KR20220089419A - 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공사막이 수용되는 카트리지를 테이퍼 타입으로 형성하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;를 포함한다. 또한, 상기 카트리지는, 연료전지 스택에서 배출된 배가스가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 배가스가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스; 상기 이너 케이스 내부에 수용되는 중공사막들; 상기 이너 케이스 내부에 형성되며, 상기 중공사막들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재;를 포함한다.

Description

카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기 {Cartridge and fuel cell humidifier comprising it}

본 발명은 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 중공사막이 수용되는 카트리지를 테이퍼 타입으로 형성하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 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 출력 밀도가 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 가습 막 방식 등이 있다.

이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 막가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 막가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 막가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'라인에서 바라본 단면도이며, 도 3은 도 1의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12)을 포함한다.

캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.

가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11b)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11c)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11) 및 미드-케이스(11) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(20)를 포함한다. 도면에서는 하나의 카트리지가 예시되어 있다. 카트리지(20)는 이너 케이스(21)를 구비하며, 이너 케이스(21) 내부에는 다수의 중공사막(22)과 중공사막(22) 다발의 양 말단들을 고정하는 포팅부(23)가 형성된다. 포팅부(23)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

카트리지(20)와 미드-케이스(11) 사이에는 수지층(11e)이 형성되며, 수지층(11e)은 카트리지(20)를 미드-케이스(11)에 고정하고 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(111)의 내부 공간을 차단한다.

미드-케이스(11)의 내부 공간은 격벽들(partitions)(11d)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획된다. 이너 케이스(21)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(24a) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제2 메쉬홀부(24b)을 구비한다.

배가스 유입구(11b)를 통해 미드-케이스(11)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀부(24a)을 통해 이너 케이스(21) 내로 흘러 들어 중공사막(22)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀부(24b)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(11c)를 통해 미드-케이스(11)로부터 배출된다. 이와 같은 이너 케이스(21)를 포함하는 카트리지(20)는 미드-케이스(11)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있다는 장점을 갖는다.

이러한 종래의 카트리지(20)는 중공사막 전체에 걸쳐 균일한 수분투과를 달성하도록 복수의 중공사막(22)이 서로 동일한 간격으로 형성된다.

그러나, 일반적으로 제1 메쉬홀부(24a)을 통해 유입되어 제2 메쉬홀부(24b)을 통해 배출되기까지 상당한 시간이 소요되며, 이에 따라 제1 메쉬홀부(24a)로 유입된 배가스는 초기에는 중공사막으로 선택적으로 투과될 물질의 농도가 비교적 높지만, 시간이 흐름에 따라 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 된다. 즉, 제1 메쉬홀부(24a) 측에서 제2 메쉬홀부(24b)로 배가스가 흐름에 따라, 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 되므로, 제2 메쉬홀부(24b) 측에 놓인 중공사막을 통하여 투과되는 물질의 양 또한 점차 감소하게 되어, 전체적인 연료전지의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2019-0140855호

본 발명은 중공사막이 수용되는 카트리지를 테이퍼 타입으로 형성하여 가습 효율을 향상시킬 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지는,

연료전지 스택에서 배출된 배가스가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 배가스가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스; 상기 이너 케이스 내부에 수용되는 중공사막들; 상기 이너 케이스 내부에 형성되며, 상기 중공사막들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 테이퍼 부재는, 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 폭이 작아지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 중공사막들의 밀집도는 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 증가할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 카트리지에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,

미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;를 포함한다. 또한, 상기 카트리지는, 연료전지 스택에서 배출된 배가스가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 배가스가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스; 상기 이너 케이스 내부에 수용되는 중공사막들; 상기 이너 케이스 내부에 형성되며, 상기 중공사막들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 테이퍼 부재는, 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 폭이 작아지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 중공사막들의 밀집도는 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 증가할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성될 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 의하면, 중공사막이 수용되는 카트리지를 테이퍼 타입으로 형성하여 전체적인 가습 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 6은 도 4의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 연료전지 막가습기를 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 A-A'라인에서 바라본 단면도이며, 도 6은 도 4의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100)는 가습 모듈(110)과 캡들(120)을 포함한다.

가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된다. 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.

가습 모듈(110)은, 배가스 유입구(112)와 배가스 배출구(113)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치된 적어도 하나의 카트리지(200)를 포함한다. 이때, 카트리지(200)는, 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시키기 위해, 테이퍼 형상으로 형성된다. 이에 대해서는 후술한다.

