KR20210000679A

KR20210000679A - 연료전지용 가습기 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20210000679A
Application number: KR1020200076958A
Authority: KR
Inventors: 김도우; 안나현; 김경주
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2021-01-05
Also published as: EP3993114A1; CN114072942A; JP2022529365A; KR102423872B1; WO2020262911A1; EP3993114A4; US20220123334A1; JP7297093B2

Abstract

연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 확실히 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있는 연료전지용 가습기 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 연료전지용 가습기는, 가습 모듈 및 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함하되, 상기 가습 모듈은, 미드-케이스(mid-case); 상기 미드-케이스 내의 다수의 중공사막들; 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층; 및 상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 복합 가스켓을 포함하고, 상기 복합 가스켓은 내부 바디; 외부 바디; 및 이들 사이의 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디를 포함하며, 상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 고정층과 접착되어 있으며 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된다.

Description

연료전지용 가습기 및 그 제조방법{Humidifier for Fuel Cell and Method for Manufacturing The Same}

본 발명은 연료전지용 가습기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 확실히 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있는 연료전지용 가습기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.

또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.

이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.

고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 막 가습 방식 등이 있다.

이들 중에서도 배가스(off-gas) 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스(즉, 공기 또는 연료가스)에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막 가습 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

막 가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 고분자 전해질 막의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막 가습 방식의 가습기(1000)는 외부로부터 공급되는 가스와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(1100) 및 상기 가습 모듈(1100)의 양 말단들에 각각 결합된 캡들(1200)을 포함한다.

상기 캡들(1200) 중 하나는 외부로부터 공급되는 가스를 상기 가습 모듈(1100)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(1100)에 의해 가습된 가스를 연료전지 스택으로 전달한다.

상기 가습 모듈(1100)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(1110a)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(1110b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(1110) 및 상기 미드-케이스(1110) 내의 다수의 중공사막들(1120)을 포함한다. 상기 중공사막들(1120)의 다발의 양 말단들은 고정층(1130)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(1130)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식[예를 들어, 딥 포팅(dip potting)으로도 일컬어지는 딥 캐스팅(dip casting) 또는 원심 포팅(centrifugal potting)으로도 일컬어지는 원심 캐스팅(centrifugal casting)]을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

외부로부터 공급되는 가스는 상기 중공사막들(1120)의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 유입구(1110a)를 통해 상기 미드-케이스(1110) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막들(1120)의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 배출구(1110b)를 통해 상기 미드-케이스(1110)로부터 배출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막들(1120)의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막들(1120)을 투과함으로써 상기 중공사막들(1120)의 중공을 따라 흐르던 가스를 가습한다.

상기 캡들(1200)의 내부 공간들은 상기 중공사막들(1120)의 중공들과만 유체연통할 뿐, 상기 미드-케이스(1110)의 내부 공간과는 완벽히 차단되어 있어야만 한다. 그렇지 않다면, 압력 차이에 의한 가스 누출이 발생하여 연료전지의 발전 효율이 저하된다.

일반적으로, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 고정층(1130)과 함께, 상기 고정층(1130)과 상기 미드-케이스(1110) 사이의 수지층(1140)이 상기 캡들(1200)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(1110)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(1130)과 유사하게, 상기 수지층(1140)은 일반적으로 캐스팅 방식(딥 캐스팅 또는 원심 캐스팅)을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

그러나, (i) 연료전지의 운전 및 정지가 반복됨에 따라 상기 수지층(1140)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 상기 미드-케이스(1110)와 상기 수지층(1140)의 열팽창계수 차이로 인해 상기 수지층(1140)이 상기 미드-케이스(1110)로부터 분리되어 이들 사이에 갭(gap)이 야기되거나, (ii) 진동 및/또는 충격으로 인해 상기 수지층(1140)과 미드-케이스(1110) 사이에 갭이 야기될 개연성이 높다. 상기 수지층(1140)과 상기 미드-케이스(1110) 사이의 갭은 가스 누출을 야기하여 연료전지의 발전 효율을 저하시킨다.

상기 수지층(1140)과 상기 미드-케이스(1110) 사이의 갭 발생으로 인한 가스 누출을 방지하기 위하여, 대한민국 등록특허 제1697998호는, 수지층(1140) 측면의 단차와 미드-케이스(1110) 내면에 의해 형성된 홈에 실런트(액상 실링재)를 도포한 후 패킹부재(고상 실링재)를 상기 홈에 끼우고 상기 실런트를 경화시키는 방법을 교시하고 있다.

그러나, 이와 같은 방법은, (i) 홈에 정확히 맞추어 실런트를 도포하여야 하기 때문에 작업성이 좋지 않고, (ii) 상기 실런트를 경화시키는데 24 시간 이상의 상당히 긴 시간이 소요되며, (iii) 상기 실런트가 경화될 때까지 상기 가습 모듈(1100)을 보관하기 위한 별도의 공간이 요구된다는 점에서, 낮은 생산성 및 높은 제조 비용의 문제점들을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 가습기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 관점은, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 확실히 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있는 연료전지용 가습기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 관점은, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 확실히 방지할 수 있는 연료전지용 가습기를 상대적으로 낮은 비용 및 높은 생산성으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 외부로부터 공급되는 가스를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하는 가습 모듈(humidifying module); 및 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들(caps)을 포함하되, 상기 가습 모듈은, 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(mid-case); 상기 미드-케이스 내의 다수의 중공사막들; 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(fixing layer); 및 상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 복합 가스켓(composite gasket)을 포함하고, 상기 복합 가스켓은, 상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 내부에 위치하는 내부 바디(inner body); 상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 외부에 위치하는 외부 바디(outer body); 및 상기 내부 바디와 상기 외부 바디 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디(connecting body)를 포함하며, 상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 고정층과 접착되어 있으며 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된, 연료전지용 가습기가 제공된다.

