은 아래에 설명되는 내용과 저촉되지 아니하는 한도에서 전술된 실시예와 동일한 것으로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기(10)의 포팅부(2)에는 열적 변형을 수용하는 수용홈(21)이 형성되어 있다. 도 8에는 커버가 결합되기 전의 가습기(10)가 도시되어 있으며, 노출된 포팅부(2)에는 14개의 수용홈들(21)이 서로 이격되게 형성되어 있다. 이러한 수용홈(21)의 수와 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 수용홈(21)은 삽입부재(3)에 의하여 분할되지 아니하는 부분, 즉 분할부에 의한 중공사막 다발의 반원형 노출 부위에 집중 형성되어 있다.

도시하지 아니하였으나 수용홈은 원형, 사각형 등의 다양한 패턴에 따라 포팅부가 파여 형성될 수도 있다.

도 9에서 수용홈(21)은 삽입부재(3)와 멀리 떨어진 포팅부의 중앙 부분에 형성되어, 포팅부의 체적을 감소시킨다. 또한, 수용홈은 포팅부의 열변형을 수용할 수 있다. 만일 포팅부가 열팽창하면 수용홈의 내경은 좁아지고, 열수축하면 그 내경이 늘어나는 것이다. 그에 따라 포팅부의 외측면에서 열적 변형이 저감된다.

이때, 수용홈(21)의 함몰깊이는 상기 포팅부(2) 두께의 1/2 이하일 수 있다. 만일 수용홈(21)의 함몰깊이가 포팅부(2) 두께의 1/2를 초과한다면, 수용홈(21)의 바닥면에서 포팅부(2)의 하단까지의 두께가 얇아지게 되고, 포팅부의 잦은 열적 변형에 의한 피로로 인하여 수용홈의 바닥면에서 시작되는 크랙이 발생될 염려가 있게 된다.

도 9에서 수용홈(21)은 포팅부(2)를 형성한 다음 절개하여 형성한 것이다. 그에 따라 수용홈(21)의 내주면이나 바닥면에는 중공사막(41)의 관로가 그대로 드러나 있게 된다. 이로써 수용홈을 형성하더라도 중공사막들이 노출되는 면적이 감소하지 아니한다.

한편, 도 10에는 또 다른 실시예의 포팅부(2)가 도시되어 있다. 도 10에서 중공사막(41)은 수용홈(21)을 빗겨나 포팅부(2)의 상부 노출면에서 관로가 드러나 있다. 이는 수용홈에 대응되는 돌기가 형성된 지그(도시 생략)에 하우징부(1)와 중공사막들(41)을 올리고, 액상의 수지를 부어 포팅부(2)를 형성함에 따라 얻어지는 구조이다.

한편, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가습기의 일부 단면도이다.

또 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기(10)에는 하우징부(1), 포팅부(2) 및 삽입부재(3)를 포함하며, 이들 구성요소들은 아래에 설명되는 내용과 저촉되지 아니하는 한도에서 전술된 실시예들과 동일한 것으로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.

다른 실시예에서 포팅부(2)가 접하는 하우징부(1)의 내측면에는 포팅부(2)의 내부에 매몰되어 포팅부(2)의 수축 변형을 억제하는 결속부(6)가 돌출되어 있다. 도면에서 결속부(6)는 포팅부(2)에 함몰될 수 있도록 둘레부(12)의 내측면이나 분할부(11)의 표면에서 돌출된 돌기이다.

또한 결속부의 표면적만큼 포팅부(2)와의 접촉 면적이 증대됨에 따라 하우징 내측면과 포팅부 간의 결속력이 증대된다. 이러한 하우징과 포팅부의 결속력 증대는 결속부가 하우징의 내측면에서 돌출되게 형성되는 경우에 더욱 증대된다.

도시하지 아니한 다른 예로, 결속부는 둘레부의 내측면이바 분할부의 표면에 형성된 홈일 수 있다. 이 경우 홈은 내부로 갈수록 점차 단면적이 증대되는 형상을 가질 수 있다.

도시된 결속부(6)는 하우징부(1)의 성형시 함께 성형될 수 있으며, 별도로 제작된 후 융착이나 용접 등의 다양한 방법을 통하여 해당 위치에 고정될 수 있다. 일례로, 결속부는 금속나사로 이루어져 하우징의 내벽에 박힐 수 있다.

결속부(6)는 하우징부(1)의 내벽면에서 돌출되는 돌출몸체(61)와, 이 돌출몸체(61)의 끝단에 구비되는 고정부(62)를 포함한다. 고정부(62)는 돌출몸체(61)에 비하여 체적이 크거나, 돌출몸체(61)의 길이 방향과 수직된 방향으로 연장되는 복수의 돌출편 등으로 이루어진다. 따라서 액상의 합성수지가 돌출몸체(61)와 고정부(62)를 감싼 후 경화되면, 포팅부(2)가 파괴되기 전에는 결속부(6)와 포팅부(2)는 견고하게 결합된 상태를 유지한다.