미드-케이스(111)와 캡(120)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다. 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽들(partitions)(114)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다.

카트리지(200)는 다수의 중공사막(220) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(230)를 포함할 수 있다. 중공사막(220)의 말단들은 포팅부(230)에 고정될 수 있다.

또한, 카트리지(200)는 이너 케이스(210)를 더 포함할 수 있다. 이너 케이스(210)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 중공사막(220)이 그 안에 들어 있다. 중공사막(220)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(230)는 이너 케이스(210)의 개구를 폐쇄시킨다.

이너 케이스(210)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제1 메쉬홀부(241) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 제2 메쉬홀부(242)를 구비한다. 제1 메쉬홀부(241) 및 제2 메쉬홀부(242)는 메쉬홀부(240)를 구성한다.

배가스 유입구(112)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀부(241)를 통해 이너 케이스(210) 내로 흘러 들어 중공사막(220)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀부(242)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(113)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 이와 같은 이너 케이스(210)를 포함하는 카트리지(200)는 미드-케이스(111)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있다는 장점을 갖는다.

중공사막(220)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(230)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.

카트리지(200)와 미드-케이스(111) 사이에는 수지층(115)이 형성되며, 수지층(115)은 카트리지(200)를 미드-케이스(111)에 고정하고 캡들(120)의 내부 공간들과 미드-케이스(111)의 내부 공간을 차단한다. 설계에 따라, 수지층(115)은 가습 모듈(110)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합되는 가스켓 조립체로 대체될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(200)에는 중공사막(220)들이 테이퍼 형상으로 이너 케이스(210) 내부에 수용될 수 있다.

이너 케이스(210)는 소정의 형상, 예를 들어 직육면체 형상으로 형성될 수 있다. 이너 케이스(210) 내부에는 중공사막(220)들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재(250)가 형성될 수 있다. 테이퍼 부재(250)는 제1 메쉬홀부(241) 측에서 제2 메쉬홀부(242) 측으로 갈수록 점점 폭이 작아지도록 형성될 수 있다. 즉, 테이퍼 부재(250)는 제2 메쉬홀부(242) 측 단부의 폭 크기(L2)가 제1 메쉬홀부(241) 측 단부의 폭 크기(L1) 보다 작도록 형성될 수 있다.

테이퍼 부재(250)에 의해, 중공사막(220)들은 테이퍼 형상으로 이너 케이스(210) 내부에 배열될 수 있다. 이와 같은 배열에 의해, 중공사막 밀집도는 제1 메쉬홀부(241) 측에서 제2 메쉬홀부(242) 측으로 갈수록 점점 증가하게 된다.

다른 방법으로는, 이너 케이스(210) 형상이 테이퍼 형상으로 형성되도록 할 수 있다. 즉, 이너 케이스(210)를 배가스 유입구(112) 측의 폭이 크고 배가스 배출구(113) 측의 폭이 작은 사다리꼴 형상으로 할 수 있다. 이 경우, 테이퍼 부재(250)는 생략될 수 있고, 배가스 배출구(113) 측의 격벽(114)이 배가스 유입구(112) 측의 격벽(114) 보다 더 크도록 형성하여 미드-케이스(111)의 내부 공간을 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획할 수 있다.

종래의 도 1과 같이, 중공사막(22)의 밀집도를 제1 메쉬홀부(24a) 측과 제2 메쉬홀부(24b) 측에서 동일하게 형성하게 되면, 제1 메쉬홀부(241a) 측에서는 중공사막(22)의 이용 가능한 전체 표면적에 비하여 배가스에 함유된 수분의 함량이 높고, 제2 메쉬홀부(24b) 측에서는 배가스에 함유된 수분의 함량이 상대적으로 낮아, 전체적으로 중공사막(22)을 효율적으로 이용하지 못하게 된다.

반면, 본 발명의 일 실시예와 같이 제1 메쉬홀부(241) 측에서는 중공사막(220) 다발의 밀집도를 낮추어 중공사막(220) 간의 공간을 넓게 형성하여 충분히 수분이 투과될 수 있도록 하고, 제2 메쉬홀부(242) 측에서는 중공사막(220) 다발의 밀집도를 상대적으로 높임으로써 배가스에 낮은 함량으로 존재하는 수분이 중공사막(220)을 투과되도록 하여 중공사막(220)의 낭비없이 전체적인 가습 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 추가적으로 메쉬홀부의 개수나 면적을 조절하여 가습 효율을 향상시킬 수도 있다.