상기 제1 물질은 연질 고무(soft rubber)일 수 있고, 상기 제2 물질은 금속, 경질 플라스틱(rigid plastic), 경질 고무(hard rubber), 또는 상기 제1 물질과 상이한 종류의 연질 고무일 수 있다.

상기 제1 물질은 연질 실리콘 고무 또는 연질 우레탄 고무를 포함할 수 있고, 상기 제2 물질은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 경질 실리콘, 또는 경질 우레탄을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 물질이 연질 실리콘 고무를 포함할 경우, 상기 제2 물질은 연질 우레탄 고무를 포함할 수 있다.

상기 내부 바디는, 상기 제1 물질로 형성되며 상기 커넥팅 바디와 직접 연결되어 있는 제1 부분; 및 상기 제2 물질로 형성되며 상기 제1 부분 및 상기 고정층과 각각 접착되어 있는 제2 부분을 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면은 단차를 가질 수 있다.

상기 내부 바디의 상기 제1 부분은 상기 외부 바디 및 상기 커넥팅 바디와 함께 상기 제1 물질로 형성된 패킹부를 구성할 수 있고, 상기 내부 바디의 상기 제2 부분은 상기 제2 물질로 형성된 브라켓부를 구성할 수 있다.

상기 패킹부와 상기 브라켓부는 사출 성형을 통해 일체로 형성될 수 있다.

상기 복합 가스켓은 고무 접착성분, 아크릴 접착성분, 폴리우레탄 접착성분, 에폭시 접착성분, 실리콘 접착성분, 폴리아미드계 접착성분, 폴리이미드계 접착성분, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 프라이머층을 상기 내부 바디의 표면의 적어도 일부 상에 더 포함할 수 있다.

상기 고정층은, 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층; 및 상기 제1 고정층을 감싸며 상기 복합 가스켓의 상기 내부 바디와 접착된 제2 고정층을 포함할 수 있다.

상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 동일한 물질로 형성될 수 있다.

상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 모두는 폴리우레탄(PU) 수지를 포함할 수 있다.

상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방된 이너 케이스(inner case)를 상기 미드-케이스 내에 더 포함할 수 있고, 상기 중공사막들은 상기 이너 케이스 내에 배치될 수 있으며, 상기 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있을 수 있다.

상기 중공사막들은 제1 그룹의 중공사막들 및 제2 그룹의 중공사막들을 포함할 수 있고, 상기 가습 모듈은, 상기 제1 그룹의 중공사막들이 내부에 배치되어 있는 제1 이너 케이스; 및 상기 제2 그룹의 중공사막들이 내부에 배치되어 있는 제2 이너 케이스를 더 포함할 수 있고, 상기 고정층은, 상기 제1 그룹의 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층; 상기 제2 그룹의 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제2 고정층; 및 상기 제1 및 제2 고정층들을 감싸며 상기 복합 가스켓의 상기 내부 바디와 접착된 제3 고정층을 포함할 수 있으며, 상기 제1 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있을 수 있고, 상기 제2 이너 케이스의 말단은 상기 제2 고정층에 포팅되어 있을 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따라, 다수의 중공사막들의 말단들이 제1 고정층에 포팅되어 있는 중공사막 카트리지를 준비하는 단계;양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스 내에 상기 중공사막 카트리지를 삽입하는 단계;상기 미드-케이스의 말단에 대응하는 홈을 갖는 복합 가스켓을 준비하는 단계; 상기 미드-케이스의 말단이 상기 홈에 끼워지도록 상기 복합 가스켓을 상기 미드-케이스의 말단 상에 장착하는 단계; 상기 미드-케이스 및 상기 복합 가스켓과 상기 중공사막 카트리지의 말단 사이의 갭을 메우는 제2 고정층을 형성하는 단계; 상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층, 및 상기 중공사막들을 동시에 커팅함으로써 상기 중공사막들의 말단들을 개방시키는 단계; 및 상기 미드-케이스에 캡을 체결하되, 상기 캡에 의해 상기 복합 가스켓이 압축되도록 상기 캡을 체결하는 단계를 포함하되, 상기 복합 가스켓은, 상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 내부에 위치하는 내부 바디; 상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 외부에 위치하는 외부 바디; 및 상기 내부 바디와 상기 외부 바디 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디를 포함하며, 상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된, 연료전지용 가습기의 제조방법이 제공된다.

상기 복합 가스켓 준비 단계는, 상기 브라켓부를 준비하는 단계; 상기 브라켓부를 금형에 삽입하는 단계; 상기 브라켓부가 삽입되어 있는 상기 금형에 상기 제1 물질의 용융물(melt)을 사출하는 단계; 및 상기 제1 물질의 용융물을 냉각시킴으로써 상기 브라켓부에 접착된 상기 패킹부를 얻는 단계를 포함할 수 있다.

대안적으로, 상기 복합 가스켓 준비 단계는, 이종 사출 성형을 수행함으로써 상기 브라켓부와 상기 패킹부를 동시에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 중공사막 카트리지 준비 단계는, 상기 중공사막들 각각의 적어도 일부를 이너 케이스 내에 삽입하는 단계; 및 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행함으로써 상기 제1 고정층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행할 때 상기 이너 케이스의 말단도 상기 중공사막들의 말단들과 함께 상기 제1 고정층에 포팅될 수 있다.

위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.