이러한 결속부는 하우징부의 내벽면, 보다 정확히는 둘레부의 내주면에 복수가 구비됨으로써 열 수축하더라도 포팅부가 하우징부에서 분리되는 것을 방지할 수 있다. 특히 이러한 결속부는 전술된 실시예의 삽입부재와 함께 사용됨으로써 더욱 큰 효과를 발휘할 수 있는 것이다. 또한, 도시된 바와 같이, 삽입부재와 수용홈이 모두 포함된 가습기에 사용될 수 있다.

나아가, 도시하지 아니하였으나, 결속부는 삽입부재에 형성될 수 있다. 삽입부재에 구비된 결속부가 포팅부에 매립됨으로써 포팅부와 삽입부재의 결속력이 증대된다. 이 경우, 반복된 열변형에도 불구하고 삽입부재와 포팅부의 결속력이 유지되어, 포팅부의 열적 변형을 저감시키는 삽입부재의 작용이 확실하게 이루어지는 효과를 갖는다.

10 : 가습기
1 : 하우징부
12 : 둘레부 121 : 주입홀 122 : 배출홀 12a : 끝단
2 : 포팅부 21 : 수용홈
3 : 삽입부재
31 : 크로스바 32 : 리브 32a : 세로리브 32b : 원형리브
32c : 사선리브 33 : 단턱
4 : 중공사막 다발 41 : 중공사막
5 : 커버 51 : 배관
6 : 결속부 61 : 돌출몸체 62 : 고정부

Claims (11)

1. 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로,
   복수의 집적된 중공사막으로 이루어지는 중공사막 다발이 내장되는 하우징부,
   상기 중공사막들의 끝단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 내벽면과 기밀 가능하게 접하는 포팅부 및
   상기 포팅부를 분할하는 삽입부재가 포함되고,
   상기 삽입부재는 상기 하우징부의 내벽면과 이격되어 상기 중공사막 다발의 사이에 개재되어 있으며,
   상기 포팅부가 외부로 노출되는 면에는 상기 포팅부의 열변형을 수용하는 복수개의 수용홈이 형성되어 있고,
   상기 수용홈은 상기 삽입부재와 이격되어 배치되는 연료전지용 가습기.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 중공사막 다발은 복수로 분할되어 있고,
   상기 삽입부재는 분할된 상기 중공사막 다발들의 사이를 메우는 포팅부에 삽입되어 있는 연료전지용 가습기.
4. 제1항에서,
   상기 삽입부재는 상기 포팅부의 내부에 함몰되어 있는 연료전지용 가습기.
5. 제1항에서,
   상기 삽입부재는 적어도 상기 포팅부의 두께와 동일하거나 길어서 상기 포팅부를 구획하는 연료전지용 가습기.
6. 제1항에서,
   상기 삽입부재의 일단은 상기 포팅부의 표면에서 드러나 있는 연료전지용 가습기.
7. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
   상기 삽입부재의 둘레에는 단턱이 형성되어 있는 연료전지용 가습기.
8. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
   상기 포팅부가 접하게 되는 상기 하우징부의 내측면 또는 상기 삽입부재에는, 상기 포팅부의 내부에 매몰되어 상기 포팅부와 상기 하우징부의 사이가 벌어짐을 방지하는 결속부가 형성되어 있는 연료전지용 가습기.
9. 삭제
10. 제1항에서,
    상기 수용홈의 함몰깊이는 상기 포팅부 두께의 1/2 이하인 연료전지용 가습기.
11. 연료전지에 공급되는 작동기체를 가습하기 위한 것으로,
    외표면에 가습기체의 주입홀과 배출홀이 형성되어 있는 하우징부,
    상기 하우징부에 내장되며 복수의 집적된 중공사막으로 이루어진 중공사막 다발,
    상기 중공사막 다발의 양단부에서 상기 중공사막들의 사이를 메우며 상기 하우징부의 내측면에 접하는 포팅부들,
    상기 포팅부에 삽입되어 있으며 상기 포팅부의 열수축을 저감시키는 삽입부재 및
    상기 하우징부의 각 양단에 결합되며 상기 작동기체가 통과하는 배관이 형성되어 있는 커버들을 포함하고,
    상기 삽입부재는 상기 하우징부의 내벽면과 이격되어 상기 중공사막 다발의 사이에 개재되어 있으며,
    상기 포팅부가 외부로 노출되는 면에는 상기 포팅부의 열변형을 수용하는 복수개의 수용홈이 형성되어 있고,
    상기 수용홈은 상기 삽입부재와 이격되어 배치되는 연료전지용 가습기.

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