다시, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 메쉬홀부(241) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적이 제2 메쉬홀부(242) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적보다 크도록 형성될 수 있다. 메쉬홀 윈도우(W)는 배가스가 유입되고 배출되는 개구이다.

배가스 유입구(112) 측에 형성되는 제1 메쉬홀부(241) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적을 크게 하여 이너 케이스(210) 내부로의 배가스 유입을 원활히 하고, 배가스 배출구(113) 측에 형성되는 제2 메쉬홀부(242) 측의 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적을 작게 하여 이너 케이스(210) 내에서의 배가스 유동을 촉진시킬 수 있다.

또한, 메쉬홀 윈도우(W)를 비대칭 형상으로 형성함으로써, 대칭 형상의 경우 보다, 제1 메쉬홀부(241)와 제2 메쉬홀부(242) 간의 거리가 증가하게 되고, 이에 의해 이너 케이스(210) 내에서의 배가스의 유동 거리를 증가시킬 수 있게 된다. (도 3의 부호 FL1, 도 6의 FL2 비교 참조) 배가스 유동 거리가 증가함에 따라 배가스가 중공사막(220)의 표면과 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있게 되어 전체적으로 가습 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

양측 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우(W)의 크기가 동일한 경우, 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적은, 제1 메쉬홀부(241)를 이루는 메쉬홀 개수가 제2 메쉬홀부(242)를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 할 수 있다.

또한, 양측 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우(W)의 개수가 동일한 경우, 메쉬홀 윈도우(W)의 총면적은, 제1 메쉬홀부(241)를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 제2 메쉬홀부(242)를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 메쉬홀부(241)와 제2 메쉬홀부(242)의 형상을 비대칭 형상으로 형성하여, 이너 케이스(210) 내에서의 배가스 유동 촉진과 배가스 유동 거리 증가에 따른 가습 효율을 향상을 도모할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 ; 배가스 유입구 113 : 배가스 배출구
114 : 격벽 115 : 수지층
200 : 카트리지 210 : 이너 케이스
220 : 중공사막 230 : 포팅부
240 : 메쉬홀부 250 : 테이퍼 부재

Claims (14)

1. 연료전지 스택에서 배출된 배가스가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 배가스가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스;
   상기 이너 케이스 내부에 수용되는 중공사막들;
   상기 이너 케이스 내부에 형성되며, 상기 중공사막들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재;
   를 포함하는 카트리지.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 테이퍼 부재는,
   상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 폭이 작아지도록 형성되는 카트리지.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 중공사막들의 밀집도는 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 증가하는 카트리지.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성되는 카트리지.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성되는 카트리지.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성되는 카트리지.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성되는 카트리지.
   
8. 미드-케이스;
   상기 미드-케이스와 체결되는 캡;
   상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;를 포함하며, 상기 카트리지는,
   연료전지 스택에서 배출된 배가스가 유입되는 제1 메쉬홀부와, 상기 제1 메쉬홀부를 통해 유입된 배가스가 수분 교환한 후 외부로 배출되는 제2 메쉬홀부가 형성된 이너 케이스;
   상기 이너 케이스 내부에 수용되는 중공사막들;
   상기 이너 케이스 내부에 형성되며, 상기 중공사막들이 테이퍼 형상으로 수용되도록 하는 테이퍼 부재;
   를 포함하는 연료전지 막가습기.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 테이퍼 부재는,
   상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 폭이 작아지도록 형성되는 연료전지 막가습기.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 중공사막들의 밀집도는 상기 제1 메쉬홀부 측에서 상기 제2 메쉬홀부 측으로 갈수록 점점 증가하는 연료전지 막가습기.
    
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부는 비대칭 형상으로 형성되는 연료전지 막가습기.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적이 상기 제2 메쉬홀부 측의 메쉬홀 윈도우의 총면적보다 크도록 형성되는 연료전지 막가습기.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 크기가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수가 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 메쉬홀 개수보다 많도록 형성되는 연료전지 막가습기.
    
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 메쉬홀부와 상기 제2 메쉬홀부의 메쉬홀 윈도우의 개수가 동일한 경우, 상기 제1 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적이 상기 제2 메쉬홀부를 이루는 개개의 메쉬홀 면적보다 크도록 형성되는 연료전지 막가습기.

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