본 발명에 의하면, 종래 기술의 실런트 도포 및 경화 공정들 없이, 복합 가스켓의 기계적 조립만을 통해 외부 누출과 내부 누출을 모두 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 종래기술에서 요구되는 실런트 도포 공정 및 실런트 경화 공정이 생략되기 때문에 작업성이 향상될 뿐만 아니라 제조 시간이 단축됨으로써 그 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 실런트 경화 공정을 위해 반제품을 보관할 별도의 공간이 요구되지 않기 때문에 가습기 생산 비용이 절감될 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 분해 사시도(exploded perspective view)이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가습기의 단면도이고,
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스켓의 사시도이고,
도 3(b)는 도 3(a)의 A-A 라인을 따른 단면도이고,
도 4(a) 내지 4(f)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 복합 가스켓들의 단면도들이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가습기의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가습기의 단면도이고,
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 가습기 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

도 2, 도 5, 도 6, 및 도 7a-7f의 단면도들은 가습기 또는 반제품의 일단의 단면도들이며, 그 타단도 실질적으로 동일(또는 대칭의) 단면을 갖는다.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 가습기(2000)는 외부로부터 공급되는 가스를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(2100)을 포함한다. 상기 가습 모듈(2100)의 양 말단들 각각은 캡(2200)에 체결되어 있다.

상기 캡들(2200) 중 어느 하나는 포트(2210)를 통해 외부로부터 가스를 공급받아 상기 가습 모듈(2100)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(2100)에 의해 가습된 가스를 포트(2210)를 통해 연료전지 스택으로 전달한다. 상기 캡들(2200)은 경질 플라스틱(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA) 등)이나 금속으로 형성될 수 있으며, 단일 폐곡선(simple closed curve)(예를 들어, 원형 또는 다각형)의 횡단면(traverse section)을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가습 모듈(2100)은 외부로부터 공급되는 가스와 연료전지 스택으로부터 공급되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(2110), 상기 미드-케이스(2110) 내의 다수의 중공사막들(2121), 상기 중공사막들(2121)의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(2122), 및 상기 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 복합 가스켓(2130)을 포함한다.

상기 미드-케이스(2110)는 배가스 유입/유출을 위한 포트들(2111)(도 2에는 하나만 도시되어 있음)을 갖는다. 상기 미드-케이스(2110)는 경질 플라스틱(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA) 등)이나 금속으로 형성될 수 있으며, 단일 폐곡선(예를 들어, 원형 또는 다각형)의 횡단면을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 미드-케이스(2110)는 상기 캡(2200)과 동일한 형태의 횡단면을 가질 수 있다.

상기 중공사막들(2121)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

어느 한 캡(2200)으로 통해 외부로부터 공급되는 가스는 상기 중공사막들(2121)의 중공들을 따라 흐르면서 가습된 후 다른 캡(2200)을 통해 연료전지 스택으로 전달된다.

상기 미드-케이스(2110) 내로 유입된 배가스가 상기 중공사막들(2121)의 외표면과 접촉한 후 상기 미드-케이스(2110)로부터 배출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막들(2121)의 외표면과 접촉할 때 그 안에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막들(2121)을 투과함으로써 상기 중공사막들(2121)의 중공을 따라 흐르던 가스를 가습한다.

경질 또는 연질의 폴리우레탄 수지로 형성될 수 있는 상기 고정층(2122)은 상기 캡(2200)이 상기 중공사막들(2121)과만 유체연통할 수 있도록 상기 캡(2200)의 내부 공간을 상기 미드-케이스(2110)의 내부 공간으로부터 차단하여야 한다.

그러나, 전술한 바와 같이, (i) 연료전지의 운전 및 정지가 반복됨에 따라 상기 고정층(2122)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 상기 미드-케이스(2110)와 상기 고정층(2122)의 열팽창계수 차이로 인해 상기 고정층(2122)이 상기 미드-케이스(2110)로부터 분리되어 이들 사이에 갭이 야기되거나, (ii) 진동 및/또는 충격에 의해 상기 고정층(2122)과 미드―이스(2110) 사이에 갭이 야기될 개연성이 높다. 상기 고정층(2122)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭은 가스 누출을 야기하여 연료전지의 발전 효율을 저하시킨다.

상기 고정층(2122)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭 발생으로 인해 야기될 수 있는 가스 누출은, (i) 상기 미드-케이스(2110)의 내부 공간 내의 배가스가 상기 고정층(2122)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭 및 상기 캡(2200)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭을 순차적으로 통과하여 가습기(2000) 밖으로 빠져나가는 외부 누출(external leakage) 및 (ii) 상기 미드-케이스(2110)의 내부 공간 내의 배가스가 상기 고정층(2122)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭 및 상기 고정층(2122)과 상기 캡(2200) 사이의 갭을 순차적으로 통과하여 상기 캡(2200)의 내부 공간으로 들어가는 내부 누출(internal leakage)을 포함한다.

상기 고정층(2122)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 갭 발생으로 인한 가스 누출을 방지하기 위하여, 본 발명의 연료전지용 가습기(2000)는 상기 복합 가스켓(2130)을 더 포함한다.

도 3(a)에 예시된 바와 같이, 상기 복합 가스켓(2130)은 상기 미드-케이스(2110)의 횡단면에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다.

도 3(a)의 A-A 라인을 따른 단면도인 도 3(b)에 예시된 바와 같이, 상기 복합 가스켓(2130)은 상기 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워지는 홈(G)을 가지며, 상이한 물질들로 형성된 패킹부(2131)와 브라켓부(2132)를 포함할 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(f)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 복합 가스켓들(2130)의 단면도들이다.

도 4(a) 내지 도 4(c)를 참조하면, 본 발명의 복합 가스켓(2130)은, 상기 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워지는 홈(G)을 기준으로 상기 미드-케이스(2110)의 내부에 위치하는 내부 바디(2130a), 상기 홈(G)을 기준으로 상기 미드-케이스(2110)의 외부에 위치하는 외부 바디(2130b), 및 상기 내부 바디(2130a)와 상기 외부 바디(2130b) 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디(2130c)를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 내부 바디(2130a)의 적어도 일부는 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 물질은 상기 제1 물질보다 상기 고정층(2122)에 대한 접착력이 더 우수한 물질일 수 있으며, 상기 제2 물질로 형성된 상기 내부 바디(2130a)의 상기 일부가 상기 고정층(2122)과 강하게 접착되어 있을 수 있다.

예를 들어, 상기 복합 가스켓(2130)의 커넥팅 바디(2130c)는 상기 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 상기 미드-케이스(2110)에 체결될 때 가해지는 압력에 의해 압축될 수 있도록 30 내지 60 Shore A, 더욱 바람직하게는 40 내지 50 Shore A의 상대적으로 낮은 경도를 갖는 제1 물질(예를 들어, 연질 고무)로 형성될 수 있고, 상기 고정층(2122)과 직접 접촉하는 상기 내부 바디(2130a)의 부분은 상기 제1 물질보다 상기 고정층(2122)에 대한 접착력이 더 우수한 물질(예를 들어, 금속, 경질 플라스틱, 경질 고무, 또는 연질 고무)로 형성될 수 있다.

상기 커넥팅 바디(2130c)의 상기 제1 물질은 연질 실리콘 고무 또는 연질 우레탄 고무를 포함할 수 있고, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제2 물질은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 경질 실리콘, 또는 경질 우레탄을 포함할 수 있다.

또한, 상기 커넥팅 바디(2130c)의 상기 제1 물질이 연질 실리콘 고무를 포함할 경우, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제2 물질은 연질 우레탄 고무를 포함할 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(c)에 각각 도시된 바와 같이, 상기 내부 바디(2130a)는 (i) 상기 제1 물질로 형성되며 상기 커넥팅 바디(2130c)와 직접 연결되어 있는 제1 부분, 및 (ii) 상기 제2 물질로 형성되며 상기 제1 부분 및 상기 고정층(2122)과 각각 접착되어 있는 제2 부분을 포함할 수 있다.

상이한 물질들로 각각 형성된 상기 제1 및 제2 부분들의 접촉 면적을 증가시켜 이들 사이의 접착력을 극대화하기 위하여, 도 4(a) 및 도 4(b)에 예시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면은 단차를 가질 수 있다.

상기 내부 바디(2130a)의 상기 제1 부분은 상기 외부 바디(2130b) 및 상기 커넥팅 바디(2130c)와 함께 상기 제1 물질로 형성된 패킹부(2131)를 구성할 수 있고, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제2 부분은 상기 제2 물질로 형성된 브라켓부(2132)를 구성할 수 있다. 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132)는 사출 성형을 통해 일체로 형성(integrally formed)될 수 있는데, 이에 대한 구체적 설명은 후술한다.

상기 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 상기 미드-케이스(2110)에 체결될 때 상기 복합 가스켓(2130)의 커넥팅 바디(2130c)가 상기 미드-케이스(2110)의 말단과 상기 캡(2200)에 의해 가압되어 압축됨으로써 상기 복합 가스켓(2130)과 상기 미드-케이스(2110) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 외부 누출)을 방지하여 타이트한 외부 실링(external sealing)을 보장할 수 있다.

또한, 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132)가 사출 성형을 통해 일체로 형성되기 때문에 이들 사이의 강한 접착력이 얻어질 수 있다. 따라서, 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132) 사이의 계면[즉, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면]을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 우수한 내부 실링(internal sealing)을 보장할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예 따른 상기 브라켓부(2132)[즉, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제2 부분]는 상기 고정층(2122)과 우수한 접착력을 가짐으로써 상기 브라켓(2130)과 상기 고정층(2122) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 더욱 강한 내부 실링을 제공할 수 있다.

선택적으로(optionally), 상기 브라켓부(2132)의 표면 또는 상기 내부 바디(2130a)의 표면을 프라이머(primer)로 처리함으로써 상기 브라켓부(2132) 또는 내부 바디(2130a)와 상기 고정층(2122)의 접착 강도를 더욱 향상시켜 상기 내부 실링 효과를 극대화할 수 있다. 즉, 도 4(d) 내지 도 4(f)에 예시된 바와 같이, 본 발명의 복합 가스켓(2130)은 상기 내부 바디(2130a)의 표면의 적어도 일부 상에 프라이머층(2133)을 더 포함함으로써 상기 고정층(2122)에 대한 더욱 강한 접착력을 가질 수 있다. 복합 가스켓(2130)과 고정층(2122) 사이의 접착 강도 향상을 위해 사용되는 상기 프라이머는 고무 접착성분, 아크릴 접착성분, 폴리우레탄 접착성분, 에폭시 접착성분, 실리콘 접착성분, 폴리아미드계 접착성분, 폴리이미드계 접착성분, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 고무 접착성분을 위해, 천연고무(NR) 및/또는 합성고무가 사용될 수 있다. 상기 합성고무는 SBR, NBR, CR, BR, IIR, 및/또는 EPDM일 수 있다.

상기 아크릴 접착성분을 위해, 아크릴 에멀젼(acrylic emulsion), 혐기성 아크릴 수지(anaerobic acrylic resin), 및/또는 아크릴 수지계 점착테이프(acrylic resin-based adhesive tape)가 사용될 수 있다.

폴리우레탄 접착성분을 위해, 용제형 폴리우레탄(solvent-type polyurethane), 폴리우레탄 핫멜트(polyurethane hot melt), 우레탄 에멀젼(urethane emulsion)이 사용될 수 있다.

상기 폴리아미드계 접착성분을 위해 폴리아미드 핫멜트가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캡(2200)은, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 복합 가스켓(2130)의 홈(G)에 끼워지는 상기 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 위치에 돌기(2220)를 가질 수 있다. 상기 돌기(2220)는 상기 미드-케이스(2110)의 말단과 함께 상기 복합 가스켓(2130)의 커넥팅 바디(2130c)를 더욱 효과적으로 압축시킴으로써 더 타이트한 외부 실링을 가능하게 한다.

상기 복합 가스켓(2130)의 내부 바디(2130a)의 상기 제2 부분뿐만 아니라 상기 제1 부분도, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 고정층(2122)과 접착되어 있을 수 있다. 상기 고정층(2122) 형성에 사용되는 액상 수지(예를 들어, 액상의 폴리우레탄 수지)가 상기 복합 가스켓(2130)의 내부 바디(2130a)의 상기 제1 및 제2 부분들 모두에 접촉한 상태에서 경화되도록 함으로써 상기 복합 가스켓(2130)과 상기 고정층(2122)의 접착 강도를 향상시키고 내부 실링을 강화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 고정층(2122)은 상기 중공사막들(2121)의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1) 및 상기 제1 고정층(2122-1)을 감싸며 상기 복합 가스켓(2130)의 내부 바디(2130a)와 접착된 제2 고정층(2122-2)을 포함할 수 있다.

상기 제1 고정층(2122-1)과 상기 제2 고정층(2122-2)은 딥 캐스팅 방식 또는 원심 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 각각 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(2122-1)과 상기 제2 고정층(2122-2)은 상이한 물질로 각각 형성될 수 있으나, 이들 간의 접착 강도 측면에서 동일한 물질(예를 들어, 폴리우레탄 수지)로 각각 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가습 모듈(2100)은, 도 2에 예시된 바와 같이, 양 말단들이 개방된 이너 케이스(inner case)(2123)를 상기 미드-케이스(2110) 내에 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 중공사막들(2121)은 상기 이너 케이스(2123) 내에 배치된다. 상기 중공사막들(2121)의 말단부들이 포팅되어 있는 상기 제1 고정층(2122-1)이 상기 이너 케이스(2123)의 개방된 말단들(open ends)을 폐쇄시킨다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 이너 케이스(2123)는 배가스 유입/유출을 위한 포트들(2111)(도 2에는 하나만 도시되어 있음)에 대응하는 위치들에 다수의 홀들(H)을 각각 갖는다. 제1 포트(2111)를 통해 상기 미드-케이스(2110) 내로 유입된 배가스가 상기 제1 홀들(H)을 통과한 후 상기 중공사막들(2121)의 외표면을 따라 흐르면서 수분을 빼앗긴다. 이어서, 반대 쪽의 제2 홀들(H)을 통해 상기 이너 케이스(2123)를 벗어난 후 제2 포트(2111)를 통해 상기 미드-케이스(2110)로부터 배출된다.

상기 중공사막들(2121), 상기 제1 고정층(2122-1), 및 상기 이너 케이스(2123)는 중공사막 카트리지(2120)를 구성한다.

도 2에 예시된 바와 같이 상기 이너 케이스(2123)의 말단이 상기 제1 고정층(2122-1)에 포팅되어 있음으로써 상기 중공사막들(2121)과 상기 이너 케이스(2123)의 상대적 위치가 일정하게 유지될 수 있다.

이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기(2000)를 설명한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 가습기(2000)는, 미드-케이스(2110)가 그 내주면에 단차(2112)를 갖고 복합 가스켓(2130)[더욱 구체적으로는 브라켓부(2132)]이 상기 단차(2112)에 의해 지지된다는 것을 제외하고는 도 2의 연료전지용 가습기(2000)와 동일하다.

상기 브라켓부(2132)가 상기 미드-케이스(2110)의 단차(2112)에 의해 지지될 뿐만 아니라 상기 패킹부(2131)보다 상대적으로 높은 경도를 갖기 때문에, 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 상기 미드-케이스(2110)에 체결될 때 상기 브라켓부(2132)가 상기 캡(2200)과 함께 패킹부(2131)에 압력을 효과적으로 가할 수 있다. 따라서, 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132) 사이의 계면[즉, 상기 내부 바디(2130a)의 상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면]을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 우수한 내부 실링(internal sealing)을 보장할 수 있다.

또한, 도 4(f)에 예시된 바와 같이, 복합 가스켓(2130)의 내부 바디(2130a)의 표면 중 적어도 일부를 프라이머로 처리할 때, 고정층(2122)과 접촉하게 될 표면은 물론이고 상기 단차(2112)에 의해 지지될 표면도 프라이머로 처리함으로써 상기 내부 바디(2130a)와 상기 고정층(2122)의 접착 강도를 더욱 향상시켜 내부 실링 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 내부 바디(2130a)와 상기 단차(2112) 사이의 접착 강도를 더욱 향상시켜 외부 실링 효과를 극대화할 수 있다.

이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기(2000)를 설명한다.

도 6에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 가습기(2000)는, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)을 포함하고 있다는 것을 제외하고는, 상술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 의하면, 상기 중공사막들은 제1 그룹의 중공사막들(2121a) 및 제2 그룹의 중공사막들(2121b)을 포함하고, 상기 가습 모듈(2100)은 상기 제1 그룹의 중공사막들(2121a)이 내부에 배치된 제1 이너 케이스(2123a) 및 상기 제2 그룹의 중공사막들(2121b)이 내부에 배치된 제2 이너 케이스(2123b)를 포함하며, 상기 고정층(2122)은 상기 제1 그룹의 중공사막들(2121a)의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1a), 상기 제2 그룹의 중공사막들의 말단들(2121b)이 포팅되어 있는 제2 고정층(2122-1b), 및 상기 제1 및 제2 고정층들(2122-1a, 2122-1b)을 감싸며 상기 복합 가스켓(2130)의 상기 내부 바디(2130a)와 접착된 제3 고정층(2122-2)을 포함한다.

상기 제1 그룹의 중공사막들(2121a), 상기 제1 고정층(2122-1a), 및 상기 제1 이너 케이스(2123a)는 제1 중공사막 카트리지(2120a)를 구성하고, 상기 제2 그룹의 중공사막들(2121b), 상기 제2 고정층(2122-1b), 및 상기 제2 이너 케이스(2123b)는 제2 중공사막 카트리지(2120b)를 구성한다.

도 6에 예시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 이너 케이스들(2123a, 2123b)의 말단들이 상기 제1 및 제2 고정층들(2122-1a, 2122-1b)에 각각 포팅되어 있음으로써 상기 제1 그룹의 중공사막들(2121a)과 상기 제1 이너 케이스(2123a)의 상대적 위치 및 상기 제2 그룹의 중공사막들(2121b)과 상기 제2 이너 케이스(2123b)의 상대적 위치가 각각 일정하게 유지될 수 있다.

더 큰 가습 용량을 위해서는 중공사막들(2121)의 개수를 증가시켜야 한다. 그러나, 1개의 중공사막 카트리지(2120)만을 포함하는 제1 및 제2 실시예들의 경우, 중공사막들(2121)이 많을수록 중앙에 위치한 중공사막들(2121)들에 배가스가 전달되기 어려워진다는 문제점이 있다.

이에 반해, 본 발명의 제3 실시예에서는, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)이 서로 이격되어 배치되기 때문에 전체 중공사막들(2121a, 2121b)의 개수가 증가하더라도 배가스가 상기 전체 중공사막들(2121a, 2121b)에 비교적 균일하게 전달될 수 있다. 즉, 중공사막들의 개수가 동일할 경우, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)을 포함하는 상기 제3 실시예의 구조가 1개의 중공사막 카트리지(2120)만을 포함하는 제1 및 제2 실시예들의 구조들에 비해 중공사막 활용도 측면에서 유리하다.

연료전지의 용량(또는, 요구되는 가습 용량), 가습기의 크기, 가습기의 무게 등을 전체적으로 고려하여 상기 미드-케이스(2110) 내에 장착되는 중공사막 카트리지(들)의 개수를 결정할 수 있다.

이하에서는, 도 7a 내지 도 7f를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기(2000)의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 7a에 예시된 바와 같이, 다수의 중공사막들(2121')의 말단들이 제1 고정층(2122-1')에 포팅되어 있는 중공사막 카트리지(2120')를 준비한다.

상기 중공사막 카트리지(2120')는, 상기 중공사막들(2121') 각각의 적어도 일부를 이너 케이스(2123) 내에 삽입한 후 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 이용한 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행함으로써 제조될 수 있다. 상기 액상 수지의 경화를 통해, 상기 중공사막들(2121')의 말단들이 포팅되어 있는 상기 제1 고정층(2122-1')이 형성된다.

상기 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행할 때 상기 이너 케이스(2123)의 말단도 상기 중공사막들(2121')의 말단들과 함께 상기 제1 고정층(2122-1')에 포팅되도록 할 수 있다.

상기 이너 케이스(2123)는 그 길이방향을 따라 서로 반대측에 위치한 제1 및 제2 그룹의 홀들(H)을 가질 수 있다.

이어서, 도 7b에 예시된 바와 같이, 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(2110) 내에 상기 중공사막 카트리지(2120')를 삽입한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미드-케이스(2110)는 단일 폐곡선 형태의 횡단면을 갖는다. 상기 미드-케이스(2110)는 그 내부 공간을 길이방향을 따라 서로 반대측에 위치한 배가스 유입 공간과 배가스 배출 공간으로 나누는 격벽을 가질 수 있으며, 상기 격벽에 형성된 홀에 상기 중공사막 카트리지(2120')가 끼워짐으로써 상기 격벽에 의해 지지될 수 있다. 이때, 상기 이너 케이스(2123)의 제1 그룹의 홀들(H)은 상기 배가스 유입 공간 내에 존재하게 되고, 상기 이너 케이스(2123)의 제2 그룹의 홀들(H)은 상기 배가스 배출 공간 내에 존재하게 된다.

이 경우, 상기 배가스 유입 공간으로 들어온 배가스는, 상기 제1 그룹의 홀들(H)을 통해 상기 이너 케이스(2123) 내로 유입되고, 상기 이너 케이스(2123) 내에서 상기 제2 그룹의 홀들(H)을 향해 흐르게 되고, 상기 제2 그룹을 홀들(H)을 통해 상기 배가스 배출 공간으로 이동하며, 이어서 상기 미드-케이스(2110)으로부터 배출된다.

이어서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 홈(G)을 갖는 복합 가스켓(2130)을 준비한 후, 상기 미드-케이스(2110)의 말단이 상기 홈(G)에 끼워지도록 상기 복합 가스켓(2130)을 상기 미드-케이스(2110)의 말단 상에 장착한다.

상기 복합 가스켓(2130)은, (i) 상기 제2 물질로 형성된 브라켓부(2132)를 준비하는 단계, (ii) 상기 브라켓부(2132)를 금형에 삽입하는 단계, (iii) 상기 브라켓부(2132)가 삽입되어 있는 상기 금형에 상기 제1 물질의 용융물(melt)을 사출하는 단계, 및 (iv) 상기 제1 물질의 용융물을 냉각시킴으로써 상기 브라켓부(2132)에 접착된 상기 패킹부(2131)를 얻는 단계를 수행함으로써 얻어질 수 있다. 선택적으로(optionally), 상기 브라켓부(2132)의 표면을 프라이머로 처리한 후 상기 금형에 삽입함으로써 상기 브라켓부(2132)와 상기 패킹부(2131) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.

대안적으로, 이종 사출 성형을 수행함으로써 상기 브라켓부(2132)와 상기 패킹부(2131)를 동시에 형성할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 상기 공정들을 통해 얻어진 상기 복합 가스켓(2130)의 내부 바디(2130a)의 표면 중 적어도 일부를 상기 프라이머로 처리할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132)가 사출 성형을 통해 일체로 형성되기 때문에 상이한 물질들로 형성됨에도 불구하고 이들 사이의 강한 접착력이 얻어질 수 있다. 따라서, 상기 패킹부(2131)와 상기 브라켓부(2132) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 우수한 내부 실링을 보장할 수 있다.

이어서, 도 7d에 예시된 바와 같이, 상기 미드-케이스(2110) 및 상기 복합 가스켓(2130)과 상기 중공사막 카트리지(2120')의 말단 사이의 갭을 메우는 제2 고정층(2122-2')을 형성한다.

상기 제2 고정층(2122-2')은, 상기 미드-케이스(2110)에 포팅캡(미도시)을 체결하고, 상기 포팅캡이 상기 미드-케이스(2110) 아래에 위치한 상태에서 상기 포팅캡에 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 주입하고 경화시키는 딥 캐스팅 공정을 수행하고, 이어서 상기 포팅캡을 제거함으로써 제조될 수 있다. 대안적으로, 상기 제2 고정층(2122-2')은 원심 캐스팅 공정을 통해 형성될 수도 있다.

상기 제1 및 제2 고정층들(2122-1', 2122-2')은 상이한 액상 수지들로 각각 조성될 수 있지만, 이들 간의 접착 강도 측면에서 동일한 물질(예를 들어, 액상 폴리우레탄 수지)로 각각 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 고정층(2122-2') 형성에 사용되는 액상 수지(예를 들어, 액상의 폴리우레탄)가 복합 가스켓(2130)[특히, 브라켓부(2132)]과 접촉한 상태에서 경화되도록 함으로써 이것에 대한 상기 제2 고정층(2122-2')의 접착력을 향상시키고 내부 실링을 강화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 브라켓부(2132)가 상기 제2 고정층(2122-2')과 우수한 접착력을 갖는 물질로 형성되기 때문에, 이들 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 더욱 강한 내부 실링을 제공할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 브라켓부(2132)의 표면을 프라이머로 처리할 경우, 상기 브라켓부(2132)와 상기 제2 고정층(2122-2')의 접착 강도가 극대화됨으로써 더욱 우수한 내부 실링이 제공될 수 있다.

이어서, 도 7d의 커팅 라인(CL)을 따라 상기 제1 고정층(2122-1'), 상기 제2 고정층(2122-2'), 및 상기 중공사막들(2121')을 동시에 커팅함으로써, 도 7e에 예시된 바와 같이, 제2 고정층(2122-2)에 의해 에워싸인 제1 고정층(2122-1)에 포팅된 말단들이 개방된 중공사막들(2121)을 얻는다.

이어서, 도 7f에 예시된 바와 같이, 상기 미드-케이스(2110)에 캡(2200)을 체결하되, 상기 캡(2200)에 의해 상기 복합 가스켓(2130)의 커넥팅 바디(2130c)가 압축되도록 상기 캡(2200)을 체결한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캡(2200)은, 도 5f에 예시된 바와 같이, 상기 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 위치에 돌기(2220)를 가질 수 있다. 상기 미드-케이스(2110)의 말단은 상기 복합 가스켓(2130)의 홈(G)에 끼워지기 때문에, 상기 돌기(2220)는 상기 미드-케이스(2110)의 말단과 함께 상기 복합 가스켓(2130)의 커넥팅 바디(2130c)를 더욱 효과적으로 압축시킴으로써 더 타이트한 외부 실링을 가능하게 한다.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 종래 기술의 실런트 도포 및 경화 공정들 없이, 상기 복합 가스켓(2130)의 기계적 조립만을 통해 상기 외부 누출과 상기 내부 누출을 모두 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 종래기술에서 요구되는 실런트 도포 공정 및 실런트 경화 공정이 생략되기 때문에 작업성이 향상될 뿐만 아니라 제조 시간이 단축됨으로써 그 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 실런트 경화 공정 중에 반제품을 보관할 별도의 공간이 요구되지 않기 때문에 가습기 생산 비용이 절감될 수 있다.

1000, 2000: 연료전지용 가습기
1100, 2100: 가습 모듈 1110, 2110: 미드-케이스
1110a: 배가스 유입구 1110b: 배가스 배출구
2120: 중공사막 카트리지 1120, 2121: 중공사막
1130, 2122: 고정층 1140: 수지층
2123: 이너 케이스
2130: 복합 가스켓 2130a: 내부 바디
2130b: 외부 바디 2130c: 커넥팅 바디
2131: 패킹부 2132: 브라켓부
2133: 프라이머층
1200, 2200: 캡 2210: 포트
2220: 돌기 2310: 볼트
2320: 너트

Claims

외부로부터 공급되는 가스를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(off-gas) 내의 수분(moisture)으로 가습하는 가습 모듈(humidifying module); 및
상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들(caps)
을 포함하되,
상기 가습 모듈은,
양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스(mid-case);
상기 미드-케이스 내의 다수의 중공사막들;
상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(fixing layer); 및
상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 복합 가스켓(composite gasket)
을 포함하고,
상기 복합 가스켓은,
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 내부에 위치하는 내부 바디(inner body);
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 외부에 위치하는 외부 바디(outer body); 및
상기 내부 바디와 상기 외부 바디 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디(connecting body)
를 포함하며,
상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 고정층과 접착되어 있으며 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된,
연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 제1 물질은 연질 고무(soft rubber)이고,
상기 제2 물질은 금속, 경질 플라스틱(rigid plastic), 경질 고무(hard rubber), 또는 상기 제1 물질과 상이한 종류의 연질 고무인,
연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 제1 물질은 연질 실리콘 고무 또는 연질 우레탄 고무를 포함하고,
상기 제2 물질은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 경질 실리콘, 또는 경질 우레탄을 포함하는,
연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 제1 물질은 연질 실리콘 고무를 포함하고,
상기 제2 물질은 연질 우레탄 고무를 포함하는,
연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 내부 바디는,
상기 제1 물질로 형성되며 상기 커넥팅 바디와 직접 연결되어 있는 제1 부분; 및
상기 제2 물질로 형성되며 상기 제1 부분 및 상기 고정층과 각각 접착되어 있는 제2 부분
을 포함하는,
연료전지용 가습기.
제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면은 단차를 갖는,
연료전지용 가습기.
제5항에 있어서,
상기 내부 바디의 상기 제1 부분은 상기 외부 바디 및 상기 커넥팅 바디와 함께 상기 제1 물질로 형성된 패킹부를 구성하고,
상기 내부 바디의 상기 제2 부분은 상기 제2 물질로 형성된 브라켓부를 구성하며,
상기 패킹부와 상기 브라켓부는 사출 성형을 통해 일체로 형성된(integrally formed),
연료전지용 가습기.
제5항에 있어서,
상기 복합 가스켓은 고무 접착성분, 아크릴 접착성분, 폴리우레탄 접착성분, 에폭시 접착성분, 실리콘 접착성분, 폴리아미드계 접착성분, 폴리이미드계 접착성분, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 프라이머층을 상기 내부 바디의 표면의 적어도 일부 상에 더 포함하는,,
연료전지용 가습기.
제1항에 있어서,
상기 고정층은,
상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층; 및
상기 제1 고정층을 감싸며 상기 복합 가스켓의 상기 내부 바디와 접착된 제2 고정층
를 포함하는,
연료전지용 가습기.
제9항에 있어서,
상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 동일한 물질로 형성된,
연료전지용 가습기.
제9항에 있어서,
상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 모두는 폴리우레탄(PU) 수지를 포함하는,
연료전지용 가습기.
제9항에 있어서,
상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방된 이너 케이스(inner case)를 상기 미드-케이스 내에 더 포함하고,
상기 중공사막들은 상기 이너 케이스 내에 배치되어 있으며,
상기 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있는,
연료전지용 가습기.
외부로부터 공급되는 가스를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및
상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들
을 포함하되,
상기 가습 모듈은,
양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스;
상기 미드-케이스 내의 다수의 중공사막들;
상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 고정층; 및
상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 복합 가스켓
을 포함하고,
상기 복합 가스켓은,
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 내부에 위치하는 내부 바디;
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 외부에 위치하는 외부 바디; 및
상기 내부 바디와 상기 외부 바디 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디
를 포함하며,
상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 고정층과 접착되어 있으며 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성되고,
상기 중공사막들은 제1 그룹의 중공사막들 및 제2 그룹의 중공사막들을 포함하고,
상기 가습 모듈은,
상기 제1 그룹의 중공사막들이 내부에 배치되어 있는 제1 이너 케이스; 및
상기 제2 그룹의 중공사막들이 내부에 배치되어 있는 제2 이너 케이스
를 더 포함하며,
상기 고정층은,
상기 제1 그룹의 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층;
상기 제2 그룹의 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제2 고정층; 및
상기 제1 및 제2 고정층들을 감싸며 상기 복합 가스켓의 상기 내부 바디와 접착된 제3 고정층
을 포함하고,
상기 제1 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있고,
상기 제2 이너 케이스의 말단은 상기 제2 고정층에 포팅되어 있는,
연료전지용 가습기.
다수의 중공사막들의 말단들이 제1 고정층에 포팅되어 있는 중공사막 카트리지를 준비하는 단계;
양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스 내에 상기 중공사막 카트리지를 삽입하는 단계;
상기 미드-케이스의 말단에 대응하는 홈을 갖는 복합 가스켓을 준비하는 단계;
상기 미드-케이스의 말단이 상기 홈에 끼워지도록 상기 복합 가스켓을 상기 미드-케이스의 말단 상에 장착하는 단계;
상기 미드-케이스 및 상기 복합 가스켓과 상기 중공사막 카트리지의 말단 사이의 갭을 메우는 제2 고정층을 형성하는 단계;
상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층, 및 상기 중공사막들을 동시에 커팅함으로써 상기 중공사막들의 말단들을 개방시키는 단계; 및
상기 미드-케이스에 캡을 체결하되, 상기 캡에 의해 상기 복합 가스켓이 압축되도록 상기 캡을 체결하는 단계
를 포함하되,
상기 복합 가스켓은,
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 내부에 위치하는 내부 바디;
상기 홈을 기준으로 상기 미드-케이스의 외부에 위치하는 외부 바디; 및
상기 내부 바디와 상기 외부 바디 사이에 위치하며 제1 물질로 형성된 커넥팅 바디
를 포함하며,
상기 내부 바디의 적어도 일부는 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 형성된,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 내부 바디는,
상기 제1 물질로 형성되며 상기 커넥팅 바디와 직접 연결되어 있는 제1 부분; 및
상기 제2 물질로 형성되며 상기 제1 부분 및 상기 고정층과 각각 접착되어 있는 제2 부분
을 포함하는,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 내부 바디의 상기 제1 부분은 상기 외부 바디 및 상기 커넥팅 바디와 함께 상기 제1 물질로 형성된 패킹부를 구성하고,
상기 내부 바디의 상기 제2 부분은 상기 제2 물질로 형성된 브라켓부를 구성하는,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 복합 가스켓 준비 단계는,
상기 브라켓부를 준비하는 단계;
상기 브라켓부를 금형에 삽입하는 단계;
상기 브라켓부가 삽입되어 있는 상기 금형에 상기 제1 물질의 용융물(melt)을 사출하는 단계; 및
상기 제1 물질의 용융물을 냉각시킴으로써 상기 브라켓부에 접착된 상기 패킹부를 얻는 단계
를 포함하는,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 복합 가스켓 준비 단계는,
이종 사출 성형을 수행함으로써 상기 브라켓부와 상기 패킹부를 동시에 형성하는 단계를 포함하는,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 중공사막 카트리지 준비 단계는,
상기 중공사막들 각각의 적어도 일부를 이너 케이스 내에 삽입하는 단계; 및
딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행함으로써 상기 제1 고정층을 형성하는 단계
를 포함하는,
연료전지용 가습기의 제조방법.
제19항에 있어서,
상기 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행할 때 상기 이너 케이스의 말단도 상기 중공사막들의 말단들과 함께 상기 제1 고정층에 포팅되는,
연료전지용 가습기의 제조방법.